По составу магнитные материалы делят на металлические и неметаллические. К металлическим магнитным материалам относят чистые железо, кобальт, никель и сплавы на их основе, к неметаллическим — магнитные керамики — ферриты.
В зависимости от характеристик магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвёрдые.
Магнитомягкие материалы обладают высокими начальной mнач и максимальной mмакс магнитными проницаемостями и узкой петлёй гистерезиса с коэрцитивной силой Нс , меньшей 4 кА/м . Они легко перемагничиваются и имеют малые потери на гистерезис. Такова электротехническая сталь (рис. 6.8,а), которую применяют для изготовления магнитопроводов электрических машин и аппаратов, работающих на переменном токе. Ещё большую магнитную проницаемость и меньшую коэрцитивную силу имеет пермаллой (рис. 6.8, б) — железо-никелевый сплав, который широко используют в устройствах автоматики, радиотехники и электроники.
Магнитомягкие металлические материалы выпускают в виде листов или тонкой ленты, из которых затем вырубают заготовки для набора магнитопроводов электромагнитных аппаратов (см. рис. 6.7). Магнитопроводы малых размеров часто изготовляют методами металлокерамики (порошковой металлургии) и металлопластики.
Сущность первого метода заключается в прессовании деталей из смеси порошков ферромагнитных металлов и сплавов при давлении около 1000 МПа с последующей термообработкой в вакууме.
Второй метод состоит в прессовании деталей из пластичной массы в виде ферромагнитных порошков, замешанных на электроизоляционном связующем. Получаемые таким способом материалы называют магнитодиэлектриками.
Магнитотвёрдые материалы обладают широкой петлёй гистерезиса с коэрцитивной силой Нс, превышающей 4 кА/м , и значительной остаточной индукцией Вr (рис. 6.8, в). Такие материалы с трудом намагничиваются, но после этого длительно сохраняют намагниченное состояние. Из магнитотвёрдых материалов изготовляют постоянные магниты для измерительных приборов, устройств телефонии и сигнализации, динамических громкоговорителей и некоторых реле.
Детали из металлических магнитотвёрдых материалов изготовляют литьём, ковкой, резанием, шлифованием, а также методами металлокерамики и металлопластики.
Магнитомягкие материалы
Технически чистое железо(низкоуглеродистая сталь) —магнитомягкий ферромагнетик, широко применяемый в приборостроении. Технически чистое железо с содержанием примесей не более 0,8…0,1 % получают рафинированием чугуна при плавке в мартеновских печах и конвертерах.
Из-за сравнительно низкого удельного электрического сопротивления технически чистое железо применяют преимущественно для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока. Из него делают сердечники электромагнитов, реле и измерительных приборов, магнитные экраны, детали телефонной аппаратуры. Железо в порошкообразном виде используют при производстве магнитодиэлектриков.
Армко-железо с содержанием углерода 0,025 % (табл. 6.2) получают по специальной технологии из расплава металла при его кипении, которое повышает содержание кислорода в конечном продукте. Магнитные качества армко-железа мало отличаются от качеств лучших электротехнических сталей.
Карбонильное железо—железо с содержанием углерода около 0,01 % (табл. 6.2). Его получают в виде мелкодисперсного порошка термическим разложением соединения Fe(CO)5 — пентакарбонила железа. Карбонильное железо используют для изготовления деталей из магнитодиэлектрической металлокерамики.
Магнитные свойства магнитомягких материалов зависят от содержащихся в них примесей.
Добавка до 6 % кремния в железо более чем в 4 раза повышает максимальную магнитную проницаемость и в три раза увеличивает его удельное электрическое сопротивление, но на 20 % уменьшает индукцию насыщения и увеличивает хрупкость материала, затрудняющую его механическую обработку.
Загрязняющие примеси в виде углерода, серы, фосфора, меди, алюминия, соединений кислорода и азота ухудшают магнитные качества материала. Они увеличивают потери на гистерезис, повышают коэрцитивную силу, снижают магнитную проницаемость материала, ускоряют процесс старения ферромагнетиков — необратимого ухудшения магнитных качеств материала с течением времени.
Размер кристаллов ферромагнетика оказывает влияние на его магнитные качества. Железо имеет структуру в виде кубических кристаллов, сплавленных друг с другом. На границах сплавления кристаллов кристаллическая решётка искажена, и это увеличивает коэрцитивную силу материала. В единице объёма мелкокристаллического железа областей с искажённой кристаллической решёткой больше, чем в крупнокристаллическом железе, и оно по своим качествам приближается к магнитотвёрдым материалам.
Кристаллическая решётка магнитного материала при механической обработке искажается, что ухудшает его магнитные качества. Чтобы восстановить периодичность кристаллической решётки и повысить магнитные качества материала, изготовленные из него детали подвергают отжигу. При отжиге, кроме того, из материала удаляется часть вредных примесей, устраняются напряжения, возникающие в нём при механической обработке.
Кубические кристаллы железа анизотропны в отношении намагничивания — магнитная проницаемость кристаллов зависит от ориентации их осей относительно вектора намагничивания (рис. 6.9). Кристаллы обладают наибольшей магнитной проницаемостью mмакс , если магнитное поле направлено перпендикулярно грани куба. Магнитная проницаемость m2 в направлении с одного ребра куба на другое заметно понижена, наименьшей магнитной проницаемостью m1 обладает кристалл в направлении диагонали куба кристалла.
Электротехническая сталь, выпускаемая в виде листов и ленты толщиной 0,1…1 мм, находит самое широкое применение для изготовления магнитопроводов и сердечников трансформаторов, электрических машин, магнитных пускателей, реле, дросселей, работающих на переменном токе.
Электротехническая сталь легирована кремнием для увеличения удельного электрического сопротивления, снижающего потери на вихревые токи. Введение кремния уменьшает и потери на гистерезис, увеличивает магнитную проницаемость стали, снижает её магнитострикцию. Кремний связывает часть вредных примесей (кислодод, углерод), переводя их в менее вредные для магнитного материала соединения, но повышает его хрупкость.
После горячей прокатки кристаллы в листах электротехнической стали размещены хаотично (рис.6.10, а) и она обладает пониженной магнитной проницаемостью. Чтобы упорядочить взаимное расположение кристаллов и повысить магнитную проницаемость стали её подвергают текстурированию. Двух-трёхкратная 
холодная прокатка стали, перемежающаяся с отжигом в вакууме или атмосфере водорода, ориентирует кристаллы рёбрами вдоль направления прокатки — текстурирует сталь (рис. 6.10, б) , её магнитная проницаемость в направлении прокатки увеличивается.
Зависимости магнитной индукции В от напряжённости поля Н применительно к холоднокатаной (1) и горячекатаной (2) сталям представлены на рис. 6.11. Удельные потери на перемагничивание текстурированной холоднокатаной стали толщиной 0,35 мм на частоте 50 Гц составляют 0,7 Вт/кг, что в 2 раза ниже, чем на перемагничивание при прочих равных условиях горячекатаной стали. Удельное электрическое сопротивление текстурированной стали на 10…15 % ниже, что является отрицательным следствием холодной прокатки, увеличивающим потери на вихревые токи.
Низкоуглеродистые электротехнические стали и железо подвергают отжигу в водороде или вакууме для увеличения их кристаллов, дополнительного рафинирования, устранения наклёпа и внутренних механических напряжений, возникающих в деталях из них после механической обработки. Низкоуглеродистые стали и железо обладают сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением и, как следствие, значительными потерями энергии на вихревые токи в переменных магнитных полях при значительных индукциях.
Пермаллои— железо-никелевые сплавы с содержанием никеля от 36 до 80 % (низконикелевые и высоконикелевые соответственно). Для улучшения магнитных качеств пермаллои легируют марганцем, кремнием, хромом, молибденом, молибденом с медью или с хромом. Все пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость (табл. 6.2) и узкую петлю гистерезиса (см. рис. 6.8, б), характеризующую их как магнитные материалы, достигающие состояния магнитного насыщения при малых напряжённостях магнитного поля и обладающие малыми потерями на гистерезис. Малые потери при перемагничивании пермаллоев позволяют использовать их при высоких частотах магнитного поля вплоть до 20 кГц.
Высокие магнитные качества пермаллоев достигаются высокоточным дозированием химически чистых легирующих добавок и специальным режимом термической обработки, при которой материал нагревают со скоростью около 500 ОС в час, выдерживают 3…6 часов при температуре 1000…1150 ОС, а затем охлаждают со скоростью 150 ОС в час до комнатной температуры.
Пермаллои пластичны, что позволяет делать из них холоднокатаную ленту толщиной 0,002…1,5 мм, горячекатаные листы толщиной 1…2,5 мм и прутки диаметром более 8 мм. Их используют для изготовления сердечников магнитных усилителей, трансформаторов тока, катушек индуктивности, работающих в переменных магнитных полях вплоть до звуковых частот.
При ударах и механической обработке магнитная проницаемость пермаллоев заметно уменьшается, поэтому детали, выполненные из них, подвергают отжигу при 1000…1200 ОС для восстановления магнитных качеств материала.
Порошкообразные пермаллои используют для изготовления малогабаритных магнитопроводов методами металлокерамики и металлопластики.
Таблица 6.2
Характеристики магнитомягких ферромагнетиков
| Марка материала и его состав в % по массе | mнач (х 103) | НС , А/м | ВS, Тл | r (х 10–6), Ом·м |
| Электротехническая сталь 50 HM – пермаллой ( 50 Ni , 50 Fe ) 40 НКМП – перминвар ( 40 Ni , 25Co , 4 Mo , 31 Fe ) 49 КФ-ВИ – пермендюр ( 49Co , 2V , 49 Fe ) 10 СЮ – алсифер ( 5,4Al , 9,6Si , @ 0,04 Ge , @ 85 Fe ) Армко-железо (@ 100 Fe, @ 0,025 С) Железо карбонильное ( 98,8 Fe , @ 0,01 С , @1,1 O2 ) | 9,5…14 8,0 – 1…3 6…40 | 1,6 0,15 0,14 0,24 – 0,22 0,01 | 0,5 0,45 0,63 0,4 0,7 0,12 – |
Алсифер — сплав алюминия, кремния и железа, обладающий высокой начальной магнитной проницаемостью (табл. 6.2).
Алсифер обладает высокими твёрдостью и хрупкостью, поэтому детали из него можно изготавливать только литьём с последующим шлифованием.
Из алсифера делают корпуса приборов, магнитные экраны, детали магнитопроводов для работе в постоянных магнитных полях и переменных полях низкой частоты. Хрупкий алсифер легко измельчается в порошок, который используют при производстве магнитодиэлектриков.
Перминвар — тройной сплав железа, никеля и кобальта (табл. 6.2). Его отличительное свойство — неизменность магнитной проницаемости в диапазоне 80…160 А/м напряжённости магнитного поля .
Эта особенность позволяет использовать перминвар в трансформаторах тока и измерительных приборах, в аппаратуре проводной телефонной и высокочастотной связи. Из-за высокой стоимости кобальта перминвар дорог, что ограничивает его применение.
Пермендюр — железокобальтовый сплав (табл. 6.2) с высокой магнитной индукцией в полях с напряжённостью 1,6…24 кА/м и большой индукцией насыщения. Пермендюр используют для изготовления магнитопроводов, предназначенных для создания мощного магнитного поля в воздушном зазоре магнитопровода. Такие магнитопроводы применяются в микрофонах, измерительных приборах, аудио- и видеозаписывающей аппаратуре.
В слабых магнитных полях пермендюр проявляет худшие магнитные качества, чем электротехническая сталь. Он имеет относительно низкое удельное сопротивление, что обусловливает значительные потери на вихревые токи в переменном магнитном поле.
Магнитодиэлектрикисостоят из мелкодисперсных ферромагнитных частиц, электрически изолированных друг от друга диэлектрическим связующим (жидкое стекло, бакелит, полистирол, резина). Магнитодиэлектрики обладают высокой начальной магнитной проницаемостью mнач , ориентировочное значение которой указывается в марке материала: П-250, П-100, Р-10, ТЧ-90, ВЧ-32, ВЧК-22 и др. В магнитодиэлектриках марки П в качестве магнитного наполнителя используют молибденовый пермаллой, марки Р — карбонильное железо, марок ТЧ, ВЧ, ВЧК — алсифер.
Магнитодиэлектрики обладают высоким удельным электрическим сопротивлением (в зависимости от марки оно составляет 0,01…4 Ом·м), малыми потерями на вихревые токи, но пониженной магнитной проницаемостью.
Детали из диэлектриков изготавливают методом металлопластики и используют в высокочастотной технике, устройствах проводной и радиосвязи.
Магнитотвёрдые материалы
Магнитотвёрдые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов. Важнейшей характеристикой постоянного магнита является максимальное значение энергии магнитного поля в воздушном зазоре магнита.
В незамкнутом магните (рис. 6.12) после его намагничивания у воздушного зазора образуются полюса, создающие размагничивающее магнитное поле с напряжённостью –Н1, которое снизит индукцию с остаточной индукции замкнутого магнита Вr до В1 — остаточной индукции магнита с воздушным зазором, которую можно найти по левой верхней части петли гистерезиса (рис. 6.13, кривая 1) материала, из которого выполнен магнит. Остаточная индукция разомкнутого магнита уменьшается с увеличением воздушного зазора сначала до В2, а затем до В3.
Энергия магнитного поля в зазоре, отнесённая к его объёму, определяется как В·Н/2(Дж/м3). Зависимость энергии магнитного поля от его напряжённости и индукции показана на рис. 6.13 (кривая 2). Величина энергии магнитного поля при некоторых Н2 и В2 принимает максимальное значение, которое соответствует наиболее эффективному режиму использования материала магнита.
Максимальная энергия в единице объёма зазора магнита зависит от остаточной индукции Вr , коэрцитивной силы НС и формы кривой размагничивания, характеризующей материал магнита: чем более выпукла кривая, тем большее значение магнитной энергии удаётся получить при прочих равных условиях.
Магнитотвёрдые материалы подвержены старению,при котором магнитный поток и удельная магнитная энергия с течением времени уменьшаются. Магнитные качества материала, состарившегося в результате вибраций, механической обработки или термоударов, можно восстановить повторным намагничиванием. Если же старение связано со структурными изменениями материала, то его магнитные качества утрачиваются безвозвратно.
Легированные мартенситные стали — легированы добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта (табл. 6.3). Мартенситную структуру высокоуглеродистой стали получают закалкой (нагревом до температур, при которых углерод растворяется в железе) с последующим охлаждением в воде или масле. Мартенситной структуре свойственна удлинённая форма кристаллов с внутренним напряжением, что обеспечивает магнитную и механическую твёрдость материала.
Детали из мартенситных сталей изготовляют горячей ковкой или штамповкой с последующей закалкой их на мартенсит и намагничиванием.
Легированные стали не обладают высокими магнитными качествами, но дёшевы и легко поддаются механической обработке. Лучшими из них являются кобальтовые стали, но они дороже хромистых и вольфрамовых.
Комол — ковкий железо-кобальтово-молибденовый сплав, почти не содержащий углерода (табл. 6.3). Он обладает повышенной коэрцитивной силой и более выпуклую, чем у мартенситных сталей, кривую размагничивания, благодаря чему максимальная магнитная энергия постоянных магнитов из него доходит до 8 кДж/м3. Комол устойчив против старения при температурах до 600 ОС. Высокая стоимость ограничивает использование комола.
Магнико — сплавы железа с алюминием, никелем, медью, кобальтом, титаном (обозначаются в марках сплавов буквами Ю, Н, Д, К, Т соответственно) (табл. 6.3). Магнитные качества всех магнитотвёрдых материалов определяются состоянием их кристаллической решётки. Значительное искажение кристаллической решётки железа в магнитотвёрдых сплавах магнико повышает их магнитную энергию, но увеличивает твёрдость и хрупкость, что затрудняет их механическую обработку. Детали из таких материалов изготавливают литьём с последующим шлифованием или методами порошковой металлургии.
Надлежащие магнитные качества сплавы приобретают после термообработки, при которой выдерживаются длительность, температура нагрева и скорость охлаждения. Кобальтовые сплавы охлаждают в сильном постоянном магнитном поле, что повышает их магнитные качества.
Таблица 6.3
Характеристики магнитотвёрдых ферромагнетиков
| Марка материала и его состав в % по массе | НС, КА/м | Вr, Тл | WВН, КДж/м3 |
| ЕХ 9К 15М — легированная сталь ( 1C , 9Cr , 1,5Мо ,7W , 88,5Fe ) 12 КМВ — комол ( 12Co , 6Mo , 12W , 70Fe ) ЮНДК 24 — магнико ( 14Ni , 8Al , 24Co , 3Cu , 51Fe ) 52К Ф13 — викеллой ( 52Co , 13V , 35Fe ) ПтК 76 — платинакс ( 76Pt , 24Co ) | 12,7 19,9 47,8 39,8 318,4 | 0,82 1,05 1,23 0,6 0,79 | 4,4 8,8 31,8 95,5 |
Викеллой – сплав железа, кобальта и ванадия (табл. 6.3), обладающий значительной коэрцитивной силой, максимальной энергией до 14 кДж/м3 и поддающийся обработке холодной прокаткой и волочением.
Платинакс — сплав кобальта с платиной (табл. 6.3), весьма дорогой, но обладающий высокой коэрцитивной силой и значительной максимальной удельной энергией. Платинакс используется в электронной промышленности и приборостроении.
Металлокерамические магниты изготовляют из измельчённых магнитотвёрдых сплавов методами порошковой металлургии, позволяющими решить проблему массового безотходного автоматизированного производства деталей небольших размеров со сложной конфигурацией. Смесь порошков сначала прессуют в пресс-формах при давлении 400…800 МПа и температуре спекания компонентов смеси около 1300 ОС, затем полученные изделия подвергают термической или термомагнитной обработке.
Ферриты
Ферриты — сложные системы окислов железа с окислами других, преимущественно двухвалентных металлов. Детали из ферритов изготавливают методами керамической технологии, формуя их из смеси мелкодисперсных порошков исходных материалов. При последующем обжиге (1100…1400 ОС) происходит ферритизация — образование ферритов из компонентов смеси.
Ферриты хрупки, обладают высокой твёрдостью и поддаются механической обработке только методами шлифования и полирования. Крепление ферритовых деталей к несущим конструкциям часто выполняется приклеиванием.
Ферриты могут быть магнитомягкими(на основе окислов никеля, марганца, цинка, лития) (табл. 6.4) и магнитотвёрдыми (на основе окислов бария и кобальта) (табл. 6.5).
Магнитомягкие ферриты обладают довольно низким значением индукции, но значительным удельным электрическим сопротивлением, что определяет их широкое использование в высокочастотной технике при частотах до 200 МГц. Магнитные характеристики ферритов весьма стабильны. Температуры «точки Кюри» ферритов в зависимости от их состава колеблются от 70 до 400 ОС.
Таблица 6.4
Характеристики магнитомягких ферритов
| Марка материала и его состав | mнач (х 103) | НС, А/м | ВS, Тл | r (х 10–6), Ом·м |
| Ni-Zn-феррит [( Ni, Zn )O · Fe2O3] Mn-Zn-феррит [( Mn, Zn )O · Fe2O3] | 50...500 | 40…120 | 2…3 | 109 105 |
Кобальтовые магнитотвёрдые ферриты имеют ограниченное использование из-за высокой стоимости кобальта и относительно невысоких магнитных качеств по сравнению с бариевыми ферритами, которые к тому же более дёшевы.
Таблица 6.5
Характеристики магнитотвёрдых ферритов
| Марка материала и его состав | НС, КА/м | Вr, Тл | WВН, КДж/м3 |
| 2 ФК — кобальт-феррит, (CoO·Fe2O3) 1 БИ — барий-феррит изотропный, (BaO·6 Fe2O3) 3 БА — барий-феррит анизотропный, (BaO·6 Fe2O3) Кобальт-самариевый анизотропный феррит (Co5·Sm) | 143,3 135,3 159,2 270,6 | 0,3 0,2 0,37 0,94 | 15,9 8,0 23,8 191,0 |
Наилучшими магнитными свойствами (за исключением весьма дорогого кобальт-самариевого феррита) обладают бариевые изотропные и анизотропные ферриты, которые с успехом заменяют литые постоянные магниты. Анизотропные бариевые магниты, в отличие от изотропных, прессуются и запекаются в постоянном магнитном поле и поэтому имеют повышенные магнитные качества в направлении его действия и пониженные в перпендикулярном к нему направлении.
Постоянные магниты из ферритов используют в динамических громкоговорителях, измерительных приборах, микроэлектродвигателях постоянного тока, датчиках систем охраны и сигнализации.
Контрольные вопросы.
1. Как связаны между собой напряжённость магнитного поля, магнитная индукция и свойства магнитного материала? 2. Каков физический смысл понятия «относительная магнитная проницаемость» материала? 3. На какие группы делятся материалы по их реакции на магнитное поле, каковы особенности их реакции? 4. Какова физическая сущность явления намагничивания ферромагнетиков? 5. Что такое «точка Кюри» применительно к магнитным материалам? 6. Что такое «кривая намагничивания» ферромагнетика, каков её физический смысл? 7. Кривая гистерезиса, её характерные точки и величины. Как по ней определить важнейшие характеристики магнитного материала? 8. Какова физическая сущность потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитном материале? 9. Перечислите факторы, влияющие на потери энергии в магнитном материале. Каковы способы снижения потерь? 10.Каковы требования к магнитомягким и магнитотвёрдым магнитным материалам? 11. Какие факторы влияют на качества магнитомягких материалов? 12. Состав и свойства электротехнической стали. 13. Перечислите магнитомягкие материалы. Каковы их состав и отличительные свойства? 14. Что такое «магнитодиэлектрики», каковы особенности их строения и свойств? 15.Каковы физическая сущность явления магнитострикции и области его использования? 16. Состав и отличительные свойства магнитотвёрдых материалов. 17. Как определяется энергия магнитного поля постоянного магнита с воздушным зазором? 18. Что такое ферриты, каковы их основные свойства?
ЛИТЕРАТУРА.
1. Васильев Н.П. Лабораторные работы по электроматериаловедению.- М.: Высшая школа,1982.
2. Дроздов Н.Г., Никулин Н.В. Электроматериаловедение.
М.: Высшая школа,1973.
3. Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытания электроизоляционных
материалов и изделий.- Л.: Энергия,1980.
4. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы.- М.:Энергия,1976.
5. Кумин В.Д., Суетинов Г.С. Электротехнические материалы.
Методические рекомендации к лабораторным работам.
-М.:ФГОУ ВПО МГАУ,2004.
6. Никулин Н.В. Электроматериаловедение. М.: Высшая школа,1989.
7. Алиев И.И., Калганова С.Г. Электротехнические материалы и изделия. Справочник. М.: РадиоСофт,2005.
Дата: 2016-10-02, просмотров: 268.
