Магнитомягкие материалы для низкочастотных магнитных полей

В постоянных и низкочастотных магнитных полях (на частотах до единиц килогерц) применяют металлические магнитомягкие ма­териалы: технически чистое, электролитическое и карбонильное железо, низкоуглеродистую электротехническую сталь, кремнистую электротехническую сталь, пермаллои (железоникелевые сплавы).

Магнитомягкие материалы должны обладать следующими свой­ствами:

малая коэрцитивная сила H_c;

высокая магнитная проницаемость μ;

малые потери на перемагничивание для получения максималь­ных значений магнитной индукции материала;

высокая пластичность, обеспечивающая качественную вырубку пластин для магнитопроводов;

малые колебания толщины материала;

отсутствие окалины, бугров, вмятин, что позволяет повысить ко­эффициент заполняемости и соответственно уменьшить размеры из­делий;

независимость магнитных свойств от механических напряжений, приложенных к магнитопроводу, что позволяет прикладывать боль­шие усилия сжатия, обжимки без ухудшения его параметров.

Технически чистое железо содержит менее 0,05% примесей при минимальном количестве других примесей. Оно имеет наиболее

высокие значения индукции насыщения B_s из всех ферромагнитных

материалов, низкое удельное электрическоесопротивление ρ, поэтому его используют для изготовления изделий, работающих и постоянных магнитных полях.

Коэрцитивная сила Н_с и магнитная проницаемость μ изменяют­ся в широких пределах. Это железо технологично, хорошо штампу­ется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, имеет низ­кую стоимость.

Свойства железа, полученного в лабораторных условиях, в 100. ..200 раз выше свойств технически чистого железа, что связано с наличием трудноудаляемых примесей. К самым вредным приме­сям относят углерод, кислород и серу.

На магнитные свойства железа, кроме химического состава, вли­яет его структура, особенно размеры зерна. На границах зерен про­исходит искажение кристаллической решетки. Особенно легко вы­деляются фазы, содержащие углерод, поэтому чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. Для укрупнения зерен железо под­вергают специальной термообработке (отжигу).

Технически чистое железо применяют как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов. Широко при­меняют также электролитическое и карбонильное железо.

Электролитическое железо получают в результате электролиза FеSО₄ или FеС1₂. Осажденное на катоде железо после тщательной промывки и измельчения в шаровых мельницах содержит большое количество водорода, поэтому не обладает высокими магнитными свойствами. После переплавки в вакууме и многократных отжигов его свойства существенно улучшаются. В результате такой обра­ботки получают электролитическое железо, которое содержит мень­шее количество примесей, чем чистое железо, поэтому оно облада­ет более высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила Н_с= 30 А/м, максимальная магнитная проницаемость μ_max = 15 000. Из-за высокой стоимости электролитическое железо использу­ют редко.

Карбонильное железо получают в результате разложения пента-карбонила железа Fе (СО)₅. При различных условиях разложения получают порошкообразное или губчатое железо. В результате термической обработки в водороде железо приобретает высокие маг­нитные свойства.

Применяют карбонильное железо в качестве ферромагнитнойфазы магнитодиэлектриков.

Свойства железа улучшают введением присадок, получая различ­ные марки сталей. Применяют две основные разновидности магнитомягких электротехнических сталей: низкоуглеродистые стали и кремнистые стали.Низкоуглеродистая электротехническая стальпоставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Такую сталь подвергают термообработке, в процессе которой ее медленно нагревают до температуры 900°С, выдерживают в течении 2…4ч и медленно охлаждают со скоростью не более 30...40 градусов в час до температуры 600°С.Процесс ведут или в защитной среде, предохраняющей метал от окисления, или в активной среде(смесь азота с водородом), обеспечивающей дополнительную очистку сталей от примесей. В результате термообработки сокраща­ется число зерен в единице объема (увеличиваются размеры отдель­ных кристаллических зерен), что улучшает магнитные свойства стали.

Термически обработанные стали обладают коэрцитивной си­лой Н_с = 64...96 А/м, максимальной магнитной проницаемостью μ_max = 3500...4500 и содержанием углерода 0,1%.

Кремнистые электротехнические стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Легирование кремнием исполь­зуют как один из способов снижения потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали за счет повышения удельного элек­трического сопротивления ρ.

Удельное электрическое сопротивление и плотность кремнистых электротехнических сталей в зависимости от содержания кремния приведены в табл. 6.1.

В результате легирования кремнием в низкоуглеродистых ста­лях улучшается состав вследствие того, что кремний связывает часть растворенных в металле газов и в первую очередь кислород; снижа­ется магнитострикция, т.е. зависимость магнитных свойств от ме­ханических напряжений; увеличивается магнитная проницаемость μ; снижается коэрцитивная сила Н_с и потери на перемагничивание; при содержании кремния свыше 5% снижается индукция насыще­ния и ухудшаются механические свойства (повышаются твердость и хрупкость).

Для улучшения свойств кремнистых электротехнических сталей необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Но применение этих методов не позволяет существенно улучшать магнитные свойства этих сталей.

Таблица 6.1. Удельное электрическое сопротивление и плотность кремнистых электротехнических сталей

Более существенного улучшения магнитных свойств кремнистых электротехнических сталей добиваются созданием в материале магнитной текстуры. При отсутствии текстуры имеет место хаотичное расположение кристаллов в сплаве, поэтому сплав обладает изотропными свойствами со статически постоянной средней намагниченностью по любому направлению. Для создания магнитной текстуры сталь подвергают холодной прокатке. В результате большинство зерен сплава ориентируются легким намагничиванием вдоль проката, т.е. сплав текстурируется. Такую текстуру называют текстурой прокатки. Холоднокатаная сталь ста­новится магнитно-анизотропной.Деформация в холодном состо­янии приводит к появлению больших внутренних напряжений, что вызывает рост коэрцитивной силы Н_с. Эти напряжения снимают отжигом.

Применение текстурованной стали в трансформаторах различ­ного назначения позволяет снижать их массу и размеры на 20.. .40%.

Горячекатаные стали в отличие от холоднокатаных не имеют магнитной текстуры, т.е. магнитно-изотропны. Однако незначитель­ное упорядочение зерен и связанная с этим анизотропия свойств наблюдается и при горячей прокатке.

Термообработку кремнистых сталей ведут аналогично термооб­работке низкоуглеродистых сталей (технически чистого железа). Однако при изготовлении магнитопроводов из кремнистых текстурированных сталей необходимо учитывать анизотропию магнит­ных свойств, так как лучшими магнитными свойствами лист обла­дает в направлении проката, а худшими - под углом 55° к направ­лению проката.

Марку стали обозначают буквой «Э» и следующими за ней циф­рами. Цифрами обозначают степень легирования и гарантирован­ные электромагнитные свойства стали.

Листы и рулоны стали поставляются заказчику в отожженном виде. Однако допускается поставка сталей в нагартованном виде (без отжига). В этом случае к обозначению марки стали, добавляют букву «Т».

Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем Fе-Ni или железа с никелем и кобальтом Fе-Ni-Со, обычно легирован­ных молибденом, хромом и другими элементами. К специфическим особенностям пермаллоев относят:

высокое значение начальной магнитной проницаемости в слабых полях (в 10...20 выше, чем у стали); изгибание пластины толщиной 0,1...0,3 ммпод углом 90° снижает начальную магнитную проницаемость в 2 раза;

большую чувствительность к деформациям, особенно если при этом возникает наклеп (пластина, которая подверглась сильному

наклепу, теряет свои преимущества в магнитных свойствах по сравнению с другими магнитомягкими материалами).

Без термической обработки магнитная проницаемость у пермаллоев меньше, чем у чистого железа; при переменном токе магнитная проницаемость μ падает в большей степени, чем у электротех­нических сталей.

Все железоникелевые сплавы поставляют в виде горячекатаных листов, прутков и холоднокатаных лент толщиной от 2.5 мм до не­скольких мкм только в не отожженном виде. Термообработку про­водят при температуре 1000...1200°С. При этом гарантированные магнитные свойства получают при строгом контроле температур­ного режима отжига.

Отожженные изделия должны быть светлыми, свободными от оксидов, темных пятен, цветов побежалости. Изделия, прошедшие термообработку, необходимо оберегать от ударов, изгибов, рих­товки, сильного сдавливания обмоткой.

В зависимости от содержания никеля пермаллои делят на низко­никелевые, высоконикелевые.

К низконикелевым относят пермаллои с содержанием никеля 40...50%. Низконикелевые сплавы в магнитных цепях используют чаще, чем высоконикелевые.

Низконикелевые пермаллои используют в качестве магнитных материалов для изделий, которые работают в переменных магнит­ных полях, особенно при повышенных частотах.

К высоко никелевые относят пермаллои с содержанием никеля 70...80%. Высоконикелевые сплавы обладают следующими свой­ствами:

малая кристаллографическая анизотропия;

малая магнитострикция, т.е. зависимость магнитных свойств от механических напряжений;

магнитная проницаемость μ в несколько раз больше, чем у низ­коникелевых, и в несколько десятков раз больше, чем у электротех­нических сталей;

индукция насыщения В_sприблизительно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей, и в 1,5 раза меньше, чем у низконикелевых;

удельное электрическое сопротивление ρ приблизительно в 2 раза меньше, чем у низконикелевых;

термическая обработка сложнее, чем у низконикелевых:

дороже низконикелевых из-за содержания никеля:

магнитные свойства значительно сильнее зависят от механичес­ких напряжений, чистоты и состава, чем у низконикелевых сталей.

Высоконикелевые пермаллои применяют в качестве магнитного материала для сердечников мощных силовых трансформаторов и других устройств, для которых важно создание большого магнит­ного потока.