Поиск по сайту
Начало >> Книги >> Архивы >> Электроматериаловедение

Магнитно-твердые материалы - Электроматериаловедение

Оглавление
Электроматериаловедение
Строение металлических проводниковых материков
Свойства металлов
Факторы, влияющие на свойства проводников
Проводниковая медь и сплавы
Проводниковый алюминий
Проводниковые железо
Свинец
Благородные металлы
Тугоплавкие металлы в электротехнике
Проводниковые материалы с большим удельным сопротивлением
Обмоточные провода
Монтажные провода
Установочные провода
Кабели
Магнитные материалы
Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-твердые материалы
Диэлектрики
Способы измерения электрических характеристик диэлектриков
Характеристики электроизоляционных материалов
Газообразные диэлектрики
Жидкие диэлектрики
Очистка, сушка и регенерация электроизоляционных масел
Синтетические жидкие диэлектрики
Твердые органические диэлектрики
Поликонденсационные органические диэлектрики
Природные электроизоляционные смолы
Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики
Пленочные электроизоляционные материалы
Электроизоляционные лаки
Электроизоляционные эмали
Воскообразные диэлектрики
Термопластичные компаунды
Термореактивные компаунды
Электроизоляционные бумаги, картоны, фибра, волокнистые материалы
Текстильные электроизоляционные материалы
Электроизоляционные лакоткани
Электроизоляционные пластмассы
Свойства и области применения пластмасс
Слоистые электроизоляционные пластмассы
Древеснослоистые пластмассы и намотанные изделия
Электроизоляционные резины
Электроизоляционная слюда
Миканиты
Микафолий и микалента
Слюдинитовые и слюдопластовые электроизоляционные материалы
Керамика
Фарфоровые изоляторы
Стекло и стеклянные изоляторы
Характеристики изоляторов
Конденсаторные керамические материалы
Сегнетокерамика
Минеральные диэлектрики
Полупроводниковые материалы
Полупроводниковые материалы и изделия
Основные полупроводниковые изделия
Электроугольные изделия
Припои и клеи

ГЛАВА VII.
МАГНИТНО-ТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ
§ 31. Основные свойства магнитно-твердых материалов
Магнитно-твердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов, применяемых в различных электротехнических устройствах, где требуется наличие постоянного магнитного поля. У таких материалов и различных деталей, изготовленных из них, состояние намагниченности сохраняется весьма длительное время. Как известно, основными магнитными характеристиками этих материалов являются большая коэрцитивная сила Нс, большая остаточная магнитная индукция Вг и, следовательно, большая
магнитная энергия| дж/сма. Все эти величины можно определить из кривой гистерезиса, вернее из ее части, расположенной в области размагничивания (рис. 44).
Точка пересечения кривой с осью В дает остаточную индукцию Вт, а с осью Я — коэрцитивную силу Нс. Магнитная же энергия
определяется произведениемдля каждой точки этой части
гистерезисной кривой. Если отложить эти величины магнитной
энергиив правом квадранте рис. 43, то получим кривую их
значений. Наибольшая величина произведениянаходится в точке А этой кривой. Вот этой величиной (совместно с Яс и Вг) и характеризуются магнитно-твердые материалы.

Рис. 44. Кривые размагничивания и магнитной энергии магнитно-твердого материала
"Магнитный поток постоянного магнита с течением времени более или менее уменьшается. Это явление называется старением магнита. Оно может быть обратимым и необратимым. Первое наступает в результате механических вибраций, ударов, изменения температур и действия внешнего постоянного поля. Повторное намагничивание постаревшего таким образом магнита возвращает ему прежние свойства. Необратимое же старение связано со структурными изменениями, происходящими со временем в материале.
Магнитные стали, употребляемые для постоянных магнитов, закаляются на мартенсит, т. е. в результате этой закалки они приобретают мелкозернистую игольчатую структуру, в которой зерна
металла имеют вид тонких иголок или штрихов. Эта структура неустойчива и с течением времени распадается, что приводит к уменьшению коэрцитивной силы и остаточной индукции. Такое естественное старение совершается очень медленно. Для получения стабильных свойств постоянные магниты подвергают искусственному старению — нагревают до 100° С и охлаждают до 0° С в воде.
Современные магнитно-твердые материалы можно разбить на две группы. Одну группу составляют легированные стали, закаливаемые на мартенсит, вторая же группа состоит из сплавов на основе a-железа, которые называются а-сплавами.

Рис. 45. Влияние закалки на петлю гистерезиса стали:
1— отожженная сталь, 2 —закаленная сталь
Мартенситовая структура в сталях получается путем их быстрого охлаждения до комнатной температуры (закалка), начиная с температур, при которых они являются раствором углерода в железе, называемом аустенитом. При такой закалке железо превращается в магнитное а-железо. Поэтому быстрое охлаждение приводит к тому, что часть раствора углерода в железе остается и создает с частицами а-железа мартенситовую структуру. Эта структура обеспечивает магнитную твердость материалу, но при повышении температуры может быть уничтожена, и сталь приобретает свойства магнитно-мягкого материала. На рис. 45 показано влияние закалки на петлю гистерезиса.
В сплавах железа с кобальтом, никелем, кремнием и другими веществами необходимые свойства магнитно-твердых материалов достигаются при помощи тепловой обработки. Указанные вещества растворяются в a-железе тем больше, чем выше температура. Сплав a-железа с каким-либо растворяющимся в нем веществом при медленном охлаждении создает насыщенный раствор.
Растворенное вещество из раствора может выпадать в чистом виде или в виде химического соединения с железом. Если же провести охлаждение сплава до комнатной температуры настолько быстро, что растворенное вещество выпасть не успеет, то получится пересыщенный твердый раствор. Однако с течением времени избыточное растворенное вещество из этого раствора будет выпадать в виде малых частиц — кристалликов. Это приведет к изменению магнитных свойств сплава. Самопроизвольно этот процесс может длиться очень долго. Его можно ускорить отпуском, т. е. нагревом сплава до температуры, при которой начинается выпадение растворенного вещества, но невозможен обратный переход сплава в однородный раствор. Этот процесс получил название дисперсионного твердения. Он состоит из двух стадий тепловой обработки: закалки и отпуска. На рис. 46 показаны верхние части петель гистерезиса для одного и того же сплава железо — вольфрам— кобальт (Fe — W — Со) после закалки (кривая 1) и последующего отпуска (кривая 2).

§(32} Магнитные стали

Основными магнитными сталями, закаливаемыми на мартенсит, являются вольфрамовая, хромистая и кобальтовая.

Рис. 46. Гистерезисные петли сплава железо — вольфрам — кобальт после отпуска и закалки:
1 — отпущенный сплав, 2 — закаленный сплав
Вольфрамовая сталь содержит 0,60—0,78углерода и 5,5—  6,5% вольфрама, а иногда и 0,3—0,5% хрома. Углерод образует с вольфрамом карбид вольфрама (WC), который и повышает коэрцитивную силу стали, При высоких температурах (в случае отжига, нагрева при прокатке и т. п.) карбид вольфрама выпадает и магнитные свойства стали снижаются. Наличие хрома уменьшает порчу стали, поэтому хром в вольфрамовой стали считается полезной примесью, но содержание его более 0,5% ухудшает ее технологические свойства. Отечественная вольфрамовая сталь Е7В6 обладает примерно следующими характеристиками: Нс=44-ь 48 а/см, Вг=1,0 тл.
Хромистые стали появились как более дешевые заменители вольфрамовой. Магнитные свойства хромистых сталей обусловливаются наличием карбида хрома. При температурах около 650— 850° С хромистые стали, как и вольфрамовые, ухудшают свои магнитные свойства. Отечественной промышленностью выпускаются хромистые стали двух марок ЕХ-2 и ЕХ-3, отличающиеся различным содержанием хрома (в первой— 1,3—1,6%, во второй — 2,8— 3,6%). Магнитные характеристики стали ЕХ следующие: Нс = 44-f- 48 а/см, Вт=0,904-0,95 тл.
Таблица 23 Состав и магнитные характеристики кобальтовых сталей

Кобальтовые стали обладают значительно более высокими магнитными свойствами, чем вольфрамовые и хромистые Наличие кобальта в закаленных сталях приводит к увеличению коэрцитивной силы и возрастанию магнитной энергии. Этому же способствует введение в эти стали хрома и вольфрама, которые, являясь легирующими веществами, одновременно увеличивают Нс.
Кобальтовые стали подразделяются на три группы по количеству введенного в них кобальта Со (начиная с 3 до 42%). В табл. 23 приведены их магнитные характеристики и состав этих сталей.
Как видно из приведенной таблицы, кобальтовые стали, особенно с большим содержанием Со, имеют высокие магнитные характеристики Нс и Вг. Недостатком их является хрупкость. Хрупкость ослабляется введением в них 0,5—0,8% ванадия (V)
Старению кобальтовые стали подвержены в меньшей степени по сравнению с хромистыми и вольфрамовыми сталями.
Отечественной промышленностью выпускаются кобальтовые стали ЕХ5КУ и ЕХ9К15М (цифры показывают содержание хрома и кобальта).

§ 33. Магнитно-твердые сплавы

Магнитно-твердые сплавы, из которых изготовляют постоянные магниты, носят название альни, альниси, альнико и магнико.
Альни — тройной сплав, состоящий из алюминия, никеля и железа. Установлено, что в таких тройных сплавах при содержании никеля от 20 до 32% введение алюминия увеличивает коэрцитивную силу и магнитную энергию, но снижает остаточную индукцию. Это обусловлено тем, что при скорости охлаждения 20° С в минуту в процессе отпуска после закалки твердый раствор распадается с выделением очень малых частиц, обладающих большой коэрцитивной силой Нс. Содержание алюминия в сплаве альни, при котором получаются высокие величины Нс и магнитной энергии, колеблется в зависимости от содержания никеля в пределах 12—15%. Из примесей, попадающих в такие сплавы, особенно вреден углерод, который уже в количестве 0,1% снижает величину магнитной энергии на 15—28%. Медь и кобальт — полезные легирующие вещества, однако их действие проявляется различно, в зависимости от содержания никеля. Медь при содержании 23,5% увеличивает максимальную энергию на 68%. Сплав альни с содержанием 25% Ni, 14% Al, 4% Cu, остальное — железо имеет следующие магнитные характеристики: #с = 400 а/см, Вг = 0,55 тл.
Разновидностью сплава альни является сплав, содержащий кремний и называемый альниси. Положительная роль кремния в этом сплаве проявляется лишь при большом содержании никеля, именно не менее 30%. При этих условиях кремний, введенный в количестве 1%, значительно увеличивает коэрцитивную силу и магнитную энергию, но несколько уменьшает остаточную индукцию Вг. Однако при меньшем содержании никеля такое количество кремния ухудшает свойства сплава. Введение кремния позволило сильно снизить критическую скорость * охлаждения, что имеет весьма важное практическое значение при производстве крупных магнитов весом более 300 г, для которых невозможно обеспечить высокую скорость охлаждения.

*Определенная скорость охлаждения, равная 15—20° С в минуту.

Примерный состав альниси: 33% Ni, 13—14% AI, 1% Si, остальное Fe. Его магнитные характеристики: Нс = 517,5 а/см, Бг= = 0,40 тл.
Существенным недостатком сплавов альни И' альниси является их небольшая остаточная индукция. Значительное повышение величин ВГ и Нс достигается присадкой кобальта, если его вводить в сплавы альни обычного состава. Однако наибольший эффект достигается тогда, когда кобальт вводится не только за счет железа, но и взамен некоторого количества никеля и алюминия. Такие сплавы получили наименование альнико. Наилучшим составом для альнико считается сплав, имеющий 17—18% Ni, 10% Al, 12% Со и 6% Cu. Этот сплав обладает следующими магнитными характеристиками: И с = 400 а/см) В,— 0,74 тл. Термическая обработка такого сплава состоит из закалки при температуре 1300° С и последующего отпуска в течение 2—4 ч при 750° С. Высокие магнитные свойства сплава альнико достигаются не только за счет его состава, но и в результате термической обработки.
Весьма важной разновидностью сплава альнико является сплав магнико, который отличается от альнико несколько иным составом, а главным образом иной термической обработкой, которая производится в магнитном поле. При этой обработке сплав нагревается до 1200—1300° С, затем охлаждается в магнитном поле напряженностью 800 а/см и выше при скорости охлаждения 10° С в секунду. Область температур охлаждения в магнитном поле выбрана в интервале от 1000 до 700° С, так как замечено, что магнитное поле наиболее эффективно в области точки Кюри и ниже ее на 150° С. Точка Кюри магнико равна 870—900° С. Термообработка в магнитном поле обусловливает снижение содержания в сплаве никеля и алюминия и увеличение содержания кобальта, в результате чего оказалось возможным снизить критическую скорость охлаждения и повысить точку Кюри. Примерный состав магнико: 11 — 15% Ni, 8—10% Al, 20—25% Со, остальное Fe. Магнитные характеристики для этих материалов следующие: Яс = 480—560 а/см\ 5,—1,20— 1,35 тл.                                                                  
Большим недостатком всех описанных сплавов является то, что они не поддаются механической обработке обычными методами вследствие большой хрупкости и твердости. Эти сплавы могут обрабатываться лишь шлифовкой карборундовыми кругами.
Уменьшение магнитного потока у таких сплавов с течением времени при использовании их в качестве постоянных магнитов незначительно. Так, у сплавов альни, альнико, альниси и магнико магнитный поток уменьшается в первые полтора года работы примерно на 1,5—2,0%, а в последующие годы на 0,5—1,0% в год, т. е. магнитный поток в основном уменьшается в первое время.
При искусственном старении с помощью механических ударов и сотрясений магнитный поток сплавов уменьшается на 3,5%, а при воздействии температурных циклов по режиму 100—0— 100° С — на 1%, но свойства их после старения стабилизируются.

§ 34. Магнитно-твердые ферриты

Постоянные магниты изготовляют также из магнитно-твердых ферритов. В настоящее время выпускают магнитно-твердые материалы на основе феррита бария. Исходными материалами для этого феррита является азотнокислый барий Ba0(N03)2 и окись железа Fe203.
Эти окислы тщательно смешивают в количестве, соответствующем химической формуле Ba0-6F03, затем брикетируют и спекают при температуре примерно 1150° С. Спеченные брикеты вновь размалывают в порошок, прессуют из него постоянные магниты, которые подвергают окончательному обжигу.

Такой материал получил название ферроксдюра. По своей структуре он поли кристаллический, т. е. состоит из разных кристаллических частичек. От размеров этих частиц сильно зависят магнитные свойства ферромагнетика, особенно коэрцитивная сила. Чем меньше размеры частиц, тем больше коэрцитивная сила феррита. Кристаллические частицы в ферроксдюре ориентированы произвольно, что определяет одинаковость свойств в любом направлении. Такие материалы называются изотропными. Отечественной промышленностью выпускаются различные изделия из бариевого изотропного ферроксдюра марки БИ (магниты бариевые изотропные).
Если в процессе прессования магнита прессуемую массу подвергнуть воздействию магнитного поля высокой напряженности (около 800 а/см), то все кристаллики в момент прессования будут ориентированы в одном направлении. Это обусловит лучшие магнитные свойства материала в направлении действия магнитного поля. Такие ферроксдюры называются анизотропными, а изделия из них обозначаются маркой БА (магниты бариевые анизотропные).
Оба эти материала обладают достаточно высокой плотностью, большой твердостью и хрупкостью, в результате чего могут обрабатываться лишь шлифованием. Их магнитные характеристики приведены в табл.24.
Бариевые магниты отличаются от металлических низкой стоимостью, так как в своем составе не содержат дорогих дефицитных материалов вольфрама, кобальта и др. Высокое электрическое сопротивление позволяет использовать их в установках высокой частоты. Бариевые магниты нашли широкое применение в различных областях техники. Из них изготовляют фокусирующие магниты, роторы и статоры маломощных электродвигателей и т. п. Для лучшего использования бариевых магнитов им следует придавать такую форму, чтобы длина была малой, а сечение большим.
Таблица 24
Магнитные характеристики бариевых магнитов

Поэтому  бариевые магниты изготовляют в виде шайб, пластин, колец небольшой высоты.



 
« Электромагнитные выключатели ВЭМ-6 и ВЭМ-10   Электромонтажные изделия »
Карта сайта + все метки | Контакты
© Электроэнергетика При перепечатке и цитировании активная гиперссылка на сайт обязательна.