3.9.2. Магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы обладают малой коэрцитивной силой, высокими магнитной проницаемостью и индукцией насыщения даже в слабых магнитных полях. Магнитомягкие материалы для уменьшения потерь на вихревые токи должны иметь высокое электрическое сопротивление.

В электротехнике магнитомягкие материалы широко применяются в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечников, магнитопроводов, полюсных наконечников), в различных приборах и аппаратах (реле, трансформаторах, электрических машинах).

Металлические магнитомягкие материалы должны иметь минимальную концентрацию вредных примесей (кислорода, углерода, серы, фосфора), крупнозернистую структуру и минимальное внутреннее напряжение.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением около 10^-7 Ом∙м; их называют низкочастотными: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, кремнистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6 %, в том числе углерода не более 0,04 %. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера, фосфор. Существенно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Преимущества чистого железа – высокие показатели индукции насыщения (2,18 Тл), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая стоимость и доступность; недостатки: низкое удельное сопротивление (10^-7 Ом∙м) и значительные потери на вихревые токи.

Особо чистое железо содержит углерода менее 0,025 % и других примесей – не более 0,08 – 0,1 %, его называют «армко железом».

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа подвергают термической обработке – специальному отжигу. При этом у железа снижается внутреннее напряжение, уменьшается количество дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и укрупняется зерно, следовательно, уменьшается суммарная удельная поверхность зерен.

Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная –разновидность технически чистого железа, ее выпускают тонколистовой и сортовой. Тонколистовая сталь содержит примесей не более 0,64 %, в том числе углерода – менее 0,04 %. В зависимости от содержания примесей тонколистовую сталь выпускают в виде листов толщиной 0,2 – 4,0 мм трех марок: Э – низкий сорт, ЭА – средний, ЭАА – высший сорт. Сортовая сталь бывает трех марок – Э12, Э10, Э8. Уменьшение цифры в обозначении марки стали указывает на улучшение магнитных свойств стали. Сталь отжигают при температуре 900С. Магнитные свойства электротехнической стали приведены в табл. 10.

Таблица 10

Магнитные свойства некоторых магнитомягких материалов

Материал	Свойства
	М, 103	ВS, Тл	НС, А/м	, мкОм∙м
Армко железо	3,5 – 4,5	2,18	40 – 100	0,1
Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная	3,5 – 4,5 15	2,18 2,18	64 – 96 30	0,1 0,1
Электролитическое железо	20 – 21,5	2,18	6,4	0,1
Карбонильное железо	200	2,18	2,4	0,1
Пермаллои: низконикелевые (Ni45%) высоконикелевые (Ni80%) суперпермаллой (Ni79%, Fe15%, Mo5%, Mn0,5%)	15 – 60 30 – 70 600 – 1500	1,3 0,7 0,79	5 – 32 0,65 – 4 0,3	0,45 – 0,9 0,16 – 0,8 0,6
Альсифер	11,7	1,0	1,76	0,8

Электролитическое железо (см. табл. 10) содержит углерода менее 0,02 %, это железо получают путем электролиза водных растворов сернокислого или хлористого железа, применяется оно для изготовления магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях.

Карбонильное железо содержит углерода менее 0,005 % (см. табл. 10), данный вид железа получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅. В отсутствие воздуха пары Fe(CO)₅ при температуре 350С разлагаются на окись углерода и металлическое железо.

Карбонильное железо применяют в качестве магнитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Из данных табл. 10 видно, что с уменьшением содержания примесей и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнитных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием.

Кремнистая электротехническая сталь содержит углерода до 0,05 % и представляет собой сплав, образующий твердый раствор кремния (0,4 – 4,8 %) в технически чистом железе; это магнитомягкий материал массового потребления, его преимуществами являются высокая индукция насыщения и относительно низкая стоимость.

Кремний способствует образованию крупнозернистой структуры стали и уменьшает ее магнитную анизотропию, улучшает магнитные свойства, снижает потери на вихревые токи и гистерезис.

Свойства стали можно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига. При этом происходит рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерен и одновременной их ориентацией вдоль направления легкого намагничивания. Такая сталь имеет ребровую текстуру; ее магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше, чем у стали, не имеющей текстуры.

Холоднокатаная сталь делится на два вида – анизотропную и изотропную. Горячекатаная сталь изотропна, т. е. ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно прокатки, эта сталь дешевле холоднокатаной. Изотропные стали применяют в электромашиностроении. В трансформаторостроении выгодно применять текстурированную сталь.

Маркировка кремнистой электротехнической стали в виде листов (0,1 – 1,0 мм), рулонов и лент (0,05 – 0,2 мм) производится четырьмя цифрами. В обозначении марки цифры означают следующее:

первая – структурное состояние и вид прокатки (например: 2 – холоднокатаная изотропная);

вторая – содержание кремния (например: 3 – 1,8 – 2,8 % Si);

третья – группу по основной нормируемой характеристики (например: 1 – удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц);

четвертая – порядковый номер типа стали.

Вместе первые три цифры означают тип стали.

Кремнистую электротехническую сталь выпускают в виде рулонов, листов и лент, без покрытия, с термостойким, электроизоляционным термостойким или электроизоляционным покрытием.

Пермаллои – это сплавы железа с никелем (Fe – Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe – Ni – Сo) и железа с кобальтом (Fe – Со). Пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость и малую коэрцитивную силу, низкую магнитную анизотропию, что является одной из причин их легкого намагничивания и высокой магнитной проницаемости.

Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем дополнительного легирования молибденом, хромом, медью, кремнием, ванадием и др. Недостатки пермаллоев – высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки и относительно высокая стоимость.

Сплавы изготавливают в виде холоднокатаных лент, листов, проволоки диаметром 0,05 – 5,0 мм, а также горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8 – 100 мм, которые поставляются не обработанными термически. Термической обработке подвергаются готовые магнитные изделия.

Сплавы с содержанием никеля 70 – 80 %, имеющие наибольшее значение начальной и максимальной магнитной проницаемости, называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержанием никеля 78,5 % – классическим пермаллоем. Второй, меньший по величине, максимум _Н и _М наблюдается у сплавов при содержании никеля 40 – 50 %, их называют низконикелевыми пермаллоями (см. табл. 10).

Высоконикелевые пермаллои целесообразно применять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройствах для создания мощного магнитного потока, а также для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов.

У низконикелевых пермаллоев удельное электрическое сопротивление в три раза больше, чем у высоконикелевых. Низконикелевые пермаллои имеют более высокую индукцию насыщения, применяют их для изготовления магнитопроводов малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих в области высокой индукции.

Маркировка пермаллоев основана на их химическом составе. Первая цифра в обозначении марки пермаллоя указывает на содержание никеля в процентах, буквы К, М, Х, С, Ф – соответственно кобальт, молибден, хром, кремний, ванадий. Буквы П, У и А в конце маркировки означают соответственно прямоугольную петлю гистерезиса, сплав с улучшенными свойствами и сплав с более точным составом.

Все марки пермаллоев делятся на четыре группы:

нелегированные низконикелевые сплавы 45Н и 50Н с содержанием никеля 45 и 50 % соответственно, остальное – железо;

сплавы, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса, 50НП, 65НП, 34НКМП с содержанием никеля 50, 65 и 34 % соответственно, П означает прямоугольную петлю гистерезиса, К и М – легирующие добавки кобальта и молибдена;

никелевый пермаллой 50НХС с содержанием никеля 50 % и легированный хромом и кремнием;

высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС и 76НХД, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью.

Альсиферы – это тройные сплавы, состоящие из алюминия, кремния и железа (Al – Si – Fe), образующие твердые растворы. Высокую магнитную проницаемость имеют в очень узком интервале содержания в сплаве алюминия и кремния. Сплав оптимального состава содержит 9,6 % кремния, 54 % алюминия, остальное – железо.

Магнитные свойства альсифера приведены в табл. 9. Максимум магнитных свойств альсифера соответствует точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промышленные изделия имеют более низкие значения магнитных свойств. Альсиферы отличаются высокой твердостью и большой хрупкостью, легко разламываются в порошок, который, как и карбонильное железо, используется в магнитодиэлектриках в качестве ферромагнитной фазы.