Низкочастотные магнитные материалы с большой магнитной проницаемостью.

Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях (Н ≤ 102А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы систем Fe - Ni (пермаллои), Fe - Со, Fe - Аl (альсиферы).

Для маркировки магнитомягких сплавов используют буквенно-цифровую систему. Буквами обозначают элементы так, как это принято для маркировки сталей. Дополнительно введены обозначения железа — Ж, рения — И, бериллия — Л, редкоземельных металлов — Ч. Марка сплава содержит число, указывающее среднее содержание в процентах основного элемента (кроме железа), и букву, обозначающую этот элемент. В отличие от сталей, массовые доли других легирующих элементов, как правило, не указывают, а приводят лишь их буквенные обозначения. В конце марки могут стоять буквы А или П, обозначающие повышенное качество сплава и прямоугольность петли гистерезиса соответственно. Например: 79НМ — пермаллой, содержащий 79 % Ni, легированный молибденом; 8Ю - железо алюминиевый сплав, содержащий 8% Аl; 50НП — пермаллой, содержащий 50 % Ni и имеющий прямоугольную петлю гистерезиса.

Магнитомягкие сплавы являются прецизионными: концентрации легирующих элементов поддерживают в узких интервалах, содержание углерода и других примесей ограничено. Частицы карбидов, оксидов и других включений уменьшают μ и повышают Нс. По качеству сплавы разделяют на три класса: I — с нормальными магнитными свойствами; II — с повышенными магнитными свойствами; III — с высокими магнитными свойствами. Соответственно нормальное качество обеспечивается выплавкой в открытых печах, повышенное — в вакууме; высокое — в вакуумных индукционных печах с последующими переплавами.

По уровню основных свойств сплавы разделяют на восемь групп (табл. 16.4).

Основное применение этих сплавов — сердечники магнитопроводов различного назначения, в том числе испытывающих нагрев и механические нагрузки при эксплуатации.

Пермаллои с содержанием 45 - 83 % Ni характеризуются большой магнитной проницаемостью μ'н ≤ 70*103; μ’max < 247*103, что обеспечивает их намагничивание в слабых полях (рис. 16.8). Повышенное удельное электросопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni позволяет использовать эти сплавы в радиотехнике и телефонии при частотах до 25 кГц. Малая коэрцитивная сила (Нс < 16А/м) уменьшает потери на гистерезис при перемагничивании. Но значению индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля уступают железу и стали. В зависимости от состава Вs изменяется в пределах 0,5 - 1,5Тл. Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полуфабрикатов: тонких листов, лент и проволоки, используемых при изготовлении сердечников.

Магнитные свойства пермаллоев меняются зол воздействием даже слабых напряжений. При сжимающих напряжениях всего 5 МПа магнитная проницаемость уменьшается в 5 раз, а коэрцитивная сила возрастает в 2 раза. Поэтому окончательно изготовленные детали надо подвергать термической обработке и в процессе сборки избегать ударов, сильной затяжки или сдавливания обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от скорости охлаждения. Нейтронно-графическим анализом доказано, что у сплава, содержащего 75% Ni, при медленном охлаждении при температурах ниже 600°С происходит перестройка в расположении атомов в твердом растворе — неупорядоченный твердый раствор переходит в упорядоченный (последний обладает меньшей магнитной проницаемостью).

Термическую обработку пермаллоев проводят для удаления примесей, остаточных напряжений и укрупнения зерна. Она заключается в медленном нагреве их до 1100 - 1150°С в среде, защищающей материал от окисления (вакууме, водороде), выдержке при этой температуре 3 - 6 ч и зависимости от размера и массы, медленном охлаждении до 600 оС (10П°С/ч) и дальнейшем быстром охлаждении (400°С/ч), при котором не происходит упорядочения твердого раствора.

Все пермаллои по составу можно разделить на две группы: низконикелевые (45 - 50 % Ni), имеющие высокую магнитную проницаемость (μ’н ≤ 3,2 * 103) при относительно высокой индукции насыщения (1,5 Тл), и высоконикелевые (79 - 83 % Ni) с чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью < 28 • 103), но меньшей индукцией насыщения (0,75 Тл).

Железокобальтовые сплавы (18 - 49 % Со) характеризуются большей, чем у железа, индукцией насыщения (Bs > 2Тл) и высокими значениями в. Их используют в роторах и статорах электрических машин при температурах эксплуатации по 900°С, магнитопроводах магнитогидродинамических насосов. Для увеличения технологической пластичности железокобальтовых сплавов используют ванадий (1,5 - 2,0%) в сплавах, содержащих ~ 50 % Со, и хром (0,5 - 0,7 %) в сплавах с 18 - 27 Со.

Для получения максимальных значений магнитных характеристик сплавы отжигают. В отожженном состоянии их механические свойства характеризуются невысокими прочностью (σв= 450...550МПа, σ0,2 =150.. .250 МПа) и твердостью (120 - 130 НВ).
Для улучшения магнитных и технологических свойств эти сплавы дополнительно легируют Cr, Mo, Сu, Si, Mn и другими элементами. Легирование повышает электросопротивление, уменьшает магнитострикцию и константу кристаллографической магнитной анизотропии, а также затрудняет упорядочение твердых рас: воров и упрощает технологию отжига изделий (не требуется ускоренное охлаждение, начиная с 600 °С).

Особую группу составляют пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса, которые широко используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управления. Отличительная особенность таких материалов — большая остаточная индукция Вr,близкая к Вs (коэффициент прямоугольности а = Br/Bs у них достигает 0,85 - 0,90 в поле напряженностью H = 800 А/м):

Существуют два способа получения материала с прямоугольной петлей гистерезиса: создание кристаллографической или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается посредством холодной пластической деформации при прокатке с большими степенями обжатия, магнитная — путем охлаждения материала при закалке в магнитном поле (термомагнитная обработка). Векторы намагниченности при такой закалке ориентируются вдоль поля. При последующем перемагничивании в том же направлении вращение векторов отсутствует. Кристаллографическую текстуру можно создать в любом материале, способном пластически деформироваться. Магнитная текстура возможна только у некоторых сплавов, так как у чистых металлов (Fe, Ni, Со) она не наблюдается. Несмотря на большие практические достижения в области термомагнитной обработки, сущность этого явления недостаточно ясна.

Преимущество метода термомагнитной обработки состоит в том, что прямоугольную петлю гистерезиса можно получить у ленты любой толщины и в любом направлении, а не только в направлении прокатки. У сплава 50HП прямоугольность петли достигается прокаткой, а у сплавов 65НП и 79HMП — путем обработки в магнитном поле (рис. 16.9). Сердечники, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах 700 кГп, а при толщине 1,5 мкм — до 1 МГп. Такие лепты и основном изготовляют из сплава 79НМП. Коэффициент прямоугольности этого сплава при таких толщинах составляет ~ 0,9. Из-за дороговизны тонких ленточных сердечников и невозможности прокаткой получить ленты толщиной менее 0,5 мкм разработки методы создания тончайших пленок (1 - 10 мкм) путей напыления таких сплавов в вакууме на подложку немагнитного металла.

Железоалюминиевые сплавы со структурой однофазного твердого раствора с ОЦК решеткой характеризуются аномалиями магнитных свойств, что отражает сложность взаимодействия обоих компонентов. При увеличении содержания алюминия понижается θ и уменьшается Вs (при 18% Al Bs = 0). В сплаве, содержащем 12% Аl, магнитная анизотропия не проявляется (К = 0), но λs достигает максимального для этих сплавов значения. При концентрации Аl 16-17% константы К и λs имеют значения, близкие к нулю. В сплаве Fe - 8 % Al после отжига холоднокатаных лент появляется магнитострикционная анизотропия: значения λs вдоль и поперек направления прокатки различные.

Альсиферы при содержании 5,4 % AI и 9,6% Si имеют нулевые значения К и λs и отличаются высокой магнитной проницаемостью. Оптимальное сочетание магнитных свойств реализуется после упорядочения твердого раствора. Альсиферы имеют следующие значения магнитных характеристик: Bs = 1,1 Тл; μ’н = 35*103; μ’max=116*103, Нс = 1,76 А/м; ρ = 0,81 мкОм*м и не уступают пермаллоям с высоким содержанием никеля. Преимуществом альсиферов является отсутствие в их составе дорогих или дефицитных элементов.

Альсифер характеризуется высокими твердостью (50 HRC) и сопротивлением изнашиванию. Практическому применению мешает природная хрупкость этих сплавов, что делает их абсолютно недеформируемыми и непригодными для обработки резанием. Изделия получают литьем или порошковой технологией.

Аморфные металлические сплавы (АМС) по химическому составу разделяют на железные, железоникелевые и кобальтовые. Они содержат 20 - 25 % (ат.) элементов-аморфизаторов из числа В, Si, Р, С, а также добавки Сr, Mo, Nb, V, Mn. Основной технологией производства лент из АМС является быстрая закалка расплава. Ленты являются основным видом полуфабрикатов, из которых изделия получают гибкой, навивкой, вырубкой.

Исходная магнитная структура АМС формируется при закалке расплава и последующем охлаждении ниже θ. Магнитная структура быстрозакаленных лент является неравновесной и анизотропной. Направления легкого намагничивания определяются преимущественной ориентацией доменных стенок (из-за химической неоднородности ближнего порядка) и направлением остаточных растягивающих напряжений (магнитоупругая анизотропия из-за геометрической неоднородности ближнего порядка). Магинтоупругая анизотропия пропорциональна σλs (где σ — напряжение), она пренебрежимо мала у сплавов с λs=0.

Для получения устойчивого комплекса свойств (табл. 16.5) ленты АМС отжигают ниже tK с наложением магнитного ноля и без него. Отжиг без наложения магнитного поля при нагреве выше θ с регулируемым охлаждением устраняет последствия структурной релаксации: уменьшается Нс, повышается μ’н, устраняется магнитоупругая анизотропия несмотря на увеличение λs, так как снимаются остаточные напряжения. Отжиг в продольном магнитном поле создает продольную ориентацию доменов
(Br/Bs ≥ 0,9), значительно возрастает μ’max и уменьшаются потери при повышенных частотах. Отжиг в поперечном магнитном поле обеспечивает поперечную ориентацию доменов (Br/BS < 0,1) и снижает потери при повышенных частотах; полученная ориентация доменов обеспечивает линейное увеличение μн при возрастании напряженности поля от 0 до 1 кА/м.

Некоторые АМС используют в закаленном состоянии, так как комплекс магнитных свойств у них достаточно хорош. Например, кобальтовый сплав 71КНСР имеет μ’н= 104 и μ'max = 15*104.

АМС систем «металл-неметалл» после отжига становятся хрупкими, поэтому для них все технологические операции (вырубка, навивка и т.п.) выполняют до отжига.

АМС на основе железа имеют (Bs = 1,5...1,6Тл) и малые потери на перемагничивание при обычных и повышенных частотах (до 10* Гц). У этих АМС потери на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей. Железные АМС используют в качестве материала сердечников высокочастотных трансформаторов, дросселей, магнитных усилителей; их применяют в магнитомеханических системах благодаря значительной магнитострикции и высокой чувствительности магнитных свойств к приложенным нагрузкам, а также в механических фильтрах, линиях задержки, датчиках, магнитострикционных вибраторах.

В железоникелевых АМС введение никеля понижает Bs. Так, в сплавах с оптимальным соотношением железа и никеля (Fe/Ni = 1) Bs = 0,7...1Тл. Коэрцитивная сила этих сплавов на порядок меньше, чем железных АМС (Нс < 0,5 А/м). Магнитострикция железоникелевых АМС примерно в 3 раза меньше, чем железных. Особенностью этих сплавов являются весьма низкие потери на перемагничивание и высокие значения μ'н или μ’max постигаемые специальной обработкой. Железоникелевые АМС применяют в качестве материала сердечников малогабаритных трансформаторов, магнитных фильтров, магнитных экранов. АМС на основе кобальта имеют Bs = 0,5.. .0,6 Тл, близкую к нулю магиитострикцию и малую коэрцитивную силу (не более 0,5 А/м). По поведению в магнитных полях небольшой напряженности эти АМС во многом сходны с пермаллоями (μ'н = 105, μ’max > 8*105). Свойства сплавов улучшают легированием небольшим (до 5% (ат.)) количеством Fe, Mn, Сr, V, Nb, Mo. Железо или марганец повышают но одновременно снижают As ниже 10-6. Прочие элементы, практически не изменяя λs, понижают θ ниже tK.