Материаловедение(лекции)

4. МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

4.1. Общие сведения о магнитных свойствах материалов

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает маг$ нитный момент. Намагничивание вещества характеризуют магнит$ ная индукция В (Тл), напряженность магнитного поля Н (А/м), на$ магниченность J (А/м), магнитная восприимчивость kм, магнитная проницаемость , магнитный поток Ф (Вб).

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

J 1 kмH.

Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей

B 1 B0 2 Bвн 1 30H 2 30J 1 30(H 2 J),

где 0 = 4 ·107 – магнитная постоянная, Гн/м. Объединив выражения, получим

В 1 20Н(13 km) 1 202r H,

где r = 1 + kм или r = В/( 0Н) – относительная магнитная прони$ цаемость.

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), антиферромагнитные (антифер$ ромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетики – вещества, которые намагничиваются проти$ воположно приложенному полю и ослабляют его, т. е. имеют kм < 0 (от 10–4 до 10–7). Диамагнетизм присущ всем веществам, но выра$ жен слабо; к диамагнетикам относятся все инертные газы, пере$ ходные металлы (бериллий, цинк, свинец, серебро), полупровод$ ники (германий, кремний), диэлектрики (полимеры, стекла), сверх$ проводники.

31

Парамагнетики – вещества, которые имеют kм > 0 (от 10–2 до 10–5) и слабо намагничиваются внешним магнитным полем. К парамагне$ тикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (калий, натрий, алюминий), переходные металлы (молибден, вольфрам, титан, платина) с недостроенными электронными оболочками атомов.

Ферромагнетики – вещества, между атомами которых возникает обменное взаимодействие. В результате такого взаимодействия энер$ гетически выгодным в зависимости от расстояния становится парал$ лельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферро$ магнетизм) или антипараллельная (антиферромагнетизм). Под действием обменных сил параллельная ориентация магнитных мо$ ментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определен$ ных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствии внешнего поля намагничен до насыщения, благодаря об$ менному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие длится только до определенной температуры, которая называется температурой точки Кюри. Выше этой температуры домены раз$ рушаются, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные материалы легко намагничиваются в слабых магнит$ ных полях, характеризуются большим значением магнитной воспри$ имчивости (до 106), а также ее нелинейной зависимостью от напряжен$ ности поля и температуры. Железо, никель, кобальт и редкоземельный металл гадолиний относятся к ферромагнитным металлам.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых во вре$ мя обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипа$ раллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнит$ ные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферро$ магнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая близка к восприимчивости парамагнетиков. При температуре выше некоторой критической, которая получила название температуры Нееля (аналогична тем$ пературе Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагне$ тика разрушается, и он переходит в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаи$ модействие осуществляется не непосредственно между магнитоак$ тивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнит$ ный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным об менным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве слу$ чаев приводит к антипараллельной ориентации магнитных момен$ тов соседних ионов (т. е. к антиферромагнитному упорядочению).

32

Однако магнитные моменты ионов не полностью компенсируются, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и имеют доменную структуру. Ферримагнетики наряду с ферромагнетиками относятся к сильномагнитным материалам.

4.2.Процессы технического намагничивания

иперемагничивания ферромагнитных материалов

Вферромагнитных материалах реализуется такая доменная струк$ тура, для которой полная свободная энергия системы является мини$ мальной. Полная свободная энергия состоит из следующих основных видов энергий: магнитостатической, магнитной анизотропии, магни$ тострикции,обменной.Минимуммагнитостатическойэнергии,связан$ ной с полями рассеивания или с возникновением полюсов на концах магнита, имеет место в том случае, когда магнитный поток замкнут внутри материала. Однодоменное состоя$

вается энергией, затрачиваемой на образование границ между доме$ нами. Линейный размер доменов от 10–2 до 10–5 см. Толщина домен$ ной границы составляет несколько сотен нанометров.

При действии внешнего магнитного поля происходит рост объема

33

ков, которые характеризуются определенными процессами намаг$ ничивания для ферромагнетиков. В области слабых полей (область I) магнитные восприимчивость и проницаемость не изменяются. Изменение магнитной индукции в этой области происходит в ос$ новном из$за обратимых процессов, которые обусловлены смеще$ нием границ доменов.

Кривая намагничивания в области II характеризуется тем, что происходит неупругое смещение границ доменов, т. е. процесс не является обратимым. В области приближения к насыщению (об$ ласть III) изменение индукции объясняется в основном процессом вращения, когда направление вектора намагниченности самопро$ извольных областей приближается к направлению внешнего поля. Полная ориентация намагниченности по полю соответствует тех$ ническому насыщению (конец области III). Последний участок кривой (область IV) соответствует слабому росту индукции с уве$ личением напряженности поля. В этом случае увеличение индук$ ции происходит благодаря росту намагниченности домена, т. е. ориентации спиновых моментов отдельных электронов, направ$ ление которых не совпадает с направлением внешнего поля вслед$

34

нуля. В этом случае Нс называется ко$ эрцитивной (задерживающей) силой.

По значению коэрцитивной силы материалы делятся на магнитомяг$ кие (с малым значением коэрцитивной силы и большой магнитной проницаемостью) и магнитотвердые (с большой коэрцитивной силой и относительно небольшой магнитной проницаемостью). Значение индукции насыщения принято определять в поле Нs, равным 5Нс. Кривая изменения индукции при изменении напряженности магнит$ ного поля от +Нs до –Hs и обратно называется предельной петлей гистерезиса, по ней определяют коэрцитивную силу Нс, индукцию насыщения Вs, остаточную индукцию Br.

Намагниченность монокристалла ферромагнетика анизотропна. Кристалл железа в направлении (100) ребра куба намагничивается до насыщения при значительно меньшей напряженности магнитно$ го поля по сравнению с направлением (111) диагонали куба. Удель$ ная энергия, которую необходимо затратить на перемагничивание из направления легкого намагничивания в направление трудного на$ магничивания, называется константой кристаллографической маг нитной анизотропии K.

В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усред$ няются. Однако прокаткой можно создать кристаллографическую анизотропию, которая облегчит намагничивание.

Намагничивание в полях напряженностью меньше Нs называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженнос$ тью – истинным намагничиванием, или парапроцессом.

На процесс намагничивания, кроме магнитной анизотропии, су$ щественно влияют и магнитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание.

Магнитострикция – изменение размеров ферромагнетика при его намагничивании. В области технического намагничивания (Н < Нs) магнитострикция носит линейный характер, в области парапроцес$ са (Н > Нs) – объемный.

35

Во всех ферромагнитных материалах, кроме сплавов инварного типа, намагниченность в области парапроцесса с ростом поля прак$ тически не меняется. В сплавах инварного типа намагниченность в этой области увеличивается (в результате дополнительной ориента$ ции спиновых моментов электронов) и вызывает большие магнито$ стрикционные явления.

При техническом намагничивании (Н < Нs) размер домена l в направлении магнитного поля изменяется на величину = ± l / l, называемую коэффициентом линейной магнитострикции. Вели$ чина и знак этого коэффициента зависят от природы ферромаг$ нетика, кристаллографического направления и степени намаг$ ниченности.

При намагничивании в полях H > Hs увеличивается и объем кри$ сталла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции парапроцесса s. Он обычно мал, но у не$ которых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин (сплавы железо – никель). Явление магнитострикции ис$ пользуется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магнитострикционных приборов.

Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменном магнитном поле связан с тепловыми потерями части энергии магнит$ ного поля, что внешне проявляется в нагревании материала. Потери в магнитном поле характеризуются удельными магнитными потеря$ ми Pуд или тангенсом угла магнитных потерь tg m.

По механизму возникновения различают потери на гистерезис и динамические. Потери на гистерезис связаны с явлением магнитного гистерезиса и с необратимым перемещением границ доменов. Они пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте переменно$ го поля. Мощность потерь, расходуемая на гистерезис

Pг 1 2Bmaxn fv,

где – коэффициент, зависящий от свойств материала; Вmax – мак$ симальная индукция в течение цикла, Тл; n =1,6...2,0 – показатель степени, значение которого зависит от В; f – частота; v – объем образ$ ца, см3.

Динамические потери, которые учитывают в слабых магнитных полях, обусловлены вихревыми токами, а также отставаниеммаг$ нитной индукции от изменения напряжености магнитного поля. Потери на вихревые токи вызываются электрическими токами, ко$ торые индуцируются в магнитном материале внешним магнитным полем, и сильно зависят от электрического сопротивления материа$

36

ла (с увеличением сопротивления потери уменьшаются). Мощность потерь на вихревые токи:

Pf 1 2Bmax2 f2v,

где – коэффициент, зависящий от типа магнитного материала и его формы.

Приразработкемагнитныхматериаловсзаданнымисвойствамисле$ дует учитывать, что магнитные характеристики Мs, Hs , s, K и темпе$ ратура Кюри зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики , Hc, Вr, Hs зависят также и от вида термической об$ работки, так как являются структурно чувствительными.

Легко намагничиваются (малое значение Hs) химически чистые ферромагнитные материалы и однофазные сплавы на их основе. Ко$ личество дефектов должно быть минимальным (например, границы кристаллов), что обеспечивается крупнокристаллической структу$ рой. Если размер кристалла ферромагнетика приближается к разме$ рам доменов, то петля гистерезиса принимает прямоугольную фор$ му. Нежелательны остаточные напряжения, применяется термичес$ кая обработка – отжиг.

4.3. Магнитомягкие материалы

Такие материалы намагничиваются в слабых полях (H < 5·104 А/ м) вследствие большой магнитной проницаемости ( н < 88 мГн/м иmах < 300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание. Они приме$ няются для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, листов статоров и роторов электрических машин.

По величине потерь на перемагничивание определяются допусти$ мые рабочие частоты магнитомягких материалов и они подразделя$ ются на низко$ и высокочастотные.

Низкочастотные, в свою очередь, подразделяются: на низкочас$ тотные с высокой индукцией насыщения Вs и низкочастотные с высо кой магнитной проницаемостью (начальной и максимальной).

Материалы с высокой индукцией насыщения. Это железо, неле$ гированные и легированные электротехнические стали. Их приме$ няют для магнитных полей напряженностью от 102 до 104 А/м. Наи$ более чистое от углерода и примесей – карбонильное железо получа$ ют термическим разложением в вакууме Fе (СО)5 – карбонила, с пос$ ледующим спеканием порошка железа. Электролитическое железо и карбонильное – дорогие и используются только в небольших издели$ ях. Техническое железо содержит больше примесей, получают его прокатом, а затем отжигают в вакууме или в среде водорода.

37

Стали нелегированные электротехнические имеют низкое удель$ ное электрическое сопротивление и большие тепловые потери при перемагничивании. Электрическое сопротивление электротехничес$ ких сталей повышают легированием кремнием, предельное содержа$ ние кремния не выше 5,1%, так как при его большем содержании стали становятся более хрупкими и непригодными для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате хо$ лодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов с последующим отжигом в среде водорода, снимающе$ го 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 – вана$ дий), 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 дости$ жения больших значений индукций в очень слабых магнитных по$ лях (меньше 100 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью – пермаллои. Это железо$никелевые сплавы и характеризуются тем, что значения магнитной анизотро$ пии и магнитострикции равны нулю; это является причиной особен$ но легкого намагничивания пермаллоев. В пермаллоях содержание

никеля от 45 до 80% , н больше 80 мГн/м; мах больше 300 мГн/м, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях; повышенное

удельное электрическое сопротивление (по сравнению с чистыми ме$ таллами) позволяет их использовать при частотах до 25 кГц; малая Hс, меньше 16 А/м, уменьшает потери на гистерезис. Пермаллои отличаются хорошей пластичностью, прокатываются в тонкие лис$ ты и проволоку. Магнитные свойства сильно зависят от деформации

– магнитная проницаемость уменьшается, а коэрцитивная сила воз$ растает, поэтому обязательна термическая обработка. Особую груп$ пу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (боль$ шая остаточная индукция, близкая к индукции насыщения). Суще$ ствует два способа создания материала с прямоугольной петлей гис$ терезиса: создание кристаллографической или магнитной текстур. Кристаллографическая текстура достигается холодной пластичес$ кой деформацией при прокатке с высокими степенями обжатия. Магнитная текстура создается в результате охлаждения материа$ ла при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка), при этом векторы напряженности ориентируются вдоль поля и при пос$

38

ледующем намагничивании в том же направлении вращение векто$ ров отсутствует.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными до$ бавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, умень$ шает чувствительность к механическим напряжениеям и снижает индукцию насыщения. Недостатками пермаллоев является их отно$ сительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

Альсиферы – тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа. Альсиферы дешевле пермаллоев, но обладают высокой твер$ достью и хрупкостью, поэтому изделия из альсиферов изготавлива$ ют методами литья или прессования из порошков.

Магнитные сплавы с особыми свойствами. В ряде случаев требу$ ются материалы с повышенным постоянством магнитной проницае$ мости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свойствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнит$ ным потоком, в частности в некоторых дросселях, трансформаторах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборах и др. Магнитная проницаемость может быть обусловлена обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость посто$ янна при обратимых процессах намагничивания, следовательно, та$ кие материалы должны обладать обратимой проницаемостью в раз$ личных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемос$ ти обладают материалы на основе Fe–Ni, Fe–Co, Fe–Ni–Co сплавов. Тройной сплав (25% Со, 45% Ni, остальное – Fe) называют пермин$ варом. Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остает$ ся постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индук$ ция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение пер$ минвара 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 насыще$ ния. Такими свойствами обладает Fe–Co – сплав пермендюр, кото$ рый состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (остальное – железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферро$ магнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл). К числу недостат$ ков пермендюра относится малое удельное электрическое сопротив$

39

ление, которое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимос$ тью магнитной проницаемости от температуры для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изго$ тавливаются 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 сле$ дующие 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 ато$ мов. Однако несмотря на отсутствие периодичности в расположении атомов, АММ обладают упорядоченным расположением магнитных моментов; АММ во многом подобны стеклам и металлическим рас$ плавам. Такие материалы получаются быстрым охлаждением из рас$ плавленного состояния, кристаллизация при этом не успевает осу$ ществится.

Аморфная структура получается при скорости охлаждения рас$ плава до 105... 108 К/с в изделиях в виде проволоки или ленты.

Для повышения характеристик термическую обработку АММ про$ водят во внешнем магнитном поле, что обеспечивает более высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, повышенные значения индукции насыщения и удельного электрического сопро$ тивления. Производство АММ дешевле, чем производство металли$ ческих листовых магнитомягких материалов. Металлические маг$ нитомягкие АММ состоят из 75...85% смеси (или одного) из метал$ лов – железа, кобальта, никеля и 15...25% неметаллов (легкоплав$ кого компонента – стеклообразующего). Перспективными высоко$ проницаемыми материалами являются аморфные сплавы железа, никеля и кобальта. Для улучшения отдельных свойств АММ до$ полнительно легируют хромом, молибденом, алюминием, марган$ цем, ванадием и др. Неметаллы ухудшают магнитные и темпера$ турные параметры АММ, но увеличивают удельное электрическое сопротивление.

40