4.5. Металлические магнитные материалы.

Металлические магнитные материалы – это в основном материалы на основе железа (низкоуглеродистая сталь, листовая электротехническая сталь и др.), а также сплавы пермаллой, пермендюр, альсифер. По своим свойствам они относятся к магнитомягким и используются в остро динамических ситуациях в условиях быстро изменяющихся полей в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах, где нужно при наименьших затратах энергии достигнуть наибольшей индукции.

Точка Кюри железа = 770 ^оС. Чем чище железо, тем ниже коэрцитивная сила, выше начальная и максимальная магнитная проницаемость. Технически чистое железо (за рубежом его называют «армко-железо») содержит небольшие количества (в сумме 0,08 – 0,1 %) С, S, Mn, Si. Эти примеси ухудшают магнитные свойства. Магнитные свойства технически чистого железа значительно улучшаются при легировании кремнием и (или) алюминием. Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь содержит примесей больше, чем технически чистое железо: менее 0,04 % С и менее 0,6 % других примесей. Оно выпускается в виде листов толщиной от 0,05 до 4 мм. Особо чистое железо содержит примесей менее 0,05 %, получают электролитическим методом и методом карбонильной металлургии. Электролитический метод заключается в электролизе растворов солей FeSO₄ или FeCl₂ с железным анодом и катодом из мягкой стали, а карбонильный метод заключается в разложении паров карбонила железа Fe(CO)₅ = Fe + 5CO. Однако чистота железа, полученного этими методами ниже, чем у монокристаллов. В таблице 3 приведены некоторые магнитные свойства железа различной степени чистоты.

Таблица 3.

Материал	Начальная магнитная проницаемость μн	Максимальная магнитная проницаемость μмакс	Коэрцитивная сила Нс, А/м
Технически чистое Fe	250	7000	64
Электролитическое Fe	600	15000	28
Карбонильное Fe	3300	21000	6,4
Особо чистое Fe, обработанное Н2	20000	340000	2,4
Монокристаллы чистейшего Fe, отожжённые в Н2	-	1430000	0,8

Основным магнитомягким материалом массового применения является кремнистая электротехническая сталь. Кремний (до 4%) в сталь вводят для повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи

P_f = ξ f² B²_max V, (7.1)

где ξ – коэффициент, зависящий от типа ферромагнетика и, главным образом, от его удельного сопротивления.

Кремний также увеличивает μ_н, уменьшает Н_с и снижает потери на гистерезис, но, одновременно, ухудшаются механические свойства – растёт хрупкость, снижается точка Кюри с 770 ^оС до 740 ^оС. Магнитные свойства зависят от марки стали и толщины листа. Кроме того, поскольку эта сталь текстурирована и анизотропна, то механические обработки могут резко изменить свойства. Поэтому после изготовления изделия для восстановления магнитные свойства проводят отжиг.

Листовая кремнистая электротехническая сталь применяется для изготовления сердечников трансформаторов.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы со структурой твёрдых растворов, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей. Различают высоконикелевые (70 - 83 % Ni) и низконикелевые (40 - 50 % Ni) пермаллои. Наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости имеет сплав, содержащий 78,5 % Ni: μ_н = 8000, μ_макс = 100000. Это намного превосходит магнитную проницаемость электротехнических сталей и в несколько раз больше, чем у низконикелевых. Однако удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев примерно в 3 раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при высоких частотах лучше использовать низконикелевые. Тем более что стоимость пермаллоев определяется содержанием в них никеля.

Для модификации пермаллоев в них вводят легирующие добавки – Mo, Cr, Cu, Si, Mn. Разработан супермаллой с очень высокой μ_н в слабых полях = 100000 и μ_макс = 1500000. Он содержит 79 % Ni, 5 % Mo, 0,5 % Mn и 15 % Fe. Точка Кюри пермаллоев в зависимости от состава изменяется от 360 до 450 ^оС. Пермаллои очень чувствительны к механическим напряжениям, поэтому после изготовления детали (сердечника) и термообработки – отжига для снятия внутренних напряжений, деталь помещают в защитный каркас из пластмассы или дюралюминия, заполненный массой, обладающей малой усадкой, низким коэффициентом термического расширения и большой пластичностью, например, смазкой ЦИАТИМ-201, 202, 221.

Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н) используют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием, пермаллой 50НХС – для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые пермаллои – 79НМ, 80НХС, 76НХД применяют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Железо-кобальтовые сплавы имеют самую высокую индукцию насыщения В_s из всех известных ферромагнетиков – до 2,43 Тл. У железа В_s не превышает 2,1 Тл. Сплавы, содержащие 50 – 70 % Со называются пермендюры. Наибольшее применение имеет сплав 50КФ2, (50 % Со). Однако железо-кобальтовые сплавы имеют невысокое ρ_v и высокую стоимость, поэтому их применяются только в специальной аппаратуре: - в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах, сердечниках магнитных линз электронных микроскопов и др.

Сплав 49КФ имеет также высокую магнитострикцию, что позволяет использовать его в качестве сердечников магнитострикционных преобразователей. В таблице 4 представлены некоторые свойства высококобальтовых сплавов.

Таблица 4

Сплав	Bs , Тл	ρ, Ом.м	μн	Нс , А/м	т. Кюри, оС
49КФ	2,35	0,4 . 10-6	800 – 1000	-	950
50КФ	2,4	0,26 . 10-6	50	128 – 160	980

Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное – Fe. Магнитные свойства не уступают высоконикелевым пермаллоям: μ_н = 35500, μ_макс = 120000, Н_с = 1,8 А/м, ρ = 0,8 мкОм^.м . Альсиферы обладают твёрдостью и хрупкостью, поэтому перерабатываются в изделия главным образом литьём. Благодаря хрупкости альсиферы можно размалывать в порошок и использовать, как и карбонильное железо, для изготовления выскочастотных магнитодиэлектриков.

Аморфные магнитные материалы.

В 1960 г. профессор Дювез с группой сотрудников Калифорнийского технологического института наблюдали аморфное состояние в закаленном из расплава эвтектическом сплаве Аu-Si, что положило начало изучению аморфных металлов, получаемых по технологии закалки из жидкого состояния. Скорость охлаждения, обеспечивающая достижение аморфного состояния металла, должна быть более 10^{6 о}С в секунду. Получают их методом непрерывного литья на вращающийся барабан, погруженный в хладоагент. Этим методом получают в основном ленты толщиной 20 – 30 мкм и шириной 10 – 20 мм, а также тонкие проволоки. В 1970 г. начался бум: число научных публикаций по аморфным металлам росло в геометрической прогрессии, появились многочисленные разработки аморфных сплавов, были открыты многие их интересные свойства. Так, в 1974 г. были обнаружены сверхвысокая коррозионная стойкость (т.к. в них нет зёрен и, соответственно, нет границ зёрен) и высокая магнитная проницаемость аморфных сплавов.

Разработано большое число аморфных сплавовна основе железа, никеля, титана, меди и других металлов, как правило, с аморфизирующими добавками, затрудняющими кристаллизацию. Состав и механические свойства некоторых аморфных сплавов представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Механические свойства некоторых аморфных сплавов.

Состав сплава, % (ат.)	Твёрдость НV, МПа	σ0,2, МПа	σв, МПа
Cu57Zr43	5400	1380	2000
Ti50Be40Zr10	7400	2300	-
Ti60Co30Si10	7200	2610	-
Fe80B20	11000	3700	-
Fe72Cr8P13C7	8500	3420	3850
Fe60Ni20P13C7	6600	1900	2500
Fe60Cr8Mo5B27	-	-	4900

В аморфных веществах, так же как и в кристаллических, существует ферро- и ферримагнетизм. Магнитомягкие аморфные сплавы, представляют собой сплавы железа, кобальта или никеля с другим металлом или металлоидом. В качестве примера аморфных ферримагнетиков можно указать на аморфные пленочные сплавы на основе редкоземельных металлов с Fе и Со. Предполагается, что они являются простыми ферромагнетиками, типа показанного на рис. 4.6 и 4.7.

Рис.4.6. Простой аморфный Рис.7. Неупорядоченный аморфный

ферромагнетик. ферромагнетик.

Измеряя намагниченность вдоль оси в направлении длины аморфной ленты (в дальнейшем для краткости просто «ось ленты»), можно наблюдать явление магнитного насыщения и петлю гистерезиса, точно такие же, как и в обычных кристаллических ферромагнетиках. Отсюда следует, что в аморфных металлических лентах внутренняя намагниченность разбита на части — магнитные домены. Предполагают, что намагничивание аморфных металлов происходит путем перемещения границ магнитных доменов и вращения вектора спонтанной намагниченности. Магнитные свойства аморфного сплава Fe₃Co₇₂P₁₆B₆Al₃ выше, чем у высоконикелевых пермаллоев.

Примеры использования аморфных магнитных сплавов приведены в табл. 6. Таблица 6.

Примеры применения аморфных магнитных материалов

Свойство	Применение
Высокая магнитострикция	Магнитострикционные вибраторы, линии задержки, датчики для пониженных температур, элементы рычажных систем
Магнитная проницаемость и низкие потери	Мощные трансформаторы, преобразователи, строчные трансформаторы, дроссели
Магнитная проницаемость и прямоугольная петля гистерезиса	Магнитные усилители, магнитные фазовращатели, магнитные модуляторы
Магнитная проницаемость и коррозионная стойкость	Магнитные сепараторы, фильтры
Высокая магнитная проницаемость	Магнитные головки, магнитные экраны, магнетометры, сигнальные устройства
Температурная зависимость магнитной проницаемости	Термочувствительные элементы, регуляторы температур

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы, в которых дисперсионной средой служат диэлектрики (полимеры, стекло, керамика), а дисперсной фазой – порошкообразные ферромагнетики (альсиферы, карбонильное железо, аморфные магнитные сплавы и др.). Благодаря тому, что карбонильное железо имеет положительный температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКμ, а альсифер – отрицательный, удаётся создавать из их смеси материалы с необходимым уровнем и знаком ТКμ. Магнитодиэлектрики не обладают электропроводимостью, поэтому в них нет вихревых токов и их можно использовать при повышенных и высоких частотах. Используя в качестве дисперсионной среды (связующего) эластомеры или высокопластифицированные полимеры удаётся изготавливать эластичные магнитные материалы, применяемые, в частности, для защиты от электромагнитных излучении (ЭМИ).

Магнитотвёрдые металлические материалы

Магнитотвёрдыми принято называть такие материалы, коэрцитивная сила которых находится в пределах 5^.10³ – 5^.10⁶ А/м, максимальная магнитная энергия W_L = (ВН/2)_макс = 0,5 – 100 кДж/м³, энергетическое произведение (ВН)_макс = 1 – 200 кДж/м³. Магнитная проницаемость μ ниже, чем у магнитомягких материалов и тем меньше, чем больше Н_с.

Наиболее простыми и доступными магнитотвёрдыми материалами являются легированные стали, закалённые на мартенсит. После мартенситной закалки сплавы выдерживают 5 - 12 часов в кипящей воде для достижения структурной стабилизации. Эти стали легируют элементами W, Cr, Mo, Co. Максимальная магнитная энергия W_L таких материалов лежит в области 1 – 4 кДж/м³. Магнитные свойства этих материалов не высоки, зато они дёшевы и легко обрабатываются на металлорежущих станках.

Магнитотвёрдые материалы с повышенными значениями коэрцитивной силы и магнитной энергии представляют собой сплавы алюминия, никеля и железа ( Al-Ni-Fe альни), Al-Ni- Fe-Si – альниси, Al-Ni-Fe-Co – альнико. В настоящее время каждый такой сплав имеет свою марку. Наибольшее применение имеют сплавы ЮНДК-4, ЮНДК-15, ЮНДК-24. Это – 80% всех магнитотвёрдых материалов, выпускаемых в России. Коэрцитивная сила этих материалов составляет (4 – 15)^.10⁴ А/м, а магнитная энергия W_L = (3,6 – 40 кДж/м³). На свойства этих сплавов большое влияние оказывает режим термообработки.

Более высокими значениями коэрцитивной силы, достигающей 2^.10⁵ А/м и максимальной магнитной энергии до 30 кДж/м³ обладают бариевые ВаО^.6Fe₂O₃ и кобальтовые СоFe₂O₄ ферриты.

Наибольшей коэрцитивной силой и удельной магнитной энергией обладают платинокобальтовые сплавы и интерметаллические соединения кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ): церием Се, самарием Sm, празеодимом Pr, лантаном La и иттрием Y. Коэрцитивная сила этих материалов лежит в пределах 2,4 – 23,2 МА/м, а магнитная энергия ВН достигает рекордной величины в 300 кДж/м³.

Вопросы для самопроверки.

1. Какова связь структуры ферромагнетиков с их магнитными свойствами? Как влияет степень чисоты металлических магнитных материалов на их магнитные свйства?

2. Сравните свойства магнитомягких металлических сплавов. Могут ли аморфные тела проявлять ферромагнетизм?

3.Каков компонентный состав магнитодиэлектриков?

4. Металлические магнитотвёрдые материалы – их характеристика.