2. Магнітно-м’які матеріали на основі заліза і нікелю

Сплави системи Fe-Ni досліджені в багатьох роботах [34]. Діаграма стану системи Fe-Ni в високотемпературній частині вивчено добре, однак добитися повної ясності в побудові низькотемпературної частини діаграми стану так і не удалося через виникнення експериментальних труднощів. При високих температурах система Fe-Ni (рис 1.1) характеризується існуванням неперервного ряду твердих розчинів між (γ-Fe) і (Ni). Можна відмітити, що інтервал між температурами ліквідусу і солідусу складає лише 5-10° С. Лінії ліквідусу і солідусу плавно знижуються від перитектичної горизонталі при температурі 1513° С чи 1511° С до мінімального значення при температурі 1425 ° С в інтервалі концентрацій 60-70 % (ат.) Ni або 1436 ° С при концентрації 68 % (ат.) Ni, 1439 ° С при концентрації 69 % (ат.) Ni, і потім підвищуються до температури плавлення Ni.

Рисунок 1.1 – Діаграма стану Fe-Ni

Максимальна розчинність Ni в (δ-Fe) при температурі перитектики складає ~ 4,1 % (ат.) чи 4,2 % (ат.). На основі аналізу положення перитектики (δ) + Ж ↔(γ) установлено склад Ni в фазах: Ж – 5,5 % (ат.) чи 5,8 % (ат.); (γ) – 4,8 % (ат.) і 4,5 % (ат.).

При зниженні температури утворюються проміжні фази, які мають область гомогенності : FeNi₃ зі структурою типу AuCu₃ (символ Пірсона cP4, пр. гр. Pm3m), FeNi – типа AuCu ( Символ Пірсона tP2, пр. гр. P4/mmm), Fe₃Ni , структура якої досі не встановлена.

В низькотемпературній області на лінії точок Кюрі існує трьох критична точка (462 ° С, 48 % (ат.) Ni), нижче якої виникає розшарування на парамагнітну (γ_п) і феромагнітну (γ_ф) фази (обидві з невпорядкованим розміщенням атомів). При температурі 389°С через це виникає монотектоідна горизонталь.

При температурі 516° С феромагнітний твердий розчин (γ_ф) упорядковується, утворюючи фазу FeNi₃ (максимум температури упорядкування зміщений від ідеального складу). При температурі 345 ° С проходить евтектоідний розпад γ_ф ↔ (αFe) + Fe₃Ni.

Сплави на основі заліза і нікелю відносяться до сплавів з найвищою магнітною проникністю в слабких полях. Ці сплави володіють високою початковою (20-100 · 10³ Гс/Э) і максимальною (100-1000 10³ Гс/Э) проникністю з малою коерцитивною силою (0,05-0,003 Э). Сплави на Fe – Ni основі містять 70-85 % Ni. Для отримання заданого співвідношення магнітних, електричних і механічних властивостей їх легують молібденом, хромом, міддю, ванадієм, вольфрамом і кремнієм [35].

Призначення – сердечники малогабаритних трансформаторів, дроселей, реле, дефектоскопів, магнітні екрани і головки апаратури магнітних записів. Із стрічки товщиною ≤ 0,05 мм – сердечники імпульсних трансформаторів, магнітних підсилювачів, елементів розрахункових пристроїв і інших безконтактних магнітних елементів.

Вибір сплаву проводиться з розрахунку на його магнітні властивості в постійних і змінних полях, електричні, механічні і інші властивості.

Основні технологічні дані. Сплави можна обробляти різанням, зварюванням, прокаткою до мікронних товщин.

В поковках, прутках і стрічках товщиною до 0,05 мм сплави практично ізотропні, в стрічках товщиною менше 0,05 мм спостерігається анізотропія магнітних властивостей. При намагнічуванні в напрямку, який співпадає з напрямком холодної деформації, сплави характеризуються підвищеним значенням відношення залишкової індукції і індукції насичення. Для покращення технологічних властивостей сплавів при механічній обробці може бути проведена попередня термічна обробка в вакуумі або водні при температурі 800-900 ° С. Сплави застосовуються після термічної обробки. Для сплавів з найвищою проникністю термічну обробку слід проводити з особливою ретельністю.

Сплави після термічної обробки чутливі до механічних напружень, які здатні приводити до необоротного погіршення властивостей. При виготовленні сердечників із стрічок товщиною менше 0,01 мм температуру відпалу знижують на 100° С. Особливу увагу при виготовленні сердечників треба звертати на якісне нанесення рівномірного і тонкого покриття.

Сплави не піддаються корозії при температурі 25±10° С і відносній вологості не більше 40%.

Структура – однофазний твердий розчин з гранецентрованою граткою (γ-фаза). Сплави здатні до утворення упорядкованої атомної структури при повільному охолодженні в області температур 600-300° С. При утворенні упорядкованої структури магнітні властивості і питомий електричний опір зменшуються.

Сплави з ванадієм мають високі магнітні властивості після повільного (60-20 град/год) охолодження в області температур 600-300° С. При цьому підвищуються також температурна стабільність максимальної проникності сплавів в кліматичному інтервалі температур.

Типовими представниками сплавів на основі заліза і нікелю є сплави 78НМ і 78НМУ. Характерними особливостями цих сплавів є поєднання високих значень початкової (20 - 50 · 10³ Гс/Э) і максимальної (100-300 ·10³ Гс/Э) проникності з малою величиною коерцитивної сили (0,05-0,01Є). Сплав 79НМ найбільш широко застосовується для виготовлення всіх типів сердечників магнітопроводів. Найвища проникність досягається після швидкого (400-500 град/год) охолодження з 600° С. Зниження швидкості охолодження в інтервалі 600-300° С до 50 град/год призводить до збільшення коефіцієнта прямокутності в малих полях при деякому зниженню рівня початкової проникності. При цьому покращується температурна стабільність максимальної проникності. Сплав з найвищими властивостями маркірується як 78НМУ. Магнітні властивості сплава 78НМ і 78НМУ зображено на рисунку 1.2.

На базі цього сплаву створені матеріали з прямокутною петлею гістерезису, в тому числі мікронної товщини.0.1.

1-по даним ГОСТ 10160-62 (78НМ); 2- ГОСТ 10160-62 (78НМУ);

3- типові зразки; 4 – кращі зразки

Рисунок 1.2 – Магнітні властивості сплава 78НМ і 78НМУ різної товщини

Прецизійний сплав 50Н відноситься до категорії низьконікелевих пермалоїв.

Сплав 50Н для поліпшення електромагнітних властивостей легується різними елементами - молібденом, хромом , міддю і деякими іншими. Плавка сплаву здійснюється у вакуумі або нейтральних газах.

Завдяки низькій магнитострикції сплав 50Н застосовується в прецизійних магніто -механічних пристроях та інших пристроях, де потрібна стабільність розмірів в мінливому магнітному полі.

Магніторезистивні властивості сплаву 50Н використовують в датчиках магнітного поля, наприклад в мікросхемах.