6.6. Магнитомягкие материалы

Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь) — магнитомягкий ферромагнетик, широко применяемый в приборостроении. Технически чистое железо с содержанием примесей не более 0,8…0,1 % получают рафинированием чугуна при плавке в мартеновских печах и конвертерах.

Из-за сравнительно низкого удельного электрического сопротивления технически чистое железо применяют преимущественно для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока. Из него делают сердечники электромагнитов, реле и измерительных приборов, магнитные экраны, детали телефонной аппаратуры. Железо в порошкообразном виде используют при производстве магнитодиэлектриков.

Армко-железо с содержанием углерода 0,025 % (табл. 6.2) получают по специальной технологии из расплава металла при его кипении, которое повышает содержание кислорода в конечном продукте. Магнитные качества армко-железа мало отличаются от качеств лучших электротехнических сталей.

Карбонильное железо — железо с содержанием углерода около 0,01 % (табл. 6.2). Его получают в виде мелкодисперсного порошка термическим разложением соединения Fe(CO)₅ — пентакарбонила железа. Карбонильное железо используют для изготовления деталей из магнитодиэлектрической металлокерамики.

Магнитные свойства магнитомягких материалов зависят от содержащихся в них примесей.

Добавка до 6 % кремния в железо более чем в 4 раза повышает максимальную магнитную проницаемость и в три раза увеличивает его удельное электрическое сопротивление, но на 20 % уменьшает индукцию насыщения и увеличивает хрупкость материала, затрудняющую его механическую обработку.

Загрязняющие примеси в виде углерода, серы, фосфора, меди, алюминия, соединений кислорода и азота ухудшают магнитные качества материала. Они увеличивают потери на гистерезис, повышают коэрцитивную силу, снижают магнитную проницаемость материала, ускоряют процесс старения ферромагнетиков — необратимого ухудшения магнитных качеств материала с течением времени.

Размер кристаллов ферромагнетика оказывает влияние на его магнитные качества. Железо имеет структуру в виде кубических кристаллов, сплавленных друг с другом. На границах сплавления кристаллов кристаллическая решётка искажена, и это увеличивает коэрцитивную силу материала. В единице объёма мелкокристаллического железа областей с искажённой кристаллической решёткой больше, чем в крупнокристаллическом железе, и оно по своим качествам приближается к магнитотвёрдым материалам.

Кристаллическая решётка магнитного материала при механической обработке искажается, что ухудшает его магнитные качества. Чтобы восстановить периодичность кристаллической решётки и повысить магнитные качества материала, изготовленные из него детали подвергают отжигу. При отжиге, кроме того, из материала удаляется часть вредных примесей, устраняются напряжения, возникающие в нём при механической обработке.

К

Рис. 6.9. К понятию анизатропности кристалла железа в отношении намагничивания

убические кристаллы железа анизотропны в отношении намагничивания — магнитная проницаемость кристаллов зависит от ориентации их осей относительно вектора намагничивания (рис. 6.9). Кристаллы обладают наибольшей магнитной проницаемостью _макс , если магнитное поле направлено перпендикулярно грани куба. Магнитная проницаемость 2 в направлении с одного ребра куба на другое заметно понижена, наименьшей магнитной проницаемостью 1 обладает кристалл в направлении диагонали куба кристалла.

Электротехническая сталь , выпускаемая в виде листов и ленты толщиной 0,1…1 мм, находит самое широкое применение для изготовления магнитопроводов и сердечников трансформаторов, электрических машин, магнитных пускателей, реле, дросселей, работающих на переменном токе.

Электротехническая сталь легирована кремнием для увеличения удельного электрического сопротивления, снижающего потери на вихревые токи. Введение кремния уменьшает и потери на гистерезис, увеличивает магнитную проницаемость стали, снижает её магнитострикцию. Кремний связывает часть вредных примесей (кислодод, углерод), переводя их в менее вредные для магнитного материала соединения, но повышает его хрупкость.

После горячей прокатки кристаллы в листах электротехнической стали размещены хаотично (рис.6.10, а) и она обладает пониженной магнитной проницаемостью. Чтобы упорядочить взаимное расположение кристаллов и повысить магнитную проницаемость стали её подвергают текстурированию. Двух-трёхкратная х олодная прокатка стали, перемежающаяся с отжигом в вакууме или атмосфере водорода, ориентирует кристаллы рёбрами вдоль направления прокатки — текстурирует сталь (рис. 6.10, б) , её магнитная проницаемость в направлении прокатки увеличивается.

З

Рис. 6.10. Размещение кристаллов железа в нетекстурированных (а) и текстурированных (б) листах электротехнической стали

ависимости магнитной индукции В от напряжённости поля Н применительно к холоднокатаной (1) и горячекатаной (2) сталям представлены на рис. 6.11. Удельные потери на перемагничивание текстурированной холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм на частоте 50 Гц составляют 0,7 Вт/кг, что в 2 раза ниже, чем на перемагничивание при прочих равных условиях горячекатаной стали. Удельное электрическое сопротивление текстурированной стали на 10…15 % ниже, что является отрицательным следствием холодной прокатки, увеличивающим потери на вихревые токи.

Н

Рис. 6.11. Кривые намагничивания холоднокатаной текстурированной (1) и горячекатаной слаботекстурированной (2) электротехнической стали

изкоуглеродистые электротехнические стали и железо подвергают отжигу в водороде или вакууме для увеличения их кристаллов, дополнительного рафинирования, устранения наклёпа и внутренних механических напряжений, возникающих в деталях из них после механической обработки. Низкоуглеродистые стали и железо обладают сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением и, как следствие, значительными потерями энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях при значительных индукциях.

Пермаллои — железо-никелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80 % (низконикелевые и высоконикелевые соответственно). Для улучшения магнитных качеств пермаллои легируют марганцем, кремнием, хромом, молибденом, молибденом с медью или с хромом. Все пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость (табл. 6.2) и узкую петлю гистерезиса (см. рис. 6.8, б), характеризующую их как магнитные материалы, достигающие состояния магнитного насыщения при малых напряжённостях магнитного поля и обладающие малыми потерями на гистерезис. Малые потери при перемагничивании пермаллоев позволяют использовать их при высоких частотах магнитного поля вплоть до 20 кГц.

Высокие магнитные качества пермаллоев достигаются высокоточным дозированием химически чистых легирующих добавок и специальным режимом термической обработки, при которой материал нагревают со скоростью около 500 ^ОС в час, выдерживают 3…6 часов при температуре 1000…1150 ^ОС, а затем охлаждают со скоростью 150 ^ОС в час до комнатной температуры.

Пермаллои пластичны, что позволяет делать из них холоднокатаную ленту толщиной 0,002…1,5 мм, горячекатаные листы толщиной 1…2,5 мм и прутки диаметром более 8 мм. Их используют для изготовления сердечников магнитных усилителей, трансформаторов тока, катушек индуктивности, работающих в переменных магнитных полях вплоть до звуковых частот.

При ударах и механической обработке магнитная проницаемость пермаллоев заметно уменьшается, поэтому детали, выполненные из них, подвергают отжигу при 1000…1200 ^ОС для восстановления магнитных качеств материала.

Порошкообразные пермаллои используют для изготовления малогабаритных магнитопроводов методами металлокерамики и металлопластики.

Таблица 6.2

Характеристики магнитомягких ферромагнетиков

Марка материала и его состав в % по массе	нач (х 103)	НС , А/м	ВS, Тл	 (х 10–6), Ом·м
Электротехническая сталь 50 HM – пермаллой ( 50 Ni , 50 Fe ) 40 НКМП – перминвар ( 40 Ni , 25Co , 4 Mo , 31 Fe ) 49 КФ-ВИ – пермендюр ( 49Co , 2V , 49 Fe ) 10 СЮ – алсифер ( 5,4Al , 9,6Si ,  0,04 Ge ,  85 Fe ) Армко-железо ( 100 Fe,  0,025 С) Железо карбонильное ( 98,8 Fe ,  0,01 С , 1,1 O2 )	1 5 2 1 20 5 20	9,5…14 8,0 – 40 1…3 64 6…40	1,6 0,15 0,14 0,24 – 0,22 0,01	0,5 0,45 0,63 0,4 0,7 0,12 –

Алсифер — сплав алюминия, кремния и железа, обладающий высокой начальной магнитной проницаемостью (табл. 6.2).

Алсифер обладает высокими твёрдостью и хрупкостью, поэтому детали из него можно изготавливать только литьём с последующим шлифованием.

Из алсифера делают корпуса приборов, магнитные экраны, детали магнитопроводов для работе в постоянных магнитных полях и переменных полях низкой частоты. Хрупкий алсифер легко измельчается в порошок, который используют при производстве магнитодиэлектриков.

Перминвар — тройной сплав железа, никеля и кобальта (табл. 6.2). Его отличительное свойство — неизменность магнитной проницаемости в диапазоне 80…160 А/м напряжённости магнитного поля .

Эта особенность позволяет использовать перминвар в трансформаторах тока и измерительных приборах, в аппаратуре проводной телефонной и высокочастотной связи. Из-за высокой стоимости кобальта перминвар дорог, что ограничивает его применение.

Пермендюр — железокобальтовый сплав (табл. 6.2) с высокой магнитной индукцией в полях с напряжённостью 1,6…24 кА/м и большой индукцией насыщения. Пермендюр используют для изготовления магнитопроводов, предназначенных для создания мощного магнитного поля в воздушном зазоре магнитопровода. Такие магнитопроводы применяются в микрофонах, измерительных приборах, аудио- и видеозаписывающей аппаратуре.

В слабых магнитных полях пермендюр проявляет худшие магнитные качества, чем электротехническая сталь. Он имеет относительно низкое удельное сопротивление, что обусловливает значительные потери на вихревые токи в переменном магнитном поле.

Магнитодиэлектрики состоят из мелкодисперсных ферромагнитных частиц, электрически изолированных друг от друга диэлектрическим связующим (жидкое стекло, бакелит, полистирол, резина). Магнитодиэлектрики обладают высокой начальной магнитной проницаемостью _нач , ориентировочное значение которой указывается в марке материала: П-250, П-100, Р-10, ТЧ-90, ВЧ-32, ВЧК-22 и др. В магнитодиэлектриках марки П в качестве магнитного наполнителя используют молибденовый пермаллой, марки Р — карбонильное железо, марок ТЧ, ВЧ, ВЧК — алсифер.

Магнитодиэлектрики обладают высоким удельным электрическим сопротивлением (в зависимости от марки оно составляет 0,01…4 Ом·м), малыми потерями на вихревые токи, но пониженной магнитной проницаемостью.

Детали из диэлектриков изготавливают методом металлопластики и используют в высокочастотной технике, устройствах проводной и радиосвязи.