Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-мягкие материалы
Магнитно-мягкие материалы , магнитные материалы , которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряжённостью Н ~ 8—800 а/м (0,1—10 э ). При температурах ниже Кюри точки (у армко-железа , например, до 768 °С) М.-м. м. спонтанно намагничены, но внешне не проявляют магнитных свойств, так как состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения областей (доменов ). М.-м. м. характеризуются высокими значениями магнитной проницаемости — начальной ma ~ 102 —105 и максимальной mmax ~ 103 —106 . Коэрцитивная сила H c М.-м. м. колеблется от 0,8 до 8 а/м (от 0,01 до 0,1 э ), а потери на магнитный гистерезис очень малы ~ 1—103 дж/м2 (10—104 эрг/см2 ) на один цикл перемагничивания. Способность М.-м. м. намагничиваться в слабых магнитных полях обусловлена низкими значениями энергии магнитной кристаллической анизотропии, а у некоторых из них (например, у М.-м. м. на основе Fe — Ni, у некоторых ферритов ) также низкими значениями магнитострикции . Это связано с тем, что намагничивание происходит в результате смещения границ между доменами, а также вращения вектора намагниченности доменов. Подвижность границ, способствующая намагничиванию, снижается в случае присутствия в материале различных неоднородностей и напряжений, изменяющих энергию границ при их смещении. Поэтому свойствами М.-м. м. обладают также магнитные материалы, имеющие значительную энергию магнитной кристаллической анизотропии, но в которых отсутствуют (вернее, присутствуют в малых количествах) вредные примеси внедрения (углерод, азот, кислород и другие), дислокации и другие дефекты, искажающие кристаллическую решётку, а также включения в виде других фаз или пустот размером существенно больше параметров решётки. Однако процесс вращения вектора намагниченности в таких материалах требует приложения более сильных полей. Получение таких малодефектных материалов связано с большими технологическими трудностями. К М.-м. м. принадлежат ряд сплавов (например, перминвары) и некоторые ферриты с малой энергией магнитной кристаллической анизотропии, но с хорошо выраженной одноосной анизотропией, которая формируется при отжиге материала в магнитном поле. Некоторые М.-м. м. (например, пермендюр ) имеют слабую анизотропию, но большие значения магнитострикции.
По назначению М.-м. м. подразделяют на 2 группы: материалы для техники слабых токов и электротехнической стали. Важнейшими представителями М.-м. м., применяемых в технике слабых токов, являются бинарные и легированные сплавы на основе Fe — Ni (пермаллои ), имеющие низкую Hc » 0,01 э и очень высокие µa (до 105 ) и µmax (до 106 ). К этой же группе относятся сплавы на основе Fe — Со (например, пермендюр), которые среди М.-м. м. обладают наивысшими точкой Кюри (950—980 °С) и значением магнитной индукции насыщения Bs , достигающей 2,4· 104 гс (2,4 тл ), а также сплавы Fe — Al и Fe — Si — Al. Для работы при частотах до 105 гц используются сплавы на Fe — Со — Ni основе с постоянной магнитной проницаемостью, достигаемой термической обработкой образцов в поперечном магнитном поле, которое формирует индуцированную одноосевую анизотропию (кристаллическая магнитная анизотропия при этом должна быть как можно меньше). Постоянство магнитной проницаемости (в пределах 15%) сохраняется при индукциях до 8000 гс и обеспечивается тем, что при намагничивании таких М.-м. м. процесс вращения является доминирующим. В области частот 104 —108 гц нашли применение магнитодиэлектрики , представляющие собой тонкие порошки карбонильного железа, пермаллоя или альсифера, смешанные с кем-либо диэлектрической связкой.
Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также ферриты-гранаты, кристаллическая структура которых одинакова с природными гранатами . Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие скин-эффекта . Ферриты-гранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).
Магнитно-мягкие сплавы выплавляют в металлургических печах, для придания необходимой формы слитки подвергают ковке или прокатке. Ферриты получают спеканием окислов металлов при высоких температурах, изделия прессуют из порошка (для чего феррит размалывают) и обжигают. Из магнитно-мягких сплавов изготавливают сердечники трансформаторов (микрофонных, выходных, переходных, импульсных и других), магнитные экраны, элементы памяти ЭВМ, сердечники головок магнитной записи; из ферритов, кроме того, — магнитные антенны, волноводы и др.
К электротехническим сталям относятся сплавы на основе железа, легированные Si (0,3—6% по массе); сплавы содержат также 0,1—0,3% Mn. Стали вырабатываются горячекатаные — изотропные, и холоднокатаные — текстурованные. Потери энергии при перемагничивании текстурованной стали ниже, а магнитная индукция выше, чем горячекатаной. Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.
Для улучшения магнитных свойств все холоднокатаные магнитно-мягкие сплавы и стали подвергают термической обработке (при 1100—1200 °С) в вакууме или в среде водорода. Сплавы Fe — Со, Fe — Ni и Fe — Al склонны упорядочивать структуру при температурах 400—700 °С, поэтому в этой области температур для каждого сплава должна быть своя скорость охлаждения, при которой создаётся нужная структура твёрдого раствора.
К М.-м. м. специального назначения относятся термомагнитные сплавы , служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов, а также магнитострикционные материалы , с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию.
В таблице приведены характеристики наиболее распространённых М.-м. м.
Основные характеристики важнейших магнито-мягких материалов
Марка материала Основной состав, % (по массе) B s ·10– 3 , гс T k , °C r·106 , ом·см µa ·10– 3 , гс/э µmax ·10– 3 , гс/э H c , э Потери на гистерезис при B = 5000 гс , эрг/см3 80 НМ (суперпермаллой) 80Ni, 5Mo, ост. Fe 8 400 55 100 1000 0,005 10 79 НМ (молибденовый пермаллой) 79Ni, 4Mo, ост. Fe 8 450 50 40 200 0,02 70 50 Н 50Ni, ост. Fe 15 500 45 5 40 0,1 150 50 НП1 50Ni, ост. Fe 15 500 45
100
0,1
600 (при B
= 15000 гс)
40 НКМП (перминвар прямоугольный)2
40Ni, 25Co, 4Mo, ост. Fe
14
600
63
600
0,02
200 (при B
= 14000 гс
)
40 НКМЛ (перминвар линейный)3
40Ni, 25Co, 4Mo, ост. Fe
14
600
63
2
2,0+ (<15%)
–
–
47 НК (перминвар линейный)3
47Ni, 23Co, ост. Fe
16
650
20
0,9
0,90+ (<15%)
–
–
49 КФ–ВИ (пермендюр)
49Co, 2V, ост. Fe
23,5
980
40
1
50
0,5
5000
16 ЮХ
16Al, 2Cr, ост. Fe
7
340
160
10
80
0,03
100
10 СЮ
9,5Si, 5,5Al, ост. Fe
10
550
80
35
100
0,02
30
Армко-железо
100Fe
21,5
768
12
0,5
10
0,8
5000
Э 44
4Si, ост. Fe
19,8
680
57
0,4
10
0,5
1200
Э 330
3,5Si, ост. Fe
20
690
50
1,5
30
0,2
350
Ni–Zn феррит
(Ni, Zn) O·Fe2
O3
2–3
500–150
1011
0,05–0,5
–
1,5–0,5
–
Mn–Zn феррит
(Mn, Zn) O·Fe2
O3
3,5–4
170
107
1
2,5
0,6
–
Примечание: µa и µmax – начальная и максимальная магнитные проницаемости магнито-мягких материалов; T k – температура Кюри; r – электрическое сопротивление; H c – коэрцитивная сила; B s , B r , B m – индукция насыщения, остаточная и максимальная в поле 8–10 э .
1 Кристаллически текстурирован. 2 После обработки в продольном магнитном поле. 3 После обработки в поперечном магнитном поле. 1 гс = 10–4 тл ; 1 э = 79,6 а/м .
Лит. см. при ст. Магнитные материалы .
И. М. Пузей.