Лекция 10. Металлические магнитные материалы

Вид материала

Лекция

Содержание Магнитомягкие материалы (МММ) Электротехническая сталь Аморфные магнитные материалы Магнитотрердые материалы (МТМ) Легированные стали мартенситной структуры Тройные сплавы Магниты из порошков Пластически деформируемые сплавы

Подобный материал:

• Темы индивидуальных заданий (Самостоятельные работы) Классификация материалов по химическому, 25.18kb.
• Курилин Сергей Леонидович Электротехнические материалы и технология Электромонтажных, 1241.25kb.
• Семинар \"Новые магнитные материалы микроэлектроники\" (нммм 19). 28 июня 2 июля 2004,, 23.32kb.
• Магнитные элементы электронных устройств, 24.25kb.
• Магнитные наноматериалы, 132.94kb.
• Металлические конструкции и их классификация, 34.64kb.
• Классификация магнитных материалов, 230.31kb.
• Металлические конструкции Общая трудоемкость дисциплины, 39.03kb.
• Программа междисциплинарного экзамена в магистратуру по направлению подготовки 140400, 58.97kb.
• Магнитные явления, 181.73kb.

Лекция 10.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Металлические магнитные материалы – ферромагнетики – делятся на магнитомягкие (МММ) и магнитотвёрдые (МТМ) – как и те, так и другие в своём составе имеют Fe, Ni, Co, их сплавы, а также присадки Al, Cr, Mn, Cu, Ag.


Ферромагнетики обладают большой способностью намагничиваться, то есть у них большая µ_r – различают начальную магнитную проницаемость µ_{r нач} (проявляется в слабых внешних магнитных полях) и максимальную µ_{r max} (в разных по интенсивности полях для разных сплавов). Ферромагнетики различаются по площади петли гистерезиса.


Магнитомягкие материалы (МММ)


Из МММ выполняют магнитопроводы для машин и аппаратов, работающих на переменном токе. Они должны иметь малые магнитные потери (потери на гистерезис и потери на вихревые токи). У них должны быть:

1) большая величина магнитной проницаемости µ_r

2) малая коэрцитивная сила Н_с

3) большая индукция насыщения В_s.


Это означает, что петля гистерезиса у них должна быть высокой и узкой, это характерный признак МММ. У всех этих материалов большая µ_r, очень маленькая Н_с, небольшие магнитные потери. К МММ относятся:

• технически чистое железо
  
• листовая электротехническая сталь
  
• пермаллои
  
• альсифер.
  

• Технически чистое железо содержит сотые доли процента примесей (C, S, Mn и другие), поэтому называется не сталь, а железо. Его получают разными способами:
  

1. армко-железо – получают в мартеновских печах из особо чистых руд, это название фирм, разработавшей метод получения
   
2. электролитическое железо – получают методом электролитического осаждения из раствора FeSO ₄ или FеCl₂
   
3. карбонильное железо – железо высокой химической чистоты, это порошок, получаемый при разложении карбонила железа Fe(CO)₅ при температуре 200-250 ^оС и давлении 150 МПа.
   

• Электротехническая сталь – это сплав железа с кремнием, присадка которого увеличивает электрическое сопротивление для уменьшения магнитных потерь на вихревые токи. Листовая электротехническая сталь является самым массовым, то есть имеющим самую широкую область применения, материалом, из неё изготавливают магнитопроводы электромашин. Выплавляется сталь в мартеновских печах, ее листы изготовляются прокаткой стального слитка в горячем или холодном состоянии, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Горячекатаная сталь в магнитном отношении изотропна (магнитные свойства одинаковы во всех направлениях). Повторная прокатка листов стали в холодном состоянии с последующим отжигом существенно меняет её кристаллическую структуру за счёт ориентации рёбер кристаллов вдоль направления прокатки, то есть происходит текстурирование стали. Такая сталь отличается большой анизотропией: её магнитные свойства в продольном (по ходу прокатки) направлении в несколько раз выше, чем в других.
  

Маркируется сталь четырьмя цифрами:


– первая цифра говорит о классе структурного состояния (о ее текстуре) и виде прокатки:

- цифра 1 означает горячекатаную изотропную сталь

- цифра 2 означает холоднокатаную изотропную сталь

- цифра 3 означает холоднокатаную анизотропную сталь.


– вторая цифра в марке стали говорит о процентном содержании в ней кремния, причем максимальное содержание кремния в стали – 4,8 %, так как при большем количестве кремния сталь становится очень хрупкой, следовательно, нетехнологичной:

- 0 означает содержание кремния 0 ÷ 0,4 %

- 1 означает содержание кремния 0,4 ÷ 0,8 %

- 2 означает содержание кремния 0,8 ÷ 1,8 %

- 3 означает содержание кремния 1,8 ÷ 2,8 %

- 4 означает содержание кремния 2,8 ÷ 3,8 %

- 5 означает содержание кремния 3,8 ÷ 4,8 %.


– третья цифра в марке стали означает соответствующую группу по основной нормируемой характеристике (по потерям в стали при разных значениях индукции и частоты).


Первые три цифры вместе означают тип стали, четвёртая цифра в марке стали – порядковый номер типа стали.

• Пермаллой – железоникелевые сплавы (раньше их называли сплавы же-ни), применяются для получения больших индукций в слабых магнитных полях. Различают низконикелевые (содержание никеля до 50 %) и высоконикелевые (до 80 % никеля) пермаллои. Индукция насыщения пермаллоев меньше в 1,5÷2 раза (составляет 1÷1,5 Тл), чем у технически чистого железа и электротехнической стали (у них она до 2,18 %), поэтому пермаллои нецелесообразно применять в силовых трансформаторах и других устройствах, где требуется большой магнитный поток.
  

• Альсифер – так называется тройной сплав Al–Si–Fe. У альсифера большая начальная магнитная проницаемость µ_{r нач}, поэтому из него изготавливают магнитные экраны, корпуса приборов. Альсифер заменяет более дорогие (из-за никеля) пермаллои. Он хрупок, твёрд, изделия из альсифера получают литьём.
  

Кроме этих основных МММ применяются (в меньших масштабах) сплавы с особыми свойствами, вот некоторые из них:

1. перминвар (Fe-Ni-Co) и изотерм (Fe-Ni плюс Al или Cu) – у них µ_r мало изменяется при изменении напряженности внешнего поля. У изотерма до Н = 500 А/м магнитная проницаемость остаётся постоянной по величине.
   
2. кальмаллой (Cu-Ni), термаллой (Fe-Ni), компенсатор (Fe-Ni-Cr) – у этих сплавов магнитная проницаемость сильно зависит от температуры.
   
3. сплавы с высокой магнитострикцией (особенно с присадками редкоземельных элементов – эрбия, тербия, тулия и их соединений) применяются как излучатели ультразвука. Используются в гидроакустике, гидролокации.
   
4. пермендюр (Fe-Co) – сплав с особо высокой индукцией насыщения В_s, доходящей до 2,43 Тл, это самая большая индукция у известных ферромагнетиков.
   

Аморфные магнитные материалы – вещества без кристаллической решётки, получают быстрым охлаждением из расплавленного состояния, по сути они являются переохлаждённой жидкостью. Обладают рядом ценнейших свойств, поэтому очень перспективны, но пока сложность их получения очень и очень велика.


Магнитодиэлектрики – получаются путём прессовки порошкообразного ферромагнетика с органической или неорганической связкой, изолирующей зёрна друг от друга. Основой магнитодиэлектриков являются карбонильное железо, альсифер, изолирующей связкой – фенолформальдегидные смолы, жидкое стекло, полистирол. Используются магнитодиэлект­рики в устройствах, работающих при повышенных и высоких частотах, так как у них большое удельное электрическое сопротивление и малый тангенс угла диэлектрических потерь.


Магнитотрердые материалы (МТМ)


Магнитотрердые или магнитожесткие материалы (МТМ) – вторая группа металлических магнитных материалов. Они применяются для изготовления постоянных магнитов, которые, будучи однажды намагничены, сохраняют состояние намагниченности долгое время, многие годы. Для них характерны большая коэрцитивная сила Н_с и большая остаточная индукция В_r. Петля гистерезиса (то есть Н_с) у них в сотни тысяч раз шире (больше), чем у МММ, поэтому МТМ трудно перемагничиваются.


По составу и способу получения МТМ делятся на 4 группы.

• Легированные стали мартенситной структуры – наиболее простой и доступный материал для МТМ. Легируют W, Cr, Mo, Co. Наиболее высокие магнитный свойства у кобальтовой стали (Br = 0,85 Тл, Н_с = 12500 А/м) с увеличением содержания кобальта коэрцитивная сила увеличивается. Но кобальт дорог и дефицитен. Вольфрамовая сталь отличается большой стойкостью против магнитного старения (остаточная индукция уменьшается под действием ударов, вибрации, времени, колебаний температуры и прочего. Восстановить магнитные свойства можно только новым намагничиванием), в этом отношении вольфрамовая сталь – один из лучших материалов. Хромистые стали дешевле, но требуют очень сложной термообработки. Сплав Fe-Co-Mo (комоль) по магнитным свойствам лучше кобальтовой стали, стоек против старения до температуры ~ 600 ^оС, но очень дорог.
  
• Тройные сплавы (Al-N-Fe – раньше их называли «альни») – имеют большую магнитную энергию и наиболее широко применяются. Это сплавы дисперсионного твердения. При температурах 1200 – 1300 ^оС этот сплав находится в однородном состоянии – твёрдый раствор с неограниченной растворимостью элементов друг в друге. При понижении температуры фаза распадается на две очень дисперсные (мелкие по размерам) фазы: одна – почти чистое железо, она сильно магнитна, другая фаза – Al-Ni, слабомагнитна. Получается, сильномагнитная фаза (магнитные домены) распределена в немагнитной фазе. Материалы с такой структурой обладают большой коэрцитивной силой. Сплавы обязательно легируются для улучшения их магнитных (и механических) свойств, этому же способствует кристаллическая структура, которая возникает при особых условиях охлаждения под воздействием сильного постоянного магнитного поля, когда кристалли­зуются ориентированные кристаллы с повышенными магнитными параметрами.). Сплавы хрупкие и твёрдые, трудно поддаются обработке резанием (содержащие кобальт вообще не поддаются). Это вообще-то литые изделия. Для разных сплавов применяют разные режимы термообработки (температура нагрева, время выдержки, скорость охлаждения).
  

• Магниты из порошков – невозможность получения особенно малых (от долей 1 г до 30 г) изделий из литых тройных сплавов со строгими размерами обусловило привлечение методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов. Тройные сплавы ЮНД(Al-Ni-Cu) и ЮНДК (Al-Ni-Cu-Co) измельчают до тонкодисперсного порошка, который спекают при температуре 1300 ^оС и давлении 400–800 МПа в чистом водороде. Их плотность на 7–8 % меньше, чем плотность литых, магнитные свойства ≈ одинаковы. Особенно большая Н_с у спечённых МТМ на основе кобальта с редкоземельными элементами.
  
• Пластически деформируемые сплавы – их технология изготовления проще, но качества у них хуже. Металлопластические магниты получают из порошков ЮНД или ЮНДК плюс порошок диэлектрика (фенолформальдегидная смола), процесс идёт под давлением 500 МПа и температуре 120–180 ^оС. Механические свойства лучше, чем у литых, но магнитные свойства хуже из-за того, что часть материала занимает немагнитный диэлектрик. Сплавы кунифе (Cu-Ni-Fe), кунифе (Cu-Ni-Co), викаллой (Fe-Co-V).
  

Современные магнитные материалы применяются в устройствах нового типа – в радио, телевидении, вычислительной технике, они меньше, надёжнее, экологичнее.


Вопросы для подготовки

1. Где применяется технически чистое железо, что это за материал?
   
2. Расшифруйте марку материала I5I4.
   
3. Охарактеризуйте фазы α1 и α2 в сплавах дисперсионного твердения.
   
4. Нарисуйте примерную наибольшую и наименьшую петли для материалов табл. 3.2., укажите на рис. коэрцитивную силу магнитотвердого материала.
   
5. Влияние кремния на свойства электротехнической стали.
   
6. Расшифруйте марку материала I2II.
   
7. Как получают изделия из магнитодиэлектриков?
   
8. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: технически чистого железа и низконикелевого пермаллоя.
   
9. Почему не применяют эл-технические стали с содержанием кремния больше 5%?
   
10. Расшифруйте марку материала I2I2.
    
11. Чему равна энергия магнитного поля постоянного магнита?
    
12. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: электролитического железа и высоконикелевого пермаллоя.
    
13. Как различаются магнитные свойства горячекатаной эл-техн. стали от холоднокатаной?
    
14. Расшифруйте марку материала I5I3.
    
15. Чему равен коэффициент выпуклости кривой размагничивания?
    
16. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: карбонильного железа и супермаллоя.
    
17. Какие пармаллои работают на высоких частотах?
    
18. Расшифруйте марку 22I2.
    
19. Охарактеризуйте магнитотвердый материал типа Al-Ni-Co.
    
20. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: карбонильного железа и авсоконикелевого пармаллоя.
    
21. Где применяются высоконикелевые пермаллои?
    
22. Расшифруйте марку материала 24II.
    
23. В чём заключается термомагнитная обработка сплавов магнитотвёрдых материалов?
    
24. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: электролитического железа и низконикелевого пермаллоя.
    
25. В каком виде выпускаются пермаллои?
    
26. Расшифруйте марку 50НХС.
    
27. Что такое кристаллическая текстура сплавов магнитотвёрдых материалов?
    
28. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: технически чистого железа и электротехнической стали.
    
29. Как можно улучшить свойства пермаллоев?
    
30. Расшифруйте марку материала 79РМ.
    
31. Как кристаллическая структура влияет на магнитные свойства сплавов магнитотвёрдых материалов?
    
32. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: железа, обработанного в водороде, и супермаллоя.
    
33. Механические свойства альсифера?
    
34. Расшифруйте марки материалов 50Н, 65НП.
    
35. Каковы свойства бескобальтовых магнитотвёрдых материалов?
    
36. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: электротехнической стали и альсифера.
    
37. Укажите химический состав и магнитные свойства альсифера.
    
38. Расшифруйте марку материала 80НХС.
    
39. Из чего производят металлокерамические постоянные магниты?
    
40. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: технического железа и электролитического железа.
    
41. Расшифруйте марку материала ЮНIЗДК25БА.
    
42. Охарактеризуйте изотерм.
    
43. Сравните механические свойства металлопластических и литых постоянных магнитов.
    
44. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: высоконикелевого пермаллоя и супермаллоя.
    
45. Расшифруйте марку материала ЮНДКЗIТЗБА.
    
46. Охарактеризуйте пермендюр.
    
47. Сравните магнитные свойства керамических и литых постоянных магнитов.
    
48. Нарисуйте примерные петли гистерезиса для материалов табл. 3.2: электролитического железа и карбонильного железа.