1. Сплави пермалой

Сплав на основі Fe-Ni зазвичай називають пермалой – це магнітно-м'який матеріал з низькою коерцитивною силою і високою магнітною проникністю. Отже, у пермалоя малі втрати на гістерезис.

Пермалой легко намагнічується завдяки тому, що він є магніто- ізотропним матеріалом. Тобто його властивості однакові в усіх напрямках. А також в ньому відсутнє явище магнітострикції, тобто зміна форми і лінійних розмірів кристалічної структури при впливі магнітного поля. Через те, що в матеріалі відсутня анізотропія, магнітні моменти здатні легко повертатися в напрямку поля. А оскільки, відсутній магнітострикційний ефект, значить при впливі зовнішнього поля всередині матеріалу не виникають механічні напруги, які в свою чергу заважають руху доменних меж [36].

Властивості пермалоїв дуже сильно залежать від механічних напруг, хімічного складу і наявності домішок. У роботі [37] вплив на мікроструктуру і магнітних властивостей Fe – 30% Ni сплаву були ретельно досліджені методом скануючої електронної мікроскопії, рентгенівської дифракції та випромінюванням гістерезису. Формування ОЦК – Fe (Ni) ідентифікується за допомогою рентгенівської дифракції. Таким чином було виявлено, що низький ОЦК параметр решітки та великі розміри зерна можуть бути отримані, при застосуванні високої швидкості лазерного сканування і низької потужності лазера. Крім того, найнижче значення коерцитивної сили становить 88 А/м і максимальне значення індукції насичення 565 А²/кг. Термічна обробка також дуже важлива, її проводять у вакуумі або середовищі водню навіть під дією магнітного поля.

Розрізняють дві основні групи пермалоїв: низьконікелеві 40- 50 % нікелю (типовим представником є — перменорм ) і високонікелеві 70- 83%. Термічна обробка високонікелевих пермалоїв складніша, ніж низьконікелевих. Основними показниками електромагнітної якості цих сплавів є значення початкової μ _поч. і максимальної μ _max магнітної проникності.

Так, у роботі [38] досліджено залежність початкової - μ _поч. , максимальної - μ _max магнітної проникності та коерцетивної сили H_c від відсоткового вмісту нікелю.

Коерцитивна сила H_c у пермалоїв повинна бути якнайменшою, а питомий електричний опір ρ і намагніченість насичення М_s якнайвищі. Залежність вказаних параметрів для подвійного сплаву Fe-Ni від відсоткового вмісту нікелю представлено на рисунку 1.3.

Характеристика μ_поч. (рис 1.3) має два максимуми, відносний (1) і абсолютний (2). Область відносного максимуму обмежена вмістом нікелю 40-50% відповідає низьконікелевому пермалою, а область абсолютного максимума, обмежена вмістом нікелю 72-80% - високонікелевому. Останній володіє і найбільшими значеннями μ_max. Потік характеристик μ₀ M_s і ρ (рис 1.3) свідчить про те, що індукція насичення і питомий електричний опір у низьконікелевого пермалоя набагато вище, ніж у високонікелевого. Ці дані розмежовують сфери застосування низьконікелевого і високонікелевого пермалою.

Індукція насичення високонікелевих пермалоїв майже в два рази нижче, ніж у електротехнічної сталі, і в півтора рази нижче, ніж у низьконікелевих пермалоїв. Магнітні проникності високонікелевих пермалоїв в кілька разів вище, ніж у низьконікелевих і набагато перевершує проникності електротехнічних сталей. Питомий опір високонікелевих пермалоїв майже в три рази менше, ніж у низьконікелевих, тому при підвищених частотах краще використовувати низьконікелеві пермалої . Для досягнення високої μ і низької H_c високонікелеві пермалої піддають різкому охолодженню. Магнітна проникність пермалоїв сильно знижується зі збільшенням частоти, причому тим різкіше, чим більше її первинне значення. Це пояснюється виникненням у матеріалі помітних вихрових струмів за невеликого питомого опору.

Рисунок 1.3 – Залежність μ _поч. , μ _max і H_c від вмісту нікеля в подвійній системі Fe-Ni

Автори роботи [39] досліджували пермалоєві тонкі плівки при кімнатній температурі і різних значеннях тиску аргону з використанням сплаву Fe₂₀ Ni₈₀. Збільшення тиску аргону призводить до зменшення концентрації Fe у плівках з 17 ат . % До 15 ат . % . Збільшення товщини плівки призводить до збільшення коерцитивної сили. Перехід у стан "транскритичний " спостерігався при критичній товщині, що зменшується від 220 до 50 нм, якщо тиск аргону в камері збільшується.

Для поліпшення властивостей сплаву, його легують різними добавками, такими як молібден, хром. Ці добавки збільшують питомий опір і початкову магнітну проникність, але знижують індукцію насичення. Молібден і хром підвищує питомий опір і початкову магнітну проникність пермалоїв і зменшують чутливість до механічних деформацій. Проте одночасно з цим знижується індукція насичення. Мідь збільшує сталість μ у вузьких інтервалах напруженості магнітного поля, підвищує термостабільність і питомий опір , а також сплав легко піддається механічній обробці. Кремній і марганець збільшують питомий опір пермалоїв. Високонікелеві пермалої зазвичай легують Mo , Cr , Cu , Si та ін елементами для зменшення швидкості охолодження і підвищення електроопору. Типовий представник високонікелевих пермаллоев - молібденовий пермаллой - містить приблизно 79 % Ni , 17 % Fe , 4 % Mo і характеризується початковою 22000 і максимальною μ_max 150000 , H_C 0,012 А / см, точкою Кюрі 400^оС .

Сплав супермалой, що містить приблизно 79 % Ni , 16 % Fe , 5 % Mo володіє дуже високими магнітними властивостями в слабких полях. Завдяки застосуванню найчистіших шихтових матеріалів і особливої ретельності в проведенні термічної обробки в супермалої досягається найвища серед відомих магнітно- м'яких матеріалів початковою магнітною проникністю - 100000 і максимальною магнітною проникністю 1000000.

Сплави типу пермалой виробляються в основному у вигляді стрічок товщиною 0,003-0,5 мм; використовуються в радіотехніці, техніці зв'язку та інших областях застосування слабких струмів .

Низьконікелеві сплави застосовуються для виготовлення сердечників малогабаритних силових трансформаторів, дроселів, реле і деталей магнітних кіл , що працюють при підвищених індукціях без домагнічування або з невеликим підмагнічуванням. Високонікелеві сплави використовують для виготовлення сердечників малогабаритних трансформаторів , реле і магнітних екранів , сердечників імпульсних трансформаторів , магнітних підсилювачів і безконтактних реле. Практичне застосування в ряді пристроїв автоматики та обчислювальної техніки отримали також пермалої з 65-68 % Ni (як правило, леговані 2-3% Mo), що характеризуються прямокутною петлею гістерезису. Але все-таки основна особливість у тому, що цей матеріал використовується для отримання високої індукції в малих магнітних полях.