48. Магнитомягкие материалы.

Технически чистое железо. Термин «железо» соответствует названию химического элемента. В промышленном же применении железо представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода, а также серу, фосфор, марганец и другие примеси.

Железо является основным компонентом почти всех современных магнитных материалов. Магнитные свойства железа и в первую очередь магнитная проницаемость в слабых и средних полях и коэрцитивная сила могут меняться в очень широких пределах в зависимости от количества и состав примесей. Кроме химического состава, значительное влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно величина зерна (зерно – деформируемый кристалл округлой формы). Искажения кристаллической решетки, а также концентрация примесей на границах зерен затрудняют процессы смещения границ доменов и приводит к увеличению коэрцитивной силы. Поэтому чем крупнее зерна (меньше протяженность границ зерен на единицу объема), тем выше магнитные свойства. Выращивание крупного зерна достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом). Получают железо переплавкой чугуна в мартеновских печах. Улучшить свойства железа в процессе производства можно в результате многократных переплавок в вакууме, а также различных видов отжига: в водороде, вакууме и др. Суммарное содержание примесей в техническом железе 0,08 – 0,1%. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используется довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4-6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок» подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме. Содержание примесей в электролитическом железе менее 0,05%. Величина коэрцитивной силы электролитического железа меньше, чем Нс технически чистого железа. Ввиду высокой стоимости электролитическое железо применяют редко.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению: Fе(СО)5= Fе + 5СО.

Карбонильное железо имеет вид порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор, сера, но содержится углерод. Содержание примесей менее 0,05%.

Карбонильное железо широко применяют в качестве ферромагнитной фазой магнитодиэлектриков.

Электролитические стали. Сталь - сплав железа с 0,5 – 5% кремния. Кремний, образуя с железом твердый раствор, приводит к увеличению удельного сопротивления. При легировании кремнием улучшаются магнитные свойства технически чистого железа: возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила и потери на гистерезис, существенно улучшается стабильность свойств. Но в технике не применяют сплавы с содержанием кремния свыше 5%. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства, повышая твердость и хрупкость. Уже при 4-5% кремния материал выдерживает не более 1-2 перегибов на 90°. Кроме того, кремний несколько снижает индукцию насыщения, что является нежелательным.

Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит примеси: углерод, серу, марганец, фосфор и др.

Электротехническая сталь обладает магнитной анизотропией, подобной анизотропии чистого железа, т.е. направление легкого намагничивания совпадает с пространственной диагональю кубической элементарной ячейки. Свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде. При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала, возникающие деформации вызывают преимущественную ориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900 - 1000°С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен), в результате которой кристаллические зерна осями легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката, получается ребровая текстура.

Текстурированная сталь анизотропна по свойствам: вдоль направления прокатки наблюдается более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Объясняется это тем, что намагничивание вдоль направления прокатки осуществляется в основном за счет смещения доменных границ. Вращение магнитных моментов, затрудняющее намагничивание, выражено очень слабо.

Эффективное использование текстурированных сталей возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Толщина листов стали 0,01 - 1 мм. Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы; соответственно увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои. Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом и другими элементами. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% Ni, а низконикелевые – 40-50% Ni.

Основное преимущество пермаллоев — высокие значения магнитно проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщен по сравнению с электролитическими сталями и сравнительно высокая стоимость (1 кг низконикелевого пермаллоя в 10 раз дороже 1 кг технически чистого железа; 1 кг высоконикелевого – в 15-17 раз дороже 1 кг технически чистого железа). Необходимо также учитывать, что высокие магнитные свойства у пермаллоев могут быть получены лишь в результате отжига готовых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение.

Пермаллои находят широкое применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных или переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц. Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводят ряд добавок. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермаллоев, уменьшают чувствительность к механическим деформациям. Однако одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство  в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление

В марках пермаллоев 79НМ; 80НХС; 76НХД; 45Н буква Н означает никель, К – кобальт, М – марганец, Х – хром, С – кремний (силициум). Д – медь, П — сплав с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифра в марке указывает на процент содержания никеля.

Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоев от механических напряжений вынуждает применять специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом (например, эластичной смазкой ЦИАТИМ - 201).