Магнитные материалы

Широкое применение находят магнитные материалы, которые можно подразделить на две группы: магнитно-мягкие и магнитно-твердые.

К магнитно-мягким материаламотносят материалы, обладающие высокой магнитной проницаемостью, не­большой коэрцитивной силой и малыми потерями на перемагничивание.

Главным признаком магнитно-мягкого материала является его способность перемагничиваться или намаг­ничиваться до насыщения при воздействии слабых маг­нитных полей.

Такие материалы используются для изготовления магнитных сердечников — магнитопроводов трансформа­торов, электродвигателей, измерительных приборов, экранов и т. п. В зависимости от назначения выбирается материал, имеющий соответствующую магнитную харак­теристику.

Магнитно-мягкие материалы обладают высоким магнитострикционным эффектом, что позволяет использо­вать их для преобразователей электромагнитной энергии в механическую, при создании датчиков давления и др. Наибольшее применение получили бинарные и леги­рованные сплавы на основе железа. В частности, для из­готовления сердечников силовых трансформаторов при­меняют текстурованную (реже горячекатаную) сталь. Лучшими являются холоднокатаные стали Э43, ЭЗЗО, ЭЗЗОА, Э11 и др., поставляемые в рулонах и листах тол­щиной 0,2—1 мм, которые в основном используются для ленточных сердечников.

В процессе хранения, производства и эксплуатации электротехнические стали понижают свои магнитные свойства. С целью получения стабильных свойств сталей следует вводить в технологию получения изделий из та­ких материалов операции старения при температуре 120-150°С в течение до 120 ч.

Сердечники низкочастотных трансформаторов, реле, дросселей, дефектоскопов, а также головки аппаратуры магнитной записи выполняются из магнитно-мягких сплавов на железоникелевой (пермаллоев, содержащих 45 — 80% никеля) или железокобальтовой основе (напри­мер, пермендюров, содержащих от 30 до 50 % кобальта). В отдельных марках пермаллоев содержится хром, мо­либден и кобальт (например, пермаллои 34НКМП и 50НП имеют от 28,5 до 30% кобальта).

Согласно существующему в СССР стандарту имеется девять марок пермаллоев, разделенных на четыре группы:

I. 45H, 50Н — простые низконикелевые пермаллои;

II. 50НП, 65НП, 34НКМП - сплавы с кристаллогра­фической или магнитной текстурой и прямоугольной пет­лей гистерезиса;

III. 50HXC — низконикелевый пермаллой, легиро­ванный хромом и кремнием;

IV. 79НМ, 80НХС, 76НХД - высоконикелевые пер­маллои, легированные молибденом, хромом, кремнием и медью.

По сравнению с пермаллоями пермендюр отличается более высокой индукцией насыщения и обратимой про­ницаемостью.

Высокостабильные сердечники приборов, приме­няемые исключительно в малых и средних электромаг­нитных полях, изготовляют из перминваров, обеспечи­вающих минимальное искажение преобразуемого сигна­ла. Типичным является перминвар с химическим соста­вом: 45% никеля, 30% железа, 25% кобальта.

Высокочастотные сердечники некоторых катушек ин­дуктивности выполняют из магнитодиэлектриков, осно­вой которых являются тонкие ферромагнитные порошки (альсифер, молибденовый пермаллой, карбонильное же­лезо). Смесь магнитодиэлектрических порошков состоит из двух фаз — ферромагнитной и диэлектрической, вклю­чающих один или несколько компонентов. Диэлектриче­ская фаза является связующей массой ферромагнитных частиц и изолирующей оболочкой, предотвращающей их касание. Подобная структура магнитодиэлектрика умень­шает потери на вихревые токи внутри сердечника.

Ферриты.Все химические соединения оксида железа и оксидов других металлов получили общее наименова­ние ферритов, многие из которых представляют собой магнитно-мягкие материалы. Ферриты широко исполь­зуются в различных конструкциях приборов.

К положительным качествам ферритов относится со­единение в них свойств ферромагнетиков, диэлектриков и полупроводников.

Сердечники из ферритов получают из пресс-порош­ков, т. е. шихты из исходных оксидов металлов с вве­денным пластификатором, в качестве которого можно применять декстрин, соль альгиновой кислоты, воскопо-добные вещества, галовакс (хлорированный нафталин) и др.

Отформованные сердечники спекаются при темпера­туре 900—1500 °С в инертной среде, что обеспечивает лучшее качество материала (более плотную структуру и т. д.).

Следует учитывать, что производство ферритовых сердечников требует тщательного контроля всех техноло­гических факторов, так как даже при неизменных обору­довании, режимах, сырье изготовленные партии изделий могут иметь различные физико-механические параметры.

Магнитно-твердые материалыклассифицируют по восьми группам. Наибольшее применение получили литые и деформируемые сплавы, ферриты бария и по­рошковые (металлокерамические) материалы.

За последние 15 — 20 лет разработка высококоэрци­тивных материалов получила новое направление на ос­нове редкоземельных металлов и кобальта.

Магнитно-твердые металлы — ферромагнитные мате­риалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных по­лях. Обладая высокими значениями коэрцитивной силы, остаточной индукции и магнитной энергии, они остаются после намагничивания постоянными магнитами.

Литые сплавы на основе железо — никель — алюми­ний, а также железо — кобальт — алюминий (отече­ственные — типа ЮНДК24, зарубежные — алии, альнико и др.) применяют для изготовления постоянных магни­тов электроизмерительных, радиотехнических и других приборов. Имея высокую твердость, они подвергаются механической обработке только абразивными инструмен­тами.

Деформируемые магнитно-твердые сплавы выпу­скаются промышленностью с различными свойствами. Наибольшее применение они имеют, как и литые сплавы, для изготовления постоянных магнитов. Кроме того, они используются как материалы для носителей магнитной записи и роторов гистерезисных двигателей.

Деформируемый сплав изотропен, в нем отсутствует кристаллическая текстура, имеет более высокие механи­ческие свойства (по сравнению с литым того же химиче­ского состава), обладает повышенной устойчивостью к климатическим, ударным и вибрационным воздей­ствиям. Деформируемый сплав ЮНДК24 выпускается по 4ТМУ/ЦНИИЧМ 1499 — 70 в виде листов горячей про­катки, из которых можно получать заготовки магнитов горячей штамповкой и вырубкой.

Для гистерезисных двигателей применяют материал, работающий не на предельных циклах, т. е. намагничива­ние и перемагничивание его происходят в процессе пуска двигателя. Оптимальными свойствами для этих целей обладают сплавы типа викаллой. Наибольшее распро­странение для изготовления роторов гистерезисных дви­гателей получил викаллой марки 52КФ«В».

Диапазон магнитных свойств викаллоя очень широк. Изменяя температуру его термообработки, можно полу­чить материал с магнитными свойствами, оптимальными для работы двигателя в намагничивающем поле пример­но от 4 до 40 кА/м.

В СССР выпускаются также горячекатаные листы де­формируемых сплавов на основе железо — никель — алю­миний - ниобий (марок 20НЮ, 22НЮ, 25НЮ).

К магнитно-твердым материалам на основе благо­родных металлов относятся сплавы платины с железом (78% платины), платины с кобальтом (сплав ПЛК-78) и серебра с алюминием и марганцем. Их применение ограничено из-за высокой стоимости.

С развитием пленочных магнитных элементов ми­кроэлектроники возникло новое направление в разработ­ке материалов, основанное на использовании для запо­минания одиночных магнитных доменов. Типичными представителями таких материалов являются ортоферриты — KFeO₃, где jR — один из редкоземельных металлов (например, иттрий) или несколько таких эле­ментов.