Низкочастотные магнитно-мягкие материалы

Низкочастотные магнитно-мягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью (начальной и максимальной

Материалы с высокой индукцией насыщения. К ним прежде всего относятся железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции малой коэрцитивной силе достаточно высокой магнитной проницаемости (цпшх и хорошей технологичности - их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от до

Магнитные свойства железа приведены в табл. 15.1. Наибольшее количество примесей содержит технически чистое железо. При содержании и остальных примесей в количестве 0,6% железо обладает

ТАБЛИЦА 15.1. Магнитные свойства железа

достаточно хорошими магнитными свойствами и цтах . В процессе изготовления проката в железе возникают внутренние напряжения, а в решетке - большое количество дислокаций. Это ухудшает магнитные свойства. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения. В табл. 15.1 приведены свойства отожженного технически чистого железа.

Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электролизом. Такое железо, особенно переплавленное в вакууме, имеет более высокую магнитную проницаемость, которая почти на порядок выше, чем в технически чистом железе. В той же степени снижается

Наиболее чистое от углерода и примесей карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме карбонила, с последующим спеканием порошка железа.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает, стали различного сортамента, в том числе тонкий лист (табл. 15.2).

Первая цифра в марке указывает способ изготовления: горячекатаная сталь (1), холоднокатаная изотропная (2). Вторая цифра О указывает на низкое содержание кремния Третья цифра определяет основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, а именно: цифра 8 обозначает коэрцитивную силу а ее значение показывают две последние цифры.

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Электрическое сопротивление стали можно повысить легированием кремнием, который не дефицитен. Растворяясь в железе, кремний образует легированный твердый раствор. Один процент кремния повышает удельное сопротивление на но снижает на При отжиге кремний способствует росту кристаллов и тем самым несколько уменьшает

Снижение общих потерь при перемагничивании кремнистой стали определяется главным образом увеличением удельного электрического

ТАБЛИЦА 15.2. Магнитные свойства нелегированной электротехнической тонколистовой стали (ГОСТ 3836 - 83)

сопротивления стали. Электрическое сопротивление продолжает повышаться с дальнейшим увеличением содержания кремния в стали, но при этом сильно падают пластические свойства. Стали с содержанием кремния выше 4% хрупки, плохо прокатываются, что затрудняет получение тонколистового проката. Для уменьшения тепловых потерь сердечники из кремнистой стали используют в виде тонких ( мм) листов с прослойкой изоляции (полимеры, оксиды).

Магнитные свойства легированной электротехнической стали приведены в табл. 15.3.

Первая цифра в марке определяет вид проката и структуру, горячекатаная изотропная (1), холоднокатаная изотропная (2), холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления [100] (3). Вторая цифра в марке указывает содержание -содержание Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении Например, -удельные потери при Гц Четвертая цифра - код числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем меньше удельные потери

Из приведенных в таблице данных видно влияние технологии изготовления сталей 1411, 2411, 3411 на их магнитные свойства. При одинаковой толщине наибольшие удельные потери имеет горячекатаная изотропная сталь Вт/кг; холоднокатаная изотропная и анизотропная имеют потери соответственно 3,6 и

Влияние содержания кремния на удельные потери можно оценить сопоставлением свойств сталей 2011, 2111, 2211, 2311, 2411. Значение с увеличением содержания кремния уменьшается от 10 до Влияние толщины листа на величину потерь хорошо видно из сравнения свойств сталей 3411 и 3416. С уменьшением толщины листа уменьшаются удельные потери.

Значение индукции в функции рассмотренных параметров меняется менее сильно, чем величина потерь. С увеличением содержания кремния (стали 2011 — 2411) значение В при изменяется в пределах от 1,6 до а при в пределах от 2,02 до

После технологических операций, необходимых для изготовления деталей магнитопровода (резка, штамповка и др.), магнитные свойства сталей ухудшаются, т. е. увеличивается коэрцитивная сила, а следовательно, и потери на гистерезис. Для восстановления магнитных свойств применяют отжиг при температуре ниже температур фазового превращения (880-900° С) в среде, предохраняющей от окисления и науглероживания. Если отжиг ведут в водороде, то это очищает сталь от вредных примесей, и магнитные свойства улучшаются.

При использовании текстурованной анизотропной стали в силовых трансформаторах при совпадении направления

ТАБЛИЦА 15.3. Магнитные свойства легированной электротехнической тонколистовой стали (ГОСТ 21427-75)

Рис. 15.9. Влияние состава на магнитные характеристики железоникелевых сплавов

проката с осевой линией сердечника трансформатора потери минимальны.

Легированные электротехнические стали применяют в электротехнических изделиях, рассчитанных на работу при частотах до Гц. Стали с более низким содержанием кремния 2011, 2211 используют для сердечников, работающих при частотах до 100 Гц и напряженности поля Стали с повышенным содержанием кремния (2311-2411 и 1311-1411) используют при частотах до 400 Гц, но в более слабых полях

Наибольшее значение для ферромагнетиков имеют высоколегированные кобальтовые сплавы Например, сплав содержащий 50 % Со и 2% V, обладает индукцией насыщения в магнитном поле напряженностью Железо в таком поле имеет Дефицитность кобальта ограничивает применение таких сплавов.

Более высокими значениями индукции насыщения обладают ферромагнетики, имеющие высокое значение атомного магнитного момента (редкоземельные металлы).

Материалы с высокой магнитной проницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы (пермаллой) и (альсифер).

Сплавы пермаллои с содержанием характеризуются большой магнитной проницаемостью что обеспечивает их намагничивание в слабых полях (рис. 15.9). Повышенное удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистыми металлами позволяет использовать их в радиотехнике и телефонии при частотах до Малая уменьшает потери на гистерезис при перемагничивании. По значению индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля уступают железу и стали. В зависимости от состава изменяется в пределах Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полуфабрикатов: тонких листов, лент и проволоки, используемых при изготовлении сердечников.

Магнитные свойства пермаллоев меняются под воздействием даже слабых напряжений. При сжимающих напряжениях всего магнитная проницаемость уменьшается в 5 раз, а коэрцитивная сила возрастает в 2 раза. Поэтому окончательно изготовленные детали надо подвергать термической обработке и в процессе сборки необходимо избегать ударов, сильной затяжки или сдавливания обмоткой.

Магнитные свойства железоникелевых сплавов зависят от скорости охлаждения. Нейтронно-графическим анализом доказано, что у сплава, содержащего 75% Ni, при медленном охлаждении

ТАБЛИЦА 15.4. Магнитные свойства холоднокатаных лент толщиной 0,1 мм из пермаллоев (сплавы Fe-Ni) (ГОСТ 10160 - 75)

при температурах ниже 600 °С происходит перестройка в расположении атомов в твердом растворе - неупорядоченный твердый раствор переходит в упорядоченный. Последний обладает меньшей магнитной проницаемостью.

Термическая обработка пермаллоев проводится для удаления примесей, остаточных напряжений и укрупнения зерна. Она заключается в медленном нагреве их до температуры в среде, защищающей материал от окисления (вакууме, водороде); выдержке при этой температуре 3-6 ч в зависимости от размера и массы; медленном охлаждении до 600 °С (100°С/ч) и дальнейшем быстром охлаждении (400°С/ч), при котором не происходит упорядочения твердого раствора.

Все пермаллойные сплавы по составу можно разделить на две группы: низконикелевые с содержанием имеющие высокую магнитную проницаемость при относительно высокой индукции насыщения и высоконикелевые с содержанием с чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью но меньшей индукцией насыщения

Для улучшения электромагнитных и технологических свойств эти сплавы часто дополнительно легируют. Так, молибден и хром уменьшают чувствительность к остаточным напряжениям, одновременно повышая удельное электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь стабилизирует свойства, улучшает механическую обрабатываемость, повышает удельное электрическое сопротивление. Кремний и марганец увеличивают удельное электрическое сопротивление. Все легируюшие элементы увеличивают магнитную проницаемость .

Сплавы подразделяют по уровню основных свойств на девять групп.

Магнитные свойства некоторых пермаллоев трех характерных групп приведены в табл. 15.4. В каждой группе их подразделяют на классы. С ростом класса, как это видно из табл. 15.4, заметно растет магнитная проницаемость, снижается II,. Значение меняется мало.

В группу сплавов с наивысшей проницаемостью в слабых магнитных полях входят высоконикелевые легированные пермаллои (см. табл. 15.4). Обозначение легирующих элементов в них аналогично легированным сталям. Значения магнитных проницаемостей составляют Птах По сравнению с электротехническими сталями у них занижены значения Эти пермаллои используют для работы в слабых полях до частот . С ростом частоты в интервале от 400 Гц до для снижения тепловых потерь уменьшают толщину проката. При этом, так же как и в сталях, уменьшается магнитная проницаемость и растет что ведет к росту потерь на перемагничивание (рис. 15.10).

В группу сплавов с высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией входят низконикелевые нелегированные пермаллои 45 Н и Значение при

Рис. 15.10. Влияние толщины проката на магнитные свойства пермаллоя

Значение несколько ниже, чем у лег ированных высоконикелевых сплавов, а - наоборот, выше. В связи с пониженным электрическим сопротивлением их используют при более низких частотах, нежели легированные высоконикелевые пермаллои.

Представителем группы сплавов с высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением является пермаллой Легирование хромом и кремнием увеличивает сплава почти вдвое. Это позволяет использовать его в тех же изделиях, что и нелегированные пермаллои, но при несколько более высоких частотах.

Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (табл. 15.5), которые широко используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Отличительная особенность таких материалов - большая остаточная индукция близкая к

Коэффициент прямоугольности сплавов данной группы достигает 0,85 — 0,90 в поле напряженностью

Существуют два способа получения материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Как отмечалось выше, кристаллографическая текстура достигается посредством холодной пластической деформации при прокатке с большими степенями обжатия (см. гл. 4), магнитная текстура — путем охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка). Векторы намагниченности при такой закалке ориентируются вдоль поля. При последующем намагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует.

Кристаллографическую текстуру можно создать в любом материале, способном пластически деформироваться. Магнитная текстура возможна только у некоторых сплавов, так как у чистых металлов она не наблюдается. Несмотря на большие практические достижения в области термомагнитной обработки, сущность этого явления недостаточно ясна.

Преимущество метода термомагнитной обработки состоит в том, что прямоугольную петлю гистерезиса можно получить у ленты любой толщины и в любом направлении, а не только в направлении прокатки.

У сплава прямоугольность петли достигается прокаткой, а у сплавов и -путем обработки в магнитном поле (рис. 15.11). Сердечники, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах а при толщине 1,5 мкм - до 1 МГц. Такие ленты в основном изготовляют из сплава 79НМП.

ТАБЛИЦА 15.5. Магнитные свойства сплавов с прямоугольной петлей гистерезиса (холоднокатаная лента)

Рис. 15.11. Петля гистерезиса сплава до (7) и после (2) обработки в магнитном поле

Коэффициент прямоугольности этого сплава при таких толщинах составляет Из-за дороговизны тонких ленточных сердечников и невозможности прокаткой получить ленты толщиной менее 0,5 мкм разработаны методы получения тончайших пленок ( см) путем напыления таких сплавов в вакууме на подложку немагнитного металла.

Альсиферы - сплавы системы не содержат дорогих или дефицитных легирующих элементов. Сплав оптимального состава имеет следующие свойства: Сплав имеет нулевые значения К и и низкие потери на гистерезис. Практическому применению таких сплавов препятствуют высокие твердость и хрупкость, что делает их абсолютно недеформируемыми. Альсиферы обладают хорошими литейными свойствами, поэтому их применяют для изготовления фасонных тонкостенных отливок. Эти сплавы используют также для получения тонких порошков при изготовлении магнитодиэлектриков.