3.4. Магнитомягкие материалы

Основным видом потерь в магнитомягких материалах являются потери на вихревые токи, которые для листового образца пропорциональны квадрату частоты перемагничивания. Это явление связано с магнитным поверхностным эффектом, суть которого состоит в следующем. В магнитомягком материале магнитное поле вытесняется в поверхностные слои листа и магнитная индукция распределяется в сечении листа так, что центральная часть намагничивается слабее, чем поверхностные слои. При этом магнитная индукция снижается тем больше, чем выше частота перемагничивания. Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо снижать толщину отдельных листов магнитного материала, так как при уменьшении толщины листа магнитный поверхностный эффект проявляется слабее; применять магнитные материалы с повышенным удельным электрическим сопротивлением , так как чем оно больше, тем на более высоких частотах можно использовать материал. Исходя из этих особенностей магнитомягкие материалы делят на материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей и материалы для высокочастотных магнитных полей.

3.4.1. Магнитомягкие материалы для низкочастотных магнитных полей. В постоянных и низкочастотных магнитных полях (на частотах до единиц килогерц) применяют металлические магнитомягкие материалы: технически чистое, электролитическое и карбонильное железо, низкоуглеродистую электротехническую сталь, кремнистую электротехническую сталь, пермаллои (железоникелевые сплавы). Магнитомягкие материалы должны обладать следующими свойствами: малая коэрцитивная сила Н_c; высокая магнитная проницаемость ; малые потери на перемагничивание для получения максимальных значений магнитной индукции материала; высокая пластичность, обеспечивающая качественную вырубку пластин для магнитопроводов; малые колебания толщины материала; отсутствие окалины, бугров, вмятин, что позволяет повысить коэффициент заполняемости и соответственно уменьшить размеры изделий; независимость магнитных свойств от механических напряжений, приложенных к магнитопроводу, что позволяет прикладывать большие усилия сжатия, обжимки без ухудшения его параметров. Технически чистое железо содержит менее 0,05% примесей при минимальном количестве других примесей. Оно имеет наиболее высокие значения индукции насыщения В_s из всех ферромагнитных материалов, низкое удельное электрическое сопротивление , поэтому его используют для изготовления изделий, работающих в постоянных магнитных полях.

Коэрцитивная сила Н_c и магнитная проницаемость изменяются в широких пределах. Это железо технологично, хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, имеет низкую стоимость. Свойства железа, полученного в лабораторных условиях, в 100...200 раз выше свойств технически чистого железа, что связано с наличием трудноудаляемых примесей. К самым вредным примесям относят углерод, кислород и серу. На магнитные свойства железа, кроме химического состава, влияет его структура, особенно размеры зерна. На границах зерен происходит искажение кристаллической решетки. Особенно легко выделяются фазы, содержащие углерод, поэтому чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. Для укрупнения зерен железо подвергают специальной термообработке (отжигу).

Технически чистое железо применяют как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов. Широко применяют также электролитическое и карбонильное железо. Электролитическое железо получают в результате электролиза FeSO₄ или FeC1₂. Осажденное на катоде железо после тщательной промывки и измельчения в шаровых мельницах содержит большое количество водорода, поэтому не обладает высокими магнитными свойствами. После переплавки в вакууме и многократных отжигов его свойства существенно улучшаются. В результате такой обработки получают электролитическое железо, которое содержит меньшее количество примесей, чем чистое железо, поэтому оно обладает более высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила Н_с = 30 А/м, максимальная магнитная проницаемость = 15 000. Из-за высокой стоимости электролитическое железо используют редко.

Карбонильное железо получают в результате разложения пентакарбонила железа Fe(СО)₅. При различных условиях разложения получают порошкообразное или губчатое железо. В результате термической обработки в водороде железо приобретает высокие магнитные свойства. Применяют карбонильное железо в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков. Свойства железа улучшают введением присадок, получая различные марки сталей. Применяют две основные разновидности магнитомягких электротехнических сталей: низкоуглеродистые стали и кремнистые стали.

Низкоуглеродистая электротехническая сталь поставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Такую сталь подвергают термообработке, в процессе которой ее медленно нагревают до температуры 900 ^оС, выдерживают в течение 2–4 ч и медленно охлаждают со скоростью не более 30–40 градусов в час до температуры 600 ^оС. Процесс ведут или в защитной среде, предохраняющей металл от окисления, или в активной среде (смесь азота с водородом), обеспечивающей дополнительную очистку сталей от примесей. В результате термообработки сокращается число зерен в единице объема (увеличиваются размеры отдельных кристаллических зерен), что улучшает магнитные свойства стали. Термически обработанные стали обладают коэрцитивной силой Н_с = 64–96 А/м, максимальной магнитной проницаемостью = 3500...4500 и содержанием углерода 0,1%.

Кремнистые электротехнические стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Легирование кремнием используют как один из способов снижения потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали за счет повышения удельного электрического сопротивления . В результате легирования кремнием в низкоуглеродистых сталях улучшается состав вследствие того, что кремний связывает часть растворенных в металле газов и в первую очередь кислород; снижается магнитострикция, т.е. зависимость магнитных свойств от механических напряжений; увеличивается магнитная проницаемость ; снижается коэрцитивная сила Н_с и потери на перемагничивание; при содержании кремния свыше 5% снижается индукция насыщения и ухудшаются механические свойства (повышаются твердость и хрупкость).

Для улучшения свойств кремнистых электротехнических сталей необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Но применение этих методов не позволяет существенно улучшать магнитные свойства этих сталей. Более существенного улучшения магнитных свойств кремнистых электротехнических сталей добиваются созданием в материале магнитной текстуры. При отсутствии текстуры имеет место хаотичное расположение кристаллов в сплаве, поэтому сплав обладает изотропными свойствами со статистически постоянной средней намагниченностью по любому направлению. Для создания магнитной текстуры сталь подвергают холодной прокатке. В результате большинство зерен сплава ориентируются легким намагничиванием вдоль проката, т.е. сплав текстурируется. Такую текстуру называют текстурой прокатки. Холоднокатаная сталь становится магнитно-анизотропной. Деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений, что вызывает рост коэрцитивной силы Н_с. Эти напряжения снимают отжигом.

Применение текстурованной стали в трансформаторах различного назначения позволяет снижать их массу и размеры на 20–40%. Горячекатаные стали в отличие от холоднокатаных не имеют магнитной текстуры, т.е. магнитно-изотропны. Однако незначительное упорядочение зерен и связанная с этим анизотропия свойств наблюдается и при горячей прокатке. Термообработку кремнистых сталей ведут аналогично термообработке низкоуглеродистых сталей (технически чистого железа). Однако при изготовлении магнитопроводов из кремнистых текстурированных сталей необходимо учитывать анизотропию магнитных свойств, так как лучшими магнитными свойствами лист обладает в направлении проката, а худшими – под углом 55^о к направлению проката. Марку стали обозначают буквой «Э» и следующими за ней цифрами. Цифрами обозначают степень легирования и гарантированные электромагнитные свойства стали. Листы и рулоны стали поставляются заказчику в отожженном виде. Однако допускается поставка сталей в нагартованном виде (без отжига). В этом случае к обозначению марки стали добавляют букву «Т».

Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем Fе – Ni или железа с никелем и кобальтом Fе – Ni – Со, обычно легированных молибденом, хромом и другими элементами. К специфическим особенностям пермаллоев относят: высокое значение начальной магнитной проницаемости в слабых полях (в 10–20 выше, чем в стали); изгибание пластины толщиной 0,1–0,3 мм под углом 90^о снижает начальную магнитную проницаемость в 2 раза; большую чувствительность к деформациям, особенно если при этом возникает наклеп (пластина, которая подверглась сильному наклепу, теряет свои преимущества в магнитных свойствах по сравнению с другими магнитомягкими материалами). Без термической обработки магнитная проницаемость у пермаллоев меньше, чем у чистого железа; при переменном токе магнитная проницаемость падает в большей степени, чем у электротехнических сталей.

Все железоникелевые сплавы поставляют в виде горячекатаных листов, прутков и холоднокатаных лент толщиной от 2,5 мм до нескольких мкм только в неотожженном виде. Термообработку проводят при температуре 1000–1200 ^оС. При этом гарантированные магнитные свойства получают при строгом контроле температурного режима отжига.

1.4.2. Магнитомягкие материалы для высокочастотных магнитных полей. При повышении частоты перемагничивания до десятков мегагерц (диапазон высоких частот) потери на вихревые токи у магнитомягких сплавов возрастают настолько, что их использование становится неэффективным. Потери на вихревые токи снижают уменьшением магнитной индукции и повышением удельного электрического сопротивления. Малым значением магнитной индукции В и высоким значением удельного электрического сопротивления обладают неметаллические магнитные материалы: магнитомягкие ферриты и магнитодиэлектрики.

Магнитомягкие ферриты представляют собой магнитную керамику, которую получают спеканием оксида железа Fе₂О₃, с оксидами металлов. В качестве магнитомягких материалов наибольшее распространение получили те, которые имеют кубическую структуру подобно минералу шпинели . В промежутках между ионами кислорода их кристаллической решетки размещаются ионы соответствующего металла. По физической природе они являются полупроводниками с удельным электрическим сопротивлением до .

Ферриты имеют низкую индукцию насыщения (В_m = 0,2–0,5 Т), поэтому их используют только в области слабых токов. Основными характеристиками магнитомягких ферритов являются индукция насыщения В_s, магнитная проницаемость , тангенс угла магнитных потерь , критическая частота f_кр, температурный коэффициент магнитной проницаемости , коэффициент стабильности . Индукция насыщения ферритов В_s составляет 0,1...0,4 Т, что значительно ниже, чем у магнитомягких металлов. Однако в высокочастотных полях индукция насыщения у ферритов выше, чем у сплавов, так как у них малы размагничивающие вихревые токи. Для магнитомягких ферритов начальная магнитная проницаемость = 20–20 000, максимальная магнитная проницаемость = 35 000. В слабых полях ферриты с магнитной проницаемостью = 400–20 000 заменяют листовыми железоникелевыми сплавами и электротехнической сталью. В средних и сильных полях низкой частоты использовать магнитомягкие ферриты неэффективно, так как они имеют в 2–3 раза более низкую индукцию насыщения, чем металлические магнитные материалы.

Магнитные потери, возникающие в ферритных сердечниках при перемагничивании, часто оценивают тангенсом угла магнитных потерь , который в общем случае включает в себя составляющие потерь на гистерезис, на вихревые токи и на магнитную вязкость. В слабых полях потери на гистерезис малы, потерями на вихревые токи можно пренебречь, так как вследствие высокого удельного электрического сопротивления они ничтожны. Следовательно, для ферритов в высокочастотном поле потери связаны с магнитной вязкостью материала. Частота, при которой тангенс угла магнитных потерь резко возрастает и достигает значения = 0,1, называется критической частотой f_кр.

Для ферритов характерна сильная зависимость магнитной проницаемости от температуры. Начальная магнитная проницаемость с ростом температуры повышается, а при подходе к температуре Кюри резко снижается в связи с потерей ферромагнитных свойств. Температурная зависимость магнитной проницаемости оценивается относительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости (К^-1):

,

где Т₁, Т₂ – температуры, при которых проводились измерения магнитной проницаемости; – температурный коэффициент магнитной проницаемости, К^-1.

Стабильность магнитной проницаемости во времени оценивается коэффициентом стабильности

где – коэффициент стабильности, показывающий изменение параметра в течение года, %; – значения начальной магнитной проницаемости в моменты времени t₁ и t₂.

В первый год после изготовления , в дальнейшем изменения незначительны. По составу ферриты могут быть одинарными (моноферриты), двойными (биферриты) и многокомпонентными (полиферриты). Наибольшее распространение получили биффериты: марганцевоникелевые, никелевоцинковые, литиевоцинковые.

Магнитодиэлектрики представляют собой прессованный магнитный материал, состоящий из частиц ферромагнита, изолированных друг от друга диэлектриком. Характерной особенностью магнитодиэлектриков является высокая стабильность магнитной проницаемости при изменении внешнего поля. При увеличении напряженности внешнего магнитного поля в несколько раз магнитная проницаемость магнитодиэлектрика изменяется на 15–20%, в ферромагните при этих условиях она возрастает в сотни раз.

Наибольшее применение находят магнитодиэлектрики на основе альсифера, легированных железоникелевых сплавов (пермаллоев) и карбонильного железа. Альсифер представляет собой сплав алюминия (аль-), кремния (-си-) и железа (-фер). Он нековок, хрупок, тверд; при оптимальном составе (9,5% Si; 5,5% Al, 85% Fe) имеет наиболее высокое значение начальной магнитной проницаемости , которая резко снижается при небольшом отклонении состава от оптимального; не содержит дефицитных металлов; имеет низкую стоимость. Изделия получают только методом фасонного литья, так как он механически не обрабатывается. Изменением содержания кремния и алюминия можно регулировать температурный коэффициент магнитной проницаемости и добиться нулевого его значения. Альсифер применяют для изготовления деталей, работающих в постоянных магнитных полях (экраны, детали магнитопроводов).

Для магнитодиэлектриков применяют сплавы альсифера с содержанием кремния 9–11% и алюминия 7,4%. Они обладают следующими свойствами: начальная магнитная проницаемость = 30 000... 35 000; максимальная магнитная проницаемость = 120 000; коэрцитивная сила Н_с = 1,8 А/м при удельном электрическом сопротивлении = 0,8 ; требования к точности поддержания состава сплава невысоки, так как свойства магнитодиэлектрика определяются в основном размерами, формой и взаимным расположением частиц альсифер и не зависят от его исходных свойств.

Магнитодиэлектрики на основе железоникелевых сплавов (пермаллоев) обладают более высокими значениями магнитной проницаемости = 200–250 по сравнению с магнитодиэлектриками на основе альсифера, пониженными значениями температурного коэффициента магнитной проницаемости . Для производства магнитодиэлектриков на основе железоникелевых сплавов в основном используют порошки из молибденового пермаллоя. Из-за высокой пластичности использование пермаллоев обычного состава невозможно. Поэтому для придания этим сплавам хрупкости их легируют, вводя в процессе плавки небольшое количество серы. Легированный сплав относительно просто измельчается в мелкодисперсный порошок с размерами частиц порядка десятка микрометров.

Магнитоникелевые сплавы на основе карбонильного железа применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности фильтров, контуров. Сердечники из магнитоникелевых сплавов на основе карбонильного железа имеют широкий рабочий диапазон частот, минимальное значение магнитных потерь, высокую временную стабильность, высокую влагопоглощаемость, поэтому сердечники из магнитоникелевых сплавов на основе карбонильного железа должны герметизироваться. Исходным сырьем для получения карбонильного железа является пентакарбонил железа Fe(СО)₅, который разлагают в среде аммиака. В результате получают порошки с размером частиц до 1–5 мкм с магнитной проницаемостью насыщения до 3000. Промышленность выпускает карбонильные порошки двух классов: Р – для радиоаппаратуры и П – для проводной связи. Их применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности фильтров, контуров.