Материалы с особыми физическими свойствами
материалы с особыми магнитными свойствами
Согласно ГОСТ 19693 магнитомягкий материал – магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м; а магнитотвердый материал – магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции не менее 4 кА/м. Отметим, что данная граница деления магнитных материалов (4 кА/м) достаточно условна.
А. Магнитомягкие материалы – Магнитомягкие материалы имеют общие области применения – в сердечниках трансформаторов, дросселей, реле, головках магнитной записи, магнитных экранах, магнитных усилителях, феррозондах и других электротехнических и электронных устройствах.
Магнитомягкие материалы имеют высокое значение нач, способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях, т. е. обладают малой величиной Hc и имеют малые потери p при перемагничивании вдоль направления магнитопроводов.
Магнитомягкие материалы: металлические – ферромагнитное чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали, магнитомягкие сплавы на железной и железоникелевой основе, в том числе аморфные металлические сплавы; магнитомягкие ферриты – комплексные оксиды переходных металлов, содержащие группу Fe2O3; магнитодиэлектрики – композиты на основе порошка магнитомягкого ферро- или ферримагнетика в диэлектрической матрице.
В основном в качестве магнитомягких материалов применяют:
- Кристаллические магнитомягкие сплавы. Согласно ГОСТ 10160-75 [56], по основным свойствам и назначению магнитомягкие кристаллические сплавы делятся на 8 групп (см. таблицу 17).
Электротехнические стали – это класс магнитно-мягких материалов на основе Fe–Si (таблица 18), которые предназначены для изготовления магнитопроводов в электротехнических изделиях. Эта группа материалов применяется преимущественно в трех видах изделий:
1) электрические машины (генераторы и электродвигатели),
2) трансформаторы (преимущественно силовые, работающие при низких частотах),
3) выключающие устройства (электромагнитные реле).
ЭТС в соответствии с тремя областями применения подразделяют на динамные, трансформаторные и релейные стали. Для динамных и трансформаторных сталей требуется высокое значение индукции насыщения и малые потери на перемагничивание. Различие применений этих сталей в том, что в трансформаторных сталях направление магнитного поля неизменно, а динамные стали используются в магнитопроводах, где магнитный поток либо вращается, либо охватывает все направления в плоскости листа. Поэтому трансформаторные стали могут быть текстурованными. Более того, в трансформаторных сталях создание кристаллической текстуры является способом снижения магнитных потерь. В динамных сталях такой способ неприемлем, они должны быть изотропными.
Применительно к области использования сплавов в электротехнике (для изготовления сердечников трансформаторов, а также статоров и роторов электродвигателей) применяются также стандарты ГОСТ 21427.1-83 и ГОСТ 21427.2-83, которые нормируют параметры электротехнических сталей.
Таблица 17 – Классификация магнитомягких сплавов
Группа сплавов |
Основа сплава |
Марка сплава |
Основные нормируемые параметры |
Назначение |
|||
С наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях |
Fe-Ni (Высоко-никелевые пермаллои, Fe-Ni-Cu - изопермы)
|
79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ |
|
Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, дефектоскопов, головок магнитной записи, магнитные экраны |
|||
С высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением |
50НХС |
, , ρ, Нс, BS |
Сердечники аппаратуры связи, дросселей, импульсных трансформаторов |
||||
С высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения |
45Н, 50Н |
, , Нс, BS |
Витые и штампованные сердечники междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей |
||||
С прямоугольной петлей гистерезиса |
50НП, 68НМП, 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП, 79НМП, 77НМДП |
, Br/BS, Нс, BS |
Сердечники магнитных усилителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформаторов, магнитных элементов, счетно-решающих устройств |
||||
С высокой индукцией насыщения |
Fе-Со (пермендюры) |
27КХ, 49КФ, 49К2Ф, 49К2ФА |
BS, Tc, Нс |
Сердечники и полюсные наконечники обычных и сверхпроводящих магнитов, электромагнитов, малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей, экранов, роторов и статоров электрических машин |
|||
С низкой остаточной индукцией |
Fе-Ni-Со (перминвары), Fе-Ni |
47НК, 64Н, 40НКМ |
Br/Bs, , / , ТКμ |
Сердечники импульсных и широкополосных трансформаторов, катушек постоянной индуктивности |
|||
С высокой магнитной проницаемостью и при однополярном намагничивании и анизотропией магнитных свойств |
Fе-Ni |
68НМ, 79НЗМ |
μимп |
Сердечники импульсных трансформаторов, работающих в режиме перемагничивания однополярными импульсами, пороговые устройства (токовые переключатели) |
|||
Магнитомягкие сплавы со специальными свойствами |
|||||||
С повышенной деформационной стабильностью и износостойкостью |
Fе-Si-Аl (типа сендаст), Fе-Аl, Fе-Ni |
10СЮ-ВИ, 10СЮ-МП, 16ЮХ-ВИ, 16ЮИХ-ВИ, 81НМА |
HV, σB, , ρ |
Сердечники магнитных головок записи и воспроизведения звука, кода, видеоизображения |
|||
С заданным температурным коэффициентом линейного расширения |
Fе-Ni |
52Н, 52Н-ВИ, 47НД, 47НД-ВИ |
ТКЛР, Нс, Bs |
Магнитные элементы герметизированных магнитных контактов (герконы) |
|||
С высокой коррозионной стойкостью |
Fе-Ni-Сo, Fe-Cr |
36КНМ, 16Х, 00Х13 |
Скорость коррозии, В(Н), Hc |
Магнитопроводы систем управления, якорей электромагнитов, статоров и роторов электрических машин, магнитопроводов пневматических и гидравлических клапанов |
|||
С высокой магнитострикцией |
Ni, Fе-Со, Fе-Аl |
Никель НП-2-Т, 49К2Ф, 9Ю-ВИ |
λs, Hc |
Сердечники магнитострикционных преобразователей в ультразвуковой и гидроакустической аппаратуре, телефонных мембран, в электромеханических фильтрах, линиях задержки |
|||
Термомагнитные сплавы |
Fе-Ni |
31НХЗГ2, 31НХЗГ, 32НХЗ, ЗЗНХЗ, НЗЗЮ1, ЗОНТ, 36Н11Х, 32Н6ХЮ, ТКМ-09-01, ТКМ-015-1, ТКМ-015-2 |
В(Т), ТКμ |
Компенсационные магнитные шунты измерительных приборов и электровакуумных приборов |
|||
Для работы на сверхвысоких частотах |
Fе-Аl-Сг |
7ЮХ-ВИ |
Повышенное поверхностное сопротивление в диапазоне длин волн |
Для устройств СВЧ (волноводов, аттенюаторов, термических измерителей мощности) |
|||
,
,
Нс,
ВsПримечание:ρ – удельное электрическое сопротивление, Омм; HV – твердость по Виккерсу, МПа; σB – временное сопротивление, МПа;
ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, К–1.
Таблица 18 – Нормируемые параметры электротехнических сталей
Группа сплавов |
Марка сплава (примеры) |
Основные нормируемые параметры |
Назначение |
Анизотропная электротехническая сталь |
3311, 3412, 3415, 3404, 3422 |
P1,0/50 или P1,5/50 или Р1,7/50; В100 или В2500 |
Для витых и разрезных ленточных магнитопроводов трансформаторов и дросселей. |
Изотропная электротехническая сталь |
2011, 2212, 2412, 3СЮ |
P1,0/50 и P1,5/50; В1000 и В2500, В2500 |
Для магнитопроводов электрических машин и аппаратов, работающих при повышенных частотах (400-20000 Гц). |
P1,0/50, P1,5/50, Р1,7/50 |
– |
удельные магнитные потери при значении магнитной индукции 1,0; 1,5 и 1,7 Тл при частоте 50 Гц; |
В100, В1000, В2500 |
– |
магнитная индукция при напряженности постоянного магнитного поля 100, 1000 и 2500 А/м |
В2500 |
– |
анизотропия магнитной индукции при напряженности постоянного магнитного поля 2500 А/м |
Магнитомягкие ферриты - материалы, работающие при очень высоких частотах, должны обладать большим (для уменьшения потерь на вихревые токи) и максимальной скоростью установления намагниченности. Таким требованиям отвечают ферримагнетики, к которым в первую очередь относятся ферриты. Их = =10–5108 Ом·м и сильно зависит от состава и структуры.
Магнитомягкие ферриты представляют собой в основном поликристаллические материалы. Наибольшее распространение получили марганцево-цинковые ферриты (твердые растворы MnFe2O4 и ZnFe2O4) и никель-цинковые ферриты (твердые растворы NiFe2O4 и ZnFe2O4). Разнообразие свойств этих ферритов определяется главным образом соотношением основных компонентов, легирующими добавками (Co, Li, Ti, Ca) и режимами синтеза.
Аморфные, аморфно-нанокристаллические, нанокристаллические и микрокристаллические
1) Аморфные сплавы отличаются уникальным сочетанием физико-механических свойств:
Делятся по материал основе:
на основе Fe-Ni. Основное достоинство: высокая максимальная проницаемость, Bs=0,7-1,1 Тл, Нс=0,2-0,6 А/м |
Таблица. Наиболее применяемые аморфные сплавы и их свойства после оптимальной обработки
|
2) Нанокристаллические сплавы (НКС) отличаются высокой индукцией насыщения Bs (от 1,25 до 1,60 Тл в зависимости от состава НКС), которая превышает Bs в пермаллоях, потери на перемагничивание при этом ниже, чем для большинства массивных материалов. Магнитно-мягкие НКС в большинстве случаев получают путем кристаллизации аморфных сплавов на основе железа.
Можно выделить 4 группы нанокристаллических сплавов:
сплавы на основе Fe-Cu-Nb-Si-B типа Файнмет,
наносплавы на основе Fe-M-B (М - переходные металлы)
наносплавы Fe-M-B-Cu (М - переходные металлы)
Тонкопленочные нанокристаллические материалы.
3) Микрокристаллические сплавы (МКС). В микрокристаллическом состоянии (размер зерна ~ 10 мкм) используются в основном электротехнические сплавы системы Fe-Si. При условии микрокристалличности структуры эти сплавы обладают весьма высокой технологической пластичностью. что позволяет подвергать их холодной прокатке, штамповке, резке, т.е. наиболее простым способом создавать изделия нужных размеров и формы.
Б. Магнитотвердые материалы. Магнитотвердые материалы по назначению делят на три большие группы (см. таблицу 19):
материалы для постоянных магнитов;
материалы для роторов гистерезисных двигателей;
материалы для магнитной записи.
Таблица 19 – Магнитотвердые материалы
Группа материалов |
Подгруппы сплавов |
Нормативный документ (НД) и нормируемые параметры |
Материалы для постоянных магнитов |
Деформируемые сплавы на основе Fe-Co-Cr |
ГОСТ 24897-81,
|
Литые сплавы на основе Fe-Ni-Al-Cu-(Co) (ЮНД и ЮНДК) |
ГОСТ 17809-72, , Br, (BH)max, B/H в точке (BH)max |
|
Спеченные материалы на основе Sm-Co |
ГОСТ 21559-76,
,
Br,
(BH)max,
|
|
Магнитотвердые ферриты |
ГОСТ 24063-80, , Br, (BH)max, |
|
Материалы на основе сплавов Nd-Fe-B |
ГОСТ Р 52956-2008, , Br, (BH)max, |
|
Материалы для роторов гистерезисных двигателей |
Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-V |
НД нет; Значения магнитных параметров на предельной петле гистерезиса: , Br, Br. |
Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-Ni-V |
НД нет; Значения магнитных параметров в поле максимальной проницаемости: H, B, , Br, Br/B, Ph; Значения магнитных параметров при индукции Bmax=1 Тл: , Br, Ph, Ph/Hmax, |
|
Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-Cr-V |
НД нет; Значения магнитных параметров в поле максимальной проницаемости: H, B, , Br, Br/B, Ph; Значения магнитных параметров на предельной петле гистерезиса: , Br, Br. ; Значения магнитных параметров при индукции Bmax=1 Тл: , Br, Ph, Ph/Hmax, |
|
Материалы для сплошных роторов Fe-Cr-W |
НД нет; Значения магнитных параметров в поле максимальной проницаемости: H, B, , Br, Ph/H |
|
Материалы для сплошных роторов Fe-Co-W-Mo |
||
Материалы для магнитозаписи |
Ферропорошки |
НД нет;
,
|
Металлические ленты |
НД нет; , , Вr, Кп, Bs |
,
Br,
(BH)max
,
размер магнитных микрочастиц и его
однородность
Примеси в цветных металлах
Ме |
Постоянные примеси |
Взаимодействие с металлом-основой |
Полезный эффект |
Вредный эффект |
Al |
Fe, Si, Cu, Zn, Ti |
Растворение |
Упрочнение |
Снижение пластичности |
Cu |
Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag |
Растворение |
Упрочнение |
Снижение пластичности |
Cu |
Pb |
Образование легкоплавких эвтектик |
Улучшение обрабатываемости резанием |
Горячеломкость |
Cu |
Bi |
нет |
Горячеломкость и хрупкость |
|
Cu |
O |
Образование тугоплавких эвтектик
|
Нет |
Водородная болезнь |
Cu |
S, Se,Tl |
нет |
Снижение пластичности |
|
Ti |
H, O, N, C, Fe, Si |
Образование промежуточных фаз |
Незначительное упрочнение |
Охрупчивание, ухудшение коррозионной стойкости |