VII. Магнитные суспензии как магнитодиэлектрики

Для выявления мелких поверхностных дефектов (закалоч­ных, цементных, шлифовочных и т.п.) следует применять для намагничивания стали источники тока повышенной час­тоты. Импульсное намагничивание не всегда решает эту проблему полностью, поскольку обратный фронт импульса той же полярности нивелирует передний высокочастотный фронт. Поэтому для обнаружения тонких дефектов жела­тельно применение высокочастотного намагничивания.

При импульсном, как и при высокочастотном намагничи­вании, надо учитывать свойства магнитного порошка и диэ­лектрика — связующего материала и суспензии. Эти свойства хорошо изучены в высокочастотной технике. Наличие на поверхности конгломератов из магнитного порошка осложняет получение информации при импульсном контроле.

Чувствительность, разрешение, обнаружение мелких дефектов при магнитопорошковой дефектоскопии зависит как от качества порошка, так и от частоты намагничивания, крутизны импульса. Чем выше частота, тем требуются более качественные порошки. При этом значения начальной μ_н и максимальной μ_М с ростом рабочей частоты выравниваются. Это явление характерно для магнитодиэлектриков, предст­авляющих собой отвержденные магнитные суспензии.

Для высокочастотных материалов принято указывать тангенс угла потерь tg δ. Он относится обычно к начальной магнитной проницаемости (tg δ/ μ_н) • 10⁶. Тангенс угла по­терь определяется как отношение мнимой μ" части комп­лексной проницаемости к ее вещественной μ' части: tg δ = μ"/ μ'. Для ограниченного диапазона частот в слабых полях зависимость tg δ от частоты и напряженности поля следующая:

tg δ = δ'_В f + δ'_Г H + δ_Д,

где δ'_В, δ'_Г, δ_Д — коэффициенты потерь на вихревые токи, отнесенные к единице частоты; на гистерезис, отнесенные к единице напряженности поля, и дополнительные потери соответственно.

Начиная с определенного значения частоты, tg δ растет быстрее, чем по приведенному уравнению. При этом резко уменьшается начальная магнитная проницаемость μ_н. Для количественной оценки этих явлений введены понятия кри­тической частоты f_кр, начиная с которой резко возрастает tg δ, и граничной частоты f_кр, при которой μ_н уменьшается до 0,7 от ее значения при f = 0. Углы δ'_В, δ'_Г, δ_Д определяют по эквивалентной схеме, которая, кроме индуктивности, содержит включенные последовательно активные сопро­тивления, соответствующие указанным потерям. Если сум­ма сопротивлений в этой схеме равна Р_общ, то общий тангенс угла потерь будет равен tg δ = Р_общ/(ωL). Этот показатель характеризует преобразование части магнитной энергии в тепловую, т.е. вязкую мнимую составляющую μ" магнитной проницаемости μ = μ' - jμ"; μ"=μ'tgδ. Такое определение распространяется и на диэлектрические проницаемости ε = ε' - jε" среды, связывающей порошок.

Коэффициенты потерь δ'_Г и δ'_В, отнесенные соответс­твенно к значениям рабочих напряженностей и частот, оп­ределяются по формулам:

где R_Г, R_B — составляющие активного сопротивления схемы замещения; L — индуктивность контура; Н_м — магнитная напряженность. Эти свойства порошкообразного ферромаг­нетика определяются на тороидальных образцах.

Первые опыты с магнитодиэлектриками начались со смешивания мелких железных опилок с изоляционным ла­ком. В табл. 6 приведены основные показатели современных магнитодиэлектриков. Так, начальная относительная маг­нитная проницаемость карбонильного железа превышает величину μ_н >1000, а для магнитодиэлектриков из этого фер­ромагнитного порошка μ_н<70. Это можно объяснить с по­мощью приближенной формулы для относительной магнитной проницаемости такого конгломерата, являющегося аналогом суспензии для магнитопорошкового контроля:

где μ — магнитная проницаемость использованного порош­ка; 1-ε — относительный объем, который занимает диэ­лектрическая прослойка.

Из формулы следует, что, чем больше 1-ε, тем в мень­шей степени сказывается качество исходного магнитного порошка на μ_н. Изменение магнитной проницаемости ис­ходного порошка в десятки раз не влияет заметно на маг­нитную проницаемость суспензии μ_н. Так, если принять,

Таблица 6. Основные характеристики (колец из альстфера) для ап­паратуры проводной связи

Параметр	ТЧ-3-П	ТЧ-60П	ТЧК-55П	ВЧ-32П	ВЧ-22П	ВЧК-22П
Начальная магнитная проницаемость μn при 20°С	82...94	55...65	50...60	30...34	20...24	20...24
Температурный коэф­фициент начальной магнитной проницае­мости при 20...70°С	-600*10^-6	-400*10^-6	-150*10^6… …+5^0*10^-6	-250*10^-6	-200*10^-6	-50*10^6… …+50*10^-6
Коэффициент потерь на вихревые токи δВ, Гц^-1	1000*10^-9	250*10^-9	250*10^-9	85*10^-9	12*10^-9	12*10^-9
Коэффициент потерь на гистерезис δГ, А/м	8,75*10^-5	6,25*10^-5	6,25*10^-5	2,5*10^-5	1,5*10^-5	1,5*10^-5
Коэффициент дополнительных потерь δд	3*10^-3	2*10^-3	2*10^-3	1,2*10^-3	1,2*10^-3	1,2*10^-3
Рабочий диапазон частот, кГц, не более	10	10	10	50	100	100
Маркировочный знак колец в виде полосы	Синяя	Черная	Красная	Белая	Зеленая	Желтая

что прослойка составляет 3%, то проницаемость μ_н из сколь угодно хорошего исходного порошка не превысит величины μ_н=91 и может быть только меньше при использовании плохого порошка. Это подтверждается на практике.

На рис. 74 приведены графики зависимости относитель­ной эквивалентной магнитной проницаемости материалов от коэффициента заполнения:

Рис. 74. Графики зависимости относительной эквивалентной магнитной проницаемости μ/μ_о от коэффициента заполнения.

Экспериментальные зависимости 2 даны для тороидов из магнитодиэлектрика, расчетное значение магнитной про­ницаемости 3 найдено по приведенной формуле, кривая 4 дана для эффективного значения магнитной проницаемости сердечника с одним воздушным зазором. Все зависимости приведены для ферромагнетика с одним и тем же значением μ_Fe=1000. Из сравнения кривых 2 и 4 следует, что при равных коэффициентах заполнения магнитодиэлектрик имеет более высокую магнитную проницаемость, чем сер­дечник с одним эквивалентным (1-ε) воздушным зазором. Дифференцированный, сложно распределенный в массиве материала зазор, приводит к тому, что размагничивающие эффекты отдельных частиц в какой-то мере компенсируют друг друга и поэтому кривые 2 и 3 выше кривой 4.

В магнитопорошковой су­спензии масса порошка уплот­няется вдоль силовых линий. Частицы размером 5...40 мкм вдоль силовых линий образу­ют достаточно большой эф­фективный суммарный зазор. Приложением внешнего маг­нитного поля при свободном формировании цепочек в суспензии удается поднять магнитную проницаемость толь­ко на 10...15%. Высоких значений по магнитным свойствам можно достичь на основе пермаллоя (табл. 7).

Ферромагнитной основой для промышленных магнит­ных суспензий является порошок железа или его сплавов, полученных металлургическим или химическим способом. Химическая промышленность выпускает карбонильные же­лезные порошки типов Р и П_с, получаемые термическим разложением пентакарбоната железа Fe₂CO₅. Частицы это­го порошка имеют сферическую форму и средний диаметр 1,5...3,5 мкм. Это практически чистое железо. Количество примесей (С, Ni) нормируют в зависимости от марки по­рошка в пределах 0,3...3,4%. Начальная относительная маг­нитная проницаемость магнитопорошковой массы на основе карбонильного железа находится в пределах 11...15.

В табл. 8 приведены сведения о магнитодиэлектриках из мелких фракций порошка ПЖ-5М. Это основной тип промышленного железного порошка, восстанавливаемого из прокатной окалины, применяемого для магнитопорошкового контроля. Здесь по аналогии с высокочастотными магнитодиэлектриками для испытаний отбирали мелкие фракции порошка типа ПЖ-5М.

Магнитные свойства измеряли на феррометрах типа У-542 в полях напряженностью до 8*10⁵ А/м, удельное сопротив­ление определяли с помощью лампового вольтметра. Для уменьшения переходного сопротивления контактные плоскости покрывали эвтектикой, содержащей 67% галлия, 20% индия и 13% олова. В табл. 8 указаны относительная начальная маг­нитная проницаемость, полученная при напряженности поля 40 А/м, и значения индукций при напряженности 2*10⁴ и 4*10⁴ А/м. Удельная намагниченность σ измерена во внешнем магнитном поле напряженностью 8*10⁵ А/м. При этом намаг­ниченность насыщения не достигается. Частицы порошка ПЖ-5М имеют рыхлую поверхность, получаемую при восстановлении чешуи прокатной окалины.

Из табл. 8 видно, что увеличение содержания диэлек­трика затормаживает рост магнитных свойств, особенно для порошка с острыми гранями.

Магнитные свойства материалов из сферических по­рошков ниже, чем на основе порошка ПЖ-5М, близких фракций, а удельное электрическое сопротивление выше.

Таблица 7. Характеристики магнитодиэлектриков на основе пермаллоя

Марка	Номинальное значение проницаемости μn	Коэффициент потерь			Температурный коэффициент магнитной проницаемости	Диапазон рабочих температур, °С
		δГ*10^5, М/А	δВ*10^9,Гц^-1	δД*10^3
П-250 П-140 П-100 П-60	230 140 100 60	10 6,3 3,1 1,9	1000 450 200 100	3 2 2 1,5	+200 +100 +120 +100 +100	-60...+85 -20...+70 -60...+85 -60...+85 -60...+85

Таблица 8. Характеристики магнитодиэлектриков на основе карбонильных порошков, пермаллоя (50Н) и мелкодисперсного порошка типа 11Ж-5М разных фракций

Тип	Содержание диэлектрика, %	Давление прессования, 5*10^-^2МПа	μн	μм	В, Тл, при 4*10 А/м	ρ, Ом*м	γ, кг/м^3
Р-100	5 5	6 12	5,1 9,2	11,5 13,5	0,50 0,56	2700 200	5050 5110
Р-10	5 5	6 12	7,9 11,8	13,1 15,5	0,53 0,57	1600 33,6	4740 4920
50Н	5 5	6 12	6,2 9,8	15,1 17,8	0,47 0,54	10 10	4860 5190
11Ж-5М (-0,16...0,1)	4 4	6 10	24 28	58 68	0,99 1,12	0,05 0,02	5500 5510
11Ж-5М (-0,1...0,063)	4 4	6 10	15 24	35 42	0,90 0,99	0,043 0,036	5500 5510
11Ж-5М (-0,063...0,05)	4 4	6 10	13 21	32 40	0,82 0,94	0,015 0,006	5454 5460
11Ж-5М (-0,05)	4 4	6 10	12 21	30 38	0,72 0,90	0,1 0,12	5030 5130

Единственным преимуществом дорогих порошков ти­пов Р-100, Р-10, 50 Н и П является менее ярко выраженная зависимость максимума магнитной проницаемости от нап­ряженности магнитного поля.

Аналогичные опыты, поставленные с тем же порошком типа ПЖ, но более крупных фракций, показали, что удель­ное электрическое сопротивление в зависимости от про­дольного и поперечного расположения чешуек по отношению ко внешнему магнитному полю соответственно соста­вило: 40*10⁶ Ом*м и 800*10⁶ Ом*м. В исследованиях исполь­зовали также и химико-металлургический (ХМ) железный порошок: 99,8% Fe и не более 0,01% С, с фракциями более 0,1 мм. Процент связующего был весьма небольшим (менее 1,2%). Для таких вариантов технологии уровень получае­мых магнитных характеристик зависит от химического сос­тава порошка.

На рис. 75 из сравнения кривых 3 и 4 видно как при­данием частицам порошка ПЖ-1К чешуеобразной (чеш) формы увеличивается магнитная индукция, которую уда­ется при 10 кА/м повысить с 1,08 до 1,23 Тл.

Рис. 75. Кривые намагничивания магнитодиэлектриков с малым со­держанием диэлектрика: 1 - ХМ_чеш (+0,3%); 2 - ПЖ-1К_чеш (+0,3%); 3 - ПЖ-1К_чеш (+0,4%); 4 - ПЖ-1К (+0,4%).

Опыты пос­тавлены при 0,4% диэлектри­ческого наполнителя. Кривая 4 получена для образцов из порошка ПЖ-1К без механи­ческой обработки.

С увеличением количест­ва диэлектрической основы от 0,2 до 1% максимальная магнитная индукция резко снижается. Она зависит и от количества примесей в по­рошке. Если для ПЖ-1К с 0,2% смолы получено μ_м=600*10^-6 Гн/м, то для ХМ с тем же составом смолы -μ_м=1000*10^-6 Гн/м.

Упорядоченной схемой замещения конгломератов суспензии (магнитодиэлектрике) является сложно рас­пределенный воздушный зазор в массиве ферромагне­тика. Магнитная проницае­мость металла порошка на несколько порядков боль­ше, чем проницаемость конгломерата. Поэтому наличие зазоров приводит к сложному распределению магнитного потока. Происходит насыщение отдельных участков сопрягаемых частиц. Каж­дая намагниченная частица, конгломерат частиц обладает собственным размагничивающим фактором. В этой массе очень сложное распределение магнитного поля с большим числом локальных зон насыщения. Магнитный поток, встречая зазор, изменяет свое направление и входит не в торец, а в плоскость частицы, что повышает потери и мес­тное насыщение. С изменением индукции в два раза потери увеличиваются на порядок. Если представить идеализиро­ванную схему, где частицы сопрягаются друг с другом так, как показано на рис. 76, то можно объяснить, почему в суспензии при повышенных индукциях такие большие по­тери.

Рис. 76. Модель магнитодиэлектрика в виде пластин правильной фор­мы, сопрягаемых друг с другом шихтовкой.

Этому способствуют частые переходы магнитного по­тока от одной частицы к другой, большое число преодолеваемых поверхностей. Заштрихованные прямоу­гольники на рисунке соответствуют объемам диэлектрика, через которые магнитный поток проходит только после насыщения прилегающих участков ферромагнитных частиц. В модели рис. 76 обращает на себя внимание большое количество переходов, не совпадающих с основным нап­равлением магнитного потока. Эти переходы повторяются с шагом а=а_Fe+а_Д, состоящим из линейного размера час­тиц а_Fe и диэлектрика а_Д. Микрошлифы застывшей суспензии, приведенные, например, в работе [19], показывают, что чем меньше заполнен материал ферромагнитным наполнителем, тем значительнее зоны, заполненные диэ­лектриком. Диэлектрический компонент концентрируется преимущественно по торцам частиц. Точную аналогию с геометрически правильной моделью (рис. 76) провести нельзя. Однако ясно, что периодичность ситуаций кратна протяженности частиц. Подсчитаем из этих предпосылок, чему будут приблизительно равны суммарные потери б суспензии при повышенных частотах:

Р=р_пG+р₃nSk_п

где р_п - удельные потери (на гистерезис, вихревые токи и от других причин) в металле порошка, зависящие от частоты, индукции, размеров частиц; G - масса ферромагнитного на­полнителя; S - сечение; р₃ - дополнительные удельные потери, связанные с искажением поля внутри ферромагнетика и пропорциональные площади сечения магнитопровода в нап­равлении магнитного потока; k_п - коэффициент, учитываю­щий характер и протяженность локальных зон.

График удельных потерь на рис. 77 относится к элек­тротехнической стали, шихтованной в переплет так, как шихтуются пластины трансформаторов.

Рис. 77. Графики зависимости удельных потерь р_п, р₃ и намагни­чивающей мощности q₃ в зазорах магнитопроводов от изменения ин­дукции при частоте 50 Гц.

На рис. 77 представлены также зависи­мости удельных потерь р₃ и намагничивающей мощности q₃, приходящихся на единицу площади зоны сопряже­ния элементов магнитопро­вода, т.е. зазоров в сердеч­нике. Рис. 77 может быть ис­пользован для приближен­ной оценки потерь в конгло­мератах. Оценим, например, материал с коэффициентом заполнения ε=0,99, удельным весом γ=6,72 г/см³ и средним размером ферромаг­нитных частиц 0,7х0,7х0,3 мм, имеющих плоскую форму.

Таблица 9. Сравнительные электротехнические характеристики некоторых магнитомягких материалов

Материал	Hс, А/м	В5, Тл*	В40, Тл*	В250, Тл*	Вч, Тл	γ, г/см^3	ρ*10^8, Ом*м
1	2	3	4	5	6	7	8
Трансформаторная сталь	34	1,28	1,51	1,87	0,8	7,55	55
Динамная сталь	1	1,3	1,6	1,95	1,2	7,85	19
Технически чистое железо	6	1,52	1,65	2,15	≈1,3	7,87	10
Листовая конструкционная сталь	(1...2)*10^2	1,4	1,62	1,95	-	7,75	13
Металлокерамика из железа	(1,5...2)*10^2	1,15	1,43	1,8	≈1	7	-
Стальное литье	(1,5...3)*10^2	1,1	1,55	1,85	-	7,8	17
Ковкий чугун	200	0,9	1,3	1,8	-	7,4	40
Серый чугун	(5...8)*10^2	0,15	0,73	1,5	-	6,8	65
Текстурованная листовая сталь Fe+Al	8	1,75	1,87	1,95	1,5	7,65	40
Марганцово-цинковые ферриты	10	0,43	0,44	0,45	1,12	4,8	410^7
Магнитодиэлектрики карбонильные	(1,5...3)*10^2	0,26	0,3	0,36	0,4	4,2	5*10^8
* В индексе индукции указана напряженность магнитного поля в А/м.

Среднее отношение линейных размеров частиц в зоне сопря­жения l_Fe/l_Д=5. Удельные потери в малоуглеродистой ста­ли при частоте 50 Гц хорошо исследованы (рис. 77). Для индукций 1 и 1,5 Тл они составляют приблизительно 1,35 и 3 Вт/кг. Для 1 кг такого материала в виде куба:

Для индукции 1 Тл значение ρ₃=0,01 Вт/см², поэтому надо ожидать потерь:

где S=L² — площадь переходов; п — число удельных плос­костей сопряжения; P_1,5≈1,3*1+0,01*177*28*1=50 Вт/кг. В пределе аналогичных условий для протяженных нитей (l_Fe/l_Д)²=∞ удельные потери составляют только 1,3 Вт/кг, поскольку второе слагаемое будет равно нулю.

Таким образом, удельные потери в конгломератах могут значительно превышать потери в материале изделия. В от­личие от других материалов потери в ферромагнетике, сос­тоящем из отдельных частиц, зависят не только от частоты и индукции магнитного поля, но и от их формы, количества диэлектрической компоненты. Для небольших образцов и малых индукций вторая составляющая потерь незначитель­на и поэтому ранее не вычислялась. Представление об об­щей картине всего многообразия магнитных материалом дает табл. 9, где приведены основные электротехнические характеристики 11 типов магнитных материалов.