Магнитные материалы

Категория:
Пластмассы


Магнитные материалы

По значению магнитной проницаемости материалы разделяются на пара-, диа- и ферромагнитные. При магнитной проницаемости, близкой к единице, материалы относятся к первым двум группам. Ферромагнитные материалы имеют магнитную проницаемость, равную десяткам и сотням тысяч единиц (гаусс/эрстед).

В электротехнике и радиотехнике особенно широко используются ферромагнитные материалы. Они хорошо намагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях и сохраняют намагниченность при удалении внешнего поля. К числу ферромагнетиков относятся такие металлы, как железо, кобальт, никель, некоторые их сплавы и окислы.

Сущность ферромагнетизма сводится к следующему. Атомы ферромагнитных элементов имеют недостроенные внутренние электронные слои, а соотношение диаметров атома и незаполненного слоя у них больше 1,5. При таких условиях в кристалле ферромагнитного тела существуют области, называемые доменами, в которых спины электронов располагаются параллельно, обеспечивая самопроизвольную намагниченность этих областей. Векторы намагниченности соседних доменов различны, вследствие чего средняя намагниченность ферромагнитного тела равна нулю.

При внесении ферромагнетика в магнитное поле в нем постепенно происходят изменения (рис. 1), приводящие к состоянию, когда все домены имеют одинаковое направление спинов электронов, совпадающее с направлением внешнего магнитного поля, обозначенного стрелкой Н вверху слева рис. 2. Процесс намагничивания может быть проиллюстрирован хорошо известной из электротехники кривой намагничивания и петлей гистерезиса, представленными на рис. 2, где кривая 1 является начальной кривой намагничивания, а кривая 2 показывает изменение магнитной индукции при последующем размагничивании и намагничивании в зависимости от напряженности поля.

Рис. 1. Изменение положения доменов при намагничивании: а и б — при увеличении магнитного поля; в — материал намагничен до насыщения

Рис. 2. Петля гистерезиса (2) с первичной кривой намагничивания (1) и графиком магнитной проницаемости (3)

По кривой намагничивания и петле гистерезиса определяются такие основные магнитные характеристики, как магнитная проницаемость, остаточная индукция и коэрцитивная сила.

Перечисленные магнитные свойства характеризуют поведение магнитных материалов в постоянных или медленно изменяющихся магнитных полях. При работе в переменных полях, при перемагничивании ферромагнетиков наблюдаются потери энергии на гистерезис и на вихревые токи.

Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания могут быть определены по площади петли гистерезиса (рис. 2).

Потери на вихревые токи численно пропорциональны квадрату частоты тока и обратно пропорциональны электрическому сопротивлению магнитного материала.

Необходимо отметить еще одну особенность поведения ферромагнетиков — явление магнитострикции, заключающееся в изменении линейных размеров ферромагнитных материалов при намагничивании и размагничивании их, происходящем за счет изменения характера движения электронов и энергии их взаимодействия.

Коэрцитивная сила, магнитная проницаемость и остаточная индукция ферромагнетиков зависят от химического состава, от фазового и структурного состояния, например, от дисперсности фаз, формы и размеров зерен, ориентировки и взаимного расположения их, от искажений кристаллической решетки. Не случайно магнитные сплавы часто называют прецизионными, точными. Высокие магнитные характеристики их достигаются не столько определенным легированием, сколько правильным и, главным образом, точно выполненным режимом обработки.

По характеру кривой гистерезиса магнитные материалы делятся на две группы: магнито-твердые и магнито-мягкие.

Рис. 3. Кривые гистерезиса магнито-твер-дого (а) и магиито-мягкого (б) материалов

Магнито-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса (рис. 3,а). Высокие значения коэрцитивной силы и остаточной индукции этих материалов, а также неизменность указанных свойств во времени необходимы при создании постоянных магнитов.

Магнито-твердые материалы получаются путем легирования ферромагнитных металлов, при котором образуются избыточные вторые фазы. Получаемые сплавы подвергаются термической обработке, сообщающей материалу мелкозернистое строение осно вы, высокую дисперсность второй фазы и напряженность кри сталлической решетки. При этом полезно заметить, что обработ ка, вызывающая повышение магнитной твердости материала, со общает ему высокую механическую твердость.

В качестве материалов для постоянных магнитов исполь зуются углеродистые и легированные стали, а также сплавы ти па алнико, магнико и другие.

Углеродистые стали марок У10 и У12, закаленные на мартенсит, имеют высокую коэрцитивную силу (до 55 э), обусловленную искажениями решетки и остаточными напряжениями, возникающими в результате процесса превращения высокоуглероди-стого аустенита в мартенсит. Однако применение этих сталей для магнитов ограничено ввиду малой прокаливаемости их и невысокой стабильности мартенситной структуры в процессе нагрева.

Хромистые стали, содержащие 1—3% Сг, имеют тот же уровень магнитных характеристик, что и стали У10 и У12, но большая прокаливаемость их дает возможность изготавливать магниты больших размеров.

Кобальтовые стали ЕХ5К5, ЕХ9К15М, содержащие кроме хрома еще и кобальт, имеют высокие магнитные свойства, но дефицитность кобальта ограничивает применение этих материалов.

С целью обеспечения гетерогенного мелкодисперсного строения и напряженности, а следовательно, и высокой магнитной твердости хромистые и кобальтовые стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, закалки, обработки холодом и отпуска. При этом первый нагрев (1000— 1250 °С) обеспечивает растворение карбидов в аустените, закалка с температур 830—1050° придает сплаву мелкоигольчатую мартенситную структуру с некоторым количеством остаточного аустенита, обработка холодом вызывает превращение аустенита в мартенсит и придает стали однородную ферромагнитную мартенситную структуру с высокими характеристиками магнитных свойств. Отпуск при 100° повышает стабильность структуры, однако коэрцитивная сила при этом несколько снижается за счет частичного снятия искажений пространственной решетки.

Термическая обработка его состоит в нагреве до 1300° и охлаждении в межполюсном пространстве сильного электромагнита до 500°, дальнейшее охлаждение ведется обычным порядком на воздухе. После такой обработки материал обладает анизотропией магнитных свойств: в направлении действия внешнего поля они оказываются более высокими. Это объясняется тем, что при переходе из парамагнитного в ферромагнитное состояние в процессе закалки в магнитном поле происходит поворот микрообъемов спонтанного намагничивания в одном направлении, совпадающем с силовыми линиями поля.

Магиито-мягкие материалы в отличие от магнито-твердых характеризуются в первую очередь низкой коэрцитивной силой, а также высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями при перемагничивании. Такие материалы применяются в качестве магнитопроводов, электромагнитных сердечников, трансформаторов, реле и т. д. Магнито-мягкий материал, отличающийся низкой коэрцитивной силой, должен иметь не искаженную как у магнито-твердых, а равновесную крупнозернистую структуру. Этому требованию удовлетворяют прежде всего технически чистые металлы, в частности железо, а также малоуглеродистые и легированные стали и сплавы на основе никеля и кобальта.

Техническое железо, используемое в качестве магнито-мяг-кого материала, может быть разным по содержанию примесей. Так, например, суммарное количество примесей С, Мп, Si, S, Р и Си в железе марки А составляет около 0,3%, а в железе Э — около 0,65%. Указанные примеси оказывают влияние на магнитные свойства железа; увеличение количества их вызывает снижение магнитной проницаемости и повышение коэрцитивной силы. Магнитные свойства зависят также и от структурного состояния железа. При наклепе магнитные свойства резко ухудшаются, а при укрупнении зерна улучшаются. С целью снятия наклепа и укрупнения зерна, а следовательно, уменьшения коэрцитивной силы и увеличения магнитной проницаемости железо подвергают отжигу при высокой температуре. Железо как магнито-мягкий материал используется в качестве сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока. Наряду с хорошими магнитными свойствами железо имеет существенный недостаток, оно обладает высокими потерями мощности на вихревые токи вследствие малого электросопротивления.

Малоуглеродистые стали марок 10, 20 также могут быть использованы в качестве магнито-мягких материалов.

Электротехническая сталь представляет собой сплав железа с 0,5—4,5% Si. Кремний образует с железом твердый раствор, вследствие чего удельное электросопротивление получаемой стали (около 50 ом • см) значительно выше, чем железа (10 ом • см). Таким образом потери на вихревые токи в электротехнической стали по сравнению с железом существенно снижаются. Однако следует учитывать, что благодаря искажению решетки железо-кремнистый твердый раствор имеет более высокую коэрцитивную силу, чем железо. Поэтому электротехническую сталь подвергают высокому нагреву для выращивания зерна, что способствует снижению коэрцитивной силы. Эта сталь поставляется в виде тонких листов и используется для изготовления сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин переменного и постоянного тока.

Железоникелевые сплавы (пермаллои) характеризуются структурой твердого раствора. Они имеют высокое значение начальной магнитной проницаемости, что важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Обычный пермаллой содержит 78,5% Ni и 21,5% Fe. Этот сплав необыкновенно чувствителен к наклепу, повышающему коэрцитивную силу его в десятки раз, и к скорости охлаждения в процессе термической обработки.

Кроме двойных железоникелевых сплавов применяют и более сложные, легированные молибденом, хромом и медью, повышающими электросопротивление и позволяющими применять сплавы при повышенных и высоких частотах тока. Кроме того, молибден снижает чувствительность к наклепу, а медь повышает стабильность свойств.

Альсифер представляет собой сплав состава 5,4% А1, 9,6% Si и 85% Fe. Он обладает высокой магнитной проницаемостью и вполне может заменить Дорогостоящий сплав пермаллой. Недостаток его — высокая хрупкость, вследствие чего изготовление листов из него не производится, сплав используется в виде порошка.

Электротехнические стали имеют маркировку Э11, Э12, Э21 и т. д., где Э — электротехническая, первая цифра — среднее значение кремния в процентах, вторая цифра — магнитные свойства (чем больше цифра, тем выше свойства), нуль после цифр— холоднокатанная текстурованная сталь, два нуля — холоднока-танная малотекстурованная сталь. Например, марка Э12 — электротехническая, горячекатанная сталь, с 1% Si; марка Э1200 — такая же сталь, но холоднокатанная малотекстурованная.

Пермендюр состоит из 50% Со, 1,8% V, остальное железо; имеет высокую индукцию насыщения; применяется для деталей, осуществляющих концентрацию магнитного потока в телефонах, микрофонах, осциллографах.

Для концентрации магнитного потока применяются также ферриты, являющиеся ферромагнитными полупроводниками с электронной проводимостью и представляющие собой поликристаллические вещества, состоящие из окислов металлов, например, магнитный феррит NiO • Fe203 состоит из окислов никеля и железа.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум