5.3.2 Сплавы железа с металлами

Сплавы железа с нике­лем, с кобальтом и с никелем и кобальтом обла­дают при определённых составах исключитель­но высокими магнитными свойствами, недос­тижимыми в других сплавах Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном ле­гировании такими элементами, как молибден, хром, кремний, медь, ванадий, титан и др.

Высокие магнитные свойства этих спла­вов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигается минимальное значение константы магнитной анизотропии, константы магнитострикции и, следова­тельно, максимальное значение магнитной про­ницаемости. Значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции очень сильно изменяются при незначительных колебаниях содержания никеля и других легирующих эле­ментов, кроме того, значение и знак константы магнитной анизотропии зависит от режима окончательной термической обработки. По­этому необходимо точно соблюдать химиче­ский состав и правильно подобранный режим окончательной термической обработки для сплавов с наивысшей магнитной проницаемос­тью, содержащих (75–85) % никеля.

В сплавах других составов удаётся успеш­но уменьшить влияние константы магнитной анизотропии путем создания кристаллографи­ческой или магнитной текстуры. Магнитные свойства в определенных направлениях – направлениях легкого намагничивания – исключительно высокие. В других направлениях мо­гут быть созданы специфические магнитные свойства, например, постоянство проницаемо­сти в широком диапазоне магнитной индукции. Технология изготовления магнитомягких сплавов включает в себя выплавку в электрических печах небольшого объема, ковку и горячую прокатку листов толщиной (2–4) мм, хо­лодную прокатку с одним или несколькими промежуточными отжигами и окончательный высокотемпературный отжиг. На всех этапах применяются меры для предохранения от попа­дания в сплавы таких элементов, как углерод, сера, фосфор, кислород, азот, или произво­дится их удаление. Для защиты от окисления, а также для рафинирования металла оконча­тельная и промежуточная термообработки (в последние годы и выплавка) осуществляются в вакууме или водороде.

Сплавы с высокой магнитной проницае­мостью и высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления аппаратуры связи и импульсных трансформа­торов, работающих без подмагничивания или с подмагничиванием слабыми полями.

5.3.3 Ферритовые материалы

Ферриты – магнитные материалы на ос­нове оксидов металлов, обладающие ферримагнитными свойствами.

Магнитомягкие ферриты – моно- и поли­кристаллические материалы со значениями коэрцитивной силы по индукции не более 4 кА/м.

Промышленные магнитомягкие ферриты – в основном поликристаллические материалы, синтезируемые по керамической технологии, включающей в себя составление смеси оксидов в заданной пропорции, ферризацию смеси, формование изделий и их последующее спекание.

Наибольшее распространение получили две группы магнитомягких ферритовых мате­риалов:

1 Марганцево-цинковые (Мп–Zn) фер­риты – твёрдые растворы феррита марганца (MnFe₂O₄) и феррита цинка ZnFe₂O₄.

2 Никель-цинковые (Ni–Zn) ферриты – твёрдые растворы феррита никеля (NiFe₂O₄) и феррита цинка ZnFe₂O₄.

Разнообразие марок Мn – Zn и Ni – Zn – ферритов определяется, главным образом, со­отношением основных компонентов, наличием легирующих присадок и режимами синтеза.

В процессе твёрдофазных реакций при ферритизации и спекании в условиях высоких (до 1400 °С) температур образуются твердые растворы ферритов с кубической решеткой типа шпинели. Как правило, время спекания составляет от 3 до 7 ч. Ферриты никель-цинковой группы синтезируются в воздушной ат­мосфере, а марганцево-цинко­вой группы – в контролируемой атмосфере с понижением давления кислорода при охлаждении.

Основными легирующими присадками, в определённой мере влияющими на улучшение электромагнитных характеристик ферритовых изделий, являются вводимые в небольших количествах оксиды кобальта Со, лития Li, титана Ti, кальция Ca и некоторых других элементов.

Одним из основных электромагнитных параметров магнитомягких ферритов является начальная магнитная проницаемость μ_n, измеряемая при напряженности поля Н_m→0 и заданной частоте. В слабых синусоидальных полях проницаемость имеет комплексный характер, определяемый наличием упругой (вещественной) и вязкой (мнимой) состав­ляющей

. (5.17)

Частотные зависимости составляющих комплексной магнитной проницаемости назы­ваются магнитными спектрами.

В случаях, когда ферритовый материал работает в импульсных подмагничивающих полях, целесообразно определять импульсную магнитную проницаемость μ_n как отношение приращения индукции к приращению напря­женности магнитного поля в материале при намагничивании импульсом тока определенной формы, длительности и амплитуды.

Каждая марка магнитомягких ферритов обладает характерным параметром: критиче­ской частотой f_Кр – значением верхней частот­ной границы области применения, начиная с которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость ввиду инерционно­сти процессов намагничивания. Магнитные свойства ферритов сильно меняются при од­новременном воздействии постоянных и переменных полей.

Для оценки магнитомягких ферритов, работающих в переменном и постоянном полях, используют понятие обратимой магнитной проницаемости μ_обр.

Временная нестабильность магнитомягких ферритов проявляется в уменьшении магнитной проницаемости при длительном хранении или воздействии положительных температур.

По своим электрическим свойствам ферриты являются полупроводниками. Их проводимость увеличивается с ростом температуры. Эффективная проводимость растёт с частотой.

При низких частотах относительная диэлектрическая проницаемость ε имеет аномально высокие значения, достигающие 10⁵ и даже выше. При увеличении частоты диэлектрическая проницаемость ферритов уменьшается и предельные значения, характерные для монокристаллических ферритов, составляют (10–20). Аномальные значения ε высокопроницаемых ферритов являются причиной возникновения эффекта объёмного резонанса, для которого характерно падение магнитной проницаемости и резкое возрастание потерь. В марганцево-цинковых ферритах эффект объёмного резонанса наблюдается на часто­тах, равных единицам мегагерц.

Существенное изменение электромагнит­ных параметров ферритов наблюдается при облучении изделий интегральным потоком нейтронов интенсивностью выше 10¹⁵ частиц на см².

Ферримагнитные свойства проявляются вплоть до температуры Кюри θ_к, являющейся в силу этого важным параметром магнито­мягких ферритовых материалов. Выше θ_к ферриты становятся парамагнетиками.

По механическим свойствам поликристал­лические ферриты подобны керамике. Обла­дая высокой твердостью и хрупкостью, они хорошо поддаются обработке алмазным ин­струментом (резке, шлифовке, полировке). Для склеивания ферритовых изделий чаще всего применяют клей типа БФ-4.

При механических нагрузках в феррито­вых изделиях создаются напряжения, которые могут изменить электромагнитные параметры.

Разомкнутые сердечники характеризуются значением эффективной магнитной проница­емости μ_эф. Для них тангенс угла магнит­ных потерь, температурная и временная не­стабильность уменьшаются приблизительно в μ_n/μ_эф раз, а постоянная гистерезиса в (μ_n/μ_эф)² раз.

Исходя из условий эксплуатации и области применения ферритовых сердечников, магнитомягкие ферриты условно разделяют на одиннадцать групп.