Общие сведения о ферромагнетиках

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО

(НИЗКОУГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ)

 

Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.

Технически чистое железо содержит не более 0,1% углерода, серы, марганца и других примесей и обладает сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает его применение. Используется оно в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков и приготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и способа обработки. В зависимости от способа получения чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо получают в процессе электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях.

Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное железо получают в виде порошка, и его удобно использовать для изготовления сердечников, работающих на повышенных частотах.

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

Нелегированные электротехнические стали марок 10895, 20864 и т.п. 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.

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (r£0,1 мкОм^.м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Кремнистая электротехническая сталь содержит менее 0,05 % углерода, от 0,7 до 4,8 % кремния и относится к магнитомягким материалам широкого применения. Легирование стали кремнием приводит к существенному повышению удельного электрического сопротивления, которое растет линейно от 0,1 мкОм·м при нулевом содержании кремния до 0,60 мкОм·м при содержании кремния 5,0 %, к увеличению m_нач и m_max, уменьшению Н_c, снижению потерь на гистерезис. Сталь с содержанием кремния 6,8 % обладает наивысшей магнитной проницаемостью, но в промышленности сталь применяют с содержанием кремния не выше 5,1 %. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства стали и при высоком его содержании сталь становится непригодной для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, а также в результате отжига в среде водорода при температуре 900...1000 °С, снимающего механические напряжения и способствующего укрупнению кристаллических зерен. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (о такой стали говорят, что она обладает ребровой текстурой). Магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.

Удельное электрическое сопротивление стали зависит от концентрации кремния.

Электротехническая сталь выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. Для уменьшения потерь на вихревые токи на листы стали может быть нанесен электроизоляционный лак.

Качество электротехнической стали можно повысить, уменьшая количество примесей в ее составе, применением разработки оптимальной технологии производства стали с ребровой структурой и получением стали с повышенным содержанием кремния (до 6,3%).

 

ПЕРМАЛЛОИ

 

Пермаллои относятся к магнитомягким материалам, обладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях, и представляют собой железоникелевые сплавы. Такие сплавы характеризуются тем, что значения магнитной анизотропии и магнитострикции равны нулю; это является одной из причин особенно легкого намагничивания пермаллоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72... 80% никеля) и низконикелевые (40... 50% никеля).

Сплавы, легированные молибденом, хромом, медью, марганцем, кремнием, а также другими элементами используются шире. Классический пермаллой с концентрацией никеля 78,5 % имеет наибольшие значения m_нач и m_max. Высокие магнитные свойства классического пермаллоя получаются в результате высокотемпературного отжига при температуре 1300 °С в чистом сухом водороде и при длительном температурном отпуске при температуре 400...500 °С.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей в сплаве. На свойства пермаллоев отрицательно влияют примеси, которые не образуют твердых растворов со сплавом: углерод, сера и кислород. Свойства резко изменяются от режимов термообработки.

Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев выше, чем низконикелевых, и значительно превышает проницаемость электротехнических сталей, но индукция насыщения пермаллоев в 1,5...2 раза меньше; следовательно, их нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, в которых используется большой магнитный поток.

Удельное электрическое сопротивление низконикелевых пермаллоев в 2 раза выше высоконикелевых, поэтому их можно использовать при более высоких частотах.

Стоимость высоконикелевых пермаллоев больше, чем низконикелевых, но они менее технологичны.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, позволяет упростить технологию получения, уменьшает чувствительность к механическим напряжениям и снижает индукцию насыщения. Медь благоприятно влияет на температурную стабильность и стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности внешнего поля. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление.

Из железоникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить следующие группы:

нелегированные низконикелевые пермаллои – марок 45Н и 50Н (содержание никеля 45 и 50%);

сплавы, обладающие текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса – 50НП, 65НП, 34НКП;

низконикелевые пермаллои (50% Ni), легированные хромом и кремнием – 50НХС;

высоконикелевые пермаллои, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью – 79НМ, 80НХС, 76НХД.

Сплавы изготовляются в виде холоднокатаных лент толщиной 0,02...2,5 мм, шириной 30...250 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков.

Сплавы 45Н и 50Н обладают наиболее высокой индукцией насыщения, поэтому их применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, которые работают при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплав 50НХС обладает повышенным сопротивлением и используется для сердечников импульсных трансформаторов, а также в устройствах связи для звуковых и высоких частот.

Высоконикелевые сплавы 79 НМ, 80 НХС, 76 НХД применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов, при толщине 0,02 мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей.

Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

АЛЬСИФЕР

Альсифер – тройной сплав, состоящий из алюминия, кремния и железа. Сплав оптимального состава (9,6% Si 5,4% Al, остальное – Fe) по своим свойствам не отличается от пермаллоев и имеет следующие характеристики: (m_нач=35500, m_max=120000, H_c =18 А/м, r=0,8 мкОм·м. Такие характеристики получаются только при строгом соблюдении состава, промышленные образцы имеют более низкие характеристики. Альсифер получают в виде литого, нековкого материала с высокой твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсифера изготовляются методом литья с толщиной стенок не менее 2...3 мм. Область применения альсифера – магнитные экраны, корпуса приборов машин, детали магнитопроводов для работы в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях. Альсифер хрупок, поэтому его можно размалывать в порошок и применять для изготовления прессованных сердечников и магнитодиэлектриков.

МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ

 

Эти материалы состоят из конгломерата мелкодисперсных частиц ферро- или ферримагнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком – связующим элементом. Благодаря тому, что частицы магнитной фазы изолированы, магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревой ток, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Магнитодиэлектрики характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц обеспечивается жидким стеклом, различными смолами, например полистиролом, фенолформальдегидной смолой или другими связующими веществами. Размеры ферромагнитных частиц d =10^–2...10^–4 см.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя.

Технология изготовления изделий из магнитодиэлектриков состоит из приготовления ферромагнитного порошка, прессования изделия и обработки. Магнитодиэлектрики предназначаются для работы в слабых магнитных полях, близких по значению к коэрцитивной силе, и используются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике и других областях.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектрика слабо зависит от частоты. Для магнитодиэлектриков на основе карбонильного железа начальная магнитная проницаемость 10...20, на основе альсифера – 20...94, на основе пермаллоев – 60...250. Изделия из магнитодиэлектриков изготовляются в виде кольцевых и броневых сердечников или в виде элементов других конфигураций.

 

 

ФЕРРИТЫ

 

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³... 10¹³ раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах.

Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой MeOFe₂O₃, или MeFe₂O₄, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Mn²⁺, Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Сd2⁺, Mg²⁺ и др. Ионы двухвалентного металла характеризуют феррит, который получает название по характеризующему металлическому иону, например NiFe₂O₄ – никелевый феррит, ZnFe₂O₄ – цинковый феррит.

Изделия из ферритов формуются прессованием в стальных пресс–формах, выдавливанием через мундштук, горячим литьем под давлением, горячим прессованием. Для улучшения пластичности при изготовлении изделий в ферритовый порошок вводят пластификаторы (вода, поливиниловый спирт, парафин и др.). Изделие подвергают окончательному обжигу при температуре 1100...1400°С. Во время обжига происходит спекание частиц и заканчивается реакция ферритизации, начавшаяся при предварительном обжиге, (химическая реакция, протекающая между твердыми частицами при нагревании в процессе диффузии катионов) по уравнению

 

МеО + Fe₂О₃ à MeFe₂O₄.

 

Ферритовые спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Ферриты можно обрабатывать абразивным инструментом из синтетических алмазов или подвергать их резке, шлифовке и полировке.

В ферритовых изделиях можно пробивать отверстия ультразвуком. Ультразвук позволяет производить пайку ферритов между собой и металлом. Ферритовые детали склеивают полистироловым, эпоксидным или другими клеями. Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры. Ферриты обладают более низкой индукцией насыщения, чем металлические ферромагнетики, поэтому в сильных полях их применять нецелесообразно, однако в высокочастотных полях ферриты могут иметь более высокую индукцию, так как отсутствует размагничивающее действие вихревых токов.

 

Простые ферриты не применяются. Наиболее распространенными промышленными магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов:

– никель-цинковые, представляющие собой твердые растворы никелевого феррита NiFe₂O₄, и феррита цинка ZnFe₂O₄. Химическая формула такого феррита Ni_{1– x} Zn _x Fe₂O₄, где х – доля концентрации цинка в феррите. Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (х =0,4... 0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции, магнитной проницаемости и уменьшению температуры Кюри;

– марганец-цинковые, представляющие собой твердые растворы марганцевого феррита MnFe₂O₄ и цинкового феррита ZnFe₂O₄. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 МГц, чем никель-цинковые ферриты, что объясняется меньшими потерями на гистерезис. Марганец-цинковые ферриты имеют более высокие значения температуры Кюри и индукции насыщения. Недостатком марганец–цинковых ферритов является меньшее значение рабочей частоты (до нескольких мегагерц), никель–цинковые ферриты можно использовать на частотах до 100 МГц;

литиевые типа Li_0,5Fe_2,5O₄, в которых в качестве двухвалентного металла используется комплекс ионов 1/2(Li⁺+Fe³⁺). Литиевые ферриты обладают структурой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.

Для оценки допустимого частотного диапазона, где может использоваться ферритовый материал, вводят понятие критической частоты f _кр, при которой тангенс угла магнитных потерь достигает значения 0,1.

Таким образом, можно сделать вывод, что чем выше значение начальной магнитной проницаемости ферритов, тем меньше их удельное электрическое сопротивление и тем ниже их критическая частота.

Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) особенно важны в устройствах автоматического управления аппаратуры телеграфной связи, вычислительной техники, коммутирующих дросселей.

Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса k _пу, который определяется как отношение остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

 

k _пу= B_r / B _max<1.

 

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с плюса на минус, примерно 10^–7...10^–9 с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.

Кроме ферритов, ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы «железо–никель–кобальт» с содержанием кобальта от 30 до 55%, легированные медью или другими металлами. Они изготовляются в виде лент толщиной от единиц до нескольких сотен микрометров, их коэффициент прямоугольности от 0,85 до 0,98. Прокатка микронной ленты, ее термообработка и изготовление сердечников сложнее, чем производство изделий из ферритов, поэтому ферриты с ППГ применяются более широко. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания. Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магниево-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, натрия и др.

Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности k =0,9...0,94, остаточная индукция В_r =0,15...0,25 Тл, температура Кюри T_K =110...250 °С (для магниево–марганцевых ферритов), Т_K =550...630 °С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схемах автоматического управления 10...20 А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, 100...1200 А/м.

Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников различных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15х15 мм, которые содержат 16х16 = 256 отверстий. К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температурная стабильность параметров, чем металлических сплавов.

МАГНИТОТВЕРДЫЕ ФЕРРИТЫ

 

Наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронциевого) феррита BaFe₁₂O₁₉, (ВаО·6Fе₂О₃) и кобальтового феррита CoFe₂O₄, (CoO·Fe₂O₃). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый – структуру природного минерала магнитоплюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая наряду с мелкозернистой структурой приводит к повышенным значениям коэрцитивной силы (до 350 кА/м).

Все магниты на основе гексагональных ферритов обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, вибрации и ударном воздействии, их можно использовать в магнитных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 10⁶...10⁹ Ом·м). Бариевые магниты не содержат дефицитных материалов и примерно в 10 раз дешевле магнитов из ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов относятся низкая остаточная индукция, высокая хрупкость и твердость, а также значительная зависимость магнитных свойств от температуры. Кобальтовые ферриты более температуростабильны.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

 

Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все материалы подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики – материалы, которые намагничиваются противоположно приложенному полю и ослабляют его, т. е. имеют магнитную восприимчивость k_m <0 (от –10^–4 до –10^–7). К диамагнетикам относятся инертные газы, непереходные металлы (Be, Zn, Pb, Cu, Ag и др.), полупроводники (Ge, Si), диэлектрики (полимеры, стекла и др.), сверхпроводники.

Парамагнетики – материалы, которые имеют k_m > 0 (от 10^–2 до 10^–5)и слабо намагничиваются внешним полем. К парамагнетикам относятся металлы, атомы которых имеют нечетное число валентных электронов (К, Na, A1 и др.), переходные металлы (Мо, W, Ti, Pt и др.) с недостроенными электронными оболочками атомов. Исключение составляют Cu, Ag, Au и др., у которых диамагнитный эффект заполненных электронных оболочек преобладает над парамагнитным эффектом валентных электронов.

Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (k_m >>1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности поля и температуры. Fe, Ni, Co и редкоземельный металл Gd имеют чрезвычайно большое значение k_m ~10⁶. Их способность сильно намагничиваться широко используется в технике.

Ферромагнетизм – результат обменного взаимодействия электронов недостроенных оболочек соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

Интенсивность роста индукции при увеличении напряженности намагничивающего поля характеризует магнитная проницаемость m. Она определяется как тангенс угла наклона к первичной кривой намагничивания B = f (H) (рис. 24).

При этом различают начальную магнитную проницаемость m _H при H»0 и максимальную m_max.

Процессы намагничивания полностью необратимы. Если магнитное поле, доведенное до + H_s, уменьшать до нуля (см. рис. 24), то индукция сохранит определенное значение B_r, называемое остаточной индукцией. Намагничивание поликристалла полем обратного знака уменьшает индукцию В, и при напряженности поля H_c индукция падает до нуля. Напряженность магнитного поля, равная H_c, называется коэрцитивной силой. При перемагничивании от + H_s до – H_s и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этими кривыми, определяет потери на гистерезис или перемагничивание.

Рис. 24. Петля гистерезиса ферромагнетика

Кривая намагничивания и форма петли гистерезиса – важнейшие характеристики ферромагнетика, так как они определяют основные его константы, а следовательно, и области применения. По магнитным свойствам ферромагнетики разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Магнитомягкие материалы используют в производстве сердечников трансформаторов, электромагнитов, электрических машин, в измерительных приборах и

других аппаратах. Они должны иметь высокую магнитную проницаемость, малую коэрцитивную силу, большую индукцию насыщения, узкую петлю гистерезиса, малые магнитные потери.

Магнитотвердые материалы применяют для производства постоянных магнитов, в машинах малой мощности, различных аппаратах и приборах. В отличие от магнитомягких они имеют существенно большие коэрцитивную силу (от 5·10³ до 5·10⁶ А/м) и площадь петли гистерезиса. Такие магнитные материалы применяются для изготовления постоянных магнитов – источников постоянных магнитных полей, которые во многих случаях выгоднее, чем электромагнитные.

Постоянные магниты имеют рабочий воздушный зазор; следовательно, на разомкнутых концах возникают полюсы, создающие размагничивающее поле с напряженностью Н_d, снижающее индукцию внутри магнита до В_d, которая меньше остаточной индукции В_r. Остаточная индукция B_r характеризует материал, если магнит находится в замкнутом состоянии и предварительно намагничен до насыщения в сильном внешнем магнитном поле.

На рис. 25 приведены кривые, характеризующие свойства магнитотвердых материалов. Удельная магнитная энергия (Дж/м³) поля, создаваемого в воздушном зазоре магнита,

W_d = B_dH_d /2.

 

Индукция разомкнутого магнита В_d уменьшается с увеличением зазора. При замкнутом магните В_d = В_r – магнитная энергия равна нулю, так как Н_d =0. Если зазор между полюсами велик, то напряженность магнитного поля в зазоре равна коэрцитивной силе материала Н_c, а В_d =0. Следовательно, в этом случае магнитная энергия W_d =0. При некоторых значениях В_d и H_d энергия достигает максимального значения:

W _max= B_{d max} H_{d max}/2.

 

Рис. 25. Кривые размагничивания (1) и магнитной энергии (2) в воздушном зазоре

Величина W max является важнейшей при оценке качества материала. Форма кривой размагничивания характеризуется коэффициентом выпуклости   g=(BH)max/(BrHc).   Коэффициент выпуклости приближается к единице с увеличением прямоугольности петли гистерезиса. Максимальная энергия магнита тем больше, чем больше остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нc и коэффициент выпуклости g.

 

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО

(НИЗКОУГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ)

 

Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.

Технически чистое железо содержит не более 0,1% углерода, серы, марганца и других примесей и обладает сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает его применение. Используется оно в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков и приготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и способа обработки. В зависимости от способа получения чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо получают в процессе электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях.

Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное железо получают в виде порошка, и его удобно использовать для изготовления сердечников, работающих на повышенных частотах.

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

Нелегированные электротехнические стали марок 10895, 20864 и т.п. 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.

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (r£0,1 мкОм^.м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Кремнистая электротехническая сталь содержит менее 0,05 % углерода, от 0,7 до 4,8 % кремния и относится к магнитомягким материалам широкого применения. Легирование стали кремнием приводит к существенному повышению удельного электрического сопротивления, которое растет линейно от 0,1 мкОм·м при нулевом содержании кремния до 0,60 мкОм·м при содержании кремния 5,0 %, к увеличению m_нач и m_max, уменьшению Н_c, снижению потерь на гистерезис. Сталь с содержанием кремния 6,8 % обладает наивысшей магнитной проницаемостью, но в промышленности сталь применяют с содержанием кремния не выше 5,1 %. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства стали и при высоком его содержании сталь становится непригодной для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, а также в результате отжига в среде водорода при температуре 900...1000 °С, снимающего механические напряжения и способствующего укрупнению кристаллических зерен. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (о такой стали говорят, что она обладает ребровой текстурой). Магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.

Удельное электрическое сопротивление стали зависит от концентрации кремния.

Электротехническая сталь выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. Для уменьшения потерь на вихревые токи на листы стали может быть нанесен электроизоляционный лак.

Качество электротехнической стали можно повысить, уменьшая количество примесей в ее составе, применением разработки оптимальной технологии производства стали с ребровой структурой и получением стали с повышенным содержанием кремния (до 6,3%).

 

ПЕРМАЛЛОИ

 

Пермаллои относятся к магнитомягким материалам, обладающим высокой магнитной проницаемостью в слабых полях, и представляют собой железоникелевые сплавы. Такие сплавы характеризуются тем, что значения магнитной анизотропии и магнитострикции равны нулю; это является одной из причин особенно легкого намагничивания пермаллоев. Пермаллои подразделяются на высоконикелевые (72... 80% никеля) и низконикелевые (40... 50% никеля).

Сплавы, легированные молибденом, хромом, медью, марганцем, кремнием, а также другими элементами используются шире. Классический пермаллой с концентрацией никеля 78,5 % имеет наибольшие значения m_нач и m_max. Высокие магнитные свойства классического пермаллоя получаются в результате высокотемпературного отжига при температуре 1300 °С в чистом сухом водороде и при длительном температурном отпуске при температуре 400...500 °С.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей в сплаве. На свойства пермаллоев отрицательно влияют примеси, которые не образуют твердых растворов со сплавом: углерод, сера и кислород. Свойства резко изменяются от режимов термообработки.

Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев выше, чем низконикелевых, и значительно превышает проницаемость электротехнических сталей, но индукция насыщения пермаллоев в 1,5...2 раза меньше; следовательно, их нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, в которых используется большой магнитный поток.

Удельное электрическое сопротивление низконикелевых пермаллоев в 2 раза выше высоконикелевых, поэтому их можно использовать при более высоких частотах.

Стоимость высоконикелевых пермаллоев больше, чем низконикелевых, но они менее технологичны.

Для улучшения свойств пермаллоев их легируют различными добавками. Легирование молибденом и хромом увеличивает удельное электрическое сопротивление и начальную проницаемость, позволяет упростить технологию получения, уменьшает чувствительность к механическим напряжениям и снижает индукцию насыщения. Медь благоприятно влияет на температурную стабильность и стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности внешнего поля. Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление.

Из железоникелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью можно выделить следующие группы:

нелегированные низконикелевые пермаллои – марок 45Н и 50Н (содержание никеля 45 и 50%);

сплавы, обладающие текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса – 50НП, 65НП, 34НКП;

низконикелевые пермаллои (50% Ni), легированные хромом и кремнием – 50НХС;

высоконикелевые пермаллои, легированные соответственно молибденом, хромом и кремнием, хромом и медью – 79НМ, 80НХС, 76НХД.

Сплавы изготовляются в виде холоднокатаных лент толщиной 0,02...2,5 мм, шириной 30...250 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков.

Сплавы 45Н и 50Н обладают наиболее высокой индукцией насыщения, поэтому их применяют для сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей и деталей магнитных цепей, которые работают при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Сплав 50НХС обладает повышенным сопротивлением и используется для сердечников импульсных трансформаторов, а также в устройствах связи для звуковых и высоких частот.

Высоконикелевые сплавы 79 НМ, 80 НХС, 76 НХД применяются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов, при толщине 0,02 мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей.

Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, сильная зависимость магнитных свойств от механических напряжений.

АЛЬСИФЕР

Альсифер – тройной сплав, состоящий из алюминия, кремния и железа. Сплав оптимального состава (9,6% Si 5,4% Al, остальное – Fe) по своим свойствам не отличается от пермаллоев и имеет следующие характеристики: (m_нач=35500, m_max=120000, H_c =18 А/м, r=0,8 мкОм·м. Такие характеристики получаются только при строгом соблюдении состава, промышленные образцы имеют более низкие характеристики. Альсифер получают в виде литого, нековкого материала с высокой твердостью и хрупкостью, поэтому изделия из альсифера изготовляются методом литья с толщиной стенок не менее 2...3 мм. Область применения альсифера – магнитные экраны, корпуса приборов машин, детали магнитопроводов для работы в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях. Альсифер хрупок, поэтому его можно размалывать в порошок и применять для изготовления прессованных сердечников и магнитодиэлектриков.