 |
Магнитомягкие материалы для слабых токов низких и повышенных частот
|
|
|
|
Развитие автоматики, радиосвязи, электрических измерении и других областей техники потребовало создания материалов с более высокими магнитными свойствами в слабых полях, чем у электротехнических сталей.
К таким материалам относятся прежде всего пермаллои - сплавы железа с никелем, обычно легированные хромом, медью, кремнием и некоторыми другими элементами.
Высокие магнитные свойства пермаллоев в слабых полях были известны еще в 1913 г. Однако широкое внедрение этих материалов в технику произошло в последние 15-20 лет, а первый стандарт на эти материалы в СССР введен только с 1963 г.
На рис.35 представлены зависимости физических свойств железоникелевых сплавов от содержания никеля. Из рассмотрения кривых видно, что наибольшими значениями µа и µmax обладает сплав с содержанием 78,5% Ni, получивший название классического пермаллоя.
Для этого сплава константа кристаллографической анизотропии К и магнитострикции насыщения λs близки к нулю.
Как показали Н.С. Акулов и затем Е.И. Кондорский, одновременное равенство нулю К и λs и является причиной особенно легкой намагничиваемости пермаллоев, что объясняется следующим образом.
Уменьшение магнитной кристаллографической анизотропии или, другими словами, уменьшение внутрикристаллических сил ориентации приводит к тому, что разница в работе, которую надо совершить для намагничивания кристалла в "легком" или в "трудном" направлениях, становится меньше. Уменьшение магнитострикции приводит к снижению напряжений в кристаллической решетке, возникающих при изменении линейных размеров под действием намагничивающего поля, и, следовательно, облегчает процессы намагничивания.
|
|
|
Следует отметить, что при близких к нулю значениях К и Xs магнитные свойства материала становится чрезвычайно чувствительными к наличию внешних напряжений, что а большинстве случаев является нежелательным.
Магнитные свойства в очень большой степени зависят также от химического состава и чистоты сплава. При этом особенно сильное влияние оказывают примеси, такие, как углерод, сера и кислород, не входящие в твердый раствор.
Высокие магнитные свойства v пермаллои с содержанием 78,5% Ni были получены в результате особого вида термической обработки, так называемой "пермаллойной". которая состоит из двух этапов.
. Нагрева до 900-950° С с выдержкой при этой температуре в течение часа и охлаждением со скоростью, не превосходящей 100ºС в час.
. Повторным нагревом до 600ºС и охлаждением при комнатной температуре на медной плите со скоростью до 1500 град/мин ( "воздушная закалка").
Сильная зависимость проницаемости от скорости охлаждения объясняется образованием сверхструктуры* при медленном охлаждении, однако окончательно выясненным этот вопрос считать нельзя.
При очень большой скорости охлаждения магнитные свойства ухудшаются, что объясняется возникновением внутренних напряжений.
Дальнейшие исследования показали, что двойная обработка для классического пермаллоя может быть заменена одинарной, заключающейся в высокотемпературном отжиге при 1300°С в чистом сухом водороде и длительном отпуске при 400-500° С. Магнитная проницаемость у высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в несколько десятков раз выше, чем у электротехнических сталей. Отметим, что без термической обработки проницаемость пермаллоев ниже, чем у технически чистого железа.
Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев приблизительно в 2 раза (ниже, чем у электротехнических сталей и в 1,5 раза. ниже, чем у низконикелевых.
|
|
|
Отсюда следует, что, высоконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве материала для сердечников силовых трансформаторов и других устройств, для которых существенным является создание большого магнитного - потока.
Удельное электросопротивление высоконикелевых пермаллоев в 2 раза меньше, чем у низконикелевых. Следовательно, при работе в переменных магнитных полях, особенно на повышенных частотах, предпочтение надо отдать низконикелевым пермаллоям. Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.
Следует также иметь в виду, что высоконикелевые пермаллои дороже низконикелевых из-за большого содержания никеля и что механические напряжения, а также чистота и состав сплава значительно сильнее влияют на магнитные свойства высоконикелевых пермаллоев, чем низконикелевых.
Для улучшения электромагнитных свойств обе группы пермаллоев обычно легируют различными элементами.
Легирование молибденом вызывает значительное увеличение удельного электросопротивления, оказывает положительное влияние на величину начальной проницаемости и позволяет двойную термообработку заменить сравнительно простым отжигом. Кроме того, наличие молибдена уменьшает чувствительность к деформации.
Отрицательное действие молибдена проявляется "в уменьшении индукции насыщения.
Действие хрома в значительной степени аналогично действию молибдена.
Медь способствует увеличению постоянства магнитной проницаемости при изменении напряженности поля, улучшает температурную стабильность, а также повышает электросопротивление. Сплавы с медью хорошо поддаются механической обработке. Для легирования пермаллоев применяются также и некоторые другие элементы.
Создание стандарта на промышленные марки пермаллоев связано с большими трудностями, что объясняется плохой воспроизводимостью характеристик. Стандарт можно создавать лишь при высокой культуре производства сплавов.
В настоящее время впервые в СССР принят ГОСТ 10160-62, "Сплавы железоникелевые с высокой магнитной проницаемостью (срок введения 1/VII 1963 г.).
Стандарт распространяется на девять марок сплавов, разделенных на четыре группы.
|
|
|
I.45И, 50Н - нелегированные низконикелевые пермаллои с содержанием соответственно 45% Ni и 50% Ni.
II.50НП, 65НП, 34НКМП - сплавы, обладающие кристаллографической или магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса (свойства этих сплавов рассмотрены в § 27).
III.50HXC - низконикелевый пермаллой с содержанием 50% Ni, легированный хромом и кремнием.
IV.79НМ, 80НХС, 76НХД - высоконикелевые пермаллои (79% Ni, 80% Ni, 76% Ni), легированные соответственно молибденом (3,8-4,1%), хромом и кремнием, хромом и медью (4,80 - 5, 20%).
Все сплавы содержат в. небольших количествах марганец (0,30-0,60%) и кремний (0,15-0,30%).
Сплавы изготовляются ввиде холоднокатаных лент толщиной от 0,02 до 2,5 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кованых прутков. Ширина лент зависит от толщины и составляет для самых тонких лент 30-100 мм, для самых толстых-100-250 мм.
Листы, ленты и прутки поставляются в термически необработанном виде. Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость, дефицитность отдельных компонентов, прежде всего никеля, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки, а также большая зависимость магнитных свойств от механических воздействий.
Попытки найти заменители пермаллоев, свободные от указанных недостатков, привели к исследованию сплавов железо - алюминий без третьего или с третьим компонентом.
Примером тройного сплава такого рода является альсифер - сплав алюминия, кремния и железа. Альсифер получают как литой материал. Он нековок, обладает высокими твердостью и хрупкостью.
Сплав оптимального состава (9,6% Si и 5,4% AI) имеет следующие свойства: µа = 35400; µмах=117000; Нс = 0,022 э, т.е. не уступает пермаллоям.
Однако максимум магнитных свойств соответствует очень точному соблюдению состава, что может быть обеспечено только для лабораторных образцов. Промышленный альсифер имеет средние значения начальной проницаемости µа=6000-7000 (после отжига), т.е. значительно более низкие, чем оптимальное.
Вследствие хрупкости альсифера толщина стенок должна быть не менее I-2 мм, что ввиду малого электрического сопротивления изделия полностью исключает возможность применения отливок из альсифера в цепях переменного тока даже с частотой 50 гц.
Альсифер благодаря хорошей размольности применяют главным образом в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.
Преображенский А.А. - Магнитные материалы. (1965 г.)
|
|
|
