3. Магнитномягкие сплавы

В отличие от магнитнотвердых материалов — сплавов для постоянных магнитов, где требуется высокая коэрцитивная сила, большую группу магнитных сплавов представляют так называемые магнитномягкие сплавы, которые в первую очередь должны иметь низкую коэрцитивную силу.

Если высокая магнитная твердость достигалась получением неравновесной, высокодисперсной структуры, то для получения магнитной мягкости необходимо максимальное приближение к равновесному состоянию, а также необходимо получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков.

Кроме низкой коэрцитивной силы, магнитномягкие материалы должны иметь еще и 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. В отдельных ограниченных случаях применяют сплавы не только на основе железа, но и других металлов — никеля и кобальта.

Рассмотрим отдельные виды магнитномягких материалов.

Техническое железо — практически почти 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 (табл. 96, 97).

Таблица 96. (см. скан) Химический состав технического железа, % (не более)

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 ( см. рис. 280).

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 а-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 кремния (содержание кремния в пределах:

Таблица 97. Магнитные свойства технического железа

2,8-3,8%, 3,8-4,8 % обозначается соответственно цифрами: I, 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 означает электротехническую горячекатаную сталь с и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка — такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.

Из изложенного следует, что лишь сплавы и являются ферритными. Магнитные характеристики у них получаются выше, но они более хрупки.

Кристаллы -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 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 затем прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину мм. Перед холодной прокаткой проводят отжиг при При этом содержание углерода уменьшается до . Заключительный отжиг проводят для снятия наклепа и укрупнения зерна при в атмосфере водорода. Если предшествовавшая холодная деформация была значительной то получается текстурованная структура (степень текстурованности порядка 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. Текстурованная электротехническая сталь называется трансформаторной сталью, а не текстурованная — динамной.

Следует 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 охлаждением.

В заключение в табл. 98 приведены данные о свойствах электротехнических листовых сталей

Железоникелевые сплавы (пермаллои) — в определенных, узких пределах содержания никеля (около имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость (рис. 385), тогда как у обычного технического железа она приблизительно в десять раз меньше, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Свойства пермаллоя классического состава 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

Таблица 98. (см. скан) Электромагнитные свойства листовой электротехнической стали

магнитная обработка наиболее заметно улучшает свойства сплава с которого точка Кюри имеет наиболее высокую температуру, повышая начальную магнитную проницаемость до

Применяются также сплавы с (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 (таково влияние молибдена), повышают стабильность свойств (влияние меди).

Рис. 385. Начальная магнитная проницаемость сплавов

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, указаны в табл. 99.

Первые две цифры в обозначении марки показывают содержание никеля в процентах; буква, следующая после буквы Н — дополнительное легирование (X — 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).

Прочие магнитиомягкие сплавы

Алсифер. В системе сплав, содержащий обладает высокой магнитной проницаемостью Его можно применять для тех же назначений, что и значительно

Таблица 99. (см. скан) Магнитные свойства сплавов типа гайперник и пермаллой

более дорогой высоконикелевый сплав пермаллой. Однако сплав альсифер хрупок и из него нельзя изготавливать листы, поэтому его применяют в виде порошков (для изготовления магнитодиэлектриков.

Перминвар. Это сплавы с постоянной магнитной проницаемостью, изменение поля от 0 до не изменяет у этих сплавов магнитной проницаемости, что иногда существенно. В качестве примера укажем на некоторые сплавы: , остальное железо или , остальное железо или , остальное железо Начальная магнитная проницаемость этих сплавов 365, 850 и а максимальная и (см. табл. 98).

Пермендюр — сплав , остальное железо) с высокой индукцией насыщения. Применяют для изготовления приборов при необходимости сконцентрировать в небольшом пространстве мощный поток силовых линий. Железо имеет магнитное насыщение а сплав пермендюр

Термаллой — сплав, индукция которого весьма резко изменяется в интервале температур от —60 до +50 °С. Применяют для автоматической корректировки погрешностей магнитоэлектрических приборов. Такое сильное изменение магнитных свойств обусловлено тем, что точка Кюри сплава находится вблизи (немного выше) указанного интервала. Практическое применение получили сплавы с остальное железо (термаллой) с , остальное железо (кальмаллой).

Поскольку индукция насыщения и точка Кюри — структурно нечувствительные свойства, важнейшие рабочие свойства сплавов пермендюр и термаллой не зависят от обработки и определяются составом сплава.