Материалы электронной техники. Учебник

В. В. Пасынков, В. С. Сорокин

Лань СПб, 2001 г.

§ 10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Применяемые в электронной технике магнитные материалы подразделяют на две основные группы: магнитомягкие и магнитотвердые. В отдельную группу выделяют материалы специализированного назначения.

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых МАГНИТНЫХ полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магннтопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, МАГНИТНЫХ систем электроизмерительных приборов и т. п.

К магншпотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой Ис. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < < 800 А/м, а магнитотвердыми — с Hс >* 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а в лучших магннтотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

По масштабам применения в электронной технике среди материалов специализированного назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы. Внутри каждой группы деление МАГНИТНЫХ материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства. Детальная КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ материалов, положенная в основу их изучения, дана на рис. 10.1.

S 10.2. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ И НИЗКОЧАСТОТНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ

Основные требования к материалам. Помимо высокой магнитной проницаемости и малой коэрцитивной силы магнитомягкие материалы должны обладать большой индукцией насыщения, т. е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы.

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь возможно меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи.

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах выбирают магнитомягкие материалы с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них

Важным требованием к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств как во времени, так и по отношению к внешним воздействиям, таким, как температура и механические напряжения. Из всех МАГНИТНЫХ характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила.

Железо и низкоуглеродистые стали. Основным компонентом большинства МАГНИТНЫХ материалов является железо. Само по себе железо в элементарном виде представляет собой типичный магнитомяг-кий материал, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2,2 Тл).

Особо чистое железо (электролитическое, карбонильное), содержащее малое количество примесей (менее 0,05%), получают двумя сложными способами.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4—6 мм) после тщательной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах; подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению

Fe(CO)B = Fe + 5CO

Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия окиси углерода на железо при температуре около 200°С и давлении примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид тонкого порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных МАГНИТНЫХ сердечников (см. § 10.3). В карбонильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содержится углерод.

Магнитные свойства различных видов чистого железа приведены в табл. 10.1. Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела растворимости. Низким пределом растворимости в железе обладают углерод, кислород, азот и сера. Соответственно, эти Примеси оказываются и наиболее вредными. При охлаждении металла после термообработки такие Примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые затрудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механических напряжений. Из табл. 10.1 видно, что магнитные свойства даже лучших промышленных разновидностей железа далеки от того, чего можно добиться, используя современные технологические методы получения чистых и однородных по структуре металлов. Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Обычное технически чистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08—0,1%.

Кремнистая электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO2. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к уменьшению Нс и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии /С, [см. выражение (9.7)) в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% Si. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойства стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения, так как кремний является немагнитным компонентом. Одновременно наблюдается понижение точки Кюри; например, у стали, содержащей 4% Si, 7V = 740°C против 769°С для чистого железа. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность МАГНИТНЫХ свойств стали во времени.

Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией, подобной анизотропии чистого железа, т. е. направление легкого намагничивания совпадает с кристаллографическим направлением [100], а наиболее трудное намагничивание совпадает с пространственной диагональю [111) кубической элементарной ячейки. свойства стали значительно улучшаются за счет образования магнитной текстуры при холодной прокатке и последующего отжига в водороде.

При холодной прокатке происходит сильное обжатие материала; возникающие деформации вызывают преимущественную ориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900—1000°С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен), в результате которой кристаллические зерна осями легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката, как показано на рис. 10.2. Получается так называемая ребровая текстура. При этом кристаллографические плоскости типа (ПО) большинства кристаллических зерен располагаются параллельно плоскости прокатки.

Текстурованная сталь анизотропна по свойствам: вдоль направления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Объясняется это тем, что намагничивание вдоль направления прокатки осуществляется в основном за счет смещения доменных границ. Вращение МАГНИТНЫХ моментов, затрудняющее намагничивание, выражено очень слабо. На рис. 10.3 показаны кривые намагничивания текстурованной стали под различными углами относительно направлении прокатки. Наихудшие свойства наблюдаются при намагничивании под углом 55° к направлению прокатки. Из рис. 10.2 видно, что в случае ребровой текстуры угол 55° соответствует направлению наиболее трудного намагничивания.

Эффективное использование текстурованных сталей возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направлении легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Толщина листов стали 0,05—1 мм. сталь различных классов предназначается для изготовления МАГНИТНЫХ цепей аппаратов, трансформаторов, приборов, электрических машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20—25%, а в радиотрансформаторах— на 40%.

Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы (рис. 10.4); соответственно увеличиваются и потери на гистерезис.

Значения МАГНИТНЫХ параметров и удельного сопротивления для электротехнической стали различных марок в обобщенном виде представлены в табл. 10.1. Использование листовых и ленточных сердечников из электротехнической стали на частотах выше 1 кГц возможно лишь при существенном ограничении магнитной индукции, так, чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.

Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои — железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72—80% никеля, а низконикелевые — 40—50% никеля.

Изменение основных МАГНИТНЫХ свойств и удельного сопротивления нелегированных пермаллоев в зависимости от состава сплава показано на рис. 10.5. Наибольшая начальная и максимальная магнитная проницаемость получается у сплава, содержащего 78,5% Ni. Очень легкое намагничивание этого сплава в слабых полях объясняют практическим отсутствием у него магнитной анизотропии и явления магнито-стрикции. Вследствие слабой анизотропии облегчается поворот магнитных моментов из направления легкого намагничивания в направление поля, а благодаря отсутствию маг-нитострикции при намагничивании не возникает механических напряжений, затрудняющих смещение доменных границ под действием слабого поля.

Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т. д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.

Из рис. 10.5 можно заключить, что индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев почти в два раза ниже, чем у электротехнической стали, и в полтора раза ниже, чем у низконикелевых пермаллоев. Магнитные проницаемости высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и намного превосходит проницаемости электротехнических сталей. Удельное сопротивление высоконикелевых

пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты (см. рис. 9.17), причем тем резче, чем больше ее первоначальное значение. &го объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления. Стоимость пермаллоев определяется содержанием в их составе никеля. Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермаллоев вводят ряд добавок.

Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность к механическим деформациям. Однако одновременно с этим снижается индукция насыщения. Медь увеличивает постоянство ц. в узких интервалах напряженности магнитного поля, повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также делает сплавы легко поддающимися механической обработке. кремний и марганец в основном только увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.

Диапазон изменения МАГНИТНЫХ свойств и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл. 10.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.

Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяют для изготовления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей МАГНИТНЫХ цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Из сплава 50НХС выполняют сердечники импульсных трансформаторов и аппаратуры связи звуковых и высоких частот в режиме без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и МАГНИТНЫХ экранов, при толщине 0,02 мм — сердечников импульсных трансформаторов, МАГНИТНЫХ усилителей и бесконтактных реле.

В марках пермаллоев буква Н означает никель, К — кобальт, М — марганец, X — хром, С — кремний (силициум), Д — медь; дополнительная буква У — сплав с улучшенными свойствами, П — с прямоугольной петлей гистерезиса (марки П рассмотрены в§ 10.4). Цифра в марке указывает процентное содержание никеля.

Кроме наиболее освоенных в промышленном производстве марок пермаллоев представляет интерес сплав, получивший название супермаллой с очень высокими магнитными свойствами в слабых полях. Сведения о его составе и свойствах для сравнения приведены также в табл. 10.1.

Сильная зависимость МАГНИТНЫХ свойств пермаллоя от механических напряжений вынуждает принимать специальные меры защиты сердечников, поскольку механические нагрузки неизбежно возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно кольцеобразные ленточные сердечники из пермаллоя помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. В целях амортизации динамических нагрузок свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют каким-либо эластичным веществом.