5.3 Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы по назначению можно разделить на две группы: материалы для работы при сильных токах (машино- и аппаратостроение) и материалы для работы в слабых токах (приборостроение, автоматика, проводная связь, радио). К первой группе относятся технически чистое железо и электротехническая сталь, ко второй – сплавы железа с кобальтом (пермендюр), железа с никелем (пермаллой) и железа с аллюминием и кремнием (альсифер), магнитомягкие ферриты, а также сплавы и ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса.

Магнитомягкие материалы должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу Н_С (менее 400 А/м), большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.

5.3.1 Технически чистое железо и электротехнические стали

Наименование «железо» условно дано низкоуглеродистой стали, полу­чаемой с помощью электролитического, карбо­нильного процессов или методом прямого вос­становления чистых руд.

Карбонильное железо получают при тер­мическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)₅ в виде порошка с небольшими приме­сями кремния, марганца, серы и содержанием углерода до 1,2 %, азота до 1 % и кислорода до 1,2 %. Используется оно для изготовления магнитодиэлектриков.

При использовании карбонильного железа в качестве сырья для изготовления магнитомягких материалов его рафинируют в токе во­дорода и поставляют в виде кусков произволь­ной формы или гранул.

Железо электролитическое изготовляется методом электролитического рафинирования в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (марки ПЖЭ-1 и ПЖЭ-2) или кусков (марка ЖЭ-МП). Средняя удельная теплоёмкость возраста­ет с увеличением температуры. Коэффициент теплопроводности уменьшается при увеличе­нии содержания примесей и при повышении температуры. Температурный коэффициент ли­нейного расширения возрастает при увеличе­нии температуры. Содержание примесей в ста­ли менее 0,3 % не оказывает существенного влияния на её линейное расширение. Удельное сопротивление возрастает при увеличении со­держания любого элемента, и в наибольшей степени при увеличении содержания кремния и алюминия.

Железо чистое марок 005ЖР и 008ЖР по­лучают из продуктов прямого восстановления руд и поставляют в виде прутков различного размера.

Все эти материалы предназначены либо для получения изделий методами порошковой металлургии, либо в качестве шихтового ма­териала при выплавке специальных сталей и сплавов, в том числе и магнитомягких.

Высокая стоимость электролитического и карбонильного железа ограничивает широкое применение этих материалов.

Физико-механические свойства технически чистого железа зависят от содержания в нем примесей, и особенно углерода.

Из электротехнических сталей изготовляют магнитопроводы всех видов и самых слож­ных форм детали: реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электро­магнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей пере­менного и постоянного тока малой и средней мощности и т. д.

В обозначении марок стали цифры озна­чают:

- первая – класс по виду обработки давле­нием (1 – горячекатаная и кованая, 2 – хо­лоднокатаная и калиброванная);

- вторая – тип по содержанию кремния (0 – сталь нелегированная с содержанием кремния до 0,3 %, 1 – то же, но с заданным коэффициентом старения);

- третья – группу по основной нормируемой характеристике (8 – коэрцитивная сила);

- четвёртая и пятая – значение коэрцитивной силы в амперах на метр;

- сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая марок 1561, 1562, 1571 и 1572 с содержанием кремния около 4 %;

- сталь электротехническая холодноката­ная тонколистовая марок 3471 и 3472 с содержанием кремния около 3 %.

Широко используются сплавы железа с кремнием. Легирование кремнием вызывает: 1) уменьшение магнитной анизотропии и магнитострикции и, следовательно, уменьшение коэрцитивной силы; 2) увеличение удельного сопротивления и снижение потерь на вихревые токи; 3) некоторое снижение индукции на­сыщения; 5) возрастание индукции в слабых и средних полях вследствие большей магнит­ной мягкости материала. Еще более высокие значения индукции получают в текстурованных электротехнических сталях, в которых путём специальной технологии удается ориентировать оси легкого намагничивания (ребра куба) большинства зёрен в направле­нии прокатки листа. Такая текстура назы­вается ребровой. При этом материал ста­новится магнитоанизотропным, приобре­тая улучшенные свойства в направлении про­катки.

Высокие магнитные свойства вдоль и по­перек направления прокатки получают, созда­вая кубическую текстуру. Получение плоскост­ной кубической текстуры обеспечивает улуч­шенные свойства в любом направлении в плос­кости ленты

Горячекатаные стали существенно усту­пают холоднокатаным, особенно текстурованным, по магнитным свойствам, по точности размеров листов, качеству отделки, коэффи­циенту заполнения и постепенно вытесняются последними.

Электротехнические кремнистые стали – наиболее широко распространенный магнитомягкий материал, сочетающий высокие магнит­ные свойства с низкой стоимостью и удовлет­ворительной технологичностью. Эти стали ши­роко применяются для изготовления двигате­лей и генераторов всех типов, дросселей и тран­сформаторов, электромагнитных механизмов и реле, других механизмов и приборов, рабо­тающих как на постоянном, так и на перемен­ном токе различной частоты.

В последнее время для изготовления магнитопроводов двигателей постоянного и пере­менного тока небольшой мощности, особенно для двигателей бытовой техники, применяют нелегированные стали. Применение этих ста­лей вместо слаболегированной динамной ста­ли обусловлено их более низкой стоимостью и позволяет за счёт большей индукции повы­сить мощность двигателя или снизить рас­ход стали или меди при изготовлении дви­гателя такой же мощности.