Билет №26, 29, 30, 31 (Ответы на экзамен 2)

9

Билет №26, 29, 30, 31

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА

15.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Требования, предъявляемые к свойствам магнитомягких материа­лов, в значительной степени определяются областью их применения. Для этих материалов характерными являются малая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, высокая индукция насы­щения даже в слабых полях. Материалы, применяемые в перемен­ных магнитных полях, кроме того, должны иметь высокое электри­ческое сопротивление для уменьшения потерь на вихревые токи.

В электро- и радиотехнике магнитомягкие материалы широко применяют в качестве магнитных изделий (разнообразных сердечни­ков, магнитопроводов, полюсных наконечников, телефонных мембран, магнитных экранов и т.д.) в различных приборах и аппаратах: реле, дросселях, трансформаторах, электрических машинах и т.д. В микроэлектронике их используют как элементы интегральных схем.

Как было показано в гл. 14.2.5, значения коэрцитивной силы Нс и магнитной проницаемости μ металлических магнитных материалов зависят от степени деформации кристаллической решетки и размера зерна. Чем меньше содержание примесей в материале, однороднее его структура (она должна быть однофазной), меньше внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов, тем меньше Нс и боль­ше μ. Поэтому металлические магнитомягкие материалы должны иметь: минимальную концентрацию вредных примесей (особенно кислорода, углерода, серы, фосфора), которые образуют нераствори­мые в металле химические соединения (оксиды, карбиды, сульфиды, фосфиды), а также крупнозернистую структуру и минимальное со­держание внутренних напряжений, дислокаций и других дефектов. Для этого выплавку большинства этих материалов производят в ва­кууме или иной инертной среде, а полученные из них магнитные из­делия подвергают отжигу, который производят обычно при темпера­туре 900— 1200°С в вакууме или в среде сухого водорода.

Диапазон рабочих частот для различных магнитомягких материа­лов определяется в значительной степени величиной их удельного электрического сопротивления. Чем больше удельное сопротивление материала, тем на более высоких частотах его можно применять. В области радиочастот применяют магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением того же порядка, что у полупроводников и диэлектриков.

В постоянных и низкочастотных магнитных полях, включая зву­ковые частоты, применяют металлические магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением порядка 10^─7 Ом•м; их называют низко­частотными.

К низкочастотным магнитомягким материалам относятся: железо, сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная, крем­нистая электротехническая сталь, пермаллои, альсиферы. В области радиочастот используют высокочастотные магнитомягкие материалы с удельным сопротивлением ρ = 10—10¹⁰ Ом•м..

К высокочастотным магнитомягким материалам относятся: маг-нитодиэлектрики и ферриты. При ультразвуковых частотах еще мож­но использовать тонколистовые (А = 25—30 мкм) и рулонные холод­нокатаные электротехнические стали и пермаллои (толщиной до 2—3 мкм).

Железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемен­та, которым условно называют низкоуглеродистые стали и чистое железо.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе уг­лерода С ≤ 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера, фосфор. Осо­бенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом боль­шинства современных магнитных материалов. Его достоинства — высокие показатели индукции насыщения (Bs = 2,18 Тл), пластично­сти, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное сопротивление (ρ ≈ 1•10^─7 Ом•м) и, как следствие, большие потери на вихревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изде­лиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферро­магнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концен­трации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения Нс и μ, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства (табл. 15.1).

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа под­вергают специальной термической обработке — отжигу, проводи­мому при температуре 900°С в течение 2—4 ч, и затем медленному охлаждению до 600°С. Весь цикл термообработки осуществляют или в вакууме (для предохранения металла от окисления), или в актив­ной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном ам­миаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополнительную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается количе­ство дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается сум­марная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структур­ных превращений; в результате со временем увеличивается коэрци­тивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение уменьшают путем легирования некоторыми химическими элемента­ми (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100°С в течение 100—150 ч.

Деформация и внутренние напряжения, возникающие при меха­нической обработке, значительно ухудшают магнитные свойства. Например, деформация на 0,5—1% вызывает возрастание Нс на 15—20% и снижение μ_м на 25—30%. Внутренние напряжения снима­ют отжигом.

В качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше уг­лерода и других вредных примесей, чем конструкционные стали, и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свойствами. Маг­нитные свойства отожженных образцов этих материалов приведены в табл. 15.1.

Технически чистое железо содержит углерода С ≤ 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называ­ют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.

Карбонильное железо содержит углерода С ≤ 0,005%. Его получа­ют путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅, представляющего собой желтоватую жидкость, устойчи­вую на воздухе (Ткип = 103°С). При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа Fe2₂O₃ , который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент. В отсутствие воздуха пары Fe(CO)₅ при температуре 350°С разлагаются на окись углерода и металлическое железо:

Fe(CO) ₅ = Fe + 5CO.

Образовавшийся очень мелкий порошок (размер частиц 0,5— 20 мкм) для уменьшения содержания вредных примесей подвергают отжигу в водороде. Карбонильное железо применяют в качестве маг­нитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Из табл. 15.1 видно, что с уменьшением содержания примеси и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнит­ных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием. .

Кремнистая электротехническая сталь

Свойства стали можно значительно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига. В результате холодной прокатки происходит преимущественная ориентация зерен. Однако деформа­ция в холодном состоянии приводит к образованию больших внут­ренних напряжений и, следовательно, к увеличению коэрцитивной силы. Внутренние напряжения снимают отжигом при температуре 900— 1000°С. При отжиге происходит рекристаллизация, сопровож­дающаяся ростом зерен и одновременной их ориентацией вдоль на­правления легкого намагничивания. В результате ребра кубов ока­зываются расположенными параллельно направлению прокатки (см. гл. 14.2.2). Такая сталь обладает так называемой ребровой тек­стурой; ее магнитные свойства вдоль направления прокатки суще­ственно выше. Текстурированные стали применяют в магнитопроводах такой конструкции, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под уг­лом 55° к направлению прокатки. Однако эти условия трудно вы­полнимы для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора. В этих случаях применяют малотекстурированные стали или стали не с ребровой, а с кубической текстурой. У последних наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока в трех направлениях: вдоль, попе­рек и перпендикулярно прокатке, а направление самого трудного намагничивания (см. рис. 14.5, а) не существует в плоскости намаг­ничивания.

В трансформаторостроении выгодно при­менять текстурированную сталь. Например, замена в мощных транс­форматорах изотропной горячекатаной стали на текстурированную позволяет снизить потери энергии на 30%, массу до 10%, расход ста­ли на 20%. Применение текстурированной стали для трансформато­ров малой мощности дает еще большие преимущества.

Кремнистую электротехническую сталь выпускают в виде руло­нов, листов и лент. Сталь производят в виде листов толщиной от 0,1 до 1,0 мм без покрытия, с термостойким, электроизоляционным термостойким или электроизоляционным покрытием. Ленты хо­лоднокатаные анизотропные выпускают толщиной 0,05; 0,08; 0,15 и 0,20 мм и шириной от 5 до 240 мм без покрытия или с термо­стойким электроизоляционным покрытием. Стали толщиной 0,05— 0,2 мм применяют для работы при частоте 400 Гц. Например, сталь марки 3425 толщиной 0,08 мм имеет P_1,1/400= 15 Вт/кг и В₂₅₀₀= 1,82 Тл.

Пермаллои

Пермаллои — это сплавы железа с никелем (Fe—Ni), железа с ни­келем и кобальтом (Fe—Ni—Со) и железа с кобальтом (Fe—Со). Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэр­цитивной силой. При определенном химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропией и ма­лой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницае­мости.

Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем допол­нительного легирования молибденом, хромом, медью, кремнием, ва­надием и др. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим напряжениям, но снижают индукцию насыщения. Медь повышает температурную стабильность и удельное сопротив­ление, а также стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля в узком интервале. Сплавы, легированные медью, кроме того, лучше поддаются механической обработке. Кремний и молибден увеличивают только удельное со­противление. Недостатки пермаллоев — высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механи­ческой обработки и относительно высокая стоимость.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей. На их свойства отрицательно влияют примеси, не образующие твердых растворов (углерод, кислород, сера, фосфор). Кроме того, магнитные свойства резко изменяются от режима термической обработки. Для снятия механических напряже­ний, сильно ухудшающих магнитные свойства, все магнитные изде­лия из пермаллоя подвергают специальной термической обработ­ке — отжигу при температуре 1300°С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при 400—500°С. Отожженные изделия должны быть светлыми, чистыми, без окислов, темных пятен и цветов побе­жалости. При сборке их нельзя подвергать ударам, изгибам, рихтов­ке, шлифовке, чрезмерной затяжке и сдавливанию обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Сплавы изго­тавливают в виде холоднокатаных лент толщиной 0,005—2,5 мм, хо­лоднокатаных листов 0,2—2,5 мм, горячекатаных листов 3—22 мм, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8—100 мм, холоднока­таной проволоки диаметром 0,05—5,0 мм. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. Термо­обработке подвергают, как указывалось выше, готовые магнитные изделия.

З ависимость основных магнитных свойств и удельного сопротив­ления железоникелевых сплавов от содержания никеля представлена на рис. 15.1. Сплавы с содержанием никеля 70—80%, имеющие наи­большие значения начальной и максимальной магнитной проницае­мостью, называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержа­нием никеля 78,5% — классическим пермаллоем. Второй, меньший по величине, максимум ц„ и цм наблюдается у сплавов при содержании Ni 40—50%, их называют низконикелевыми пермаллоями. У высокони­келевых пермаллоев магнитная проницаемость в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в десятки раз больше, чем у электро­технических сталей (см. табл. 15.1). Индукция насыщения у них в 1,5 меньше, чем у низконикелевых пермаллоев, и примерно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей. Из этого следует, что вы­соконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройст­вах, в которых требуется создание мощного магнитного потока.

Высоконикелевые пермаллои применяют для изготовления сер­дечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, рабо­тающих в слабых магнитных полях, головок аппаратуры магнитной