3.3. Низкочастотные магнитомягкие материалы

Низкочастотные магнитомягкие материалы предназначены для ра­боты в постоянных и низкочастотных магнитных по­лях. К ним от­но­сятся железо и низкоуглеродистые стали, кре­мнистые эле­­ктро­те­хнические стали, а также низкокоэрци­тив­ные сплавы.

К этой группе материалов предъявляются следующие об­щие тре­­бования:

высокая индукция насыщения (Bs1Т), что позволяет ра­з­ра­бо­т­­чику снижать ма­ссо-габаритные характеристики про­е­кти­ру­е­мой магнитной си­с­те­мы;

относительно невысокие потери  на  перемагничивание (pм=20...30 Вт/кг) при работе в переменных эле­к­т­ро­ма­г­нит­ных по­­лях и достаточно высокое электросоп­ро­тив­ле­ние (r0,6×10-6 Ом×м);

высокая пластичность, позволяющая осуществлять  ме­ха­ни­­че­­с­кую об­работку, и малая зависимость магнитных свойств от ме­ха­­ни­­­­чес­ких напряжений, возникающих при де­­фор­ми­ро­ва­нии ли­с­то­­вых фе­р­­ромагнитных материалов.

К магнитомягким материалам для работы в постоянных ма­г­ни­­­т­ных полях относятся следующие:

Технически чистое железо - это железо, содержащее менее 0,1% при­месей. Характеристики техни­чес­кого  железа приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4

mн

Hc, А/м

Bs, Т

r ×106, Ом×м

250-500

50- 100

2

0,1

Из таблицы 3.4 следует, что те­х­ни­че­с­ки чи­­­­с­­тое железо ха­­­­ра­к­те­­­ри­зу­ет­ся до­во­ль­но вы­­­­­­­со­­кими зна­че­ни­я­ми на­чаль­ной ма­г­ни­­т­ной про­­­ни­ца­­е­мо­с­ти mн инду­к­ции на­сы­­ще­ния Bs и удель­но­го эле­­­к­т­ро­­­со­­­­п­ро­ти­вления r. Значение ко­­э­р­­ци­­­тивной си­лы Hc яв­ля­е­т­ся ти­пи­ч­ным для ма­г­ни­то­мя­г­ких материалов. Те­х­­­­ни­­че­с­­ки чи­с­тое же­ле­зо широко ис­по­ль­зу­ется в ви­­де лис­тов для изготовления ма­­г­­ни­­то­про­водов пос­то­янных маг­ни­тов и электромагнитных ре­ле.

Электротехническая нелегированная сталь с содержанием 0,3%  кре­м­­ния (Si). Этот материал выпускается в виде ленты и листов по ГОСТ 3863 и ГОСТ 11036.

Обозначение марок электротехнической нелегированной стали со­­­стоит из пяти цифр, например: сталь 10895, сталь 21864. В ус­ло­в­ном обо­зна­че­нии первая цифра означает спо­соб проката стали (1 - го­ря­че­ка­та­ная, 2 - холоднокатаная); вто­рая цифра - 0 или 1, го­во­рит о том, что концентрация кремния в ста­ли составляет 0,3%; тре­тья ци­фра - всегда 8 (что указывает на но­р­ми­ровку стали по коэ­р­­ци­ти­в­ной  силе); четвертая и пятая цифры пред­ставляют значение ко­э­­р­ци­ти­вной силы, А/м.

Значение коэрцитивной силы Hc электротехнических неле­ги­ро­ванных сталей равно 60...100 А/м, индукция насыщения Bs  со­ставляет 1,3...1,6 Т.

Электротехнические кре­­­­м­ни­стые стали с содержанием 0,4...4% Si относятся к магнитомягким материалам для рабо­ты в низкочастотных ма­­­­г­нитных полях. Введение кремния в же­ле­зо уве­ли­чивает электрическое сопротивление стали и сни­жает уде­­­­ль­ные по­тери на перемагничивание.

Изготавливаются электротехнические стали в соответствии с требованиями государственных стандартов: ГОСТ 21427.0 “Сталь электротехническая листовая. Классификация и марки”; ГОСТ 21427.1 “Сталь листовая электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая”; ГОСТ 21427.2 “Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая”.

Для получения высокого значения индукции насыщения Bs эле­­­ктро­тех­ни­ческую кремнистую сталь подвергают холодной про­­­катке с последующим отжигом для снятия ос­таточных ме­ха­ни­­­ческих напряжений. Такая сталь назы­ва­ется тексту­ро­ван­ной. Ра­з­­личают два вида текстурован­ной стали (рис. 3.20).

 

 

Стали с ребровой текстурой, при которой ребра кубических кри­сталлографических ячеек расположены в направлении про­ка­та (рис. 3.20,а). Этот случай соответствует крис­тал­ло­­­гра­фи­че­с­ким направлениям <100> вдоль направления проката. Гла­в­ная ди­а­го­наль куба с направлени­ем <111> расположена под уг­лом 55o к направлению про­ката.

Стали с кубической текстурой, при которой ребра кубов с кристаллографическими направлениями <100> ориентированы вдоль и поперек направления проката (рис. 3.20,б). По этим на­п­ра­влениям проявляются наилучшие магнитные свойства эле­к­тро­те­х­нической стали.

В зависимости от структурного состояния, содер­жания кремния, характера и уровня магнитных свойств листы, ленты и ру­лоны изготавливают из стали различных марок, обозначаемых трех-четы­рехзначными цифрами. Согласно ГОСТ 21.4270 обозначение электротехнической крем­нис­­той ста­ли состоит из трех цифр, например сталь 341, сталь 342. Пер­­вая ци­ф­ра указывает на тип стали (1 -  горячекатаная изотроп­ная, 2 - хо­ло­дно­ка­таная изотропная, 3 - холоднокатаная с ребровой те­к­сту­рой, 5 - хо­ло­днокатаная с кубической текстурой). Вторая ци­ф­ра обоз­начает со­де­ржание кремния в стали (0 - 0,4%, 1 - 0,4...0,8%, 2 - 0,8...1,8%, 3 - 1,8...2,8%, 4 - 2,8...3,8%, 5 - 3,8...4,8%). третья цифра означает группу  по основной нормируемой характерис­ти­ке (0 – удельные потери при B = 1,7 Т и частоте 50 Гц; 1 – удельные потери  при B = 1,5 Т и частоте 50 Гц; 2 – удельные потери при B = 1 Т и часто­те 400 Гц для горячекатаной и при B = 1,5 Т и частоте 400 Гц для холодно­катаной анизотропной;  6 – магнитная индукция  в слабых магнитных  полях при H = 0,4 А/м; 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при H = 10 А/м);

Оте­че­ст­венной про­мы­шле­н­ностью вы­пускается около 50 марок низ­ко­час­то­тных элек­тро­те­х­нических ста­лей. Основные магнитные и электрические параметры некоторых марок электротехнической стали приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5

Основные параметры электротехнической стали

 

 

Марка

Магнитная

проницаемость

Коэрци- тивная

Магнитная индукция

 

Удельные

Удельное электриче-

стали

началь-ная

макси-маль­ная

сила Hc, А/м

при H = =2000 А/м, Т

потери,

Вт/кг

ское сопротивление,

10–6 Ом×м

1411

250

5500

44

1,52

2

0,52

1511

300

6000

36

1,49

1,55

0,6

1561

600

10 000

20

7,7×10–4

0,55

1572

600

7000

1,3

0,55

3411

500

16 000

20

1,81

1,1

0,5

3421

~600

36

~1,7

20¼21

0,5

Толщина листа электротехнической стали составляет 0,28; 0,35; 0,5; 0,65 и 1 мм. Стали марок 3421¼3425 выпускаются с уменьшенной толщиной листа 0,05; 0,08 и 0,15 мм.

Для работы в низкочастотных электромагнитных полях пред­на­значены также низкокоэрцитив­ные ма­г­нито­мягкие спла­­вы. Это спла­­вы си­с­те­мы Fe-Ni (пер­мал­лои), сплавы сис­те­мы Fe-Co (пер­ме­ндюры) и сплавы сис­те­мы Fe-Co-Ni с добавками Mn, Cr, Si, Cu, Va, Ti. Особенностью этих сплавов яв­ляется чрезвычайно вы­со­кое зна­че­ние начальной магнитной проница­е­мо­с­ти mн, до­сти­га­ю­щее 5×104...105.

Пермаллои и пермендюры в виде листовых материалов тол­щи­­ной до 0,005 мм можно использовать для работы в  пе­ре­мен­ных электромагнитных полях с частотой 10...30 кГц. Высокие ма­г­­нитные свойства низкокоэрцитивных маг­ни­то­мяг­ких сплавов объ­­ясняются малой кристаллографической ани­зотропией на­ма­гни­­ченности этих материалов. В результате облегчается поворот ма­гнитных моментов атомов из направления легкого на­ма­гни­чи­ва­ния в направление намагничивающего внешнего поля H.

Пермаллои – железоникелевые сплавы, легированные хромом, молибденом, кремнием, медью или другими присадками. Пермаллои характеризуются высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях (при напряженности поля менее 0,1Hс) на низких частотах. Эти сплавы имеют высокую магнитную проницаемость, высокое удельное электрическое сопротивление, малую коэрцитивную силу и значительное магнитное насыщение.

Сог­ла­с­но ГОСТ 10994 и ГОСТ 10160 в обо­з­­на­че­нии пермаллоя или пер­мен­дюра две пе­р­вые ци­ф­ры обозначают со­де­­р­жа­ние эле­мен­та, усло­в­ное обо­­­з­­на­­чение которого ука­­за­­­­но после этих цифр. Обо­­­з­­начения элеме­н­тов ко­­­­­­­­ди­ру­ются следующими бу­к­ва­ми: Н- Ni, К- Co, М- Mo, X- Cr, C- Si, Д- Cu, Ю- Al, Ф- Va, Г- Mn. Буквы А или И в конце обо­зна­чения спла­ва указывают на его улуч­шен­ные свой­ст­ва, буква П озна­чает, что сплав характеризуется прямоугольной пет­лей гис­те­ре­зи­са. Через де­­фис может быть указан спо­соб вы­плавки сплава (ВИ- ва­куумно-ин­­дукционный, ЭЛ- эле­к­т­ро­нно-лу­че­вой, П- плаз­мен­ный, Ш- эле­к­т­ро­­шлаковый, ВД- ва­куумно-дуговой). На­пример, 82НМП-ВИ - это обо­­зна­че­ние марки же­лезо-никелевого пер­маллоя с ППГ и ку­­би­че­с­кой тек­­сту­рой, по­лу­чен­ного вакуумно-инду­кционным спо­со­бом.

Марки некоторых пермаллоев и характеристики магнитомягких сплавов приведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Марки пермаллоев

 

Марка сплава*

Основная характеристика сплава

45Н, 50Н

Наивысшая магнитная проницаемость в слабых полях

38НС, 42НС, 50НХС

Высокая магнитная проницаемость и повышенное удель­ное электрическое сопротивление

50НП, 68НМП, 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП, 79НМП, 77НМДП, 65НП

Прямоугольная петля гистерезиса. Сплавы обладают анизотропией магнитных свойств

79НМ, 80НХС, 81МА, 83НФ

Наивысшая магнитная проницаемость в слабых полях

* Буквенные  обозначения сплавов: Н – никель, С – кремний, Х – хром, М – молибден, Д– медь, Ф – ванадий, А или И – улучшенные свойства, П – прямо­угольная петля гистерезиса.

Различают две разновидности пермаллоев. Высоконикелевые пе­рмаллои содержат 70...80% Ni. К ним относятся сплавы марок 79НМ, 80НХС, 76НХД, 78Н. С увеличением содержания никеля магнитная проницаемость пермаллоя растет, а индукция насыщения уменьшается, но одновременно возрастают удельные потери. При по­вышении частоты, а также напряженности подмагничивающего (по­сто­ян­ного) поля магнитная проницаемость пермаллоя резко уменьшается.

Пермаллои изготавливаются в виде холоднокатаных лент толщиной 0,0015...2,5 мм, горячекатаных листов толщиной 3...22 мм, горячекатаных прут­ков диаметром 8...100 мм и поставляются термически необработанными. После изготовления деталей их термически обрабатывают для улучшения магнитных свойств.

В таблице 3.7. приведены магнитные параметры лент из пермаллоев различных марок.

Таблица 3.7

Магнитные параметры лент из пермаллоев

Марка сплава

Тол-щина ленты, мм

Начальная магнитная проницаемость,

не менее

Максималь-ная магнит­ная про­ни­ца­емость,

не менее

Коэрцитивная сила,

Hc, А/м,

 не более

Индукция технического насыщения, Т,

 не менее

50Н

45Н

0,1

0,1

2300

1990

24 660

19 900

16

24

1,5

1,5

50НХС

0,1

0,35

2470

3180

24 700

30 230

13

8

1

1

50НП*

0,005

0,1

15 100

59 660

40

15

1,5

1,5

79НМ

0,005

0,35

9940

29 800

35 000

222 750

6,4

1

0,75

0,73

* Значения коэффициентов прямоугольности 0,8 и 0,9 для толщин ленты 0,05 и 0,1 мм, соответственно

Низконикелевые пермаллои со­де­р­жат 40...45% Ni. К ним относятся сплавы марок 45Н, 50Н, 53Н.Низколегированные пермаллои, например марок 45Н, 50Н, при­меняют­­­ся для изготовления магнитопроводов малогабаритных трансформаторов, работающих в слабых постоянных магнитных полях. Низколегирован­ные пермаллои марок 38НС, 42НС и 50НХС отличаются повышенным удель­ным электрическим сопротивлением и поэтому применяются для изго­товления магнитопроводов трансформаторов, работающих при повышенных и высоких частотах.

Выпускаются также пермаллои с прямоугольной петлей гистерезиса (50НП, 68НМП, 34НКМП, 79НМП и др.), которые используются в трансфор­­маторах статических преобразователей напряжения, в импульсных транс­­форматорах.

Пермаллои с высоким содержанием никеля (79НМ, 80НХС и др.) обладают сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением и поэтому используются для изготовления магнитопроводов, работающих в постоянных магнитных полях.

Добавка в пермаллой других элементов в количестве 3...6% улу­чшает свой­ства сплава, в частности, увеличива­ет удельное эле­­ктро­сопро­тив­ле­ние, повышает температур­ную стабильность, ме­ха­ни­чес­кие свойства при об­работке.

Пермендюры, как уже отмечалось, относятся к сплавам сис­те­мы Fe-Co с добавками ванадия, введение которого улуч­шает тех­но­ло­гические свой­ства сплава при механической обработке. В ви­­де листовых материалов выпускаются пер­мендюры марок 48К2Ф, 49КФ, 49КНФ.

Таблица 3.8

mн

Hc, А/м

Bs, Т

106, Ом×м

5×103

160

2...2,2

0,2

Типичные характеристики пер­мен­дю­ров приведены в таблице 3.8, из которой следует, что пермендюры обладают рекордным зна­чением индукции насыщения Bs в магнитных полях с на­пря­жен­ностью до 15 кА/м. Поэтому пермендюры ши­роко ис­по­ль­зу­ю­­тся в устрой­ст­вах,  ра­ботающих с под­маг­ни­чи­ва­нием - ре­­про­ду­к­торах, мем­бра­нах теле­фо­нов, дросселях филь­т­ров вы­пря­ми­те­лей, а также как маг­­нито­стри­к­ци­онные материалы. Ши­рокому рас­простране­нию пер­ме­н­дю­ров препятствует их достаточно вы­со­кая стоимость.

Аморфные магнитные сплавы – магнитные материалы на основе сплавов системы Fe-Ni-Co с аморфной структурой и характеристиками, превы­шающими аналогичные свойства кристаллических сплавов – пермаллоев. Металлические магнитные сплавы с аморфной структурой обладают комплексом уникальных свойств с высокими магнитными, прочностными, коррозионно-стойкими свойствами, большим удельным сопротивлением. Изделия из аморфных магнитных материалов, относящихся к магнитомягким материалам, обладают высокими начальной и максимальной проницаемостью m (5000¼370 000), индукцией насыщения Bs (0,78...1,5 Т), малой коэрцитивной силой Hc (0,15¼10 A/м), высоким удельным сопротивлением (0,013¼0,016 Ом×м).

Аморфные магнитные сплавы технологичны при изготовлении и обработке, они не требуют дополнительного проката и поверхностной обработки. Очень важным обстоятельством, стимулирующим внедрение амор­ф­ных сплавов, является необязательность отжига при изготовлении из них магнитопроводов. Для получения оптимальных магнитных свойств применяют термомагнитную обработку (ТМО), которая проще термообработки пермаллоя и осуществляется в ряде случаев на воздухе.