Достоинство ферритов — стабильность магнитных характеристик в широком диапазоне частот, малые потери на вихревые токи и простота изготовления ферритовых деталей

План

Тема: Магнитомягкие и магнитотвердые материалы.

1. Основные свойства магнитомягких материалов.

2. Магнитомягкие материалы

2.1. Технически чистое железо.

2.2. Низкоуглеродистая сталь.

2.3. Электротехническая сталь.

2.4. Пермаллои.

2.5. Альсиферы.

2.6. Ферриты.

2.7. Магнитодиэлектрики.

3. Основные свойства магнитотвердых материалов.

4. Магнитотвердые материалы.

4.1. Мартенситные высокоуглеродистые стали.

4.2. Железо-никель-алюминиевые сплавы.

4.3. Порошковые материалы.

4.4. Ферриты.

1. Магнитомягкие материалы обладают большой начальной й максимальной магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой (H_с<4кА/м). Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются и отличаются малыми потерями на гистерезис, т. е. им соответствует узкая петля гистерезиса.

Уровень магнитных характеристик магнитомягких материалов зависит от их химической чистоты и степени искажения кристаллической структуры. Чем меньше различных примесей в магнитомягком материале, тем выше его характеристики, т. е. тем больше μ_н и μ_м и тем меньше Н_с и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стремятся удалить из них наиболее вредные примеси — углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О₂, азот N₂ и различные оксиды. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем внутренних напряжений.

Магнитомягкие материалы используют для изготовления сердечников электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов.

2. Магнитомягкие материалы:

2.1. Технически чистое железо– железо, которое содержит меньше 0,05 % углерода и очень малое количество других примесей.

Магнитные свойства железа очень сильно зависят от его чистоты (количество примесей), размеру зерна и способу обработки. Монокристалл чаще всего железа, тщательно опаленный в водороде, может иметь коэрцитивную силу Н_с=0,8 А/м, а магнитную проницаемость μ_макс 1,5*10⁶. Железо у которого количество примесей на превышает 0,01 %, без опаливания имеет соответственно Н_с=6÷10 А/м и μ_макс (2÷6)*10⁴. Обычное, не опаленное железо имеет существенно худшие показатели Н_с=(30÷60) А/м и μ_макс (7÷15)*10³.

2.2. Низкоуглеродистая сталь – разновидность технически чистого железа с содержанием углерода не больше 0,04 % и не больше 0,6 % других примесей, имеет Н_с=(32÷100) А/м и μ_макс (3÷5)*10³, В(Н=5000А/м) 1,7 Тл. Выпускается тонколистовой и сортовой, применяется для изготовления магнито-проводов всех типов деталей реле, сердечников и полюсных наконечников электромагнитов, элементов измерительных приборов, магнитопроводов двигателей постоянного и переменного тока малой и средней мощности и др.

2.3. Электротехническая сталь с содержанием углерода меньше 0,05 % и кремния от 0,4 до 4,8 % - основной магнито-мягкий материал самого широкого применения. Примесь кремния существенно увеличивает удельное электрическое сопротивление стали, начальную и максимальную магнитные проницаемости, уменьшает коэрцитивную силу и потери на гистерезис, но ухудшает механические свойства и снижает индукцию насыщения.

Сталь с содержанием кремния до 1,8 % используют для изготовления деталей электрических машин, которые работают в постоянном поле, сталь с содержанием кремния 1,8-2,8 % применяют в электрических машинах переменного тока, сталь с содержанием кремния 2,8-4,8 % используют, главным образом, для изготовления магнитопроводов трансформаторов.

2.4. Пермаллои – группа сплавов железа и никеля (иногда с кобальтом) с содержанием никеля от 35 до 80 %, легированных дополнительно Mo, Cr, Mn, Siи другими элементами. Отличаются высоким значением магнитной проницаемости в слабых полях и малым значением коэрцитивной силы. По содержанию никеля различают сплавы низконикелевые (40-50% Ni) и высоконикелевые (70-80%Ni). Низконикелевые пермаллои отличаются более высокой индукцией насыщения ( в 1,5 раза), приблизительно вдвое более высоким удельным электрическим сопротивлением, более простой термообработкой, более низкой стоимостью, более слабым влиянием по сравнению с высоконикеливыми. Магнитная проницаемость высоконикелевых пермаллоев в несколько раз больше, а коэрцитивная сила меньше, чем в низконикелевых.

Классический пермаллой имеет состав 78,5 % Nib 21,5 % Fe. Лучшие магнитные свойства у супермаллоя(79% Ni, 15 % Fe, 5 % Mo, 0,5 % Mn).

К недостаткам этих сплавов следует отнести более низкие значения индукции насыщения и более высокую стоимость по сравнению с электротехническими сталями, чувствительность к механическим напряжениям и потребность в сложной термообработке.

Низконикелевые пермаллои рекомендуется применять для малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитопроводов, которые работают с повышенными индукциями и на повышенных частотах. Высоконикелевые сплавы используют в малогабаритных трансформаторах, реле, магнитных экранах, особенно тонкие ленты применяют в импульсных трансформаторах, магнитных усилителях, бесконтактных реле.

2.5. Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5—13 % алюминия, 9—10 % кремния, остальное — железо. Промышленные сорта альсифера имеют следующие характеристики: μ_rн= =6000÷7000, μ_rм = 30 000÷35 000, Н_с=2,2 А/м, ρ=0,8 мкОм∙м. Альсиферы предназначались для заме­ны дорогих пермаллоев, но удалось это сделать в сравнительно ограниченной области их применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи.

2.6 Ферриты изготовляют из порошкообразных смесей, состоящих из оксидов железа и специально подобран­ных других металлов. Отпрессованные ферритовые из­делия спекают при высоких температурах. Название феррита определяется названием двухвалентного или реже одновалентного металла, оксид которого входит в состав феррита. Так, если в состав феррита входит оксид цинка ZnО, то феррит называют ферритом цинка, если оксид никеля NiO — ферритом никеля и т.д.

Ферриты, в состав которых кроме оксида железа Fe₂О₃ входит только один оксид другого металла, назы­вают простыми. Химическую формулу простого феррита в общем виде записывают так: MeOFe₂O₃ или MeFe₂O₄, где Ме — обозначение металла, оксид которого входит в состав феррита (например, NiFe₂O₄ — феррит никеля, MnFe₂О₄ — феррит марганца, ZnFe₂О₄ — феррит цинка).

Не все простые ферриты обладают магнитными свойствами. Так, ферриты цинка ZnFe₂О₄ и кадмия CdFe₂O₄ являются немагнитными веществами. Наличие или отсутствие магнитных свойств у простых ферритов определяется их кристаллической структурой.

Наилучшими магнитными характеристиками обла­дают сложные, или смешанные ферриты, представляю­щие собой твердые растворы одного простого феррита в другом. В этом случае могут быть использованы не­магнитные ферриты в сочетании с магнитными простыми ферритами. Например, твердый раствор двух простых ферритов цинка и никеля образует смешанный никель-цинковый феррит, химическая формула которого Ni_xZn₁ – _xFe₂O₄.

В этой формуле х обозначает молярную долю содержания в материале оксида никеля, а (1 — х) — мо­лярную долю оксида цинка, причем сумма этих долей равна единице.

Ферриты изготовляют по керамической технологии, т. е. исходные порошкообразные оксиды металлов, взятые в определенном соотношении, измельчают в шаро­вых мельницах, затем из смеси тонкопомолотых порош­ков прессуют брикеты, которые подвергают перво­начальному обжигу в печах. Спекшиеся брикеты раз­малывают и в полученный тонкодисперсный порошок вводят какой-либо пластификатор, например раствор поливинилового спирта. Из полученной массы прессуют ферритовые изделия (сердечники, кольца), которые обжигают при 1000—1400 °С. Полученные твердые хрупкие изделия (преимущественно черного цвета) можно обрабатывать только шлифованием.

В качестве магнитомягких материалов широко применяют смешанные магнитомягкие ферриты: никель-цинковые, марганец-цинковые, литий-цинковые. Услов­ные обозначения ферритов: НН — никель-цинковые низкочастотные ферриты, НМ — марганец-цинковые, ВТ — ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифры, стоящие перед буквенными обозначениями, указывают среднее значение начальной магнитной про­ницаемости. Например, 4000 НМ — марганец-цинковый феррит с начальной проницаемостью, равной 4000.

Основные характеристики ферритов: плотность 3800—5000 кг/м³, КТР— (0,5—1,2).10^-5 1/ °С. Маг­нитные и электрические характеристики никель-цинко­вых ферритов: μ_rн = 80÷2400; μ_rм — 850÷3000; Н_с= = 20÷54 А/м; В_r =0,11 ÷0,29 Тл; ρ=10÷10⁸Ом∙м; марганец-цинковых: μ_rн = 550÷25 000; μ_rм =2000÷35000; H_с=2÷24 А/м; ρ=10^-2÷10 Ом∙м; В_r = 0,09÷0,13 Тл.

Как все магнитные материалы, ферриты сохраняют свои магнитные свойства только до температуры Кю­ри. Температура Кюри различных по составу ферритов колеблется в широких пределах: от 70 до 450 °С. Все ферриты обладают небольшой пористостью.

2.7. Магнитодиэлектрики – конгломерат частиц измельченного ферро или ферримагнетика, электрически изолированных одна от другой и соединенных в единую массу диэлектриком. Магнитомягкие магнитодиэлектрики отличаются высокой стабильностью электромагнитных параметров, высоким удельным электрическим сопротивлением и принадлежат к высокочастотным магнитным материалам. Особенности технологии производства магнитодиэлектриков, близкой к технологии пластических масс, позволяет получить изделия значительно более высокой частоты и точности, чем керамическая технология ферритов.

Чаще всего применяются магнитодиэлектрики на основе альсифера и карбонильного железа.

3. Магнитотвердые материалы обладают большими коэрцитивной силой (Н_с> 4кА/м) и остаточной индукцией и соответственно имеют широкую петлю гистерезиса. Эти материалы намагничиваются с большим трудом, а будучи намагничены могут несколько лет сохранять магнитную энергию, т. е. служить источниками постоянного магнитного поля.

Магнитотвердые материалы применяют главным образом для изготовления постоянных магнитов.

По составу все магнитные материалы делятся наметаллические и неметаллические. К металлическимотносят чистые металлы (железо, кобальт, никель) и магнитные сплавы некоторых металлов, а к неметаллическим — ферриты.

4. Магнитотвердые материалы:

4.1. Мартенситные высокоуглеродистые стали. Мартенситную структуру в высокоуглеродистых сталях полу­чают их закалкой, нагревая до температуры, при кото­рой сталь представляет собой раствор углерода в желе­зе (аустенит), и последующим резким охлаждением в воде или масле. При мартенситной структуре кри­сталлы железа резко искажаются — вытягиваются в длину, а оставшаяся часть раствора углерода вызы­вает внутренние напряжения. Это обеспечивает маг­нитную твердость постоянным магнитам, изготовленным из мартенситных сталей.

В качестве мартенситных применяют хромистые, вольфрамовые и кобальтовые стали. В хромистые стали в качестве легирующего компонента вводят хром (1,3— 3,6%), в вольфрамовые — вольфрам (5,2—6,5%) и хром (0,3—0,5%), в кобальтовые — кобальт (5— 17 %), молибден (1,2—1,7 %) и хром (8—10 %). Такие стали содержат (0,9—1,1 %) углерода, остальное — железо.

Постоянные магниты изготовляют из стальных прут­ков и полос мартенситных сталей горячей ковкой или штамповкой. После механической обработки их зака­ливают на мартенсит, а затем намагничивают. Для ста­билизации магнитных характеристик все магниты под­вергают искусственному старению.

Основные магнитные характеристики стальных маг­нитов: хромистых В_r = 0,95 Тл, H_с=4800 А/м, воль­фрамовых В_r=1 Тл, H_с = 4800 А/м, кобальтовых В_r= 0,8÷ 0,9 Тл, H_c=11000÷13000 А/м.

Лучшими материалами являются кобальтовые стали, но они значительно дороже хромистых и воль­фрамовых.

Все стали находят ограниченное применение ввиду сравнительно невысокого уровня их магнитных харак­теристик.

4.2. Железоникельалюминиевые сплавы. Сплавы этого состава, легированные кобальтом, титаном или ни­обием, подвергнутые особой термической обработке, обладают высокими магнитными характеристиками B_r=0,5 ÷ 1,40 Т_л, Н_с=(40-150)∙10³ А/м. Эти спла­вы имеют марки: ЮНД4, ЮНД8, ЮНДК15, ЮН13ДК24С,ЮНДК34Т5, ЮНДК35Т5 и др. Буквы обозначают компоненты, входящие в состав сплавов на основе железа: Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий. Постоянные магниты из этих нековких сплавов можно получать только лить­ем с последующей обработкой шлифованием.

Высокая магнитная твердость магнитов из этих сплавов достигается специальной термообработкой, заключающейся в следующем. Вначале магниты на­гревают до 900—1200 °Сс последующим охлаждением на воздухе или в воде. При этом все составные части сплава (алюминий, никель и др.) будут растворены в железе и образуют пересыщенный раствор. С течением времени растворенные в железе компоненты сплава начинают выпадать в виде мелкодисперсных частиц, которые вызывают внутренние напряжения в кристал­лах железа. Это обеспечивает материалу высокую магнитную твердость. Чтобы ускорить этот процесс, за­каленные магниты отпускают, т. е. нагревают до темпе­ратуры 500—650 °С, при которой начинают выпадать растворенные в железе компоненты. При этом соблюдают критическую скорость охлаждения: 15—20 °С в секунду. Таким образом, процесс тепловой обработки магнитов из этих сплавов, называемый дисперсион­ным твердением, состоит из двух этапов: закалки и отпуска.

Магнитные характеристики сплавов с содержанием кобальта от 17 % и выше можно повысить термомагнитной обработкой отлитых магнитов. Для этого их нагревают до 1300 °С и охлаждают в сильном магнитном поле со скоростью 10—15 °С в секунду. Вслед­ствие ориентации магнитных доменов в направлении действия внешнего магнитного поля, охлажденные магниты приобретают магнитную текстуру. В результате этого их магнитная энергия возрастает в среднем на60—80 % за счет резкого увеличения остаточной маг­нитной индукции. После закалки магнитов во внешнем магнитном поле их отпускают, т. е. повторно нагревают до 600 °С и охлаждают с оптимальной скоростью.

Такие магниты значительно более стойки к старению, чем мартенситные стали. Недостатком этих сплавов является то, что они не поддаются обычным методам механической обработки вследствие большой твердости и хрупкости, поэтому магниты из них можно обрабатывать только шлифованием.

4.3. Порошковые материалы изготавливают способом прессования с последующей термообработкой. Их применение особенно важно, когда нужно изготовить мелкие изделия со строгим соответствием размеров. Материалы (магниты) этой группы делятся на металлокерамические, металло- пластические и оксидные.

Металлокерамические магниты получают прессованием и последующим спеканием без связывающего вещества порошка из измельченного магнитотвердого сплава.

По магнитным свойствам они почти не уступают литым магнитам, но дорогие. Мелкие детали при такой технологии получают с достаточно точными размерами без необходимости в дополнительной обработке.

Металлопластические магниты получают прессованием магнитного порошка со связующим и нагреванием до невысокой температуры, необходимой для полимеризации последнего. Эти магниты отличаются более простой технологией изготовления, более высоким удельным сопротивлением, более низкой стоимостью, но их магнитные свойства хуже, чем у литых.

Оксидные материалы представляют собой магнитотвердые ферриты. Чаще всего используют бариевый феррит BaO*6Fe₂O₃, который не вмещает дефицитных компонентов. Материал имеет высокое значение коэрцитивной силы (до 240 кА/м), удельное сопротивление 10⁴-10⁷ Ом*м, но небольшую остаточную индукцию ( 0,38 Тл) и (ВН)_max –до 12 кДж/м³. Как недостатки бариевых магнитов следует отметить невысокую механичную прочность, хрупкость, сильную зависимость магнитных свойств от температуры.

Лучшая температурная стабильность у феррита кобальта, но его стоимость значительно выше.

4.4. Ферриты. Для изготовления постоянных магнитов используютмагнитотвердые ферриты, из которых наибольшее при­менение получили ферриты бария ВаО∙6Fе₂Оз. В отли­чие от магнитомягких ферритов бариевые ферриты име­ют не кубическую, а гексагональную кристаллическую структуру. Это обусловливает их магнитную твердость главным образом за счет большой коэрцитивной силы. По структуре ферриты бария представляют собой поли­кристаллические материалы, состоящие из множества кристаллических частиц, которые ориентированы про­извольно. Это определяет одинаковость свойств ферри­тов бария во всех направлениях, т. е. изотропность. Марка таких ферритов бария БИ.

Если при прессовании магнитов порошкообразную массу подвергают воздействию внешнего магнитного поля большой напряженности ( H 800А/м), то крис­таллические частицы ориентируются в одном направлении. Изготовленные таким образом бариевые магниты явля­ются анизотропными (марка БА). Такие магниты в гото­вом виде, т. е. после обжига и намагничивания, облада­ют более высокими магнитными характеристиками. Как видно из табл. 23, магниты, изготовленные из бариевых ферритов, обладают большим удельным сопротивлени­ем, что позволяет применять их в области высоких частот. Для лучшего использования бариевым магнитам придают форму, при которой их длина по сравнению с сечением мала.

Бариевые ферриты отличаются стабильностью ха­рактеристик, но чувствительны к резкому изменению температуры. Изготовляют их из недефицитных по­рошкообразных материалов (оксида железа Fе₂О₃ и углекислого бария ВаСО₃) по керамической технологии. Магниты из бариевых ферритов значительно дешевле магнитов из железоникельалюминиевых сплавов и дру­гих металлических материалов.

Недостатками всех ферритов являются хрупкость и возможность обработки только шлифованием.

Дата добавления: 2017-01-14