3

ВСТУП

Магнітно-м’які матеріали використовуються в радіотехніці, техніці зв'язку і займають особливе місце, як матеріали для виготовлення магнітопроводів постійного і змінного струму. Вони призначені для виготовлення якорів і полюсів машин постійного струму, роторів і статорів асинхронних двигунів, для магнітних кіл великих електричних машин, силових трансформаторів, апаратів, приладів і т.д [1].

Розвиток автоматики, радіозв’язку, електричних вимірювань потребує створення матеріалів з більш високими магнітними властивостями. До таких сплавів відносяться насамперед пермалої – сплави на основі заліза з нікелем.

На сьогоднішній час в зв'язку з інтенсивним розвитком електротехнічної промисловості все більше уваги приділяється магнітно-м’яким матеріалам. Економічні і технічні вимоги, які висуваються до порошкових виробів, приводять до необхідності їх удосконалення, та розробки нових матеріалів і технологій для вибору найбільш оптимального і високоефективного методу виробництва магнітно-м’яких матеріалів.

Традиційно відомі і магнітно-м’які матеріали на основі залізного порошку, легованого кремнієм, фосфором, алюмінієм, бором знаходять обмежене застосування через високі магнітні втрати, що виникають у суцільнопресованих магнітопроводах. Тому, на наш погляд, подальший напрямок розвитку порошкових матеріалів може бути пов’язаний із удосконаленням процесів підготовки і одержання плакованих композиційних порошків із заданими структурою і фізико – технологічними характеристиками та методів отримання із них магнітно-м’яких матеріалів з високими магнітними властивостями.

Одним з найкращих магнітно-м’яких матеріалів є пермалої. Вони володіють великою магнітною проникністю в області слабких полів і дуже малою коерцитивною силою. За складом виділяють низьконікелеві (40-50% Ni) і високонікелеві ( 72-82 % Ni) пермалої. Зі збільшенням змісту нікелю зростає магнітна проникність, проте підвищуються питомі втрати і зменшується індукція насичення. Електропровідність у низьконікелевих пермалоїв приблизно в два рази вище, ніж у високонікелевих. Це призводить до розмежування області застосування низьконікелевих і високонікелевих пермалоїв. Сплав типу пермалой набув широкого застосування через дуже високу температурну стабільність, можливість отримання марок матеріалів з невеликим кроком проникності, найбільш низькі серед порошкових матеріалів втрати, стабільність по відношенню до зміни величини магнітного потоку через матеріал, низький коефіцієнт магнітострикції серед усіх порошкових матеріалів.

1 Літературний огляд

1.1 Переваги і недоліки відомих магнітно-м’яких матеріалів

Останні роки в області використання магнітно-м’яких матеріалів з'являються нові тенденції і напрямки по одержанню спеціальних порошків з необхідними властивостями і структурою. Це стосується аморфних і нанодисперсних порошків [2], наноструктурних матеріалів, а також плакованих порошків, композицій основного компонента (заліза) з металами, металоїдами, органічними зв'язуючими і пластифікаторами.

Нанотехнології не обійшли стороною магнітно-м’які матеріали, які використовують для трансформаторів, реакторів і інших електромагнітних компонентів в силовій електроніці. Перший нанокристалічний магнітно-м’який сплав розробили японські інженери Іошизава, Ямаучі і Огума. Через кілька років після публікації перших результатів нові матеріали стали широко застосовувати в усьому світі [3].

Питання заміни виробів з листових електротехнічних сталей на порошкові деталі залишається досить актуальним, оскільки дозволяє використовувати переваги технології порошкової металургії в галузі магнітно-м’яких матеріалів, що полягають у можливості виготовлення суцільнопресованих деталей електроприводів.

Особливістю більшості процесів порошкової металургії є одночасне формування властивостей матеріалу й одержання виробу з порошку, що виключає традиційний процес виготовлення виробів механічним обробленням. Економічні, а в ряді випадків технічні переваги порошкових магнітно-м’яких матеріалів забезпечують їхнє широке використання в електротехніці, радіоелектроніці й інших галузях промисловості. Великий інтерес до порошкових виробів виявляється з погляду можливості використання їх у змінних полях [4, 5].

З цією метою в матеріали на основі залізних порошків вводять легуючі добавки (фосфор, кремній, алюміній, бор), використовують лускаті порошки і шаруваті вироби, проводять поверхневе оксидування частинок вихідного матеріалу для утворення ізолюючої плівки. Виключення переплаву розширює можливості керування складом і структурою магнітно-м’яких матеріалів за допомогою формування і термічної обробки. При цьому можна легко керувати розподілом добавок, розмірами і формою зерен, їхньою орієнтацією і т.д. [6]. Одержання аморфних сплавів з високою магнітною проникністю пов'язано з великими технічними складнощями: приходиться застосовувати холоднокатані листи товщиною 1,5 – 20 мкм, гарячекатані листи і холоднотягнутий дріт. Тому дані матеріали знаходять обмежене застосування і використовуються лише в тих галузях техніки де необхідно одержати матеріал з максимальними значеннями магнітної проникності.

Для матеріалів, що працюють у змінних магнітних полях, найважливішими властивостями є початкова магнітна проникність і питомі магнітні втрати [7]. Але ці властивості є похідними від величини коерцитивної сили. Величина питомого електричного опору визначає граничну частоту, до якої доцільне застосування даного матеріалу. Застосування порошкових магнітопроводів на основі сплавів залізо – кремній, залізо – фосфор, а також композиційних матеріалів з непровідними включеннями (залізо - скло) можливо при невеликих розмірах виробу, коли виключається екрануюча дія вихрових струмів і досягається перемагнічування по всій товщині деталі. Це можливо, якщо виконується співвідношення

d<10⁵ , (1.1)

де d – товщина магнітопроводу, мм; ρ – питомий електричний опір матеріалу магнітопроводу, Ом∙м; μ_max – максимальна магнітна проникність (безрозмірна величина) [8].

З формули випливає, що магнітопроводи з матеріалів з високою магнітною проникністю можуть бути використані в змінних магнітних полях за умови значного підвищення їхнього опору чи формування шаруватої структури, причому товщина шару не повинна перевищувати обчислене значення. Так як легуванням можна збільшити питомий електричний опір не більше ніж на порядок, товщина магнітопроводу, що працює на частоті 50 Гц, не повинна перевищувати потроєної товщини листа (0,35) електротехнічної сталі, тобто 0,35·3 ≈ 1 мм. Збільшення пористості також дозволяє підвищити питомий електроопір, але при цьому зменшується ефективна індукція, результатом чого в кінцевому рахунку стає ріст сумарних втрат.

Дослідження матеріалів на основі залізних порошків показали, що питомі втрати можуть бути обмежені декількома шляхами. Один з них припускає зниження питомих втрат у порошковому магнітопроводі за рахунок введення в матеріал ізолюючих прошарків, а також при використанні порошків з частинками у формі плоских лусочок товщиною близько 25 мкм [9]. Орієнтація площини таких лусочок у напрямку, перпендикулярному магнітному полю, забезпечує порівняно невеликий фактор, що розмагнічує, і високу проникність у напрямку поля. Опір поперек шарів, тобто в напрямку протікання вихрових струмів, при використанні лусочок з порошку ПЖ4 і смоли ЭД – 5 у якості ізолюючого зв'язуючого зростає до 750 мкОм∙м, що в 7,7∙10³ рази більше, ніж у чистого заліза. У зв'язку з утворенням немагнітних прошарків між частинками виникає внутрішній фактор, що розмагнічує, який веде до росту ефективного значення коерцитивної сили і, відповідно, втрат на перемагнічування, що в матеріалах з лускатого заліза перевищують 80 % від загальних питомих втрат, які складають Р_1,0/50=10 Вт/кг.

Останні роки в області використання порошкових магнітно-м’яких матеріалів проводяться дослідження по одержанню спеціальних порошків з необхідними властивостями і структурою.

Так, у роботі [10] досліджені магнітні властивості різних порошків. Показано, що перспективною заміною дорогого порошку ПРЖ-1 є ПР-ЖФ великої фракції, у якого досить висока магнітна проникність у полі 199 кА/м і висока зносостійкість.