Магнитные материалы: Учеб. пособие

Мишин Д.Д.

Высшая школа, 1981 г.

Часть II

СОВРЕМЕННЫЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Глава десятая. МАГНИТНЫЕМАТЕРИАЛЫ С НАИБОЛЬШЕЙ НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ НАСЫЩЕНИЯ

(ЖЕЛЕЗО, ЖЕЛЕЗОКОБАЛЬТОВЫЕ СПЛАВЫ)

Магнитные МАТЕРИАЛЫ с наибольшей намагниченностью насыщения применяются главным образом для изготовления магнитопроводов, основным требованием которых является получение наибольшей плотности магнитного потока. Магнитнаяпроницаемость этих материалов, особенно при больших индукциях, должна быть возможно большей.

§ 10.1. Химический состав

Наиболее распространенным магнитнымматериалом с наибольшей намагниченностью насыщения является железо, с возможно меньшим количеством примесей— технически чистое железо. При эксплуатационной температуре из всех существующих магнитныхматериалов железокобальтовые сплавы обладают наибольшей намагниченностью насыщения (5₈=2,43Тл), превышающей на 13% намагниченность насыщения железа.

Выплавка железа, как правило, производится в основных мартеновских печи. Приводим химический состав железа по примесям, зависящий от технологических процессов и шихтовых материалов: С<0,035%, Mn<0,3%, S<0,03%, Р<0,02%, Si<0,3%, Cu<0,3%. Такое содержание примесей в железе существенно влияет на форму кривой намагничения, особенно в слабых н средних полях, но практически не изменяет намагниченности насыщения.

Сильное влияние на магнитнуюпроницаемость оказывают углерод, кислород н сера. Это связано с уменьшением растворимости перечисленных элементов в железе при понижении температуры. Растворимостьуглерода и азота в железе при пониженных температурах приведена в табл. 10.1.

Как видно из таблицы, почти весь углерод при комнатной температуре находится в нерастворенном состоянии. Растворимостьазота значительно превышает растворимостьуглерода в железе. Это объясняется тем, что атомныйрадиусазота (0,071 нм) меньше атомного радиусауглерода (0,077 нм). Упругие поля напряжений вблизи атомовазота должны быть меньше, чем вблизи внедренных в решеткуатомов углерода. Этим объясняется меньшее влияние азота на коэрцитивную силу железа Данные по растворимостикислорода в железе приведены в табл. 10.2. Как видно из этой таблицы, Растворимостькислорода в значительной степени зависит от состояния железа и способа предварительной обработки. Это свидетельствует о том, что Растворимостькислородасвязана со структуройдефектов кристаллической ре-тетки железа. Растворимость и влияние кислорода на МАГНИТНЫЕсвойства железа зависят от содержания в нем углерода. Растворимость серы в железе еще мало изучена, она составляет 0,02% при 900° С и уменьшается при охлаждении (при 700° С приближается к нулю). Примесный водород из-за малого атомного радиуса мало влияет на МАГНИТНЫЕсвойства железа. Однако при наличии микроскопических дефектов, заполненных водородом, коэрцитивная сила железа растет. Влияние небольших количеств (~0,5%) меди, марганца и никеля на МАГНИТНЫЕсвойства незначительно.

Примесь алюминия сопровождается образованием окислов и нитридов алюминия, которые препятствуют росту зерна при отжиге и вызывают увеличение коэрцитивной силы железа. Кремний оказывает благоприятное действие на магнитнуюпроницаемость — связывает кислород и способствует обезуглероживанию, что приводит к росту магнитной проницаемости.

Удаление неметаллических примесей из железа производится посредством отжига в водороде. Такие примеси при высоких температурах диффундируют сквозь металл и соединяются с водородом.

Кислород, углерод и азот при отжиге в сухом водороде удаляются значительно легче, чем сера. Фосфор почти пс взаимодействует с водородом. Во влажном водородескорость удаления углерода возрастает. Скорость удаления примесей определяется в основном коэффициентом их диффузии, т. е. временем, необходимым для уменьшения количества примесей до 0,1 ее первоначального количества.

Коэффициенты диффузии одних примесей могут зависеть от других примесей. Так, например, углерод уменьшает коэффициентдиффузии серы. Сера уменьшает коэффициентдиффузииуглерода и кислорода, но увеличивает коэффициентдиффузии азота. Удаление неметаллических примесей происходит путем образования соединенийводорода с примесями (после диффузиипримеси на поверхность металла. Необходимое количество водорода для соединения с данным количеством примесей рассчитывается по константамравновесия соответствующих реакций, если количество примесей превышает предел растворимости.

Азот сравнительно легко удаляется из железа путем образования соединенияаммиака с водородом, но с повышением температурыравновесияконцентрацияаммиака уменьшается. При 400° С водород может находиться в равновесии с 35%, а при 574° С — с 15% аммиака. Следовательно, более низкие температуры способствуют разложению нитридов, если процессдиффузии идет с достаточной скоростью. Трудность удаления серы связана не только с ее малыми коэффициентами диффузии, по и с большой упругостью паров серы при равновесии при высокой температуре (около 26,6 Па при 1250° С).

При уменьшении содержания примеси ниже пределарастворимости при данной температуре равновесное отношение парциального давленияводорода к парциальному давлению газообразного соединения увеличивается. На рис. 10.1 показано, как влияет рафинирующий отжиг железа в водороде на максимальную проницаемость железа. Влияние примесей углерода на МАГНИТНЫЕсвойства железа приведено на рис. 10.2. Следует отметить, что для удаления углерода применялись различные термические обработки, которые сами по себе тоже влияют па кривую намагничения.

Экспериментально было обнаружено, что сплавы железа с кобальтом обладают большей индукцией насыщения, чем железо. На рис. 10.3 представлена зависимость индукции насыщения от состава железокобальтового сплава.

При составе 50%Feи 50%Со индукция насыщения достигает максимального значения. Для повышения пластичности,   необходимой для холодной прокатки, в этот сплав прибавляется около 2%V. Сплав с составом 49%Со, 49%Fe, 2%Vназывают пермеидюром. Диаграмма фазового равновесиясистемы железо—кобальт приведена на рис. 10.4. Добавление 2%Vсопровождается малозаметным изменением этой диаграммы.