31. Требования, предъявляемые к свойствам магнитомягких материа­лов. Магнитные материалы на основе железа.

Все материалы, способные намагничиваться в магнитном поле, так называемые магнетики, можно разделить на две группы: магнитомягкие и магнитотвердые.

К первым относятся магнитные материалы с малой коэрцитивной силой (H_с < 800 А/м) и высокой магнитной проницаемостью. Они дос­тигают насыщения в слабых магнитных полях, имеют узкую петлю гис­терезиса и, следовательно, малые потери на перемагничивание.

В качестве магнитомягких материалов наиболее широко использу­ются никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, которые кри­сталлизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые рас­творы замещения NiO-Fe₂O₃-ZnO-Fe₂O₃ и MnO-Fe₂O₃-ZnO-Fe₂O₃.

Требования, предъявляемые к свойствам магнитомягких материа­лов, в значительной степени определяются областью их применения. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насы­щения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в перемен­ных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое электри­ческое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечни­ков, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д.) в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Значения коэрцитивной силы Нс и магнитной проницаемости μ металлических магнитных материалов зависят от степени деформации кристаллической решетки и размера зерна. Чем меньше содержание примесей в материале, однороднее его структура (она должна быть однофазной), меньше внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов, тем меньше Нс и боль­ше μ. Поэтому металлические магнитомягкие материалы должны иметь: минимальную концентрацию вредных примесей (особенно кислорода, углерода, серы, фосфора), которые образуют нераствори­мые в металле химические соединения (оксиды, карбиды, сульфиды, фосфиды), а также крупнозернистую структуру и минимальное со­держание внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов. Для этого выплавку большинства этих материалов производят в ва­кууме или иной инертной среде, а полученные из них магнитные из­делия подвергают отжигу, который производят обычно при темпера­туре 900— 1200°С в вакууме или в среде сухого водорода.

Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материа­лов определяется в значительной степени величиной их удельного электрического сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем на более высоких частотах его можно применять. В области радиочастот применяют магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях, включая зву­ковые частоты, применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка 10^─7 Ом•м; их называют низко­частотными.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, крем­нистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы. В области радиочастот используют высокочастотные магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением ρ = 10—10¹⁰ Ом•м..

К высокочастотным магнитомягким материалам относятся: маг-нитодиэлектрики и ферриты. При ультразвуковых частотах еще мож­но использовать тонколистовые (А = 25—30 мкм) и рулонные холод­нокатаные электротехнические стали и пермаллои (толщиной до 2—3 мкм).

Железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемен­та, которым условно называют низкоуглеродистые стали и чистое железо.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе уг­лерода С ≤ 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера, фосфор. Осо­бенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом боль­шинства современных магнитных материалов. Его достоинства — высокие показатели индукции насыщения (Bs = 2,18 Тл), пластично­сти, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное сопротивление (ρ ≈ 1•10^─7 Ом•м) и, как следствие, большие потери на вихревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изде­лиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферро­магнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концен­трации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения Нс и μ, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства (табл. 15.1).

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа под­вергают специальной термической обработке — отжигу, проводи­мому при температуре 900°С в течение 2—4 ч, и затем медленному охлаждению до 600°С. Весь цикл термообработки осуществляют или в вакууме (для предохранения металла от окисления), или в актив­ной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном ам­миаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополнительную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается количе­ство дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается сум­марная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структур­ных превращений; в результате со временем увеличивается коэрци­тивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение уменьшают путем легирования некоторыми химическими элемента­ми (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100°С в течение 100—150 ч.

Деформация и внутренние напряжения, возникающие при меха­нической обработке, значительно ухудшают магнитные свойства. Например, деформация на 0,5—1% вызывает возрастание Нс на 15—20% и снижение μ_м на 25—30%. Внутренние напряжения снима­ют отжигом.

В качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше уг­лерода и других вредных примесей, чем конструкционные стали, и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свойствами.

Технически чистое железо содержит углерода С ≤ 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называ­ют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.