Лекции по материаловедению на тему «Магнитомягкие материалы»

ЛЕКЦИИ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ

ДЛЯ СТУДЕНТОВ ДНЕВНОГО ОТДЕЛЕНИЯ

Магнитомягкие материалы.

1.1.1. Требования к магнитомягким материалам.

Магнитомягкие материалы характеризуются способностью намагничиваться до насыщения в слабых полях и малыми потерями на перемагничивание. К ним предъявляются следующие требования:

1. Узкая петля гистерезиса, т.е. малое значение коэрцитивной силы H_C и большая величина магнитной проницаемости ;

2. Большая индукция насыщения B_S, т.е. при заданной площади поперечного сечения магнитопровода должно обеспечиваться прохождение максимального потока;

3. Минимальные потери мощности при работе в переменных полях, так как потери определяют рабочую температуру изделия, которая не должна превышать допустимого значения.

Материалы, отвечающие перечисленным требованиям, обеспечивают высокий энергетический КПД и необходимую рабочую индукцию при заданной температуре перегрева, что позволяет уменьшить габариты и массу устройств.

1.1.2. Классификация магнитомягких материалов.

1.1.3. Магнитомягкие материалы для постоянных и низкочастотных магнитных полей.

Основные параметры низкочастотных магнитомягких материалов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Основные параметры НЧ магнитомягких материалов.

Частотный диапазон применения ММ в значительной степени определяется их удельным электрическим сопротивлением. При низком ρ велики потери на вихревые токи, а значит и потери на перемагничивание, возраставшее с увеличением частоты, поэтому, чем больше ρ ММ, тем на более высоких частотах он может использоваться. В постоянных и НЧ (до единиц кГц) полях применяют металлические магнитные материалы: технически чистое Fe, кремнистые электротехнические стали, пермаллои, альсиферы, аморфные сплавы (рис.5.20, табл. 5.1).

Технически чистое Fe – это железо, содержащее ограниченное число примесей (прежде всего углерода, кислорода и серы), которые оказывает особенно сильное влияние на магнитную проницаемость.

Широко применяются следующие виды технически чистого Fe: низкоуглеродистая электротехническая сталь, полученная после горячей или холодной прокатки; электролитическое железо; карбонильное железо, полученное путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное Fe, изготавливаемое в виде порошка, применяют в качестве ферромагнитной среды магнитодиэлектриков.

Рассматривая перспективы повышения качества железа, следует отметить, что главнейшая характеристика Fe – B_δ, обусловленная величинами атомных магнитных моментов и обменным взаимодействием, не может быть увеличена. Рост μ в слабых и сильных полях и уменьшение H_C можно достичь для Fe с меньшей концентрацией примесей и дефектов (для сравнения в табл.5.1 приведены параметры полученного в лабораторных условиях монокристалла чистейшего железа).

Кремнистые электротехнические стали – это твердый раствор Si в Fe. Легирование технически чистого Fe кремнием позволяет значительно повысить удельное сопротивление. Выпускаются электротехнические стали различной степени легирования (увеличение параметра или усиление свойства в зависимости от степени легирования показано стрелками):

Значительного улучшения магнитных свойств кремнистых сталей удалось достичь путем образования магнитной текстуры при холодной прокатке с последующим отжигом. В результате получают текстурованную кремнистую сталь, у которой элементарные кристаллические ячейки ориентированы так, что ребра кубов – осей легкого намагничивания – расположены параллельно направлению прокатки. Такую текстуру называют ребровой. Применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. В стали с кубической текстурой наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока вдоль, поперек и перпендикулярно направлению прокатки.

Пермаллои – это железоникелевые сплавы, имеющие наибольшую магнитную проницаемость в слабых полях. Поэтому они применяются в РЭА, когда нужно иметь значительные как постоянные, так и переменные магнитные потоки при малых напряженностях поля, что особенно важно в связи с миниатюризацией РЭА (на частотах до нескольких десятков кГц). В табл.1.1 приведены параметры низконикелевых (40–50% Ni), высоконикелевых (72-80% Ni) пермаллоев и супермаллоя (79% Ni, 15% Fe, 5% Mn, 0,5% Mn).

Наряду с основными достоинствами – высоким значением μ_H и малым значением H_C – пермаллоям присущи следующие недостатки:

–большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям (особенно у высоконикелевых пермаллоев), что требует специальной защиты;

–высокие магнитные свойства получают лишь в результате отжига готовых изделий после их механической обработки;

–пониженные значения B_δ;

–сравнительно высокая стоимость и дефицитность отдельных компонентов (прежде всего никеля).

В качестве заменителя пермаллоев был разработан тройной сплав альсифер, оптимальный состав которого 9,6% Si, 5,4% Al, остальное – Fe. Этот сплав при точном соблюдении состава в лабораторных условиях имеет μ_H=35400, у промышленного альсифера μ_H=6000÷7000. Альсифер применяют в основном в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков.

Магнитомягкие аморфные сплавы, называемые металлостеклами или метглассами, содержат один или несколько переходных металлов – Fe, Со, Ni – в количестве 75–85% и стеклообразователь – В, С, Si, P – в количестве 15–20%, а также легирующие металлы Cr, V, Mn и др.

Аморфные сплавы формируются в результате такой высокой скорости охлаждения жидкостей, при которой частицы не успевают выстроиться в правильную кристаллическую структуру. Поэтому их получают быстрой закалкой расплавов ("выстреливанием" раскаленного расплава на перемещающуюся холодную подложку). Электромагнитные свойства аморфных сплавов и пермаллоев близки, но первые меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокой коррозионной стойкостью, прозрачностью и твердостью при сохранении пластичности. Аморфные сплавы весьма перспективны, из них изготавливают небольшие трансформаторы, магнитофонные головки и др.

1.1.4. Высококачественные магнитомягкие материалы.

Для работы на высоких (от единиц до десятков мегагерц) частотах используются материалы, по своим электрическим свойствам относящиеся к диэлектрикам и полупроводникам – магнитодиэлектрики и ферриты. Например, величина удельного электрического сопротивления ρ ферритов в 10⁶–10¹¹ раз выше ρ стали, следовательно, ферриты имеют относительно малые потери энергии при повышенных и высоких частотах.

Магнитодиэлектрики – это композиционные материалы из мелкодисперсного порошка низкокоэрцитивного металлического ферромагнетика, частицы которого изолированы друг от друга и механически связаны в единое целое органическими и неорганическими диэлектриками. Исходными ферромагнетиками являются карбонильное железо, пермаллои, алъсиферы, а в качестве изолирующего состава, занимающего по объему 5–10%, используется полистирол, жидкое стекло, стеклоэмали. Изделия из магнитодиэлектриков изготавливаются по технологии пластмасс.

Магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением, малым tgδ магнитных потерь, начальная магнитная проницаемость составляет 10–250, предельная частота – 250МГц. К их достоинствам относятся высокая температурная стабильность (μ постоянна в широком диапазоне температур), стабильность параметров при механических воздействиях, а к недостаткам – невозможность с помощью внешнего поля управлять магнитными параметрами материала.

Магнитодиэлектрики в основном используются в качестве сердечников катушек индуктивностей, дросселей, трансформаторов, радиочастотных контуров РЭА.

Ферриты – это магнитные материалы на основе оксидов металлов, обладающие ферримагнитными свойствами. Магнитомягкие ферриты – моно- и поликристаллические материалы со значением коэрцитивной силы не более 4кА/м. Промышленные магнитомягкие ферриты – в основном поликристаллические материалы, синтезируемые по керамической технология, включающей в себя составление смеси оксидов в заданной пропорции, ферритизацию смеси (т.е. образование феррита из оксидов), формование изделий и их последующее спекание.

Наибольшее распространение получили две группы ферритов:

–марганец-цинковые (Mn-Zn) ферриты – твердые растворы феррита марганца MnFe₂O₄ и феррита цинка ZnFe₂O₄;

–никель-цинковые (Ni-Zn) ферриты – твердые растворы феррита никеля NiFe₂O₄ и феррита цинка ZnFe₂O₄. Также применяются литий-цинковые, свинцово-никелевые и другие ферриты.

Обычно ферриты используются в слабых и средних полях, так как они имеют относительно низкую индукцию насыщения (0,15–0,7Тл). Ряд марок Mn-Zn ферритов с высокой начальной проницаемостью применяется при частотах до нескольких сотен кГц как в слабых, так и в сильных полях.

Та нгенс угла магнитных потерь tgδ ферритов имеет значения 0,005–0,1. В области очень слабых полей потери в основном определяются дополнительными потерями на последействие, так как составляющие потерь на вихревые токи и на гистерезис в ферритах малы, но в слабых и сильных полях эти составляющие возрастают. При повышении частоты tgδ, начиная с некоторой определенной для каждого феррита частоты, значительно возрастает и одновременно уменьшается, что обусловлено главным образом релаксационными явлениями.

Для ферритов вводится параметр, называемый критической частотой. f_КР – частота магнитного поля, при которой tgδ=O,l. Для НЧ марганец-цинковых и никель-цинковых ферритов f_КР=0,01÷30МГц, для ВЧ никель-цинковых ферритов f_КР=25÷250МГц. Установлено, что чем выше значение μ_H, тем меньше f_КР.

Свойства ферритов сильно зависят от температуры, особенно по сравнению с магнитодиэлектриками (рис.5.22), что связано с относительно высокой точкой Кюри некоторых ферритов, а при температуре ниже точки Кюри, но близких к ней, магнитная проницаемость и другие свойства значительно изменяются. Для уменьшения ТКμ в ферриты вводят небольшие добавки некоторых веществ (например, CoO), благоприятно действующих на их температурные свойства.

На указаны ориентировочные значения магнитной проницаемости и частотный диапазон применения ферритов различного состава. Из рисунка видно, что в ВЧ-части спектра радиочастот применяют ферриты с μ в десятки единиц.

В приведены параметры некоторых марок ферритов общего применения. Маркировка магнитомягких ферритов: первые цифра – значение начальной магнитной проницаемости, затем идут буквы, обозначающие частотный диапазон применения, ограничиваемый сверху f_ПР. Ферриты для звуковых, ультразвуковых и низких частот обозначаются буквой Н (низкочастотные), высокочастотные – буквой В. Далее в маркировке магнитомягких ферритов следуют буквы, обозначающие состав: М – Mn-Zn, Н – Ni-Zn.

Таблица 1.2. Параметры некоторых магнитомягких ферритов общего применения.

Рассмотренные группы ферритов используют для изготовления сердечников различной конфигурации и размеров для трансформаторов, катушек индуктивности, фильтров, магнитных антенн, статоров и роторов ВЧ-микродвигателей, деталей отклоняющих систем ТВ аппаратуры.

Свойства ферритов зависят от механических напряжений которые могут возникнуть при плотной обмотке, креплении изделия, поэтому их необходимо оберегать от механических нагрузок.

1.6. Магнитотвердые материалы.

К магнитотвердым относятся высококоэрцитивные материалы (см. 2.1), площадь петли гистерезиса которых значительно больше, чем у магнитомягких материалов. МТМ применяет для изготовления постоянных магнитов, при этом используется магнитная энергия, возникающая между полюсами магнита, а также для магнитных лент, предназначенных для записи информации.

1.6.1. Мтм для постоянных магнитов.

Постоянные магниты используются в измерительных приборах (магнитоэлектрические амперметры, вольтметры, омметры, магнитометры), в электрических машинах (синхронные генераторы, двигатели постоянного тока), в радиоприемных устройствах и акустических аппаратах, устройствах техники связи, в электровакуумных и ферритовых устройствах СВЧ (лампы бегущей волны, гетеродинные лампы обратной волны, вентили), регулирующих устройствах (поляризованные реле, регуляторы напряжения, температуры, давления), промышленных устройствах (магнитные сепараторы, магнитные муфты и др.), бытовых приборах (магнитные замки, магнитные инструменты).

Основные параметры магнитотвердых материалов:

–максимальная удельная энергия W_m (ВН/2), которая лежит в диапазоне 1÷200кДж/м³;

–коэрцитивная сила H_C (5÷5000кЛ/м);

–остаточная индукция В_r;

Сплавы на основе Fe-Ni-Al и Fe-Ni-Co-Al имеют наибольшее распространение и составляют примерно 80% всех потребляемых МТМ. У этих сплавов W_m=3,6–40кДж/м³, Н_C=40–180кА/м, B_r=0,43–1,4Tл.

Высококоэрцитивное состояние этих сплавов объясняется механизмом твердения. При высоких температурах (1200–1300°С) благодаря большой растворимости компонентов сплавы Fe-Ni-Al находятся в однородном состоянии. При медленном охлаждении сплавов до определенной температуры происходит распад твердого раствора на две фазы (β₁ и β₂): фаза β₁ близка по составу к чистому Fe, т.е. сильномагнитна, ее выделения имеют форму пластинок однодоменной толщины; фаза β₂ слабомагнитна. Таким образом, получается система в виде немагнитной матрицы β₂ с однодоменными сильномагнитными включениями β₁. Материалы с такой структурою имеют большую коэрцитивную силу, так как намагничивание происходит в основном за счет процессов вращения.

В зависимости от режима термической обработки коэрцитивная сила сплавов на основе Fe-Ni-Al может меняться в сотни раз, так как режимы термической обработки подбираются таким образом, чтобы получить оптимальную форму, размер и распределение частиц, выделявшихся при распаде твердого раствора.

Недостатки сплавов этой группы: плохие механические свойства, высокая твердость и хрупкость, что значительно осложняет механическую обработку.

Легко обрабатываются (штампуются, режутся ножницами, обрабатывается на металлорежущих станках) пластически деформируемые сплавы Cu-Ni-Fe различного состава и викаллой Co-V-Fe (50% Co, 8–15% V, остальное – Fе).

Сплавы на основе благородных металлов характеризуется очень высокими значениями коэрцитивной силы. В результате специальной термической обработки получен сплав Pt-Co, магнитные свойства которого достигает значений W_m=90кДж/м³, H_C=400кА/м, B_r=0,7Тл. Так как эти сплавы дороги, их в основном используют для сверхминиатюрных магнитов массой в несколько миллиграмм.

Порошковые МТМ, получаемые путем прессования порошков с последующей термообработкой методами порошковой металлургии, используются для изготовления мелких изделий сложной конфигурации со строго выдержанными размерами.

Металлокерамические магниты прессуются без связующего материала и спекаются при высокой температуре. Для различных марок металлокерамических магнитов W_m=3–16кДж/м³, H_C=24–128кА/м, B_r=0,48–1,1Тл, т.е. по магнитным свойствам они уступают литым магнитам, что обусловлено повышенной пористостью. Удорожание из-за введения в технологическую цепочку измельчения и спекания компенсируется увеличением механической прочности металлокерамических магнитов в 3–6 раз по сравнению с литыми и уменьшением отходов при конечной размерной обработке.

Металлопластические магниты изготавливают как и металлокерамические из металлических порошков, но прессуют вместе с изолирующей связкой (например с фенольной смолой), затем нагревают до 120–180°С и выдерживают при этой температуре для полимеризации связующего компонента. Механические свойства у этих магнитов в несколько раз выше, чем у литых, а магнитные – значительно ниже из-за большого содержания неферромагнитного компонента.

Магнитотвердые ферриты имеют большие значения коэрцитивной силы, достигающие у некоторых марок 240кА/м, и W_m=10–18кДж/м³. Недостатки ферритов – плохие механические свойства (высокая хрупкость и твердость) и температурная нестабильность параметров.

1.7. Магнитные материалы специального назначения.

1.7.1. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ппг)

Магнитные материалы с ППГ применяются в устройствах автоматики, вычислительной техники, в аппаратуре телеграфной связи, многоканальных импульсных системах радиосвязи в качестве элементов с двумя устойчивыми состояниями, которые характеризуются положительным и отрицательным значениями остаточной индукции +B_r и -B_r, т.е. противоположными направлениями намагниченности.

Один из основных параметров материалов с ППГ – коэффициент прямоугольности петли гистерезиса, равный отношению B к максимальной индукции B_δ, измеренной при H=5H_C: K_ПР=B_r/B_δ. Для петли гистерезиса с идеальной прямоугольностью Е_ПР=1; у практически применяемых материалов К_ПР=0,85÷0,96.

Магнитные материалы с ППГ можно подразделить не три группы: ферриты, текстурованные ферромагнитные сплавы, применяемые в виде лент толщиной от 0,5мм до десятков и единиц микрометров, и тонкие ферромагнитные пленки.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со спонтанной прямоугольностью петли гистерезиса, которая обусловлена химическим составом, режимом спекания и последующего охлаждения, а не какой-нибудь специальной обработкой (например механическими воздействиями или обработкой в магнитном поле). Такие ферриты не обладают текстурой, и свойства их изотропны. Наиболее используемыми являются ферриты с ППГ со структурой шпинели магний-марганцевои системы MgO·MnO·Fe₂O₃, а также магний-марганцевые, содержащие примеси оксидов Zn и Са.

Для получения металлических материалов с высокой прямоугольностью петли необходимы специальные технологические меры (механические напряжения, отжиг в магнитном поле), которые используются для создания текстуры. Технологический процесс изготовления ферритовых сердечников с ППГ проще, чем ленточных из металлических сплавов тонкого и сверхтонкого проката, но ленточные сердечники характеризуется большей температурной стабильностью и лучшими магнитными свойствами. В качестве металлических материалов с ППГ применяют железоникелевые сплавы - пермаллои.

Тонкие ферромагнитные пленки перспективны для малогабаритных быстродействующих устройств. Они будут представлены далее.

1.7.2. Магнитострикционные материалы.

Магнитострикция широко используется в технике. Прямой магнитострикционный эффект заключается в изменении размеров ферромагнитных тел при их намагничивании и размагничивании, а обратный состоит в том, что если намагниченный ферромагнетик подвергнуть воздействию внешних механических напряжений, вызывавших деформацию, то произойдет изменение намагниченности образца.

Явление магнитострикции используется для генерации и приема звуковых и ультразвуковых колебаний в акустоэлектронике, в гидролокации, для магнитострикционных реле и фильтров, резонаторов, стабилизаторов.

Широко распространены магнитострикционные датчики для измерения механических напряжений или деформаций. Например, сердечник из пермаллоя своими концами прикрепляется к поверхности исследуемой детали. На сердечнике имеется две обмотки: намагничивающая и измерительная. Если деталь будет деформироваться, то прикрепленный к ней сердечник датчика тоже деформируется и магнитный поток в нем изменяется. Это вызывает изменение ЭДС в измерительной обмотке, присоединенной к прибору, который предварительно проградуирован на значения механических напряжений или деформаций.

В качестве магнитострикционных материалов применяют никель, пермаллои, сплавы Fе-Co (пермендюры), железоалюминиевые сплавы, а также ферриты. Недавно обнаружено, что соединения тербия и железа имеют "гигантскую" магнитострикцию на два порядка выше, чем у известных материалов.

В табл. 1.3 даны значения магнитострикционной деформации при продольной магнитострикции для различных материалов при магнитном насыщении и нормальной температуре.

Таблица 1.3.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/551534-lekcii-po-materialovedeniju-na-temumagnitomja