.

Магнитные материалы

Магнитные материалы 
Основные сведения. Магнитные свойства веществ зависят от внутренней скрытой формы движения электрических зарядов, пред­ставляющих собой элементарные круговые токи, обладающие маг­нитными моментами. Такими токами являются электронные спины и орбитальное вращение электронов в атомах.
Магнитные свойства материалов характеризуются магнитной проницаемостью. Для магнетиков она зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Обычно магнитную проницаемость ве­ществ сравнивают с магнитной проницаемостью вакуума. Относи­тельная магнитная проницаемость представляет собой отношение ин­дукции к соответствующей напряженности магнитного поля и маг­нитной постоянной вакуума (ц0=4л-10-7 Гн/м) : ц=В/(Яц0), где В — индукция, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м. Если производить намагничивание образца ферромагнетика во внешнем магнитном поле, а затем уменьшать напряженность поля, то индукция будет уменьшаться медленнее из-за гистерезиса (отста­вания). При создании поля противоположного направления образец может быть размагничен или перемагничен. При повторном измене­нии направления поля индукция может вернуться к исходному зна-» чению. В результате будет описана кривая, представляющая собой петлю гистерезисного цикла перемагничивания  Значение В при Я=0 в процессе размагничивания образца, намагниченного до насыщения Bs, называют остаточной индукцией Вт . Для того чтобы уменьшить индукцию от значения Вг до нуля, необходимо приложить обратно направлен­ную напряженность поля Нс (равную отрезкам ON1 или OJV), назы­ваемую коэрцитивной (задерживающей) силой.
Материалы с малой коэрцитивной силой и большой магнитной проницаемостью называют магнитно-мягкими. Они обычно обладают узкой петлей гистерезиса (рис. 2, а). Материалы с боль­шой коэрцитивной силой и малой магнитной проницаемостью отно­сят к магнитно-твердым. Они обладают широкой петлей гис­терезиса
При перемагничивании ферромагнетиков в переменных магнит­ных полях возникают потери энергии, приводящие к их нагреву, что обусловлено потерями на гистерезис и динамическими. Потери энер­гии на гистерезис могут быть определены по площади его статичес­кой петли. Динамические потери вызываются вихревыми токами, ин­дуктированными в массе магнитного материала, и магнитным после­действием или магнитной вязкостью. Чем больше удельное электрическое сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи.
Особую группу составляют ферримагнетики — сложные оксид­ные материалы специализированного назначения, называемые фер­ритами, которые отличаются от ферромагнетиков меньшей индук­цией насыщения, почти прямоугольной петлей гистерезиса более сложной температурной зависимостью индукции и более вы­соким удельным сопротивлением.
Магнитные материалы классифицируют по назначению.
Магнит­но-мягкие материалы разделяют на низко- и высокочастотные с по­вышенным удельным сопротивлением,
а магнитно-твердые — на ма­териалы для постоянных магнитов и записи звука.
Кроме того, при­меняют материалы специализированного назначения.
Магнитно-мягкие низкочастотные материалы. Их применяют для изготовления магнитопроводов трансформаторов, электромагнитов, электрических машин, измерительных приборов, в которых при ми­нимальных затратах энергии необходимо получить наибольшую ин­дукцию. В группу магнитно-мягких низкочастотных материалов вхо­дит особо чистое электролитическое железо, получаемое путем электролиза, и карбонильное железо, изготовляемое термическим разложением пснтакарбонила [Fe(CO)5->Fe+5CO]. Эти материалы содержат весьма малое (менее 0,05%) количество при­месей.
Технически чистое железо (армко-желеэо) обычно содержит небольшое (до 0,1 %) количество примесей углерода, се­ры, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его маг­нитные свойства. Оно обладает относительно малым удельным со­противлением и используется для изготовления магнитопроводов по­стоянного магнитного потока.
Разновидностью технически чистого железа является низко­углеродистая электротехническая листовая сталь, выпускаемая толщиной листа от 0,2 до 4 мм и содержащая до 0,04 % углерода и 0,6 % других примесей. Магнитные свойства и содержание примесей железа и низкоуглеродистой стали приведены в табл. 10.
 
Материал
 
 
Коэрцитивная
сила. А/м
Максимальная магнит­ная проницаемость
Содержание
примесей, %
углерод
кислород
Электролитическое желе­зо
28
15000
0,02
0,01
Карбонильное железо
Технически чистое железо
6,4
64
21000
7000
0,005
0,02
0,005
0,06
Низкоуглеродистая электротехническая сталь
64
4500
0,04
 —
Таблица 11
Степень легиро­вания стали кремнием
Вторая цифра марки
Удельное сопротивление, мкОм м
Плотность, Мг/м
Степень легиро­вания стали кремнием
Вторая цифра марки
Удельное сопротивление, мкОм-м
Плотность, Мг/м
Нелегированная
0
0,14
7,85
Среднелегированная
 
3
 
0,4
 
7,75
 
Слаболегированная
1
0,17
7,82
Нижесреднелегированная
 
2
 
0,25
 
7,8
 
Повышеннолегированная
4
0,5
7,65
Высоколегиро­ванная
5
0,6
7.55
Кремнистая электротехническая тонколисто­вая сталь обладает повышенными удельным сопротивлением (за счет введения в нее кремния) и магнитной проницаемостью, мень­шими коэрцитивной силой и потерями на гистерезис. Сталь, содержа­щая свыше 5 % кремния, становится очень хрупкой. Плотность и удельное электрическое сопротивление электротехнической стали за­висят от степени ее легирования кремнием (табл. 11). Толщина выпускаемых листов стали составляет 0,1 — 1 мм. Путем специализиро» ванной прокатки и особой термообработки получают текстурованную сталь с лучшими магнитными свойствами, что позволяет при исполь­зовании ее в сетевых трансформаторах и радиотрансформаторах уменьшать на 20 — 40 % их массу и габаритные размеры. Зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля для стали 1521 толщиной 0,35 мм показана на рис. 3.
Электротехническую сталь маркируют четырьмя цифрами (на­пример, 2013). Первые три цифры означают тип (марку) стали, а четвертая — его порядковый номер. Первая цифра марки указывает класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 — горячеката­ная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная авизо-тройная); вторая цифра — степень легирования кремнием (0 — с со­держанием Si до 0,4%; 1 — от 0,4 до 0,8%; 2 — от 0,8 до 1,8%; 3 — от 1,8 до 2,8%; 4 — от 2,8 до 3,8%; 5 — от 3,8 до 4,8%), третья — группу, устанавливаемую по основной нормируемой харак­теристике (0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц P1,7/50, 1 — при 1,5 Тл и 50 Гц P1,5/50, 2 — при 1 Тл и 400 Гц P1/400, 6 — магнитная индукция в слабых магнитных по­лях при напряженности поля 0,4 А/м — В0,4, 7 — -магнитная индук­ция в средних магнитных полях при 10 А/м — Вю). Предельные зна­чения потерь и индукции для стали класса 3 приведены в табл. 12,Таблица 12

Марка
 
 
Толщина, мм
 
 
Удельные потери, Вт/кг
Магнитная индукция, Тл, при напряженности магнитного поля, А/м
Р1/50
Р1.5/50
Р1.7/50
100
250
2500
3411
0,50
1,10
2,45
3,20
 
 
1,75
 
0,35
0,80
1,75
2,50
 —
 —
1,75
3411
0,50
0,70
1,50
2,20
1,6
1,7
1,88
 
0,35
0,50
1,10
1,60
1,6
1,7
1,88
3415
0,35
0,46
1,03
1,5
1,61
1,71
1,93

Низко коэрцитивные сплавы включают пермаллой и альсиферы. Пермаллой — железоникелевый сплав, обладающий боль­шой магнитной проницаемостью и очень малой коэрцитивной силой. Высоконикелевые сплавы содержат 72 — 83 % Ni, а низконикелевые — 40 — 50 %. Для улучшения свойств пермаллоев (кроме никеля Н) в них вводят легирующие добавки: кобальт (буква К в условном обозначении), марганец (М), хром (X), кремний (С) и др.
Таблица 13
Группа
Марка
Магнитная прони­цаемость
Коэрцитивная сила, А/м
Индукция в ре­жиме насыщения, Тл
Удельное сопротивление, мкОм-м
начальная
максимальная
Нелегированные низкони­келевые
45Н, 50H
1700 — 3000
16000 — 35000
32 — 10
~1,5
0,45
Легированные низконике­левые
50 НХС
1500 — 3200
15000 — 30000
20 — 8
1,0
0,9
Легированные высоконикелевые
79 НМ, 80 НХС
16000 — 35000
50000 — 220000
5,2 — 1
0,65
0,55
Супермаллой (79%Ni, 5% Mo, 15 % Fe, 0,5 % Mn)
 
100000
До 1 500 000 (при В — = 0,3 Тл)
0,3
0,8
0,6
Альсифер
35400 — 117000
1,8
0,8
Альсиферы — тройные сплавы железа (85 %) с кремнием (9,5 %) и алюминием (5,5 %), отличаются твердостью и хрупкостью. Параметры пермаллоев и альсифера приведены в табл. 13. Пермаллои применяют для изготовления сердечников малогабаритных транс-форматоров, дросселей, реле, а альсиферы — высокочастотных прес­сованных сердечников.
Магнитно-мягкие высокочастотные материалы. Эти материалы по­частотному диапазону предназначаются для низких, высоких и сверх­высоких частот, а по физической природе и строению их делят на магнитодиэлектрики и ферриты,
Магнитодиэлектрики получают прессованием порошко­образного ферромагнетика (карбонильного железа, альсифера) с изолирующей связкой (полистирол, стекло и др.). Прессованные сер­дечники из магнитодиэлектрика применяют в индуктивных катушках генераторов, контуров радиоприемников и т. д. Введение сердечника в катушку увеличивает ее индуктивность L, повышает добротность Q = wL/r, где (о — угловая частота; г — активное сопротивление ка­тушки. Сердечники на основе карбонильного железа имеют высокую стабильность, малые потери, положительный температурный коэф­фициент магнитной проницаемости и могут работать в широком дьа-пазоне частот.
Ферриты являются двойными оксидами железа и других ме­таллов (цапример, ZnO-FeaOs, CdO-FezOa) и представляют собой твердые растворы нескольких простейших соединений. Иногда их на­зывают оксиферами. Они обладают высоким удельным сопротивле­кием (а следовательно, малыми потерями энергии в области высо­ких частот) и высокой магнитной проницаемостью, благодаря чему широко применяются .в радиоэлектронике. Ферриты тверды и хруп­ки, поэтому их обработку можно производить только шлифованием.
Различают магнитно-мягкие низко- и высокочастотные, сверх­высокочастотные, с прямоугольной петлей гистерезиса и магнитно-твердые ферриты.
Магнитно-мягкие ферриты применяют при изготовлении контур­ных катушек, магнитных экранов, сердечников импульсных транс­форматоров и т. д.
Они имеют относительно большую диэлектрическую проницае­мость. С ростом частоты проницаемость снижается, а тангенс угла потерь возрастает. Параметры некоторых ферритов приведены в табл. 14.
Таблица 14

Марка
 
 
Магнитная проницае­мость
Коэрцитивная сила, А/м
 
 
Остаточная индук­ция, Тл
 
 
Граничная частота, МГц
 
 
Удельное объемное сопротивление, Ом-м
 
 
Плотность, Мг/ма
 
 
начальная
макси­мальная
20000 НМ
15000
35000
0,24
0,11
0,1
0,001
6000 НМ
4800 — 8000
10000
8
0,11
0,5
0,1
5
1000 НМ
800 — 1200
1800
28
0,11
5
0,5
4,5
1000 НН
800 — 1200
3000
24
0,1
.3
10
4,9
600 НН
500 — 800
1500
40
0,12
5
100
4,8
2000 НМ1
1700-3500
3500
25
0,12
1,5
5
5
700 НМ1
550 — 850
1800
25
0,05
8
4
4,8
100 ВЧ
80 — 120
280
300
0,15
80
105
4,8
20 ВЧ2
16 — 24
45
1000
0,1
300
106
4,7
9 ВЧ
9 — 13
30
1500
0,06
600
107
4,4
Ферриты
6 — 85
12 — 300
30 — 800
0,1 —
 —
108
 
СВЧ
 
 
 
0,5*
 
 — 1011
 —

Индукция насыщения. В обозначении магнитно-мягких ферритов на первом месте стоят цифры (перед буквами), указывающие значение начальной магнит­ной проницаемости, затем буквы, определяющие верхнюю границу частотного диапазона, при которой начинается быстрый рост потерь. У низкочастотных ферритов Н граничная частота от 0,1 до 50 МГц, у высокочастотных ВЧ — 50 — 600 МГц. Последующие буквы обо­значают материал (М — марганец-цинковый, Н — никель-цинковый и тли). Цифры, введенные в обозначение высокочастотных ферри­тов после букв, указывают на разновидность материалов.
Сверхвысокочастотные ферриты применяют для коммутации энергии с помощью внешнего поля по разным направлениям за счет поворота плоскости поляризации ВЧ-колебаний в намагниченном феррите (магнитооптический эффект Фарадея) и для поглощения отраженных волн в волноводах в процессе их взаимодействия с вра­щающимися электронами феррита (ферромагнитный резонанс), а также для других целей.
СВЧ-ферриты должны обладать высоким удельным объемным сопротивлением (порядка 107 Ом м), малыми диэлектрическими, а также магнитными потерями вне области резонанса, обеспечивающи­ми незначительное затухание сигнала в феррите, высокой чувстви­тельностью материала к управляющему полю и температурной ста­бильностью свойств. Обобщенные параметры СВЧ-ферритов приве­дены в табл. 15.
Материалы специализированного назначения. Ферриты о прямоугольной петлей гистерезиса ППГ (см. рис. 2,в) используют в счетно-вычислительной технике для хранения дискретной информации Основным параметром материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса Kп — от­ношение остаточной индукции к максимальной (измеренной при Hмакс=5Hс). Кл=Вr/Вмакс. Для получения быстрого перемагничи-вания сердечники должны иметь небольшой коэффициент переклю­чения Sq, равный количеству электричества, которое необходимо для его перемагничивания из одного состояния остаточной индукции в противоположное
Следует учитывать температурную нестабильность свойств фер-ригов С повышением температуры от — 20 до +60°С наблюдается снижение (в 1,5 — 2 раза) коэрцитивной силы, остаточной индукции (на 15 — 20%) и коэффициента прямоугольности (на 5 — 30 %). Большую термостабильность параметров и лучшие магнитные свой­ства имеют ленточные микронные сердечники из пермаЛлоев.
Сравнительные параметры ферритов с ППГ и микронных сер­дечников из пермаллоев приведены в табл. 15. Таблица 15

Материал
Коэрцитивная сила, А/м
Остаточная индукция, Тл
Коэффициенты
прямоугольности
переключения мккл/м
Ферриты различных марок
10 — 1200
0,15 — 0,25
0,9
110 — 630
Микронные сердечники из пер­маллоев (толщи­на ленты 2 —10 мкм)
8-50
0,6 — 1,5
0,85 — 0,9
25 — 100

К магнитострикционным материалам относят ни­кель, алферпермаллой, ряд ферритов, некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения. При намагничивании ферромаг­нитных монокристаллов изменяются их линейные размеры (магнито-стрикция). Магнитострикционная деформация материалов может быть как положительной так и отрицательной. Явление магнито-стрикции используется в генераторах звуковых и ультразвуковых колебаний, дефектоскопах и других устройствах. 
Магнитно-твердые материалы. Они характеризуются высокой коэрцитивной силой, большой площадью петли гистерезиса  и остаточной индукцией. Кроме этого важной характеристикой материалов для постоянных магнитов является максимальная энер­гия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Удельная маг­нитная энергия, заключенная в воздушном зазоре между полюсами магнита, 9d=BdHd/2, где На — напряженность поля, соответствую­щая индукции Bd при размагничивании.
По способу получения и составу различают легированные мар-тенситные стали, литые высококоэрцитивные сплавы, магниты из порошков, магнитно-твердые ферриты, ленты (металлические и не­металлические) для записи звука. Легированные мартенситные стали являются наи­более простыми и дешевыми материалами для постоянных магнитов. Стали легируются добавками вольфрама, молибдена, хрома. Свой­ства мартенситных сталей для постоянных магнитов и их состав при­ведены в табл. 16.
Таблица 16

 
Марка
Химический состав
Магнитные свойства
С
Сг
W
Со
Мо
остаточная индукция, Тл
коэрцитивная сила, кА/м
EX
0,95—
1,3—
 
 
0,9
4,6
 
1,1
1,6
 
 
 
 
 
ЕХЗ
0,9-
2,8—
0,95
4,8
 
1,1
3,6
 
 
 
 
 
Е7В6
0,68—
0,3-
5,2-
1
5
 
0,78
0,5
6,2
 
 
 
 
ЕХ5К5
0,9—
5,5—
5,5-
0,85
8
 
1,05
6,5
 
6,5
 
 
 
ЕХ9К15М
0,9—
8—10
13,5—
1,2—
0,8
13,6
 
1,05
 
 
16,5
1,7
 
 

Литые высококоэрцитивные сплавы представляют собой тройные сплавы А! — Ni — Fe (раньше называли сплавами альни), обладаю­щие большой магнитной энергией Для улучшения магнитных свойств и механических характеристик в сплав альни вводят добавки крем­ния (сплав альнисн) или кобальта (сплав альнико, при содержании кобальта 24% — магнико) В настоящее время эти сплавы имеют буквенно-цифровую маркировку.
В марках сплавов приняты следующие обозначения: 10 — алю­миний, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий, С — кремний, А — столбчатая, АА — монокристаллическая структу­ра. Если за буквой следуют цифры, они указывают на содержание металла,
Магнитные свойства сплавов определяются не только их соста­вом, но и видом обработки. Основные свойства магнитно-твердых сплавов приведены в табл. 17.
Таблица 17

Марка
Удельная магнит­ная энергия, кДж/м8
Коэрцитив­ная сила, кА/м
Остаточная индукция, Тл
ЮНД4
ЮНДК15
3,6
6,0
40
48
0,50
0,75
ЮН15ДК24
18
52
1,15
ЮН13ДК25А
28
44
1,40
ЮНДК40Т8АА
32
145
0,90

Магниты из металлокерамических порошков марок ММК1 — ММК11 имеют коэрцитивную силу от 24 до 128 кА/м, остаточную индукцию от 0,48 до 1,1 Тл и запасенную энергию от 3 до 16 кДж/м3.
Магнитно-твердые ферриты (бариевые ВаО-6Ре2Оз — феррокс-дюр) выпускают марок БИ (бариевые изотропные) и БА (бариевые анизотропные) с коэрцитивной силой до 240 кА/м, превосходящей магниты системы альни, однако уступающие этим сплавам по оста­точной индукции (0,38 Тл) и запасенной магнитной энергии (12,4 кДж/м3). Параметры магнитов из феррита бария и кобальта нриведены в табл. 18.
 Таблица 18

Параметры
Марка
1БИ
1 БИС
2.4БА
3.1БА
1.5КА
2КА
Максимальная магнитная
энергия, кДж/м3
3,2
 
3,6
 
9,6
 
12,4
 
5,6
 
7 2
 
Коэрцитивная сила, кА/м Остаточная индукция, Тл
128
 0,19
128 0,21
224 0,33
168 0,38
128 0,24
128 0,28

Материалы для записи звука включают магнитно-твердые стали и сплавы, позволяющие изготовлять из них ленту или проволоку, а также пластмассовую ленту с нанесенными на ее по­верхность порошкообразными ферритами
Магнитно-твердый сплав викаллой (34 % Ре; 52 % Со; 14 % V) с коэрцитивной силой 36 кА/м и остаточной индукцией 1 Тл позво­ляет изготовлять из него ленту и проволоку. Железоникельалюми-ниевые магнитно-твердые -сплавы могут наноситься на медную лен­ту. Однако эти материалы не обеспечивают оптимальное соотноше­ние коэрцитивной силы к остаточной индукции, при котором гаран­тируется качественная запись в широком диапазоне частот.

Применяют одно- и двухслойную магнитные пленки. Двухслой­ная пленка представлчет собой ацетилцеллюлозную- ленту шириной 65 мм и толщиной 35 мкм, на которую нанесен слой лака, содержащий до 40 % магнетика. Такая пленка имеет коэрцитивную силу от 6,4 до 20 кА/м и остаточную индукцию от 0,8 до 0,4 Тл (их от­ношение достигает 40), что позволяет вести запись звука при малых скоростях. Пленка хорошо сохраняется при температуре 15 — 20 °С и относительной влажности воздуха 50 — 60 %. Однослойные пленки изготовляют из поливанилхлорида с магнитным наполнителем.