Магнитные материалы
По значению магнитной проницаемости материалы разделяются на пара-, диа- и ферромагнитные. При магнитной проницаемости, близкой к единице, материалы относятся к первым двум группам. Ферромагнитные материалы имеют магнитную проницаемость, равную сотням и десяткам тысяч единиц (гаусс/эрстед).
В радиотехнике и электротехнике особенно активно применяются ферромагнитные материалы. Они прекрасно намагничиваются в относительно не сильный магнитных полях и сохраняют намагниченность при удалении внешнего поля. К числу ферромагнетиков относятся такие металлы, как железо, кобальт, никель, кое-какие их окислы и сплавы.
Сущность ферромагнетизма сводится к следующему. Атомы ферромагнитных элементов имеют недостроенные внутренние электронные слои, а соотношение диаметров атома и незаполненного слоя у них больше 1,5. При таких условиях в кристалле ферромагнитного тела существуют области, именуемые доменами, в которых поясницы электронов находятся параллельно, снабжая самопроизвольную намагниченность этих областей.
Векторы намагниченности соседних доменов разны, благодаря чего средняя намагниченность ферромагнитного тела равна нулю.
При внесении ферромагнетика в магнитное поле в нем неспешно происходят трансформации (рис. 1), приводящие к состоянию, в то время, когда все домены имеют однообразное направление спинов электронов, совпадающее с направлением внешнего магнитного поля, обозначенного стрелкой Н вверху слева рис. 2. Процесс намагничивания возможно проиллюстрирован прекрасно известной из электротехники кривой намагничивания и петлей гистерезиса, представленными на рис.
2, где кривая 1 есть начальной кривой намагничивания, а кривая 2 показывает изменение магнитной индукции при намагничивании и последующем размагничивании в зависимости от напряженности поля.
Рис. 1. Изменение положения доменов при намагничивании: а и б — при повышении магнитного поля; в — материал намагничен до насыщения
Рис. 2. Петля гистерезиса (2) с первичной кривой намагничивания (1) и графиком магнитной проницаемости (3)
По петля гистерезиса и кривой намагничивания определяются такие главные магнитные характеристики, как магнитная проницаемость, остаточная индукция и коэрцитивная сила.
Перечисленные магнитные особенности характеризуют поведение магнитных материалов в постоянных либо медлительно изменяющихся магнитных полях. При работе в переменных полях, при перемагничивании ферромагнетиков наблюдаются утраты энергии на гистерезис и на вихревые токи.
Утраты на гистерезис за один цикл перемагничивания смогут быть выяснены по площади петли гистерезиса (рис. 2).
Утраты на вихревые токи численно пропорциональны квадрату частоты тока и обратно пропорциональны электрическому сопротивлению магнитного материала.
Нужно отметить еще одну особенность поведения ферромагнетиков — явление магнитострикции, заключающееся в трансформации линейных размеров ферромагнитных материалов при размагничивании и намагничивании их, происходящем за счет трансформации энергии движения и характера электронов их сотрудничества.
Коэрцитивная сила, магнитная остаточная индукция и проницаемость ферромагнетиков зависят от состава, от фазового и структурного состояния, к примеру, от дисперсности фаз, размеров и формы зерен, взаимного расположения и ориентировки их, от искажений кристаллической решетки. Не просто так магнитные сплавы довольно часто именуют прецизионными, правильными. Высокие магнитные характеристики их достигаются не столько определенным легированием, сколько верным и, в основном, совершенно верно выполненным режимом обработки.
По характеру кривой гистерезиса магнитные материалы делятся на две группы: магнито-жёсткие и магнито-мягкие.
Рис. 3. Кривые гистерезиса магнито-твер-дого (а) и магиито-мягкого (б) материалов
Магнито-жёсткие материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса (рис. 3,а). Высокие значения коэрцитивной остаточной индукции и силы этих материалов, и неизменность указанных особенностей во времени нужны при создании постоянных магнитов.
Магнито-жёсткие материалы получаются методом легирования ферромагнитных металлов, при котором образуются избыточные вторые фазы. Приобретаемые сплавы подвергаются термической обработке, информирующей материалу мелкозернистое строение осно вы, высокую дисперсность напряжённость и второй фазы кри сталлической решетки. Наряду с этим полезно подметить, что обработ ка, вызывающая увеличение магнитной твердости материала, со общает ему высокую механическую твердость.
В качестве материалов для постоянных магнитов исполь зуются углеродистые и легированные стали, и сплавы ти па алнико, магнико и другие.
Углеродистые стали марок У10 и У12, закаленные на мартенсит, имеют высокую коэрцитивную силу (до 55 э), обусловленную остаточными напряжениями и искажениями решётки, появляющимися в следствии процесса превращения высокоуглероди-стого аустенита в мартенсит. Но использование этих сталей для магнитов ограничено ввиду малой прокаливаемости их и низкой стабильности мартенситной структуры в ходе нагрева.
Хромистые стали, которые содержат 1—3% Сг, имеют тот же уровень магнитных черт, что и стали У10 и У12, но громадная прокаливаемость их позволяет изготавливать магниты громадных размеров.
Кобальтовые стали ЕХ5К5, ЕХ9К15М, которые содержат не считая хрома еще и кобальт, имеют высокие магнитные особенности, но дефицитность кобальта ограничивает использование этих материалов.
Для обеспечения неоднородного напряжённости и мелкодисперсного строения, а следовательно, и высокой магнитной твердости хромистые и кобальтовые стали подвергают сложной термической обработке, складывающейся из нормализации, закалки, обработки холодом и отпуска. Наряду с этим первый нагрев (1000— 1250 °С) снабжает растворение карбидов в аустените, закалка с температур 830—1050° придает сплаву мелкоигольчатую мартенситную структуру с некоторым числом остаточного аустенита, обработка холодом приводит к превращению аустенита в мартенсит и придает стали однородную ферромагнитную мартенситную структуру с высокими чертями магнитных особенностей. Отпуск при 100° повышает стабильность структуры, но коэрцитивная сила наряду с этим пара понижается за счет частичного снятия искажений пространственной решетки.
Термическая обработка его пребывает в нагреве до 1300° и охлаждении в межполюсном пространстве сильного электромагнита до 500°, предстоящее охлаждение ведется простым порядком на воздухе. По окончании таковой обработки материал владеет анизотропией магнитных особенностей: в направлении действия внешнего поля они оказываются более высокими. Это разъясняется тем, что при переходе из парамагнитного в ферромагнитное состояние в ходе закалки в магнитном поле происходит поворот микрообъемов спонтанного намагничивания в одном направлении, совпадающем с силовыми линиями поля.
Магиито-мягкие материалы в отличие от магнито-жёстких характеризуются прежде всего низкой коэрцитивной силой, и высокой магнитной малыми и проницаемостью утратами при перемагничивании. Такие материалы используются в качестве магнитопроводов, электромагнитных сердечников, трансформаторов, реле и т. д. Магнито-мягкий материал, отличающийся низкой коэрцитивной силой, должен иметь не искаженную как у магнито-жёстких, а равновесную крупнозернистую структуру. Этому требованию удовлетворяют в первую очередь технически чистые металлы, в частности железо, и малоуглеродистые и легированные сплавы и стали на базе кобальта и никеля.
Техническое железо, применяемое в качестве магнито-мяг-кого материала, возможно различным по содержанию примесей. Так, к примеру, суммарное количество примесей С, Мп, Si, S, Р и Си в железе марки А образовывает около 0,3%, а в железе Э — около 0,65%. Указанные примеси влияют на магнитные особенности железа; повышение количества их приводит к снижению магнитной проницаемости и повышение коэрцитивной силы. Магнитные особенности зависят кроме этого и от структурного состояния железа.
При наклепе магнитные особенности быстро ухудшаются, а при укрупнении зерна постоянно совершенствуются. С целью укрупнения зерна и снятия наклёпа, а следовательно, уменьшения коэрцитивной увеличения и силы магнитной проницаемости железо подвергают отжигу при большой температуре. Железо как магнито-мягкий материал употребляется в качестве сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока.
Наровне с хорошими магнитными особенностями железо имеет значительный недочёт, оно владеет высокими утратами мощности на вихревые токи благодаря малого электросопротивления.
Малоуглеродистые стали марок 10, 20 также будут быть использованы в качестве магнито-мягких материалов.
Электротехническая сталь является сплавомжелеза с 0,5—4,5% Si. Кремний образует с железом жёсткий раствор, благодаря чего удельное электросопротивление приобретаемой стали (около 50 ом • см) существенно выше, чем железа (10 ом • см). Так утраты на вихревые токи в электротехнической стали если сравнивать с железом значительно снижаются.
Но направляться учитывать, что благодаря искажению решетки железо-кремнистый жёсткий раствор имеет более высокую коэрцитивную силу, чем железо. Исходя из этого электротехническую сталь подвергают высокому нагреву для выращивания зерна, что содействует понижению коэрцитивной силы. Эта сталь поставляется в виде узких страниц и употребляется для того чтобы трансформаторов, магнитопроводов электрических автомобилей переменного и постоянного тока.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) характеризуются структурой жёсткого раствора. Они имеют высокое значение начальной магнитной проницаемости, что принципиально важно для устройств, трудящихся в не сильный полях (радио, телефон, телеграф). Простой пермаллой содержит 78,5% Ni и 21,5% Fe.
Данный сплав неординарно чувствителен к наклепу, повышающему коэрцитивную силу его в десятки раз, и к скорости охлаждения в ходе термической обработки.
Не считая двойных железоникелевых сплавов используют и более сложные, легированные молибденом, медью и хромом, повышающими электросопротивление и разрешающими использовать сплавы при повышенных и высоких частотах тока. Помимо этого, молибден снижает чувствительность к наклепу, а медь повышает стабильность особенностей.
Альсифер является сплавомсостава 5,4% А1, 9,6% Si и 85% Fe. Он владеет высокой магнитной проницаемостью и в полной мере может заменить Дорогостоящий сплав пермаллой. Недочёт его — высокая хрупкость, благодаря чего изготовление страниц из него не производится, сплав употребляется в виде порошка.
Электротехнические стали имеют маркировку Э11, Э12, Э21 и т. д., где Э — электротехническая, первая цифра — среднее значение кремния в процентах, вторая цифра — магнитные особенности (чем больше цифра, тем выше свойства), нуль по окончании цифр— холоднокатанная текстурованная сталь, два нуля — холоднока-танная малотекстурованная сталь. К примеру, марка Э12 — электротехническая, горячекатанная сталь, с 1% Si; марка Э1200 — такая же сталь, но холоднокатанная малотекстурованная.
Пермендюр складывается из 50% Со, 1,8% V, другое железо; имеет высокую индукцию насыщения; используется для подробностей, осуществляющих концентрацию магнитного потока в телефонах, микрофонах, осциллографах.
Для концентрации магнитного потока используются кроме этого ферриты, являющиеся ферромагнитными полупроводниками с электронной проводимостью и воображающие собой поликристаллические вещества, складывающиеся из окислов металлов, к примеру, магнитный феррит NiO • Fe203 складывается из железа и окислов никеля.
