Электротехническая сталь

Листовая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалам массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что дает снижение потерь на вихревые токи.

Кроме того, присутствие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали. Это дает увеличение µ_а, уменьшение Н_с и снижение потерь гистерезис.

Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свойства железа, увеличивая его хрупкость и затрудняя прокатку в листы.

При содержании кремния до 4 % сталь обладает еще достаточными механическими свойствами, но при наличии выше 5 % она становится очень хрупкой.

Магнитные свойства текстурированной стали (подвергшейся особой термической обработки) в направлении прокатки значительно выше, чем стали, не подвергшейся подобной обработке. При увеличении содержания кремния снижается плотность стали и возрастает её удельное сопротивление.

Высоколегированная сталь находит применение для сердечников трансформаторов. Текстурированная сталь анизотропна и применяется для сердчников трансформаторов, изготовляемых по способу "намотки". Применение этой стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить вес и габаритные размеры на 20 – 25 %, а в радиотрансформаторах – на 40 %.

Пермаллой и альсифер

Пермаллой – пластинчатые железоникелевые сплавы с содержанием никеля 36 – 80 %. Промышленные сорта пермаллоя имеют следующие характеристики:

µ_н = 4 000 14 000;

µ_м = 30 000 270 000;

Н_с = 2 12 А/м;

ρ=0,25 0,95 Ом·мм²/м.

Пермаллой поставляют в виде лент толщиной 0,002 – 0,5 мм, листов толщиной 1 – 2 мм и прутков диаметром 5 – 10мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей. Высоконикелевые – для изготовления деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых.

Магнитные характеристики пермаллоев стабильны в интервале температур от -60 до +60 ^оС.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5 – 13 % алюминия, 9 – 10 % кремния, остальное – железо. Промышленные сорта альсифера имеет следующие характеристики:

µ_н = 6 000 7 000;

µ_м = 30 000 35 000;

Н_с = 2,2 А/м;

ρ=0,8 Ом·мм²/м.

Альсифер заменил пермаллой в сравнительно ограниченной области применения. Из него изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 50 кГц, т.к. на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Из альсиферы отливают магнитные экраны и другие полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм. Используя хрупкость альсиферы, его размалывают в порошок, служащий ферромагнитным наполнителем в магнитодиэлектриках, используемых на высоких частотах.

Ферриты

Ферриты – вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, а через немагнитный ион кислорода.

Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением, которое превышает сопротивление ферромагнитных металлов и сплавов в 10³...10¹³ раз, и, следовательно, они имеют относительно малые потери в области повышенных частот, что позволяет использовать их в высокочастотных электромагнитных устройствах. Ферриты подразделяются на магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые ферриты. Наибольшее распространение получили магнитотвердые материалы на основе бариевого (стронциевого) феррита BaFe₁₂О₁₉ (BaO – 6Fе₂0₃) и кобальтового феррита CoFe₂О₄, (CoO – Fе₂О_з). Кобальтовый феррит имеет структуру типа шпинели, а бариевый – структуру природного минерала магнитоплюмбита с гексагональной решеткой. Бариевые и стронциевые магниты обладают большой магнитной анизотропией, которая наряду с мелкозернистой структурой приводит к повышенным значениям коэрцитивной силы (до 350 кA/м). Промышленность выпускает бариевые, стронциевые и смешанные бариево-стронциевые ферриты, содержащие изотропные (маркировка БИ) и анизотропные (БА, СА – стронциевый и РА – смешанный) редкоземельные добавки. Технология производства магнитов БИ не отличается от технологии магнитомягких ферритов.

Особенность производства анизотропных магнитов состоит в том, что после предварительного обжига в результате мокрого помола приготовляется полужидкая масса порошка феррита, которая прессуется в сильном магнитном поле при откачке влаги. В результате в материале создается магнитная текстура, и он становится анизотропным. В названии марок первые цифры обозначают значение (BH)_max, три цифры в конце – значение коэрцитивной силы по намагниченности, буквы в середине – тип феррита.

Все магниты, на основе гексагональных ферритов обладают высокой стабильностью при воздействии магнитных полей, вибрации и ударном воздействии, их можно использовать в магнитных цепях, работающих в высокочастотных полях, так как сопротивление бариевых магнитов велико (до 10⁶...10⁹ Ом·м).

К недостаткам бариевых магнитов относятся низкая остаточная индукция, высокая хрупкость и твердость, а также значительная зависимость магнитных свойств от температуры. Кобальтовые ферриты более температуростабильны.

Магнитомягкие ферриты. Химический состав магнитомягких ферритов с высокой магнитной проницаемостью может быть записан химической формулой МеОFе₂О₃, или MeFe₂О₄, где в качестве металла используются двухвалентные ионы Мn²⁺, Fe²⁺, Со²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺, Cd²⁺, Mg²⁺ и др. Ионы двухвалентного металла характеризуют феррит, который получает название по характеризующему металлическому иону, например NiFe₂О₄ – никелевый феррит, ZnFe₂О₄ – цинковый феррит. Кристаллическая структура приведенных ферритов аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl₂O₄, поэтому их называют ферритами со структурой шпинели или феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой наиплотнейшую упаковку образуют большие ионы кислорода (ионный радиус 0,132 нм). Металлические ионы, имеющие меньший ионный радиус (0,04 ... 0,1 нм), располагаются в промежутках (узлах), которые образуются между ионами кислорода.

Магнитомягкие ферриты используют для изготовления сердечников трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных антенн, статоров и роторов высокочастотных электрических моторов небольшой мощности, деталей отклоняющих систем телевизионной аппаратуры. Магнитомягкие ферриты маркируются следующим образом: на первом месте ставится примерное значение магнитной проницаемости, затем стоят буквы, определяющие частотный диапазон. Ферриты для частот 0,1 ... 50 МГц обозначают буквой Н (низкочастотные), для диапазона 50 ... 600 МГц высокочастотные ферриты обозначаются ВЧ. Далее в маркировке следуют буквы, означающие состав материала: М – марганеццинковые, Н – никель-цинковые и т.д. Никель-цинковые ферриты маркируются также маркой ВЧ.

Ферриты получают методом керамической технологии. В промышленности в основном используются метод смешивания оксидов или карбонатов нерастворимых в воде и метод термического разложения солей различных металлов. Наиболее простым является метод смешивания оксидов или карбонатов. Технология получения ферритов по этому методу состоит в следующем: исходные оксиды взвешивают, подвергают первому помолу и тщательному перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах. Затем, после сушки и прессования брикетов (или гранулирования), осуществляют предварительный обжиг при температуре на несколько сот градусов ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол, и порошок и в дальнейшем используют для получения изделий.

Ферритовые спеченные изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью. Ферриты можно обрабатывать абразивным инструментом из синтетических алмазов или подвергать их резке, шлифовке и полировке.