Магнитомягкие материалы
МММ должны иметь высокую проницаемость, малую коэрцитивную силу, большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.
МММ можно разделить на следующие группы: низкоуглеродистая сталь, кремнистая электротехническая сталь, сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью, сплавы с большой индукцией насыщения, ферриты.
Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь). Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.
Низкоуглеродистая сталь содержит не более 0,1% углерода, серы, марганца и обладает сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает его применение.
В зависимости от способа получения чистого железа различают электролитическое железо и карбонильное железо.
Электролитическое железо получают в процессе электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях.
Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила. Карбонильное железо получают в виде порошка, и его удобно использовать для изготовления сердечников, работающих на повышенных частотах.
Кремнистая электротехническая сталь содержит менее 0,05% углерода, от 0,7 до 4,8% кремния относится к МММ широкого применения. Сталь с содержанием кремния 6,8% обладает наивысшей магнитной проницаемостью, но в промышленности применяют сталь с содержанием кремния не выше 5,1%.
Пермаллои. Они относятся к МММ, обладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях, и представляют собой железоникелевые сплавы. Пермаллои подразделяют на высоконикелевые (72…80% никеля) и низконикелевые (40… 50% никеля).
Из железоникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить группы:
- нелегированные низконикелевые пермаллои – марок 45Н и 50Н (содержание никеля 45 и 50%);
- сплавы , обладающие структурой и прямоугольной петлей гистерезиса – 50НП, 65НП, 34НКП;
- низконикелевые пермаллои (50% Ni), легированные хромом и кремнием – 50НХС;
- высоконикелевые пермаллои, легированные молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью – 79НМ, 80НХС, 76НХД.
В марках пермаллоев Н-никель, М-марганец, Х-хром, Д-медь, К-кобальт , С-кремний, П-прямоугольную петлю гистерезиса. Сплавы с улучшенными свойствами обозначают дополнительно буквой У.
Аморфные магнитные материалы. АММ обладает очень высокими магнитными параметрами, для повышения их проводится термическая обработка во внешнем магнитном поле. Производство АММ дешевле, чем производство металлических листовых магнитомягких материалов. Высокопроницаемыми материалами являются аморфные сплавы железа и никеля (40%Ni, 40%Fe, 14%P, 6% B), высокожелезистые (80%Fe, 16%P, ) и высококобальтовые .
Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов.
Магнитотвердые материалы
МТМ, в отличие от магнитомягких материалов, имеют существенно большие коэрцитивную силу и площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей.
МТМ по составу и способу получения подразделяют на литые высокоэрцитивные сплавы, металлокерамические материалы, магнитотвердые ферриты, сплавы на основе редкоземельных элементов, прочие магнитотвердые материалы.
Литые высокоэрцитивные сплавы. Наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе железо- никель- кобальт- алюминиевых сплавов, легированных различными добавками.
Высокоэрцитивное состояние таких сплавов обусловливается механизмом дисперсионного твердения.
Высокоэрцитивное состояние сплавов Fe-Ni-Al получается при концентрации 20…33% никеля и 11…17% алюминия. Для улучшения магнитных свойств сплавы легируют. Легирование медью повышает коэрцитивную силу и улучшает механические свойства, но приводит к снижению остаточной индукции. Легирование кобальтом позволяет существенно улучшить коэрцитивную силу и повышает индукцию насыщения и коэффициент выпуклости. В качестве легирующих элементов используется также титан, кремний и необий.
Магнитотвердые материалы типа Al-Ni-Co представляют собой сплав железа с никелем (12…26%), кобальтом (2…40%) и алюминием (6…13%), содержащие для улучшения магнитных свойств легирующие добавки меди (2…8%), титана (0…9%) и никеля (0…3%).
Для улучшения магнитных свойств сплавы подвергают кристаллической текстуре, которая создается при направленной кристаллизации сплавов. В результате возникает микроструктура в виде ориентированных столбчатых кристаллов.
Марки сплавов обозначаются буквами: Б - необий, Д - медь, К - кобалт, Н - никель, Т - титан, Ю - алюминий, А-столбчатая структура.
Магнитотвердые ферриты наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе бариевого феррита и кобальтового феррита. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией. К недостаткам бариевых магнитов относится низкая остаточная индукция, высокая твердость и хрупкость, а также значительная зависимость магнитных свойств от температуры. Кобальтовые ферриты более температуростабильны.
Другие магнитотвердые материалы. Кроме рассмотренных магнитотвердых материалов применяются традиционные материалы для постоянных магнитов – мартенситные стали, а также пластически деформируемые сплавы.
Мартенситом называют особый вид микроструктуры стали, который получается при быстром ее охлаждении (закалке). Образование мартенсита (200°С), который имеет пластичную форму , сопровождается объемными изменениями, созданием больших внутренних напряжений, что приводит к появлению большой коэрцитивной силы. Используются только легированные мартенситовые стали, которые называются по легирующей добавке: хромовые (до 3% Cr) вольфрамовые (до 8% W) и кобальтовые (до 15% Co). Значение Wmax для мартенситных сталей низкое (1…4 кДж/м3). Они имеют склонность к старению. Эти материалы имеют ограниченное применение и используются для изготовления магнитов только в наименее ответственных случаях.
Пластически деформируемые сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на станках.
Наиболее распространенными являются сплавы кунифе (60% Cu, 20% Ni, 20% Fe), кунико (50% Cu, 21% Ni, 29% Co, остальное – Fe) и викаллой (51,0…54,0% Co, 10...13% V, остальное – Fe)