2 Магнитомягкие материалы
История современных магнитомягких материалов начинается с практического применения переменного электрического тока – изобретения телефона. При увеличении дальности телефонной связи изучались возможности ограничения увеличивающегося затухания телефонных токов. В 1893г. Хевисайд предложил использовать катушки с сердечниками из мелких стальных опилок и воска, которые должны были ограничить растущее затухание на линии. В период с 1893 по 1900 гг. были выяснены основные требования к магнитомягким материалам для техники связи: малые потери, малое искажение передаваемых токов и напряжений, высокая магнитная проницаемость.
Рассмотрим магнитомягкие материалы.
Технически чистое железо. К данной классификационной группировке магнитомягких материалов относятся:
электролитическое железо;
карбонильное железо;
низкоуглеродистая сталь;
железо Армко.
Технически чистое железо или Армко (от названия американской сталелитейной компании American Rolling Mill Corporation) содержит не более 0,04% углерода, примесей – до 0,08 – 0,1%. Магнитные свойства такого железа зависят в полной мере от состава и количества присадок, размера зерен и способов термообработки.
Из-за примесей, в первую очередь, происходит нарушение правильности строения ферромагнитных кристаллов. Искажения строения решетки оказывают существенное влияние на магнитные свойства. Коэрцитивная сила в железе увеличивается при введении углерода, хрома, вольфрама и кобальта; отрицательное влияние оказывают растворенные в железе азот, кислород и водород; они могут возникнуть при термической обработке, при выделении из зерен дисперсных частиц химических соединений и т.п.
Магнитные свойства также зависят от величины зерна; в случае мелкозернистой структуры магнитные свойства ниже по сравнению с крупнозернистой, т.к. в первом случае суммарная удельная поверхность (на единицу объема) зерен больше, чем во втором. Поэтому в материале, состоящем из мелких зерен, влияние поверхностных искаженных слоев сказывается сильнее. Для получения крупнозернистой структуры проводят рекристаллизацию металла или сплава, а также вводят некоторые присадки. Изучение факторов, оказывающих влияние на магнитные свойства, является основой получения различных магнитомягких сплавов с округлой петлей гистерезиса; технического железа, электротехнической стали, пермаллоя и пермендюра.
В процессе производства в железе возникают механические напряжения, которые значительно ухудшают его магнитные свойства. Для восстановления первоначальных магнитных свойств технически чистого железа применяются разнообразные операции термической обработки. Установлено, что для получения номинальной коэрцитивной силы и проницаемости в слабых полях широко применяется технологический процесс отжига при температуре 900°С без доступа воздуха с последующим медленным охлаждением до температуры 600°С. Путем достаточно сложных технологических приемов, методами термообработки можно существенно изменять магнитные свойства и параметры железа.
Значительное влияние на магнитные свойства оказывают механические остаточные напряжения наклепа (штамповка, протяжка, вальцовка и т. п.). Процессы смещения границ, т.е. процессы намагничивания, могут затрудняться вследствие наличия в зернах металла сжатых или растянутых областей. Так, при удлинении образца технически чистого железа на 3% его магнитная проницаемость составит всего лишь 25% от первоначальной, а коэрцитивная сила возрастает примерно вдвое. Для устранения напряжений материал отжигают.
Отличительной особенностью технически чистого железа является устойчивость к коррозии, очень высокая пластичность, высокая проницаемость и индукция насыщения, низкая коэрцитивная сила и малое удельное сопротивление. Поэтому технически чистое железо характеризуется значительными потерями на вихревые токи и применяется только в постоянных или медленно изменяющихся магнитных полях для изготовления полюсных наконечников, магнитопроводов реле, сердечников электромагнитов. Используется как главный компонент большинства магнитных сплавов, как шихта при производстве легированных сталей.
В зависимости от способа получения особо чистое железо называется карбонильным или электролитическим.
Карбонильное железо получают при термическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)5 и рафинируют в токе водорода. Используют в виде порошка с изолирующей связкой для уменьшения потерь на вихревые токи.
Карбонильное железо является основой для изготовления сердечников катушек индуктивностей. В промышленности широко применяются магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа марок Р-10, Р-20, Р-100. Его применяют в высокочастотной аппаратуре. Например, Р-20 - карбонильное железо для радиотехники (Р – железо, 20 – рабочий диапазон частот в МГц).
Электролитическое железо изготавливают электролитическим рафинированием в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (ПЖЭ – 1, ПЖЭ – 2) или кусков (ЖЭ – МП). Применяют в постоянных магнитных полях при необходимости получения большого значения Вs.
Из истории.
Железо (англ. Iron, франц. Fer, нем, Eisen) – один из семи металлов древности. « Семь металлов создал свет, по числу семи планет»… Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Это железо легко отличить от земного, т.к. в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего – 7%.
Этимология названий железа на древних языках довольно отчетливо отражает историю знакомства наших предков с этим металлом. Многие древние народы, несомненно, познакомились с ним, как c металлом, упавшим с неба, т.е. как с метеоритным. Так, в древнем Египте железо имело название би-ни-пет (бенипет, коптское – бенипе), что в буквальном переводе означает небесная руда, или небесный металл.
Говоря о чистом железе интересно отметить, что, кроме самородного золота и платины, встречается в природе и самородное железо. В 1789 г. О самородном железе есть упоминание в «Словаре коммерческом» В. Левшина: «Так называется железо, совсем приготовленное природою в недрах земных и совсем очищенное от веществ посторонних столько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи. Г. Руель получил через Восточно – Индийскую компанию кусок такого самородного железа из Сенегала, где находится оное в превеликих глыбах. Сей ученый-химик ковал оное в прутки и нашел, что оное без переплавки на всякую поделку способно. В Сибири во многих местах находят самородное железо».
Крупное скопление самородного железа в 1870 г. было найдено Норденшильдом в Овифаке, на южном побережье острова Диско в Западной Гренландии. Оно залегло здесь в базальте, извергнутом через залежи каменного угля, в виде блесток, зерен и иногда мощных глыб. Встречается частично природное «сварочное железо», частично «натуральная сталь».
Железные самородки найдены у г. Касселя (Германия) и в департаменте Овернь во Франции; жила в Коннектикуте (США) имеет 2 дюйма толщины и проходит в слюдяном сланце.
Железо очень редко встречается в самородном виде и потому практического значения не имеет. Образование самородного железа в земной коре связано с процессами застывания магм. Выделяется оно из окислов или сульфидов железа в результате восстановительных процессов, протекающих при содержании в магме углерода.
В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородное железо содержит не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины; оно обычно очень бедно углеродом.
Какая же все-таки степень чистоты достигнута в наши дни? В наиболее чистом, карбонильном железе содержится всего 0,00016% примесей. Много ли это? В известной железной колонне в Дели, славящейся чистотой железа, примесей содержится 0,72000%, т.е. в 4500 раз больше.
Электромагнитные параметры технически чистого железа представлены в таблице 2.
Таблица 2
|
Параметры |
Значение |
|
Начальная магнитная проницаемость µнач |
240 |
|
Максимальная магнитная проницаемость µmax |
7000 |
|
Коэрцитивная сила Нс, А/м |
60 |
|
Магнитная индукция насыщения Вs, Тл |
2,18 |
|
Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом·мм2/м |
0,1 |
2. Электротехнические стали. Среди магнитных материалов электротехнические стали занимают особое место, являясь основным материалом для изготовления магнитопроводов и сердечников для трансформаторов и дросселей. Электротехнические стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Кремний увеличивает магнитную проницаемость и уменьшает коэрцитивную силу (потери на гистерезис). Однако оказывает и вредное воздействие: снижает индукцию насыщения и ухудшает механические свойства (повышается твердость и хрупкость). Поэтому его содержание не выше 5%.
Легированием также достигается улучшение стабильности основных свойств стали.
Тонколистовая электротехническая сталь изготовляется в виде рулонов, листов, резаной ленты и классифицируется по следующим признакам:
структурному состоянию и виду прокатки на классы;
суммарной массовой доле легирующих элементов;
основным нормируемым характеристикам.
Марка электротехнической стали определяется процентным содержанием кремния, которое колеблется в пределах от 0,5 до 4,8% включительно.
Для электротехнической стали основными нормируемыми характеристиками являются удельные потери и магнитная индукция.
Электротехническая сталь изготовляется методами холодной и горячей прокатки. Сталь, полученная методом холодного проката, имеет структуру зерен, ориентированную в направлении проката. Ориентация зерен проката называется текстурой проката. Изотропные стали имеют магнитные свойства примерно одинаковые по всем направлениям. У анизатропных сталей направление прокатки совпадает с осью легкого намагничивания и магнитные свойства более выражены в направлении проката.
С 1975 года стали обозначают четырьмя цифрами: