Магнитомягкие материалы | Лаборатория магнитных материалов и измерений

Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей
и измерения магнитных параметров

Статьи

Статьи » Прецизионные магнитомягкие сплавы

Магнитомягкие материалы

Наиболее часто применяемые сплавы: 79НМ, 80НХС, 49К2ФА, 49КФ, 16Х в производстве магнитопроводов. Рассмотрены вопросы связанные с применяемостью этих сплавов, их химическим составом, классификация, а так же высокотемпературный отжиг и измерение основных магнитных параметров.

Магнитомягкие материалы.

Магнитомягкие материалы - это магнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой и как следствие узкой предельной петлей гистерезиса, которые под действием магнитного поля способны легко намагничиваться и размагничиваться. Считается, что к магнитомягким можно отнести те материалы, которые обладают внутренней коэрцитивной силой менее 4000 А/м при условии деления всех магнитных материалов на два класса - магнитомягкие и магнитотвердые, а при выделении в отдельную группу полутвердые материалы (тройная классификация) -  материалы с коэрцитивной силой менее 500 А/м.

Магнитомягкие материалы включают в себя широкий спектр железоникелевых и железокобальтовых прецизионных магнитомягких сплавов, кремнистых и нелегированных электротехнических сталей и чистое железо. Магнитомягкие материалы находят применение в устройствах, требующих от материалов высокой начальной и максимальной магнитной проницаемости в сочетании с простотой изготовления.

Для производства прецизионных магнитомягких сплавов используется сложное оборудование, передовые технологии и опыт, накопленный при производстве сплавов для авиационной промышленности. Производство магнитомягких материалов включает в себя применение ультрачистого сырья, специальные процессы и технологии плавки в индукционных печах в инертной атмосфере и рафинирования расплава. Конечный продукт изготавливается путем ковки, горячей и холодной прокатки, волочения проволоки и термообработки в зависимости от технических требований заказчика.


Содержание

  1. К каким материалам относятся магнитомягкие материалы;
  2. Основные магнитные параметры, определяющие применение магнитомягкого материала;
  3. Область применения магнитомягких материалов.

Магнитомягкие материалы.

Магнитомягкие материалы - это магнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой и как следствие узкой предельной петлей гистерезиса, которые под действием магнитного поля способны легко намагничиваться и размагничиваться. Считается, что к магнитомягким можно отнести те материалы, которые обладают внутренней коэрцитивной силой менее 4000 А/м при условии деления всех магнитных материалов на два класса - магнитомягкие и магнитотвердые, а при выделении в отдельную группу полутвердые материалы (тройная классификация) -  материалы с коэрцитивной силой менее 500 А/м. Магнитомягкие материалы используются главным образом в качестве проводников и концентраторов магнитного потока, создаваемого обмоткой при протекании в ней электрического тока или намагниченным магнитотвердым материалом. Типичные магнитомягкие материалы применяемые в промышленности имеют коэрцитивную силу менее 160 А/м, а наименьшее ее значение не превышает 0,1 А/м.

Основным магнитным параметром, который применяют в качестве мерила «мягкости» материала или его поведения в магнитном поле является относительная магнитная проницаемость ( µr , где µr = B / µ0 · H ), которая показывает, насколько легко материал реагирует на приложенное магнитное поле. Другими основными магнитными параметрами, характеризующие магнитомягкий материал являются коэрцитивная сила, намагниченность насыщения и удельная электропроводность.

Область применения магнитомягких материалов разделяют на две части: переменного и постоянного тока. В устройствах с магнитной системой, работающих от постоянного тока, при включении магнитомягкий материал намагничивается и остается в этом состоянии, передавая магнитный поток для выполнения какого либо действия, а при выключении - переходит в состояние остаточной намагниченности, которая либо пренебрежимо мала, либо стремится к нулю, например в электромагните. В устройствах, работающих от переменного тока, магнитомягкий материал непрерывно циклически перемагничивается в течение всего периода работы устройства, например в трансформаторе.

Значимость основных магнитных параметров магнитомягких материалов определяется областью их применения. В случае применения магнитомягкого материала для работы в магнитном поле постоянного тока основным параметром, влияющим на выбор материала, скорее всего, будет магнитная проницаемость. Например, при экранировании устройств от проникновения в них магнитного поля или его ослабления магнитомягкий материал локализует в себе магнитную энергию в пределах определенного пространства. Если магнитомягкий материал используется для создания магнитного поля в рабочем зазоре, то на его выбор может оказывать влияние намагниченность насыщения.

Когда магнитомягкий материал требуется применить в магнитных системах, работающих от переменного тока, важно учитывать, какое количество энергии будет поглощаться материалом при его циклическом перемагничивании по петле гистерезиса. В переменном магнитном поле изменяются размеры доменов, вследствие движения доменных границ, и ориентация вектора намагниченности, вследствие вращения намагниченности. Эти процессы сопровождаются вихревыми токами, процессами спиновой релаксации (релаксации намагниченности), упругой деформацией и переходом части энергии колебания атомов в теплоту. При этом стоит отметить, что в металлических материалах преобладают магнитные потери на вихревые токи, а в диэлектриках - магнитные потери, связанные со спиновой релаксацией.

Потери энергии при работе магнитомягкого материала по способу измерения можно разделить на:

  • потери на гистерезис, которые появляются при периодическом перемагничивании с частотой f, и равны площади динамической петли магнитного гистерезиса, умноженной на частоту;
  • потери на вихревые токи, которые связаны с генерацией вихревых токов, индуцированные изменением магнитной индукции в магнитомягком материале и определяются как Pc2·Bm2 ·f2·h2/6·ρ;
  • потери, связанные с изменением размеров доменов, вследствие движения доменных границ, и вращения вектора намагниченности.

Потери на гистерезис могут быть сокращены за счет уменьшения внутренней коэрцитивности магнитомягкого материала, что приведет к уменьшению площади петли гистерезиса.

Потери на вихревые токи сильно зависят от отношения ширины доменов к толщине пластины D/h, поскольку изменение магнитной индукции в магнитном материале происходит вследствие движения доменных границ, и от проводимости магнитомягкого материала. Уменьшение потерь на вихревые токи достигается применением магнитомягкого материала с более низкой проводимостью и нанесением изоляционного покрытия на материал, которое оказывает существенное влияние на потери с повышением частоты перемагничивания.

Потери, связанные с изменением размеров доменов могут быть уменьшены за счет применения абсолютно однородного материала, внутри которого не будет никаких помех движению доменных стенок.

Классификация магнитомягких материалов

Классификация магнитомягких материалов приведена на рисунке.

Классификация магнитомягких материалов

Рисунок 1. Классификация магнитомягких материалов

Нелегированная электротехническая сталь и железо.

Кремнистые электротехнические стали.

Кремнистые электротехнические стали широко применяются для изготовления магнитных систем силовых и согласующих трансформаторов, работающих на промышленной частоте 50 - 60 Гц. Трансформатор должен работать при наибольшей максимальной магнитной индукции Bs, чтобы обеспечить минимальные габариты, и должен иметь при этом минимальные магнитные потери, чтобы температура перегрева была не выше заданного значения. Таким образом, кремнистая электротехническая сталь должна обладать высокой магнитной индукцией при заданной напряженности магнитного поля и иметь низкие удельные магнитные потери на частоте 50 Гц при максимальной магнитной индукции.

Сокращение потерь на вихревые токи удается достичь при легировании электротехнической стали кремнием в количестве до 3%, вследствие повышения удельного электрического сопротивления в 4 раза по отношению к нелегированным электротехническим сталям. При этом установлено, что предельное содержание кремния в электротехнической стали может достигать 4,8 %, это связано с тем, что легирование кремнием приводит не только к ухудшению механических свойств, но и к снижению индукции технического насыщения и температуры точки Кюри. Также кремний способствует уменьшению и магнитокристаллической анизотропии. Легирование кремнием свыше 4 % делает электротехническую сталь чрезвычайно хрупкой и затрудняет ее производство. При этом содержание кремния в поверхностных слоях деталей из кремнистой электротехнической стали возможно увеличить силицированием. Для этого используется непрерывная холоднокатаная полоса с содержанием кремния 3% шириной 600 мм и толщиной до 0,3 мм. Наиболее часто применяются электротехнические стали с содержанием кремния от 3 до 4 %. Вторым способом снижения потерь на вихревые токи является изготовление электротехнической стали в виде лент толщиной от 0,3 до 0,7 мм с нанесенным изоляционным покрытием толщиной 2 - 5 мкм, которое препятствует электрическому контакту металлических листов.

Для изготовления силовых трансформаторов применяют анизотропную электротехническую сталь, поскольку создаваемый в ней магнитный поток максимален по направлению проката листа, что достигается с помощью различных стадий холодной прокатки. Основные направления совершенствования анизотропной электротехнической стали сводятся к получению совершенной кристаллографической текстуры с минимальным средним отклонением оси легкого намагничивания [001] от направления проката, которое в высокопроницаемой анизотропной электротехнической стали составляет около 3° по сравнению с 6° для обычной анизотропной электротехнической стали. А также создание искусственных барьеров поперек направления прокатки, обеспечивающих снижение ширины основных доменов и магнитных потерь на вихревые токи.

Анизотропная кремнистая электротехническая сталь может изготавливаться с ребровой или кубической текстурами. В электротехнической стали с кубической текстурой оси легкого намагничивания [001] отдельных кубических кристаллитов ориентированы вдоль направления прокатки, а плоскости [100] совпадают с поверхностью пластины, намагничивание вдоль диагонали грани [100] происходит труднее, а наиболее трудно – вдоль диагонали куба [111]. Магнитные свойства электротехнической стали с кубической текстурой примерно одинаковы вдоль и поперек направления прокатки, только под углом 45° они несколько хуже, что соответствует направлению [110]. Сталь имеет значительную магнитострикцию при перемагничивании вдоль выделенного направления, т.е. создает шум при работе трансформаторов. Поэтому ее эффективно можно использовать только во вращающихся электрических машинах. Производство электротехнической стали с кубической текстурой так и не достигло промышленных масштабов вследствие относительно дорогостоящей технологии ее производства и не нашла широкого распространения.

В электротехнической стали с ребровой кристаллографической текстурой оси легкого намагничивания [001] отдельных кубических кристаллитов совпадают с направлением прокатки, обеспечивая получения наивысших магнитных свойств, к примеру магнитной индукцией В800 более 1,85 Тл. Ребро куба [100] ориентируется вдоль направления проката, при этом поперек проката ориентируется диагональ грани [110], вследствие чего магнитные свойства поперек проката значительно ниже, чем по направлению, особенно под углом 55° к направлению проката.

Рисунок 2 Условное изображение текстур в кремнистой электротехнической стали: (а) ребровая текстура, (б) кубическая текстура

Дополнительная информация по кремнистым электротехническим сталям:

Электротехническая сталь и железо, Кремнистая электротехническая сталь

Низкокоэрцитивные магнитомягкие сплавы – пермаллои и пермендюры, сплавы Fe-Co-Ni легированные Mn, Cr, Si, Cu, V, Ti..

Аморфные и нанокристаллические сплавы.

Магнитомягкие ферриты.

Альсифер.

Альсифер представляет собой трехкомпонентный магнитомягкий сплав на основе железа, 9,6% кремния и 5,4% алюминия. Сплав обладает высокой магнитной проницаемостью, высокой твердостью и сопротивлением к истиранию. За рубежом сплав известен под названием «сендаст». Для промышленности разработан сплав 10СЮ-ВИ, который изготавливается в виде литой полосы толщиной 8 - 15 мм. Сплав изготавливается также методами порошковой металлургии в виде прутка диаметром 15 - 80 мм или методом сверхбыстрой закалки расплава. Благодаря хорошей размольности сплав применяют в качестве ферромагнитной составляющей магнитодиэлектриков. Образцы сплава 10СЮ-ВИ полученные в лабораторных условиях по своим магнитным свойствам не отличается от пермаллоев и обладают начальной магнитной проницаемостью не менее 35 000 и максимальной не менее 117 000, коэрцитивной силой не более 1,76 А/м и удельным сопротивлением 0,8 мкОм·м. Получение максимума магнитных свойств достигается очень точным соблюдение химического состава. В промышленности удается получать сплавы с начальной магнитной проницаемостью не менее 7 000. Отечественная промышленность выпускала 6 марок альсиферов с относительной магнитной проницаемостью от 22 до 90, предназначенных для работы в диапазонах частот от 0,1 кГц до 0,7 МГц и в интервале температур от минус 60 до +120 °С. Сердечники из альсифера обеспечивают устойчивость изделий к воздействию температур, влаги, изменения давления. Альсифер применяют для изготовления катушек индуктивности, трансформаторов, магнитных экранов, корпусов приборов машин, деталей магнитопроводов для работы в постоянных или медленно меняющихся магнитных полях.

В настоящее время материал не применяется.

Порошковые магнитомягкие материалы.

Карбонильное железо.


© Magnetlab.ru - Лаборатория магнитных материалов и измерений 2019 г. При использовании материалов, ссылка на сайт обязательна
0
0
Назад

Дополнительно по данной категории

Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Ваше имя:
Комментарий:
Секретный код:Для обновления секретного кода нажмите на картинку
Повторить:
Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей и измерения их магнитных параметров
Top.Mail.Ru