Какими свойствами обладает магнитомягкие материалы

МАГНИТОМЯ́ГКИЕ МАТЕРИА́ЛЫ, магнитные материалы, способные намагничиваться в слабых магнитных полях (напряжённостью менее 800 А/м); обладают низкой коэрцитивной силой Hc (⩽ 100 А/м), большими начальной магнитной проницаемостью μa (до 105) и макс. магнитной проницаемостью μмакс (до 106). Разл. группы М. м. характеризуются рядом др. свойств: большой индукцией насыщения Bs (железо, электротехнич. стали, пермендюр), малыми магнитными потерями (ферриты, электротехнич. стали), прямоугольными петлями гистерезиса (перминвары, некоторые аморфные и нанокристаллич. материалы), большим электрич. сопротивлением ρ (магнитные диэлектрики, ферриты) и т. д. Такое разнообразие свойств обусловливает широкое применение М. м. в разл. областях техники.

В формировании свойств М. м. важное значение имеет магнитная доменная структура, которая образуется при темп-ре ниже Кюри точки TС. Перестройка доменной структуры под действием магнитного поля происходит в осн. за счёт движения доменных границ, обладающих большой подвижностью, зависящей от однородности материалов, наличия в них примесей, пустот, границ зёрен, внутр. напряжений. В некоторых случаях (особенно в высокочастотных полях) важны также процессы вращения вектора намагниченности. Свойства М. м. чувствительны к структурным особенностям материалов, вследствие чего их можно регулировать с помощью термич., термомагнитной и термомеханич. обработки образцов.

Существует большое разнообразие М. м., отличающихся разл. наборами осн. параметров (табл.). Классификация М. м. неоднозначна, хотя и может быть проведена, напр., по экстремальным величинам параметров или по конкретным областям применения. Так, можно выделить материалы, необходимые для работы в постоянных магнитных полях (железо, пермаллои), переменных магнитных полях малых частот (до 400 Гц) (электротехнич. стали), в полях высоких частот (104–108 Гц) (порошки карбонильного железа, пермаллоя, алсифера) и в полях сверхвысоких частот (ферриты).

Основные параметры некоторых магнитомягких материалов
Материал	Основной состав, % по массе	Bs, Тл	Tc, C	ρ·106, Ом·м	μа·10-З	μмакс·10-3	Hc, А/м
Железо техническое	около 0,2% примеси	2,16	770	0,1	0,2	6	72
Железо чистое	0,05% примеси	2,16	770	0,1	25	350	0,8
Кремнистое железо	96%Fe, 4%Si	1,97	690	0,6	0,65	7	40
Текстурированное кремнистое железо	96,7%Fe, 3,3%Si	2	740	0,47	1,5	40	8
Алсифер	85%Fe, 10%Si, 5%Al	1	500	0,6	30	120	4
80-HM супермаллой	15%Fe, 80%Ni, 5%Mo	0,8	400	0,55	100	1000	0,4
45-пермаллой	55%Fe, 45%Ni	1,6	440	0,45	2,5	25	24
Cr-пермаллой	18%Fe, 78,2%Ni, 3,8%Cr	0,8	420	0,65	12	62	4
79HM (молибденовый пермаллой)	17%Fe, 79%Ni, 4%Mo	0,84	450	0,5	40	200	1,6
Перминвар*	34%Fe, 43%Ni, 23%Co	1,55	715	0,19	2,5	427	2,4
КФ-ВИ (пермендюр)	49%Fe, 49%Co, 2%V	2,35	980	0,4	1	50	40
Ni–Zn-феррит	48,5%Fe2O3, 35,5%ZnO, 16%NiO	0,2	130	IO6	5	7,56	4
Mn–Zn-феррит	(Mn, Zn)O • Fe2O3	0,35–0,4	170	IO5	1	2,5	48
2НСР (аморфный)*	78%Fe, 1%Ni, 9%Si, 12%B**	1,45	426	1,3	10	15	5
71KHCP (аморфный)*	5%Fe, 60%Co, 10%Ni, 10%Si, 15%B**	0,5	250	1,35	20	150	0,8
82КЗХСР* (аморфный)	3%Fe, 67%Co, 3%Cr, 15%Si, 12%B**	0,43	140	1,8	100	300	0,4
Файнмет	73,5%Fe, 1%Cu, 3%Nb, 13,5%Si, 9%B**	1,25	570	1,25	53	400	0,6
* Термомагнитная обработка. ** Атомные проценты.

Чистое железо обладает хорошими магнитомягкими свойствами, однако из-за малого электрич. сопротивления используется лишь в машинах, работающих на постоянных токах. Отличными магнитомягкими свойствами обладают пермаллои; они имеют высокую магнитную проницаемость (μa и μмакс) и низкую коэрцитивную силу, но, как и чистое железо, характеризуются низким электрич. сопротивлением, что ограничивает область их применения. Особые магнитомягкие свойства присущи супермаллою, который применяется в радиотехнике, телефонии, телемеханике.

Широко используются в технике электротехнич. стали с содержанием Si до 5%. Добавки кремния к железу снижают электрич. сопротивление электротехнич. сталей, а следовательно, и удельные потери электромагнитной энергии, что позволяет применять их в переменных полях с частотой до 400 Гц. Используются как изотропные (в генераторах и динамо-машинах), так и анизотропные (в силовых трансформаторах) электротехнич. стали, обладающие изотропной разориентацией осей зёрен и хорошей текстурой соответственно.

Важной характеристикой электротехнич. сталей является величина удельных потерь электромагнитной энергии, которые имеют гистерезисную и вихретоковую составляющие. Первая из них связана с причинами, приводящими к увеличению ширины петли гистерезиса (см. в ст. Гистерезис). Для силовых трансформаторов используют совершенные электротехнич. стали с хорошей текстурой. В них осн. роль играет вихретоковая составляющая удельных потерь, порождаемая движением доменной границы. Один из способов её уменьшения – увеличение содержания Si в сталях, что приводит к увеличению электрич. сопротивления, но при этом происходит нежелательное снижение индукции насыщения.

Установлено, что удельные потери пропорциональны ширине L доменов. В свою очередь, L пропорциональна корню квадратному из размера кристаллита. В холоднокатаных электротехнич. сталях обычно зёрна велики (до 10 мм и более) и текстура совершенна, что приводит к широким доменам и большим электромагнитным потерям. Эти потери снижают путём измельчения доменной структуры. Разработаны разл. способы такого измельчения (нанесение на листы магнитоактивных покрытий, обработка поверхности листа лазерным лучом и др.). Наилучшими свойствами обладают электротехнич. стали марки HI-B, имеющие на частоте переменного поля 50 Гц полные потери 0,8 Вт/кг и вихретоковые потери 0,45 Вт/кг (при индукции В = 1,7 Тл и толщине листа 0,18 мм).

В СВЧ-технике незаменимыми являются ферриты, которые обладают очень высоким электрич. сопротивлением и малыми потерями.

В кон. 20 – нач. 21 вв. широкое распространение получили аморфные и нанокристаллич. магнитомягкие сплавы на основе железа и кобальта. Технология получения аморфных сплавов проста, их производят в виде тонких лент. Они имеют очень высокие μa и μмакс. К недостаткам этих материалов относятся малая Bs (0,4-0,6 Тл) и низкая температурная и временнáя стабильность. Более удачными являются нанокристаллич. сплавы на основе Fe и Co. По своим свойствам они не уступают свойствам аморфных сплавов и даже в некоторых аспектах превосходят их. Так, μa и μмакс этих материалов сопоставимы с проницаемостями аморфных материалов, но они обладают высокой температурной и временнóй стабильностью и могут иметь Bs=1,25 Тл.

В особые группы М. м. можно выделить магнитострикционные материалы, магнитодиэлектрики (см. в ст. Магнитные диэлектрики) и термомагнитные материалы – ферромагнитные сплавы (Ni–Fe, Ni–Cu, Ni–Fe–Cr и др.) с сильной зависимостью Bs от темп-ры в определённом магнитном поле. Последние применяют, напр., в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры.

Источник

Наиболее часто применяемые сплавы: 79НМ, 80НХС, 49К2ФА, 49КФ, 16Х в производстве магнитопроводов. Рассмотрены вопросы связанные с применяемостью этих сплавов, их химическим составом, классификация, а так же высокотемпературный отжиг и измерение основных магнитных параметров.

Магнитомягкие материалы.

Магнитомягкие материалы включают в себя широкий спектр железоникелевых и железокобальтовых прецизионных магнитомягких сплавов, кремнистых и нелегированных электротехнических сталей и чистое железо. Магнитомягкие материалы находят применение в устройствах, требующих от материалов высокой начальной и максимальной магнитной проницаемости в сочетании с простотой изготовления.

Для производства прецизионных магнитомягких сплавов используется сложное оборудование, передовые технологии и опыт, накопленный при производстве сплавов для авиационной промышленности. Производство магнитомягких материалов включает в себя применение ультрачистого сырья, специальные процессы и технологии плавки в индукционных печах в инертной атмосфере и рафинирования расплава. Конечный продукт изготавливается путем ковки, горячей и холодной прокатки, волочения проволоки и термообработки в зависимости от технических требований заказчика.

Содержание

К каким материалам относятся магнитомягкие материалы;
Основные магнитные параметры, определяющие применение магнитомягкого материала;
Область применения магнитомягких материалов.

Магнитомягкие материалы.

Магнитомягкие материалы – это магнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой и как следствие узкой предельной петлей гистерезиса, которые под действием магнитного поля способны легко намагничиваться и размагничиваться. Считается, что к магнитомягким можно отнести те материалы, которые обладают внутренней коэрцитивной силой менее 4000 А/м при условии деления всех магнитных материалов на два класса – магнитомягкие и магнитотвердые, а при выделении в отдельную группу полутвердые материалы (тройная классификация) – материалы с коэрцитивной силой менее 500 А/м. Магнитомягкие материалы используются главным образом в качестве проводников и концентраторов магнитного потока, создаваемого обмоткой при протекании в ней электрического тока или намагниченным магнитотвердым материалом. Типичные магнитомягкие материалы применяемые в промышленности имеют коэрцитивную силу менее 160 А/м, а наименьшее ее значение не превышает 0,1 А/м.

Основным магнитным параметром, который применяют в качестве мерила «мягкости» материала или его поведения в магнитном поле является относительная магнитная проницаемость ( µr , где µr = B / µ0 · H ), которая показывает, насколько легко материал реагирует на приложенное магнитное поле. Другими основными магнитными параметрами, характеризующие магнитомягкий материал являются коэрцитивная сила, намагниченность насыщения и удельная электропроводность.

Область применения магнитомягких материалов разделяют на две части: переменного и постоянного тока. В устройствах с магнитной системой, работающих от постоянного тока, при включении магнитомягкий материал намагничивается и остается в этом состоянии, передавая магнитный поток для выполнения какого либо действия, а при выключении – переходит в состояние остаточной намагниченности, которая либо пренебрежимо мала, либо стремится к нулю, например в электромагните. В устройствах, работающих от переменного тока, магнитомягкий материал непрерывно циклически перемагничивается в течение всего периода работы устройства, например в трансформаторе.

Значимость основных магнитных параметров магнитомягких материалов определяется областью их применения. В случае применения магнитомягкого материала для работы в магнитном поле постоянного тока основным параметром, влияющим на выбор материала, скорее всего, будет магнитная проницаемость. Например, при экранировании устройств от проникновения в них магнитного поля или его ослабления магнитомягкий материал локализует в себе магнитную энергию в пределах определенного пространства. Если магнитомягкий материал используется для создания магнитного поля в рабочем зазоре, то на его выбор может оказывать влияние намагниченность насыщения.

Когда магнитомягкий материал требуется применить в магнитных системах, работающих от переменного тока, важно учитывать, какое количество энергии будет поглощаться материалом при его циклическом перемагничивании по петле гистерезиса. В переменном магнитном поле изменяются размеры доменов, вследствие движения доменных границ, и ориентация вектора намагниченности, вследствие вращения намагниченности. Эти процессы сопровождаются вихревыми токами, процессами спиновой релаксации (релаксации намагниченности), упругой деформацией и переходом части энергии колебания атомов в теплоту. При этом стоит отметить, что в металлических материалах преобладают магнитные потери на вихревые токи, а в диэлектриках – магнитные потери, связанные со спиновой релаксацией.

Потери энергии при работе магнитомягкого материала по способу измерения можно разделить на:

потери на гистерезис, которые появляются при периодическом перемагничивании с частотой f, и равны площади динамической петли магнитного гистерезиса, умноженной на частоту;
потери на вихревые токи, которые связаны с генерацией вихревых токов, индуцированные изменением магнитной индукции в магнитомягком материале и определяются как Pc=π2·Bm2 ·f2·h2/6·ρ;
потери, связанные с изменением размеров доменов, вследствие движения доменных границ, и вращения вектора намагниченности.

Потери на гистерезис могут быть сокращены за счет уменьшения внутренней коэрцитивности магнитомягкого материала, что приведет к уменьшению площади петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи сильно зависят от отношения ширины доменов к толщине пластины D/h, поскольку изменение магнитной индукции в магнитном материале происходит вследствие движения доменных границ, и от проводимости магнитомягкого материала. Уменьшение потерь на вихревые токи достигается применением магнитомягкого материала с более низкой проводимостью и нанесением изоляционного покрытия на материал, которое оказывает существенное влияние на потери с повышением частоты перемагничивания.

Потери, связанные с изменением размеров доменов могут быть уменьшены за счет применения абсолютно однородного материала, внутри которого не будет никаких помех движению доменных стенок.

Классификация магнитомягких материалов

Классификация магнитомягких материалов приведена на рисунке.

Классификация магнитомягких материалов

Рисунок 1. Классификация магнитомягких материалов

Нелегированная электротехническая сталь и железо.

Кремнистые электротехнические стали.

Кремнистые электротехнические стали широко применяются для изготовления магнитных систем силовых и согласующих трансформаторов, работающих на промышленной частоте 50 – 60 Гц. Трансформатор должен работать при наибольшей максимальной магнитной индукции Bs, чтобы обеспечить минимальные габариты, и должен иметь при этом минимальные магнитные потери, чтобы температура перегрева была не выше заданного значения. Таким образом, кремнистая электротехническая сталь должна обладать высокой магнитной индукцией при заданной напряженности магнитного поля и иметь низкие удельные магнитные потери на частоте 50 Гц при максимальной магнитной индукции.

Сокращение потерь на вихревые токи удается достичь при легировании электротехнической стали кремнием в количестве до 3%, вследствие повышения удельного электрического сопротивления в 4 раза по отношению к нелегированным электротехническим сталям. При этом установлено, что предельное содержание кремния в электротехнической стали может достигать 4,8 %, это связано с тем, что легирование кремнием приводит не только к ухудшению механических свойств, но и к снижению индукции технического насыщения и температуры точки Кюри. Также кремний способствует уменьшению и магнитокристаллической анизотропии. Легирование кремнием свыше 4 % делает электротехническую сталь чрезвычайно хрупкой и затрудняет ее производство. При этом содержание кремния в поверхностных слоях деталей из кремнистой электротехнической стали возможно увеличить силицированием. Для этого используется непрерывная холоднокатаная полоса с содержанием кремния 3% шириной 600 мм и толщиной до 0,3 мм. Наиболее часто применяются электротехнические стали с содержанием кремния от 3 до 4 %. Вторым способом снижения потерь на вихревые токи является изготовление электротехнической стали в виде лент толщиной от 0,3 до 0,7 мм с нанесенным изоляционным покрытием толщиной 2 – 5 мкм, которое препятствует электрическому контакту металлических листов.

Для изготовления силовых трансформаторов применяют анизотропную электротехническую сталь, поскольку создаваемый в ней магнитный поток максимален по направлению проката листа, что достигается с помощью различных стадий холодной прокатки. Основные направления совершенствования анизотропной электротехнической стали сводятся к получению совершенной кристаллографической текстуры с минимальным средним отклонением оси легкого намагничивания [001] от направления проката, которое в высокопроницаемой анизотропной электротехнической стали составляет около 3° по сравнению с 6° для обычной анизотропной электротехнической стали. А также создание искусственных барьеров поперек направления прокатки, обеспечивающих снижение ширины основных доменов и магнитных потерь на вихревые токи.

Анизотропная кремнистая электротехническая сталь может изготавливаться с ребровой или кубической текстурами. В электротехнической стали с кубической текстурой оси легкого намагничивания [001] отдельных кубических кристаллитов ориентированы вдоль направления прокатки, а плоскости [100] совпадают с поверхностью пластины, намагничивание вдоль диагонали грани [100] происходит труднее, а наиболее трудно – вдоль диагонали куба [111]. Магнитные свойства электротехнической стали с кубической текстурой примерно одинаковы вдоль и поперек направления прокатки, только под углом 45° они несколько хуже, что соответствует направлению [110]. Сталь имеет значительную магнитострикцию при перемагничивании вдоль выделенного направления, т.е. создает шум при работе трансформаторов. Поэтому ее эффективно можно использовать только во вращающихся электрических машинах. Производство электротехнической стали с кубической текстурой так и не достигло промышленных масштабов вследствие относительно дорогостоящей технологии ее производства и не нашла широкого распространения.

В электротехнической стали с ребровой кристаллографической текстурой оси легкого намагничивания [001] отдельных кубических кристаллитов совпадают с направлением прокатки, обеспечивая получения наивысших магнитных свойств, к примеру магнитной индукцией В800 более 1,85 Тл. Ребро куба [100] ориентируется вдоль направления проката, при этом поперек проката ориентируется диагональ грани [110], вследствие чего магнитные свойства поперек проката значительно ниже, чем по направлению, особенно под углом 55° к направлению проката.

Рисунок 2 Условное изображение текстур в кремнистой электротехнической стали: (а) ребровая текстура, (б) кубическая текстура

Дополнительная информация по кремнистым электротехническим сталям:

Электротехническая сталь и железо, Кремнистая электротехническая сталь

Низкокоэрцитивные магнитомягкие сплавы – пермаллои и пермендюры, сплавы Fe-Co-Ni легированные Mn, Cr, Si, Cu, V, Ti..

Аморфные и нанокристаллические сплавы.

Магнитомягкие ферриты.

Альсифер.

Альсифер представляет собой трехкомпонентный магнитомягкий сплав на основе железа, 9,6% кремния и 5,4% алюминия. Сплав обладает высокой магнитной проницаемостью, высокой твердостью и сопротивлением к истиранию. За рубежом сплав известен под названием «сендаст». Для промышленности разработан сплав 10СЮ-ВИ, который изготавливается в виде литой полосы толщиной 8 – 15 мм. Сплав изготавливается также методами порошковой металлургии в виде прутка диаметром 15 – 80 мм или методом сверхбыстрой закалки расплава. Благодаря хорошей размольности сплав применяют в качестве ферромагнитной составляющей магнитодиэлектриков. Образцы сплава 10СЮ-ВИ полученные в лабораторных условиях по своим магнитным свойствам не отличается от пермаллоев и обладают начальной магнитной проницаемостью не менее 35 000 и максимальной не менее 117 000, коэрцитивной силой не более 1,76 А/м и удельным сопротивлением 0,8 мкОм·м. Получение максимума магнитных свойств достигается очень точным соблюдение химического состава. В промышленности удается получать сплавы с начальной магнитной проницаемостью не менее 7 000. Отечественная промышленность выпускала 6 марок альсиферов с относительной магнитной проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в диапазонах частот от 0,1 кГц до 0,7 МГц и в интервале температур от минус 60 до +120 °С. Сердечники из альсифера обеспечивают устойчивость изделий к воздействию температур, влаги, изменения давления. Альсифер применяют для изготовления катушек индуктивности, трансформаторов, магнитных экранов, корпусов приборов машин, деталей магнитопроводов для работы в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях.

В настоящее время материал не применяется.

Порошковые магнитомягкие материалы.

Карбонильное железо.

Источник