Магнитомягкие магнитные материалы
применяют для изготовления магнитопроводов,
трансформаторов и магнитных усилителей,
дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных
головок для видео- и звукозаписи, магнитных
экранов, сердечников высокодобротных
катушек индуктивности (в колебательных
контурах, электрических фильтрах, элементах
памяти и др.), линий задержки. Металлические
магнитные материалы используют в основном
для работы на частотах переменного поля
до нескольких десятков кГц, т.к. из-за
относительно низкого удельного электрического
сопротивления при повышении рабочей
частоты в них резко возрастают вихревые
токи. Это приводит к снижению эффективного
сечения магнитопроводов и повышению
потерь на перемагничивание. Ферриты используют
для работы на частотах до нескольких
МГц. Композиционные Магнитные материалы
применяют для создания экранирующих
устройств от СВЧ полей; металлические
компоненты материалов используют в виде
пленок или мелкодисперсных порошков.
Многокомпонентные слоистые материалы
с ферромагнитной составляющей позволяют
создавать поглотители полей с минимальными
геометрическими размерами.
3.Магнитотвердые
магнитные
Магнитотвердые магнитные материалы
(магнитожесткие, высококоэрцитивные
Магнитные материалы) намагничиваются
до насыщения и перемагничиваются в относительно
сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными
магнитные материалы иногда наз. только
Магнитные материалы с коэрцитивной силой Нс > 20 кА/м.
Магнитотвердые Магнитные материалы применяют
как постоянные магниты, в качестве носителей
магнитной памяти, в гистеррезисных двигателях,
различных механических удерживающих
устройствах, в узлах радиоаппаратуры
и др.
Выделяют следующие группы
магнитотвердых магнитных материалов:
1. Стали, закаливаемые на
мартенсит (углеродистые, легированные
Сr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми
Hс (4-12 кА/м) и
Wмакс (0,6-1,4 кДж/м3).
2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Аl (ални) с добавками Со, Сu, Ti и др. Значения магнитных
параметров этой группы магнитных материалов
зависят от состава и наличия текстуры
(кристаллографической, магнитной). В целом
они характеризуются умеренными значениями Нс (36-145 кА/м),
высокими значениями Вr (0,5-1,4 Тл)
и Wмакс (3,6-40 кДж/м3), наименьшими
из всех магнитных материалов температурными
коэффициентами основных параметров (температурный
диапазон использования до 770 К); эти магнитные
материалы хрупки, обрабатываются только
шлифованием.
3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Сu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико),
Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магнитным
свойствам они близки к диффузионно-твердеющим
сплавам, но менее хрупки и подвергаются
обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке.
Применение диффузионно-твердеющих и
дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно
из-за дефицитности ряда компонентов (особенно
Со).
4. Сплавы с использованием
благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd)
с высокими значениями коэрцитивной силы
(до 400 кА/м). Применение их также весьма
ограниченно из-за высокой стоимости.
Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления
сверхминиатюрных магнитов, т.к. они обладают
высокой пластичностью, допускающей холодную
вытяжку в тонкую проволоку.
5. Бариевые и стронциевые
ферриты с гексагональной кристаллической
решеткой и кобальтовый феррит
со структурой шпинели. Характеризуются
сравнительно низкими значениями Вr (0,19-0,42
Тл), весьма высокими Hc (130-350 кА/м)
и Wмакс (3-18 кДж/м3), температурной
стабильностью (вплоть до 700 К), высоким
удельным электрическим сопротивлением.
Последнее обусловливает их широкое применение
при высоких частотах переменного поля.
Достоинство всех магнитотвердых ферритов
- высокое удельное электрическое сопротивление,
позволяющее применять их при высоких
частотах переменного поля. Доступность
компонентов гексагональных бариевых
и стронциевых ферритов, возможность автоматизации
производства постоянных магнитов из
них и невысокая стоимость обусловили
широкое применение этих магнитных материалов
в различных областях техники. Основной
недостатки ферритовых магнитных материалов
- высокая твердость, хрупкость, ограниченный
температурный диапазон использования
(230-500 К).
6. Интерметаллические соединения
металлов группы железа с РЗЭ.
Обладают очень высокой кристаллической
анизотропией. Распространены бинарные сплавы "редкая земля - кобальт",
например SmCo5, квазибинарные
соединения "2-17" типа R2(CoFe)17. На основе
таких сплавов разработаны магнитные
материалы с рекордными значениями Hс (640-1300 кА/м)
и Wмакс (55-80 кДж/м3) при достаточно
высоких Вr (0,77-1,0
Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной
стабильности. Недостатки этих Магнитные
материалы - высокая твердость, хрупкость,
дороговизна. Применяют их в основном
в таких системах, где важно снижение массы
и габаритных размеров магнитов. Разработаны
также составы типа "редкая земля - железо - бор", например Nd2Fe14B, (YEr)2Fe14B. Такие магнитные
материалы не только обладают высокими
значениями магнитной энергии (BH)макс но и значительно
дешевле, чем SmCo5.
7. Композиционные магнитные
материалы на основе порошкообразных
ферритов и интерметаллических
веществ (5-я и 6-я группы) и связующего.
Различают магнитопласты (связующее -
пластическая масса) и магнитоэласты (связующее
- каучук). Из-за сравнительно большого
количества немагнитных компонентов эти
магнитные материалы по своим магнитным
параметрам хуже, чем материал исходного
порошка, но они значительно более технологичны
и позволяют изготовлять магниты сложной
формы.
8. Материалы для магнитной
записи, получаемые нанесением магнитных
материалов в виде тонкой пленки
или тонкодисперсного порошка на немагнитную подложку. Используют
порошки оксидов переходных металлов,
ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni,
Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Сr и др., получаемые
вакуумным напылением, гальванопластическим
или химическим осаждением. При создании
таких магнитных материалов стремятся
получить наибольшую Вr и умеренную Нс (обычно
20-80 кА/м в зависимости от плотности записи,
способа записи информации и т. п.). Перспективными
материалами для магнитооптической записи
информации являются высококоэрцитивные
аморфные пленки на основе соединений
типа "редкая земля -железо - кобальт"
(Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная
сила Нс = (1 - 5).105 А/м.
4.Специальные магнитные
материалы
Специальные магнитные материалы
обладают свойствами, которые обеспечивают
им важные, но сравнительно узкие области
применения. Магнитострикционные магнитные
материалы - ферромагнитные металлы и сплавы, а также ферриты, обладающие
достаточно большой магнитострикцией,
т.е. изменением размеров образца при его
намагничивании и размагничивании. Магнитострикционные
материалы используют в излучателях и
приемниках звука и ультразвука и в др.
устройствах, преобразующих энергию электромагнитного
поля в механическую и обратно. Магнитострикционными
материалами являются: никель, НП2Т (Ni св.
98%), сплавы - пермендюр, 49 КФ (49% Со, 2% V, остальное
Fe), алфер (12,5% Аl, остальное Fe), никоей (4%
Со, 2% Si, остальное Ni), керамич. ферриты-шпинели
на основе Ni, Со, Сu. Перспективные магнитострикционные
материалы - интерметаллические соединения
типа RFe2, где R - Y, Tb,
Dy, например Тb0,27Dy0,73Fe2. В приборостроении
и измерительной технике широко применяют
инварные сплавы с низким коэффициентом термического
расширения и элинварные сплавы, обладающие
малым температурным коэффициентом упругости.
Такими свойствами обладают сплавы Fe-Ni, Fe-Pt, Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Сr, Fe-Co-Сr.
Термомагнитные материалы -
ферромагн. сплавы с сильной зависимостью остаточной
намагниченности от температуры. Их применяют
для компенсации температурных изменений
магнитных потоков в приборах и реле, момент
срабатывания которых зависит от температуры.
К термомагнитным материалам относятся сплавы Ni-Fe-Cr, Ni-Cu (кальмаллои), Ni-Fe (термаллои)
и др.
Магнитооптические магнитные
материалы способны вращать плоскость
поляризации света, прошедшего через образец
или отраженного от него, и используются
для управления световыми потоками (в
лазерной технике и оптоэлектронике).
Относительно прозрачные в ближнем ИК
диапазоне ферриты-гранаты [напр., (YBi)3Fe5Ol2], ферриты-шпинели,
ортоферриты и другие применяют в устройствах,
предназначенных для пространственно-временной
модуляции света. Непрозрачные магнитные
материалы на основе интерметаллических
соединений, например РЗЭ с элементами
подгруппы железа, а также на основе MnBi,
MnAs служат в качестве запоминающей среды
в магнитооптических запоминающих устройствах.
СВЧ Магнитные материалы применяют
в радиоэлектронике, для изготовления
волноводов, фазовращателей, преобразователей
частоты, модуляторов, усилителей и т.
п. Специфические требованиями к магнитным
материалам для СВЧ диапазона являются:
высокая чувствительность к управляющему
магнитному полю, высокое удельное электрическое
сопротивление, малые электромагнитные
потери, высокая температура Кюри. Наиболее
распространены никелевые, никель-медно-марганцевые
ферриты-шпинели, иттриевый феррит-гранат,
легированный РЗЭ. Применяют металлические сплавы Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Al-Cr. Их используют
главным образом для создания поглотителей
мощности в различных изделиях СВЧ техники.
Композиционные СВЧ Магнитные материалы
используют для создания экранов для защиты
от СВЧ полей. Металлическими наполнителями
являются Fe, Co, Ni, сплавы сендаст; связующими - различные
полимерные смолы и эластомеры.
Жидкие магнитные материалы,
или магнитные жидкости, представляют
собой однородную взвесь мелких (10-3-10-1 мкм) ферромагнитных
частиц в воде, керосине, веретенном масле,
фторуглеводородах, сложных эфирах, жидких
металлах. Магнитные жидкости применяют
для визуализации структуры постоянных
магнитных полей и доменной структуры
ферромагнетиков, в качестве рабочей среды
магнитоуправляемых поляризационных
светофильтров, а также при создании гидромеханических
преобразователей и излучателей звука.
Изучаются проблемы, связанные с использованием
магнитных жидкостей в биологии и медицине,
например для управляемого рентгеновского
контрастирования полых органов, создания
депо лекарственных препаратов, локального
повышения температуры.
Практическая часть
5.Применение магнитных материалов в
энергетике. Свойства наиболее применяемых
материалов.
Магнитомягкие материалы используются
в энергетике в качестве разнообразных
магнитопроводов в трансформаторах, электрических
машинах, электромагнитах и т.д.
Для уменьшения потерь на гистерезис
выбирают материалы с пониженной коэрцитивной
силой, а для уменьшения вихревых токов
магнитопроводы собирают из отдельных
пластин и используют металлы с повышенным
удельным сопротивлением. Дело в том, что
ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают
вихревые токи, пропорциональна площади
поперечного сечения контура. При рассечении
площади n изолированными пластинами в
каждой пластине наводится уменьшенная
в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании
вихревого тока пропорциональна квадрату
напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна
удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение
ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование
металлов с повышенным удельным сопротивлением
приводит к уменьшению общих потерь.
Основой наиболее широко используемых
в электротехнике магнитных материалов
является низкоуглеродистая
электротехническая сталь. Она выпускается
в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм,
содержит не выше 0.04% углерода и не выше
0.6% других примесей. Максимальное значение
магнитной проницаемости mmax ~ 4000, коэрцитивной силы
Нс~ 65-100 А/м. Наблюдается
интересная закономерность: чем чище железо
и чем лучше оно отожжено - тем выше магнитная
проницаемость и тем ниже коэрцитивная
сила. Для особо чистого железа эти параметры
составляют: более 1 миллиона и менее 1
А/м, соответственно.
Добавлением в состав кремния
достигается повышение удельного сопротивления
стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной
стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной
стали. Это дает уменьшение потерь.
Электротехническую сталь маркируют
следующим образом: первая цифра-структура
(1-горячекатанная изотропная, 2-холоднокатанная
изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная
с ребровой структурой), вторая цифра-
содержание кремния (0-до 0.4%, 1 - до 0.8%. 2 -
до 1.8%, 3-до 2.8%, 4 - до 3.8%, 4 - до 4.8%), третья
цифра - тип нормируемых магнитных характеристик
(0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50 Гц, 1-
удельные потери при В=1.5 Тл, f=50 Гц, 2- удельные
потери при В=1 Тл, f=400 Гц, 6- В при Н=0.4 А/м,
7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая
цифра в старых справочниках означала
номер материала. В современных справочниках
четвертая и пятая цифры являются одним
числом, означающим численную характеристику
нормируемого параметра.
Если к железу добавить никель,
то полученные материалы будут обладать
повышенной магнитной проницаемостью
(до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество
марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они
используются для изготовления сердечников
малогабаритнгых силовых и импульсных
трансформаторов. Практически такие же
результаты по магнитной проницаемости
можно получить, добавляя к железу кремний
(9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.
Добавки к железу и никелю молибдена,
хрома, меди приводит к еще большему росту
начальной магнитной проницаемости, более
100 тысяч. Такие материалы используются
в миниатюрных магнитных устройствах.
6.Листовая электротехническая
сталь.
Для
изготовления сердечников электрических
машин и магнитопроводов трансформаторов
применяется электротехническая листовая
сталь, являющаяся по своим магнитным
свойствам магнитномягким материалом.
Применяемая сталь должна обладать высокой
магнитной проницаемостью, а при работе
в переменном магнитном поле, кроме того,
малыми потерями та перемагничивание
(гистерезис) и малыми потерями от вихревых
токов.
Малые потери на гистерезис характеризуются
узкой, с малой площадью, петлей гистерезиса.
Снижение потерь от вихревых токов достигается
увеличением удельного объемного сопротивления
стали и выполнением сердечников те из
массива, а из отдельных листов, изолиророванных
друг от друга; чем выше частота, тем тоньше
должны быть применяемые листы стали.
Для работы при частоте 50 гц и ниже применяются
главным образом листы толщиной 0,5 и реже
0,35 мм. Для работы при больших частотах
обычно применяются листы толщиной 0,2
и 0,1 мм.
Для улучшения магнитных свойств применяется
сталь, легированная кремнием. Такая легировка
уменьшает потери на гистерезис и увеличивает
удельное объемое сопротивление, но снижает
механические свойства стали, делает ее
хрупкой.
В зависимости от содержания кремния (Si)
электротехническая листовая сталь подразделяется
на слаболегированную (Si = 0,8-Hl,8%; р = 0,25 ом-мм2/м),
среднелегированную (Si = 1,8-2,8%; р=0,4 ом-мм2/м),
повышеннолегированную (Si = 2,8-4,0%; р = 0,5
ом • мм2/м) и высоколегированную (Si=4,0-f-4,8%;
р=0,6 ом-мм2/м).
По характеру обработки сталь подразделяется
на горячекатаную и холоднокатаную. Различают
так называемую текстурованную сталь,
в которой в результате повторной прокатки
с сильным обжатием и последующим отжигом
в атмосфере водорода сталь очищается
от кислорода и углерода, а ее кристаллы
укрупняются и ориентируются таким образом,
что ребра кристаллов совпадают с направлением
прокатки. Такие стали изготовляются при
холодной прокатке листов и обладают лучшими
магнитными свойствами, чем обычные горячекатаные
стали; магнитная проницаемость холоднокатаной
стали выше, а потери на гистерезис ниже,
чем у горячекатаной.
Необходимо учитывать, что магнитная проницаемость
текстурованных сталей в направлении,
не совпадающем с направлением проката,
меньше, чем у горячекатаной стали. В связи
с этим при изготовлении Ш-образных магнитопроводов
трансформаторов необходимо полосы стали
вырезать и шихтовать таким образом, чтобы
направление магнитного потока совпадало
бы с направлением прокатки листов.
В зависимости от степени легирования,
способа изготовления листов, магнитных
и электрических свойств выпускаемая
сталь подразделяется на марки: Э11, Э12,
Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э43, Э43А, Э44, Э45,
Э46, Э47, Э48, Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200, Э310, Э320,
ЭЗЗО, ЭЗЗОЛ, Э340, Э370, Э380.
Буквы и цифры в марках стали условно обозначают:
— электротехническая сталь;
первая цифра после буквы Э (1, 2, 3, 4)—степень
легирования стали кремнием: 1 — слаболегированная,
2 — среднелегированная, 3 — повышеннолегированная,
— высоколегированная; вторая цифра после
буквы Э (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) — гарантированные
удельные потери при перемагничивании,
которые тем меньше, чем выше степень легирования:
1—нормальные удельные потери; 2—пониженные
потери; 3—низкие потери; 4—гарантированные
значения потерь при частоте 400 гц и магнитной
индукции в средних по силе полях (от 0,03
до 10 а/см)\ 5—гарантированное значение
магнитной проницаемости в слабых магнитных
полях (от 0,002 до 0,008 а/см); 6 — гарантированное
повышенное значение магнитной проницаемости
в слабых магнитных полях; 7—гарантированное
значение магнитной проницаемости в средних
по силе магнитных полях; 8—гарантированное
повышенное значение магнитной проницаемости
в средних по силе магнитных полях;
третья цифра (0) означает, что сталь холоднокатаная
текстурованная, третья и четвертая цифры
(00)—сталь холоднокатаная малотекстурованная;
буква А указывает на особо низкие удельные
потери.
Электротехническая сталь поставляется
в отожженном состоянии и цвета побежалости
не являются признаком брака. Листы слаболегированной
и среднелегированной стали поставляются
нетравленными, а горячекатаные листы
повышеннолегированной и высоколегированной
стали поставляются в травленом виде.
Листы поставляются в пачках весом до
80 кг, скрепленных полосками мягкой стали
шириной до 50 мм, предохраняющими пачки
от распадения. Листы толщиной 0,1 и 0,2 мм
должны быть обернуты толем или другим
непромокаемым материалом и упакованы
в деревянные решетчатые ящики.