11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика

В зависимости от значений магнитных параметров, назначения и применения магнитные материалы можно классифицировать на следующие группы: магнитомягкие, магнитотвердые и специальные магнитные материалы (рисунок 52).

Магнитомягкие материалы (МММ) намагничиваются в слабых полях (Н≤5∙10⁴ А/м), имеют большие значения магнитной проницаемости (µ_нач ~ 10²…10⁵; µ_max ~ 10³…10⁶, малые потери на перемагничивание. Применяются для изготовления сердечников различных катушек, реле, дросселей, электромагнитов, трансформаторов, магнитных систем электрических машин постоянного и переменного тока и другие.

Рисунок 52. Классификация магнитных материалов

Магнитотвердые материалы (МТМ) намагничиваются в сильных магнитных полях (Н > 1000 кА/м), имеют большие потери при перемагничивании, большую коэрцитивную силу (Н_с до 560 кА/м), магнитную индукцию В_r ~0,1…2 Тл, удельную магнитную энергию до 70 кДж/м³. Используют МТМ для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации.

Специальные магнитные материалы (СММ) имеют какие-то особые магнитные свойства, что предопределяет их относительно узкое применение в каких-то специальных областях техники. Например, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса – в вычислительной технике, цифровых устройствах; термомагнитные, имеющие нелинейную зависимость индукции от температуры – в качестве магнитных шунтов. СММ нами не рассматриваются, подробнее в литературе [1,5,8,9].

Магнитомягкие материалы

МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые стали); электротехнические стали; сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью; сплавы с большой индукцией насыщения; ферриты. В таблице 9 приведены некоторые из основных магнитных параметров МММ различных групп. Анализ значений параметров позволяет понять и различие свойств, и возможность применение материала в конкретных условиях, при заданных требованиях.

К материалам, предназначенным для работы в постоянных магнитных полях или в полях с частотой 5…15 Гц относят карбонильное, электролитическое, технически чистое железо, малоуглеродистые (С < 0,04 %) нелегированные электротехнические стали. Они обладают большой магнитной индукцией, относят их к группе материалов с высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой, достаточно высокой магнитной проницаемостью (см. таблицу 9), имеют хорошие технологические свойства, и находят применение в различных устройствах для создания полей напряженностью Н от 100 до 5∙10⁴ А/м. Увеличение содержания примесей или углерода приводит к снижению магнитных свойств. Остаточные напряжения, возникающие в процессе изготовления проката, дислокации – все это также ухудшает магнитные свойства, но может быть восстановлено отжигом в вакууме или среде водорода. Недостатком материалов этой группы является низкое удельное сопротивление ρ, что приводит к увеличенным потерям на гистерезис, а, следовательно, и ограничивает их применение устройствами с постоянным магнитным полем: электрические двигатели постоянного тока, электромагниты. Они находят применение при изготовлении из них магнитных порошков, используемых для получения магнитодиэлектриков.

Легирование малоуглеродистых сталей кремнием увеличивает их удельное сопротивление ρ. Такие стали называют электротехническими (ГОСТ 21427-75). С увеличением содержания кремния в стали на 1% ρ увеличивается примерно на 0,12 мкОм∙м, но снижается пластичность, повышается твердость и хрупкость, что ухудшает технологические свойства. Поэтому содержание кремния в электротехнических сталях не превышает 5%.

Электротехнические стали имеют цифровую маркировку. Первая цифра в марке определяет вид проката и структуру: 1 – горячекатаная изотропная, 2- холоднокатаная изотропная, 3 – холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления [100]; вторая цифра – условное процентное содержание кремния (чем больше цифра, тем больше Si); третья – условное обозначение потерь при определенном значении индукции В и частоты f (например, третья цифра 1 означает, что удельные потери нормируются при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц и равны 5 Вт/кг, Обозначают Р_1,5/50=5); четвертая цифра – тип стали, и уровень основной нормируемой характеристики: 1- нормальный, 2 – повышенный и т.д.

Выпускается электротехническая сталь в виде листового проката толщиной от 0,05…0,15 до 0,5 мм.

Электротехнические стали находят широкое применение в электротехнических устройствах, рассчитанных на работу при промышленной (f = 50 Гц) и повышенной (50 < f < 400) Гц частотах, при напряженности поля Н<5∙10⁴ А/м(стали марок 2011, 2211) или Н > 100 А/м на частоте f = 400 Гц (стали марок 2311, 2411, 1311, 1411). Применение анизотропной электротехнической стали позволяет при прочих равных условиях снизить массу и габариты сердечников трансформаторов, дросселей и другие. устройств.

Особо тонкая анизотропная электротехническая сталь толщиной 0,05…0,15 мм может применяться при частоте до f < 1000 Гц, но потери на этих частотах будут в 5…10 раз больше, чем при частоте f = 50 Гц, и могут составить ~25…30 Вт/кг (таблица 9)

Для вращающихся магнитопроводов электродвигателей , генераторов и других машин анизотропия сталей является причиной дополнительных потерь, поэтому в них применяют изотропные стали с повышенным содержанием Si.

К высокоэрцитивным сплавам относятся и сплавы на основе кобальта марок 27КХ, 49К2ФА, 50КФ2 и другие., имеющие значение индукции насыщения В_s ≤ 2,3Тл в полях с напряженностью Н_s~8 кА/м.

К МММ с высокой магнитной проницаемостью относятся пермаллои (система Fe-Ni) и альсиферы (система Al-Si-Fe). Они обеспечивают большие значения магнитной индукции в очень слабых магнитных полях (Н<100 А/м), и имеют большое значение начальной проницаемости µ_нач (таблица 9).

Таблица 9

Магнитные свойства МММ

Материал, марки	µн×102	µmax×103	Нс, А/м	Вs, Тл	ρ, мкОм∙м	Примечание*
Технически чистое железо	2…4	3…15	6…60	2,18…2,2	<0,1
Низкоуглеродистые электротехнические стали (ГОСТ 3836-83) 10895; 20848		3…5	50…100	1,3…2,05	<0,1	Н от (500…104) кА/м
Электротехнические стали
 горячекатаные изотропные: 1411,1511				1,5…1,9	0,14…0,4	Нs~(2,5…30) кА/м; Ρ1,5/50~(3,5……6) Вт/кг
 холоднокатаные изотропные: 2011,2311	2…6	15…60	10…65	1,6…2,0	0,14…0,5	Нs~(2,5…30) кА/м; Ρ1,5/50~(4… …10) Вт/кг
 холоднокатаные анизотропные: 3411, 3416				1,75..19	0,4…0,6	Нs~2,5 кА/м; Ρ1,5/50~(1… …2,5) Вт/кг
Кобальтовые сплавы типа 50КФ2			<140	2,2…2,3	0,2…0,4	Нs~8кА/м
Низконикелевый пермаллой, Ni<50%: 45H, 47HK	15…40	15…500	5…32	1…1,6	0,5…0,9
Высоколегированный пермаллой, Ni>70%: 80НХС, 79НМ	70… …2000	100… …1000	0,2…0,6	0,6…1,0	0,55…0,8
Альсиферы	340	117	1,8	1,0…1,8	0,8
Аморфные сплавы: АМАГ225	22..100	120..750	0,6…8,0	0,7…1,6	1,25..1,8
Пермендюр (Fe –Co)	11	4	160	2,5	0,18
Ферриты ММ общего назначения:
Ni-Zn: 400НН,1000НН	1…20	0,8…3,5		0,44… …0,27	109…1012	fкр<100 МГц, при tgδM=0,1
Mn-Zn: 4000НМ,1000НМ	10…30	1,8…3,5		0,35… …0,38	5×105	fкр<1 МГц, при tgδM=0,1

Маркировка ММ пермаллоев аналогична маркировке сталей, но дополнительно введены обозначения железа – Ж; рения – И; бериллия – Л; редкоземельных элементов – Ч. Марка сплава содержит число, указывающее среднее содержание в процентах основного элемента (кроме Fe), и букву, обозначающую этот элемент. Массовые доли других легирующих элементов обычно не указывают, а приводят лишь их буквенное обозначение. Буква П в конце марки означает прямоугольность петли гистерезиса. Обозначение сплава: пермаллой 79НМ – содержит 79% Ni, легирован молибденом.

Отклонение от стехиометрического состава компонентов изменяет магнитные свойства пермаллоев, содержание углерода и других примесей в них ограничено. В зависимости от способа выплавки получают пермаллои различного качества по магнитным свойствам: в открытых печах – нормальное качество; плавка в вакууме – повышенное; в вакуумных индукционных печах с последующим переплавом – высокое. Пермаллои хорошо обрабатываются давлением, пластичны.

Магнитные свойства пермаллоев меняются (ухудшаются) под воздействием даже слабых механических напряжений. Например, падение с высоты один метр ухудшает магнитные параметры в два раза. Поэтому после изготовления деталей из пермаллоя их подвергают термической обработке, а при сборке необходимо избегать ударов, сильного сдавливания их обмоткой при затяжке. Термическая обработка пермаллоев специфична и состоит из многоступенчатых режимов с разными скоростями охлаждения [1, 9, 10]. Путем обработки пермаллоя в магнитном поле достигают у сплавов 65НП и 79НМП прямоугольной петли гистерезиса. Сердечники, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах до 700 кГц, а при толщине 1,5 мкм – до 1 МГц. Из-за сложности и дороговизны тонких ленточных сердечников в настоящее время применяют другие методы создания пленок толщиной 1…10 мкм, используя методы напыления материала в вакууме на подложку из немагнитного материала.

Для замены дорогостоящего пермаллоя разработаны сплавы на основе Fe – Si – Al, альсиферы. Их магнитные характеристики близки к характеристикам пермаллоев, но они более дешевы. Недостатки альсиферов – высокая твердость, хрупкость, что исключает возможность обработки резанием. Изделия получают литьем или методами порошковой металлургии.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью в слабых полях используют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторах, дросселей, деталей магнитных цепей, сердечников импульсных трансформаторов, в устройствах связи для звуковых и высоких частот (~100 кГц), в магнитных усилителях. Альсиферы применяют для изготовления магнитных экранов, корпусов приборов и электрических машин. Порошки из альсифера используют для изготовления прессованных сердечников и магнитодиэлектриков.

Аморфные металлические магнитные сплавы (АММС) получают в результате быстрой закалки расплава. В АММС сохраняется ближний порядок и упорядоченное расположение магнитных моментов. Ленты являются основным видом полуфабриката, из которого изготавливают детали и изделия методами гибки, навивки, штамповки. Высокие магнитные свойства АММС получают после термической обработки во внешнем магнитном поле. Большие значения ρ уменьшают магнитные потери. АММС могут работать при повышенных частотах (до 1 МГц). Их применяют в качестве материала для изготовления сердечников магнитных головок записи и воспроизведения звука, высокочастотных трансформаторов, магнитных усилителей, в датчиках, магнитострикционных вибраторах, измерительных трансформаторах тока и напряжения, электродвигателях с высоким КПД. Недостаток АММС – низкая температура точки Кюри: уже при температуре ~150…160°С в них начинаются процессы кристаллизации.

В качестве материалов для работы при высоких и сверхвысоких частотах (до десятков и сотен МГц и более) используют магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики.

Ферриты представляют собой магнитную керамику, получаемую спеканием оксидов железа с оксидами других металлов. Широко применяются марганцево-цинковые (для частот до единиц МГц) и никель-цинковые (для частот до 100 МГц) ферриты. Значения удельного сопротивления у ферритов – высокое и достигает ρ ~ 10¹¹…10¹³ Ом∙м (как у полупроводников), что приводит к малым потерям. Магнитные свойства ниже, чем у металлических ферромагнетиков, поэтому применять ферриты на низких частотах нецелесообразно, так как они имеют малые значения В_s < 0,4 Тл, и Н_с < 180 А/м, температуру точки Кюри ~ 300 °С. Применяются ферриты, как и магнитодиэлектрики, в устройствах, работающих в диапазоне радиочастот для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телеаппаратуры. Ферриты хрупки, тверды, плохо обрабатываются.