Магнитные материалы

 Выпускаемые  промышленностью окислы и соли, используемые для производства  ферритов, различаются по их квалификации, например "Ч" - чистые, "ЧДА" - чистые для анализа, "ХЧ" - химически  чистые и др. Эти окислы отличаются  по степени частоты, т.е. количественному  содержанию примесей. Например, никель углекислый (NiCO3), квалификации "ЧДА", выпускаемый промышленностью по ГОСТ 4466-48 содержит следующие примеси (в %): вещества, нерастворимые в соляной кислоте - 0,01; хлориды - 0,005; сульфиты - 0,01; железо - 0,001; кобальт - 0,05; цинк - 0,05; щелочные и щелочноземельные металлы (в виде сульфатов) - 0,4. В той же соли, но квалификации "Ч" содержание примесей больше. Кроме того, может измениться и качественный состав примесей.            

 Исходные  вещества различаются также по  размеру и форме частиц, удельной  поверхности, активности. При этом  сырье отличается по качественному  содержанию примесей и содержанию  влаги (влажности) как в различных  партиях, так и в различных  упаковках одной партии. Поэтому  при производстве ферритов исходные  материалы усредняют: перемешивают  разные партии сырья и разные  упаковки одной партии. Содержание  основного вещества определяют  на усредненных партиях сырья.             

 Реакция в  твердой фазе (при нагреве порошков) протекает неодинаково в окислах,  очищенных от примесей, и содержащих  примеси. Установлено, что наличие  некоторых примесей, как правило,  способствует процессам, протекающим  при реакции в твеердой фазе. Однако очень важно для каждого вида феррита определить допустимый качественный и количественный состав примесей, который позволит полусать одинаковые по характеристикам ферриты на различных партиях исходного сырья. От этого в большой степени зависят повторяемость и воспроизводимость технологического процесса получения ферритов.            

 Критерии  оценки качества исходного сырья  для производства ферритов должны  быть установлены и по другим  физико-химическим параметрам. До  сих пор, однако, такие критерии  для исходных веществ не выработаны. Поэтому возникает необходимость  в подборе исходного сырья  экспериментальным путем: изготовлением  пробных партий ферритов из  различных партий сырья и соответствующей  корректировки технологических  процессов.            

 Окись железа  является основной составляющей  частью всех ферритов. Ее физико-химические  характеристики оказывают определяющее  влияние на характеристики ферритовых элементов. Окись железа имеет три модификации: a - Fe ₂ O ₃ - парамагнитная, g и d - Fe ₂ O ₃ - обе ферромагнитные. Из них d - Fe ₂ O ₃ сохраняется лишь при низкой температуре и при нагреве до 110 ° С переходит в a - Fe ₂ O ₃ . Температурный интервал g - Fe ₂ O ₃ различен для разного состояния g - Fe ₂ O ₃ и свойств примесей. Обычно промышленная окись железа содержит смесь a - Fe ₂ O ₃ и g - Fe ₂ O ₃ , при этом наиболее активной составляющей является g - Fe ₂ O ₃ . Чем выше ее содержание, тем активнее ферритовая шихта. Поэтому при производстве ферритов важно знать соотношение этих модификаций Fe ₂ O ₃ в исходной окиси железа.            

 Процентное  содержание их можно регулировать  с помощью магнитного разделения g и a модификаций, учитывая, что  g - Fe ₂ O ₃ - магнитна, а a - Fe ₂ O ₃ - немагнитна.            

 Активность  исходной порошкообразной окиси  железа зависит от формы и  размера ее частиц. Наибольшей  активностью обладает окись железа  с "игольчатой" формой частиц, наименьшей - с "кубической". Чем  мельче размер частиц порошка  окиси железа, тем, как правило,  выше активность. Т.к. удельная  поверхность порошка обратно  пропорциональна размеру его  частиц, то активность окиси железа  растет с увеличением удельной  поверхности.            

 Физико-химические  характеристики окиси железа (и  других окислов) существенно зависят  от способа получения ее из  различных солей и других химических  соединений.            

 Так, активность  окиси железа, полученной из различных  солей (сульфата, карбоната, оксалата, соли Мора), наибольшая у оксалата  и наименьшая у сульфата.            

 Температура  разложения солей, из которых  получают исходные материалы  для производства ферритов, также  оказывают значительное влияние  на физико-химические характеристики  порошков. Так, например, разложение  карбоната железа квалификации "ЧДА"  при различных температурах (200, 400, 600, 800 и 100 ° С) в течение 4 часов снижает значение удельной  поверхности (увеличивает средний  размер частиц), получаемой Fe ₂ O ₃ . Окись железа с оптимальными свойствами, пригодными для производства ферритов получается при прокалке в интервале 400-650 ° С.            

 Окислы других  металлов, используемые для получения  ферритов, тоже имеют разлиные физико-химические характеристики, а также количественное и качественное содержание примесей. Характер влияния этих различий на свойства ферритов аналогичен влиянию окиси железа. Однако степень этого влияния меньше и зависит от относительного содержания окисла в феррите.            

 Таким образом,  для получения ферритов с повторяющимися  свойствами необходимо при выборе  сырья осуществлять контроль  по количественному содержанию  основного вещества, качественному  и количественному содержанию  примесей и физико-химическим  характеристикам порошков.            

 Многие вопросы  конкретной стандартизации тех  или иных параметров исходных  веществ для производства ферритов еще не ясны и находятся в стадии экспериментального и теоретического изучения.

5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ  ФЕРРИТОВ 

5.1. Механические испытания  ферритов.            

 Целью механических  испытаний ферритов является  изучение деформаций образцов  материалов при механических  воздействиях и определение величины  механических напряжений, вызывающих  разрушение образцов . Механические свойства материалов - способность материалов сопротивляться деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго и пластически деформироваться под действием внешних механических сил.            

 Измерение механических характеристик различных материалов, в т.ч. и ферритов, имеет большое практическое значение, т.к. при конструировании, сборке и эксплуатации различных аппаратов, приборов, волноводов и других устройств, детали, изготовленные из феррита, могут подвергаться механическим усилиям, хотя иногда и кратковременным, но значительным по величине.            

 Создание  напряженного состояния во время  испытаний должно по возможности  соответствовать тем условиям, в  которых находятся детали или  образцы при эксплуатации. Поэтому  испытания материалов подразделяются  сообразно видам нагружения, которым подвергаются образцы в процессе использования.

Основные  виды испытаний ферритов следующие: 1) статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение; 2) динамические испытания нп ударную прочность (вязкость); 3) испытания на твердость; 4) определение упругих постоянных динамическим способом.            

 Необходимо  отметить, что при испытаниях  образцов из ферритов наблюдается  большой разброс результатов.  Этот разброс в первую очередь  объясняется различными технологическими  факторами (различным давлением  при прессовании, различием температуры  обжига, наличием микротрещин, неоднородной  зернистостью и т.п.)

Табл.6 Сводная  таблица механических характеристик  некоторых марок ферритов

5.2. Способы измерения  и контроля магнитных  свойств ферритовых  материалов и изделий  из них            

 Все возрастающее  разнообразие применяемых в автоматике, телемеханике и вычислительной  технике ферритовых элементов  вызывают необходимость усовершенствования  старых и изыскания новых методов  измерений их магнитных и механических  свойств. Некоторые методы являются  общими для большинства ферромагнитных материалов; к ним относятся большая часть испытаний на постоянном токе. По мере же появления новых областей использования магнитных элементов увеличивается разновидность самих элементов и методов их испытаний, разрабатываются специфические измерительные устройства. Причем методы испытаний приближены к условиям работы элемента в конкретном устройстве, а параметры отражают специфику поведения ферритовых материалов в каких-либо особых условиях.

5.2.1. Методы измерения  статических свойств  ферритовых изделий            

 Статические  характеристики ферритовых элементов  определяются в постоянных и  близких к постоянным полях. При испытании ферритового образца на постоянном токе происходит очень медленный переход сердечника из одного магнитного состояния в другое, и перемагничивание протекает по статической петле гистерезиса. Параметры статической петли гистерезиса определяются баллистическим, магнитометрическим методами, методом осциллографирования петли гистерезиса и импульсного считывания.

Баллистический  метод. Баллистический метод успешно применяется для определения статических петель гистерезиса любых магнитных материалов. Блок-схема баллистической установки приведена на рис.14. Процесс изменения индукции при изменении внешнего намагничивающего поля (т.е. снятие петли гистерезиса) определяется по отклонению рамки баллистического гальванометра. Угол отклонения пропорционален количеству электричества, протекающего через рамку гальванометра. Зная этот угол, можно определить изменение индукции образца при данном значении напряженности, или изменение напряженности поля пи изменении коэрцитивной силы.

Рис.14 Блок-схема  баллистической установки 

А-амперметр, R-реостат, Р-переключатель БГ-баллистический гальванометр

W1 и W2 - намагничивающая  и измерительная обмотки измеряемого  образца.            

 Баллистический  метод позволяет строить по  отдельным точкам петлю гистерезиса  ферромагнитных материалов при различных напряженностях внешнего магнитного поля и определять соответствующие статические параметры образцов с точностью до 1-3 %. Основными недостатками этого метода являются большая трудоемкость, невозможность непрерывного произведения измерений и автоматизации этого процесса.

Магнитометрический  метод. Для определения магнитых характеристик на постоянном токе в технике широко применяется также магнитометрический метод. В его основу положен эффект воздействия исследуемого образца на стрелку магнитометра. По углу отклонения магнитной стрелки прибора измеряется магнитный момент образца. Магнитометрический метод позволяет определить основную кривую намагничивания, петлю гистерезиса, магнитный момент, магнитную восприимчивость исследуемых образцов.

Метод осциллографирования петли гистерезиса. Этот метод основан на непосредственном визуальном наблюдении петли гистерезиса на экране осциллографа. Подобного рода приборы условно разделены на ферротестеры (проводят грубую качественную оценку параметров путем сопоставления на экране петли гистерезиса испытуемого образца с эталонной) и феррографы, гистерографы, петлескопы (для количественной оценки).

Рис.15 Блок-схема  установки для осциллографического  наблюдения петли 

гистерезиса ферритов.

R - реостат, W1 и  W2 - намагничивающая и измерительная  обмотки образца, 

С - емкость.            

 При таком  методе измерения статических  параметров ферромагнтных образцов внешнее магнитное поле не является постоянным. Однако частота изменения поля такова, что с некоторой погрешностью создаваемое поле можно приравнивать к постоянному.            

 К достоинствам  метода осциллографирования можно отнести оперативность оценки свойств отдельных малогабаритных сердечников путем наблюдения как частных, так и предельных петель гистерезиса.            

 На рис.15 приведена  блок-схема установки с использованием  электронного осциллографа.

Метод импульсного считывания. Метод заключается в том, что в испытываемом образце создается поочередно поток от напряженности поля постоянного тока и поток "считывания" от импульсного тока, направленный навстречу. При этом поле импульса должно быть достаточным для перемагничивания по предельной петле гистерезиса. С измерительной обмотки сигнал подается на импульсный милливольтметр.