Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Магнитомягкие материалы для сильных токов и промышленных частот




Содержание

Введение

1. Магнитомягкие материалы для сильных токов и промышленных частот

2. Электротехнические стали

3. Магнитомягкие материалы для постоянного тока

4. Магнитомягкие материалы для слабых токов низких и повышенных частот

5. Магнитострикционные материалы

6. Материалы для высоких частот и СВЧ

7. Ферриты

8. Задача

Список используемой литературы


Введение

 

К магнитомягким материалам относятся магнитные материалы с малой коэрциативной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничивания до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводах: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п. Условно магнитомягкими считаются материалы, у которых Нс<800 А/м. Необходимо также отметить что у лучших магнитомягких материалов коэрциативная сила может составлять менее 1 А/м.


Магнитомягкие материалы для сильных токов и промышленных частот

 

Термин "железо" является условным, строго говоря, это название, химического элемента. В промышленном же применении железо всегда содержит примеси, т.е. представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Поэтом, например, в стандартах на магнитные материалы (ГОСТ 3836-47) термин "железо" заменен названием "низко углеродистая электротехническая сталь". Однако такая терминология встречает возражения. Мы будем пользоваться обоими названиями, считая, что технически чистое железо содержит менее 0.1% углерода и минимальное количество серы, фосфора, марганца и других примесей.

Железо является основным компонентом почти всех современных магнитных материалов и его качество как составляющей шихты во многом определяет их свойства. Кроме того, железо применяется и как самостоятельный магнитномягкий, а в последнее время и как магнитнотвердый материал. Вследствие низкого удельного электросопротивления железо применяется только в постоянных магнитных полях.

Магнитные свойства железа, в первую очередь значения магнитной проницаемости в слабых и в средних полях и коэрцитивная сила, могут меняться в очень широких пределах в зависимости от количества и состава примесей, величины зерна, характера термообработки и других причин.

Например, чистейшее железо, полученное П. Чиоффи в результате длительного отжига в водороде при 1480°С, обладало следующими свойствами: µmax=680000. Hc =0.80 а/m=0.010 э; современное промышленное железо соответственно имеет µmax=4500-3500; Hc =6.4-9,6 а/m=0,8-1,2 з. т.е. свойства лабораторного железа в 100-200 раз выше свойств технического.

Такая значительная разница объясняется большим влиянием примесей на свойства железа и трудностями их удаления. Так, для удаления 90% всей содержащейся в железе серы из листа толщиной 0.36 мм требуется выдержка в водороде при 1250°С а течение 30 ч.

Влияние примесей на свойства чистейшего железа приведено в табл.1. Из данных таблицы можно сделать вывоз о том, что самыми вредными примесями являются углерод, кислород и сера.

 

Таблица 1.

 

Кроме химического состава, большое влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно величина зерна. На границах зерен происходит искажение кристаллической решетки и особенно легко выделяются содержащие углерод фазы, поэтому, чем меньше зерен приходится на единицу объема (чем крупнее зерна), тем выше магнитные свойства.

Влияние размера зерна на коэрцитивную силу можно оценить следующей эмпирической формулой:

 

 

где Нс - коэрцитивная сила, э;

d - средний диаметр зерна, см;

А и D - постоянные, зависящие от содержания примесей.

Для чистейшего железа

 

 

для низкоуглеродистой электротехнической стали

 

 

Следовательно, для получения железа с высокими магнитными свойствами необходимо стремиться не только к очистке его от примесей, но и к выращиванию крупного зерна, что достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом).

Железо выплавляется в мартеновских или электрических печах. При этом листы одной плавки имеют магнитные свойства, соответствующие первому, второму, третьему сорту, а возможно и браку. Качество плавки оценивают по процентному соотношению сортов.

Улучшение свойств железа в процессе производства может быть достигнуто в результате многократных переплавок в вакууме, а также различных видов отжига: в водороде, вакууме и др.

При использовании железа в качестве магнитного материала необходимо учитывать эффект старения и влияние на магнитные свойства механических напряжений.

Под магнитным старением обычно понимают увеличение коэрцитивной силы железа со временем, что объясняется структурными превращениями, а именно образованием немагнитных включений определенной степени дисперсности. Типичные кривые магнитного старения низкоуглеродистой стали при различных температурах показаны на рис.18. Коэрцитивная сила может возрасти более чем в 1,5-2 раза. Повышение температуры ускоряет процессы старения.

Уменьшение старения достигается легированием железа некоторыми элементами, например кремнием или алюминием, а так же искусственным отпариванием, которое заключается в выдерживании материала при 100° С в течение 100-150 ч.

Механические напряжения, возникающие при штамповке резке и других видах обработки, а также при растяжении, сжатии или скручивании железа, могут вызвать значительное ухудшение магнитных свойств. Деформация на 0,5-1% вызывает снижение Umax на 25-30% и возрастание Нс на 15-20%.

Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработка деталей. Необходимо также иметь в виду, что магнитные свойства тонких листов железа (меньше 0,5-1 мм) обычно хуже, чем толстых листов.

Все это относится к магнитным свойствам железа в слабых и в средних полях. Проницаемость в сильных полях и индукция насыщения от указанных выше причин зависят мало.

В настоящее время наибольшее применение имеют низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая и сортовая сталь, армко-железо, электролитическое и карбонильное железо.

Низкоуглеродистая электротехническая сталь и армко-железо по существу не имеют между собой различия. Формальная разница между ними заключается в том, что первая изготовляется как тонколистовая (ГОСТ 3836-47) и как сортовая (ЧМТУ 2900-56), а армко-железо используют обычно в виде поковок, полос, прутков и т.п., нормированных по размерам только местными условиями.

Иногда разделение этих сплавов на сталь и железо производят на основе технологических особенностей их изготовления. Однако такое разделение является условным.

В соответствии с ГОСТ 3836-47 сталь низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая содержит не свыше 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей.

Сталь выпускается трех марок (сортов по магнитным свойствам): Э (низший сорт), ЭА (средний сорт), ЭАА (высший сорт), в виде листов тонкого проката, имеющих толщину d = 0,2 - 4,0 мм. Листы поставляются потребителю в отожженном состоянии.

Магнитные свойства материала приведены в табл.2, а типичная кривая намагничивания - на рис.1.

Сортовая сталь выпускается согласно ЧМТУ 2900-56 марки Э в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечения, а также полос. Из магнитных свойств нормируется только коэрцитивная сила (Нс ≤ 1,25 э).

 

Таблица 2

 

Рисунок 1

 

После изготовления изделий из железа для получения высоких магнитных свойств необходимо провести окончательный (повторный) отжиг. Его можно исключить лишь в том случае, если для работы устройства существенными являются свойства в сильных полях, а значения коэрцитивной силы и проницаемостей в слабых и средних полях не играют роли. ГОСТ 3836-47 рекомендует отжиг при температуре 900° С в течение 2 ч без доступа воздуха с медленным охлаждением до 600° С.

Применяя вместо отжига такого рода более сложные виды термической обработки, например повторные отжиги или рафинирующие отжиги в водороде, можно существенно улучшить магнитные свойства железа. Электролитическое железо изготовляется путем электролиза. Осажденное железо после тщательной промывки измельчается в порошок в шаровых мельницах. Ввиду большого насыщения водородом магнитные свойства такого железа являются весьма низкими (Нс = 2-8 э). Однако в результате переплавки в вакууме и многократных отжигов его свойства можно существенно улучшить. Обработанное таким образом электролитическое железо характеризуется следующими средними магнитными свойствами: µa= 500; µmax= 15000; Нс = 0,36 э, что в несколько раз лучше, чем у армко-железа.

Ввиду высокой стоимости электролитическое железо применяется мало.

Карбонильное железо получается посредством термического разложения пентакарбонила железа Fe (CO) 5. При этом в зависимости от условий разложения можно получить железо различного вида: порошкообразное, губчатое и т.п. Для получения высоких магнитных свойств карбонильное железо должно быть подвергнуто термической обработке в водороде, после чего его можно охарактеризовать следующими свойствами: µa = 2000 - 3000; µmax = 20 000-21500; Нс = 0,08 э, что намного выше свойств армко-железа.

Карбонильное железо находит широкое применение в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков. Оно изготовляется также в виде листов различной толщины.

В некоторых случаях вместо технически чистого железа в электропромышленности применяются углеродистые и легированные стали с содержанием 0,1-0,4% углерода. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа. Эти свойства можно улучшить отжигом деталей после их изготовления.

Электротехнические стали

 

Электротехнические стали представляют собой сплав железа с 0,5-5,0% кремния. Они известны уже более 60 лет и занимают по объему производства и разнообразию применения первое место среди магнитных материалов. Это объясняется их высокими электромагнитными свойствами, удовлетворительными и хорошими механическими качествами, а также отсутствием дефицитных компонент и малой стоимостью.

Среди работ, посвященных физическим процессам в кремнистых сталях, разработке технологии их производства н применения, большое значение имеют труды советских ученых.

Рассмотрим влияние кремния на свойства железа.

Кремний, образуя с железом твердый раствор, приводит к увеличению удельного сопротивления. Зависимость удельного сопротивления от процентного содержания кремния можно представить следующим эмпирическим уравнением:

 

 

Из формулы следует, что, например, при содержании 4,8%Si удельное сопротивление стали возрастает по сравнению с сопротивлением железа в 6,7 раз, соответственно уменьшаются потерн на вихревые токи.

На магнитные свойства чистейшего железа кремний влияет отрицательно. Однако магнитные свойства технического железа при легировании его кремнием улучшаются. Возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшаются коэрцитивная сила и потерн на гистерезис, существенно улучшается стабильность свойств.

Положительное действие кремния на магнитные свойства технически чистого железа объясняется рядом причин. Кремний переводит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Он, действуя как раскислитель, связывает часть растворенных в металле газов, прежде всего кислород, а также способствует росту зерен и уменьшает константы магнитной анизотропии и магнитострикции.

На рис.2 приведена зависимость максимальной проницаемости от содержания кремния. Наибольшее значение максимальной проницаемости наблюдается при содержании 6,5-6,8% Si, чему соответствует близкое к нулю значение магнитострикции. М. Гертц в результате обработки в магнитном поле рамочного монокристалла из сплава с 6,8% Si получил максимальную проницаемость, равную 3800 000. Однако в технике применяют сплавы с содержанием кремния не свыше 5,0%. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойства, повышая твердость и хрупкость. Уже при 4,0-5,0% Si материал выдерживает не более 1-2 перегибов на 90°.

Кремний снижает индукцию насыщения, что является нежелательным. Снижение индукции можно оценить следующей эмпирической формулой:

Bs - 21 580 - 480 - {% Si) [гс]. ( 42)

 

Кремний влияет также на плотность, теплоемкость и т.п.

Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит углерод, серу, марганец, фосфор и др. На рис.3 представлена зависимость потерь на гистерезис в сплаве с 4% Si от различных примесей. График приведен для чистейшего железа при наличии а нем только одной из примесей.

Как видно из рис.3, наиболее вредной примесью является углерод. Его влияние на магнитные свойства определяется не только процентным содержанием, но и формой, в которой он находится (например, в виде цементита или в виде графита), а также дисперсностью включений.

 

Рисунок 2                                   Рисунок 3

 

Форма и дисперсность включений углерода зависят от многих причин, в том числе и от режима термообработки. В этом отношении нежелательным, например, является быстрое охлаждение стали с последующим ее старением для стабилизации свойств (нагревом до 120 - 150°С в течение 100-120 ч). Такой режим может вызвать увеличение коэрцитивной силы в два-три раза.

Углерод несколько снижает потери на вихревые токи, однако не настолько, чтобы уменьшить полные потери.

Влияние серы, кислорода и марганца на магнитные свойства электротехнической стали отрицательно. Фосфор уменьшает потери как на гистерезис, так и на вихревые токи и. следовательно, может использоваться для легирования стали, но он повышает хрупкость.

В технически чистом железе всегда имеется небольшое количество различных примесей, поэтому влияние каждой из них надо рассматривать в совокупности с действием других. Для этого случая зависимости, приведенные на рис.3, являются несправедливыми.

Для улучшения свойств стали необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Однако существенно улучшить указанными методами свойства электротехнических сталей, выпускаемых в промышленном масштабе, не удается.

Свойства значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры в стали при ее холодной прокатке и последующем отжиге.

Ранее отмечалось, что электротехнические стали, особенно с большим содержанием кремния, отличаются большой хрупкостью, поэтому долгое время при их изготовлении применяли горячую прокатку. Применение холодной прокатки считалось нерентабельным.

В 1935 г. Госс обнаружил высокие магнитные свойства холоднокатаной электротехнической стали вдоль направления прокатки. Во всех других направлениях свойства оказались хуже, т.е. такая сталь обладала магнитной текстурой и являлась магнитноанизотропной. Существенно улучшились и механические свойства: качество поверхности листа, волнистость и штампуемость. Все это привлекло большое внимание к опытам Госса и завершилось выпуском в промышленных масштабах холоднокатаных электротехнических сталей, оттеснивших на последнее место горячекатаные стали.

Высокие свойства холоднокатаных сталей и их магнитная анизотропия объясняются образованием в процессе прокатки и отжига кристаллографической текстуры.

Элементарная ячейка железокремнистого сплава представляет собой объемноцентрированный куб, для которого направлениями легкого намагничивания являются его ребра, а самому трудному намагничиванию соответствуют пространственные диагонали.

При отсутствии текстуры имеет место хаотическое расположение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства со статистически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

В результате холодной прокатки зерна в кристаллографическом отношении получают преимущественную ориентацию, которая называется текстурой прокатки. Степень текстуры зависит от температуры прокатки, степени обжатия и толщины листа.

Однако деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений и, следовательно, к росту коэрцитивной силы. Эти напряжения можно снять отжигом.

При нагреве холоднокатаной стали до температуры свыше 900°С наблюдается рекристаллизация, сопровождающаяся бурным ростом зерен кристаллитов и одновременной ориентацией их вдоль направления легкого намагничивания. В результате ребра кубов оказываются расположенными параллельно к направлению прокатки, а плоскости ромбических додекаэдров - параллельно плоскости прокатки. Такая текстура называется ребровой текстурой рекристаллизации. Ее интенсивность достигает 80-90%. Преображенский А.А. - Магнитные материалы. (1965 г.)

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...