Конструкционные электротехнические материалы

Высокие магнитные свойства вдоль и поперек направления прокатки получают, создавая кубическую текстуру. Получение плоскостной кубической текстуры обеспечивает улучшенные свойства в любом направлении в плоскости ленты

Горячекатаные стали существенно уступают холоднокатаным, особенно текстурованным, по магнитным свойствам, по точности размеров листов, качеству отделки, коэффициенту заполнения и постепенно вытесняются последними.

Электротехнические кремнистые стали - наиболее широко распространенный магнитомягкий материал, сочетающий высокие магнитные свойства с низкой стоимостью и удовлетворительной технологичностью. Эти стали широко применяются для изготовления двигателей и генераторов всех типов, дросселей и трансформаторов, электромагнитных механизмов и реле, других механизмов и приборов, работающих как на постоянном, так и на переменном токе различной частоты.

В последнее время для изготовления магнитопроводов двигателей постоянного и переменного тока небольшой мощности, особенно для двигателей бытовой техники, применяют нелегированные стали. Применение этих сталей вместо слаболегированной динамной стали обусловлено их более низкой стоимостью и позволяет за счёт большей индукции повысить мощность двигателя или снизить расход стали или меди при изготовлении двигателя такой же мощности.

5.3.2 Сплавы железа с металлами

Сплавы железа с никелем, с кобальтом и с никелем и кобальтом обладают при определённых составах исключительно высокими магнитными свойствами, недостижимыми в других сплавах Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном легировании такими элементами, как молибден, хром, кремний, медь, ванадий, титан и др.

Высокие магнитные свойства этих сплавов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигается минимальное значение константы магнитной анизотропии, константы магнитострикции и, следовательно, максимальное значение магнитной проницаемости. Значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции очень сильно изменяются при незначительных колебаниях содержания никеля и других легирующих элементов, кроме того, значение и знак константы магнитной анизотропии зависит от режима окончательной термической обработки. Поэтому необходимо точно соблюдать химический состав и правильно подобранный режим окончательной термической обработки для сплавов с наивысшей магнитной проницаемостью, содержащих (75-85) % никеля.

В сплавах других составов удаётся успешно уменьшить влияние константы магнитной анизотропии путем создания кристаллографической или магнитной текстуры. Магнитные свойства в определенных направлениях - направлениях легкого намагничивания - исключительно высокие. В других направлениях могут быть созданы специфические магнитные свойства, например, постоянство проницаемости в широком диапазоне магнитной индукции. Технология изготовления магнитомягких сплавов включает в себя выплавку в электрических печах небольшого объема, ковку и горячую прокатку листов толщиной (2-4) мм, холодную прокатку с одним или несколькими промежуточными отжигами и окончательный высокотемпературный отжиг. На всех этапах применяются меры для предохранения от попадания в сплавы таких элементов, как углерод, сера, фосфор, кислород, азот, или производится их удаление. Для защиты от окисления, а также для рафинирования металла окончательная и промежуточная термообработки (в последние годы и выплавка) осуществляются в вакууме или водороде.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью и высоким удельным сопротивлением применяются для изготовления аппаратуры связи и импульсных трансформаторов, работающих без подмагничивания или с подмагничиванием слабыми полями.

5.3.3 Ферритовые материалы

Ферриты - магнитные материалы на основе оксидов металлов, обладающие ферримагнитными свойствами.

Магнитомягкие ферриты - моно- и поликристаллические материалы со значениями коэрцитивной силы по индукции не более 4 кА/м.

Промышленные магнитомягкие ферриты - в основном поликристаллические материалы, синтезируемые по керамической технологии, включающей в себя составление смеси оксидов в заданной пропорции, ферризацию смеси, формование изделий и их последующее спекание.

Наибольшее распространение получили две группы магнитомягких ферритовых материалов:

1 Марганцево-цинковые (Мп-Zn) ферриты - твёрдые растворы феррита марганца (MnFe₂O₄) и феррита цинка ZnFe₂O₄.

2 Никель-цинковые (Ni-Zn) ферриты - твёрдые растворы феррита никеля (NiFe₂O₄) и феррита цинка ZnFe₂O₄.

Разнообразие марок Мn - Zn и Ni - Zn - ферритов определяется, главным образом, соотношением основных компонентов, наличием легирующих присадок и режимами синтеза.

В процессе твёрдофазных реакций при ферритизации и спекании в условиях высоких (до 1400 °С) температур образуются твердые растворы ферритов с кубической решеткой типа шпинели. Как правило, время спекания составляет от 3 до 7 ч. Ферриты никель-цинковой группы синтезируются в воздушной атмосфере, а марганцево-цинковой группы - в контролируемой атмосфере с понижением давления кислорода при охлаждении.

Основными легирующими присадками, в определённой мере влияющими на улучшение электромагнитных характеристик ферритовых изделий, являются вводимые в небольших количествах оксиды кобальта Со, лития Li, титана Ti, кальция Ca и некоторых других элементов.

Одним из основных электромагнитных параметров магнитомягких ферритов является начальная магнитная проницаемость м_n, измеряемая при напряженности поля Н_m>0 и заданной частоте. В слабых синусоидальных полях проницаемость имеет комплексный характер, определяемый наличием упругой (вещественной) и вязкой (мнимой) составляющей

. (5.17)

Частотные зависимости составляющих комплексной магнитной проницаемости называются магнитными спектрами.

В случаях, когда ферритовый материал работает в импульсных подмагничивающих полях, целесообразно определять импульсную магнитную проницаемость м_n как отношение приращения индукции к приращению напряженности магнитного поля в материале при намагничивании импульсом тока определенной формы, длительности и амплитуды.

Каждая марка магнитомягких ферритов обладает характерным параметром: критической частотой f_Кр - значением верхней частотной границы области применения, начиная с которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость ввиду инерционности процессов намагничивания. Магнитные свойства ферритов сильно меняются при одновременном воздействии постоянных и переменных полей.

Для оценки магнитомягких ферритов, работающих в переменном и постоянном полях, используют понятие обратимой магнитной проницаемости м_обр.

Временная нестабильность магнитомягких ферритов проявляется в уменьшении магнитной проницаемости при длительном хранении или воздействии положительных температур.

По своим электрическим свойствам ферриты являются полупроводниками. Их проводимость увеличивается с ростом температуры. Эффективная проводимость растёт с частотой.

При низких частотах относительная диэлектрическая проницаемость е имеет аномально высокие значения, достигающие 10⁵ и даже выше. При увеличении частоты диэлектрическая проницаемость ферритов уменьшается и предельные значения, характерные для монокристаллических ферритов, составляют (10-20). Аномальные значения е высокопроницаемых ферритов являются причиной возникновения эффекта объёмного резонанса, для которого характерно падение магнитной проницаемости и резкое возрастание потерь. В марганцево-цинковых ферритах эффект объёмного резонанса наблюдается на частотах, равных единицам мегагерц.

Существенное изменение электромагнитных параметров ферритов наблюдается при облучении изделий интегральным потоком нейтронов интенсивностью выше 10¹⁵ частиц на см².

Ферримагнитные свойства проявляются вплоть до температуры Кюри и_к, являющейся в силу этого важным параметром магнитомягких ферритовых материалов. Выше и_к ферриты становятся парамагнетиками.

По механическим свойствам поликристаллические ферриты подобны керамике. Обладая высокой твердостью и хрупкостью, они хорошо поддаются обработке алмазным инструментом (резке, шлифовке, полировке). Для склеивания ферритовых изделий чаще всего применяют клей типа БФ-4.

При механических нагрузках в ферритовых изделиях создаются напряжения, которые могут изменить электромагнитные параметры.

Разомкнутые сердечники характеризуются значением эффективной магнитной проницаемости м_эф. Для них тангенс угла магнитных потерь, температурная и временная нестабильность уменьшаются приблизительно в м_n/м_эф раз, а постоянная гистерезиса в (м_n/м_эф)² раз.

Исходя из условий эксплуатации и области применения ферритовых сердечников, магнитомягкие ферриты условно разделяют на одиннадцать групп.

5.3.4 Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой конгломерат мелкодисперсного ферро- или ферримагнетика, частицы которого отделены друг от друга в электрическом и магнитном отношениях и связаны между собой механически органическим или неорганическим диэлектриком.

Качество магнитодиэлектриков как магнитных материалов принято оценивать значением начальной магнитной проницаемости м_Н, её температурным коэффициентом б_мн, тангенсом угла магнитных потерь tgд_м.

Значение магнитной проницаемости магнитодиэлектриков составляет (10-250), а предельная частота их использования - 100 МГц.

Основными достоинствами магнитодиэлектриков являются высокая временная и температурная стабильность электромагнитных параметров, а для материалов с магнитомягкими наполнителями - также малые значения коэффициентов частотных потерь (d_f), поскольку отсутствует электрический контакт частиц магнитного порошка и потери на гистерезис (d_h), обусловленные пологой петлей гистерезиса вследствие сильного внутреннего размагничивающего поля.

Электромагнитные свойства магнитодиэлектриков сохраняются при механических нагрузках до полного их разрушения.

В настоящее время промышленностью выпускаются магнитодиэлектрики, в которых наполнителями являются: карбонильное железо, альсифер, пермаллой, ферритовые порошки.

Магнитодиэлектрики в основном используются в качестве сердечников катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов, радиочастотных контуров радиотехнической аппаратуры и аппаратуры проводной связи.

Изделия из магнитодиэлектриков на основе порошкообразного карбонильного железа предназначены для использования в радиоаппаратуре и аппаратуре проводной связи в диапазоне частот от десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц.

Порошки карбонильного железа получают методом термического разложения пентакарбонила железа в среде аммиака при температурах от 230 до 330 °С. Частицы карбонильного железа имеют сферическую форму и представляют собой сложные образования, состоящие из элементарного железа и его соединений с углеродом, азотом и кислородом. Эти соединения составляют в сумме (1-3) % массы и формируют сложную слоистую структуру каждой частицы, что приводит к повышению удельного сопротивления по сравнению с чистым железом и, соответственно, к уменьшению потерь на вихревые токи. Средний размер частиц карбонильного железа составляет несколько микрометров. Высокодисперсные порошки характеризуются сильными внутренними напряжениями, что, наряду с достаточно высоким значением константы кристаллографической магнитной анизотропии железа, является причиной низкой магнитной проницаемости порошков карбонильного железа.

Поскольку в слабых полях намагничивание обусловлено в основном смещением доме?нных границ, наличие слоистой структуры в частицах затрудняет их смещение, что способствует малым потерям на гистерезис.

В сильных полях зависимость магнитной индукции магнитодиэлектриков из карбонильного железа от напряженности магнитного поля почти линейна, а петля гистерезиса имеет пологую форму и малую площадь.

Из порошков карбонильного железа марок Р-10 и Пс изготовляют магнитодиэлектрики в виде пластин, предназначенных для использования в качестве радиопоглощающего материала в ферритовых приборах СВЧ. Связующим диэлектриком является эпоксидная смола. Коэффициент линейного расширения материалов , а удельное сопротивление с ? 5•10¹¹ Ом•см.

Альсифер, являющийся тройным сплавом алюминия, кремния и железа, получают в виде литого материала с высокой твердостью и хрупкостью, что обусловливает его хорошую размольность.

Значения коэффициентов остаточных (дополнительных) потерь и потерь на гистерезис минимальны при содержании кремния (9,4-10,2) % при 7,5 % алюминия, или алюминия (7,2-8,0) % при 10 % кремния. Поэтому для изготовления магнитодиэлектриков в основном используются альсиферовые порошки двух марок: А-9,2 и А-10,2 (А - альсифер; цифры 9,2; 10,2 - среднее процентное содержание кремния). Путём смешения порошков, полученных из сплавов с отрицательным и положительным ТКц, можно создавать магнитодиэлектрики со сниженными температурными коэффициентами начальной проницаемости.

Примеси в альсифере ухудшают его электромагнитные параметры. Особенно вредное влияние оказывает углерод. Для получения сердечников с заданными параметрами допускается содержание углерода не более 0,03 % при общем содержании примесей до 0,3 %.

Для изготовления сердечников из порошкообразного альсифера в качестве изолирующего состава применяют как органические материалы (бакелитовый лак, полистирол), так и неорганические (жидкое стекло, стеклоэмали). Часто применяют связку в виде механической смеси жидкого стекла, талька и хромового ангидрида.

Прессуют сердечники при сравнительно высоких давлениях (1,37•1,96)•10³ МПа, после чего детали подвергают отжигу для снятия наклепа при температуре 780 °С в течение 40 мин.

Для удаления жидкого стекла и остатков хромового ангидрида сердечники кипятят в воде, после чего подвергают сушке и пропитке бакелитовым лаком.

В зависимости от требуемого значения магнитной проницаемости количество вводимой связки может изменяться от (4-8) % массы до 50 %. Меняется также размер частиц порошка, состав связки и давление прессования.

Пермаллои - железоникелевые сплавы с присадками некоторых элементов, обладают высокими значениями магнитной проницаемости, малыми потерями на гистерезис и достаточно высоким удельным сопротивлением. Применение пермаллоя в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с начальной проницаемостью до 250. Для изготовления магнитодиэлектриков используется сплав марки 80Н2М, который имеет следующий состав: 81 % никеля, 2,6 % молибдена,16,4 % железа и до 0,02 % серы. Серу добавляют для придания сплаву необходимой хрупкости. Порошки, полученные после размола отливок, подвергают отжигу в вакууме при температуре 770 С в течение трёх часов.

Технология изготовления магнитодиэлектриков из порошкообразного пермаллоя заключается в изоляции порошка раствором хромового ангидрида (несколько десятых долей процента массы) - первый слой изоляции, и изолирующей смесью гидрата оксида магния, жидкого стекла и мелкодисперсного талька - второй слой изоляции. Для некоторых марок в качестве второго изоляционного слоя применяют смесь стеклоэмали, нитрида бора и сернистого молибдена (до 12 % массы).

Прессуют сердечники при давлении ? 2•10³ МПа, после чего проводят термообработку при температуре от 610 до 670 °С в течение одного часа для снятия внутренних напряжений. Термообработка приводит к увеличению м_н и снижению ТК м_н и потерь на гистерезис.

Применение порошков магнитомягких ферритов в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с электромагнитными параметрами, отличающимися повышенной стабильностью даже по сравнению с магнитодиэлектриками из металлических порошков. Высокое удельное сопротивление ферритовых порошков даёт возможность существенно увеличить частотный диапазон работы сердечников. Упрощается технология процесса изоляции частиц порошка. Возможность использования отходов ферритового производства удешевляет изготовление магнитодиэлектриков.

Магнитодиэлектрики из порошкообразного магнитотвёрдого бариевого феррита предназначены для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации. В качестве диэлектрика используются сэвилен и полипропилен. Выпускается шесть марок магнитодиэлектриков: 1,6Б, 1,6Б1, 1,6Б2, 3,2Б, 5,6Б, 5,6Б1 (Б - бариевый порошкообразный феррит). Число обозначает произведение (ВН)_max, кДж/м³.

При изготовлении образцов из магнитодиэлектрика марки 5,6Б методом прессования прикладывается магнитное поле напряжённостью не менее 720 кА/м в направлении прессования.

Связующим веществом является сополимер стирола.

Промышленностью выпускаются четыре марки магнитодиэлектриков из магнитомягких ферритовых порошков НМ-5, ВН-20, ВН-60, ВН-220. Буквы НМ обозначают низкочастотный на основе высокопроницаемого Мn - Zn феррита, ВН - высокочастотный на основе Ni - Zn-феррита, число обозначает предельную рабочую частоту в мегагерцах. Из магнитодиэлектриков перечисленных марок изготовляют чашечные и подстроенные сердечники.

5.4 Магнитотвёрдые материалы

Магнитотвёрдыми материалами называются магнитные материалы с коэрцитивной силой по индукции не менее 4кА/м, используемые для изготовления постоянных магнитов. Следует подчеркнуть существенность второй части определения - те материалы, у которых высокое значение коэрцитивной силы является не основным, а лишь побочным параметром, и которые вследствие этого не используются для изготовления постоянных магнитов, к магнитотвердым материалам не относятся.

Основными параметрами, характеризующими магнитотвёрдые материалы, являются остаточная магнитная индукция, коэрцитивная сила по индукции, коэрцитивная сила по намагниченности, максимальная удельная магнитная энергия. Все основные свойства магнитотвёрдых материалов наглядно иллюстрируются на предельной петле магнитного гистерезиса, точнее на её участке, расположенном во втором квадранте и называемом кривой размагничивания.

На рисунке 5.6 приведена кривая намагничивания и предельная петля магнитного гистерезиса магнитотвердого материала. Для магнитотвёрдых материалов в отличие от остальных групп магнитных материалов характерно существенное отличие коэрцитивной силы по намагниченности Н_см от коэрцитивной силы по индукции Н_св. У современных высококоэрцитивных марок магнитотвердых материалов эти параметры могут отличаться в несколько раз. Существенное значение для магнитотвердых материалов имеет также релаксационная коэрцитивная сила Н_сr , определяющая напряжённость магнитного поля, необходимую для приведения предварительно намагниченного материала в статически размагниченное состояние.

Как известно, петля магнитного гистерезиса материала строго может быть измерена только на образце замкнутой формы типа тороида или в замкнутой магнитной цепи. При этом на материал образца воздействуют внешним магнитнымполем Н.

Рисунок 5.6 - Предельная петля магнитного гистерезиса магнитотвёрдого материала

В то же время, как уже указывалось, магнитотвердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов, которые после намагничивания до насыщения помещаются в разомкнутую магнитную цепь без приложения к последней, как правило, внешнего магнитного поля. Полюсные поверхности постоянного магнита или магнитной системы с постоянным магнитом образуют в окружающем пространстве собственное магнитное поле, ради которого постоянные магниты и используются. Часть магнитного потока замыкается непосредственно через материал постоянного магнита в направлении, обратном (в общем случае под некоторым углом) направлению намагниченности. Таким образом, постоянный магнит находится в собственном размагничивающем поле, при этом для материала магнита в любой его точке это равносильно приложению эквивалентного внешнего размагничивающего поля.

Высококоэрцитивное состояние магнитных материалов целиком обусловлено магнитной анизотропией. В любой точке кристаллической решетки вектор самопроизвольной намагниченности имеет лишь несколько (2-8) в зависимости от природы анизотропии и типа симметрии кристаллической решетки) устойчивых положений вдоль так называемых осей легкого намагничивания. Процесс перемагничивания (или размагничивания) для каждого микрообъёма материала связан с переходом вектора самопроизвольной намагниченности из одного устойчивого положения в другое, при этом каждый элементарный магнитный момент должен перейти через направление трудного намагничивания, преодолев некоторый энергетический барьер. Энергия, необходимая для преодоления этого потенциального барьера, в целом по объёму материала и определяет напряженность магнитного поля, перемагничивающего образец.

Наиболее целесообразной представляется классификация, в основе которой лежат различия в химическом составе, природе высококоэрцитивного состояния и технологии изготовления В соответствии с этой классификацией магнитотвёрдые материалы делятся на следующие группы:

1 Стали, закаливаемые на мартенсит, - углеродистые стали, легированные хромом Cr, вольфрамом W, кобальтом Co. Это самые первые материалы, применявшиеся в качестве магнитотвердых материалов. Магнитные свойства относительно невысоки, особенно по коэрцитивной силе и максимальной удельной магнитной энергии. Высококоэрцитивное состояние обеспечивается неоднородной двухфазной структурой после закалки на мартенсит (наиболее мелкодисперсные пластинки цементита, равномерно распределенные в феррите) и обусловлено сочетанием магнитокристаллической и магнитострикционной анизотропии.

2 Дисперсионно - твердеющие сплавы, подвергающиеся холодной или горячей механической обработке давлением. К этой группе относятся сплавы систем железо - никель - медь, железо - никель - медь - кобальт, железо - кобальт - ванадий, железо - кобальт - молибден, железо - хром - кобальт и др. Магнитные свойства несколько выше, чем у материалов первой группы, а физически эти сплавы близки к углеродистым сплавам. Оптимальные магнитные свойства получаются путём создания мелкодисперсной, как правило, неравновесной при комнатной температуре структуры при выделении избыточной фазы, отличающейся от матрицы намагниченностью насыщения. Аналогично материалам первой группы высококоэрцитивное состояние обусловлено задержкой смещения доме?нных границ. Преобладающие типы анизотропии - магнитокристаллическая и магнитострикционная.

3 Диффузионно - твердеющие сплавы на основе системы железо - никель - алюминий с добавками кобальта, меди, титана, ниобия и др. Внешне механизм магнитного твердения, т.е. образования высококоэрцитивного состояния этих сплавов, аналогичен механизму дисперсионно-твердеющих сплавов. Однако принципиальное отличие состоит в том, что в этих сплавах основную роль играет анизотропия формы выделений сильномагнитной фазы, когерентно связанных со слабомагнитной, почти немагнитной матрицей. Фактически эти сплавы представляют собой в термообработанном состоянии совокупность однодоме?нных анизотропных по форме частиц, разделенных немагнитными прослойками, что и определяет механизм перемагничивания. Другой отличительной особенностью сплавов этой группы является возможность наведения в некоторых из них одноосной магнитной анизотропии с помощью термомагнитной обработки, что весьма существенно повышает основные магнитные свойства.

4 Прессованные магниты из порошков. Магнитотвердые материалы этой группы разрабатывались на основе мелкодисперсных порошков железа и сплава железо - кобальт с однодоме?нными размерами частиц преимущественно с анизотропией формы. Физически эти материалы моделировали структуру диффузионно - твердеющих материалов, уступая последним по свойствам. В настоящее время почти не применяются.

5 Сплавы с участием благородных металлов типа платина - кобальт, платина - железо, серебро - марганец - алюминий и др. Высококоэрцитивное состояние материалов этой группы связано со структурными напряжениями (магнитострикционная анизотропия), возникающими при переходах неупорядоченной фазы в упорядоченную (сплавы платины с кобальтом и железом), или с магнитокристаллической анизотропией мелкодисперсных выделений магнитной фазы (сплав серебро - марганец - алюминий). Сплавы отличаются высокими значениями коэрцитивной силы, а сплав платина - кобальт и по магнитной энергии находится на уровне лучших диффузионно-твердеющих сплавов. Основным фактором, определяющим область применения материалов этой группы, несмотря на их высокую стоимость, является высокая пластичность, допускающая вытяжку в тонкую проволоку. Однако и в этом случае применение ограничивается изготовлением сверхминиатюрных магнитов.

6Интерметаллическое соединение марганец - висмут. Очень высокая магнитокристаллическая анизотропия этого соединения обеспечивает достаточно хорошие магнитные свойства при изготовлении магнитов из мелкодисперсного (близкого к однодоме?нному) порошка. Однако как магнитный материал это соединение имеет лишь историческое значение. Практического применения он не нашёл из-за плохой коррозионной стойкости, неудовлетворительной температурной стабильности в области отрицательных температур и дефицита висмута. Известны также и другие высококоэрцитивные соединения марганца, пока не нашедшие применения.

7 Магнитотвёрдые ферриты бария, стронция и кобальта. Природа высококоэрцитивного состояния этих ферримагнитных материалов также обусловлена большой магнитокристаллической анизотропией и мелкозернистой структурой, обеспечиваемой методами порошковой металлургии. Эти материалы отличаются высокой коэрцитивной силой, сравнительно небольшой остаточной магнитной индукцией и удовлетворительным уровнем максимальной удельной магнитной энергии. Эти свойства воспроизводятся на ферритах с одноосной анизотропией, получаемых текстурированием заготовок внешним магнитным полем во время формообразования.

8 Сплавы металлов группы железа с редкоземельными металлами, представляющие собой интерметаллические соединения с исключительно высокой кристаллографической анизотропией. На сплавах Rco₅ и R₂Co₁₇ разработаны магнитотвердые материалы с рекордными значениями всех основных магнитных свойств при удовлетворительных характеристиках температурной и временной стабильности. Практическое применение нашли материалы с одноосной анизотропией, изготовляемые методами порошковой металлургии.

9 Композиционные магнитотвёрдые материалы, изготовляемые на основе порошков магнитотвердых материалов одной из групп и полимерной связки. Если применяют в качестве связки пластмассы, то эти материалы называются магнитопластами, при использовании связки типа каучука - магнитоэластами. Несмотря на ухудшение параметров, эти материалы имеют преимущества, связанные с технологичностью их изготовления, обработки, пластичностью, малой трудоёмкостью изготовления магнитов сложной формы. В качестве наполнителя, как правило, используются порошки магнитотвердых ферритов, реже порошки диффузионно-твердеющих сплавов и сплавов кобальта с редкоземельными элементами.

5.4.1 Сплавы с различной технологией твердения

В свое время разработали, выпускали и использовали большое количество магнитотвёрдых сплавов этой группы. В первую очередь к ним относятся сплавы железо - никель - медь (кунифе), железо - никель - кобальт (кунико), железо - кобальт - молибден (комоль), железо - кобальт - ванадий (викаллой), железо - марганец - никель, железо - хром - кобальт и др. Однако в настоящее время разработаны современные, более высококачественные материалы, например сплавы системы ЮНДК, и поэтому большая часть этих материалов потеряла свое значение и изготовляется в ограниченных масштабах по техническим условиям предприятий.

Приведённые марки дисперсионно-твердеющих материалов часто называют пластически деформируемыми магнитотвердыми сплавами. В частности, викаллой до окончательной термической обработки по пластичности приближается к меди, а после обработки - к стали. Сплавы приобретают магнитные свойства только после холодной деформации на (70-90) % (прокатка, волочение) и последующего отпуска, в результате они становятся магнитно-анизотропными.

По описанной технологии сплавы викаллои изготовляются в виде листов и проволоки. С учётом высокой стоимости сплавов (из-за большого содержания кобальта) применение этих сплавов ограничено, изготовляются очень мелкие магниты сложной или ажурной конфигурации, сердечники активной части гистерезисных двигателей и высокопрочные ленты и проволоки. В этом заключается и преимущество, так как из других магнитотвердых материалов (за исключением еще более дорогого сплава платина - кобальт) изготовить изделия такой формы не представляется возможным из-за малой, а часто и нулевой пластичности и небольшой прочности.

Сплавы системы железо - хром - кобальт менее пластичны по сравнению с викаллоем.

Таким образом, сплавы системы железо - хром - кобальт применяются в магнитных системах замкнутого типа (с относительно малым зазором) в тех случаях, когда форма магнита затрудняет его изготовление методом литья и требуется значительная механическая обработка, а также в тех случаях, когда к магнитам предъявляются повышенные требования по прочности. Применение ограничено стоимостью и дефицитностью кобальта.

Сплавы системы железо - никель - алюминий - кобальт, получившие в отечественной промышленности название сплавов ЮНДК, среди магнитотвёрдых материалов занимают особое место. Во-первых, потому, что свойства этих сплавов намного лучше свойств использовавшихся ранее материалов. Во-вторых, эти сплавы долго считались самыми перспективными - теоретическая модель перемагничивания этих сплавов предсказывала получение максимальной удельной магнитной проницаемости.

Магнитотвёрдые ферриты или, как их чаще называют, оксидные магниты, являются ферримагнетиками с большими значениями константы кристаллографической анизотропии. Практическое применение нашли ферриты бария и стронция с гексагональной кристаллической структурой типа магнетоплюмбита и феррит кобальта с кубической структурой типа шпинели. Вследствие ферримагнетизма эти соединения имеют пониженную индукцию насыщения, однако большая кристаллографическая анизотропия позволяет получить высокую коэрцитивную силу, а следовательно, и удовлетворительную максимальную удельную магнитную энергию.

Промышленные марки магнитотвёрдых ферритов начали интенсивно разрабатывать с конца пятидесятых годов и с этого же времени начался не прекращающийся до сих пор рост объёмов их производства. Это явилось следствием следующих преимуществ магнитотвёрдых ферритов перед магнитотвёрдыми материалами других групп:

- отсутствие в составе соединений дефицитных элементов (кроме кобальта в феррите кобальта, применяющемся весьма ограниченно);

- возможность изготовления ферритов по безотходной технологии методами порошковой металлургии, позволяющими механизировать и автоматизировать процесс, следовательно, обеспечить минимальную себестоимость магнитов;

- высокие значения коэрцитивной силы обеспечивают возможность применения магнитов в открытых магнитных цепях и возможность изготовления многополюсных магнитов без геометрически выраженных полюсов;

- высокая структурная и магнитная стабильность;

- высокое значение удельного электрического сопротивления, позволяющее использовать оксидные магниты в системах, подвергающихся воздействию высокочастотных электромагнитных полей.

Эти преимущества оксидных магнитов привели не только к постепенному вытеснению ими магнитотвёрдых материалов других групп из традиционных областей применения, но и к резкому расширению областей применения постоянных магнитов, широкой разработке двигателей постоянного тока на постоянных магнитах, различных удерживающих устройств типа магнитных столов, магнитных фокусирующих систем на постоянных магнитах, магнитных систем транспорта на магнитной подушке, магнитных игрушек и т. п. Вследствие этого в настоящее время оксидные магниты прочно заняли лидирующее положение по объёмам производства среди всех магнитотвёрдых материалов, их доля в общем объёме производства составляет более половины и продолжает неуклонно возрастать.

5.4.2 Магнитотвёрдые композиты

Как уже отмечалось, важнейшим недостатком основных групп магнитотвёрдых материалов является их высокая твёрдость и хрупкость. Применение же пластически деформируемых сплавов ограничено их высокой стоимостью. Очень перспективны для массового применения композиционные магнитотвердые материалы - двухфазные композиции, в которых непрерывной фазой-матрицей служит связка, а дисперсно-дискретные частицы - магнитным наполнителем. В качестве связки используются различные виды каучуков или полимеров-эластомеров (получаемые материалы в этом случае называют магнитоэластами [7,14] или магнитной резиной), а также термопластичные, реже термореактивные, полимеры (в этом случае их называют магнитопластами). В качестве магнитного наполнителя наибольшее применение получили порошки ферритов бария и стронция, реже порошки сплавов кобальта с редкоземельными элементами. Использовавшиеся ранее наполнители из порошков сплавов ЮНДК в настоящее время почти не применяются.

Вследствие наличия в композиционных материалах значительного количества немагнитной фазы их магнитные свойства заметно уступают свойствам соответствующих сплавов или ферритов. Однако их преимущества заключаются в технологичности и высокой производительности процесса изготовления, возможности использования в качестве сырья отходов при производстве магнитов, возможности изготовления магнитов любой сложной (в том числе длинномерной) формы, в лёгкости обработки, гибкости и т. п.

В настоящее время за рубежом выпускается большая номенклатура марок композиционных магнитотвердых материалов с различным сочетанием магнитных и механических свойств. Магниты из этих материалов широко применяются в шаговых и синхронных электродвигателях, в телевидении, в акустической аппаратуре (головные телефоны, микрофоны, звукоснимающие устройства, плоские динамики), для производства магнитных панелей, способных удерживать символы из магнитомягкого материала, для элементов при макетном проектировании, в товарах культурно-бытового и хозяйственного обихода (магнитные уплотнения холодильников, замки, ключи, игры и т.п.). В отечественной промышленности пока серийно выпускается только магнитная резина на основе порошка феррита бария, изготовляемого специально для этих целей.

Магнитные параметры составляют: B_r - 0,13 Тл; Н_сВ - 84 кА/м; Н_cМ - 170 кА/м; W_max - 1,5 кДж/м³. Из такой магнитной резины изготовляются главным образом элементы уплотнения холодильников, многополюсные пластины, называемые магнитофорами, для медицинских целей. Появления более широкой номенклатуры композиционных магнитотвердых марок материалов следует ожидать в ближайшее время. Уже разработаны технологические процессы изготовления на основе ферритовых порошков магнитоэластов с W_max < 3 кДж/м³ и магнитопластов с W_max < 6 кДж/м ³. На основе порошков сплавов кобальта с редкоземельными элементами получены образцы с W_max <36 кДж/м³.

Технологический процесс изготовления композиционных магнитов состоит из операций изготовления порошка-наполнителя, смешения его с органической связкой, формования изделий. Ферритовые порошки, применяемые для изготовления спеченных магнитов, не могут быть использованы для композиционных магнитов вследствие дефектности, возникающей при помоле и устраняемой последующим спеканием. Поскольку композиционные материалы не подвергаются высокотемпературной обработке, необходимы бездефектные порошки с высокими исходными свойствами. Простейшим способом получения таких порошков является отжиг порошка после помола при температуре, ещё не приводящей к существенному спеканию, но достаточной для восстановления свойств феррита. Для получения анизотропных композиционных материалов требуются порошки двух видов с чешуйчатой формой частиц для получения анизотропии методами многократной прокатки (каландровый эффект) и с изометричной формой частиц для их ориентации в жидком (расплавленном) полимере магнитным полем. Соответственно, разрабатываются различные технологические процессы изготовления таких порошков. Технология получения порошков сплавов кобальта с редкоземельными элементами не отличается от технологии изготовления порошков для спеченных магнитов. Главная проблема заключается в защите готовых порошков от окисления, например, с помощью покрытий частиц слоем никеля или цинка. Кроме того, для таких порошков целесообразнее применять мишметаллы одного из редкоземельных элементов, как более дешевое сырье. Разрабатываются также методы прямого (без выплавки) получения порошков совместным восстановлением оксидов редкоземельных элементов и кобальта, например, парами металлического кальция.

Технологические операции смешения выбирают в зависимости от дисперсности порошка и типа органической связки. При использовании каучуков однородности смеси добиваются многократным прокатыванием массы через валки. При использовании термореактивных полимеров в виде сухих порошков применяют смесители непрерывного или периодического действия. При использовании термопластичных полимеров смешение производится в жидкой среде. Разрабатываются также методы получения микрокапсулированных порошков, в которых частицы магнитотвердого материала покрываются слоем мономера. Количество связки при приготовлении композиции определяется дисперсностью порошка, необходимыми магнитными параметрами, методом формования и требуемыми механическими свойствами готовых магнитов. Обычно количество связки составляет (2-20) % по массе. Формование изделий из композиционных материалов осуществляется способами, разработанными для формования полимерных материалов. Применяются каландрование (прокатка), литьё под давлением, прессование, экструзия, пропитка полимером предварительно спрессованной заготовки. Если в процессе формования полимер проходит стадию расплавления, появляется возможность магнитной ориентации. Однако из-за высокой вязкости полимеров необходимы поля напряженностью не менее (800-1200) кА/м. Применяются как постоянные, так и импульсные магнитные поля. Указанные методы формования позволяют получать композиционные магнитотвердые материалы в виде листов, лент, стержней, труб, колец, дисков, пластин и изделий многих других форм.

5.5 Разработки специальных магнитных материалов

5.5.1 Термомагнитные материалы

Термомагнитные материалы (ТММ) характеризуются сильной зависимостью намагниченности от изменения температуры в диапазоне от 70 до +150°C в полях, близких к полю насыщения материала, причем с ростом температуры намагниченность насыщения М_S падает.

К ТММ относятся термомагнитные сплавы (ТМС) и многослойные компенсационные материалы (ТКМ), специально разработанные для компенсации погрешностей приборов и устройств или стабилизации их параметров за счёт изменения магнитного поля от температуры по определенному закону (терморегулирование), для чего из этих материалов изготовляют термомагнитные шунты и добавочные магнитные сопротивления, которые включают в магнитную цепь приборов и устройств. В последнее время в качестве ТММ применяют магнитомягкие ферриты с низкой температурой Кюри.

Одним из основных параметров ТМС в области магнитного насыщения является температурный диапазон обратимости магнитных характеристик

Т₀ = и_К - Т_пр , (5.18)

где и_К - техническая точка Кюри (температура, соответствующая точке пересечения касательной к кривой намагниченности от температуры до перехода её в асимптотический участок с осью температур); Т_пр - нижний предел отрицательных температур. Свойства ТМС определяются значением намагниченности насыщения при Т = 20°С и видом термомагнитной характеристики M_S = f(T).

ТММ по виду функциональной зависимости M_S от температуры делятся:

1) на ТММ с линейной характеристикой M_S = f(T) на всем диапазоне Т₀ или на большей его части ДТ=Т₂-Т₁;

2) на ТММ с нелинейной характеристикой M_S = f(T).

Первая группа - наиболее многочисленная, причем при производстве ТМС, кроме специально оговоренных случаев, особое внимание обращают на повышение линейности зависимости M_S = f(T).

Для характеристики линейного закона изменения намагниченности вводится абсолютный температурный коэффициент намагниченности

, (5.19)

где М₂, М₁ - намагниченность насыщения, измеренная при температуре Т₂ и Т₁, соответственно.

Сплавы с нелинейной зависимостью M_S = f(T) разработаны по специальным заказам применительно к конкретным устройствам. Существует принципиальная возможность изготовления сплавов с положительной и отрицательной кривизной термомагнитной характеристики.

Получение ТМС основано на свойстве ферромагнетиков уменьшать намагниченность насыщения вблизи точки Кюри. Поскольку для чистых ферромагнитных элементов (Ni, Fe, Co) точка Кюри лежит в пределах (350-1120) °С, то для создания ТМС специальными мерами понижают и_к, приближая ее к диапазону необходимых температур.

На основе тройных Fe - Ni - Сr сплавов разработана технология получения специальных термомагнитных материалов - полиметаллов, представляющих собой холоднокатаные многослойные листы толщиной (0,5-2,5) мм, содержащие подобранные специальным образом неоднородные по химическому составу слои. Выбор исходных TMC для каждого слоя и их толщины позволяет изготовлять с высокой точностью материалы в соответствии с требуемым для конкретной цели температурным законом изменения намагниченности насыщения. Однако эти ТММ нельзя шлифовать, фрезеровать, поскольку при этом происходит удаление металла с поверхности листа, а следовательно, нарушается расчётная необходимая для получения заданных свойств неоднородность по составу. При изготовлении деталей из этих ТММ разрешена резка листов, штамповка и выгибание фасонных изделий.

Особый интерес представляют собой температурные зависимости магнитной проницаемости в слабых полях. В этой области ТМС может обладать положительным температурным коэффициентом намагниченности. Так, для термаллоя (29,5 % Ni, остаток - Fe) в полях напряжённостью до 80 А/м м с увеличением температуры вначале растёт, достигает пика, а потом падает. При Н > 80 А/м м падает во всём диапазоне температуры. Аналогичные явления наблюдаются для сплава 72НМДХ.

Для устройств, работающих в диапазоне температуры с расширенной положительной областью (свыше +150°С), в качестве ТММ применяют магнитомягкие ферриты с низкой точкой Кюри. При этом используют две принципиальные особенности термомагнитных характеристик некоторых марок ферритов: резкое падение намагниченности насыщения с ростом температуры и резкий, почти отвесный, спад начальной магнитной проницаемости в области точки Кюри. Первый эффект положен в основу термокомпенсации и терморегулирования некоторых приборов и устройств. Для этих целей наиболее подходят никель-цинковые и марганцово-цинковые ферриты общего применения марок 600НН, 2000НН, 2000НМ, ЗОООНМ с достаточно высокой намагниченностью насыщения (при T = 20°С, Hо = 800 А/м, B_S = 0,25...0,39 Тл) и значительным отрицательным температурным коэффициентом магнитной проницаемости.

5.5.2 Магнитострикционные материалы

Maгнитострикционныематериалы (МСМ) - группа магнитных материалов, техническое применение которых основано на использовании магнитострикционного эффекта (изменения размеров тел в магнитном поле). Из МСМ изготовляют сердечники преобразователей (излучателей и приемников) для электроакустической и ультразвуковой техники; сердечники преобразователей для магнитострикционных и электромеханических фильтров, линий задержки и других селективных устройств, используемых в радиотехнике, телефонной и телеграфной связи, автоматике и измерительной технике.

Механические воздействия на сердечник из МСМ (в условиях подмагничивания) изменяют его магнитное состояние, в результате в разомкнутой обмотке сердечника наводится переменная электродвижущая сила, имеющая частоту механического воздействия.

В качестве магнитострикционных материалов применяют: никель Ni (НП2Т); сплавы железа Fe и кобальта Со (пермендюры), например, 49К2Ф; сплавы кобальта Со, кремния Si и железа Fe (65K); сплавы никеля Ni, кобальта Со и кремния Si (никоси); сплавы железа и алюминия (алферы); интерметаллические соединения редкоземельных металлов (РЗМ) и железа Fe; магнитострикционные ферриты. В последнее время отмечается значительный прогресс в производстве ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), поликристаллических ферритов, монокристаллических ферритовых материалов.

Список литературы

1 Горелов, В.П. Материаловедение. Технология конструкционных материлов: учеб. пособие / В.П. Горелов, С.В. Горелов, В.Г. Сальников, Л.И. Сарин, под ред. В.П. Горелова. - 3-е изд. испр. - Новосибирск - Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2010. - 361 с.

2 Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учебник / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. - 5-е изд., стер. - СПб: Лань, 2003. - 368 с.

3 Пейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник / А.М. Пейсахов, А.М.Кучер. - СПб: Изд-во Михайлова, 2003. - 407 с.

4 Силенко, В.Н. Электротехнические материалы и их применение на водном транспорте: учебник / В.Н.Силенко. - СПб.: Политехника, 1995. - 335 с.

5 Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб. пособие: в 2 кн. / С.В.Горелов [и др.]; под. ред. В.П.Горелова. - 2-е изд., дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. Кн.1 - 398 с; Кн. 2 - 245 с.

6 Резисторы в схемах электротеплоснабжения / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова, Н.В.Цугленка. - 2-е изд. перераб. и дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос.акад. вод. трансп., 2008. - 424 с.

7 Батаев, А.А. Композиционные материалы: строение, применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002 - 384 с.

8 Манчук, Р.В. Резистивные композиты в энергетике: в 2 кн. / Р.В. Манчук, С.В. Горелов; под ред. В.П. Горелова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2000. Кн.1: Основы технологии и электропроводности. - 231 с.; Кн.2: Параметры резисторов и области применения. - 141 с.

9 Российский Речной Регистр. Правила: в 4 т. / Отв. за выпуск В.Т. Огарков. - М.: По Волге, 2002.

Т1: Положение о класификации судов внутреннего смешанного (река-море) плавания. ПОСЭ. ПТНП. - 264 с.;

Т2: Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания (ПСВП). - 394 с.;

Т3: ПСВП. Энергетические установки и системы. Судовые устройства и снабжение. Электрическое оборудование, средства радилсвязи, навигационное оборудование. - 419 с.;

Т4: Правила класификации и постройки судов смешанного (река-море) плавания. Правила экологической безопасности. - 197 с.

Учебное издание

Горелов Валерий Павлович

Горелов Сергей Валерьевич,

Горелов Валерий Сергеевич

Григорьев Евгений Алексеевич

Конструкционные электротехнические материалы

Учебное пособие

Научный редактор - В.П.Горелов

Ответственные за выпуск - С.В.Горелов, Е.А.Григорьев

Компьютерная вёрстка - В.С. Горелов, Е.А.Григорьев

Подписано в печать 13.08.2016 с оригинал-макета

Бумага офсетная №1, формат 60х84 1/16,

печать трафаретная - Riso

Усл. печ. л. 20,0, тираж 500 экз., заказ №53. Цена договорная

ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «СГУВТ»).

...