Учебное пособие 800438

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (ρ ≤ 0,1 мкОм ∙ м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Электрическое сопротивление стали можно повысить легированием кремнием, который не дефицитен. Растворяясь

вжелезе, кремний образует легированный твердый раствор. Один процент кремния повышает удельное сопротивление на 0,12 мкОм ∙ м, но снижает Bs на 0,48 Тл. При отжиге кремний способствует росту кристаллов и тем самым несколько уменьшает Нс.

Снижение общих потерь при перемагничивании кремнистой стали определяется главным образом увеличением удельного электрического сопротивления стали. Электрическое сопротивление продолжает повышаться с дальнейшим увеличением содержания кремния в стали, но при этом сильно падают пластические свойства. Стали с содержанием кремния выше 4% хрупки, плохо прокатываются, что затрудняет получение тонколистового проката. Для уменьшения тепловых потерь сердечники из кремнистой стали используют в виде тонких (< 1 мм) листов с прослойкой изоляции (полимеры, оксиды).

После технологических операций, необходимых для изготовления деталей магнитопровода (резка, штамповка и др.), магнитные свойства сталей ухудшаются, т. е. увеличивается коэрцитивная сила, а, следовательно, и потери на гистерезис. Для восстановления магнитных свойств применяют отжиг при температуре ниже температур фазового превращения (880-900 °С) в среде, предохраняющей от окисления и науглероживания. Если отжиг ведут в водороде, то это очищает сталь от вредных примесей, и магнитные свойства улучшаются.

При использовании текстурованной анизотропной стали

всиловых трансформаторах при совпадении направления

111

проката с осевой линией сердечника трансформатора потери минимальны.

Легированные электротехнические стали применяют в электротехнических изделиях, рассчитанных на работу при частотах до f ≤ 400 Гц.

Более высокими значениями индукции насыщения (≤ 3 Тл) обладают ферромагнетики, имеющие высокое значение атомного магнитного момента (редкоземельные металлы).

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (H ≤ 102 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы Fe-Ni (пермаллой) и Fe-Al-Si (альсифер).

Сплавы пермаллои с содержанием 45…83% Ni характеризуются большой магнитной проницаемостью μн ≤ 88 мГн/м; μmax ≤ 310 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях. Повышенное удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni позволяет использовать их в радиотехнике и телефонии при частотах до 25 кГц. Малая Нс < 16 А/м уменьшает потери на гистерезис при перемагничивании. По значению индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля уступают железу и стали. В зависимости от состава Bs изменяется в пределах 0,5…1,5 Тл. Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полуфабрикатов: тонких листов, лент и проволоки, используемых при изготовлении сердечников.

Магнитные свойства пермаллоев меняются под воздействием даже слабых напряжений. При сжимающих напряжениях всего 5 МПа магнитная проницаемость уменьшается в 5 раз, а коэрцитивная сила возрастает в 2 раза. Поэтому окончательно изготовленные детали надо подвергать термической обработке и в процессе сборки необходимо избегать ударов, сильной затяжки или сдавливания обмоткой.

112

Магнитные свойства железоникелевых сплавов зависят от скорости охлаждения.

Термическая обработка пермаллоев проводится для удаления примесей, остаточных напряжений и укрупнения зерна. Она заключается в медленном нагреве их до температуры 1100…1150 °С в среде, защищающей материал от окисления (вакууме, водороде); выдержке при этой температуре 3…6 ч в зависимости от размера и массы; медленном охлаждении до 600 °С (100 °С/ч) и дальнейшем быстром охлаждении (400 °С/ч), при котором не происходит упорядочения твердого раствора.

Все пермаллойные сплавы по составу можно разделить на две группы: низконикелевые с содержанием 45…50% Ni, имеющие высокую магнитную проницаемость (μн ≤ 4 мГн/м) при относительно высокой индукции насыщения (1,5 Тл), и высоконикелевые с содержанием 79…83% Ni с чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью (μн ≤ 35 мГн/м), но меньшей индукцией насыщения 0,75 Тл.

Для улучшения электромагнитных и технологических свойств эти сплавы часто дополнительно легируют. Так, молибден и хром уменьшают чувствительность к остаточным напряжениям, одновременно повышая удельное электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь стабилизирует свойства, улучшает механическую обрабатываемость, повышает удельное электрическое сопротивление. Кремний и марганец увеличивают удельное электрическое сопротивление. Все легирующие элементы увеличивают магнитную проницаемость μн и μmax.

Сплавы подразделяют по уровню основных свойств на девять групп.

В группу сплавов с наивысшей проницаемостью в слабых магнитных полях входят высоконикелевые легированные пермаллои 79НМ и 81НМА. Обозначение легирующих элементов в них аналогично легированным сталям.

113

Эти пермаллои используют для работы в слабых полях до частот 25 кГц. С ростом частоты в интервале от 400 Гц до 25 кГц для снижения тепловых потерь уменьшают толщину проката. При этом, так же как и в сталях, уменьшается магнитная проницаемость и растет Нс, что ведет к росту потерь на перемагничивание.

Вгруппу сплавов с высокой магнитной проницаемостью

иповышенной индукцией Bs входят низконикелевые нелегированные пермаллои 45Н и 50Н. В связи с пониженным электрическим сопротивлением их используют при более низких частотах, нежели легированные высоконикелевые пермаллои.

Представителем группы сплавов с высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением является пермаллой 50HXC. Легирование хромом и кремнием увеличивает ρ сплава почти вдвое. Это позволяет использовать его в тех же изделиях, что и нелегированные пермаллои, но при несколько более высоких частотах.

Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса 50НП, 65НП, 79НМП, которые широко используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Отличительная особенность таких материалов - большая остаточная индукция Вr, близкая к Bs.

Существуют два способа получения материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается посредством холодной пластической деформации при прокатке с большими степенями обжатия, магнитная текстура — путем охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка). Векторы намагниченности при такой закалке ориентируются вдоль поля. При последующем намагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует.

114

Преимущество метода термомагнитной обработки состоит в том, что прямоугольную петлю гистерезиса можно получить у ленты любой толщины и в любом направлении, а не только в направлении прокатки.

У сплава 50НП прямоугольность петли достигается прокаткой, а у сплавов 65НП и 79НМП путем обработки в магнитном поле. Сердечники, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах 700 кГц, а при толщине 1,5 мкм - до 1 МГц. Такие ленты в основном изготовляют из сплава 79НМП.

Из-за дороговизны тонких ленточных сердечников и невозможности прокаткой получить ленты толщиной менее 0,5 мкм разработаны методы получения тончайших пленок (10-5…10-6 см) путем напыления таких сплавов в вакууме на подложку немагнитного металла.

Альсиферы - сплавы системы Fe-Al-Si не содержат дорогих или дефицитных легирующих элементов. Сплав оптимального состава 9,6 % Si и 5,4 % А1 имеет следующие свой-

ства: (μн = 44 мГн/м; μmax = 146 мГн/м; Нс = 1,76 А/м; μ0Ms = l,l

Тл; ρ = 0,81 мкОм ∙ м. Сплав имеет нулевые значения К и λs и низкие потери на гистерезис. Практическому применению таких сплавов препятствуют высокие твердость и хрупкость, что делает их абсолютно недеформируемыми. Альсиферы обладают хорошими литейными свойствами, поэтому их применяют для изготовления фасонных тонкостенных отливок. Эти сплавы используют также для получения тонких порошков при изготовлении магнитодиэлектриков.

Высокочастотные магнитно-мягкие материалы. При высоких частотах растут тепловые потери и тангенс угла потерь tgδ, что сопровождается ухудшением магнитных свойств ферромагнетика - уменьшением магнитной проницаемости.

Одним из эффективных способов снижения тепловых потерь является применение материалов с высоким электрическим сопротивлением - диэлектриков. К таким материалам

115

относятся ферриты, играющие важную роль в современной электронике. Ферриты изготовляют спеканием оксидов. Удельное электрическое сопротивление их достигает 1012 Ом∙м, что определяет возможность использования их в области высоких радиочастот и сверхвысоких частот.

По своим магнитным свойствам при небольших частотах они уступают ферромагнитным металлам и сплавам на их основе. Их относительная магнитная проницаемость невелика и изменяется в широком интервале значений - от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения Bs < 0,4 Тл, относительно большая коэрцитивная сила Нс ≤ 180 А/м, невысокие температуры точки Кюри θ ≤ 300 °С ограничивают их рабочую температуру и ухудшают температурную стабильность свойств.

К недостаткам ферритов относят их большую чувствительность к остаточным напряжениям, в том числе теплового и магнитострикционного происхождения. Они обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, при спекании дают большую усадку. Обрабатывать их можно только алмазным инструментом. Свойства ферритов зависят от различных технологических факторов (размер и однородность порошков оксидов, удельные нагрузки при прессовании, температура спекания, режим охлаждения и др.). Все это затрудняет получение ферритов с заданными и повторяющимися свойствами.

Ферриты спекают из двойных оксидов типа FeO-Fe2O3. Ферриты имеют доменную структуру с нескомпенсиро-

ванными антипараллельными магнитными моментами ионов металла (ферримагнетики). Ферримагнетизм появляется тогда, когда сумма магнитных моментов ионов, расположенных в различных порах, неодинакова. Установлено, что у большинства шпинельных ферритов в октаэдрических порах расположено восемь ионов трехвалентного железа, а в тетраэдрических порах - остальные восемь ионов трехвалентного железа и восемь ионов двухвалентного металла.

116

Магнитные свойства ферритов определяются их химическим составом. Немагнитный цинковый феррит, добавленный в никелевый феррит, понижает θ и Нс и резко увеличивает μ´н при определенном химическом составе, поэтому дозировка цинкового феррита должна быть очень точной.

Магнитные свойства ферритов зависят от условий эксплуатации и, в первую очередь, от частоты перемагничивания. Предельно допустимая для материала частота внешнего поля fкр определяется частотой, при которой tg δ не превышает 0,1, а для некоторых изделий 0,02.

Ферриты для устройств, применяемых на радиочастотах. К ним относятся Mn-Zn и Ni-Zn ферриты. Например, 4000НМ, 400НН, 100ВЧ.

На первом месте в марке стоит число, соответствующее μ´н (относительная проницаемость). На втором - буквы, определяющие частотный диапазон: Н - низкочастотные, ВЧ — высокочастотные. На третьем - буква, обозначающая легирующий элемент: Н - никель-цинковый, М - марганцевоцинковый феррит. Для высокочастотных ферритов легирующий элемент не указывается, например, 30ВЧ2 - μ´н = 30, высокочастотный, разновидность вторая.

Ферриты Mn-Zn обладают высокой магнитной проницаемостью, но имеют относительно небольшое удельное электрическое сопротивление (103 до 105 Ом ∙ м), что ограничивает их использование при высоких частотах ( < 3 МГц). Их подразделяют на две группы: ферриты первой группы 4000НМ, 1000НМ не содержат специальных добавок и используются в диапазоне частот до 1 МГц, когда не предъявляются повышенные требования к температурной стабильности начальной магнитной проницаемости; ферриты второй группы 1000НМЗ содержат присадки оксидов кобальта и других металлов, вводимых для улучшения температурной стабильности начальной магнитной проницаемости, и предназначены для использования в слабых и средних полях на частотах до 3 МГц.

117

Ферриты Ni-Zn отличаются высоким удельным электрическим сопротивлением (до 1011 Ом ∙ м), малыми потерями; поэтому их используют при более высоких частотах (< 200 МГц) и подразделяют на три группы.

Ферриты первой группы 1000НН, 400НН не содержат специальных присадок и применяются для работы в слабых и средних полях на частотах до 2 МГц. Ферриты второй группы содержат 50% Fe2O3, значительные количества (1…8%) других оксидов. Такие ферриты (300HH, 60НН) применяются для работы на частотах до 55 МГц. Ферриты третьей группы содержат избыток Fe2O3 (54…59%), а также присадки кобальта и других оксидов (до 1 %), вводимых для улучшения свойств. Эти ферриты имеют меньшие потери на вихревые токи и предназначены для использования в слабых полях на частотах до 200 МГц (100ВЧ, 30ВЧ2); из-за высокой температуры точки Кюри они обладают малым температурным коэффициентом магнитной проницаемости в широком интервале температур.

Ферриты для устройств, применяемых на высоких частотах (< 800 МГц). Ферриты имеют сложный состав, их изготовляют из четырех и более оксидов. Разнообразие сочетаний исходных компонентов предоставляет неограниченные возможности для создания материалов с различными магнитными свойствами. В их числе феррит одновалентного лития Li2O-5Fe2O3 со структурой шпинель и ферриты, в которых часть ионов бария заменена кобальтом, со структурой ГПУ

(BaCo)OFe203.

Дополнительно вводя в состав ферритов те или иные катионы, можно получить материалы с различной индукцией насыщения и разной температурой точки Кюри. Такие сложнолегированные ферриты характеризуются высоким удельным электрическим сопротивлением (до 1012 Ом ∙ м), стабильностью магнитной проницаемости, низкими потерями и сохраняют эти параметры постоянными до 800 МГц.

118

Ферриты для устройств, применяемых на сверхвысоких частотах СВЧ (> 800 МГц). Возможность применения ферритов при таких частотах определяет резонансное поглощение, возникающее в тех случаях, когда на феррит, перемагничиваемый высокочастотным полем, наложено перпендикулярное постоянное магнитное поле Но.

Ширина интервала Н0 - основная характеристика СВЧ ферритов. Ее значение будет тем меньше, чем больше плотность и меньше кристаллографическая анизотропия материала. Такие свойства можно получить, вводя в состав ферритов оксиды с константой анизотропии противоположного знака. Кроме того, для увеличения плотности их изготавливают не спеканием, а сплавлением порошков в монокристалл, у которого узкая резонансная кривая (малое Н0) получается, если постоянное магнитное поле приложено в направлении трудного намагничивания.

В марке ферритов для СВЧ на первом месте ставится цифра, указывающая значение длины волны в сантиметрах, при которой используется данный феррит. Например, 3СЧ4 — феррит для работы в полях с длиной волны 3 см, разновидность 4.

Ферриты для СВЧ выбирают с учетом типа устройств, частотного диапазона, уровня мощности и климатических условий.

Ферриты со структурой шпинель изготовляют спеканием оксидов никеля и магния. Значение Н0 для таких ферритов (30СЧ1, 80СЧ) оценивают при частотах 3000 МГц. Ферриты, используемые при более высоких частотах, дополнительно легируют трехвалентными металлами хромом или алюминием. Значение Н0 для них оценивают при частотах 9200 МГц.

Ферриты-гранаты имеют кристаллическую решетку минерала граната. В качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ). Применение находят поли- и монокристаллы.

119

Поликристаллические ферриты-гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния и др. Их применяют при длинах волн более 30 см. Для миллиметровых волн (8 мм) применяют монокристаллические ферриты, которые получают методом сплавления порошков оксидов и последующей кристаллизации их на затравке монокристаллов. Этот же метод используют для изготовления рубиновых монокристаллов для квантовых генераторов (лазеров). Монокристалл иттриевого граната 08КГ при частоте 9200 МГц имеет Н0 = 0,6 кА/м, что значительно ниже значений для поликристаллических ферритов.

Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготовляют из оксидов железа, легированных РЗМ. Монокристаллы ортоферритов получают методом бестигельной зонной плавки.

Они используются в запоминающих устройствах. В таких устройствах ферриты оценивают подвижностью доменов, которая повышает скорость обращения информации, и размером доменов, определяющим плотность информации на пластинах. Подвижность лучше у ортоферритов, а плотность больше у ферритов-гранатов.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ). Такие ферриты используют в вычислительной технике (в марке буквы ВТ). Их маркируют по значению коэрцитивной силы: цифра в марке соответствует Нс в А/м.

Наибольшее применение получили ферриты из оксидов Mg и Мn. Наилучшие характеристики наблюдаются также у полиферритов, содержащих кроме перечисленных трех оксидов оксиды цинка, кальция, лития.

В зависимости от особенностей устройств применяют различные по свойствам ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса: с низкой коэрцитивной силой (10ВТ, 30ВТ, 56ВТ) и с высокой коэрцитивной силой (100ВТ, 140ВТ, 180ВТ).

120