ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк7-Магнітні матеріали

Магнітотверді матеріали мають велику коерцитивну силу

(Hс 4000 А/м) і велику залишку індукцію (Вr 0,1 Тл). В них широка петля гістерезису. Ці матеріали важко намагнічуються, а будучи намагніченими,

можуть декілька років зберігати магнітну енергію, тобто служать джерелом постійного магнітного поля. Магнітотверді матеріали використовують, го-

ловним чином, для виготовлення постійних магнітів.

За складом всі магнітні матеріали поділяються на металеві і неме-

талеві. До металевих магнітних матеріалів відносять чисті метали (залізо,

кобальт, нікель) і магнітні сплави деяких металів. До неметалевих магнітних

матеріалів відносять ферити.

4 Магнітом’які матеріали.

Основними металевими магнітом’якими матеріалами, які використо-

вуються в електротехніці, є низьковуглецева сталь, крем’янисті електротех-

нічні сталі, пермалої, альсифери та ін.

Технічно чисте залізо містить мало домішок (0,05…0,1%). Його одержують або шляхом електролізу (електролітичне залізо), або шляхом

термічного розкладання пентакарбонілу		заліза (Fe(CO)5) (карбонільне залі-
зо). Недоліком	чистого заліза є низьких питомий електричний опір. Залізо
володіє високими магнітними властивостями в постійних полях.
Основні	характеристики: п =	250…400; мах = 3500…4500;

= 0,1 ∙ 10-6 Ом м; ВS = 2,18 Тл; НС = 50…100 А/м.

Технічно чисте залізо використовується для виготовлення виробів,

які призначені для роботи в постійних магнітних полях. Залізо також вико-

ристовується для одержання феромагнітних сплавів.

Низьковуглецева електротехнічна сталь – різновид чистого заліза.

До її складу входить 0,04 % вуглецю та не більше 0,6% домішок. Магнітна проникність мах 3500…4500, коерцитивна сила Нс 65 – 100 А/м.

Крем’яниста електротехнічна сталь – це низьковуглецева сталь

(0,08 % вуглецю), в яку вводять кремній (0,8…4,8 %) з метою поліпшення її

113

магнітних властивостей (підвищення питомого електричного опору, почат-

кової магнітної проникності, зниження коерцитивної сили та зниження маг-

нітних втрат). Значне підвищення вмісту кремнію підвищує крихкість сталі,

вона стає непридатною до штампування.

Розрізняють гарячекатану та холоднокатану крем’янисту сталь. Хо-

лоднокатані крем’янисті сталі, в яких кристали заліза розміщені переважно в напрямку прокатки, називаються текстурованими. Магнітні властивості та-

ких сталей вздовж прокатки значно вищі, а ніж поперек прокатки.

Основні характеристики: п = 200…600; мах = 3000…8000;

= (0,17…0,6) ∙ 10-6 Ом м; ВS = 1,95…2,02 Тл; НС = 10…65 А/м.

Електротехнічна сталь виготовляється у вигляді листів, рулонів або стрічок і призначається для виготовлення магнітопроводів. Для зменшення втрат на вихрові стуми на листи може наноситися електроізоляційний лак.

Пермалої – пластичні залізо-нікелеві сплави із вмістом нікелю від

36 до 80 %. З метою покращення тих або інших властивостей у сплави вво-

дять молібден, хром, мідь, марганець та кремній, отримуючи при цьому ле-

говані пермалої.

Пермалої, які містять 36…50 % нікелю, називаються низьконікеле-

вими, а 60…80 % – високонікелевими.

Всі пермалої відрізняються високим рівнем магнітних характерис-

тик. Це забезпечується не тільки їх складом і хімічною чистотою сплаву, а

також спеціальною термічною обробкою. Сплав нагрівається зі швидкістю

400..500°С в годину, витримується протягом 3…6 годин при температурі

1000…1150°С і потім повільно охолоджується зі швидкістю 100...200°С за годину до кімнатної температури. Деяким пермалоям потрібне повторне на-

грівання до 600°С і швидке охолодження з швидкістю 150°С в хвилину.

Кращі магнітні характеристики пермалоїв досягаються при випален-

ні їх у вакуумі.

Малими втратами на вихрові струми володіють леговані пермалої із підвищеними значеннями магнітних характеристик.

114

Основні	характеристики	низьконікелевих	пермалоїв:
п = 1500…4000;	мах = 15000…60000;	= (0,45…0,9) ∙	10-6 Ом ∙ м;
ВS = 1,0…1,6 Тл; НС = 5…32 А/м.
Основні	характеристики	високонікелевих	пермалоїв:

п = 700…100000; мах = 50000…300000; = (0,16…0,85) ∙ 10-6 Ом ∙ м;

ВS = 0,65…1,05 Тл; НС = 0,65…6 А/м.

Всі види пермалоїв чутливі до механічних деформацій матеріалу:

наклепу при різанні, штампуванні і інших механічних діях. Тому деталі із пермалоїв, отримані таким чином, потребують додаткової термічної оброб-

ки – випалення. Також недоліком пермалоїв є їх висока вартість.

Пермалої виготовляють у вигляді стрічок товщиною 0,002…0,5 ∙ 10-3 м,

листів товщиною 1..2 ∙ 10-3 м і прутків діаметром 5…50 ∙ 10-3 м і більше. Ни-

зьконікелеві пермалої застосовують для виготовлення осердь дроселів, ма-

логабаритних трансформаторів і магнітних підсилювачів, високонікелеві – деталей апаратури, які працюють при частотах вищих за звукові. Магнітні характеристики пермалоїв стабільні в інтервалі температур від –60 до

+60°С.

Альсифери – нековкі крихкі сплави, які складаються з 5,5…13%

алюмінію, 9…10% кремнію, решта – залізо. Промислові зразки альсиферів мають наступні характеристики: n = 35500; max= 120000; Нс=1,8 А/м;

= 0,8 ∙ 10-6 Ом м; ВS = 1,0 Тл.

Альсифери призначалися для заміни дорогих пермалоїв, але вони замінили пермалої у порівняно обмеженій області застосування. Із альсифе-

рів виготовляють відлиті осердя, які працюють у діапазоні частот не більше

20 кГц, бо на більш високих частотах у них виникають великі втрати на ви-

хрові струми. Із альсиферів виливають деталі з товщиною стінки не менше

2 ∙ 10-3 м – екрани, корпуси приладів, деталі магнітопроводів.

Також існує ряд магнітом’яких матеріалів із спеціальними магніт-

ними властивостями.

115

Пермінвар – це трійний сплав (25% Со, 45% Ni, 30% Fe). Магнітна проникність пермінвару після спеціальної термічної обробки у вакуумі ста-

новить = 300, і залишається постійною при напруженості поля від 0 до

160 А/м, ВS = 1,55 Тл.

Пермендюр – трійний сплав (30…50% Со, 1,5…2% V, все інше – за-

лізо). Сплав має найбільшу індукцію насичення серед феромагнетиків –

ВS = 2,43 Тл.

До сплавів із спеціальними магнітними властивостями відносяться також: кальмалой (Сu-Ni), термалой (Fe-Ni), ізотерм (Fe-Ni-Al-Cu) та ін.

5 Магнітотверді матеріали

Магнітотверді матеріали застосовують для виготовлення постійних магнітів і інших деталей. Постійні магніти повинні створювати в повітряно-

му зазорі між своїми полюсами магнітне поле з постійними по величині на-

пруженістю і магнітною індукцією. Постійний магніт повинен володіти ве-

ликою магнітною енергією, тобто магнітотверді матеріали повинні мати ве-

лику коерцитивну силу і велику залишкову магнітну індукцію.

У всякого постійного магніту з плином часу зменшується магнітний потік, а значить, і питома магнітна енергія. Цей процес називається старін-

ням магніту.

Один вид старіння настає внаслідок вібрацій, ударів, різкої зміни температури магніту. Такому магніту можна повернути магнітні властивості повторним намагнічуванням. Другий вид старіння зв'язаний зі зміною структури магнітотвердого матеріалу, тому є необоротним. Вимогою, яка також ставиться до магнітотвердих матеріалів, є стійкість до старіння.

Металеві магнітотверді матеріали можна поділити на три основні групи: мартенситні високовуглецеві сталі; сплави на основі заліза- алюмінію-нікелю; металокерамічні матеріали.

Мартенситні сталі. Мартенситна структура у високовуглецевих сталях виготовляється за допомогою їх гартування – нагрівання до температури, при якій сталь становить собою розчин вуглецю у залізі (аустеніт), і

116

наступного різкого охолодження у воді або маслі. При мартенситній структурі кристали заліза різко змінюються – витягуються у довжину, а частина розчину вуглецю, яка залишилася, спричинить внутрішнє напруження. Все це забезпечує магнітну твердість постійним магнітам, виготовленим із мар-

тенситних сталей.

В якості мартенситних сталей застосовують хромисті, вольфрамові і кобальтові сталі. В хромисті сталі в якості легуючої компоненти вводять хром (1,3…3,6%), у вольфрамові – вольфрам (5,5…6,5%) і хром (0,3…0,5%),

в кобальтові сталі – кобальт (5…17%), молібден (1,2…1,7%) і хром

(6…10%). Всі ці сталі також містять 0,9…1,1% вуглецю, решта – залізо.

Основні магнітні характеристики сталевих магнітів: хромистих

Вr = 0,9 Тл; Нс = 4400 А/м; вольфрамових Вr = 1 Тл; Нс = 4800 А/м; кобальто-

вих Вr = 0,8…0,9 Тл; Нс = 1000…13500 A/м. Кращими матеріалами є коба-

льтові сталі, але вони значно дорожчі хромистих і вольфрамових. Всі сталі знаходять обмежене використання в зв'язку із невисоким рівнем їх магніт-

них характеристик.

Залізо-нікель-алюмінієві сплави. Сплави цього складу, леговані коба-

льтом, титаном або ніобієм після особливої термічної обробки мають висо-

кий рівень магнітних характеристик: Вr = 0,9…1,38 Тл; Нс = (42…97)·103 А/м.

Альні – сплав алюмінію нікелю та заліза. Ці сплави мають в 4,5 рази більшу магнітну енергію (до 26 кДж/м3) ніж загартовані на мартенсит сталі.

Альнісі – сплав алюмінію нікелю із доданням кремнію.

Альніко, магніко – сплав алюмінію нікелю із доданням кобальту

(магніко – більш значна частка кобальту). Такі сплави мають магнітну енер-

гію в 15 разів більшу ніш у загартованих на мартенсит сталей.

Ці сплави позначаються марками: ЮНД12 (альні); ЮНДК15,

ЮНДК24, ЮНДК24Б (альніко); ЮНДК35Т5 (магніко) та ін. Букви показу-

ють компоненти, які входять до складу сплавів на основі заліза. Ю – алюмі-

ній, Н – нікель, Д – мідь, К – кобальт, Т – титан, Б – ніобій. Постійні магні-

117

ти із цих нековких сплавів можна отримувати тільки методом лиття з пода-

льшою обробкою їх шліфуванням.

Високий рівень характеристик магнітної твердості магнітів із цих сплавів досягається спеціальною термообробкою. Спочатку нагрівають маг-

ніти до температури 900…1200°С з подальшим охолодженням на повітрі або в воді. При цьому всі складові частини сплаву (алюміній, нікель та ін.)

будуть розчинені в залізі, утворюючи пересичений розчин. Через деякий час розчинені в залізі компоненти сплаву починають випадати у вигляді дрібно-

дисперсних частинок. Останні спричинюють внутрішні напруження в крис-

талах заліза, що забезпечує матеріалу високий рівень магнітної твердості.

Щоб прискорити цей процес проводять відпускання загартованого магніту,

тобто його нагрівають до температури 500…600°С, при якій починають ви-

падати розчинені в залізі компоненти. При цьому витримують критичну швидкість охолодження: 15…20°С в секунду. Описаний процес теплової об-

робки магнітів з цих сплавів називається дисперсійним твердінням і склада-

ється з двох етапів – гартування і відпускання.

Рівень магнітних характеристик у сплавів з вмістом кобальту від

15% і вище можна підвищити з допомогою термомагнітної обробки відли-

тих магнітів. Для цього магніт нагрівають до 1300°С і охолоджують в силь-

ному магнітному полі зі швидкістю 10..15°С в секунду. Внаслідок орієнтації магнітних доменів у напрямку дії зовнішнього магнітного поля, охолоджені магніти набувають магнітну текстуру. Внаслідок цього їх магнітна енергія зростає в середньому на 60…80% за рахунок різкого збільшення залишкової магнітної індукції. Після гартування магнітів у зовнішньому магнітному по-

лі їх піддають відпусканню, тобто повторному нагріванню до 600°С і охоло-

дженню з оптимальною швидкістю (15…20°С/с).

Магніти з цих сплавів більш стійкі до старіння, ніж мартенситні ста-

лі. Недоліком цих сплавів є те, що вони не піддаються звичайним методам механічної обробки внаслідок великої твердості і крихкості. Магніти з цих сплавів можна обробляти тільки шліфуванням.

118

Металокерамічні матеріали (порошкові магніти). Магніти дуже малих розмірів або складної форми в масовому виробництві намагаються виготовляти з металокерамічних матеріалів. Ці матеріали отримують із ме-

талевих порошків, які беруть у співвідношеннях, що забезпечують магнітну твердість магнітам після їх пресування і подальшого спікання при високих температурах. Металокерамічні магніти виготовляють на основі порошків із сплавів: залізо-нікель-алюміній або залізо-нікель-алюміній-кобальт. Чисті метали або їх сплави подрібнюють до частинок розміром 10…75 ∙ 10-6 м. Із порошкоподібної вихідної маси магніти пресують при тиску (10…15)·105

Н/м2. Відпресовані магніти обпікають у захисній атмосфері або у вакуумі при температурі 1100…1300°С. Спечені магніти гартують, а потім відпус-

кають, охолоджуючи з заданою швидкістю. Магніти, до складу яких вхо-

дить кобальт, підлягають термомагнітній обробці під дією зовнішнього маг-

нітного поля. Це покращує їх магнітні характеристики (Вr і Нс).

Металокерамічні магніти в готовому вигляді мають невелику порис-

тість (2…5%), яка трохи знижує їх магнітні характеристики (на 10…20%).

Позитивною якістю металокерамічних магнітів є чистота їх поверхні, яка не потребує допоміжної обробки, і точність заданих розмірів. Магніти з мета-

локерамічних матеріалів можуть оброблятися тільки шліфуванням.

6 Ферити

Ферити виготовляють із порошкоподібної суміші, яка складається з окислу заліза і спеціально підібраних окислів інших металів. Відпресовані феритові вироби підлягають спіканню при високих температурах. Назва фе-

риту визначається назвою двовалентного або одновалентного металу, окис якого входить до складу фериту. Так, якщо до складу фериту входить окис цинку ZnО, то ферит називається феритом цинку, якщо окис нікелю NiО – феритом нікелю і т.п.

119

Ферити, до складу яких, крім окислу заліза Fe2O3, входить тільки один окисел іншого металу, називаються простими. Хімічна формула прос-

того фериту в загальному вигляді записується так:

МеОFе2О3 або МеFе2О4,

Ме – позначення металу, окисел якого входить до складу фериту.

Не всі прості ферити мають магнітні властивості. Так, ферити цинку

ZnFе2О4 і кадмію CdFe2O4 є не магнітними речовинами. Наявність або відсу-

тність магнітних властивостей у простих феритів визначається кристаліч-

ною структурою.

Найкращі магнітні характеристики мають складні або змішані фери-

ти. Це тверді розчини одного простого фериту в другому. В такому випадку можуть бути використані немагнітні ферити в поєднанні з магнітними прос-

тими феритами. Наприклад, твердий розчин двох простих феритів цинку і нікелю утворює змішаний нікельцинковий ферит.

Ферити виготовляють по керамічній технології, тобто вихідні поро-

шкоподібні окисли металів, взяті в обумовленому співвідношенні, подріб-

нюють у кульових млинах. Із цієї суміші тонко помелених порошків пресу-

ють брикети, які підлягають обпаленню в печах. Потім брикети розмелюють і в отриманий тонкодисперсний порошок вводять пластифікатор, наприклад розчин полівінілового спирту. Із отриманої маси пресують феритові вироби

– осердя, кільця, які обпалюють при 1000…1400°С. Отримують тверді і кри-

хкі вироби чорного кольору; їх можна обробляти тільки шліфуванням.

Найбільш широко застосовують змішані магнітом’які ферити: ні-

кель-цинкові, марганець-цинкові, літій-цинкові. Умовне позначення фери-

тів: Н – низькочастотні, НН – нікель-цинкові низькочастотні ферити, НМ – марганець-цинкові, ВТ – ферити з прямокутною петлею гістерезису. Цифри,

які стоять попереду буквених позначень, показують значення початкової магнітної проникності. Наприклад, 4000НМ – марганець-цинковий ферит з початковою магнітною проникністю, рівною 4000.

120

Основні характеристики магнітом’яких феритів такі: щільність 3800-

5000 кг/м3 ; ТК = (5…12)·10-6 1/°С; пористість 1…1,5%; Нс = 0,1…22 А/м.

Позитивними якостями феритів є: стабільність магнітних характеристик в широкому діапазоні частот, малі втрати на вихрові струми і простота виго-

товлення феритових деталей.

Як і всі магнітні матеріали ферити зберігають свої магнітні власти-

вості лише до точки Кюрі. У різних за складом феритів температура Кюрі коливається в широких межах від 45 до 950°С.

Для виготовлення постійних магнітів використовують магнітотве-

рді ферити, найбільше застосування з яких отримали ферити барію ВаО·6Fе2О3. На відміну від магнітном’яких феритів барієві ферити мають не кубічну, а гексагональну кристалічну структуру. Остання обумовлює магні-

тну твердість феритів барію, головним чином, за рахунок великої коерцити-

вної сили. За своєю структурою ферити барію – це полікристалічні матеріа-

ли, які складаються з багатьох кристалічних частинок. При цьому кристалі-

чні частинки орієнтовані довільно, що визначає однаковість властивостей фериту за усіма напрямками. Ці ферити – ізотропні (марка БІ).

Якщо в процесі пресування магнітів порошкоподібну масу піддати дії зовнішнього магнітного поля великої напруженості (Н = 800 А/м), то кристалічні частинки будуть орієнтовані в одному напрямку. Виготовлені таким чином барієві магніти є анізотропними (марка БА). Ці магніти в го-

товому вигляді, тобто після обпалення в печах і намагнічування, володіють більш високим рівнем магнітних характеристик.

Основні характеристики барієвих феритів: щільність 4600…5000

кг/м3; Нс = (128…232) 103 А/м; ВS = 0,2…0,35 Тл; = 450 0С.

Магніти, що виготовлені з барієвих феритів, володіють великим пи-

томим опором, що дає змогу застосовувати їх в області високих частот. Для кращого використання барієвим магнітам надають форму, при якій їх дов-

жина мала в порівнянні з перерізом.

121

Барієві ферити відрізняються стабільністю своїх характеристик, але вони чутливі до різкої зміни температури. Їх виготовляють із недефіцитних порошкоподібних матеріалів (окисли заліза Fе2О3 і вуглекислого барію ВаСО3) методами керамічної технології. Магніти із барієвих феритів значно дешевші магнітів із залізо-нікель-алюмінієвих сплавів та інших металевих матеріалів.

Недоліками всіх феритів є крихкість і можливість обробки тільки шліфуванням. Ферити є магнітними напівпровідниками, і тому з ростом те-

мператури їх питомий опір зменшується, що викликає збільшення втрат на вихрові струми.

Запитання для самоконтролю

1.Як класифікуються матеріали за поведінкою в магнітному полі?

2.Якими характеристиками описують властивості магнітних матеріалів?

3.Що таке початкова крива намагнічування?

4.Що таке гранична петля гістерезису?

5.Як пов’язана доменна структура феромагнетиків із кривою намагнічу-

вання?

6.Що називається магнітним гістерезисом?

7.Що таке початкова та максимальна магнітна проникність?

8.Що таке максимальна та залишкова магнітна індукція? Одиниці вимірю-

вання.

9.Що таке коерцитивна сила? Одиниці вимірювання.

10.Які матеріали називаються магнітом’якими?

11.Які матеріали відносяться до магнітом’яких матеріалів? Властивості.

Область застосування.

12.Які матеріали називаються магнітотвердими?

13.Які матеріали відносяться до магнітотвердих? Властивості. Область застосування.

14.Що таке ферити? Область застосування.

122