Классификация магнитных материалов

Электротехнические материалы, применяемые в технике с учетом их магнитных свойств, разделяют на магнитомягкие и магнитотвердые.

Термины «магнитомягкие» и «магнитотвердые» не относятся к механическим свойствам материала. Некоторые механически твер­дые материалы являются магнитомягкими, а механически мягкие материалы могут относиться к магнитотвердым. Основанием для де­ления магнитных материалов на магнитомягкие и магнитотвердые являются следующие особенности. Процессы намагничивания мате­риалов обеих групп протекают одинаково: на первом этапе происхо­дит смещение границ доменов, на втором - вращение магнитных моментов доменов в направлении намагничивающего поля, на тре­тьем - парапроцесс. Согласно кривой намагничивания смещение гра­ниц доменов требует меньших энергетических затрат, чем процессы вращения магнитных момен­тов и парапроцесс.

В магнитомягких материалах намаг­ничивание происходит в ос­новном за счет смещения гра­ниц доменов. Магнитотвердые материалы намагничива­ются преимущественно за счет Форма петли гистерезиса обеих групп материалов (рис. 53), индукция насыще­ния B_s и остаточная индукция В_с примерно одинаковы, однако разница в коэрцитивной силе Н_с достигает очень большого значения.

 

Рис.53. Петли гистерезиса: а, б – магнитомягких материалов (округлая петля), в – магнитомягких материалов (прямоугольная петля); магнитотвердых материалов

Так, для магнитотвердых ма­териалов наибольшая коэрцитивная сила Н_с = 800 кА/м, а для маг­нитомягких материалов наименьшая коэрцитивная сила Н_с = 0,4 А/м, т.е. различие составляет 2-106 раз.

Исходя из различий в коэрцитивной силе условно принято раз­деление на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкие материалы имеют малое значение коэр­цитивной силы Н_с, поэтому способны намагничиваться до насыще­ния даже в слабых магнитных полях. Они обладают следующими свойствами:

- узкая петля гистерезиса, небольшая площадь при высоких зна­чениях индукции, небольшая коэрцитивная сила Нс <4 кА/м (рис. 53, а, б, в);

- однородность структуры;

- минимальные механические напряжения;

- минимальное количество примесей и включений;

- незначительная кристаллографическая анизотропия.

Магнитомягкие материалы с округлой петлей гистерезиса при­меняют для работы в низкочастотных магнитных полях. Магнит­ные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса применяют для изготовления устройств магнитной памяти.

Магнитотвердые материалы имеют большие значения ко­эрцитивной силы Н_с, трудно намагничиваются, но способны дли­тельное время сохранять намагниченность. Они обладают широ­кой петлей гистерезиса с большой коэрцитивной слой Н_с >4 кА/м (рис. 6.3, г) и наличием однодоменных структур, возникающих в небольших объемах магнитного вещества.

Магнитотвердые материалы служат для изготовления постоян­ных магнитов. Особую группу составляют материалы особого назначе­ния, которые имеют сравнительно узкую область применения.

МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

К магнитотвердым материалам относится магнитные материа­лы с широкой гистерезисной петлей и большой коэрцитивной си­лой Н_с (рис. 53, г). Основными характеристиками магнитотвердых материалов яв­ляются коэрцитивная сила Н_с, остаточная индукция В_с, максималь­ная удельная магнитная энергия, отдаваемая во внешнее простран­ство .

Магнитная проницаемость  магнитотвердых материалов зна­чительно меньше, чем у магнитомягких. Чем «тверже» магнитный материал, т. е. чем выше его коэрцитивная сила Н_с, тем меньше его магнитная проницаемость.

Влияние температуры на величину остаточной магнитной индук­ции В _r, которая соответствует максимальному значению магнитной индукции для данного материала В_mах, оценивается температурным коэффициентом остаточной магнитной индукции (К^-1)

,

где  и  - значения остаточной индукции материала при температурах Т₁ и Т₂ соответственно.

Максимальная удельная магнитная энергия  является важней­шим параметром при оценке качества магнитотвердых материалов. Максимальная удельная магнитная энергия, Дж/м²:

.

Постоянный магнит при замкнутом магнитопроводе практичес­ки не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри сердечника, и маг­нитное поле вне сердечника отсутствует. Для использования маг­нитной энергии постоянных магнитов в замкнутом магнитопрово­де создают воздушный зазор определенных размеров и конфигура­ции, магнитное поле в котором используют для технических целей.

Магнитный поток постоянного магнита с течением времени уменьшается. Это явление называется старением магнита. Старе­ние может быть обратимым и необратимым.

В случае обратимого старения при воздействии на постоянный магнит ударов, толчков, резких колебаний температуры, внешних постоянных полей происходит снижение его остаточной магнитной индукции В _r на 1...3%; при повторном намагничивании свойства таких магнитов восстанавливаются.

Если со временем в постоянном магните произошли структур­ные изменения, то повторное намагничивание не устраняет необра­тимого старения.

По назначению магнитотвердые материалы подразделяют на материалы для постоянных магнитов и материалы для записи и хра­нения информации (звуковой, цифровой, видеоинформации и др.).

По составу и способу получения магнитотвердые материалы подразделяют на налитые, порошковые и прочие.

Литые материалы на основе сплавов. Эти материалы имеют ос­новой сплавы железо-никель-алюминий (Fe-Ni-Al) и железо-ни­кель-кобальт (Fe-Ni-Co) и являются основными материалами для изготовления постоянных магнитов. Эти сплавы относят к преци­зионным, так как их качество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.

Магнитотвердые литые материалы получают в результате дис­персионного твердения сплава при его охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до температуры начала рас­пада. В процессе твердения происходит высокотемпературный рас­пад твердого раствора на -фазу и -фазу. -фаза близка по соста­ву к чистому железу, которое обладает сильно выраженными маг­нитными свойствами. Она выделяется в виде пластинок однодоменной толщины. -фаза близка по составу к интерметаллическому соединению никель-алюминий Ni-Al, обладающему низкими маг­нитными свойствами.

В результате получают систему, состоящую из немагнитной фазы  с однодоменными сильномагнитными включениями фазы , ко­торая обладает большой коэрцитивной силой Н_с. Такие сплавы не применяют из-за сравнительно низких магнитных свойств. Наибо­лее распространенными являются сплавы железо-никель-алюми­ний, легированные медью Сu и кобальтом Со. Марки этих материалов содержат буквы Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение марок вводят дополнительные буквы, кото­рые соответствуют этим металлам, например, сплав системы желе­зо-никель-алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.

Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми.

Кобальтовые сплавы применяют для изготовления изделий, которые требуют материалов с относительно высокими магнитны­ми свойствами и магнитной изотропностью или с магнитной и кристаллической текстурой, со­держащие кобальта более 15%.

Сплавы с магнитной текстурой получают в результате охлажде­ния сплава в магнитном поле с напряженностью 160...280 кА/м от высоких температур 1250...1300°С до температуры приблизитель­но 500 °С. Полученный сплав приобретает улучшенные магнитные характеристики лишь в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитоанизотропным.

Для сплавов, содержащих 12% кобальта, термомагнитная обра­ботка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20%, а для сплавов, содержащих 20...25% кобальта, - на 80% и более.

Термомагнитная обработка повышает температуру начала дис­персного распада с 950 °С в сплаве без кобальта до 800 °С в сплаве, содержащем 24% кобальта.

В результате термомагнитной обработки у высококобальтовых сплавов повышается также температура точки Кюри с 730 до 850 °С.

Кристаллическую текстуру получают в процессе особых усло­вий охлаждения сплавов. В результате получают магниты с осо­бой макроструктурой в виде столбчатых кристаллов, ориентиро­ванных в направлении легкого намагничивания. Это повышает магнитные свойства сплавов. Магнитная энергия повышается на 60...70%. Увеличиваются коэрцитивная сила Н_с, остаточная маг­нитная индукция В _r и коэффициент выпуклости кривой размагни­чивания материала:

 

Высококобальтовые текстурированные сплавы применяют для изготовления малогабаритных магнитных изделий, требующих высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.

Недостатками высококобальтовых материалов являются высо­кая твердость и хрупкость, что значительно осложняет их механи­ческую обработку.

Порошковые магнитотвердые материалы (постоянные магниты). Порошковые магнитотвердые материалы применяют для изготов­ления миниатюрных постоянных магнитов сложной формы. Их подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые.

Металлокерамические магниты по магнитным свой­ствам лишь немного уступают литым магнитам, но дороже их.

Получают металлокерамические магниты в результате прессо­вания металлических порошков без связующего материала и спека­ния их при высоких температурах. Для порошков используют спла­вы ЮНДК (сплав системы Fe-Ni-Al, легированный кобальтом); на основе платины (Pt-Co, Pt-Fe); на основе редкоземельных ме­таллов.

Металлокерамические магниты на основе сплавов ЮНДК обла­дают магнитными свойствами по параметрам В _r и  на 10...20% ниже, чем у литых магнитов благодаря повышенной пористости спе­ченного порошкового материала до 5%; по механической прочности в 3...6 раз превосходят литые.

Магниты на основе платиновых сплавов обладают высокими значениями коэрцитивной силы, которые в 1,5...2 раза выше Н_с бариевых магнитов; высокой стабильностью параметров; по максимальной удельной магнитной энергии  сравнимы со сплавом ЮНДК24.

Металлопластические магниты имеют пониженные маг­нитные свойства по сравнению с литыми магнитами, однако они обладают большим электрическим сопротивлением, малой плотно­стью, меньшей стоимостью.

Получают металлопластичные магниты, как и металлокерамические, из металлических порошков, которые прессуют вместе с изолирующей связкой и нагревают до невысоких температур, не­обходимых для полимеризации связующего вещества.

Оксидными магнитами являются магниты на основе ферри­тов бария BO×6Fe₂O₃ и кобальта CoO×Fe₂O₃

- Бариевые магниты обладают следующими свойствами:

- значения остаточной магнитной индукции в 2...4 раза мень­ше, чем у литых магнитов;

- большая коэрцитивная сила, что придает им повышенную стабильность при воздействии внешних магнитных полей, ударов и толчков;

- плотность примерно в 1,5 раз меньше плотности сплавов типа ЮНДК, что существенно снижает массу магнитных систем;

удельное электрическое сопротивление в мил­лионы раз выше, чем сопротивление магнитотвердых сплавов, по­этому ферриты бария используют в цепях, подвергающихся дей­ствию высокочастотных полей;

- не содержат дефицитных и дорогих металлов, поэтому по сто­имости бариевые магниты примерно в 10 раз дешевле магнитов из сплавов ЮНДК.

К недостаткам бариевых магнитов относят:

- плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость);

большую зависимость магнитных свойств от температуры (температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТК B_r в 10 раз больше, чем ТК B_r литых магнитов);

- эффект необратимой потери магнитных свойств после охлажде­ния магнита до температуры -60°С и ниже (после охлаждения и пос­ледующего нагревания до первоначальной температуры магнитные свойства не восстанавливаются).

В отличие от технологии изготовления магнитомягких ферри­тов после второго сухого помола для лучшего измельчения частиц исходного сырья производят мокрый помол. Полученную массу отстаивают, заливают в пресс-формы и затем прессуют в магнит­ном поле при медленном увеличении давления и одновременной откачке воды. После прессования изделие размагничивают, для чего включают и выключают ток, который имеет обратное по сравне­нию с намагничивающим током направление.

Кроме мокрого для изготовления бариевых магнитов применя­ют также сухое прессование.

Промышленность выпускает бариевые изотропные БИ и барие­вые анизотропные БА магниты.

Кобальтовые магниты обладают следующими свойствами: более высокая стабильность параметров, чем у бариевых; температурный гистерезис, т. е. зависимость магнитных свойств от температуры, который проявляется не в области отрицательных температур, как у бариевых магнитов, а при нагревании до темпе­ратуры выше 80 °С;

из-за большой хрупкости и низкой механической прочности их часто крепят с помощью клея; высокая стоимость.

Технология изготовления кобальтовых магнитов отличается от технологии получения бариевых ферритов операцией термомагнит­ной обработки, которая состоит в нагревании спеченных магнитов до температуры 300...350°С в течение 1,5 ч и охлаждении в магнит­ном поле в течение 2 ч.

Магниты из микропорошков Mn-Bi получают прессова­нием специально подготовленного микропорошка. Для этого марганцевовисмутовый сплав (23% Мп; 77% Bi) подвергают механи­ческому дроблению до получения частиц однодоменных размеров (5...8 мкм). Пропуская порошок через магнитный сепаратор отде­ляют ферромагнитную фазу Mn-Bi от немагнитных частиц мар­ганца и висмута. В результате прессования микропорошка ферро­магнитной фазы при температуре примерно 300 °С в магнитном поле получают магниты, которые состоят из отдельных частиц с одина­ковой ориентацией осей легкого намагничивания; сохраняют маг­нитные свойства только до температуры не ниже 20 °С (при пони­жении температуры свойства быстро ухудшаются и для их восста­новления необходимо повторное намагничивание), что существен­но ограничивает их применение.

Железные и железокобальтовые магниты из микропорошков Fe и Fe-Co изготавливают с применением химических способов полу­чения частиц нужного размера (0,01...0,1). Из полученного порош­ка магниты прессуют и пропитывают раствором смол. Пропитка повышает коррозионную стойкость железосодержащих магнитов.

Прочие магнитотвердые материалы. К этой группе относятся материалы, которые имеют узкоспециальное применение: пласти­чески деформируемые сплавы, эластичные магниты, материалы для магнитных носителей информации, жидкие магниты.

Пластически деформируемые сплавы обладают хорошими пластическими свойствами; хорошо поддаются всем ви­дам механической обработки (хорошо штампуются, режутся нож­ницами, обрабатываются на всех металлорежущих станках); име­ют высокую стоимость.

Кунифе - медь-никель-железо (Cu-Ni-Fe) обладают анизот­ропностью (намагничиваются в направлении прокатки).

Применяются в виде проволоки с малым диаметром и штамповок.

Викаллой - кобальт-ванадий (Co-V) получают в виде высоко­прочной магнитной ленты и проволоки. Из него изготавливают также очень мелкие магниты сложной конфигурации.

Эластичные магниты представляют собой магниты на резиновой основе с наполнителем из мелкого порошка магнитотвердого материала. В качестве магнитотвердого материала чаще всего используют феррит бария. Они позволяют получать изделия любой формы, которую допускает технология изготовления деталей из ре­зины; имеют высокую технологичность (легко режутся ножницами, штампуются, сгибаются, скручиваются) и невысокую стоимость.

«Магнитную резину» применяют в качестве листов магнитной памяти для ЭВМ, для отклоняющих систем в телевидении, коррек­тирующих систем.

Магнитные носители информации при перемеще­нии создают в устройстве считывания информации переменное маг­нитное поле, которое изменяется во времени так же, как записыва­емый сигнал.

Магнитные материалы для носителей информации должны от­вечать следующим требованиям:

- высокая остаточная магнитная индукция В _r для повышения уров­ня считываемого сигнала;

- для уменьшения эффекта саморазмагничивания, приводящего к потере записанной информации, значение коэрцитивной силы Н_с должно быть как можно более высоким;

- для облегчения процесса стирания записи желательна малая ве­личина коэрцитивной силы Н_с, что противоречит предыдущему требованию;

большие значения коэффициента выпуклости , что удовлетворяет сочетанию требований высокой остаточной магнитной индукции B_r и минимальной чувствительности к самораз­магничиванию;

- высокая температурная и временная стабильность магнитных свойств.

Материалы для магнитных носителей информации представ­ляют собой металлические ленты и проволоку из магнитотвердых материалов, сплошные металлические, биметаллические или пластмассовые ленты и магнитные порошки, которые наносят­ся на ленты, металлические диски и барабаны, магнитную рези­ну и др.

Свойства лент, дисков и барабанов с покрытием магнитными порошками зависят:

- от свойств исходных материалов (остаточная намагниченность порошка должна быть возможно более высокой);

- степени измельчения частиц (размеры частиц колеблются от до­лей микрометра до единиц микрометров);

- объемной плотности магнитного материала в рабочем слое; ориентации частиц с анизотропией формы; толщины рабочего слоя порошка (он должен быть максимально тонким);

- свойств металлической ленты (она должна быть гладкой и гиб­кой для обеспечения максимального магнитного контакта между магнитными материалами ленты и устройствами считывания).

Несмотря на то, что ленты на пластмассовой основе обеспечи­вают меньший сигнал по сравнению с лентами на металлической основе, они находят наиболее широкое распространение. В каче­стве основы для таких лент используют ацетилцеллюлозную или лавсановую ленту толщиной 20...50 мкм, которую изготавливают гибкой и гладкой, так как шероховатость может быть причиной шумов при записи и воспроизведении сигнала.

В качестве магнитных порошков используют оксиды железа Fe₂O₃ и Fe₃O₄, магнитотвердые ферриты, железоникельалюминиевые спла­вы, которые являются доступными и дешевыми материалами.

Жидкие магниты представляют собой жидкость, напол­ненную мельчайшими частицами магнитотвердого материала. Жид­кие магниты на кремнийорганической основе не расслаиваются под действием даже сильных магнитных полей, сохраняют работоспо­собность в диапазоне температур от -70 до + 150°С.

МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным видом потерь в магнитомягких материалах являются потери на вихревые токи, которые для листового образца про­порциональны квадрату частоты перемагничивания. Это явление связано с магнитным поверхностным эффектом, суть которого со­стоит в следующем. В магнитомягком материале магнитное поле вытесняется в поверхностные слои листа и магнитная индукция рас­пределяется в сечении листа так, что центральная часть намагни­чивается слабее, чем поверхностные слои. При этом магнитная индукция снижается тем больше, чем выше частота перемагничи­вания.

Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо:

- снижать толщину отдельных листов магнитного материала, так как при уменьшении толщины листа магнитный поверхностный эффект про­является слабее;

- применять магнитные материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, так как чем оно больше, тем на более высоких частотах можно использовать материал.

Магнитно-мягкие материалы, обладая высокой магнитной про­ницаемостью, небольшой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис, используются в качестве сердечников трансформа­торов, электромагнитов, в измерительных приборах и в ряде других случаев, где необходимо при наименьшей затрате энергии достиг­нуть наибольшей индукции. Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах используют магнитно-мягкие материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением, обычно применяя магнитопроводы, собранные из отдельных изолированных друг от друга тонких листов.

Железо (низкоуглеродистая сталь). Технически чис­тое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшаю­щих его магнитные свойства. Благодаря сравнительно низкому удельному электрическому сопротивлению технически чистое же­лезо используется довольно редко, в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо изготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах и имеет суммарное содержание примесей до 0,08— 0,1%. За рубежом такой материал известен под названием «армко-железо».

Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь – это одна из разновидностей технически чистого железа, выпускается в виде листов толщиной от 0,2 до 4 мм, содержит не свыше 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости для различных марок – не менее 3500 – 4500, коэрцитивная сила – соответственно не более 100 – 65 А/м.

Особо чистое железо, содержащее "весьма малое количество примесей (менее 0,05%), может быть получено двумя сложными путями, в результате которых получают:

   1. Электролитическое железо изготовляют электролизом раст­вора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4—6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах, после чего производят вакуумный отжиг или переплавку в вакууме.

2. Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа согласно уравнению Fe(CO)6=Fe+5CO. Пентакарбонил железа представляет собой жидкость, получае­мую воздействием окиси углерода на железо при температуре около 200°С и давлении около 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его весьма удобным для изготовле­ния прессованных высокочастотных магнитных сердечников.

Листовая электротехническая сталь является основным магнит­но-мягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивле­ния, что дает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, присутствие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали. Это дает увеличение μн, уменьшение Н с и снижение потерь на гистерезис. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства железа, увеличивая его хрупкость и затрудняя прокатку в листы и штамповку. При содержании кремния до 4% сталь обла­дает еще достаточно хорошими механическими свойствами, но при содержании кремния выше 5% она становится очень хрупкой. Путем комбинированной горячей и холодной прокатки кремнистой стали и особой термической обработки можно изготовить текстурованную сталь крупнокристаллического строения, причем кри­сталлы оказываются ориентированными таким образом, что ось их легкого намагничивания совпадает.с направлением прокатки. Магнитные свойства такой стали в направлении прокатки значи­тельно выше, чем стали, не подвергавшейся подобной обработке.

Высоколегированная сталь находит применение главным образом для сердеч­ников трансформаторов. Применение этой стали в силовых трансформаторах позволяет умень­шить массу и габаритные размеры на 20 – 25%, а в радио трансформаторах – на 40%.

К характеристикам электротехнической, стали относятся:

1) магнитная индукция В с числовым индексом, который опре­деляет соответствующую напряженность магнитного поля (кА/м);

    2) суммарные удельные потери мощности в ваттах на килограмм стали (отдельные листы стали изолированы друг от друга), нахо­дящейся в переменном магнитном поле, обозначаемые буквой Р с индексом в виде дроби, числитель которой представляет собой амплитудное значение магнитной индукции в теслах, а знамена­тель — частоту в герцах.

Пермаллои. Это железоникелевые сплавы, обладают весьма большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей, что связано с практиче­ским отсутствием у них анизо­тропии и магнитострикции. Различают высоко никелевые и низ­коникелевые пермаллои. Высоко никелевые пермаллои содержат 72 – 80% Ni, низконикелевые 40 – 50% Ni.

Характеристики пермаллоев. Изменение ос­новных магнитных свойств и удельного сопротивления спла­вов железо – никель в зависимо­сти от содержания никеля. Наиболь­шим значением максимальной магнитной проницаемости об­ладает сплав, содержащий 78,5% Ni. Очень легкую намагничиваемость пермаллоев в слабых полях объясняют практическим отсут­ствием у них анизотропии. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также, очень резко меняются от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, состава окружающей среды и т. д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Индукция насыщения высоко никелевых пермаллоев почти в два раза ниже, чем у электротехнической стали, и в полтора раза ниже, чем у низконикелевых пермаллоев. Магнитные проницаемости высоко никелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низко­никелевых, и намного превосходят проницаемости электротехнических сталей.

 Удельное сопротивление высоко никелевых пермал­лоев почти в 3 раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтитель­но использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, и магнит­ная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты, и тем резче, чем больше ее первоначальное зна­чение. Это объясняется возникнове­нием в материале заметных вихре­вых токов из-за небольшого удель­ного сопротивления. Стоимость пермаллоев определяется содержа­нием в их составе никеля.

Влияние легирующих добавок. Для придания спла­вам необходимых свойств в состав пермаллоев вводится ряд добавок. Молибден и хром повышают дельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермал­лоев и уменьшают чувствительность к механическим деформациям. К сожалению, одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство р, в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает тем­пературную стабильность и удель­ное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. Кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.

Альсиферы. Сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5%Si, 5,6%Al, остальное Fe. Такой сплав отличается твёрдостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок. Основные свойства альсифера: m_н = 35500, m_макс = 120000, H_c = 1,8 А/м, r = 0,8 мкОм × м, т. е. не уступают свойствам высоконикелевых пермаллоев. Изделия из альсифера: магнитные экраны, корпусы приборов и т. д. – изготовляются методами литья с толщиной стенок не менее 2 – 3 мм из‑за хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала. Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в порошок и использовать наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.

Магнитодиэлектрики представляют собой одну из разновидностей магнитных материалов, предназначенных для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым тангенсом угла магнитных потерь.

 Магнитодиэлектрики получают путём прессовки порошкообразного ферромагнетика с изолирующей зёрна друг от друга органической или неорганической связкой. В качестве основы применяют карбонильное железо, размолотый альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолоформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т. п. От основы требуется наличие высоких магнитных свойств, от связки — способность образовывать между зёрнами сплошную, без разрыва электроизоляционную плёнку. Такая плёнка должна быть по возможности одинаковой толщины и должна прочно связывать зёрна между собой.

Магнитодиэлектрики характеризуют эффективной магнитной проницаемостью, которая всегда меньше μ ферромагнетика, составляющего основу данного магнитодиэлектрика. Это объясняется двумя причинами: наличием неферромагнитной связки и тем, что магнитную проницаемость магнитодиэлектриков часто приходится измерять у готовых сердечников, а не у тороидов.

15.1. Материалы специализированного назначения. Специальные ферромагнетики

    В особую подгруппу можно выделить материалы, применение которых основано на наличии у них тех или иных особенностей магнитных свойств, которые определяются структурой и составом. К таким материалам можно отнести

1) сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряжённости поля,

2) сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры,

3) сплавы с высокой магнитострикцией,

4) сплавы с особо высокой индукцией насыщения.

   К первым относится сплав, получивший название перминвара.

Перминвар представляет собой тройной сплав Fe – Ni – Co с содержанием этих компонентов соответственно 25, 45 и 30%. Сплав подвергают обжигу при 1000°С, после чего выдерживают при 400—500°С и медленно охлаждают. Перминвар имеет небольшую коэрцитивную силу, начальная магнитная проницаемость перминвара равна 300 и сохраняет постоянное значение в интервале напряжённости поля до 250 А/м при индукции 0,1 Т. Перминвар недостаточно стабилен в магнитном отношении, чувствителен к влиянию температуры и механическим напряжениям. Более удовлетворительной стабильностью магнитной проницаемости отличается сплав, именуемый изопермом, в состав которого входят железо, никель и алюминий или медь. Изоперм имеет магнитную проницаемость 30 – 80, которая мало изменяется в полях до напряжённости в несколько сот ампер на метр.

Ко вторым относятся термомагнитные сплавы на основе Ni – Cu, Fe – Ni или Fe – Ni – Cr. Указанные сплавы применяются для компенсации температурной погрешности в установках, вызываемой изменением индукции постоянных магнитов или изменением сопротивления проводов в магнитоэлектрических приборах по сравнению с тем значением, при котором производилась градуировка.

Для получения ярко выраженной температурной зависимости магнитной проницаемости используется свойство ферромагнетиков снижать индукцию с ростом температуры вблизи точки Кюри. Для этих ферромагнетиков точка Кюри лежит между 0 и 100°С в зависимости от добавок легирующих элементов. Сплав Ni – Cu при содержании 30% Cu может компенсировать погрешности для пределов температуры от –20 до +80°С, а при 40% Cu—от –50 до +10°С. Наибольшее техническое применение получили сплавы Fe – Ni – Co (компенсаторы). Достоинствами их являются полная обратимость свойств в диапазоне изменения температуры от –70 до +70°С, высокая воспроизводимость характеристик образцов и хорошая механическая обрабатываемость их.

К третьим относятся сплавы с высокой магнитострикцией (системы Fe – Pt, Fe – Co, Fe – Al). Значения ∆ l / l для сплавов указанных систем положительны и лежат в пределах (40 – 120)·10^-6.

В качестве магнитострикционных материалов применяются также чистый никель, который обладает большой отрицательной магнитострикцией, никелькобальтовые сплавы, и некоторые марки пермаллоев и различные ферриты. Явление магнитострикции используется в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные вибраторы применяются в технологических установках по обработке ультразвуком хрупких и твёрдых материалов, в дефектоскопах, а также устройствах преобразования механических колебаний в электрические и т. п.

К четвертым относятся железокобальтовые сплавы, обладающие особо высокой индукцией насыщения, до 2,4 Т, т. е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков; удельное электрическое сопротивление таких сплавов невелико. Сплавы, содержащие от 50 до 70% Со, называются пермендюрами. Пермендюры могут применяться вследствие их высокой стоимости только в специальной аппаратуре, в частности в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах и т. д.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 1.Описать процесс намагничивания ферро- и ферримагнетиков.

2. Описать процесс перемагничивания ферро- и ферримагнетиков.

3. В чем заключаются потери на гистерезис в ферро- и ферримагнетиках?

 4. В чем заключаются потери на вихревые токи ферро- и ферри­магнетиков? Указать способы их уменьшения.

5. Что называется точкой Нееля?

6. Привести и объяснить зависимость µ = f (T ° C) ферро- и ферри­магнетиков.

7. Привести и магнитотвердые материалы объяснить зависимость µ = f (H) ферро- и ферримаг­нетиков.

8. Привести и объяснить зависимость µ = φ (f)ферро- и ферримагнетиков.

9. Магнитомягкие и, их отличие и об­ласть применения.

10. Описать явление магнитострикции и указать его использование.

11. Какие магнитные материалы могут быть использованы в уст­ройствах высоких и сверхвысоких частот? Объяснить почему?

12. Указать особенности и способы получения текстурированных магнитных материалов.

13. Что из себя представляют магнитодиэлектрики? Области их применения.

14. Процесс намагничивания ферро- и ферримагнетиков.

15. Процесс перемагничивания ферро- и ферримагнетиков.

16. Потери на гистерезис в ферро- и ферримагнетиках.

17. Потери на вихревые токи ферро- и ферримагнетиков. Способы их уменьшения.

18. Точкой Неля.

19. Зависимость µ = f (T ° C) ферро- и ферримагнетиков.

20. Зависимость µ = f (H) ферро- и ферримагнетиков.

21. Зависимость µ = φ(f) ферро- и ферримагнетиков.

22. Магнитомягкне и магнитотвердые материалы, их отличие и область применения.

23. Явление магнитострикции и область применения.

24. Магнитные материалы, используемые в устройствах высоких и сверхвысоких частот.

25. Особенности и способы получения текстурированных магнит­ных материалов.

26. Магнитодиэлектрики. Области их применения.

27. Магнитный момент атома.

28. Условия возникновения доменной магнитной структуры.

29. Доменная структура.

30