Сплавы на основе железа с различными металлами

Альсиферы представляют собой сплав алюминия (аль-), кремния (-си-) и железа (-фер). Их оптимальный состав: 5,4 % А1; 9,6 % Si и 85 % Fe. При этом материал имеет: m₀ = 35 000 Гс/Э, m_max = 120 000 Гс/Э, Н_с = 1,76 А/м, В_s = 1,1 Тл, r₀ = 0,81 мкОм×м. Наибольшего применения нашли сплавы с концентрацией кремния от 9 до 11 % и алюминия 7,4 %. Их параметры отличаются незначительно m₀ = 3000 - 34900 Гс/Э, Н_с = 1,8 А/м и r₀ = 0,81 мкОм×м. Изменением содержания кремния и алюминия также можно регулировать температурный коэффициент магнитной проницаемости и добиться нулевого его значения. Данные сплавы нековки, хрупки и высокотверды, не содержат дефицитных металлов и имеют низкую стоимость.

Альсиферы применяют для изготовления деталей, работающих в постоянных магнитных полях (экраны, детали магнитопроводов). Изделия производят только методом фасонного литья.

Пермаллои это в основном железоникелевые или железоникелевокобальтовые сплавы. Они имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость, почти в 10 раз превышающую таковую обычного технического железа m_н £ 4 мГн/м, В_s = 1,5 Тл и m_н £ 35 мГн/м и В_s = 0,75 Тл. Пермаллои также обладают повышенным удельным электросопротивлением, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Для улучшения электромагнитных и технологических свойств их дополнительно легируют. Молибден и хром уменьшают чувствительность к остаточным напряжениям, повышают удельное электросопротивление и магнитную проницаемость. Медь стабилизирует свойства, улучшает механическую обрабатываемость и удельное сопротивление, которое также повышают кремний и марганец.

Все железоникелевые сплавы поставляют в виде горячекатаных листов, прутков и холоднокатаных лент толщиной от 2,5 мм до нескольких мкм только в неотожженном виде. Поэтому свойства пермаллоев должны быть значительно улучшены магнитной термической обработкой в интервале температур 1000 - 1200 °С, максимально доведя магнитную проницаемость до 20000 Гс/Э. При этом гарантированные магнитные свойства получают при строгом контроле температурного режима отжига.

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

В зависимости от концентрации никеля их делят на низко- и высоконикелевые, содержащие соответственно 45 - 50 % (гайперники) и 79 - 83 % никеля.

Низконикелевые сплавы в магнитных цепях используют чаще, чем высоконикелевые. Они применяются в качестве материалов для производства изделий, работающих в переменных магнитных полях, особенно при повышенных частотах.

По сравнению с первыми высоконикелевые сплавы обладают следующими свойствами: малая кристаллографическая анизотропия и магнитострикция; более высокая магнитная проницаемость; индукция насыщения B_s и удельное электрическое сопротивление приблизительно в 1,5 - 2,0 раза меньше; термическая обработка сложнее; более дорогие; магнитные свойства значительно сильнее зависят от механических напряжений, чистоты и состава.

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

Маркировка железоникелевых сплавов своеобразна: первые две цифры указывают концентрацию Ni в %, символ после буквы Н обозначает дополнительное легирование (Х - хромом, С - кремнием, М - молибденом), в конце марки литера А означает высшее качество). Например: 45Н, 50НХС, 79НМ. У таких сплавов m₀ лежит в интервале 14000 - 22000 Гс/Э. Для сплава 79НМА m₀ составляет до 50000 Гс/Э.

Магнитодиэлектрики на основе пермаллоев по сравнению с альсиферовыми обладают более высокой магнитной проницаемостью составляющей 200 - 250 и пониженным температурным коэффициентом магнитной проницаемости.

Из-за высокой пластичности использование нелегированных пермаллоев в данном качестве невозможно. Поэтому для производства магнитодиэлектриков в основном употребляют порошки из молибденового пермаллоя. Для придания этим сплавам хрупкости их дополнительно легируют небольшим количеством серы, которую вводят в процессе плавки. Такой сплав относительно легко измельчается в мелкодисперсный порошок с размерами частиц порядка десятка микрометров.

Карбонильное железополучают в результате разложения его пентакарбонила Fe(CO)₅. При различных условиях производят порошкообразный или губчатый металл. В результате термической обработки в водороде оно приобретает высокие магнитные свойства. Применяют карбонильное железо в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа имеют широкий рабочий диапазон частот, минимальные магнитные потери, высокие временную стабильность и влагопоглощаемость, поэтому изделия из них должны герметизироваться. Их начальная магнитная проницаемость насыщения составляет 3000 единиц.

Промышленность выпускает карбонильные магнитодиэлектрические порошки двух классов с размером частиц до 1 - 5 мкм: Р - для радиоаппаратуры и П - для проводной связи. Их применяют для изготовления сердечников катушек индуктивности фильтров и контуров.

В качестве магнитотвердых материалов применяются железные сплавы с добавлением никеля и алюминия. По способу их изготовления их классифицируют на литые, порошковые и деформируемые. Литые сплавы содержат 6,5 - 16,0 % Al; 12 - 35 % Ni и остальное железо (ферромагнитная основа). Иногда их дополнительно легируют такими элементами, как кобальт, медь, титан и ниобий. Все они улучшают магнитные свойства, а медь снижает их разброс при неизбежных колебаниях состава. Наиболее распространенными являются сплавы железо-никель-алюминий, легированные медью и кобальтом. Они относятся к прецизионным, так как их качество в решающей степени определяется строгим соблюдением технологических факторов.

Магнитотвердые литые материалы получают дисперсионным твердением при охлаждении с определенной скоростью от температуры плавления до точки начала распада.

Марки этих материалов содержат литеры Ю и Н, указывающие на наличие в них алюминия и никеля. При использовании легирующих металлов в обозначение вводят соответствующие им дополнительные буквы, например, сплав системы железо-никель-алюминий, легированный кобальтом, марки ЮНДК.

Бескобальтовые сплавы обладают относительно низкими магнитными свойствами, но они являются самыми дешевыми. В наиболее используемых материалах, называемых «Альнико»-ЮНДК (11 - 14 % Al; 22 - 34% Ni, остальное железо), структура кристаллов столбчатая, в них можно получить коэрцитивную силу Н_с от 400 до 500 Э; остаточную магнитную индукцию В_r от 6000 до 7000 Гс (0,6 - 0,7 Тл). Такие высокие магнитные свойства позволяют изготавливать из них мощные магниты весьма малых габаритов. Это очень важно в приборостроении

Кобальтовые сплавы обладают относительно высокими магнитными свойствами и магнитной изотропностью. Они делятся на низко-, средне- и высококобальтовые. Первые в данном качестве практически не используются.

Средне- и высококобальтовые сплавы представляют собой системы с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой с концентрацией кобальта от 12 и более %.

Магнитную текстуру получают охлаждением сплава в магнитном поле с напряженностью 160 - 280 кА/м от 1250 - 1300 °С до 500 °С. Она представляет собой макроструктуру в виде столбчатых кристаллов, ориентированных в направлении легкого намагничивания. При этом магнитные характеристики улучшаются лишь в направлении действия поля, т. е. материал становится магнитоанизотропным.

Для сплавов, содержащих 12 % кобальта, термомагнитная обработка увеличивает магнитную энергию приблизительно на 20 %, a с концентрацией кобальта 20 - 25 % - на 80 % и более. Данный процесс понижает температуру начала дисперсного распада с 950 °С для бескобальтового до 800 °С в сплаве с 24 % кобальта. При этом у высококобальтовых систем повышается температура Кюри с 730 до 850 °С. Высококобальтовые сплавы типа «Магнико» подвергаются закалке в магнитном поле, благодаря чему достигаются высокие значения остаточной магнитной индукции В_г, лежащие в диапазоне 7 500 - 12 300 Гс.

Из высококобальтовых текстурированных сплавов производят малогабаритные магнитные изделия, требующие высоких магнитных свойств и магнитной анизотропии.

Находят применение литые сплавы группы «Ални» (ЮН1 - Ални1; ЮН2 - Aлни2; ЮН3 - Ални3), у которых коэрцитивная сила Н_с лежит в интервале 250 - 500 Э; остаточная индукция В_r составляет от 5 000 до 7 000 Гс; Алниси-ЮНС (1,0 % Si); Альнико (ЮНДК12; ЮНДК15; ЮНДК18) с коэрцитивной силой Н_с от 500 до 650 Э и остаточной магнитной индукцией В_r в диапазоне 6800 - 9000 Гс и Магнико (ЮНДК24) с Н_c и В_r равными соответственно 5 003 Э и 12 300 Гс. Общий недостаток данных типов сплавов составляют повышенная хрупкость и высокая твердость. Этих несовершенств лишены порошковые сплавы. Они мелкодисперсные, неравновесные и не пористые, но магнитные свойства у них несколько ниже, чем у предыдущих. Порошковые магнитотвердые материалы подразделяют на металлокерамические, металлопластические, оксидные и микропорошковые. Металлокерамические магниты по свойствам лишь немного уступают литым, но дороже их. Получают их прессованием порошкообразных металлических сплавов без дополнительной обработки. В данных целях используют сплавы ЮНДК (системы Fe-Ni-Al, легированные кобальтом); на основе платины (Pt-Co и Pt-Fe) и на основе редкоземельных металлов. Магниты из порошкообразных сплавов ЮНДК имеют свойства по параметрам В_ги w_mахна 10 - 20 % ниже, чем из литых этого же состава, благодаря повышенной пористости спеченного материала. Однако по механической прочности в 3 - 6 раз превосходят первые.

В качестве магнитострикционных материалов применяют пермендюры (сплавы кобальт-железо) и альферы (системы железо-алюминий).

Пермендюры относятся к сплавам с высокой индукцией насыщения (B_s = 2,12 - 2,40 Т), что позволяет получить экономию в массе и объеме по сравнению с железом на 15 - 20 %. Из них наиболее известен железоникелевый сплав, легированный ванадием, введение которого улучшает обрабатываемость материала и изделий в холодном состоянии.

Они обладают следующими свойствами: наивысшее значение индукции насыщения из всех выпускаемых материалов; высокие магнитострикционные характеристики в широком диапазоне температур [m_s = (60 - 70)×10^-6]; большое значение магнитной проницаемости (m = 500).

Недостатками пермендюров являются: малое удельное электрическое сопротивление; дефицитность кобальта и ванадия; неустойчивость к коррозии; плохая механическая обрабатываемость и высокая стоимость.

Их применяют для изготовления телефонных мембран и изделий, работающих в постоянных или слабых переменных магнитных полях с сильным подмагничиванием постоянным.

К термомагнитным сплавам относят компенсаторы (системы железо-никель-хром ) и термаллои (никель-железо).

Наиболее широко применяют компенсаторы,которые обладают следующими характеристиками: полная обратимость магнитных свойств в диапазоне от -65 до +180 °С; большие значения намагниченности насыщения M_s; высокие значения температурных коэффициентов намагниченности насыщения TKM_s и индукции насыщения ТКВ_s; высокие линейность магнитных характеристик и воспроизводимость параметров; хорошая механическая обрабатываемость.

Термаллои имеют следующими характеристиками: необратимое изменение свойств под действием отрицательных температур; сильная зависимость точки Кюри от состава (изменение концентрации никеля на 0,25 % смещает ее на 10 К); плохая воспроизводимость характеристик.

Многослойные материалы получают совместной прокаткой листов или полос из термомагнитных сплавов с различными свойствами. Требуемых параметров добиваются подбором исходных полос с необходимыми свойствами и размеров (толщины). Они имеют слабую зависимость намагниченности насыщения M_s от напряженности магнитного поля, малые параметры полей насыщения, возможность заранее рассчитать требуемые свойства материалов, разнообразие характеристик, однотипность технологии изготовления.

Термомагнитные материалы используют в качестве магнитных шунтов и добавочных резисторов для компенсации температурной погрешности или обеспечения изменения магнитной индукции в воздушном зазоре по заданному закону; в индукционных печах для поддержки заданной температуры или в реле, момент срабатывания которых зависит от температуры.