Материалы с высокой магнитной проницаемостью
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (Н 102 А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы систем Fe – Ni (пермаллои), Fe – Co , Fe – Al (альсиферы).

Для маркировки магнитомягких сплавов используют буквенно-цифровую систему. Буквами обозначают элементы так, как это принято для маркировки сталей, дополнительно введены обозначения железа – Ж, рения – И, бериллия – Л, редкоземельных металлов – Ч. Марка сплава содержит число, уазвающее среднее содержание в процентах основного элемента (кроме железа), и букву, обозначающую этот элемент. В отличие от сталей, массовые долидругих легирующих элементов, как правило, не указывают, а приводят лишь буквенные обозначения. В конце марки могут стоять буквы А или П, обозначающие повышенное качество сплава и прямоугольность петли гистерезиса соответственно. Например: 79НМ – пермаллой, содержащий 79%Ni, легированный молибденом; 8Ю – железо алюминиевый сплав, содержащий 8%Al; 50НП – пермаллой, содержащий 50%Ni и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса.

Магнитомягкие сплавы являются прецизионными: концентрации легирующих элементов поддерживают в узких интервалах, содержание углрода и других примесей ограничено. Частицы карбидов, оксидов и других включений уменьшают  и повышают Нс. По качеству сплавы разделяют на три класса: I – с нормальными магнитными свойствами; II – с повышенными магнитными свойствами; III – с высокими магнитными свойствами. Соответственно нормальное качество обеспечивается выплавкой в открытых печах, повышенное – в вакууме; высокое – вакуумных индукционных печах с последующими переплавами.

По уровню основных свойств сплавы разделяют на восемь групп (табл. 9.4).

Таблица. 9.4.  Характеристики магнитного состояния пермаллоев (ГОС 10160-75)
 

Основное применение этих сплавов – сердечники магнитопроводов различного назначения, в том числе испытывающих нагрев и механические нагрузки при эксплуатации.

Пермаллои с содержанием 45 – 83%Ni характеризуются большой магнитной проницаемостью н  70  103; max  247  103, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях (рис. 9.8). Повышенное удельное электросопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni позволяет использовать эти сплавы в радиотехнике и телефонии при частотах до 25 кГц. Малая коэрцитивная сила (Нс 16 А/м) уменьшает потери на гистерезис при перемагничивании. По значению индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля уступают железу и стали. В зависимости от состава Bs изменяется в пределах 0,5 – 1,5 Тл. Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полуфабрикатов: тонких листов, лент и проволоки, используемых при изготовлении сердечников.

Магнитные свойства пермаллоев меняются под воздействием даже слабых напряжений. При сжимающих напряжениях всего 5 МПа магнитная проницаемость уменьшается в 5 раз, а коэрцитивная сила возрастаетв 2 раза. Поэтому окончательно изготовленные детали надо подвергать термической обработке и в процессе сборки избегать ударов, сильной затяжки или сдавливания обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от скорости охлаждения. Нейтронно-графическим анализом доказано, что у сплава, содержащего 75%Ni, при медленном охлаждении при температурах ниже 600ºС происходит перестройка в расположении атомов в твердом растворе – неупорядоченный твердый раствор переходит в упорядоченный (последний обладает меньшей магнитной проницаемостью).

Термическую обработку пермаллоев проводят для удаления примесей, остаточных напряжений и укрупнения зерна. Она заключается в медленном нагреве их до 1100 – 1150ºС в среде, защищающей материал от окисления (вакууме, водороде), выдержке при этой температуре 3 – 6 ч в зависимости от размера и массы, медленном охлаждении до 600 ºС (100 ºС/ч) и дальнейшем быстром охлаждении (400ºС/ч), при котором не происходит упорядочения твердого раствора.

Все пермаллои по составу можно разделить на две группы: низконикелевые (45 – 50%Ni), имеющие высокую магнитную проницаемость ( н  3,2  103) при относительно высокой индукции насыщения (1,5 Тл), и высоконикелевые (79 – 83%Ni) с чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью ( н  28  103), но меньшей индукцией насыщения (0,75 Тл).

Железокобальтовые сплавы (18 – 49%Co) характеризуются большей, чем у железа, индукцией насыщения (Bs  2 Тл) и высокими значениями . Их используют в роторах и статорах электрических машин при температурах эксплуатации до 900ºС, магнитопроводах магитогидродинамических насосов. Для увеличения технологической пластичности железокобальтовых сплавов используют ванадий (1,5 – 2,0%) в сплавах, содержащих 50%Co, и хром (0,5 – 0,7%) в сплавах с 18 – 27%Co.

Для получения максимальных значений магнитных характеристик сплавы отжигают. В отожженном состоянии их механические свойства характеризуются невысокими прочностью (σв=450…550МПа, σ0,2 = 150…250МПа) и твердостью (120 – 130 НВ).

Для улучшения магнитных и технологических свойств эти сплавы дополнительно легируют Cr , Mo , Cu , Si , Mn и другими элементами. Легирование повышает электросопротивление, уменьшает магнитострикцию и константу кристаллографической магнитной анизотропии, а также затрудняет упорядочение твердых растворов и упрощает технологию отжига изделий (не требуется ускоренное охлаждение, начиная с 600ºС).

 

Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса, которые используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Отличительная особенность таких материалов – большая остаточная индукция Br, близкая к Bs , (коэффициент прямоугольности α = Br / Bs у них достигает 0,85 – 0,90 в поле напряженностью Н=800 А/м):

Существует два способа получения материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается посредством холодной пластической деформации при прокатке с большими степенями обжатия, магнитная – путем охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка). Векторы намагничеснности при такой закалке ориентируются вдоль поля. При последующем перемагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует. Кристаллографическую текстуру можно создать в любом материале, способном пластически деформироваться. Магнитная текстура возможна только у некоторых сплавов, так как у чистых металлов ( Fe , Ni , Co) она не наблюдается. Несмотря на большие практические достижения в области термомагнитной обработки, сущность этого явления недостаточно ясна.

Преимущество метода термомагнитной обработки состоит в том, что прямоугольную петлю гистерезисаможно получит у ленты любой толщины и в любом направлении, а не только в направлении прокатки. У сплава 50НП прямоугольность петли достигается прокаткой, а у сплавов 65НП и 79НМП – путем обработки в магнитном поле (рис. 9.9). сердечники, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах 700 КГц, а при толщине 1,5 мкм – до 1МГц. Такие ленты в основном изготавливают из сплава 79НМП. Коэффициент прямоугольности этого сплава при таких толщинах составляет ~ 0,9. Из-за дороговизны тонких ленточных сердечников и невозможности прокаткой получить ленты толщиной менее 0,5 мкм разработаны методы создания тончайших пленок (1 – 10 мкм) путем напыления таких сплавов в вакууме на подложку из немагнитного металла.

Железоалюминиевые сплавы со структурой однофазного твердого раствора с ОЦК решеткой зарактеризуются аномалиями магнитных свойств, что отражает сложность взаимодействия обоих компонентов. При увеличении содержания алюминия понижается  и уменьшается Bs (при 18% Al ). В сплаве, содержащем 12% Al, магнитная анизотропия не проявляется (K = 0), но  достигает максимального для этих сплавов значения. При концентрации Al 16 – 17% константы К и  имеют значения, близкие к нулю. В сплаве Fe – 8% Al после отжига холоднокатаных лент появляется магнитострикционная анизотропия: значения  вдоль и поперек направления прокатки различные.

Альсиферы при содержании 5,4% Al и 9,6% Si имеют нулевые значения К и  и отличаются высокой магнитной проницаемостью. Оптимальное сочетание магнитных свойств реализуется после упорядочения твердого раствора. Альсиферы имеют следующие значения магнитных характеристик: Bs = 1,1 Тл; н  35  103; max  116  103, Нс 1,76 А/м;   0,81 мкОм  и не уступают пермаллоям с высоким содержанием никеля. Преимуществом альсиферов является отсутствие в их составе дорогих или дефицитных элементов.

Альсифер характеризуется высокими твердостью (50 НRC) и сопротивлением изнашиванию. Практическому применению мешает природная хрупкость этих сплавов, что делает их абсолютно недеформируемыми и непригодными для обработки резанием. Изделия получают литьем или порошковой технологией.

Аморфные металлические сплавы (АМС) по химическому составу разделяют на железные, железоникелевые и кобальтовые. Они содержат 20 – 25% (ат.) элементов-аморфизаторов из числа B , Si , P , C, а также добавки Cr , Mo , Ni , V , Mn. Основной технологией производства лент из АМС является быстрая закалка из расплава. Ленты являются основным видом полуфабрикатов, из которых изделия получают гибкой, навивкой, вырубкой.

Исходная магнитнаяструктура АМС формируется при закалке расплава и последующем охлаждении ниже температуры точки Кюри . Магнитная структура быстрозакаленных лент является неравновесной и анизотропной. Направления легкого намагничивания определяются преимущественной ориентацией доменных стенок (из-за химической неоднородности ближнего порядка) и направлением остаточных растягивающих напряжений (магнитоупругая анизотропия из-за геометрической неоднородности ближнего порядка). Магнитоупругая анизотропия пропорциональна  (где σ – напряжение), она пренебрежительно мала у сплавов с

Для получения устойчивого комплекса свойств (табл. 9.5) ленты АМС отжигают ниже t к с

 

Таблица. 9.5.  Магнитные свойства аморфных сплавов


наложением магнитного поля и без него. Отжиг без наложения магнитного поля при нагреве выше  с регулируемым охлаждением устраняет последствия структурной релаксации: уменьшается Нс, повышается н, устраняется мгнитоупругая анизотропия несмотря на увеличение , так как снимаются остаточные напряжения. Отжиг в продольном магнитном поле создает продольную ориентацию доменов ( значительно возрастает max и снижает потери при повышенных частотах; полученная ориентация доменов обеспечивает линейное увеличение н при возрастании напряженности поля от 0 до 1 кА/м.

Некоторые АМС используют в закаленном состоянии, так как комплекс магнитных свойств у них достаточно хорош. Например, кобальтовый сплав 71КНCР имеет н=104 и max=15  104.

АМС систем «металл – неметалл» после отжига становятся хрупкими, поэтому для них все технологические операции (вырубка, навивка и т.п.) выполняют до отжига.

АМС на основе железа имеют (  = 1,5…1,6 Тл) и малые потери на перемагничивание при обычных и повышенных частотах (до 104 Гц). У этих АМС потери на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей. Железные АМС используют в качестве сердечников высокочастотных трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей; их применяют в магнитомеханических системах благодаря значительной магнитострикции и высокой чувствительности магнитных свойств к приложенным нагрузкам, а также в механических фильтрах, линиях задержки, датчиках, магнитострикционных вибраторах.

В железоникелевых АМС введение никеля понижает . Так, в сплавах с оптимальным соотношением железа и никеля ( Fe / Ni = 1)  = 0,7…1 Тл. Коэрцитивная сила этих сплавов на порядок меньше, чем железных АМС ( 0,5 А/м). магнитострикция железоникелевых АМС примерно в 3 раза меньше, чем железных. Особенностью этих сплавов явялются весьма низкие потери на перемагничивание и высокие значения н или max, достигаемые специальной обработкой. Железоникелевые АМС применяют в качестве материала сердечноиков малогабаритных трансформаторов, магнитных фильтров, магнитных экранов. АМС на основе кобальта имеют  = 0,5…0,6 Тл, близкую к нулю магнитострикцию и малую коэрцитивную силу (не более 0,5 А/м). По поведению в магнитных полях небольшой напряженности эти АМС во много сходны с пермаллоями н  105, max  8  105). Свойства сплавов улучшают легированием небольшим количеством (до 5% ( ат.) Fe , Mn , Cr , V , Nb , Mo. Железо или марганец повышают , но одновременно снижают  ниже 10-6. Прочие элементы, практически не изменяя , понижают  ниже t к.





Дата: 2019-02-18, просмотров: 2612.