Тема 12. Материалы с особыми электротехническими и магнитными свойствами.

Сплавы с высоким электросопротивлением. Одна группа этих сплавов используется для изготовления электронагревательных элементов, другая – для реостатов. Сплавами с высоким электросопротивлением для нагревательных элементов являются сплавы на основе никеля и хрома – нихромы (Х15Р60 и X20Н80. Их предельная рабочая температура находится в пределах соответственно 900 и 1100°С.

В качестве реостатных сплавов в основном применяются сплавы системы Cu-Ni-Mn (~40 – 45%Ni, 1 – 2%Mn, Cu – остальное), а также сплавы МНМц40-1,5 (константан) и МНМц43-0,5 (копель). Они имеют электросопротивление порядка 0,5 Ом×мм²/м, которое практически не зависит от температуры. Предельная рабочая температура этих сплавов 500°С.

Сплавы с заданными значениями коэффициента теплового расширения в основном применяются в приборостроении. Часто для получения необходимой точности работы прибора требуются материалы, которые имели бы определенные и не изменяющиеся коэффициенты теплового расширения, модуля упругости и т. д. Основную группу сплавов составляют сплавы системы Fe –Ni. В зависимости от состава сплава коэффициент его теплового расширения может изменяться почти в 20 раз. Наибольшее применение имеет практически не расширяющийся в интервале температур от –30 до +100 °С сплав Н36 (36% никеля) – инвар, (коэффициент теплового расширения a=1,5×10^-6мм/мм×°С).

Для впаев в стеклянные или керамические корпуса или детали вакуумных приборов применяют сплавы Fe-Ni , добавочно легированные кобальтом или медью, имеющие равный со стеклом коэффициент линейного расширения и близкую температурную зависимость. Сплав Н48 с 48% никеля имеет коэффициент a=9×10^-6мм/(мм×°С), т.е. одинаковый со стеклом и называется платинитом.

Сплав элинвар с малым температурным коэффициентом упругости при изменении температуры до 120 - 200°С имеет состав : 36%Ni, 8%Cr, Fe – остальное. Из элинвара изготовляют мембраны, сильфоны, волосовые пружины часов, а также другие высокоточные упругие элементы приборов и механизмов.

Магнитные сплавы. Здесь будут рассмотрены ферромагнитные материалы, которые характеризуются способностью очень интенсивно намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля. В магнитном поле домены (области спонтанного намагничивания ) ферромагнитного материала ориентируются вдоль направления внешнего силового поля в тем большей степени, чем больше напряженность намагничивающего поля Н. После удаления поля в ферромагнитном материале сохраняется остаточная индукция Вr. Для устранения остаточной индукции нужно приложить к ферромагнитному материалу магнитное поле обратного знака, равное величине Н_С. Значение напряженности размагничивающего поля Н_С называется коорцетивной силой. Произведение Вr× Н_С характеризует энергию перемагничивания, и эту величину называют магнитной энергией ферромагнитного материала. Магнитные материалы подразделяются на магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезис (рис. 12.а), высоким значением коорцетивной силы (Н_С) и применяются для изготовления постоянных магнитов. Коорцетивная сила повышается с увеличением внутренних напряжений и дисперсности структуры металла. Эту группу представляют литейные никелевые сплавы типа ални АН, алнико АНК, магнико МНК. Сплавы содержат 13 - 33% Ni, 9 – 15% Al, 12 – 24% Co (в зависимости от марки). Коорцетивная сила в этих сплавах в дисперсионно-состаренном состоянии значительно выше, чем у магнитных сталей, поэтому магниты из таких сплавов имеют более высокую магнитную энергию и их используют для изготовления малогабаритных мощных магнитов.

Рис.12. Зависимость магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н: а – магнитотвердые материалы; б – магнитомягкие материалы; 1 – первичная кривая намагничивания; 2 – гистерезисная кривая намагничивания

Магнитомягкие материалы. Магнитомягкие сплавы работают в условиях циклически изменяющихся магнитных полей и непрерывного перемагничивания. Они, наоборот, имеют узкую петлю гистерезиса (рис. 12.б), малые значения коорцетивной (Н_С) силы и характеризуются небольшими потерями на гистерезис. Из них изготавливают сердечники трансформаторов, электродвигателей и генераторов, детали слаботочной техники, т. е. такие детали, которые подвергаются многократному переменному намагничиванию. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

Для работы в слабых полях, например в телекоммуникационных системах, применяют пермаллои - железоникелевые сплавы с определенными узкими пределами содержания никеля (около 79%), которые имеют высокую магнитную проницаемость m до 10⁵ Гн/Э. Иногда их дополнительно легируют Mo и Cr, улучшающими способность сплавов к пластической деформации и их магнитную проницаемость. Высоконикелевые пермаллои 79НМ, 81НМА характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях.

Пермаллои получают вакуумным переплавом, прокатывают на ленты и листы магнитопроводов, с последующим отжигом при 1100-1300°С в вакууме или водороде.

Контрольные вопросы:

1. Какие материалы называют магнитотвердыми?

2. Приведите пример магнитотвердого сплава.

3. Какой должна быть структура магнитотвердого материала?

4. Назовите область применения магнитотвердых материалов.

5. Какой должна быть структура магнитомягкого материала?

6. Назовите область применения магнитомягкого материала.

7. Выберите материал для высокоточных упругих элементов приборов и механизмов.

142