Магнитомягкие материалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

1. Какой структурой и свойствами обладают магнитомягкие материалы

2. Для каких целей используются материалы из благородных и неблагородных металлов

3. Магнитные сплавы с особыми свойствами

1. Какой структурой и свойствами обладают магнитомягкие материалы

Магнитомягкие материалы обладают большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости и малыми значениями коэрцитовой силы (Нс 40 А/м). Эти материалы легко намагничиваются и размагничиваются. Они отличаются малыми потерями на гистерезис, т.е. им соответствует узкая гистерезисная петля.

Уровень магнитомягких характеристик зависит от их химической чистоты и степени искажения их кристаллической структуры. Чем меньше примесей в магнитомягком материале, тем выше уровень его характеристик, т.е. тем больше µн иµм и тем меньше Нс и потери на гистерезис. Поэтому при производстве магнитомягких материалов стараются удалить из них наиболее вредные примеси - углерод С, фосфор Р, серу S, кислород О₂, азот N₂ и различные окислы. Одновременно стараются не искажать кристаллическую структуру материала и не вызывать в нем внутренних напряжений. Из магнитомягких материалов изготавливают сердечники электрических машин, трансформаторов, реле и других электрических аппаратов. [ 3,c.140]

Основными металлическими магнитомягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремниевые стали.

Пермаллои - пластичные железоникелевые сплавы содержанием никеля от 36 до 80 %. Для улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36--50 % никеля, называются низконикелевыми, а 60--80 % - высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высокими магнитными характеристиками, что обеспечивается не только их составом и химической чистотой, а также специальной тепловой обработкой. При этом сплав нагревают со скоростью 400--500 °С в час, выдерживают при 1000--1150°С в течение 3--6 ч, затем охлаждают со скоростью 100--200 °С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600 °С и быстрое охлаждение со скоростью 150 °С в минуту. Наилучшие магнитные характеристики имеют пермаллои, отжигаемые в вакууме.

Все пермаллои чувствительны к механическим деформациям, наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали из пермаллоя, полученные этими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке - отжигу (по определенному режиму).

Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0,002--1,5 мм, листов толщиной 1--2,5 мм и прутков диаметром 8--60 мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, а высоконикелевые детали аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5--13 % алюминия, 9--10 % кремния, остальное - железо. Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но удалось это сделать в сравнительно ограниченной области их применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Кроме того, из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм. магнитный кристаллический сплав

Трансформаторные стали. Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали (0,04%), в которые вводят от 0,8 до 4,8 % кремния для улучшения магнитных свойств. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем 2FeO + Si >2Fe+Si0₂.

Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний также способствует росту кристаллов железа, что повышает уровень магнитных характеристик стали. Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому вводят кремний в сталь в количестве, не превышающем 4,8 %. Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или не нагретом состоянии. В соответствии с этим различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь. Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов и намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому для улучшения магнитных свойств листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900 °С.

При прокатке листов стали в одном и том же направлении кристаллы железа ориентированы преимущественно в направлении прокатки. При последующем отжиге листов стали из материала удаляются примеси, снижающие его магнитные свойства (углерод, кислород). Кроме того, при отжиге деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму.

Холоднокатаные кремнистые стали, кристаллы железа которые расположены преимущественно в направлении прокатки, называют текстурованными.

Улучшенные магнитные характеристики наблюдаются у холоднокатаных сталей только при совпадении направления их прокатки с направлением магнитного потока. В ином случае все магнитные характеристики холоднокатаных текстурованных сталей ниже, чем горячекатаных.

Поэтому холоднокатаные стали наиболее рационально применять в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки.

Электротехническую сталь прокатывают в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1 мм. Это доступный и дешевый материал. Для сердечников электрических машин, имеющих круглую форму, применяют горячекатаные стали, а также холоднокатаные малотекстурованные, которые обладают лучшими магнитными свойствами, чем горячекатаные.

Обозначения марок электротехнической стали расшифровываются следующим образом: буква Э - "электротехническая сталь"; первые цифры 1, 2, 3 и 4 после буквы Э -- степень легирования кремнием, а именно: 1 - слаболегированная сталь с содержанием кремния в пределах 0,8--1,8%, имеющая удельное объемное сопротивление 0,2·10 - 6 Ом·м; 2 - среднелегированная с содержанием кремния в пределах 1,8--2,8% (0,40-10 -6 Ом-м); 3 - повышено легированная сталь с содержанием кремния в пределах 2,8--3,8% (0,50·10 -6 Ом· м); 4 - высоколегированная сталь с содержанием кремния 3,8--4,8% (0,60· 10-6 Ом-м). Вторые цифры (от 1 до 8) указывают на важнейшие магнитные свойства: 1 - нормальные удельные потери; 2 - пониженные потери; 3 - низкие потери; буква А - особо низкие потери; 4 - гарантированные значения потерь при частоте 400 Гц и магнитной индукции в средних по силе полях; 5 - гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 6 - гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 7 - гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях; 8 - гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях. Третья цифра (0) означает холоднокатаную текстурованную сталь; третья и четвертая цифры (00) означают холоднокатаную малотекстурованную сталь. Примеры обозначения марок: Э 41, Э 48А, Э 3100, Э 330А. В трансформаторостроении применяют листовую и рулонную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм. Применение стали пониженной толщины сказывается благоприятно на снижении потерь на вихревые токи. [3, c. 144]

2. Для каких целей используются материалы из благородных и неблагородных металлов

Благородные металлы - металлы, не подверженные коррозии и окислению, что отличает их от большинства металлов. Все они являются также драгоценными металлами, благодаря их редкости. Основные благородные металлы - золото, серебро, а также платина и остальные 5 металлов платиновой группы-- (рутений, родий, палладий, осмий, иридий).

Применение

Валютные металлы

Сохраняет функции валютных металлов, главным образом, золото. Серебро ранее активно использовалось в качестве денег, но затем, после чрезмерного насыщения рынка, оно фактически утратило эту функцию.

В настоящее время серебро хранится в составе валютных резервов некоторых Центральных банков, но в достаточно малых объёмах.

Серебро, как и некоторые другие драгоценные металлы можно использовать частным лицам и компаниям в качестве накоплений. Фьючерсы на серебро активно используются спекулянтами.

Применение в технике

В электротехнической промышленности из благородных металлов изготовляют контакты с большой степенью надёжности (стойкость против коррозии, устойчивость к действию образующейся на контактах кратковременной электрической дуги). В технике слабых токов при малых напряжениях в цепях используются контакты из сплавов золота с серебром, золота с платиной, золота с серебром и платиной. Для слаботочной и средненагруженной аппаратуры связи широко применяют сплавы палладия с серебром (от 60 до 5 % палладия). Представляют интерес металлокерамические контакты, изготовляемые на основе серебра как токопроводящего компонента. Магнитные сплавы благородных металлов с высокой коэрцитивной силой употребляют при изготовлении малогабаритных электроприборов. Сопротивления (потенциометры) для автоматических приборов и тензометров делают из сплавов благородных металлов (главным образом палладия с серебром, реже с другими металлами). У них малый температурный коэффициент электрического сопротивления, малая термоэлектродвижущая сила в паре с медью, высокое сопротивление износу, высокая температура плавления, они не окисляются.

Применение в химическом машиностроении и лабораторной технике

Стойкие металлы идут на изготовление деталей, работающих в агрессивных средах - технологические аппараты, реакторы, электрические нагреватели, высокотемпературные печи, аппаратуру для производства оптического стекла и стекловолокна, термопары, эталоны сопротивления и др.

Используются в чистом виде, как биметалл и в сплавах. Химические реакторы и их части делают целиком из благородных металлов или только покрывают фольгой из благородных металлов. Покрытые платиной аппараты применяют при изготовлении чистых химических препаратов и в пищевой промышленности. Когда химической стойкости и тугоплавкости платины или палладия недостаточно, их заменяют сплавами платины с металлами, повышающими эти свойства: иридием (5-25 %), родием (3-10 %) и рутением (2-10 %). Примером использования благородных металлов в этих областях техники является изготовление котлов и чаш для плавки щелочей или работы с соляной, уксусной и бензойной кислотами; автоклавов, дистилляторов, колб, мешалок и др.

Применение в медицине

В медицине благородные металлы применяют для изготовления инструментов, деталей приборов, протезов, а также различных препаратов, главным образом на основе серебра. Сплавы платины с иридием, палладием и золотом почти незаменимы при изготовлении игл для шприцев. Из медицинских препаратов, содержащих благородные металлы, наиболее распространены ляпис, протарголи др. Благородные металлы применяют при лучевой терапии (иглы из радиоактивного золота для разрушения злокачественных опухолей), а также в препаратах, повышающих защитные свойства организма.

В электронике

В электронной технике из золота, легированного германием, индием, галлием, кремнием, оловом, селеном, делают контакты в полупроводниковых диодах и транзисторах. Золотом и серебром напыляют поверхность волноводов (скин-эффект).

В фото-кинопромышленности

До начала эры цифровой фотографии соли серебра были главным сырьем при изготовлении светочувствительных материалов (хлориды, бромиды или иодиды). На заре фотографии использовали соли золота и платины, в частности при вирировании изображения.

В ювелирной промышленности

В ювелирном деле и декоративно-прикладном искусстве применяют сплавы благородных металлов.

Защитные покрытия

В качестве покрытий других металлов благородные металлы предохраняют основные металлы от коррозии или придают поверхности этих металлов свойства, присущие благородным металлам (например, отражательная способность, цвет, блеск и т. д.). Золото эффективно отражает тепло и свет от поверхности ракет и космических кораблей. Для отражения инфракрасной радиации в космосе достаточно тончайшего слоя золота в 1/60 мкм. Для защиты от внешних воздействий, а также для улучшения наблюдения за спутниками на их внешнюю оболочку наносят золотое покрытие. Золотом покрывают некоторые внутренние детали спутников, а также помещения для аппаратуры с целью предохранения от перегрева и коррозии. Благородные металлы используют также в производстве зеркал (серебрение стекла растворами или покрытие серебром распылением в вакууме). Тончайшую плёнку благородных металлов наносят изнутри и снаружи на кожухи авиационных двигателей самолётов высотной авиации. Благородные металлы покрывают отражатели в аппаратах для сушки инфракрасными лучами, электроконтакты и детали проводников, а также радиоаппаратуру и оборудование для рентгено- и радиотерапии. В качестве антикоррозийного покрытия благородные металлы используют при производстве труб, вентилей и ёмкостей специального назначения. Разработан широкий ассортимент золотосодержащих пигментов для покрытия металлов, керамики, дерева.

Припои и антифрикционные сплавы

Припои с серебром значительно превосходят по прочности медно-цинковые, свинцовые и оловянные, их применяют для пайки радиаторов, карбюраторов, фильтров и т. д..

Износостойкие узлы

Сплавы иридия с осмием, а также золота с платиной и палладием используют для изготовления компасных игл, напаек "вечных" перьев.

Химическая промышленность: катализаторы

Высокие каталитические свойства некоторых благородных металлов позволяют применять их в качестве катализаторов: платину - при производстве серной и азотной кислот; серебро - при изготовлении формалина. Радиоактивное золото заменяет более дорогую платину в качестве катализатора в химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Благородные металлы используют также для очистки воды. Также платина является катализатором горения.

Неблагородные металлы простые, дешевые металлы. Типичным примером являются свинец и железо, которые, как и другие металлы такого типа, темнеют или окисляются при контакте с воздухом или влагой. Это свойство отличает их от золота, серебра, платины и других так называемых благородных металлов. В терминах химии это металлы, относящиеся к положительной части ряда напряжений. В древности алхимики лелеяли невыполнимую мечту превращения неблагородных металлов в золото.

Рассмотрим некоторые неблагородные металлы и сплавы из них.

Медь и сплавы на ее основе. Медь обладает высокими тепло- и электропроводностью (на втором месте после серебра) и теплоемкостью, т. е. обладает комплексом свойств, обеспечивающих хороший отвод тепла от контактов. Медные контакты меньше подвержены перегреву током даже по сравнению с серебряными (при отсутствии окисления). Медь недорога. Коррозионные свойства меди невысокие; корродирует в атмосферных условиях с образованием оксидных и сульфидных пленок, которые могут приводить к нарушению проводимости контактов. При нагреве медь окисляется еще в большей степени, но образуемые при этом пленки легко разрушаются. При температуре мощной дуги происходит диссоциация окиси меди с обнажением медной поверхности - это предотвращает нарушение контакта. Твердость и прочность на разрыв, параметры дуги у меди выше, чем у серебра, она менее склонна к иглообразованию, но из-за окисления непригодна для маломощных контактов. Медь успешно можно применять в устройствах, работающих с большими механическими усилиями с притирающим или проскальзывающим действием (механическое разрушение окисной пленки), при высоких напряжениях (электрическое разрушение - пробой описанной пленки) - это различного рода контакторы и выключатели,

В мощных установках вследствие большого обгара и недостаточной надежности медь не рекомендуется использовать. Ее нужно заменять металлокерамическими композициями.

Примеси металлов повышают прочность и твердость меди. Некоторые примеси, например серебро и кадмий, мало понижают тепло- и электропроводность меди, поэтому в небольших количествах их рационально вводить в медь.

С целью повышения твердости контактов рекомендуется применять медь с 2--6 % Ag. Присадка серебра мало изменяет электропроводность меди, но уменьшает ее склонность к свариванию.

Значительно улучшает качество контактов присадка кадмия (до 1,5 %). Сплав способен к остариванию и дисперсионному твердению. Присадка 1 % Cd мало влияет на электропроводность меди, но значительно уменьшает ее свариваемость и увеличивает износоустойчивость, Кадмий в несколько раз уменьшает износ меди при истирании.

Известен сплав меди с 1 % Cd. Его рационально применять для коллекторных пластин и троллейных проводов.

Тугоплавкие металлы

Для изготовления контактов применяют тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, рений. Они имеют наибольшую температуру плавления и твердость среди металлов, применяемых для контактов.

Вольфрам имеет параметры дуги, большие, чем у платины (хорошо противостоит образованию дуговых разрядов); мало подвержен эрозии и переносу металла (в несколько раз меньше, чем платина). Это обусловлено его высокими механическими и термическими свойствами. Вольфрамовые контакты не свариваются в работе, чрезвычайно прочны и износоустойчивы, их можно применять при высоких давлениях, необходимых для разрушения окисной пленки, образующейся вследствие их окисляемости. Длительность службы их очень велика.

Несмотря на образование окисных пленок на поверхности вольфрама, он имеет устойчивое в процессе работы контактное сопротивление, что объясняется относительно высокой электропроводностью вольфрамовых окисных плевок. Кроме того, при соприкосновении контактов плевки легко пробиваются с установлением электрического контакта.

Вольфрам довольно стоек к атмосферной коррозии в обычных условиях, но очень чувствителен к воздействию газов, выделяемых из пластмасс и изоляции, особенно в условиях повышенной влажности. При их воздействии нарушается контактная проводимость вольфрама. Интенсивная коррозия вольфрама может вызываться электрохимической коррозией в паре с материалом контактодержателя, припоя и т. д. Защита против образования непроводящих пленок - вакуум, водород, чистый азот.

Вольфрам - один из самых распространенных контактных материалов. Его рационально применять в мощных электрических установках, он не пригоден для работы при малых контактных нажатиях.

Молибден имеет более высокое минимальное напряжение дуги, но несколько меньший, чем у вольфрама, минимальный ток. Механические и термические свойства молибдена ниже, чем у вольфрама, поэтому эрозия катода при дуге у молибдена выше, чем у вольфрама, а эрозия анода в емкостной цепи меньше.

Молибден подвержен атмосферной коррозии при повышенной температуре с образованием рыхлых окислов, что приводит к внезапному полному нарушению проводимости, поэтому контакты из молибдена ненадежны при работе на воздухе.

В качестве контактных материалов могут быть использованы вольфрамо-молибденовые сплавы, представляющие собой неправильный ряд твердых растворов. Максимум электрического сопротивления, твердости и минимум температурного коэффициента сопротивления в сплаве с 45 % Мо, минимум эрозии - в сплаве с 34 % Мо. С увеличением молибдена в сплавах уменьшается коррозионная устойчивость на воздухе, нарушается проводимость. Сплавы вольфрама с молибденом, в частности с 34 % Мо, рационально использовать при работе в среде, обеспечивающей отсутствие окисления (вакуумные или наполненные инертным газом выключатели).

Вольфрам и молибден используются в металлокерамических композициях для мощных контактов.

Рений тугоплавок, тверд и прочен, как вольфрам, пластичен и окисляется, как молибден, но образует летучие окислы. Под действием дуги контакты самоочищаются от окисных пленок. Рений имеет высокое электрическое сопротивление. Параметры контактной дуги более низкие, чем у вольфрама и молибдена. Контакты стойки при дугах постоянного тока большой величины, оксидная пленка мешает переносу металла и свариванию контактов. Рений сохраняет контактную проводимость при воздействии высокой температуры контактной дуги,

Рениевые контакты рационально применять в высоконагруженных прерывателях тока, магнето, двигателях, работающих в морских условиях; для низковольтных разрывных контактов на токи в несколько ампер в аппаратуре, длительно хранящейся на воздухе.

Нашли применение сплавы рения с вольфрамом (15--20 % Re), лежащие в области ограниченных твердых растворов. Они имеют повышенную износоустойчивость в условиях вибрационного режима при токах до 3 А и напряжении до 20 В, В чистом виде рений для контактов применяется редко, только для случаев работы в парах углеводородов при достаточно высоком напряжении и малом токе.

Кобальт применяют для легирования сплавов палладия и платины и в металлокерамических композициях как связующий материал.

Ртуть - единственный металл, применяемый для контактов в жидком виде - в специальных ртутных выключателях.

Графит имеет высокую температуру плавления и не образует твердых окислов, не имеет изолирующих пленок. Контактные свойства: напряжение дуги наиболее высокое, минимальный ток наиболее низкий (среди всех металлов). Не образует мостиков и игл, Его недостатком является низкая механическая прочность, способность расслаиваться. Удельное электрическое сопротивление графита падает с повышением температуры.

3. Магнитные сплавы с особыми свойствами

В ряде случаев требуются материалы с повышенным постоянством магнитной проницаемости в слабых магнитных полях. Материалы с такими свойствами необходимы для создания магнитных элементов с большим магнитным потоком, в частности в некоторых дросселях, трансформаторах тока, аппаратуре телефонной связи, измерительных приборов и др. Магнитная проницаемость может быть обусловлена обратимыми и необратимыми процессами намагничивания. Проницаемость постоянна при обратимых процессах намагничивания, следовательно, такие материалы должны обладать обратимой проницаемостью в различных магнитных полях.

Экспериментально установлено, что постоянством проницаемости обладают материалы на основе Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co сплавов. Тройной сплав (25% Со, 45% Ni, остальное - Fe) называют перминваром. Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300 и остается постоянной при напряженности поля от 0 до 160 А/м. Индукция насыщения перминваров достигает 1,55 Тл. Применение перминвара ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Для различных типов сердечников, полюсов электромагнитов, работающих в магнитных полях с напряженностью 24000 А/м и выше, необходимы материалы с особо высокой индукцией насыщения. Такими свойствами обладает Fe-Co - сплав пермендюр, который состоит из 30...50% кобальта, 1,5...2% ванадия (остальное - железо). Этот сплав обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения (до 2,43 Тл). К числу недостатков пермендюра относится малое удельное электрическое сопротивление, которое приводит к значительным потерям на вихревой ток при работе в переменных магнитных полях.

В электротехнике используют материалы с большой зависимостью магнитной проницаемости от температуры для температурной компенсации (термокомпенсации) магнитных цепей. Из них изготавливаются магнитные шунты, с помощью которых достигается температурная стабильность свойств магнитных цепей с постоянным магнитом. С увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре основного магнита снижается. Это изменение компенсируется возрастанием магнитного сопротивления шунта. Термомагнитный материал шунта должен иметь магнитную проницаемость, которая сильно зависит от температуры в рабочем диапазоне от -70 до +80 °С, и точку Кюри, близкую к рабочей температуре установки. В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый - кальмаллой, железо-никелевый - термаллой, железо-никель-хромовый - компенсатор.

Размещено на Allbest.ru