Магнитные материалы
Преображенский А.А.
Высшая школа, 1965 г.
КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ
Магнитномягкие материалы принято классифицировать по их основному химическому составу, который в значительной степени определяет технологию производства, свойства и области применения материала.
В соответствии с этим различают следующие группы магнитомягких материалов.
1. Технически чистое железо. Под названием «технически чистое железо» понимают железо промышленной степени чистоты с ограниченным количеством примесей. К этой группе относятся низкоуглеродистая электротехническая сталь, электролитическое и карбонильное железо.
Технически чистое железо является дешевым и технологичным материалом, оно хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках. Железо обладает высокими магнитными свойствами в постоянных полях. Основной недостаток железа состоит в малом значении удельного электрического сопротивления, что ограничивает область его применения как магнитного материала постоянными магнитными полями. В переменных полях железо применять нецелесообразно ввиду больших потерь на вихревые токи.
Технически чистое железо имеет очень большое значение как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов.
2. Электротехнические (кремнистые) стали, представляющие собой твердый раствор кремния в железе.
'К достоинствам электротехнических сталей относятся большие значения удельного электрического сопротивления и высокие магнитные свойства. К основным недостаткам следует отнести повышенную твердость и хрупкость, а также пониженные по сравнению с железом значения индукции насыщения. Электротехнические стали изготовляются горячекатаные с изотропными магнитными свойствами и холоднокатаные—малотекстурованные и текстурованные с анизотропией магнитных свойств.
Электротехнические стали по объему применения занимают первое место среди всех других ферромагнитных материалов и находят самое широкое применение в качестве магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, дросселей и других устройств при их работе в полях промышленной частоты и до 400— 500 гц в области малых, средних и сильных полей. Иногда целесообразно также их применение в постоянных полях и при повышенных частотах (до 10 кгц).
3. Пермаллои, представляющие собой сплавы железа с никелем, обычно легированные молибденом, хромом и некоторыми другими элементами.
Основное достоинство пермаллоев — очень высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малая величина коэрцитивной силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения и сравнительно высокая стоимость. Необходимо также учитывать, что высокие магнитные свойства у пермаллоев могут быть получены лишь в результате отжига готовых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение.
Пермаллои находят широкое применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств при их работе в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц, а для микронного проката и до более высоких частот.
4. Магнитномягкие ферриты, представляющие собой твердый раствор ферромагнитного и неферромагнитного ферритов. Наибольшее применение имеют марганеццинковые (низкочастотные) и никельцинковые (высокочастотные) ферриты.
Удельное сопротивление ферритов в 10^6—10^13 раз больше удельного сопротивления металлических материалов и, следовательно, потери на вихревые токи соответственно меньше. Это позволяет использовать ферриты в областях звуковых и радиочастот. К недостаткам ферритов следует отнести низкие значения индукции насыщения, сравнительно малые величины магнитной проницаемости, большую зависимость магнитных свойств от температуры, значительные хрупкость и твердость. Применение магнитномягких ферритов в постоянных полях или в полях промышленной частоты нецелесообразно.
5. Магнитодиэлектрики, представляющие собой конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого разделены между собой в электрическом отношении изолирующими пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.
Магнитодиэлектрики так же, как и ферриты, обладают большим удельным электрическим сопротивлением и являются высокочастотными магнитномягкими материалами. Их достоинства по сравнению с ферритами заключаются в более высокой стабильности свойств и в хорошей воспроизводимости характеристик, а .недостатком является более низкое значение магнитной проницаемости. Появление ферритов значительно ограничила применение магнитодиэлектриков.
6. Прочие магнитномягкие материалы. Кроме указанных основных групп магнитномягких материалов, в некоторых случаях возникает необходимость в применении материалов с особыми свойствами, например с очень высоким значением индукции насыщения (пермендюр).
В табл. 2 приведены некоторые свойства различных групп магнитномягких материалов. Данные таблицы являются ориентировочными и могут служить лишь для общей сравнительной, оценки отдельных групп материалов. Свойства внутри каждой группы 1могут меняться в очень широких пределах.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К МАГНИТНОМЯГКИМ МАТЕРИАЛАМ
Магнитномягкие материалы имеют чрезвычайно разнообразное и широкое применение. Их используют в магнитных цепях электрических машин и трансформаторов, измерительных устройств, магнитных усилителей, реле, в качестве магнитных экранов, сердечников катушек индуктивностей и т. п.
В зависимости от конкретных условий применения материала возникают и различные требования к нему. Например, .материал для ..магнитных экранов должен иметь высокие начальную и максимальную проницаемости, для импульсных трансформаторов существенной является скорость нарастания магнитной индукции и форма импульса и т. п.
Однако можно сформулировать и некоторые общие требования, из которых отметим следующие:
Магнитномягкий материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, т. е. гнетерезисная петля для таких мате
риалов должна быть узкой, чему соответствует малое значениекоэрцитивной силы и большое значение магнитной проницаемости, в первую очередь начальной и максимальной. Выполнение этого условия определяет, например, величину тока холостого хода в трансформаторах. По этим параметрам самыми лучшими материалами являются пермаллои. Материал должен обладать большой индукцией насыщения, т. е. обеспечивать прохождение максимальной величины магнитною потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования соответствует получению наименьших габаритов и веса устройства. Поэтому рабочая точка часто выбирается значительно выше той, которой соответствует максимальная проницаемость. Например, для электротехнических сталей максимум проницаемости имеет место при 6000—8000 гс, а рабочая индукция составляет обычно для трансформаторов малой мощности 12 000 гс, для более мощных— 15000 гс. Наибольшей индукцией насыщения обладают железо и электротехнические стали
3. При работе в переменных полях материал должен иметь возможно меньшие полные потери.
Величина потерь может быть весьма велика. Например, в линии передачи мощностью 100 Мва с трансформаторами на концах они достигают 600 кет, что составляет ежегодную потерю 5 млн. кВт. ч.
Потери определяют рабочую температуру магнитопровода, которая не должна превышать допустимой величины.
Снижение потерь повышает энергетический к. п. д., а также позволяет при заданной температуре перегрева повысить рабочую индукцию, в результате чего уменьшится вес и габариты устройства.
Выше было указано, что полные потери состоят из потерь на гистерезис* вихревые токи и дополнительные потери.
Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания. Так как для различных материалов Н,- меняется в десятки и сотни раз, а Вг и Bs только в несколько раз, то в первом приближении потери на гистерезис, отнесенные к одному циклу перемагничивания, пропорциональны коэрцитивной силе, которая должна быть минимальной.
Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления магнитопровода, максимальной индукции и частоты перемагничивания (см. формулу 24). Для уменьшения этих потерь увеличивают электрическое сопротивление (магнитопровода, применяя материалы с большим удельным сопротивлением, а также шихтованные сердечники в виде пакета из тонких электрически изолированных друг от друга пластин.
В последнее время широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с междувитковой электрической изоляцией.
Природа дополнительных потерь является сложной. С ними приходится считаться только на высоких частотах, т. е. для таких материалов, как ферриты и магнитодиэлектрики.
Определение составляющих потерь позволяет найти пути уменьшения полных потерь. Например, с повышением частоты повышается доля потерь на вихревые токи и, казалось бы, для уменьшения полных потерь надо применять более тонкие пластины. Однако известно, что уменьшение толщины проката сверх некоторого критического значения вызывает резкое увеличение потерь.
КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
В качестве основного классификационного признака промышленных сплавов для постоянных магнитов обычно принимают определяющий способ получения данного материала.
По этому принципу магнитнотвердые материалы могут быть разделены на следующие группы.
1. Литые магниты на основе системы железо — никель — алюминий и железо—никель — алюминий — кобальт, в некоторых случаях легированные медью, серой, титаном, ниобием и другими элементами.
Сплавы этой группы характеризуются хорошими магнитными свойствами, 'но плохими механическими качествами (низкой пластичностью и высокой твердостью). Обрабатываются только шлифовкой или электроискровым методом. В процессе изготовления для ряда сплавов применяется термомагнитная обработка, а также направленная кристаллизация, что приводит к повышению магнитных свойств за счет образования магнитной текстуры. Высоко коэрцитивное состояние материалов этой группы объясняется механизмом дисперсионного твердения сплавов (см. § 21). В настоящее время сплавы дисперсионного твердения имеют исключительно большое значение и покрывают приблизительно 80% потребностей народного хозяйства в магнитнотвердых материалах.
2. Магниты, получаемые методами порошковой металлургии, в которых процессы литья заменяются прессованием порошков.
Все магниты этой группы не требуют дополнительной механической обработки. Особенно широко они применяются при изготовлении магнитов, небольших по размерам или имеющих сложную конфигурацию.
В зависимости от особенностей производства и физических процессов образования высококоэрцитивного состояния, магниты из порошков подразделяются на металлокерамические, металлопластические, оксидные, из микропорошков.
Металлокерамические магниты получаются из металлических порошков в результате прессования без связывающего материала и спекания при высокой температуре. По магнитным свойствам они лишь немного уступают литым, то дороже последних.
Металлопласта чески е магниты изготовляются, как и металло-керамические, из порошков, но прессуются вместе с изолирующей связкой и подвергаются нагреву до невысокой температуры, необходимой для полимеризации связывающего вещества. Оли имеют пониженные, ,по сравнению с литыми магнитами, магнитные свойства, 'но обладают большим электрическим сопротивлением, малым удельным весом и относительно дешевы.
Среди оксидных магнитов практическое значение имеют пока только магниты на основе феррита бария (бариевые магниты). Технология их производства имеет мчого общего с производством магнитдамягких ферритов. Применяют как изотропные бариевые магниты, так .и анизотропные, обработанные при изготовлении в магнитном поле. Магнитные свойства бариевых -магнитов в общем ниже, чем магнитов на основе железоникельалюминиевых сплавов, зато оксидные магниты дешевле и не содержат дефицитных элементов, а также имеют очень большое удельное электрическое сопротивление, что позволяет применять их в высокочастотных устройствах.
Магниты из микро порошков в основном изготовляются из железа или железа с кобальтом и на основе системы марганец — висмут. Причина образования высококоэрцитивного состояния в этих материалах объясняется особенностями намагничивания однодоменных частиц. Пока еще магниты из микропорошков не имеют промышленного применения, но с теоретической точки зрения они являются весьма перспективными.
3. Стали, закаливаемые на мартенсит: хромистые, вольфрамовые и кобальтовые.
Материалы этой группы имеют значительно более низкие, по сравнению со сплавами дисперсионного твердения, магнитные параметры, но обладают хорошими механическими свойствами: в процессе изготовления могут подвергаться ковке и прокатке при высоких температурах, а также удовлетворительно обрабатываются резанием. Образование высококоэрцитивного состояния в материалах этой группы объясняется мартенситным строением, возникающим в результате закалки. Магниты из мартенситных сталей .применяются в настоящее время относительно редко и только в устройствах, для которых вес и габариты не являются существенными.
4. Прочие материалы для постоянных магнитов.
В некоторых случаях к механическим или магнитным свойствам материалов для постоянных магнитов предъявляются особые требования. Например, для звукозаписи магнит должен быть изготовлен в виде тонкой проволоки или ленты. Для этого не подходит ни один из перечисленных выше материалов. В этом случае применяют пластически деформируемые магнитнотвердые сплавы: кунико, кунифе, викаллой и некоторые другие. Иногда в качестве основного требования выдвигается условие применения материала с .максимальным значением коэрцитивной силы, чему соответствуют сплавы на основе благородных металлов, например сплав сигманал (Ag — Mn — А1) или .платина — кобальт, для которых Hc достигает 5000—6000 э.
Эти и подобные магнитнотвердые материалы имеют весьма ограниченное применение, поэтому они объединены при дальнейшем рассмотрении в одну группу.