Магнитомягкие (легкоперемагничиваемые) материалы

Группы магнитных материалов

ЛЕКЦИЯ № 18

Ферримагнетики (ферриты)

Вещества доменного строения. Общая формула – MеО · Fe₂O₃, где Mе - ионыдвухвалентных металлов.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов в доменах (m_ai ≠ 0) направлены в разные стороны (антипарралельны), но не компенсируют друг друга - М_si ≠ 0. М_si направлены в разные стороны и компенсируют друг друга. Суммарная намагниченность вещества равна нулю - .

При наложении магнитного поля М_si ориентируются в направлении поля. . Вещества значительно усиливают внешнее магнитное поле.

Тема: «МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ» (продолжение)

Магнитомягкие материалы имеют следующие характерные свойства:

§ узкую петля гистерезиса;

§ малые значения H _c;

§ высокие значения μ, B_нас и ρ.

Магнитомягкие материалы разделяют на низкочастотные и высокочастотные.

Низкочастотные магнитомягкие материалы

1. Технически чистое железо (содержание примесей S, P, Si, C - 0,08 ÷ 0,1%, в том числе С ≤ 0,025%) и электротехническая нелегированная низкоуглеродистая сталь (содержание примесей ≤ 0,64%, в том числе С ≤ 0, 0,04%).

Материалы имеют следующие магнитные характеристики:

B_s = 2,0-2,18Тл, ρ = 0,1 мкОм·м, μ = 10³-10⁴, H_c = 5-100 А/м.

Материалы получают рафинированием чугуна в мартеновских печах.

Марки тонколистовой стали: Э – низкий сорт, ЭА – средний сорт, ЭАА – высший сорт.

Применение: для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электоромагнитов, электрических машин, работающих в постоянных магнитных полях (f = 0).

Недостатки: малое ρ, что вызывает большие потери на вихревые токи.

Увеличение чистоты железа позволяет улучшить его магнитные характеристики: μ увеличивается на два порядка, H _c уменьшается на два порядка, ρ и B_s не изменяются.

Производят следующие виды железа высокой чистоты:

§ электролитическое железо (С ≈ 0,01%), получают электролизом Fe₂SO₄ или FeCl₃;

§ карбонильное железо (С = 0,005 ÷ 0,01%), получают разложением Fe(CO)₅;

§ железо отожженное в водороде (С ≤ 0,005%).

Железо высокой чистоты имеет высокую стоимость, применяется для изготовления ответственных изделий небольших размеров.

2. Легированная кремнистая электротехническая сталь (С ≤ 0,05%, Si = 0,4 ÷ 4,8%).

Введение кремния увеличивает ρ в 6 раз (до 0,6 мкОм·м) и уменьшает H _c в 5 раз по сравнению с нелегированной электротехнической сталью.

Применение: для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электромагнитов, электрических машин, работающих при частотах до 400 Гц.

Маркировка: 1211, 2312, 3416 и др.

Три первые цифры - тип стали, четвертая – порядковый номер типа стали.

Первая цифра обозначаетструктурное состояние и вид прокатки стали: 1 – горячекатаная изотропная, 2 – холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная. Технологический процесс производства холоднокатаной анизотропной стали включает холодную прокатку, вызывающую ориентацию зерен в направлении прокатки и отжиг в водороде при t = 900 - 1000ºC для уменьшения внутренних напряжений и увеличения размера зерна.

Вторая цифра - указывает примерное содержание Si в %.

Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике, например: 1 – указывает значение удельных потерь при B =1,7 Тл и f = 50 Гц, 2 - указывает значение удельных потерь при B =1,5 Тл и f = 400 Гц и т.д.

Четвертая цифра - порядковый номер типа стали (чем больше цифра, тем меньше удельные потери и больше B _s).

После технологических операций изготовления магнитопроводов (резка, штамповка и др.) магнитные свойства материала ухудшаются – увеличивается H_c и p_f. Для восстановления магнитных свойств применяют отжиг при температуре ниже температуры фазового превращения (880 - 900ºС) в среде предохраняющей от окисления и науглераживания.

3. Пермаллои – сплавы - Fe + Ni + легирующие добавки (Mo, Cr, Ca, Mn, Si и др.).

Материалы имеют следующие магнитные характеристики: B_s = 0,5 ÷ 1,5 Тл, ρ до 0,9 мкОм·м, μ = 10⁵ ÷ 10⁶, H_c = 0,3 ÷ 30 А/м).

Маркировка: 80НХС – сплав содержит 80% Ni, < 1% Cr, < 1% Si.

Достоинства: высокие значенияρ и μ, малое значение H_c.

Недостатки:

§ высокая стоимость;

§ зависимость магнитных свойств от механических напряжений – под действием напряжений уменьшается μ и увеличивается H_c. Поэтому при сборке магнитопроводов необходимо избегать ударов, сильной затяжки болтами, обмотками и др.

Применение: для изготовления магнитопроводов малогабаритных трансформаторов, реле, дросселей, деталей магнитных цепей, работающих при частотах до 25 кГц.

§

4. Сплавы - Fe + Со (20 -50%).

Достоинства: сплавы имеют высокую температуру Кюри.

Применение: в роторах и статорах электрических машин, работающих при температурах до 900ºС.

5. Альсиферы – сплавы - Fe + Аl (5%) + Si (10%).

По свойствам близки к пермаллоям.

Достоинства: недефицитность компонентов, низкая стоимость.

Недостатки: высокая твердость и хрупкость, плохо обрабатываются давлением и резанием. Изделия изготавливают методами литья и порошковой металлургии.

Применение: изготавливают детали магнитопроводов, магнитные экраны, корпуса приборов.

6. Магнитные сплавы с особыми свойствами.

6.1. Пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ).

Применяют в вычислительной технике и устройствах автоматического регулирования.

Материалы характеризуют коэффициентом прямоугольности α:

. (1)

Материалы с ППГ получают различными способами, в том числе:

- созданием кристаллографической текстуры путем холодной пластической деформации с большими степенями обжатия;

- созданием магнитной текстуры путем охлаждения материала после нагрева с закалочной температуры в магнитном поле (термомагнитная обработка).

6.2. Сплавы с постоянной μ (не зависящей от напряженности магнитного поля).

К этой группе относятся следующие сплавы:

- перминвар - Fe + Со (25%) + Ni (45%) +Mn (0,6 %); дляэтого сплава μ ≈ 300 при Н = 0-250 А/м;

- изотерм - (Fe + Ni + Al + Cu); для этого сплава μ ≈ 30-80 при Н = 0-500 А/м;

6.3. Сплавы с особо высокой B_s.

К этой группе относится сплав пермендюр - Fe + Со (50 -70%). Сплав имеет значение B_s = 2,4 Тл, наибольшее для всех ферромагнетиков.

6.4. Сплавы с высокой магнитострикцией (рис. 17.1) (сплавы: Fe – Pt, Fe – Co, Fe

– Al и др.).

Рис. 17.1. Зависимость линейного коэффициента магнитострикции некоторых материалов от напряженности магнитного поля

Сплавы с высокой магнитострикцией применяются:

- в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний;

- для изготовления магнитострикционных вибраторов для ультразвуковой обработки материалов;

- в устройствах для преобразования механических колебаний в электрические.

Высокочастотные магнитомягкие материалы

К этой группе материалов относятся ферриты. Ферриты имеют общую формулу: МеО · Fe₂O₃, где Ме – ионы двухвалентных металлов: Мn⁺⁺, Fe⁺⁺, Ni⁺⁺, Zn⁺⁺ и др.

Достоинства: высокое электрическое сопротивление (10³ – 10¹⁷ мкОМ·м), что позволяет их использовать при частотах более 800 МГц.

Недостатки:

- относительно низкие магнитные характеристики (B_s < 0,4Тл, H_c до 2000А/м);

- низкая температура Кюри - t_к < 300ºС;

- высокая твердость и хрупкость;

- низкая технологичность - резку, шлифование и полирование элементов магнитопроводов проводят только алмазным инструментом или ультразвуковой обработкой.

Технологический процесс изготовления деталей магнитопроводов включает:

- измельчение и смешение оксидов в шаровых или вибрационных мельницах;

- сушку оксидов;

- смешение оксидов со связующим, например, с жидким стеклом;

- формование изделий прессованием или экструзией;

- обжиг при температуре 1100 - 1400ºС, при этом протекает процесс ферритизации:

МеО + Fe₂O₃ → МеFe₂O₄.

Производят ферриты различного назначения, том числе:

- ферриты для радиочастот (0,1 – 300 МГц):

§ МnО · Fe₂O₃ + ZnО · Fe₂O₃ - марганцево-цинковый феррит;

§ NiО · Fe₂O₃ + ZnО · Fe₂O₃ - марганцево-цинковый феррит;

- ферриты для высоких (до 800 МГц) и сверхвысоких (> 800 МГц) частот:

§ изготавливают из четырех и более оксидов: Fe₂O₃, Li₂O, MgO, MoO, CoO, Cr₂O₃, Al₂O₃ и др;

- ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса для элементов вычислительной техники (α ≈ 1):

§ MgO·3МnО· 3Fe₂O₃.

Элементы вычислительной техники изготавливают в виде тонких пленок путем испарения оксидов в вакууме или катодным распылением с осаждением на металлической, стеклянной или тканевой подложках.

Дата добавления: 2017-01-13