11.4. Классификация магнитных материалов

Магнитомягкие материалы с высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (Н_с < 800 А/м) способны намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Они используются в качестве сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п. По магнитным потерям в зависимости от частоты тока магнитомягкие материалы делятся на низкочастотные и высокочастотные.

Низкочастотные магнитомягкие материалы с низким электрическим сопротивлением ρ = 0,1–0,5 мкОмм применяются на низких и средних частотах. С увеличением частоты магнитные потери растут.

Высокочастотные магнитомягкие материалы имеют большое сопротивление ρ = 10²–10¹⁰ Омм, малые магнитные потери, незначительно возрастающие с увеличением частоты тока. Они применяются в высокочастотных электрических устройствах.

Магнитотвердые материалы с низкой магнитной проницаемостью и большой коэрцитивной силой (Н_с > 4 кА/м) перемагничиваются в сильных полях и служат для изготовления постоянных магнитов.

В лучших магнитомягких материалах коэрцитивная сила составляет менее 1 А/м, лучших магнитотвердых – 1000 кА/м. В магнитомягких материалах намагничивание происходит за счет смещения границ доменов, в магнитотвердых – при вращении магнитных моментов. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и наоборот.

К магнитным материалам специального назначения относят материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для СВЧ, магнитострикционные, термомагнитные и др.

11.4.1. Магнитомягкне материалы

Магнитомягкие материалы должны иметь большие значения магнитной проницаемости, индукции насыщения, удельного электрического сопротивления, но низкие – коэрцитивной силы и магнитных потерь.

Искажения кристаллической решетки, примеси на границах зерен затрудняют процессы смещения границ доменов и приводят к снижению магнитной проницаемости и увеличению коэрцитивной силы. Особенно сильно влияют мелкодисперсные включения. Наилучшая структура для магнитомягких материалов – крупные зерна однофазного твердого раствора замещения. Чем крупнее зерно, тем выше магнитная проницаемость, ниже коэрцитивная сила и магнитные потери.

При деформировании магнитомягких материалов имеет место увеличение концентрации дефектов и искажений кристаллической решетки, измельчение зерна, что приводит к резкому падению начальной и максимальной проницаемости и возрастанию коэрцитивной силы. Особенно сильно изменяются магнитные свойства пермаллоев. После механической обработки магнитные свойства восстанавливаются путем термообработки (отжига). При отжиге снимаются напряжения, уменьшается концентрация дефектов, образуется крупнозернистая структура.

При изготовлении листовых и ленточных деталей от материалов требуется высокая пластичность, обеспечивающая штамповку без дефектов, качество поверхности (отсутствие ржавчины, окалины, бугорков, вмятин и т. п.), минимальную волнистость и коробление.

В отдельных случаях необходима стабильность свойств от времени и температуры, линейность кривой намагничивания (на определенном участке), прямоугольность петли и др. При выборе материала необходимо учитывать стоимость и дефицитность.

Низкочастотные магнитомягкие материалы.

Железо (техническое, электролитическое, карбонильное) и электротехническая сталь (нелегированная и легированная) относятся к материалам с высокой индукцией насыщения, пермаллои и альсифер – к высокопроницаемым материалам (табл. 11.2).

Технически чистое железо. Железо – основной компонент почти всех магнитных материалов. Магнитная проницаемость и коэрцитивная сила железа в слабых и средних полях изменяются в широких пределах в зависимости от количества и типа примесей. Значительное влияние на магнитные свойства железа оказывает структура, особенно размер зерна. Выращивание крупного зерна достигается главным образом термообработкой (отжигом). Вследствие низкого удельного сопротивления технически чистое железо используется в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Таблица 11.2

Свойства магнитомягких материалов

Название	н	max	НС, А/м	Bs, Тл	, мкОм·м
Монокристалл железа	20000	1,4·106	0,8	–	0,097
Техническое железо	400	4000	50–100	2,2	0,1
Электролитическое железо	600	15000	30	2,2	0,1
Карбонильное железо	3000	20000	6,4	2,2	0,1
Электротехническая сталь	200–600	3000-8000	10–65	2,0	0,2–0,6
Пермаллои: низконикелевые (40–50 % Ni) высоконикелевые (79 % Ni) Супермаллой (79 % Ni, 5 % Mo, 15 % Fe, 0,5 % Mn)	4000 (0,7–10)·104 105	(1,5–6)·104 (1–3)·105 1,5·106	5–30 0,6–5 0,3	1,0–1,6 0,7–0,75 0,8	0,4–0,9 0,2–0,8 0,6
Альсифер (5,6 % Ni, 9,5 % Si, Fe – остальное)	35400	117000	1,8		0,8

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. После промывки и измельчения в шаровых мельницах, подвергают вакуумному отжигу или переплавке в вакууме. Величина коэрцитивной силы меньше, чем у технически чистого железа. Из-за высокой стоимости применяется редко.

Карбонильное железо получают в виде порошка при термическом разложении пентакарбонила железа:

Fе(СО)₅ = Fе + 5СО.

Сердечники изготавливают прессованием. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор, сера, но имеется углерод.

Электротехнические стали – магнитомягкий материал массового применения. Основной легирующий элемент – кремний – образует с железом твердый раствор и приводит к увеличению удельного сопротивления. Потери на вихревые токи уменьшаются. Кроме того, кремний способствует укрупнению зерна и увеличению магнитной проницаемости (уменьшаются константы магнитной анизотропии и магнитострикции) и снижению коэрцитивной силы.

В нелегированных электротехнических сталях содержание кремния не превышает 0,4 %, легированных – до 5 %. С ростом содержания кремния повышается твердость и хрупкость: материал выдерживает не более 1–2 перегибов на 90°. Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит углерод, серу, марганец, фосфор и другие примеси.

К ак и чистое железо (см. рис. 11.4), кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией. Однако направление легкого намагничивания [100] не совпадает с направлением скольжения – наиболее плотного расположения атомов вдоль пространственной диагонали [111]. Свойства стали улучшаются за счет образования магнитной текстуры. После холодной прокатки отжиг в водороде при 900–1000 °С снимает механические напряжения и сопровождается рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается ребровая текстура: кристаллографические плоскости типа (110) большинства зерен располагаются параллельно плоскости прокатки, т. е. оси легкого намагничивания зерен ориентированы вдоль направления прокатки (рис. 11.9). Текстурированная сталь анизотропна: вдоль направления прокатки наблюдается более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис.

Электротехническую сталь маркируют четырьмя цифрами.

Первая цифра определяет вид проката и структуру: 1 – горячекатанная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатанная анизотропная с текстурой в направлении [100].

Вторая цифра – процентное содержание кремния: 0 – до 0,4 %; 1 – 0,4–0,8 %; 2 – 0,8–1,8 %; 3 – 1,8–2,8 %; 4 – 2,8–3,8 %; 5 – 3,8–4,8 %.

Третья цифра – потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении магнитной индукции B и частоты f. Например, 1 – удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц (Р_1,5/50).

Четвертая цифра – тип стали и уровень основной нормируемой характеристики: 1 – нормальный; 2 – повышенный; 3 – высокий и т. д.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты с электроизоляционным покрытием или без него. Толщина листов 0,01–1 мм. Листы тонкого проката предназначены для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины уменьшаются потери на вихревые токи. В тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы; увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои – сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, легированные молибденом, хромом и другими элементами, которые увеличивают удельное сопротивление. Молибден и хром повышают начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим деформациям, одновременно снижается индукция насыщения. Медь повышает температурную стабильность магнитной проницаемости; сплавы легко поддаются механической обработке.

Преимущество пермаллоев – высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатки – чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, низкие значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, высокая стоимость. Высокие магнитные свойства пермаллоев получаются при отжиге изделий в водороде или вакууме.

В марках пермаллоев буква Н означает никель, К – кобальт, М – марганец, Х – хром, С – кремний, Д – медь, П – сплав с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифры – содержание никеля в процентах.

Пермаллои находят применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств, работающих в слабых постоянных или переменных полях с частотой до 100 кГц. Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоев от механических напряжений вынуждает применять специальные меры защиты. Механические нагрузки возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно сердечники помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. Свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют эластичным веществом.

Супермаллой обладает наивысшей магнитной проницаемостью. Он подвергается специальной термомагнитной обработке: отжиг в течение 3–5 часов при 1100–1200 °С в вакууме или среде водорода для снятия магнитострикционного эффекта и медленное охлаждение со скоростью 20–50 °С/ч в слабомагнитном поле.

Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав: 9,5 % Si, 5,6 % А1, остальное – Fe. Свойства альсифера не уступают свойствам высоконикелевых пермаллоев. Изделия (магнитные экраны, корпуса приборов) изготавливают в виде фасонных отливок с толщиной стенок не менее 2–3 мм ввиду хрупкости сплава. Альсифер размалывают в порошок и используют наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.