Сплавы железа с металлами

Сплавы железа с нике­лем, с кобальтом и с никелем и кобальтом обла­дают при определённых составах исключитель­но высокими магнитными свойствами, недос­тижимыми в других сплавах Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном ле­гировании такими элементами, как молибден, хром, кремний, медь, ванадий, титан и др.

Высокие магнитные свойства этих спла­вов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигается минимальное значение константы магнитной анизотропии, константы магнитострикции и, следова­тельно, максимальное значение магнитной про­ницаемости. Значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции очень сильно изменяются при незначительных колебаниях содержания никеля и других легирующих эле­ментов, кроме того, значение и знак константы магнитной анизотропии зависит от режима окончательной термической обработки. По­этому необходимо точно соблюдать химиче­ский состав и правильно подобранный режим окончательной термической обработки для сплавов с наивысшей магнитной проницаемос­тью, содержащих (75–85) % никеля.

В сплавах других составов удаётся успеш­но уменьшить влияние константы магнитной анизотропии путем создания кристаллографи­ческой или магнитной текстуры. Магнитные свойства в определенных направлениях – направлениях легкого намагничивания – исключительно высокие. В других направлениях мо­гут быть созданы специфические магнитные свойства, например, постоянство проницаемо­сти в широком диапазоне магнитной индукции. Технология изготовления магнитомягких сплавов включает в себя выплавку в электрических печах небольшого объема, ковку и горячую прокатку листов толщиной (2–4) мм, хо­лодную прокатку с одним или несколькими промежуточными отжигами и окончательный высокотемпературный отжиг. На всех этапах применяются меры для предохранения от попа­дания в сплавы таких элементов, как углерод, сера, фосфор, кислород, азот, или произво­дится их удаление. Для защиты от окисления, а также для рафинирования металла оконча­тельная и промежуточная термообработки (в последние годы и выплавка) осуществляются в вакууме или водороде.

Сплавы с высокой магнитной проницае­мостью и высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления аппаратуры связи и импульсных трансформа­торов, работающих без подмагничивания или с подмагничиванием слабыми полями.

Ферритовые материалы

Ферриты – магнитные материалы на ос­нове оксидов металлов, обладающие ферримагнитными свойствами.

Магнитомягкие ферриты – моно- и поли­кристаллические материалы со значениями коэрцитивной силы по индукции не более 4 кА/м.

Промышленные магнитомягкие ферриты – в основном поликристаллические материалы, синтезируемые по керамической технологии, включающей в себя составление смеси оксидов в заданной пропорции, ферризацию смеси, формование изделий и их последующее спекание.

Наибольшее распространение получили две группы магнитомягких ферритовых мате­риалов:

1 Марганцево-цинковые (Мп–Zn ) фер­риты – твёрдые растворы феррита марганца (MnFe₂O₄) и феррита цинка ZnFe₂O₄.

2 Никель-цинковые ( Ni–Zn ) ферриты – твёрдые растворы феррита никеля (NiFe₂O₄) и феррита цинка ZnFe₂O₄.

Разнообразие марок Мn – Zn и Ni – Zn – ферритов определяется, главным образом, со­отношением основных компонентов, наличием легирующих присадок и режимами синтеза.

В процессе твёрдофазных реакций при ферритизации и спекании в условиях высоких (до 1400 °С) температур образуются твердые растворы ферритов с кубической решеткой типа шпинели. Как правило, время спекания составляет от 3 до 7 ч. Ферриты никель-цинковой группы синтезируются в воздушной ат­мосфере, а марганцево-цинко­вой группы – в контролируемой атмосфере с понижением давления кислорода при охлаждении.

Основными легирующими присадками, в определённой мере влияющими на улучшение электромагнитных характеристик ферритовых изделий, являются вводимые в небольших количествах оксиды кобальта Со, лития Li, титана Ti, кальция Ca и некоторых других элементов.

Одним из основных электромагнитных параметров магнитомягких ферритов является начальная магнитная проницаемость μ_n , измеряемая при напряженности поля Н _m →0 и заданной частоте. В слабых синусоидальных полях проницаемость имеет комплексный характер, определяемый наличием упругой (вещественной) и вязкой (мнимой) состав­ляющей

.                               (5.17)

Частотные зависимости составляющих комплексной магнитной проницаемости назы­ваются магнитными спектрами.

В случаях, когда ферритовый материал работает в импульсных подмагничивающих полях, целесообразно определять импульсную магнитную проницаемость μ_n как отношение приращения индукции к приращению напря­женности магнитного поля в материале при намагничивании импульсом тока определенной формы, длительности и амплитуды.

Каждая марка магнитомягких ферритов обладает характерным параметром: критиче­ской частотой f _Кр – значением верхней частот­ной границы области применения, начиная с которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость ввиду инерционно­сти процессов намагничивания. Магнитные свойства ферритов сильно меняются при од­новременном воздействии постоянных и переменных полей.

Для оценки магнитомягких ферритов, работающих в переменном и постоянном полях, используют понятие обратимой магнитной проницаемости μ _обр .

Временная нестабильность магнитомягких ферритов проявляется в уменьшении магнитной проницаемости при длительном хранении или воздействии положительных температур.

По своим электрическим свойствам ферриты являются полупроводниками. Их проводимость увеличивается с ростом температуры. Эффективная проводимость растёт с частотой.

При низких частотах относительная диэлектрическая проницаемость ε имеет аномально высокие значения, достигающие 10⁵ и даже выше. При увеличении частоты диэлектрическая проницаемость ферритов уменьшается и предельные значения, характерные для монокристаллических ферритов, составляют (10–20). Аномальные значения ε высокопроницаемых ферритов  являются причиной возникновения  эффекта объёмного резонанса, для которого характерно падение магнитной проницаемости и резкое возрастание потерь. В марганцево-цинковых ферритах эффект объёмного резонанса наблюдается на часто­тах, равных единицам мегагерц.

Существенное изменение электромагнит­ных параметров ферритов наблюдается при облучении изделий интегральным потоком нейтронов интенсивностью выше 10¹⁵ частиц на см².

Ферримагнитные свойства проявляются вплоть до температуры Кюри θ _к , являющейся в силу этого важным параметром магнито­мягких ферритовых материалов. Выше θ _к ферриты становятся парамагнетиками.

По механическим свойствам поликристал­лические ферриты подобны керамике. Обла­дая высокой твердостью и хрупкостью, они хорошо поддаются обработке алмазным ин­струментом (резке, шлифовке, полировке). Для склеивания ферритовых изделий чаще всего применяют клей типа БФ-4.

При механических нагрузках в феррито­вых изделиях создаются напряжения, которые могут изменить электромагнитные параметры.

Разомкнутые сердечники характеризуются значением эффективной магнитной проница­емости μ _эф. Для них тангенс угла магнит­ных потерь, температурная и временная не­стабильность уменьшаются приблизительно в μ_n / μ _эф раз, а постоянная гистерезиса в ( μ_n / μ _эф )² раз.

Исходя из условий эксплуатации и области применения ферритовых сердечников, магнитомягкие ферриты условно разделяют на одиннадцать групп.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой конгломерат мелкодисперсного ферро- или ферримагнетика, частицы которого отделены друг от друга в электрическом и магнитном отношениях и связаны между собой механически органическим или неорганическим диэлектриком.

 Качество магнитодиэлектриков как магнитных материалов принято оценивать значе­нием начальной магнитной проницаемости μ _Н , её температурным коэффициентом α_{μ н}, танген­сом угла магнитных потерь tgδ _м.

Значение магнитной проницаемости магнитодиэлектриков составляет (10–250), а предельная частота их использования – 100 МГц.

Основными достоинствами магнитоди­электриков являются высокая временная и температурная стабильность электромагнит­ных параметров, а для материалов с магнитомягкими наполнителями – также малые зна­чения коэффициентов частотных потерь ( d_f ), поскольку отсутствует электрический контакт частиц магнитного порошка и потери на гистерезис ( d_h ), обусловленные пологой петлей гистерезиса вследствие сильного внутреннего размагничивающего поля.

Электромагнитные свойства магнитоди­электриков сохраняются при механических нагрузках до полного их разрушения.

В настоящее время промышленностью вы­пускаются магнитодиэлектрики, в которых наполнителями являются: карбонильное желе­зо, альсифер, пермаллой, ферритовые по­рошки.

Магнитодиэлектрики в основном исполь­зуются в качестве сердечников катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов, радиочастотных контуров радиотехнической аппаратуры и аппаратуры проводной связи.

Изделия из магнитодиэлектриков на основе порошкообразного карбонильного же­леза предназначены для использования в радиоаппаратуре и аппаратуре проводной связи в диапазоне частот от десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц.

Порошки карбонильного железа полу­чают методом термического разложения пентакарбонила железа в среде аммиака при температурах от 230 до 330 °С. Частицы карбонильного железа имеют сферическую форму и представляют собой сложные образования, состоящие из элементарного железа и его соединений с углеродом, азотом и кислородом. Эти соединения составляют в сумме (1–3) % массы и формируют сложную слоистую структуру каждой частицы, что приводит к повышению удельного сопротивления по сравнению с чистым железом и, соответственно, к уменьшению потерь на вихревые токи. Сред­ний размер частиц карбонильного железа со­ставляет несколько микрометров. Высокодис­персные порошки характеризуются сильными внутренними напряжениями, что, наряду с достаточно высоким значением константы кристаллографической магнитной анизотро­пии железа, является причиной низкой маг­нитной проницаемости порошков карбонильного железа.

Поскольку в слабых полях намагничива­ние обусловлено в основном смещением доменных границ, наличие слоистой структуры в частицах затрудняет их смещение, что способствует малым потерям на гистерезис.

В сильных полях зависимость магнитной индукции магнитодиэлектриков из карбонильного железа от напряженности магнитного поля почти линейна, а петля гистерезиса имеет пологую форму и малую площадь.

Из порошков карбонильного железа ма­рок Р-10 и Пс изготовляют магнитодиэлектрики в виде пластин, предназначенных для использования в качестве радиопоглощающего материала в ферритовых прибо­рах СВЧ. Связующим диэлектриком является эпоксидная смола. Коэффициент линейного расширения материалов , а удельное сопротивление ρ ≤ 5∙10¹¹ Ом∙см.

Альсифер, являющийся тройным сплавом алюминия, кремния и железа, получают в виде литого материала с высокой твердостью и хрупкостью, что обусловливает его хорошую размольность.

Значения коэффициентов остаточных (до­полнительных) потерь и потерь на гистерезис минимальны при содержании кремния (9,4–10,2) % при 7,5 % алюминия, или алюми­ния (7,2–8,0) % при 10 % кремния. Поэтому для изготовления магнитодиэлектриков в ос­новном используются альсиферовые порошки двух марок: А-9,2 и А-10,2 (А – альсифер; цифры 9,2; 10,2 – среднее процентное содер­жание кремния). Путём смешения порошков, полученных из сплавов с отрицательным и положитель­ным ТКц, можно создавать магнитодиэлектрики со сниженными температурными коэффи­циентами начальной проницаемости.

Примеси в альсифере ухудшают его электромагнитные параметры. Особенно вред­ное влияние оказывает углерод. Для получе­ния сердечников с заданными параметрами допускается содержание углерода не более 0,03 % при общем содержании примесей до 0,3 %.

Для изготовления сердечников из порош­кообразного альсифера в качестве изолирую­щего состава применяют как органические материалы (бакелитовый лак, полистирол), так и неорганические (жидкое стекло, стеклоэмали). Часто применяют связку в виде меха­нической смеси жидкого стекла, талька и хромового ангидрида.

Прессуют сердечники при сравнительно высоких давлениях (1,37∙1,96)∙10³ МПа, после чего детали подвергают отжигу для снятия наклепа при температуре 780 °С в тече­ние 40 мин.

Для удаления жидкого стекла и остатков хромового ангидрида сердечники кипятят в воде, после чего подвергают сушке и пропитке бакелитовым лаком.           

В зависимости от требуемого значения магнитной проницаемости количество вводи­мой связки может изменяться от (4–8) % массы до 50 %. Меняется также размер частиц порошка, состав связки и давление прес­сования.

Пермаллои – железоникелевые сплавы с присадками некоторых элементов, обладают высокими значениями магнитной проницае­мости, малыми потерями на гистерезис и достаточно высоким удельным сопротивлением. Применение пермаллоя в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с начальной проницаемостью до 250. Для изготовления магнитодиэлектриков используется сплав марки 80Н2М, который имеет следую­щий состав: 81 % никеля, 2,6 % молибдена,16,4 % железа и до 0,02 % серы. Серу добав­ляют для придания сплаву необходимой хрупкости. Порошки, полученные после размола отливок, подвергают отжигу в вакууме при температуре 770 °С в течение трёх часов.

Технология изготовления магнитодиэлек­триков из порошкообразного пермаллоя заключается в изоляции порошка раствором хромового ангидрида (несколько десятых до­лей процента массы) – первый слой изоля­ции, и изолирующей смесью гидрата оксида магния, жидкого стекла и мелкодисперсного талька – второй слой изоляции. Для неко­торых марок в качестве второго изоляцион­ного слоя применяют смесь стеклоэмали, нит­рида бора и сернистого молибдена (до 12 % массы).

Прессуют сердечники при давлении ≤ 2∙10³ МПа, после чего проводят термо­обработку при температуре от 610 до 670 °С в течение одного часа для снятия внутренних напряже­ний. Термообработка приводит к увеличению μ_н и снижению ТК μ_н и потерь на гистерезис.

Применение порошков магнитомягких ферритов в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с электромагнитными параметрами, отличающимися повы­шенной стабильностью даже по сравнению с магнитодиэлектриками из металлических порошков. Высокое удельное сопротивление ферритовых порошков даёт возможность су­щественно увеличить частотный диапазон ра­боты сердечников. Упрощается технология процесса изоляции частиц порошка. Возмож­ность использования отходов ферритового производства удешевляет изготовление маг­нитодиэлектриков.

Магнитодиэлектрики из порошкообраз­ного магнитотвёрдого бариевого феррита предназначены для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации. В качестве диэлектрика используются сэвилен и поли­пропилен. Выпускается шесть марок магнито­диэлектриков: 1,6Б, 1,6Б1, 1,6Б2, 3,2Б, 5,6Б, 5,6Б1 (Б – бариевый порошкообразный фер­рит). Число обозначает произведение (ВН)_max, кДж/м³.

При изготовлении образцов из магнитодиэлектрика марки 5,6Б методом прессова­ния прикладывается магнитное поле напряжённостью не менее 720 кА/м в направлении прессования.

Связующим веществом является сополи­мер стирола.

Промышленностью выпускаются четыре марки магнитодиэлектриков из магнитомягких ферритовых порошков НМ-5, ВН-20, ВН-60, ВН-220. Буквы НМ обозначают низ­кочастотный на основе высокопроницаемого Мn – Zn феррита, ВН – высокочастотный на основе Ni – Zn-феррита, число обозначает предельную рабочую частоту в мегагерцах. Из магнитодиэлектриков перечисленных марок изготовляют чашечные и подстроенные сердечники.