Металлические магнитные материалы

Вопросы для самопроверки.

1. Материалы высокой проводимости и высокого сопротивления. Правила Курнакова.

2. Специфические требования к приборным высокоомным проводникам и нагревательным сплавам.

3. Металлические материалы, применяемые в устройствах измерения температуры.

4. В чём различие между сверхпроводимостью и криопроводимостью? Перспективные высокотемпературные сверхпроводники.

Металлические магнитные материалы – это в основном материалы на основе железа (низкоуглеродистая сталь, листовая электротехническая сталь и др.), а также сплавы пермаллой, пермендюр, альсифер. По своим свойствам они относятся к магнитомягким и используются в остро динамических ситуациях в условиях быстро изменяющихся полей в качестве сердечников трансформаторов, электромагнитов, в измерительных приборах, где нужно при наименьших затратах энергии достигнуть наибольшей индукции.

Точка Кюри железа = 770 ^оС. Чем чище железо, тем ниже коэрцитивная сила, выше начальная и максимальная магнитная проницаемость. Технически чистое железо (за рубежом его называют «армко-железо») содержит небольшие количества (в сумме 0,08 – 0,1 %) С, S, Mn, Si. Эти примеси ухудшают магнитные свойства. Магнитные свойства технически чистого железа значительно улучшаются при легировании кремнием и (или) алюминием. Низкоуглеродистая электротехническая листовая сталь содержит примесей больше, чем технически чистое железо: менее 0,04 % С и менее 0,6 % других примесей. Оно выпускается в виде листов толщиной от 0,05 до 4 мм. Особо чистое железо содержит примесей менее 0,05 %, получают электролитическим методом и методом карбонильной металлургии. Электролитический метод заключается в электролизе растворов солей FeSO₄ или FeCl₂ с железным анодом и катодом из мягкой стали, а карбонильный метод заключается в разложении паров карбонила железа Fe(CO)₅ = Fe + 5CO. Однако чистота железа, полученного этими методами ниже, чем у монокристаллов. В таблице 3 приведены некоторые магнитные свойства железа различной степени чистоты.

Таблица 3.

Материал	Начальная магнитная проницаемость μн	Максимальная магнитная проницаемость μмакс	Коэрцитивная сила Нс, А/м
Технически чистое Fe
Электролитическое Fe
Карбонильное Fe			6,4
Особо чистое Fe, обработанное Н2			2,4
Монокристаллы чистейшего Fe, отожжённые в Н2	-		0,8

Основным магнитомягким материалом массового применения является кремнистая электротехническая сталь. Кремний (до 4%) в сталь вводят для повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи

P_f = ξ f² B²_max V, (7.1)

где ξ – коэффициент, зависящий от типа ферромагнетика и, главным образом, от его удельного сопротивления.

Кремний также увеличивает μ_н, уменьшает Н_с и снижает потери на гистерезис, но, одновременно, ухудшаются механические свойства – растёт хрупкость, снижается точка Кюри с 770 ^оС до 740 ^оС. Магнитные свойства зависят от марки стали и толщины листа. Кроме того, поскольку эта сталь текстурирована и анизотропна, то механические обработки могут резко изменить свойства. Поэтому после изготовления изделия для восстановления магнитные свойства проводят отжиг.

Листовая кремнистая электротехническая сталь применяется для изготовления сердечников трансформаторов.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы со структурой твёрдых растворов, обладающие большой начальной магнитной проницаемостью в области слабых полей. Различают высоконикелевые (70 - 83 % Ni) и низконикелевые (40 - 50 % Ni) пермаллои. Наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости имеет сплав, содержащий 78,5 % Ni: μ_н = 8000, μ_макс = 100000. Это намного превосходит магнитную проницаемость электротехнических сталей и в несколько раз больше, чем у низконикелевых. Однако удельное сопротивление высоконикелевых пермаллоев примерно в 3 раза меньше, чем низконикелевых, поэтому при высоких частотах лучше использовать низконикелевые. Тем более что стоимость пермаллоев определяется содержанием в них никеля.

Для модификации пермаллоев в них вводят легирующие добавки – Mo, Cr, Cu, Si, Mn. Разработан супермаллой с очень высокой μ_н в слабых полях = 100000 и μ_макс = 1500000. Он содержит 79 % Ni, 5 % Mo, 0,5 % Mn и 15 % Fe. Точка Кюри пермаллоев в зависимости от состава изменяется от 360 до 450 ^оС. Пермаллои очень чувствительны к механическим напряжениям, поэтому после изготовления детали (сердечника) и термообработки – отжига для снятия внутренних напряжений, деталь помещают в защитный каркас из пластмассы или дюралюминия, заполненный массой, обладающей малой усадкой, низким коэффициентом термического расширения и большой пластичностью, например, смазкой ЦИАТИМ-201, 202, 221.

Низконикелевые пермаллои (45Н, 50Н) используют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием, пермаллой 50НХС – для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые пермаллои – 79НМ, 80НХС, 76НХД применяют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Железо-кобальтовые сплавы имеют самую высокую индукцию насыщения В_s из всех известных ферромагнетиков – до 2,43 Тл. У железа В_s не превышает 2,1 Тл. Сплавы, содержащие 50 – 70 % Со называются пермендюры. Наибольшее применение имеет сплав 50КФ2, (50 % Со). Однако железо-кобальтовые сплавы имеют невысокое ρ_v и высокую стоимость, поэтому их применяются только в специальной аппаратуре: - в динамических репродукторах, осциллографах, телефонных мембранах, сердечниках магнитных линз электронных микроскопов и др.

Сплав 49КФ имеет также высокую магнитострикцию, что позволяет использовать его в качестве сердечников магнитострикционных преобразователей. В таблице 4 представлены некоторые свойства высококобальтовых сплавов.

Таблица 4

Сплав	Bs , Тл	ρ, Ом^.м	μн	Нс , А/м	т. Кюри, ^оС
49КФ	2,35	0,4^.10^-6	800 – 1000	-
50КФ	2,4	0,26 ^.10^-6		128 – 160

Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6 % Al, остальное – Fe. Магнитные свойства не уступают высоконикелевым пермаллоям: μ_н = 35500, μ_макс = 120000, Н_с = 1,8 А/м, ρ = 0,8 мкОм^.м. Альсиферы обладают твёрдостью и хрупкостью, поэтому перерабатываются в изделия главным образом литьём. Благодаря хрупкости альсиферы можно размалывать в порошок и использовать, как и карбонильное железо, для изготовления выскочастотных магнитодиэлектриков.

Дата добавления: 2014-12-26