Электроматериаловедение - Магнитно-мягкие материалы

МАГНИТНО-МЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

§ (28) Технически чистое железо и электротехническая сталь

Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа и никеля с различным содержанием никеля, получившие название пермаллоев, и альсиферы — сплавы железа, кремния и алюминия. Все эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, весьма малой коэрцитивной силой, большой магнитной индукцией и малыми потерями на гистерезис.
Технически чистое железо называется армко-железо. Оно содержит небольшое количество примесей: углерода 0,025%, кремния 0,02%, марганца 0,035%, серы 0,01%; кислород почти полностью отсутствует. Удаление кислорода, вредно влияющего на магнитные свойства железа, достигается введением кремния и марганца, которые с растворенным в железе кислородом образуют окислы, переводимые в шлак. В результате этого железо восстанавливается, а окислы удаляются со шлаком.
Другим видом технически чистого железа является электролитическое железо. Его получают методом электролитического осаждения из раствора сернокислого или хлористого железа, затем промывают и размалывают в шаровых мельницах. Существенным недостатком такого изготовления железа является наличие в нем водорода. Для удаления водорода железо переплавляют или отжигают в вакууме.
Значительное применение получило технически чистое железо высокой химической чистоты, называемое карбонильным железом. Оно представляет собой порошок, который выделяется из соединения Fe(CO)5 (пентакарбонил железа) при температурах 200— 250° С и давлении 150 ат. При таком нагреве карбонил железа (жидкость) распадается на железо и окись углерода по формуле
Fe (CO)s — Fe + 5СО
Железо осаждается в виде мелкого порошка. Оно совершенно не содержит таких примесей, как кремний, фосфор и сера; кислород и углерод содержатся в очень небольших количествах (табл. 19). Для удаления из него углерода производят отжиг металла (порошка) в среде водорода.
Карбонильное железо используется главным образом для изготовления магнитных сердечников, работающих на высоких частотах. Для этого порошок карбонильного железа предварительно смешивается с порошком какого-либо органического диэлектрика (полистирол, бакелит и др.). Из этой смеси получают горячим прессованием сердечники различной формы. Наличие в сердечниках изоляционных прослоек между зернами железа приводит к уменьшению потерь на вихревые токи, которые особенно велики на высоких частотах. Но присутствие в сердечнике органических

диэлектриков одновременно понижает другие магнитные характеристики.
В табл. 19 приведены основные магнитные характеристики технически чистых сортов железа.
Таблица 19
Основные магнитные характеристики технически чистого железа

На рис. 40 приведена кривая намагничивания для электролитического железа, переплавленного в вакууме.

Наибольшее применение в электротехнике получила листовая  электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8—4,8%.
Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными . Кремний вводится в железо в виде ферросилиция * и находится в нем в растворенном состоянии. Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью — кислородом, восстанавливая железо из его окислов FeO и образуя кремнезем SiO2, который переходит частично в шлак.

*Ферросилиций — сплав силицида железа FeSi с железом.

Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fe3C (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FeO), которые вызывают увеличение  потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4% и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи. Несмотря на то что индукция насыщения Bs железа с увеличением кремния в нем значительно повышается и достигает при 6,4% кремния большой величины (fls = 2800 гс), все же кремния вводят не более 4,8%. Увеличение содержания кремния более 4,8% приводит к тому, что стали приобретают повышенную хрупкость, т. е. механические свойства их ухудшаются.
Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холодно- и горячекатаную электротехническую сталь.
Железо имеет кубическую кристаллическую структуру. По исследованию намагничивания оказалось, что оно может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньшим — по диагонали грани и самым малым —по диагонали куба. Поэтому желательно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба.
Эго достигается повторными прокатками листов стали, с сильным обжатием (до 70%) и последующим отжигом в атмосфере водорода. Это способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, чтобы ребра кристаллов совпадали с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными. У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали. Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов.
Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали. Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурованной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции 6=1,0 тл в направлении прокатки магнитная проницаемость fxM = 50000, а в направлении перпендикулярно прокатке рм = 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°.
На рис. 41 приведены кривые намагничивания электротехнических сталей ЭЗЗОА и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля: 0—2,4; 0—24 и 0—240 а/см. Из рассмотрения рис. 40 видны преимущества текстурованной стали (ЭЗЗОА).

Рис. 41. Кривые намагничивания электротехнических сталей: а — сталь ЭЗЗОА (текстуропанная), б — сталь Э41 (нетекстурованная)

Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками — высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам она широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов.
Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.
Выпускается сталь следующих марок шести групп: 1) ЭИ, Э12, Э13; 2) Э21, Э22; 3) Э31, Э32; 4) Э41, Э42, Э43А, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48; 5) Э310, Э320, ЭЗЗОА, Э340, Э370, Э380; 6) Э1100, Э1200, Э1300, 33100, Э3200.
Буква Э означает «электротехническая сталь»; первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в % для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8; для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8; для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8; для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8.
Средняя величина удельного электрического сопротивления электротехнической стали q тоже зависит от количества кремния. Оно тем выше, чем больше содержание кремния в стали. Стали марок 31 имеют сопротивление q = 0,25 ом-мм2/лц марок Э2 — q = 0,40 ом-мм2/м; марок 33 — q = 0,5 ом-мм2/м и марок 34 — q = 0,6 ом-мм2/м.
Вторые цифры после буквы 3 характеризуют удельные потери при перемагничивании (вт/кг). Эти потери тем меньше, чем больше эта цифра, т. е. больше степень легирования стали кремнием. Нули означают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная малотекстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.
Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 720 до 2000 мм и толщиной 0,1; 0,2;
0,35; 0,5 и 1,0 мм. Наибольшее применение имеют текстурованные стали, поскольку они обладают наибольшими значениями магнитных характеристик.

§ 29. Магнитно-мягкие сплавы

Хорошими магнитными свойствами обладает тройной сплав на основе железа, содержащий алюминия 5,4%, кремния 9,6%, железа 85 %. Такой сплав называется альсифером *. Его магнитные свойства следующие: мH = 35000; мM=115 000; Нс = 0,018 а/см2, Вс = 0,335 тл; q = 0,81 ом- мм2/м.
Существенным недостатком таких сплавов является то, что они хрупки, тверды и не могут коваться. Поэтому детали из них изготовляют лишь литьем, а обрабатывать детали из альсифера можно лишь шлифованием.

*Слово «альсифер» образовалось из соединения трех первых слогов наименований, входящих в сплав веществ — алюминия, силиция, феррума.

В технических сплавах химический состав несколько отличается от приведенного выше, в результате чего и магнитные свойства альсифера могут быть несколько ниже приведенных.
Широкое применение в электротехнике нашли различные сплавы железа и никеля, которые называют пермаллоями. Они обладают высокими магнитно-мягкими свойствами, а именно: большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и большой магнитной индукцией. Эти свойства присущи сплавам лишь с содержанием никеля от 40 до 80%. При содержании никеля 78,5%, сплав имеет наибольшие значения и и очень низкую коэрцитивную силу Нс. Однако достаточно небольших отклонений от этого содержания никеля (в обе стороны), как величина цн и, особенно, цм резко уменьшаются.
Величина удельного электрического сопротивления сплавов также изменяется в зависимости от содержания никеля. В сплавах с содержанием до 30% никеля эта величина возрастает, затем на всем диапазоне изменения содержания падает до величины сопротивления никеля. Температура Кюри 0К пермаллоев также сильно зависит от содержания никеля.
Таким образом можно считать, что железо-никелевые сплавы по своим магнитным свойствам весьма чувствительны к составу сплава. Особенно же чувствительны они к тепловой и механической обработке. Свойства сплавов с содержанием никеля 40—80% зависят от режима тепловой обработки после их отливки. Наиболее эффективна двойная термообработка, заключающаяся в выдержке сплава при температуре 900—950° С в течение часа, последующем охлаждении со скоростью 100° С в час, повторном нагреве до 600° С и охлаждении его на медной плите со скоростью примерно 150° С в минуту. Эта термообработка получила название пермаллойной обработки. Однако следует отметить, что для таких сплавов с различным содержанием никеля технология термообработки может отличаться от описанной. Исследованиями было показано, что  наиболее сильно улучшаются магнитные свойства пермаллоев, если термообработку вести в слабом магнитном поле. Так, в сплаве с 65% никеля термообработка в магнитном поле Н=8 а/см увеличивает (лм с 20 000 до 200 000. Замечено, что наиболее эффективное действие магнитного поля проявляется при охлаждении сплава, начиная с точки Кюри, в данном случае ©к=550-400°С. Часто эту термообработку производят в водородной среде при быстром охлаждении пермаллоя.
Однако свойства, приобретаемые сплавом при быстром охлаждении, можно ухудшить, если нагреть его снова до высокой температуры, а затем температуру в печи медленно снижать до комнатной.
В табл. 20 приведены магнитные характеристики нелегированных пермаллоев с различным содержанием никеля.
Таблица 20 Магнитные характеристики нелегированных пермаллоев

Из железо-никелевых сплавов изготовляют ленты следующих шести видов в зависимости от их толщины: 0,05—0,08; 0,10—0,15; 0,18—0,25; 0,28—0,40; 0,50—1,00 и 1,10—1,40 мм.
В табл. 21 приведены характеристики легированных пермаллоев.
Таблица 21 Магнитные характеристики легированных пермаллоев

Каждый пермаллой применяется в соответствии с его свойствами в различных электромагнитных устройствах. Главные области применения пермаллоев следующие: измерительные приборы, сердечники трансформаторов тока, магнитные экраны, реле, магнитные усилители, катушки индуктивности в автоматике и т. п.
При использовании пермаллоев не следует забывать, что они чувствительны к механическим воздействиям и обработке — штамповке, ударам, внешним механическим напряжениям. Все эти механические воздействия резко повышают коэрцитивную силу и уменьшают магнитную проницаемость, а петля гистерезиса расширяется и искажается. Поэтому необходимо по возможности предохранять пермаллой от таких воздействий или по окончании штамповки и других механических операций подвергать материал дополнительной тепловой обработке; отжигу при высокой температуре и охлаждению с определенной скоростью.

§ 30. Ферриты

За последние годы разработаны и получили широкое применение в электротехнике новые магнитные материалы, получившие название ферритов. Эти материалы неметаллические, их изготовляют из смеси окиси железа с окислами других металлов — цинка (ZnO), марганца (МпО), никеля (NiO) и др.
Если обозначить любую окись двухвалентного металла, входящую в состав ферритов, в общем виде МеО, где Me означает двухвалентный металл, то простейшая химическая формула феррита
МеО + Fe203 —> MeFeaО4
Характерной особенностью ферритов является то, что при наличии хороших магнитных свойств они обладают весьма большим по сравнению с магнитными металлами и сплавами удельным электрическим сопротивлением. Ферриты относятся к группе полупроводников и обладают удельным сопротивлением р=104-1109 ом-см, тогда как ферромагнитные металлические материалы имеют р= 10_5-М0-4 ом-см. Сопротивления ферритов больше сопротивления металлических ферромагнетиков в 108-М014 раз, поэтому у ферритов потери на вихревые токи в переменных магнитных полях очень малы. Это составляет одно из важнейших преимуществ ферритов.
Ферриты, как и металлические ферромагнетики, делятся на магнитно-мягкие и магнитно-твердые. Магнитно-мягкие ферриты обладают примерно следующими характеристиками: коэрцитивной силой Нс до 2,4 а/см\ индукцией насыщения Bs от 0,042 до 0,5 тл\ остаточной индукцией В,- от 0,02 до 0,3 тл начальная магнитная проницаемость от 30 до 3000.
Ферриты называются по входящему в их состав двухвалентному металлу. Так, если в феррит входит окись марганца (МпО), то он называется ферритом марганца (MnFe204), если же в феррит входит окись никеля (NiO) —ферритом никеля (NiFe204) и т. п. Давно известен естественный феррит, называемый магнетитом. Он представляет собой феррит железа * и обозначается химической формулой FeFe - Ферриты, состоящие из окиси лишь одного металла и окиси железа, называются простыми ферритами. Для практического использования применяются смеси простых ферритов. В этом случае получают твердые растворы двух или нескольких ферритов, например твердый раствор двух простых ферритов: NiFe2C>4 и ZnFe2C>4, т. е. никелевого и цинкового ферритов. В результате этого создается смешанный никель-цинковый феррит. Его химическая формула
NiwZn(1_x)Fe2О4
В приведенной формуле (х) обозначает молярную долю содержания в этом материале окиси никеля, а (1—х)—молярную долю окиси цинка, причем сумма их должна быть равна единице.
Изготовляются ферриты по керамической технологии, т. е. в результате обжига порошков при температуре до 1350° С.

*В формуле феррита железа на первом месте стоит двухвалентный ион железа, так же как в формуле феррита никеля стоит двухвалентный нон никеля.

Процесс изготовления ферритов состоит из следующих главных операций. Исходные материалы — окиси двухвалентных металлов

Рис. 42. Кривые намагничивания никель-цннковых ферритов:
1 — 35НН, 2 — 200НН, 3 — 10000НН
и окись железа, взятые в определенных количествах, смешивают и размалывают в шаровых мельницах. После сушки смесь окислов прессуют в брикеты и подвергают первому обжигу.
Спекшийся материал снова размалывают и формуют в изделия (сердечники и др.) с добавлением органического связующего (парафин и др.), а затем обжигают в печах при высокой температуре. Чтобы готовые изделия не спекались друг с другом, их припудривают окисью алюминия. В печах изделия постепенно нагревают до конечной температуры обжига, а затем охлаждают. Обжег производится по режиму, устанавливаемому для каждого вида изделия и его состава.
Отечественной промышленностью изготовляются ферриты: никель-цинковые, литий-цинковые, марганец-цинковые, магний-марганцевые и др.
Никель-цинковые ферриты различаются по маркам: 35НН; 100НН; 200НН; 400НН; 600НН; 1000НН и 2000НН. В этих .обозначениях цифры 35, 100, 200 и т. д. означают величины начальной магнитной проницаемости цп. На рис. 42 показаны кривые магнитной индукции в зависимости от величины напряженности Н внешнего магнитного поля для ферритов отдельных марок. Следует заметить, что ферриты обладают неизменяемостью магнитной проницаемости в широком диапазоне частот. Никель-цинковые ферриты применяются до частот в несколько десятков мегагерц (Мгц).
Марганец-цинковыс ферриты (марки 1000НМ; 1500НМ; 200НА1 и др.) применяют примерно в том же диапазоне частот, что и никель-цинковые ферриты, но магнитные характеристики марганец-цинковых ферритов более устойчивы к температурным изменениям. Кроме того, сердечники и другие изделия из марганец-цинковых ферритов обладают малыми потерями энергии, но меньшими значениями удельного электрического сопротивления (р=10ч- 50 ом-см) .
Литий-цинковые ферриты обладают меньшими значениями магнитных характеристик. Они применяются в устройствах примерно того же диапазона частот, что и никель-цинковые ферриты, но в более слабых магнитных полях.
В табл. 22 приведены основные магнитные характеристики описанных выше ферритов.
Таблица 22
Магнитные характеристики некоторых ферритов

Рис. 43. Прямоугольная петля гистерезиса ферритов (ППГ)
Еще находят применение магний-марганцевые ферриты, которые составляют две группы материалов. Одна из них обладает высоким электрическим сопротивлением  и малыми потерями. Вторая группа этих ферритов характеризуется прямоугольностью петли гистерезиса (ППГ), что позволяет применять их в счетно-решающих машинах для запоминающих устройств, в магнитных усилителях и т. п. На рис. 43 приведена петля гистерезиса таких ферритов.
Наиболее широко используют никель-цинковые ферриты. Из них изготовляют различные кольца, стержни, цилиндрические и трубчатые детали для телевизоров (сердечники для строчных трансформаторов, регуляторы размера строк), детали для звукозаписывающей аппаратуры и Ш-образные сердечники для трансформаторов. Из марганец-цинковых ферритов изготовляют кольца, сердечники трансформаторов и другие детали с повышенными значениями электрического сопротивления и малыми потерями.