Низкочастотные магнитомягкие материалы.

Железо (техническое, электролитическое, карбонильное) и электротехническая сталь (нелегированная и легированная) относятся к материалам с высокой индукцией насыщения, пермаллои и альсифер – к высокопроницаемым материалам (табл. 11.2).

Технически чистое железо. Железо – основной компонент почти всех магнитных материалов. Магнитная проницаемость и коэрцитивная сила железа в слабых и средних полях изменяются в широких пределах в зависимости от количества и типа примесей. Значительное влияние на магнитные свойства железа оказывает структура, особенно размер зерна. Выращивание крупного зерна достигается главным образом термообработкой (отжигом). Вследствие низкого удельного сопротивления технически чистое железо используется в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.

Таблица 11.2

Свойства магнитомягких материалов

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. После промывки и измельчения в шаровых мельницах, подвергают вакуумному отжигу или переплавке в вакууме. Величина коэрцитивной силы меньше, чем у технически чистого железа. Из-за высокой стоимости применяется редко.

Карбонильное железо получают в виде порошка при термическом разложении пентакарбонила железа:

Fе(СО)₅ = Fе + 5СО.

Сердечники изготавливают прессованием. В карбонильном железе отсутствует кремний, фосфор, сера, но имеется углерод.

Электротехнические стали – магнитомягкий материал массового применения. Основной легирующий элемент – кремний – образует с железом твердый раствор и приводит к увеличению удельного сопротивления. Потери на вихревые токи уменьшаются. Кроме того, кремний способствует укрупнению зерна и увеличению магнитной проницаемости (уменьшаются константы магнитной анизотропии и магнитострикции) и снижению коэрцитивной силы.

В нелегированных электротехнических сталях содержание кремния не превышает 0,4 %, легированных – до 5 %. С ростом содержания кремния повышается твердость и хрупкость: материал выдерживает не более 1–2 перегибов на 90°. Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит углерод, серу, марганец, фосфор и другие примеси.

Как и чистое железо (см. рис. 11.4), кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией. Однако направление легкого намагничивания [100] не совпадает с направлением скольжения – наиболее плотного расположения атомов вдоль пространственной диагонали [111]. Свойства стали улучшаются за счет образования магнитной текстуры. После холодной прокатки отжиг в водороде при 900–1000 °С снимает механические напряжения и сопровождается рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается ребровая текстура: кристаллографические плоскости типа (110) большинства зерен располагаются параллельно плоскости прокатки, т. е. оси легкого намагничивания зерен ориентированы вдоль направления прокатки (рис. 11.9). Текстурированная сталь анизотропна: вдоль направления прокатки наблюдается более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис.

Электротехническую сталь маркируют четырьмя цифрами.

Первая цифра определяет вид проката и структуру: 1 – горячекатанная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатанная анизотропная с текстурой в направлении [100].

Вторая цифра – процентное содержание кремния: 0 – до 0,4 %; 1 – 0,4–0,8 %; 2 – 0,8–1,8 %; 3 – 1,8–2,8 %; 4 – 2,8–3,8 %; 5 – 3,8–4,8 %.

Третья цифра – потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении магнитной индукции B и частоты f. Например, 1 – удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц (Р _1,5/50).

Четвертая цифра – тип стали и уровень основной нормируемой характеристики: 1 – нормальный; 2 – повышенный; 3 – высокий и т. д.

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты с электроизоляционным покрытием или без него. Толщина листов 0,01–1 мм. Листы тонкого проката предназначены для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины уменьшаются потери на вихревые токи. В тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы; увеличиваются потери на гистерезис.

Пермаллои – сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, легированные молибденом, хромом и другими элементами, которые увеличивают удельное сопротивление. Молибден и хром повышают начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим деформациям, одновременно снижается индукция насыщения. Медь повышает температурную стабильность магнитной проницаемости; сплавы легко поддаются механической обработке.

Преимущество пермаллоев – высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатки – чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, низкие значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, высокая стоимость. Высокие магнитные свойства пермаллоев получаются при отжиге изделий в водороде или вакууме.

В марках пермаллоев буква Н означает никель, К – кобальт, М – марганец, Х – хром, С – кремний, Д – медь, П – сплав с прямоугольной петлей гистерезиса. Цифры – содержание никеля в процентах.

Пермаллои находят применение в магнитных элементах измерительных, автоматических и радиотехнических устройств, работающих в слабых постоянных или переменных полях с частотой до 100 кГц. Сильная зависимость магнитных свойств пермаллоев от механических напряжений вынуждает применять специальные меры защиты. Механические нагрузки возникают даже при наложении токовых обмоток. Обычно сердечники помещают в немагнитные защитные каркасы из пластмассы или алюминия. Свободное пространство между каркасом и сердечником заполняют эластичным веществом.

Супермаллой обладает наивысшей магнитной проницаемостью. Он подвергается специальной термомагнитной обработке: отжиг в течение 3–5 часов при 1100–1200 °С в вакууме или среде водорода для снятия магнитострикционного эффекта и медленное охлаждение со скоростью 20–50 °С/ч в слабомагнитном поле.

Альсиферы – сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав: 9,5 % Si, 5,6 % А1, остальное – Fe. Свойства альсифера не уступают свойствам высоконикелевых пермаллоев. Изделия (магнитные экраны, корпуса приборов) изготавливают в виде фасонных отливок с толщиной стенок не менее 2–3 мм ввиду хрупкости сплава. Альсифер размалывают в порошок и используют наряду с карбонильным железом для изготовления высокочастотных прессованных сердечников.