Магнітні матеріали

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»

Реферат

З дисципліни «Магнітометричні системи»

Тема: “Магнітні матеріали”

Харьков 2020



Загальні відомості

Всі матеріали в природі, при внесенні їх в магнітне поле, в тій чи іншій мірі володіють магнітними властивостями, які зумовлені внутрішніми формами руху електричних зарядів

Магнітне поле в матеріалі створюють рухомі електричні заряди - електрони. Рух електрона по орбіті навколо атомного ядра приводить до виникнення орбітального магнітного моменту. Рух електрона навколо своєї осі, який називається «спином електрона» приводить до виникнення спинового магнітного моменту. Орбітальний та спиновий магнітні моменти в сумі утворюють магнітний момент атома.

Орбітальні магнітні моменти практично не приймають участі в явищі намагнічування. Елементарними носіями магнетизму матеріалу є спинові магнітні моменти.

Так як електрони із правим і лівим обертанням мають різний напрям магнітних моментів, то сумарний магнітний момент атома може бути рівний нулю або відрізнятися від нього. Матеріали із різною електронною структурою атомів мають різні магнітні властивості.

Сила взаємодії речовини (матеріалу) із зовнішнім магнітним полем оцінюється безрозмірною величиною - магнітною сприйнятливістю:

В залежності від знаку та величини магнітної сприйнятливості km усі матеріали діляться на діамагнетики (km 0), парамагнетики (km 0), ферома-гнетики та феримагнетики (km 1), антиферомагнетики (km 0 ). Діамагнетики, парамагнетики та антиферомагнетики відносяться дослабомагнітних матеріалів, а феромагнетики та феримагнетики до сильномагнітних матеріалів.

Практичне застосування в електротехніці найшли матеріали із сильномагнітними властивостями - матеріали, які під дією зовнішнього магнітного поля здатні намагнічуватися, тобто набувати особливих магнітних властивостей. Саме ці матеріали ми і будемо далі називати магнітними.

Основні магнітні матеріали:

феромагнетики - залізо, нікель, кобальт, сплави на основі хрому і марганцю та сплави на основі заліза;

ферримагнетики - сполуки оксиду заліза із оксидами інших металів. Явище феромагнетизму пов'язано із утворенням всередині матеріалу, нижче певної температури (нижче точки Кюрі), таких кристалічних структур, при яких в межах макроскопічних областей (доменів), електронні спини орієнтовані паралельно один до одного і мають однаковий напрямок.

Із сказаного слідує, що у феромагнітних речовин існують спонтанно намагнічені області ще до прикладання зовнішнього магнітного поля (рисунок 7.1). Ці намагнічені області (домени) мають різні напрямки магнітних моментів. Магнітний потік такого тіла у просторі буде дорівнювати нулю.

Також особливістю феромагнітних матеріалів є те, що їх кристали характеризуються магнітною анізотропією, яка проявляється у тому, що вони по різному намагнічуються уподовж різних осей.

Рисунок 7.1 - Фрагмент феромагнетику із спонтанно намагніченими областями (доменами)

У випадках, коли анізотропія в полікристалічних магнетиках виражена досить сильно, говорять, що феромагнетик має магнітну текстуру.

Одержання заданої магнітної текстури магнітного матеріалу має велике значення і широко використовується в електротехніці для створення магнітних виробів із підвищеними магнітними характеристиками у заданому напрямі.

Властивості магнітних матеріалів оцінюються за допомогою величин, які називаються магнітними характеристиками.

Основні характеристики магнітних матеріалів

Намагнічування речовини характеризують:

-магнітна індукція В, Тл;

-напруженість магнітного поля Н, А/м;

-намагніченість М, А/м;

-магнітна сприйнятливість km;

-магнітна проникність ;

-магнітний потік Ф, Вб

-втрати потужності на гістерезис РГ, Вт;

-втрати потужності на вихрові струми Рf, Вт.

Магнітні властивості матеріалів характеризуються кривою намагні-

чування та петлею гістерезису.

Крива намагнічування. Процес намагнічування феромагнітного матеріалу під впливом зовнішнього магнітного поля, при Н1 < Н2 < Н3 (рисунок 7.2), полягає в наступному:

-збільшення розмірів тих доменів, магнітні моменти яких складають найменший кут по відношенню до напрямку магнітного поля і, відповідно, зменшення інших доменів (процес зміщення меж доменів) (рисунок 7.2,б);

-поворот магнітних моментів доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля (процес орієнтації) (рисунок 7.2,в). Магнітне насичення досягається тоді, коли закінчується ріст розмірів доменів і магнітні моменти усіх доменів будуть орієнтовані у напрямку поля (рисунок 7.2,в).

	Н1	Н2	Н3
а	б	в	г

Рисунок 7.2 - Орієнтація спинів у доменах при намагнічуванні феромагнетика: а - зовнішнє магнітне поле відсутнє; б - слабке поле; в - сильне поле; г - насичення.

Протікання процесів намагнічування феромагнітного матеріалу на практиці характеризується кривими намагнічування. Крива намагнічування показує залежність магнітної індукції В матеріалу від напруженості зовнішнього магнітного поля Н.

Основна крива намагнічування (рисунок 7.3) має ряд характерних ділянок, які можна умовно виділити при намагнічуванні феромагнетика. На ділянці І зміна магнітної індукції відбувається за рахунок зміщення меж доменів. На ділянці ІІ відбувається поворот векторів намагніченості доменів у напрямку зовнішнього магнітного поля. Ділянка ІІІ відповідає завершенню процесу намагнічування - тобто повна орієнтація векторів намагніченості доменів у напрямку поля. Ділянка ІV відповідає технічному насиченню речовини.



В

І	ІІ ІІІ	ІV	ВS

Н

Рисунок 7.3 - Основна крива намагнічування феромагнетика

Основна крива намагнічування є геометричним місцем вершин петель гістерезису, які одержані при циклічному перемагнічуванні феромагнетика.

Магнітна проникність (відносна магнітна проникність) це величина яка визначає здатність матеріалу до намагнічування. Ця величина безрозмірна. Чим більша величина , тим легше намагнічується матеріал, і навпаки, чим менша величина , тим менше він може бути намагнічений.

Магнітна проникність значно залежить від напруженості Н, яка діє в матеріалі . Тому для оцінки здатності матеріалу до намагнічування треба враховувати початкову магнітну проникність п і максимальну проникність max .

Користуючись основною кривою намагнічування можна визначити різні види магнітної проникності, які використовуються в техніці для характеристики магнітних матеріалів. Розрізняють абсолютну магнітну проникність

	B	,	(7.2)

a H

та відносну магнітну проникність

		B	(7.3)
		0 H

де В - магнітна індукція матеріалу, Тл; Н - напруженість зовнішнього магнітного поля, А/м;

0 - магнітна постійна, 0 = 1,257 •10-6 Гн/м.

Початкова і максимальна магнітна проникність визначаються як тангенс кута нахилу відповідних ділянок кривої намагнічування (рисунок 7.3, 7.5).

В

В	Вs

макс

В

Н

поч

0

Н

Рисунок 7.5 - Основна крива намагнічування і кути , що характеризують різні типи магнітної проникності

Чим вищі значення цих характеристик у даного матеріалу, тим легше він намагнічується. Будь-який магнітний матеріал має магнітні властивості тільки до певної температури (точка Кюрі К), при досягненні якої магнітні властивості зникають, тобто він не може бути намагніченим. Це обумовлено дезорієнтацією внутрішніх намагнічених областей (доменів) із-за інтенсивного теплового руху його атомів і молекул. У деяких феритів магнітні властивості зникають при К = 45°С, але є матеріали, у яких К = 1131 °С (кобальт).

Петля гістерезису. Поведінка магнітного матеріалу в магнітному полі характеризується початковою кривою намагнічування (рисунок 7.6).

В	1

2 Вr

ВS

-Н -НC

0	+Н	Н

-ВS

-Вr

-В

Рисунок 7.6 - Крива намагнічування (1) та петля гістерезису (2)

Ця крива показує зміну магнітної індукції В в магнітному матеріалі залежно від напруженості Н. Із розглянутої кривої видно, що магнітна індукція спочатку зростає, потім її ріст сповільнюється, а при досягненні індукції ВS, вона залишається постійною. Кажуть, що магнітний матеріал досяг насичення, а індукцію ВS називають індукцією насичення. Чим більша величина ВS, тим вищі властивості магнітного матеріалу. Магнітна індукція вимірюється в теслах (Тл).

Якщо зразок магнітного матеріалу намагнічувати, безперервно підвищуючи напруженість магнітного поля Н, то магнітна індукція В також буде безперервно підвищуватися по кривій намагнічування. Ця крива починається в точці 0 (рисунок 7.6) і закінчується в точці ВS, що відповідає індукції насичення. При зменшенні напруженості Н магнітна індукція буде також зменшуватися. Починаючи з деякої величини В значення індукції не буде збігатися із значеннями цієї характеристики на початковій кривій намагнічування. Коли напруженість магнітного поля стане рівною нулю, у зразку магнітного матеріалу буде виявлятися залишкова магнітна індукція Вr. Для розмагнічування зразка матеріалу потрібно, щоб напруженість магнітного поля змінила свій напрям на зворотній (-Н). Напруженість магнітного поля НС, необхідна для зменшення залишкової індукції до нуля, називається коерцитивною силою.

Якщо після цього зразок магнітного матеріалу намагнічувати далі в протилежному напрямку, то в матеріалі знову буде спостерігатися індукція насичення (-ВS). При подальшому зменшенні напруженості магнітного поля до величини Н=0 і новому намагнічуванні в початковому напрямку індукція буде безперервно збільшуватися до величини індукції насичення ВS. Внаслідок утворюється замкнена петля, яку називають граничною або статичною петлею гістерезису. Гранична петля гістерезису змінюється при повільній зміні постійного магнітного поля від +Н до -H і в зворотному напрямі, коли величина магнітної індукції дорівнює індукції насичення ВS (-ВS).

Магнітний гістерезис - це явище відставання зміни магнітної індукції від напруженості магнітного поля, яка визиває ці зміни.

Дотепер ми розглядали намагнічування матеріалів у постійному магнітному полі. При дії на матеріал змінного магнітного поля отримують

динамічну криву намагнічування і динамічну петлю гістерезису.

Відношення амплітудного значення індукції до величини амплітудного значення напруженості магнітного поля називається динамічною магнітною проникністю.

При низьких частотах і малій товщині магнітного матеріалу динамічна крива намагнічування збігається із статичною кривою. При цьому значення динамічної магнітної проникності практично збігаються зі значеннями проникності, які вирахувані по статичній кривій намагнічування. Динамічна петля гістерезису має трохи більшу площу, ніж статична петля, бо при дії змінного магнітного поля в матеріалі виникають, крім втрат на гістерезис, втрати на вихрові струми та на магнітну післядію.

Із сказаного слідує, що процес перемагнічування матеріалу в змінному магнітному полі пов'язаний із втратами частини енергії магнітного поля, що проявляється у нагріванні матеріалу.

Втрати на гістерезис пов'язані із явищем магнітного гістерезису і з необоротним переміщенням меж доменів. Вони пропорційні площі петлі гістерезису та частоті змінного струму.

Втрати на вихрові струми Рf викликані електричними струмами, що індукуються в матеріалі зовнішнім магнітним полем і в значній мірі залежать від питомого електричного опору магнітного матеріалу. Чим він більший, тим менше втрат на вихрові струми. Втрати на вихрові струми, пропорційні квадрату частоти f змінного магнітного поля і квадрату магнітної індукції Вmах :

p f Bmax2 f 2V ,

де - коефіцієнт, який залежить від типу магнітного матеріалу і форми виробу із нього.

Класифікація магнітних матеріалів

За поведінкою в магнітному полі всі магнітні матеріали ділять на дві основні групи: магнітом'які та магнітотверді.

Магнітом'які матеріали мають великі значення початкової і максимальної магнітної проникності і малу коерцитивну силу (Hс 4000 А/м).

Ці матеріали легко намагнічуються і розмагнічуються. Вони відрізняються малими втратами на гістерезис, тобто їм відповідає вузька петля гістерезису при високій магнітній індукції.

Рівень магнітних характеристик магнітом'яких матеріалів залежить від їх хімічної чистоти і ступеня зміни їх кристалічної структури. Чим менше різних домішок в магнітом'якому матеріалі, тим вищий рівень його характеристик, тобто тим більше п і max і тим менше Нс і втрати на гістере-зис. Тому при виробництві магнітом'яких матеріалів ретельно виділяють із них найбільш шкідливі домішки - вуглець, фосфор, сірку, кисень, азот і різні окисли. Одночасно намагаються не викривляти кристалічну структуру матеріалу і не викликати в ньому внутрішніх напружень. Із магнітом'яких матеріалів із округлою петлею гістерезису виготовляють осердя електричних машин, трансформаторів, реле та інших електричних апаратів. Із магнітом'яких матеріалів із прямокутною петлею гістерезису виготовляють пристрої магнітної пам'яті.

Магнітотверді матеріали мають велику коерцитивну силу

(Hс 4000 А/м) і велику залишку індукцію (Вr 0,1 Тл). В них широка петля гістерезису. Ці матеріали важко намагнічуються, а будучи намагніченими, можуть декілька років зберігати магнітну енергію, тобто служать джерелом постійного магнітного поля. Магнітотверді матеріали використовують, головним чином, для виготовлення постійних магнітів.

За складом всі магнітні матеріали поділяються на металеві і неметалеві. До металевих магнітних матеріалів відносять чисті метали (залізо,кобальт, нікель) і магнітні сплави деяких металів. До неметалевих магнітних матеріалів відносять ферити.

Магнітом'які матеріали

Основними металевими магнітом'якими матеріалами, які використовуються в електротехніці, є низьковуглецева сталь, крем'янисті електротехнічні сталі, пермалої, альсифери та ін.

Технічно чисте залізо використовується для виготовлення виробів, які призначені для роботи в постійних магнітних полях. Залізо також використовується для одержання феромагнітних сплавів.

Низьковуглецева електротехнічна сталь - різновид чистого заліза.

До її складу входить 0,04 % вуглецю та не більше 0,6% домішок. Магнітна проникність мах 3500…4500, коерцитивна сила Нс 65 - 100 А/м.

Крем'яниста електротехнічна сталь - це низьковуглецева сталь

(0,08 % вуглецю), в яку вводять кремній (0,8…4,8 %) з метою поліпшення її магнітних властивостей (підвищення питомого електричного опору, початкової магнітної проникності, зниження коерцитивної сили та зниження магнітних втрат). Значне підвищення вмісту кремнію підвищує крихкість сталі, вона стає непридатною до штампування.

Розрізняють гарячекатану та холоднокатану крем'янисту сталь. Холоднокатані крем'янисті сталі, в яких кристали заліза розміщені переважно в напрямку прокатки, називаються текстурованими. Магнітні властивості таких сталей вздовж прокатки значно вищі, а ніж поперек прокатки.

Основні характеристики: п = 200…600; мах = 3000…8000;

= (0,17…0,6) • 10-6 Ом м; ВS = 1,95…2,02 Тл; НС = 10…65 А/м.

Електротехнічна сталь виготовляється у вигляді листів, рулонів або стрічок і призначається для виготовлення магнітопроводів. Для зменшення втрат на вихрові стуми на листи може наноситися електроізоляційний лак.

Пермалої - пластичні залізо-нікелеві сплави із вмістом нікелю від

36 до 80 %. З метою покращення тих або інших властивостей у сплави вводять молібден, хром, мідь, марганець та кремній, отримуючи при цьому леговані пермалої.

Пермалої, які містять 36…50 % нікелю, називаються низьконікелевими, а 60…80 % - високонікелевими.

Всі пермалої відрізняються високим рівнем магнітних характеристик. Це забезпечується не тільки їх складом і хімічною чистотою сплаву, а також спеціальною термічною обробкою. Сплав нагрівається зі швидкістю

400..500°С в годину, витримується протягом 3…6 годин при температурі

1000…1150°С і потім повільно охолоджується зі швидкістю 100...200°С за годину до кімнатної температури. Деяким пермалоям потрібне повторне нагрівання до 600°С і швидке охолодження з швидкістю 150°С в хвилину.

Кращі магнітні характеристики пермалоїв досягаються при випаленні їх у вакуумі.

Малими втратами на вихрові струми володіють леговані пермалої із підвищеними значеннями магнітних характеристик.

Основні	характеристики	низьконікелевих	пермалоїв:
п = 1500…4000;	мах = 15000…60000;	= (0,45…0,9) •	10-6 Ом • м;
ВS = 1,0…1,6 Тл; НС = 5…32 А/м.
Основні	характеристики	високонікелевих	пермалоїв:

п = 700…100000; мах = 50000…300000; = (0,16…0,85) • 10-6 Ом • м;

ВS = 0,65…1,05 Тл; НС = 0,65…6 А/м.

Всі види пермалоїв чутливі до механічних деформацій матеріалу:

наклепу при різанні, штампуванні і інших механічних діях. Тому деталі із пермалоїв, отримані таким чином, потребують додаткової термічної обробки - випалення. Також недоліком пермалоїв є їх висока вартість.

Пермалої виготовляють у вигляді стрічок товщиною 0,002…0,5 • 10-3 м,

листів товщиною 1..2 • 10-3 м і прутків діаметром 5…50 • 10-3 м і більше. Низьконікелеві пермалої застосовують для виготовлення осердь дроселів, малогабаритних трансформаторів і магнітних підсилювачів, високонікелеві - деталей апаратури, які працюють при частотах вищих за звукові. Магнітні характеристики пермалоїв стабільні в інтервалі температур від -60 до+60°С.

Альсифери - нековкі крихкі сплави, які складаються з 5,5…13%

алюмінію, 9…10% кремнію, решта - залізо. Промислові зразки альсиферів мають наступні характеристики: n = 35500; max= 120000; Нс=1,8 А/м;

= 0,8 • 10-6 Ом м; ВS = 1,0 Тл.

Альсифери призначалися для заміни дорогих пермалоїв, але вони замінили пермалої у порівняно обмеженій області застосування. Із альсиферів виготовляють відлиті осердя, які працюють у діапазоні частот не більше 20 кГц, бо на більш високих частотах у них виникають великі втрати на вихрові струми. Із альсиферів виливають деталі з товщиною стінки не менше 2 • 10-3 м - екрани, корпуси приладів, деталі магнітопроводів.

Також існує ряд магнітом'яких матеріалів із спеціальними магнітними властивостями.

Пермінвар - це трійний сплав (25% Со, 45% Ni, 30% Fe). Магнітна проникність пермінвару після спеціальної термічної обробки у вакуумі становить = 300, і залишається постійною при напруженості поля від 0 до

160 А/м, ВS = 1,55 Тл.

Пермендюр - трійний сплав (30…50% Со, 1,5…2% V, все інше - залізо). Сплав має найбільшу індукцію насичення серед феромагнетиків -

ВS = 2,43 Тл.

До сплавів із спеціальними магнітними властивостями відносяться також: кальмалой (Сu-Ni), термалой (Fe-Ni), ізотерм (Fe-Ni-Al-Cu) та ін.

Магнітотверді матеріали

Магнітотверді матеріали застосовують для виготовлення постійних магнітів і інших деталей. Постійні магніти повинні створювати в повітряному зазорі між своїми полюсами магнітне поле з постійними по величині напруженістю і магнітною індукцією. Постійний магніт повинен володіти великою магнітною енергією, тобто магнітотверді матеріали повинні мати велику коерцитивну силу і велику залишкову магнітну індукцію.

У всякого постійного магніту з плином часу зменшується магнітний потік, а значить, і питома магнітна енергія. Цей процес називається старінням магніту.

Один вид старіння настає внаслідок вібрацій, ударів, різкої зміни температури магніту. Такому магніту можна повернути магнітні властивості повторним намагнічуванням. Другий вид старіння зв'язаний зі зміною структури магнітотвердого матеріалу, тому є необоротним. Вимогою, яка також ставиться до магнітотвердих матеріалів, є стійкість до старіння.

Металеві магнітотверді матеріали можна поділити на три основні групи: мартенситні високовуглецеві сталі; сплави на основі заліза- алюмінію-нікелю; металокерамічні матеріали.

Мартенситні сталі. Мартенситна структура у високовуглецевих сталях виготовляється за допомогою їх гартування - нагрівання до температури, при якій сталь становить собою розчин вуглецю у залізі (аустеніт), і наступного різкого охолодження у воді або маслі. При мартенситній структурі кристали заліза різко змінюються - витягуються у довжину, а частина розчину вуглецю, яка залишилася, спричинить внутрішнє напруження. Все це забезпечує магнітну твердість постійним магнітам, виготовленим із мартенситних сталей.

В якості мартенситних сталей застосовують хромисті, вольфрамові і кобальтові сталі. В хромисті сталі в якості легуючої компоненти вводять хром (1,3…3,6%), у вольфрамові - вольфрам (5,5…6,5%) і хром (0,3…0,5%), в кобальтові сталі - кобальт (5…17%), молібден (1,2…1,7%) і хром

(6…10%). Всі ці сталі також містять 0,9…1,1% вуглецю, решта - залізо.

Основні магнітні характеристики сталевих магнітів: хромистих

Вr = 0,9 Тл; Нс = 4400 А/м; вольфрамових Вr = 1 Тл; Нс = 4800 А/м; кобальтових Вr = 0,8…0,9 Тл; Нс = 1000…13500 A/м. Кращими матеріалами є кобальтові сталі, але вони значно дорожчі хромистих і вольфрамових. Всі сталі знаходять обмежене використання в зв'язку із невисоким рівнем їх магнітних характеристик.

Залізо-нікель-алюмінієві сплави. Сплави цього складу, леговані кобальтом, титаном або ніобієм після особливої термічної обробки мають високий рівень магнітних характеристик: Вr = 0,9…1,38 Тл; Нс = (42…97)·103 А/м. магнітний матеріал електротехніка сталевий

Альні - сплав алюмінію нікелю та заліза. Ці сплави мають в 4,5 рази більшу магнітну енергію (до 26 кДж/м3) ніж загартовані на мартенсит сталі.

Альнісі - сплав алюмінію нікелю із доданням кремнію.

Альніко, магніко - сплав алюмінію нікелю із доданням кобальту

(магніко - більш значна частка кобальту). Такі сплави мають магнітну енергію в 15 разів більшу ніш у загартованих на мартенсит сталей.

Ці сплави позначаються марками: ЮНД12 (альні); ЮНДК15,

ЮНДК24, ЮНДК24Б (альніко); ЮНДК35Т5 (магніко) та ін. Букви показують компоненти, які входять до складу сплавів на основі заліза. Ю - алюміній, Н - нікель, Д - мідь, К - кобальт, Т - титан, Б - ніобій. Постійні магніти із цих нековких сплавів можна отримувати тільки методом лиття з подальшою обробкою їх шліфуванням.

Високий рівень характеристик магнітної твердості магнітів із цих сплавів досягається спеціальною термообробкою. Спочатку нагрівають магніти до температури 900…1200°С з подальшим охолодженням на повітрі або в воді. При цьому всі складові частини сплаву (алюміній, нікель та ін.)

будуть розчинені в залізі, утворюючи пересичений розчин. Через деякий час розчинені в залізі компоненти сплаву починають випадати у вигляді дрібно-дисперсних частинок. Останні спричинюють внутрішні напруження в кристалах заліза, що забезпечує матеріалу високий рівень магнітної твердості.

Щоб прискорити цей процес проводять відпускання загартованого магніту, тобто його нагрівають до температури 500…600°С, при якій починають випадати розчинені в залізі компоненти. При цьому витримують критичну швидкість охолодження: 15…20°С в секунду. Описаний процес теплової обробки магнітів з цих сплавів називається дисперсійним твердінням і складається з двох етапів - гартування і відпускання.

Рівень магнітних характеристик у сплавів з вмістом кобальту від

15% і вище можна підвищити з допомогою термомагнітної обробки відлитих магнітів. Для цього магніт нагрівають до 1300°С і охолоджують в сильному магнітному полі зі швидкістю 10..15°С в секунду. Внаслідок орієнтації магнітних доменів у напрямку дії зовнішнього магнітного поля, охолоджені магніти набувають магнітну текстуру. Внаслідок цього їх магнітна енергія зростає в середньому на 60…80% за рахунок різкого збільшення залишкової магнітної індукції. Після гартування магнітів у зовнішньому магнітному полі їх піддають відпусканню, тобто повторному нагріванню до 600°С і охолодженню з оптимальною швидкістю (15…20°С/с).

Магніти з цих сплавів більш стійкі до старіння, ніж мартенситні сталі. Недоліком цих сплавів є те, що вони не піддаються звичайним методам механічної обробки внаслідок великої твердості і крихкості. Магніти з цих сплавів можна обробляти тільки шліфуванням.

Металокерамічні матеріали (порошкові магніти). Магніти дуже малих розмірів або складної форми в масовому виробництві намагаються виготовляти з металокерамічних матеріалів. Ці матеріали отримують із металевих порошків, які беруть у співвідношеннях, що забезпечують магнітну твердість магнітам після їх пресування і подальшого спікання при високих температурах. Металокерамічні магніти виготовляють на основі порошків із сплавів: залізо-нікель-алюміній або залізо-нікель-алюміній-кобальт. Чисті метали або їх сплави подрібнюють до частинок розміром 10…75 • 10-6 м. Із порошкоподібної вихідної маси магніти пресують при тиску (10…15)·105

Н/м2. Відпресовані магніти обпікають у захисній атмосфері або у вакуумі при температурі 1100…1300°С. Спечені магніти гартують, а потім відпускають, охолоджуючи з заданою швидкістю. Магніти, до складу яких входить кобальт, підлягають термомагнітній обробці під дією зовнішнього магнітного поля. Це покращує їх магнітні характеристики (Вr і Нс).

Металокерамічні магніти в готовому вигляді мають невелику пористість (2…5%), яка трохи знижує їх магнітні характеристики (на 10…20%).

Позитивною якістю металокерамічних магнітів є чистота їх поверхні, яка не потребує допоміжної обробки, і точність заданих розмірів. Магніти з металокерамічних матеріалів можуть оброблятися тільки шліфуванням.

Ферити

Ферити виготовляють із порошкоподібної суміші, яка складається з окислу заліза і спеціально підібраних окислів інших металів. Відпресовані феритові вироби підлягають спіканню при високих температурах. Назва фериту визначається назвою двовалентного або одновалентного металу, окис якого входить до складу фериту. Так, якщо до складу фериту входить окис цинку ZnО, то ферит називається феритом цинку, якщо окис нікелю NiО - феритом нікелю і т.п.

Ферити, до складу яких, крім окислу заліза Fe2O3, входить тільки один окисел іншого металу, називаються простими. Хімічна формула простого фериту в загальному вигляді записується так:

МеОFе2О3 або МеFе2О4,

Ме - позначення металу, окисел якого входить до складу фериту.

Не всі прості ферити мають магнітні властивості. Так, ферити цинку

ZnFе2О4 і кадмію CdFe2O4 є не магнітними речовинами. Наявність або відсутність магнітних властивостей у простих феритів визначається кристалічною структурою.

Найкращі магнітні характеристики мають складні або змішані ферити. Це тверді розчини одного простого фериту в другому. В такому випадку можуть бути використані немагнітні ферити в поєднанні з магнітними простими феритами. Наприклад, твердий розчин двох простих феритів цинку і нікелю утворює змішаний нікельцинковий ферит.

Ферити виготовляють по керамічній технології, тобто вихідні порошкоподібні окисли металів, взяті в обумовленому співвідношенні, подрібнюють у кульових млинах. Із цієї суміші тонко помелених порошків пресують брикети, які підлягають обпаленню в печах. Потім брикети розмелюють і в отриманий тонкодисперсний порошок вводять пластифікатор, наприклад розчин полівінілового спирту. Із отриманої маси пресують феритові вироби - осердя, кільця, які обпалюють при 1000…1400°С. Отримують тверді і крихкі вироби чорного кольору; їх можна обробляти тільки шліфуванням.

Найбільш широко застосовують змішані магнітом'які ферити: нікель-цинкові, марганець-цинкові, літій-цинкові. Умовне позначення феритів: Н - низькочастотні, НН - нікель-цинкові низькочастотні ферити, НМ - марганець-цинкові, ВТ - ферити з прямокутною петлею гістерезису. Цифри, які стоять попереду буквених позначень, показують значення початкової магнітної проникності. Наприклад, 4000НМ - марганець-цинковий ферит з початковою магнітною проникністю, рівною 4000.

Основні характеристики магнітом'яких феритів такі: щільність 3800-

5000 кг/м3 ; ТК = (5…12)·10-6 1/°С; пористість 1…1,5%; Нс = 0,1…22 А/м.

Позитивними якостями феритів є: стабільність магнітних характеристик в широкому діапазоні частот, малі втрати на вихрові струми і простота виготовлення феритових деталей.

Як і всі магнітні матеріали ферити зберігають свої магнітні властивості лише до точки Кюрі. У різних за складом феритів температура Кюрі коливається в широких межах від 45 до 950°С.

Для виготовлення постійних магнітів використовують магнітотверді ферити, найбільше застосування з яких отримали ферити барію ВаО·6Fе2О3. На відміну від магнітном'яких феритів барієві ферити мають не кубічну, а гексагональну кристалічну структуру. Остання обумовлює магнітну твердість феритів барію, головним чином, за рахунок великої коерцитивної сили. За своєю структурою ферити барію - це полікристалічні матеріали, які складаються з багатьох кристалічних частинок. При цьому кристалічні частинки орієнтовані довільно, що визначає однаковість властивостей фериту за усіма напрямками. Ці ферити - ізотропні (марка БІ).

Якщо в процесі пресування магнітів порошкоподібну масу піддати дії зовнішнього магнітного поля великої напруженості (Н = 800 А/м), то кристалічні частинки будуть орієнтовані в одному напрямку. Виготовлені таким чином барієві магніти є анізотропними (марка БА). Ці магніти в готовому вигляді, тобто після обпалення в печах і намагнічування, володіють більш високим рівнем магнітних характеристик.

Основні характеристики барієвих феритів: щільність 4600…5000

кг/м3; Нс = (128…232) 103 А/м; ВS = 0,2…0,35 Тл; = 450 0С.

Магніти, що виготовлені з барієвих феритів, володіють великим питомим опором, що дає змогу застосовувати їх в області високих частот. Для кращого використання барієвим магнітам надають форму, при якій їх довжина мала в порівнянні з перерізом.

Барієві ферити відрізняються стабільністю своїх характеристик, але вони чутливі до різкої зміни температури. Їх виготовляють із недефіцитних порошкоподібних матеріалів (окисли заліза Fе2О3 і вуглекислого барію ВаСО3) методами керамічної технології. Магніти із барієвих феритів значно дешевші магнітів із залізо-нікель-алюмінієвих сплавів та інших металевих матеріалів.

Недоліками всіх феритів є крихкість і можливість обробки тільки шліфуванням. Ферити є магнітними напівпровідниками, і тому з ростом температури їх питомий опір зменшується, що викликає збільшення втрат на вихрові струми.

Размещено на Allbest.ru

...