4.3. Магнитомягкие материалы

Намагничиваются в слабых полях (Н5 10⁴А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (_Н88 мГн/м и_мах300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание. Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, листов статоров и роторов электрических машин.

По величине потерь на перемагничивание определяются допустимые рабочие частоты магнито-мягких материалов и они подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные в свою очередь подразделяются на низкочастотныес высокой индукцией насыщения В_Sи низкочастотныес высокой магнитной проницаемостью (начальной и максимальной).

Материалы с высокой индукцией насыщения: железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Их применяют для магнитных полей напряженностью от 10² до 10⁴ А/м. Наиболее чистое от углерода и примесей - карбонильное железо получают термическим разложением в вакуумеFе(СО)₅- карбонила, с последующим спеканием порошка железа. Электролитическое железо и карбонильное - дорогие и используются только в небольших изделиях. Техническое железо содержит больше примесей, получают его прокатом, а затем отжигают в вакууме или в среде водорода.

Стали нелегированные электротехнические имеют низкое удельное электрическое сопротивление и большие тепловые потери при перемагничивании. Электрическое сопротивление электротехнических сталей повышают легированием кремнием, предельное содержание кремния не выше 5,1%, так как при его большем содержании стали становятся более хрупкими и непригодны для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, с последующим отжигом в среде водорода, снимающего остаточные напряжения и способствующего укрупнению зерна. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (сталь приобретает текстуру).

Наибольшее значение магнитной индукции насыщения имеют высоколегированные кобальтовые сплавы (железо - кобальт - ванадий), например, сплав 50КФ2 обладает индукцией насыщения 2,3 Тл в магнитном поле напряженностью 8 кА/м; железо - 1,5 Тл.

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (меньше 100 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью –пермаллои. Это железо – никелевые сплавы и характеризуются тем, что значения магнитной анизотропии и магнитострикции равны нулю; это является причиной особенно легкого намагничивания пермаллоев. В пермаллоях содержание никеля от 45 до 80% ,_нбольше 80 мГн/м;_махбольше 300 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях; повышенное удельное электрическое сопротивление (по сравнению с чистыми металлами) позволяет их использовать при частотах до 25 кГц; малая Н_с, меньше 16 А/м, уменьшает потери на гистерезис. Пермаллои отличаются хорошей пластичностью - прокатываются в тонкие листы и проволоку. Магнитные свойства сильно зависят от деформации - магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает, поэтому обязательна термическая обработка. Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (большая остаточная индукция, близкая к индукции насыщения). Существует два способа создания материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается холодной пластической деформацией при прокатке с высокими степенями обжатия. Магнитная текстура создается в результате охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка), при этом векторы напряженности ориентируются вдоль поля и при последующем намагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, уменьшает чувствительность к механическим напряжениеям и снижает индукцию насыщения. Недостатками пермаллоев является их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

Альсиферы– тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа. Альсиферы дешевле пермаллоев, но обладают высокая твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсиферов изготавливают методами литья или прессования из порощков.

Магнитные сплавы с особыми свойствами. В ряде случаев требу­ются материалы с повышенным постоянством магнитной прони­цаемости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свой­ствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнитным потоком, в частности в некоторых дросселях, транс­форматорах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборов и др. Магнитная проницаемость может быть обусловле­на обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость постоянна при обратимых процессах намагничи­вания, следовательно, такие материалы должны обладать обрати­мой проницаемостью в различных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемо­сти обладают материалы на основе Fe-Ni,Fe-Co,Fe-Ni-Coспла­вов. Тройной сплав (25% Со, 45%Ni, остальное -Fe) называютперминваром.Магнитная проницаемость перминвара после специ­альной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остается постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Для различных типов сердечников, полюсов электромагнитов, работающих в магнитных полях с напряженностью 24000 А/м и выше, необходимы материалы с особо высокой индукцией насы­щения. Такими свойствами обладает Fe-Co - сплав пермендюр, который состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (осталь­ное - железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл). К числу недостатков пермендюра относится малое удельное электрическое сопротивление, кото­рое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимос­тью магнитной проницаемости от температуры для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изго­тавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность свойств магнитных цепей с постоян­ным магнитом. С увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре основного магнита снижается. Это изменение ком­пенсируется возрастанием магнитного сопротивления шунта. Тер­момагнитный материал шунта должен иметь магнитную проница­емость, которая сильно зависит от температуры в рабочем диапа­зоне от -70 до +80 °С, и точку Кюри, близкую к рабочей температуре установки. В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый - кальмаллой, железо-никелевый - термаллой, железо-никель-хромовый - компен­сатор.

Аморфные магнитные материалы (АММ). Особенностью АММ является от­сутствие в них дальнего порядка в расположении атомов. Однако, несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных мо­ментов. АММ во многом подобны стеклам и металлическим рас­плавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из расплавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осуществиться.

Аморфная структура получа­ется при скорости охлаждения расплава до 10⁵...10⁸ K/c, в изделиях в виде проволоки или ленты.

Для повышения характеристик термическую обработку АММ проводят во внешнем магнитном поле, что обеспечивает более высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопротивления. Производ­ство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Металлические магнитомягкие АММ состоят из 75...85% смеси (или одного) из металлов - железа, ко­бальта, никеля и 15... 25% неметаллов (легкоплавкого компонента-стеклообразующего). Перспективными высокопроницаемыми ма­териалами являются аморфные сплавы железа и никеля и кобальта. Для улучшения отдельных свойств АММ дополнительно ле­гируют хромом, молибденом, алюминием, марганцем, ванадием и др. Неметаллы ухудшают магнитные и температурные параметры АММ, но увеличивают удельное электрическое сопротивление.

Аморфные магнитные материалы используются в технике маг­нитной записи и воспроизведения, различных типах специальных трансформаторов, импульсных источниках питания и преобразо­вателях постоянного напряжения на частотах до нескольких мега­герц, магнитных усилителях, магниторезистивных головках с вы­сокой плотностью записи, электродвигателях с высоким КПД.

Магнитодиэлектрики.Эти материалы состоят из конгломерата мелкодисперсных частиц ферро- или ферримагнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком - связующим элементом. Благодаря тому, что час­тицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики облада­ют высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вих­ревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницае­мости. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечива­ется жидким стеклом, различными смолами, например полистиро­лом, фенолформальдегидной смолой.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибдено­вого пермаллоя.

Высокочастотные, при высоких частотах растут тепловые потери, что сопровождается ухудшением магнитных свойств, уменьшением магнитной проницаемости. Эффективный способ снижения тепловых потерь - применение материалов с высоким электрическим сопротивление - диэлектриков. К таким материалам относятся -ферриты.

Ферриты.Основным достоинством ферритов является сочета­ние высоких магнитных параметров с большим электрическим со­противлением, которое превышает сопротивление ферромагнит­ных металлов и сплавов в 10³... 10¹³раз, и, следовательно, они име­ют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнит­ной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe₂O₃, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мп²⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Zn²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺и др. Кристаллическая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала - благородной шпинелиMgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структуройшпинелиилиферрошпинели.Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку.

Удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 10¹²Ом/м. Относительная магнитная проницаемость изменяется в диапазоне - от нескольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения - меньше 0,4 Тл; относительно большая коэрцитивная сила - до 180 А/м; невысокая температура точки Кюри; большая чувствительность к остаточным напряжениям; обладают всеми свойствами керамики: твердые, хрупкие, трудны в обработке.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) применяются в устройствах автоматического управления и вычислительной техники. Важным показателем является коэффмцмент прямоугольностиk_пу, который определяется отношением остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

k_пу =B_r/B_max . В качестве ферритов с ППГ используются магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели, легированные ионами цинка, кальция, меди, натрия. Коэффициент прямоугольности для них -k_пу= 0,9…0,94; остаточная индукцияB_rB_r = 0,15…0,25 Тл, температура Кюри Т_к= 110…250⁰С (для магниевых ферритов),Тк = 550…630⁰С (для литиевых ферритов).

Ферриты, применяемые для устройств, работающих на высоких частотах имеют сложный состав из четырех и более оксидов: оксида лития, бария.Ферриты -гранатыимеют кристаллическую решетку минерала граната, их формула 3Ме₂О₃ 5Fе₂О₃, в качестве легирующего элемента в них используют редкоземельные металлы (РЗМ), применение находят поли- и монокристаллы. Поликристаллические ферриты-гранаты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, гадолиния, самария. Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготавливают из оксидов железа, легированных РЗМ. Состав их соответствует формулеRFeO₃,R- редкоземельный металл (иттрий, гадолиний, самарий), они имеют орторомбическую кристаллическую структуру. У них обнаружена специфическая доменная структура - цилиндрические магнитные домены, которые при намагничивании образуют лабиринтовую структуру доменов с высокой подвижностью, что повышает скорость обращения информации в запоминающих устройствах.