Калин Физическое материаловедение Том 5 2008

Одной из важных особенностей ферромагнитных материалов является магнитная анизотропия (т.е. зависимость от направления в кристаллической решетке). Для различного типа кристаллических решеток существует разные направления легкого, среднего и трудного намагничивания (табл. 22.9).

Таблица 22.9

Направления характерного намагничивания металлов с разной кристаллической решеткой

При намагничивании и перемагничивании ферритного материала его геометрические размеры могут изменяться. Это явление на-

зывается магнитострикцией.

Явление магнитного гистерезиса связано с отставанием магнитной индукции от напряженности внешнего поля. Если проводить цикл перемагничивания ферромагнетика, то получим замкнутую кривую − петлю гистерезисного цикла.

Потери при перемагничивании. При перемагничивании фер-

ромагнетика в переменных полях происходят потери энергии, связанные, как правило, с нагревом материала. Потери − это мощность электрического тока, рассеиваемая в ферромагнетике при перемагничивании.

В электротехнике часто используют значение удельных потерь, отнесенных к единице массы материала. Суммарные потери мощ-

ности складываются из потерь на гистерезис Pг и на вихревые то-

ки Pв (Вт/кг):

Потери на гистерезис обусловлены необратимыми процессами

где η − коэффициент, зависящий от вида материала; f − частота тока, Гц; Bmax − максимальная индукция, Тл; n = 1,6–2,0.

561

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания прямо пропорциональны площади петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи связаны с возникновением ЭДС индукции I и появлением вихревых токов в сердечнике, находящемся в переменном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной направлению вектора H (рис. 22.6). Потери на вихревые токи могут быть оценены по формуле:

Pв = ξB2max f 2h/dρ, (22.14)

где ξ − коэффициент, зависящий от материала и геометрии сердечника; h – толщина материала;

d − плотность; ρ − удельное сопротивление материала сердечника. Потери на вихревые токи пропорциональны частоте тока и при высоких значениях f составляют примерно 80−90 % потерь. В технической литературе употребляют следующее обозначение:

P1,0/400 = 0,1 Вт/кг.Это означает, что при максимальной индукции 1,0 Тл и частоте тока 400 Гц потери составляют 0,1 Вт/кг.

В ферромагнетиках возможны также дополнительные потери,

связанные с магнитной вязкостью материала (магнитным после-

действием), зависящей от времени действия магнитного поля.

Классификация магнитных материалов. Магнитомягкие ма-

териалы способны намагничиваться до насыщения в слабых полях и обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями при перемагничивании. Считают, что намагничивание магнитомягких материалов происходит в основном за счет смещения междоменных границ. Условно к магнитомягким материалам относят материалы со значением коэрцитивной силы Hс < 800 A/м. Эти материалы находят свое применение в деталях трансформаторов, электромагнитах, электрических машинах и т.д.

Магнитотвердые материалы отличаются высокой удельной энергией, возрастающей с увеличением индукции Br, и высокой коэрцитивной силой Hс > 4 кA/м. Намагничивание происходит за

562

счет вращения вектора намагниченности, хотя в некоторых спла-

вах на основе редкоземельных элементов преобладает смещение междоменных границ. Основное применение этих материалов − постоянные магниты.

Магнитные материалы специального назначения − особая кате-

гория магнитных материалов. К ним относятся термомагнитные и магнитострикционные материалы, СВЧ-ферриты, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса и др.

Магнитомягкие металлы и сплавы. Технически чистое желе-

зо (армко-железо) является основным компонентом при изготовлении магнитных материалов, представляет собой низкоуглеродистую сталь с содержанием углерода менее 0,05 % и минимальным количеством примесей других элементов. Процесс получения технически чистого железа связан с восстановлением чистой руды, а также электролитическими и карбонильными процессами, например металлокерамическая технология конденсации газообразного пентакарбонильного железа Fe(CO)5. Магнитные и электрические свойства железа, полученного различными методами, приведены в табл. 22.10.

Таблица 22.10

Магнитные и электрические свойства электротехнического железа

Карбонильное железо обладает высокими значениями магнитной проницаемости и индукции насыщения, а также низкой коэрцитивной силой. Вследствие высокого значения потерь на вихревые токи основная область его применения − полюсные наконечники электромагнитов, электроприводы реле, экранирующие корпуса и т.д.

На магнитные свойства железа существенно влияют химический состав, структура, размер зерна, искажения кристаллической ре-

563

шетки и механические напряжения. Поэтому для улучшения магнитных свойств необходимо проводить отжиг напряжений и очищение материала от примесей путем переплавки в вакууме или в водородной атмосфере, а также термообработку, позволяющую получать структуру с крупным зерном.

Электротехнические стали − твердорастворные сплавы железа с кремнием Fe–(0,5−5)% Si. Кремний позволяет переводить углерод из цементитной фазы в графит (действует как раскислитель), а также связывает вредные газы (прежде всего, кислород), способствует росту зерен и уменьшению магнитной анизотропии и магнитострикции. Добавки кремния снижают электросопротивление сплава, и, соответственно, потери на вихревые токи. При содержании Si выше 5% механические свойства ухудшаются за счет увеличения хрупкости и твердости. Магнитные свойства электротехнической стали можно улучшить в процессе холодной деформации (образование текстуры) и последующего отжига.

Магнитные и электрические свойства различных марок сталей представлены в табл. 22.11.

Первая цифра в маркировке электротехнических сталей обозначает вид прокатки и структурное состояние: 1 − горячекатаная изотропная; 2 − холоднокатаная изотропная; 3 − холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой. Вторая цифра обозначает содержание кремния в массовых процентах, третья и четвертая − значения гарантированных потерь и магнитную индукцию соответственно.

Высокое содержание Si (класс 5) применяют, если требуются малые потери при гистерезисе и вихревых токах и высокая магнитная проницаемость в слабых и средних полях. Холоднокатаные текстурированные стали имеют высокую магнитную проницаемость в слабых полях и более низкие удельные потери по сравнению с горячекатаными сталями. Холодная деформация обычно приводит к ухудшению магнитных свойств материала. В большинстве своем пределы изменения электротехнических характеристик следующие: μнач = 200–600, μmax = 3000–8000, Hс = 10–65 A/м, Bs = =1,95–2,02 Тл, ρ = 0,25–0,6 мкОм м.

564

Таблица 22.11

Магнитные и электрические свойства сталей (толщиной листа 0,35 мм), применяемых в энергетическом машиностроении

*При Н = 1,61 кА/м.

**При Н = 1,9 кА/м.

Пермаллои представляют собой железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. Их разделяют на низкони-

келевые (40–50 % Ni) и высоконикелевые (72–80 % Ni). Такая раз-

ница связана с различным сочетанием магнитоэлектрических свойств сплавов в зависимости от содержания никеля (рис. 22.7).

Рис. 22.7. Зависимость магнитных характеристик железоникелевых сплавов от содержания никеля

565

Характерным для данной зависимости является то, что кривая μнач при различном содержании никеля имеет два максимума, а также существенное различие в удельном электросопротивлении для низконикелевой (I) и высоконикелевой (II) областей. Такое изменение характеристик расширяет область применения данных сплавов.

Обе группы пермаллоев для улучшения электромагнитных свойств легируют различными элементами, включая Mo, Cr, Cu и др. Изделия из данных сплавов выпускают в виде тонких холоднодеформированных листов и ленты, которые при последующем высокотемпературном отжиге приобретают высокие магнитные характеристики. Поверхность деталей покрывают тонким слоем оксидов кремния, магния или алюминия. В процессе сборки и эксплуатации сердечников из пермаллоев недопустимы механические напряжения (например, сдавливание обмоткой).

Высокие магнитные характеристики у пермаллоев связаны с низкими значениями намагниченности насыщения и малой кристаллографической анизотропией (табл. 22.12).

Марки пермаллоев и их характерные свойства представлены в табл. 22.13. Сплавы групп 1 и 3 чаще всего используются для изготовления малогабаритных трансформаторов, реле, магнитных экранов; группы 2 − для сердечников импульсных трансформаторов, аппаратуры высоких частот, работающей без подмагничивания.

Альсиферы − сплавы на основе железа, содержащие алюминий и кремний. Для получения высоких магнитных характеристик (на-

пример, μнач = 35400, μmax = 117000 и Hс = 1,76 A/м) используют следующий оптимальный состав сплава: Fe–9,6%Si–5,4%Al.

566

Альсиферы характеризуются высокой твердостью и повышенной хрупкостью, поэтому легко размалываются в порошки, которые часто являются ферритной составляющей магнитодиэлектриков.

Область применения альсиферов − магнитные экраны, корпуса приборов, фасонные детали магнитоприводов и другие изделия, работающие в постоянных магнитных полях. Однако из-за их повышенной хрупкости толщина изделий должна находиться в пределах 1−2 мм.

Магнитомягкие ферриты наиболее широко представлены шпинельной структурой МеFe2O4, где Ме − двухвалентный катион металла (чаще всего это Ni, Zn и Mn). Самопроизвольная намагниченность ферритов обусловлена спиновыми магнитными моментами трехвалентных ионов железа и двухвалентных ионов металла, между которыми существует косвенное обменное взаимодействие через ионы кислорода. Магнитомягкие ферриты применяют в деталях магнитоприводов, работающих в слабых и сильных магнитных полях в импульсном режиме с частотой до 100 МГц, а также при изготовлении магнитных усилителей, катушек индуктивности и т.д.

Механические свойства магнитомягких ферритов сходны со свойствами керамических материалов: хрупкость и недопустимость обработки резанием, но возможна шлифовка.

Для обозначения марок ферритов используется величина магнитной проницаемости. Магнитные и электрические свойства трех марок никель-цинковых ферритов приведены в табл. 22.14.

567

Таблица 22.14

Магнитные свойства некоторых магнитомягких ферритов

Специальные магнитные материалы представляют собой ма-

териалы с цилиндрическими магнитными доменами. Для них характерна малая коэрцитивная сила Hс < 10 А/м. Специальные магнитные материалы используют при изготовлении запоминающих устройств, где величина коэрцитивной силы сильно влияет на быстродействие устройства. В качестве примера таких материалов можно привести следующие.

Ортоферриты типа RFeO3, где R − редкоземельный элемент (Y, Sm, Eu, Yb, Er). Ортоферриты характеризуются высокой подвижностью магнитных доменных границ. На таких носителях помещается информация плотностью 104−105 Кбит/м2.

Аморфные магнитные пленки (см. пп. 20.10, 20.14) сплавов сис-

тем Gd–Co и Gd–Fe обладают относительно низкой стоимостью. Плотность информации на таких носителях 106−107 Кбит/м2.

Гексагональные ферриты типа BaFe12O13. Их применение огра-

ничено вследствие высокой намагниченности насыщения и низкой подвижности доменных границ.

Магнитодиэлектрики применяются для изготовления устройств, работающих в высокочастотных полях. Они обладают более стабильными свойствами, чем ферриты, но по ряду магнитных характеристик уступают им. Магнитодиэлектрики − композиционный материал, в котором мелкоизмельченные частицы ферромагнетика (альсифер, карбонильное железо, пермаллой) связаны немагнитной матрицей − жидким стеклом, стеклоэмалями и др. (табл. 22.15).

Магнитодиэлектрики используются в качестве сердечников электротехнических устройств, получаемых прессованием под давлением ~ 2 103 МПа.

568

Таблица 22.15

Магнитные свойства некоторых ферромагнетиков

Магнитотвердые материалы применяются для изготовления постоянных магнитов многочисленных устройств, используемых в электротехнике, автоматике, приборостроении, электронике и т.п. Характерная особенность таких материалов − высокая коэрцитивная сила. Для сохранения этого свойства необходимо затруднить перемагничивание материала, для чего помимо выбора химического состава используют следующие виды термомеханической обработки, оптимизирующей структуру материала: закалка на мартенсит; дисперсионное твердение сплава; создание высоких внутренних механических напряжений и др. Основная цель такой обработки − затруднение процессов смещения доменных границ. Высококоэрцитивные сплавы получают специфическую магнитную структуру в результате охлаждения в сильном магнитном поле.

Сплавы на основе Fe–Ni–Al. Сплавы могут быть дополнительно легированы кобальтом, медью и титаном, характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, и поэтому магниты из них изготавливают методом литья с последующей обработкой шлифованием с применением алмазного инструмента, ультразвука и т.д. Рассмотрим некоторые марки этих сплавов.

Бескобальтовый сплав марки ЮНД обладает небольшой стоимостью, но также и невысокими магнитными характеристиками.

Высококобальтовые сплавы ЮНДК15, ЮНДК18 содержат более

15 % кобальта. Это магнитоизотропные сплавы с высокими магнитными характеристиками. Добавка титана (сплав ЮНДК40Т8), позволяет получить наиболее высокую коэрцитивную силу.

Металлокерамические магниты получают из различных спла-

вов методом порошковой металлургии. Для получения порошка используют литые сплавы Fe–Ni–Al–Co и деформируемые сплавы

569

типа Cu–Ni–Co, Cu–Ni–Fe, Fe–Co–Ni, Pt–Co и Ag–Mn–Al. Механи-

ческая прочность металлокерамических магнитов в 3−6 раз выше, чем у литых, но пористость (3−5 %) снижает остаточную индукцию на 10−20 %.

Магнитотвердые ферриты изготавливают на основе бария

(BaO 6Fe2O3), кобальта (CoO Fe2O3) и стронция (SrO 6Fe2O3). Вы-

сокая коэрцитивная сила этих соединений связана с малым размером кристаллических зерен и сильной магнитокристаллической анизотропией. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что обусловлено высоким значением удельного сопротивления (у бариевых ферритов ρ 104−107 Ом м). Недостатками таких магнитов являются высокая хрупкость, твердость и сильная температурная зависимость свойств, но стоимость их в 10 раз ниже, чем у высококобальтовых сплавов.

Сплавы на основе РЗМ. Наибольший интерес представляют соединения RCo5 и R2Co17, где R – редкоземельный металл (Sm, Pr). Также иногда используют сложные тройные сплавы R2(Co1–xFex) cо значением x < 0,6. Сплавы на основе РЗМ обладают высоким значением коэрцитивной силы. Магниты из этих сплавов получают жидкофазным спеканием из порошков после прессования при высокой температуре в атмосфере инертного газа.

22.2.2. Материалы с особыми электрическими свойствами

Электропроводность металлов в теории свободных электронов описана достаточно подробно1. Согласно квантовой теории, движение электрона сквозь решетку металла можно рассматривать как распространение волны де Бройля. Волна рассеивается при соударении с ионным остовом кристаллической решетки, и средняя длина свободного пробега, т.е. расстояние, проходимое волной без рассеяния, в зависимости от чистоты металла может составлять

l ~ 100a (a – параметр решетки).

Длина свободного пробега зависит от интенсивности тепловых колебаний решетки, в результате чего возможно появление локаль-

1 Физическое материаловедение. − М.: МИФИ, 2007. Т. 1. П. 3.5.

570