Магнитные материалы

Табл.1 Некоторые свойства магнитомягких ферромагнитных материалов.

Технически  чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей углерода, серы, марганца, кремния и других элементов, ухудшающих его магнитные свойства. Вследствие сравнительно низкого удельного сопротивления технически чистое железо используют довольно редко, в основном для изготовления магнитопроводов постоянного магнитного потока.            

 Обычное техническичистое железо изготавливают рафинированием чугуна в мартеновских печах или в конверторах; оно имеет суммарное содержание примесей 0,08-0,1%

Кремнистая  электротехническая сталь (по ГОСТу электротехническая тонколистовая) является основным магнитомягким материалом массового потребления. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, наличие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO ₂ . Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению магнитной проницаемости, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис. Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной анизотропии и магнитострикции. У стали с содержанием кремния 6,8% константа магнитной анизотропии в три раза меньше, чем у чистого железа, а значение магнитострикции практически равно нулю. При таком содержании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проницаемостью. Однако промышленные марки электротехнической стали содержат не более 5% кремния. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойсва стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непрригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1% Si), так как кремний является немагнитным компонентом. Вместе с тем легирование кремнием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.            

 Свойства  стали значительно улучшаются  за счет образования магнитной  текстуры при холодной прокатке  и последующего отжига в водороде.            

 При холодной  прокатке происходит сильное  обжатие материала; возникающие  деформации вызывают преимущественную  переориентацию кристаллических  зерен. Отжиг при температуре  900-1000 ° С не только снимает внутренние механические напряжения, но и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен). Получается так называемая ребровая текстура.

Текстурованная  сталь анизотропна по свойствам: вдоль напрвления прокатки наблюдается существенно более высокая магнитная проницаемость и меньшие потери на гистерезис. Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, электричекских машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20-25%, а в радиотрансформаторах - на 40%.            

 Листы тонкого  проката предназначены в основном  для использования в полях  повышенной частоты (до 1 кГц). Использование  листовых и ленточных сердечников  на частотах выше 1 кГц возможно  лишь при существенном ограничении  магнитной индукции, так , чтобы суммарные потери не превышали допустимого предела. По условиям нагрева и теплоотвода предельно допустимыми принято считать удельные потери 20 Вт/кг.

Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои - железоникелевые сплавы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяют на высоко- и низконикелевые. Высоконикелевые пермаллои содержат 72-80% никеля, а низконикелевые - 40-50% никеля. Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим напряжениям, зависят от химического состава и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки материала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружающей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев сложнее, чем низконикелевых.            

 Удельное  сопротивление высоконикелевых пермаллоев почти в три раза меньше, чем у низконикелевых, поэтому при повышенных частотах предпочтительнее использовать низконикелевые пермаллои. Кроме того, магнитная проницаемость пермаллоев сильно снижается с увеличением частоты. Это объясняется возникновением в материале заметных вихревых токов из-за небольшого удельного сопротивления.            

 Диапазон  изменения магнитных свойств  и удельного сопротивления промышленных марок пермаллоев указан в табл.1. Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикелевые пермаллои имеют несколько различные применения.            

 Низконикелевые  сплавы 45Н и 50Н применяют для  изготовления сердечников малогабаритных  силовых трансформаторов, дросселей,  реле и деталей магнитных цепей,  работающих при повышенных индукциях  без подмагничивания или с  небольшим подмагничиванием. Высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используют для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.            

 Сильная зависимость  магнитных свойств пермаллоя  от механических напряжений вынуждает  принимать специальные меры защиты  сердечников, поскольку механические  нагрузки неизбежно возникают  даже при наложении токовых  обмоток. Обычно кольцеобразные  ленточные сердечники из пермаллоя  помещают в немагнитные защитные  каркасы из пластмассы или  алюминия. В целях амортизации  динамических нагрузок свободное  пространство между каркасом  и сердечником заполняют каким-либо  эластичным веществом. 

2.2. Магнитомягкие высокочастотные материалы            

 Под высокочастотными  магнитомягкими материалами понимают вещества, которые должны выполнять функции магнетиков при частотах свыше нескольких сотен или тысяч герц. По частотному диапазону применения их в свою очередь можно подразделить на материалы для звуковых, ультразвуковых и низких радиочастот, для высоких радиочастот и для СВЧ.            

 По физической  природе и строению высокочастотные  магнитомягкие материалы подразделяют на магнитоэлектрики и ферриты. Кроме того, при звуковых, ультразвуковых и низких радиочастотах можно использовать тонколистовые рулонные холоднокатанные электротехнические стали и пермаллои. Толщина сталей достигает 30-25 мкм, а пермаллой, как мееханически более мягкий сплав, может быть получен толщиной до 2-3 мкм. Основные магнитные свойства таких тонких магнитных материалов близки к свойствам материалов больших толщин, однако они имеют несколько повышенную коэрцитивную силу и высокую стоимость, а технология сборки магнитных цепей из них весьма сложна.

2.3. Ферриты.            

 Как отмечалось  выше, ферриты представляют собой  оксидные магнитные материалы,  у которых спонтанная намагниченность  доменов обусловлена нескомпенсированным антиферромагнетизмом.            

 Большое удельное  сопротивление, превышающее удельное  сопротивление железа в 10 ³ -10 ¹³ раз, а следовательно, и относительно незначительные потери энергии в области повышеных и высоких частот наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам широкое применение в радиоэлектронике.

Табл. 2 Группы и  марки магнитомягких ферритов.            

  Высокопроницаемые  ферриты. В качестве магнитомягких материалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпинели и представляют собой твердые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe ₂ O ₄ или MnFe2O4) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe ₂ O ₄ ) - немагнитен. Основные закономерности изменения магнитных свойств от состава в подобных системах представлены на рис.2 и 3. Чтобы объяснить наблюдаемые закономерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислородные междуузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических промежутках. Состав твердого раствора с учетом распределения

катионов по кислородным междуузлиям можно охарактеризовать следующей формулой:

(Zn ²⁺ _x Fe ³⁺ _1-x )[Ni ²⁺ _1-x Fe ³⁺ _1+x ]O ₄

где стрелки  условно указывают направление  магнитных моментов ионов в соответствующих  подрешетках. Отсюда видно, что вхождение  цинка в кристаллическую решетку  сопровождается вытеснением железа в октаэдрические позиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации магнитных моментов катионов, находящихся в различных подрешетках (А и В). В результате возникает очень интересный эффект: увеличение концентрации немагнитного компонента приводит к увеличению намагниченности насыщения (а следовательно, и В _s ) твердого раствора (рис.2). Однако разбавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ослабление основного обменного взаимодействия типа А-О-В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри (Т _к ) при увеличении мольной доли ZnFe ₂ O ₄ в составе феррошпинели. Быстрый спад индукции насыщения в области х > 0,5 объясняется тем, что магнитные моменты небольшого количества ионов в тетраэдрической подрешетке уже не в состоянии ориентировать антипараллельно себе магнитные моменты всех катионов, находящихся в В-подрешетке. Иными словами, обменное взаимодействие типа А-О-В становится настолько слабым, что не может подавить конкурирующее взаимодействие типа В-О-В, которое также является отрицательным и стремится вызвать антипараллельную ориентацию магнитных моментов катионов в В-подрешетке.            

 Ослабление  обменного взаимодействия между  катионами при увеличении содержания  немагнитного компонента приводит  к уменьшению констант кристаллографической  анизотропии и магнитострикции.  Благодаря этому облегчается  перемагничивание ферримагнетика  в слабых полях, т.е. возрастает  начальная магнитная проницаемость.  Наглядное представление о зависимости  начальной магнитной проницаемости  от состава твердой фазы дает  рис.3. Максимальному значению проницаемости отвечает точка в треугольнике составов с ориентировочными координатами 50% Fe ₂ O ₃ , 15% NiO и 35% ZnO. Этой точке соответствует твердый раствор Ni _1-x Zn _x Fe ₂ O ₄ с х » 0,7. Из сопоставления рис.2 и 3 можно сделать вывод, что ферриты с высокой начальной магнитной проницаемостью должны обладать невысокой температурой Кюри. Аналогичные закономерности наблюдаются для марганец-цинковых ферритов.            

 Значения  начальной магнитной проницаемости  и коэрцитивной силы определяются  не только составом материала,  но и его структурой. Препятствиями,  мешающими свободному перемещению  доменных границ при воздействии  на феррит слабого магнитного  поля, являются микроскопические  поры, включения побочных фаз,  участки с дефектной кристаллической  решеткой и др. Устранение этих  структурных барьеров, также затрудняющих  процесс намагничивания, позволяет  существенно повысить магнитную  проницаемость материала. Большое  влияние на значение начальной  магнитной проницаемости ферритов  оказывает размер кристаллических  зерен. Марганец-цинковые ферриты с крупнозернистой структурой могут обладать начальной магнитной проницаемостью до 20000. Это значение близко к начальной магнитной проницаемости лучших марок пермаллоя.

Магнитные свойства. Для ферритов, используемых в переменных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс угла потерь tg d . Благодаря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис. Поэтому значение tg d в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксациооными и резонансными явлениями. Для оценки допустимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты f _кр . Обычно под fкр понимают такую частоту, при которой tg d достигает значения 0,1.