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 |
r×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.
|