Магнитомягкие материалы

Магнитомягкими материалами называются ферромагнетики, легко (в малых магнитных полях) намагничивающиеся и перемагничивающиеся, т.е. обладающие высокой магнитной проницаемостью  и низкой коэрцитивной силой H_C. Количественным критерием отнесения ферромагнетика к магнитно-мягкому материалу является условие малой коэрцитивной силы: H_C < 4 кА/м (50 Э).

Электротехнические стали.

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). Поэтому электротехнические стали в соответствии с тремя названными случаями подразделяют на динамные, трансформаторные и релейные стали.

В электротехнических сталях увеличение содержания кремния снижает как константу магнитокристаллической анизотропии K₁ (от 45 кДж/м³ при 1 % Si до 28 кДж/м³ при 4,5 % Si), так и магнитострикцию насыщения _S, что облегчает перемагничивание материала и уменьшает потери на гистерезис. Кроме того, введение кремния резко повышает удельное электрическое сопротивление:

(мкОм^.м) = 0,1 + 0,12 %Si,

вследствие чего снижаются потери на вихревые токи.

С созданием технологии закалки металлического расплава на быстро вращающийся валок внимание исследование вновь обратилось к электротехнической стали с 6,5 % Si – материала с нулевой магнитострикцией, пониженным значением K₁ и высоким удельным электросопротивлением, привлекательного для использования при изготовлении сердечников высокочастотных трансформаторов и в то же время, казалось бы, малоперспективного из-за повышенной хрупкости и связанных с этим трудностей изготовления тонких лент по традиционной технологии. Но совершенно новый метод получения ленты конечной толщины ~ 0,2–0,3 мм непосредственно из расплава позволяет избежать многочисленных прокаток с промежуточными отжигами, что внушает надежду на перспективы быстрозакаленной электротехнической стали.

Прецизионные магнитомягкие сплавы.

По объему производства прецизионные сплавы значительно уступают электротехническим сталям, однако области их применения гораздо разнообразнее. Об этом разнообразии дает представление таблица 1, в которой представлено сложившееся в настоящее время разделение магнитно-мягких сплавов по основным свойствам и назначению на 7 групп.

Таблица. 1

Классификация прецизионных магнитно-мягких сплавов

Группа сплавов	Основа сплава
С наивысшей  в слабых магнитных полях	Fe–Ni	79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ	a  (2–20).104, max  105–106,   0,55 –0,80 мкОм.м, Bs  0,5–0,8 Тл	Сердечники малогабарит-ных трансформаторов, дросселей, реле, головок магнитной записи, ферро-зондов, магнитные экраны
С высокой  и повышенным 	Fe–Ni	50НХС	a  (1,5–6).103, max  (1,5–10).104,   0,9–1 мкОм.м, Bs  1–1,4 Тл	Сердечники дросселей, импульсных трансформаторов
С высокой  и повышенной Bs	Fe–Ni	45Н, 50Н	a  (2–5).103, max  (2–10).104, Bs  1,3–1,5 Тл	Сердечники малогабарит-ных трансформаторов, дросселей, реле
С прямоугольной петлей гистерезиса	Fe–Ni, Fe–Ni–Co	50НП, 68НМП, 79НМП, 77НМДП 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП	Br/Bs  0,85–0,98, max  (4–120).104, Bs  1,5 Тл	Сердечники магнитных усилителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформаторов, магнитных элементов ЭВМ
С высокой Bs	Fe–Co	27КХ, 49КФ, 49К2Ф, 49К2ФА	Bs  2,4 Тл, TC  1000 oC	Сердечники и полюсные наконечники магнитов, роторов и статоров элек-трических машин, малогабаритных силовых транс-форматоров, дросселей, магнитных усилителей
С низкой остаточной индукцией	Fe–Ni, Fe–Ni–Co	64Н, 47НК, 47НКХ, 40НКМ	Br/Bs  0,05–0,07, a  1000–3000, max/а  1,05–1,2, ТК  0,06 %.К–1 (от –60 до +120оС)	Сердечники катушек постоянной индуктивности, дросселей фильтров, широкополосных и импульсных трансформаторов
С высокой  при однополярном импульсном намагничивании	Fe–Ni	68НМ, 79Н3М, 53Н-ВИ	имп  (5–10).103, ТК имп  0,25 %.К–1 (от –60 до +60 оС)	Сердечники однополярных импульсных трансформаторов, токовые переключатели

О б о з н а ч е н и я:  – магнитная проницаемость (_a – начальная, _max – максимальная, _имп – импульсная),  – удельное электрическое сопротивление, B_s – индукция насыщения, T_C – температура Кюри, B_r/B_s – коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, ТК – температурный коэффициент проницаемости.

Аморфные и нанокристаллические сплавы.

В практике получения аморфных магнитно-мягких сплавов наибольшее распространение получила быстрая закалкой расплава методом спиннингования. Этим методом получают аморфные ленты путем заливки расплава на поверхность быстро вращающегося цилиндрического валка из металла с высокой теплопроводностью. Чем больше скорость вращения валка (обычно 30–50 м/с) и чем тоньше лента (10–60 мкм), тем выше скорость охлаждения расплава и легче получить аморфную структуру. Типичные значения скорости охлаждения составляют 10⁴–10⁶ К/с.

Аморфные металлические сплавы имеют высокое удельное электрическое сопротивление ( 1,5 мкОм^.м), что в несколько раз выше, чем у кристаллических сплавов близкого химического состава. Это позволяет применять аморфные магнитно-мягкие сплавы при повышенных частотах.

Аморфные сплавы имеют высокую твердость, сравнимую с твердостью закаленной среднеуглеродистой стали. При этом аморфные ленты имеют высокую технологическую пластичность, их можно подвергать холодной прокатке, штамповке, навивке в рулоны и т.п. Благодаря высоким значениям твердости увеличивается износостойкость сердечников магнитных головок по отношению к истиранию магнитной лентой.

Нанокристаллические магнитомягкие материалы

Уникальное сочетание магнитных свойств получается в нанокристаллических сплавах со смешанной аморфно-кристаллической структурой и размером зерен ~ 10 нм. Самые лучшие магнитные свойства (с индукцией насыщения не менее 1,2 Тл и начальной проницаемостью ~ 10⁵) имеет сплав Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_13,5B₉ с фирменным названием Finemet (компания Hitachi Metals). Этот сплав производится и используется в промышленных масштабах. Отечественной промышленностью выпускается сплав 5БДСР близкого химического состава. В Германии фирма Vacuumschmelze выпускает нанокристаллические сплавы под маркой Vitroperm.