Магнитные материалы

Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки. Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, т.к. из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами.

3.Магнитотвердые магнитные

Магнитотвердые магнитные материалы (магнитожесткие, высококоэрцитивные Магнитные материалы) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными магнитные материалы иногда наз. только Магнитные материалы с коэрцитивной силой Нс > 20 кА/м. Магнитотвердые Магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистеррезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др.

Выделяют следующие группы магнитотвердых магнитных материалов:

1. Стали, закаливаемые на  мартенсит (углеродистые, легированные  Сr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми Hс (4-12 кА/м) и Wмакс (0,6-1,4 кДж/м3).

2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Аl (ални) с добавками Со, Сu, Ti и др. Значения магнитных параметров этой группы магнитных материалов зависят от состава и наличия текстуры (кристаллографической, магнитной). В целом они характеризуются умеренными значениями Нс (36-145 кА/м), высокими значениями Вr (0,5-1,4 Тл) и Wмакс (3,6-40 кДж/м3), наименьшими из всех магнитных материалов температурными коэффициентами основных параметров (температурный диапазон использования до 770 К); эти магнитные материалы хрупки, обрабатываются только шлифованием.

3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Сu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико), Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магнитным свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов (особенно Со).

4. Сплавы с использованием  благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd) с высокими значениями коэрцитивной силы (до 400 кА/м). Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, т.к. они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку.

5. Бариевые и стронциевые  ферриты с гексагональной кристаллической  решеткой и кобальтовый феррит  со структурой шпинели. Характеризуются  сравнительно низкими значениями Вr (0,19-0,42 Тл), весьма высокими Hc (130-350 кА/м) и Wмакс (3-18 кДж/м3), температурной стабильностью (вплоть до 700 К), высоким удельным электрическим сопротивлением. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов - высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагональных бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих магнитных материалов в различных областях техники. Основной недостатки ферритовых магнитных материалов - высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования (230-500 К).

6. Интерметаллические соединения  металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллической  анизотропией. Распространены бинарные сплавы "редкая земля - кобальт", например SmCo5, квазибинарные соединения "2-17" типа R2(CoFe)17. На основе таких сплавов разработаны магнитные материалы с рекордными значениями Hс (640-1300 кА/м) и Wмакс (55-80 кДж/м3) при достаточно высоких Вr (0,77-1,0 Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной стабильности. Недостатки этих Магнитные материалы - высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Разработаны также составы типа "редкая земля - железо - бор", например Nd2Fe14B, (YEr)2Fe14B. Такие магнитные материалы не только обладают высокими значениями магнитной энергии (BH)макс но и значительно дешевле, чем SmCo5.

7. Композиционные магнитные  материалы на основе порошкообразных  ферритов и интерметаллических  веществ (5-я и 6-я группы) и связующего. Различают магнитопласты (связующее - пластическая масса) и магнитоэласты (связующее - каучук). Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти магнитные материалы по своим магнитным параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы.

8. Материалы для магнитной  записи, получаемые нанесением магнитных  материалов в виде тонкой пленки  или тонкодисперсного порошка на немагнитную подложку. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni, Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Сr и др., получаемые вакуумным напылением, гальванопластическим или химическим осаждением. При создании таких магнитных материалов стремятся получить наибольшую Вr и умеренную Нс (обычно 20-80 кА/м в зависимости от плотности записи, способа записи информации и т. п.). Перспективными материалами для магнитооптической записи информации являются высококоэрцитивные аморфные пленки на основе соединений типа "редкая земля -железо - кобальт" (Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная сила Нс = (1 - 5).105 А/м.

4.Специальные магнитные материалы

Специальные магнитные материалы обладают свойствами, которые обеспечивают им важные, но сравнительно узкие области применения. Магнитострикционные магнитные материалы - ферромагнитные металлы и сплавы, а также ферриты, обладающие достаточно большой магнитострикцией, т.е. изменением размеров образца при его намагничивании и размагничивании. Магнитострикционные материалы используют в излучателях и приемниках звука и ультразвука и в др. устройствах, преобразующих энергию электромагнитного поля в механическую и обратно. Магнитострикционными материалами являются: никель, НП2Т (Ni св. 98%), сплавы - пермендюр, 49 КФ (49% Со, 2% V, остальное Fe), алфер (12,5% Аl, остальное Fe), никоей (4% Со, 2% Si, остальное Ni), керамич. ферриты-шпинели на основе Ni, Со, Сu. Перспективные магнитострикционные материалы - интерметаллические соединения типа RFe2, где R - Y, Tb, Dy, например Тb0,27Dy0,73Fe2. В приборостроении и измерительной технике широко применяют инварные сплавы с низким коэффициентом термического расширения и элинварные сплавы, обладающие малым температурным коэффициентом упругости. Такими свойствами обладают сплавы Fe-Ni, Fe-Pt, Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Сr, Fe-Co-Сr.

Термомагнитные материалы - ферромагн. сплавы с сильной зависимостью остаточной намагниченности от температуры. Их применяют для компенсации температурных изменений магнитных потоков в приборах и реле, момент срабатывания которых зависит от температуры. К термомагнитным материалам относятся сплавы Ni-Fe-Cr, Ni-Cu (кальмаллои), Ni-Fe (термаллои) и др.

Магнитооптические магнитные материалы способны вращать плоскость поляризации света, прошедшего через образец или отраженного от него, и используются для управления световыми потоками (в лазерной технике и оптоэлектронике). Относительно прозрачные в ближнем ИК диапазоне ферриты-гранаты [напр., (YBi)3Fe5Ol2], ферриты-шпинели, ортоферриты и другие применяют в устройствах, предназначенных для пространственно-временной модуляции света. Непрозрачные магнитные материалы на основе интерметаллических соединений, например РЗЭ с элементами подгруппы железа, а также на основе MnBi, MnAs служат в качестве запоминающей среды в магнитооптических запоминающих устройствах.

СВЧ Магнитные материалы применяют в радиоэлектронике, для изготовления волноводов, фазовращателей, преобразователей частоты, модуляторов, усилителей и т. п. Специфические требованиями к магнитным материалам для СВЧ диапазона являются: высокая чувствительность к управляющему магнитному полю, высокое удельное электрическое сопротивление, малые электромагнитные потери, высокая температура Кюри. Наиболее распространены никелевые, никель-медно-марганцевые ферриты-шпинели, иттриевый феррит-гранат, легированный РЗЭ. Применяют металлические сплавы Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Al-Cr. Их используют главным образом для создания поглотителей мощности в различных изделиях СВЧ техники. Композиционные СВЧ Магнитные материалы используют для создания экранов для защиты от СВЧ полей. Металлическими наполнителями являются Fe, Co, Ni, сплавы сендаст; связующими - различные полимерные смолы и эластомеры.

Жидкие магнитные материалы, или магнитные жидкости, представляют собой однородную взвесь мелких (10-3-10-1 мкм) ферромагнитных частиц в воде, керосине, веретенном масле, фторуглеводородах, сложных эфирах, жидких металлах. Магнитные жидкости применяют для визуализации структуры постоянных магнитных полей и доменной структуры ферромагнетиков, в качестве рабочей среды магнитоуправляемых поляризационных светофильтров, а также при создании гидромеханических преобразователей и излучателей звука. Изучаются проблемы, связанные с использованием магнитных жидкостей в биологии и медицине, например для управляемого рентгеновского контрастирования полых органов, создания депо лекарственных препаратов, локального повышения температуры.

Практическая часть

5.Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов. 

Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.

Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости mmax ~ 4000,  коэрцитивной силы Нс~ 65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено - тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.

Добавлением в состав кремния достигается повышение удельного сопротивления стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной стали. Это дает уменьшение потерь.

Электротехническую сталь маркируют следующим образом: первая цифра-структура (1-горячекатанная изотропная, 2-холоднокатанная изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой), вторая цифра- содержание кремния (0-до 0.4%, 1 - до 0.8%. 2 - до 1.8%, 3-до 2.8%, 4 - до 3.8%, 4 - до 4.8%), третья цифра - тип нормируемых магнитных характеристик (0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50 Гц, 1- удельные потери при В=1.5 Тл, f=50 Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f=400 Гц, 6- В при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая цифра в старых справочниках означала номер материала. В современных справочниках четвертая и пятая цифры являются одним числом, означающим численную характеристику нормируемого параметра.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

6.Листовая электротехническая сталь.

Для изготовления сердечников электрических машин и магнитопроводов трансформаторов применяется электротехническая листовая сталь, являющаяся по своим магнитным свойствам магнитномягким материалом. 
Применяемая сталь должна обладать высокой магнитной проницаемостью, а при работе в переменном магнитном поле, кроме того, малыми потерями та перемагничивание (гистерезис) и малыми потерями от вихревых токов. 
Малые потери на гистерезис характеризуются узкой, с малой площадью, петлей гистерезиса. Снижение потерь от вихревых токов достигается увеличением удельного объемного сопротивления стали и выполнением сердечников те из массива, а из отдельных листов, изолиророванных друг от друга; чем выше частота, тем тоньше должны быть применяемые листы стали. Для работы при частоте 50 гц и ниже применяются главным образом листы толщиной 0,5 и реже 0,35 мм. Для работы при больших частотах обычно применяются листы толщиной 0,2 и 0,1 мм. 
Для улучшения магнитных свойств применяется сталь, легированная кремнием. Такая легировка уменьшает потери на гистерезис и увеличивает удельное объемое сопротивление, но снижает механические свойства стали, делает ее хрупкой. 
В зависимости от содержания кремния (Si) электротехническая листовая сталь подразделяется на слаболегированную (Si = 0,8-Hl,8%; р = 0,25 ом-мм2/м), среднелегированную (Si = 1,8-2,8%; р=0,4 ом-мм2/м), повышеннолегированную (Si = 2,8-4,0%; р = 0,5 ом • мм2/м) и высоколегированную (Si=4,0-f-4,8%; р=0,6 ом-мм2/м). 
По характеру обработки сталь подразделяется на горячекатаную и холоднокатаную. Различают так называемую текстурованную сталь, в которой в результате повторной прокатки с сильным обжатием и последующим отжигом в атмосфере водорода сталь очищается от кислорода и углерода, а ее кристаллы укрупняются и ориентируются таким образом, что ребра кристаллов совпадают с направлением прокатки. Такие стали изготовляются при холодной прокатке листов и обладают лучшими магнитными свойствами, чем обычные горячекатаные стали; магнитная проницаемость холоднокатаной стали выше, а потери на гистерезис ниже, чем у горячекатаной. 
Необходимо учитывать, что магнитная проницаемость текстурованных сталей в направлении, не совпадающем с направлением проката, меньше, чем у горячекатаной стали. В связи с этим при изготовлении Ш-образных магнитопроводов трансформаторов необходимо полосы стали вырезать и шихтовать таким образом, чтобы 
направление магнитного потока совпадало бы с направлением прокатки листов. 
В зависимости от степени легирования, способа изготовления листов, магнитных и электрических свойств выпускаемая сталь подразделяется на марки: Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э43, Э43А, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48, Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200, Э310, Э320, ЭЗЗО, ЭЗЗОЛ, Э340, Э370, Э380. 
Буквы и цифры в марках стали условно обозначают: 
— электротехническая сталь; 
первая цифра после буквы Э (1, 2, 3, 4)—степень легирования стали кремнием: 1 — слаболегированная, 2 — среднелегированная, 3 — повышеннолегированная, 
— высоколегированная; вторая цифра после буквы Э (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) — гарантированные удельные потери при перемагничивании, которые тем меньше, чем выше степень легирования: 1—нормальные удельные потери; 2—пониженные потери; 3—низкие потери; 4—гарантированные значения потерь при частоте 400 гц и магнитной индукции в средних по силе полях (от 0,03 до 10 а/см)\ 5—гарантированное значение магнитной проницаемости в слабых магнитных полях (от 0,002 до 0,008 а/см); 6 — гарантированное повышенное значение магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 7—гарантированное значение магнитной проницаемости в средних по силе магнитных полях; 8—гарантированное повышенное значение магнитной проницаемости в средних по силе магнитных полях; 
третья цифра (0) означает, что сталь холоднокатаная текстурованная, третья и четвертая цифры (00)—сталь холоднокатаная малотекстурованная; 
буква А указывает на особо низкие удельные потери. 
Электротехническая сталь поставляется в отожженном состоянии и цвета побежалости не являются признаком брака. Листы слаболегированной и среднелегированной стали поставляются нетравленными, а горячекатаные листы повышеннолегированной и высоколегированной стали поставляются в травленом виде. 
Листы поставляются в пачках весом до 80 кг, скрепленных полосками мягкой стали шириной до 50 мм, предохраняющими пачки от распадения. Листы толщиной 0,1 и 0,2 мм должны быть обернуты толем или другим непромокаемым материалом и упакованы в деревянные решетчатые ящики.