Какие металлы являются ферромагнетиками?

2 Что называется коэрцитивной силой?

3 Чем обусловлено название магнитнотвердые материалы?

4 В чем заключаются принципы формирования магнитнотвердых материалов?

5 Какие существуют основные группы магнитнотвердых материалов?

Лекция 14. Магнитномягкие сплавы. Принципы формирования магнитномягких материалов (МММ). Железоникелевые сплавы (пермаллои).

Высокая магнитная твердость достигается получением неравновесной, высоко-дисперсной структуры, для получения магнитной мягкости необходимо состояние материала максимально приблизить к равновесному, получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков. Кроме низкой коэрцитивной силы, МММ должны иметь высокую магнитную проницаемость в слабых, средних или сильных полях, низкие потери на перемаг­ничивание и т. д.

Естественно, что наиболее подходящим магнитномягким ма­териалом являются чистые металлы, в первую очередь чистое (технически чистое) железо, а также сплавы на основе железа, никеля и кобальта.

Техническое железо– практически чистое же­лезо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вред­ными и поэтому их содержание строго ограничивается. Промышленность изготав­ливает две марки технического железа (по химическому соста­ву), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (таблицы 14.1, 14.2).

Таблица 14.1 - Химический состав технического железа, % (не более)

Таблица 14.2 - Магнитные свойства технического железа

Магнитные свойства желе­за (кроме его чистоты) зави­сят еще от структурного со­стояния. Наклеп резко ухуд­шает магнитные свойства, укрупнение зерна – улучшает. В обычных промышленных сор­тах железа коэрцитивная сила получается порядка 1 Э или не­много ниже, тогда как мини­мальное значение коэрцитивной силы 0,01 Э получено на очень крупнозернистом чистом же­лезе. Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высокой температуре. Техниче­ски чистое железо применяют для изготовления сердечников, реле и электромагнитов посто­янного тока, магнитных экра­нов, полюсов электрических ма­шин и других деталей.

Электротехническая сталь представляет собой ферритный сплав железа с кремнием (3 % Si) при строго ограниченном содержании других при­месей. Железокремнистый твердый. раствор вследствие иска­жений в решетке, вызванных наличием в ней инородных атомов кремния, имеет более высокую коэрцитивную силу, чем чистое железо, однако в этом сплаве при нагреве можно получить круп­ное зерно, которое при охлаждении не измельчается, так как нет γ→α-превращения, и это на практике приводит к тому, что зна­чение коэрцитивной силы получается в таком материале не больше, чем в обычном железе. Более высокое электросопротивление легированного кремнием феррита уменьшает потери на токи Фуко. Электротехническую сталь изготавливают в виде тонких ли­стов, которые используют для изготовления сердечников транс­форматоров, магнитопроводов электрических машин и аппара­тов переменного и постоянного тока.

Листовая электротехническая сталь подразделяется по сортаменту (глав­ным образом по толщине), способу производства (холоднокатаный и горяче­катаный лист), степени анизотропии, а также основным магнитным характе­ристикам (магнитная индукция и удельные потери) и степени легирования кремнием.

Для листовых электротехнических сталей принята иная система марки­ровки, чем для обычных сталей. Эти стали маркируют следующим образом: после первой буквы Э следуют две или больше цифр. Первая цифра за буквой Э показывает содержание кремния¹ (содержание кремния в пределах; 0,8–1,8 %, 1,8–2,8 %, 2,8–3,8 %, 3,8–4,8 % обозначается соответственно цифрами: 1, 2, 3, 4). Вторая цифра характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше эти свойства). После первых двух цифр иногда ставят один или два нуля. Один нуль показывает, что сталь холодно­катаная текстурованная (смотри ниже), два нуля – холоднокатаная малотек­стурованная. Таким образом марка Э12 означает электротехническую горячекатаную сталь с 1 % Si и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка Э1200 – такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.

Из изложенного следует, что лишь сплавы Э3 и Э4 являются ферритными. Магнитные характеристики у них получаются выше, но они более хрупки. Сплавы группы Э3 и Э4 называются трансформаторным железом, а Э1 и Э2 – динамной сталью. В соответствии с этим трансформаторное железо (основное применение – сердечники трансформаторов), обладающее более вы­сокими магнитными свойствами, имеет более низкие механические свойства, чем динамная сталь (главное применение – детали динамомашин). Кристаллы α-железа отличаются резко выраженной анизотропией магнит­ных свойств. Ребро куба является осью наиболее легкого намагничивания, по­этому получение текстуры ребра куба повысило бы магнитную проницаемость в одном направлении, но уменьшило бы ее в другом (перпендикулярном к первому) направлении.

Итак, высокие магнитные свойства могут быть получены на. сплавах Fe–Si высокой чистоты (особенно по углероду), при крупном зерне и тексту­рованной структуре. Технология производства должна обеспечить получение такого состояния. Современная технология производства высших сортов электротехнической стали заключается в следующем:

- выплавка стали с заданным содержанием кремния и минимальным углерода (практически содержание углерода полу­чается около 0,05 %);

- прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину0,5–0,35 мм.

Перед холодной прокаткой проводят отжиг при 800 °С. При этом содержание углерода уменьшается до < 0,02 % С. Заключительный отжиг проводят для снятия наклепа и укрупнения зерна при 1100–1200 °С в атмосфере водорода. Если предшествовавшая холодная деформация была значи­тельной (45–60 %), то получается текстурованная структура (степень тек­стурованности порядка 90 %); если деформация была меньше 7–10 %, то получается так называемая малотекстурованная структура. Наконец, если про­катку проводить только в горячем состоянии, то текстуры не будет, магнит­ные свойства вдоль и поперек прокатки становятся одинаковыми.

Следует еще добавить, что удельные потери на перемагничивание тем меньше, чем тоньше лист, поэтому электротехническую сталь изготавливают только в виде тонких листов толщиной 0,35 и 0,50 мм. Если в процессе изготовления деталей трансформатора сталь была под­вергнута даже незначительной пластической деформации (например, рубке листов, загибу), то магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств рекомендуется проводить отжиг для снятия напряжений (устранения искажений в решетке) при 750–800 °С с медленным < 50 °С/ч) охлаждением.

В заключение в таблице 14.3 приведены данные о свойствах электротехнических листовых сталей (ГОСТ 214273-75).

Таблица 14.3 - Электромагнитные свойства листовой электротехнической стали

Железоникелевые сплавы (пермаллои) – в определенных, узких пределах содержания никеля (около 78,5 %) имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость, достигающую 10000 Гс/Э¹ (рисунок 14.1), тогда как у обычного технического железа она при­близительно в десять раз меньше, что очень важно для прибо­ров, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Рисунок 14.1 – Начальная магнитная проницаемость сплавов Fe–Ni

Свойства пермаллоя классического состава (78,5 % Ni) существенно зависят от термической обработки. Наиболее высокую начальную магнит­ную проницаемость сплав получает при высоко­температурном нагреве в атмосфере водорода (для укрупнения зерна, удаления примеси углеро­да и устранения остаточных напряжений). Охлаж­дение в магнитном поле повышает магнитные ха­рактеристики. Эффективность магнитной обработ­ки тем больше, чем выше лежит точка Кюри сплава. Поэтому магнитная обработка наиболее заметно улучшает свойства сплава с 77 % Ni, у которого точка Кюри имеет самую высокую температуру, повышая начальную магнитную про­ницаемость до 20000 Гс/Э.

Применяются также сплавы с 45–50 % Ni (гайперники). Без сложной обработки они превосходят пермаллои в магнитных свойствах, но уступают им, если такую сложную обработку провести. Кроме двойных железоникелевых спла­вов, применяют и более сложные по составу с дополнительным легированием кремнием, молиб­деном, марганцем, медью. Эти элементы повыша­ют электросопротивление, что позволяет приме­нять их на повышенных и высоких частотах, уменьшают чувствительность к наклепу (влияние молибдена), повы­шают стабильность свойств (влияние меди).

Состав пермаллоев техническими условиями точно не оговаривается, мар­ка указывает лишь примерный состав сплава, но магнитная характеристика должна быть обеспечена. Некоторые пермаллойные сплавы и их наиболее важные магнитные характеристики, зависящие от толщины листа и гаранти­руемые техническими условиями (ЧМТУ 5010-55), указаны в таблице 14.4.

Таблица 14.4 - Магнитные свойства сплавов типа гайперник и пермаллой

Первые две цифры в обозначении марки показывают содержание никеля в процентах; буква, следующая после буквы Н – дополнительное легирование (Х – хромом, С – кремнием, М – молибденом). В зависимости от фак­тических магнитных свойств сплав может быть высшего качества (с буквой А) или обычного качества (без буквы А).