Материалы с особыми физическими свойствами

1. материалы с особыми магнитными свойствами

Согласно ГОСТ 19693 магнитомягкий материал – магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции не более 4 кА/м; а магнитотвердый материал – магнитный материал с коэрцитивной силой по индукции не менее 4 кА/м. Отметим, что данная граница деления магнитных материалов (4 кА/м) достаточно условна.

А. Магнитомягкие материалы – Магнитомягкие материалы имеют общие области применения – в сердечниках трансформаторов, дросселей, реле, головках магнитной записи, магнитных экранах, магнитных усилителях, феррозондах и других электротехнических и электронных устройствах.

Магнитомягкие материалы имеют высокое значение m_нач, способны намагничиваться до насыщения даже в слабых полях, т. е. обладают малой величиной H _c и имеют малые потери p при перемагничивании вдоль направления магнитопроводов.

Магнитомягкие материалы: металлические – ферромагнитное чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали, магнитомягкие сплавы на железной и железоникелевой основе, в том числе аморфные металлические сплавы; магнитомягкие ферриты – комплексные оксиды переходных металлов, содержащие группу Fe₂O₃; магнитодиэлектрики – композиты на основе порошка магнитомягкого ферро- или ферримагнетика в диэлектрической матрице.

В основном в качестве магнитомягких материалов применяют:

- Кристаллические магнитомягкие сплавы. Согласно ГОСТ 10160-75 [56], по основным свойствам и назначению магнитомягкие кристаллические сплавы делятся на 8 групп (см. таблицу 17).

- Электротехнические стали – это класс магнитно-мягких материалов на основе Fe–Si (таблица 18), которые предназначены для изготовления магнитопроводов в электротехнических изделиях. Эта группа материалов применяется преимущественно в трех видах изделий:

1) электрические машины (генераторы и электродвигатели),

2) трансформаторы (преимущественно силовые, работающие при низких частотах),

3) выключающие устройства (электромагнитные реле).

ЭТС в соответствии с тремя областями применения подразделяют на динамные, трансформаторные и релейные стали. Для динамных и трансформаторных сталей требуется высокое значение индукции насыщения и малые потери на перемагничивание. Различие применений этих сталей в том, что в трансформаторных сталях направление магнитного поля неизменно, а динамные стали используются в магнитопроводах, где магнитный поток либо вращается, либо охватывает все направления в плоскости листа. Поэтому трансформаторные стали могут быть текстурованными. Более того, в трансформаторных сталях создание кристаллической текстуры является способом снижения магнитных потерь. В динамных сталях такой способ неприемлем, они должны быть изотропными.

Применительно к области использования сплавов в электротехнике (для изготовления сердечников трансформаторов, а также статоров и роторов электродвигателей) применяются также стандарты ГОСТ 21427.1-83 и ГОСТ 21427.2-83, которые нормируют параметры электротехнических сталей.

Таблица 17 – Классификация магнитомягких сплавов

Группа сплавов	Основа сплава	Марка сплава	Основные нормируемые параметры	Назначение
С наивысшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях	Fe-Ni (Высоко-никелевые пермаллои, Fe-Ni-Cu - изопермы)	79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ	, , Нс, Вs	Сердечники малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, дефектоскопов, головок магнитной записи, магнитные экраны
С высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением	50НХС	, , ρ, Нс, BS	Сердечники аппаратуры связи, дросселей, импульсных трансформаторов
С высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения	45Н, 50Н	, , Нс, BS	Витые и штампованные сердечники междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей
С прямоугольной петлей гистерезиса	50НП, 68НМП, 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП, 79НМП, 77НМДП	, Br/BS, Нс, BS	Сердечники магнитных усилителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформаторов, магнитных элементов, счетно-решающих устройств
С высокой индукцией насыщения	Fе-Со (пермендюры)	27КХ, 49КФ, 49К2Ф, 49К2ФА	BS, Tc, Нс	Сердечники и полюсные наконечники обычных и сверхпроводящих магнитов, электромагнитов, малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей, экранов, роторов и статоров электрических машин
С низкой остаточной индукцией	Fе-Ni-Со (перминвары), Fе-Ni	47НК, 64Н, 40НКМ	Br/Bs, , / , ТКμ	Сердечники импульсных и широкополосных трансформаторов, катушек постоянной индуктивности
С высокой магнитной проницаемостью и при однополярном намагничивании и анизотропией магнитных свойств	Fе-Ni	68НМ, 79НЗМ	μимп	Сердечники импульсных трансформаторов, работающих в режиме перемагничивания однополярными импульсами, пороговые устройства (токовые переключатели)
Магнитомягкие сплавы со специальными свойствами
С повышенной деформационной стабильностью и износостойкостью	Fе-Si-Аl (типа сендаст), Fе-Аl, Fе-Ni	10СЮ-ВИ, 10СЮ-МП, 16ЮХ-ВИ, 16ЮИХ-ВИ, 81НМА	HV, σB, , ρ	Сердечники магнитных головок записи и воспроизведения звука, кода, видеоизображения
С заданным температурным коэффициентом линейного расширения	Fе-Ni	52Н, 52Н-ВИ, 47НД, 47НД-ВИ	ТКЛР, Нс, Bs	Магнитные элементы герметизированных магнитных контактов (герконы)
С высокой коррозионной стойкостью	Fе-Ni-Сo, Fe-Cr	36КНМ, 16Х, 00Х13	Скорость коррозии, В(Н), Hc	Магнитопроводы систем управления, якорей электромагнитов, статоров и роторов электрических машин, магнитопроводов пневматических и гидравлических клапанов
С высокой магнитострикцией	Ni, Fе-Со, Fе-Аl	Никель НП-2-Т, 49К2Ф, 9Ю-ВИ	λs, Hc	Сердечники магнитострикционных преобразователей в ультразвуковой и гидроакустической аппаратуре, телефонных мембран, в электромеханических фильтрах, линиях задержки
Термомагнитные сплавы	Fе-Ni	31НХЗГ2, 31НХЗГ, 32НХЗ, ЗЗНХЗ, НЗЗЮ1, ЗОНТ, 36Н11Х, 32Н6ХЮ, ТКМ-09-01, ТКМ-015-1, ТКМ-015-2	В(Т), ТКμ	Компенсационные магнитные шунты измерительных приборов и электровакуумных приборов
Для работы на сверхвысоких частотах	Fе-Аl-Сг	7ЮХ-ВИ	Повышенное поверхностное сопротивление в диапазоне длин волн	Для устройств СВЧ (волноводов, аттенюаторов, термических измерителей мощности)

Примечание: ρ – удельное электрическое сопротивление, Ом×м; HV – твердость по Виккерсу, МПа; σ_B – временное сопротивление, МПа;

ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, К^–1.

 

Таблица 18 – Нормируемые параметры электротехнических сталей

Группа сплавов	Марка сплава (примеры)	Основные нормируемые параметры	Назначение
Анизотропная электротехническая сталь	3311, 3412, 3415, 3404, 3422	P 1,0/50 или P 1,5/50 или Р 1,7/50; В 100 или В 2500	Для витых и разрезных ленточных магнитопроводов трансформаторов и дросселей.
Изотропная электротехническая сталь	2011, 2212, 2412, 3СЮ	P 1,0/50 и P 1,5/50; В 1000 и В 2500, DВ 2500	Для магнитопроводов электрических машин и аппаратов, работающих при повышенных частотах (400-20000 Гц).

 

P 1,0/50, P 1,5/50, Р 1,7/50	–	удельные магнитные потери при значении магнитной индукции 1,0; 1,5 и 1,7 Тл при частоте 50 Гц;
В 100, В 1000, В 2500	–	магнитная индукция при напряженности постоянного магнитного поля 100, 1000 и 2500 А/м
DВ 2500	–	анизотропия магнитной индукции при напряженности постоянного магнитного поля 2500 А/м

 

- Магнитомягкие ферриты - м атериалы, работающие при очень высоких частотах, должны обладать большим r (для уменьшения потерь на вихревые токи) и максимальной скоростью установления намагниченности. Таким требованиям отвечают ферримагнетики, к которым в первую очередь относятся ферриты. Их r = =10^–5¸10⁸ Ом·м и сильно зависит от состава и структуры.

Магнитомягкие ферриты представляют собой в основном поликристаллические материалы. Наибольшее распространение получили марганцево-цинковые ферриты (твердые растворы MnFe₂O₄ и ZnFe₂O₄) и никель-цинковые ферриты (твердые растворы NiFe₂O₄ и ZnFe₂O₄). Разнообразие свойств этих ферритов определяется главным образом соотношением основных компонентов, легирующими добавками (Co, Li, Ti, Ca) и режимами синтеза.

- Аморфные, аморфно-нанокристаллические, нанокристаллические и микрокристаллические

1) Аморфные сплавы отличаются уникальным сочетанием физико-механических свойств:

• Электросопротивление аморфных сплавов в 3-4 раза выше кристаллических магнитно-мягких сплавов; • Гистерезисные магнитные свойства на уровне лучших магнитно-мягких кристаллических сплавов; • Уникальные механические свойства: абсолютная пластичность на изгиб; твердость, близкая к теоретической; • Чрезвычайно высокая коррозионная стойкость Делятся по материал основе: - на основе Fe. Основное достоинство – высокая индукция насыщения B s=1,5-1,65 Тл; Р= 0,1-0,4 Вт/кг; Нс =0,6-3 А/м - на основе Со. Основное достоинство - ls ®0, высокая начальная проницаемость, B s=0,5-1 Тл; Р= 0,01-0,1 Вт/кг; Нс =0,05-0,8 А/м на основе Fe-Ni. Основное достоинство: высокая максимальная проницаемость, B s=0,7-1,1 Тл, Нс =0,2-0,6 А/м

Таблица. Наиболее применяемые аморфные сплавы и их свойства после оптимальной обработки Сплав Bs, Тл Нс, А/м m0 ls·10^6 Fe82Si8B10 1,60 2,4     Fe81B13Si4C2 1,60 0,6 -   Fe40Ni40P14B6 1,0 0,24 - - Fe40Ni38Mn2B20 - 0,68   - Co80Mo9Zr10Ni1 0,56     0,8 Cо60Fe4Ni8,5(Cr,Mn)2,5(Si,B)25 0,6 0,4   0,02

2) Нанокристаллические сплавы (НКС) отличаются высокой индукцией насыщения B_s (от 1,25 до 1,60 Тл в зависимости от состава НКС), которая превышает B_s в пермаллоях, потери на перемагничивание при этом ниже, чем для большинства массивных материалов. Магнитно-мягкие НКС в большинстве случаев получают путем кристаллизации аморфных сплавов на основе железа.

Можно выделить 4 группы нанокристаллических сплавов:

• сплавы на основе Fe-Cu-Nb-Si-B типа Файнмет,

• наносплавы на основе Fe-M-B (М - переходные металлы)

• наносплавы Fe-M-B-Cu (М - переходные металлы)

• Тонкопленочные нанокристаллические материалы.

3 ) Микрокристаллические сплавы (МКС). В микрокристаллическом состоянии (размер зерна ~ 10 мкм) используются в основном электротехнические сплавы системы Fe-Si. При условии микрокристалличности структуры эти сплавы обладают весьма высокой технологической пластичностью. что позволяет подвергать их холодной прокатке, штамповке, резке, т.е. наиболее простым способом создавать изделия нужных размеров и формы.

Б. Магнитотвердые материалы. Магнитотвердые материалы по назначению делят на три большие группы (см. таблицу 19):

- материалы для постоянных магнитов;

- материалы для роторов гистерезисных двигателей;

- материалы для магнитной записи.

Таблица 19 – Магнитотвердые материалы

Группа материалов	Подгруппы сплавов	Нормативный документ (НД) и нормируемые параметры
Материалы для постоянных магнитов	Деформируемые сплавы на основе Fe-Co-Cr	ГОСТ 24897-81, , Br, (BH)max
Литые сплавы на основе Fe-Ni-Al-Cu-(Co) (ЮНД и ЮНДК)	ГОСТ 17809-72, , Br, (BH)max, B/H в точке (BH)max
Спеченные материалы на основе Sm-Co	ГОСТ 21559-76, , Br, (BH)max,
Магнитотвердые ферриты	ГОСТ 24063-80, , Br, (BH)max,
Материалы на основе сплавов Nd-Fe-B	ГОСТ Р 52956-2008, , Br, (BH)max,
Материалы для роторов гистерезисных двигателей	Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-V	НД нет; Значения магнитных параметров на предельной петле гистерезиса: , Br, Br ^.
Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-Ni-V	НД нет; Значения магнитных параметров в поле максимальной проницаемости: H, B, , Br, Br / B, Ph; Значения магнитных параметров при индукции Bmax =1 Тл: , Br, Ph, Ph / Hmax,
Материалы для шихтованных роторов на основе Fe-Co-Cr-V	НД нет; Значения магнитных параметров в поле максимальной проницаемости: H, B, , Br, Br / B, Ph; Значения магнитных параметров на предельной петле гистерезиса: , Br, Br ^. ; Значения магнитных параметров при индукции Bmax =1 Тл: , Br, Ph, Ph / Hmax,
Материалы для сплошных роторов Fe-Cr-W	НД нет; Значения магнитных параметров в поле максимальной проницаемости: H, B, , Br, Ph / H
Материалы для сплошных роторов Fe-Co-W-Mo
Материалы для магнитозаписи	Ферропорошки	НД нет; , , размер магнитных микрочастиц и его однородность
Металлические ленты	НД нет; , , Вr, Кп, Bs

 

 

Ме	Постоянные примеси	Взаимодействие с металлом-основой	Полезный эффект	Вредный эффект
Al	Fe, Si, Cu, Zn, Ti	Растворение	Упрочнение	Снижение пластичности
Cu	Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag	Растворение	Упрочнение	Снижение пластичности
Cu	Pb	Образование легкоплавких эвтектик	Улучшение обрабатываемости резанием	Горячеломкость
Cu	Bi	нет	Горячеломкость и хрупкость
Cu	O	Образование тугоплавких эвтектик	Нет	Водородная болезнь
Cu	S, Se,Tl	нет	Снижение пластичности
Ti	H, O, N, C, Fe, Si	Образование промежуточных фаз	Незначительное упрочнение	Охрупчивание, ухудшение коррозионной стойкости