Методические указания по изучению предмета «Конструкционные и электротехнические материалы» (стр. 8 из 9)
Начальная кривая намагничивания и петли гистерезиса
Рис. 3. Кроме потерь на перемагничивание, в магнитном материале имеют место потери на вихревые токи.
Литература: [3], с. 288-294; [6], т. 3, с. 6-14.
5. 2. Металлические магнитные материалы
К металлическим магнитным материалам относятся магнитомягкие и магнитотвердые материалы.
Магнитомягкие материалы предназначены для работы в качестве магнитопроводов для переменного магнитного поля, создаваемого переменным электрическим током.
Такие материалы должны иметь малые потери на гистерезис и вихревые токи.
Они должны обладать большими величинами магнитной проницаемости и в то же время иметь малую коэрцитивную силу, большую индукцию насыщения. Последние две величины обуславливают узкую и высокую петлю гистерезиса, что является характерным признаком всех материалов, входящих в данную группу.
К магнитомягким материалам относятся технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа с никелем, получившие название пермаллоев, и альсиферы - сплавы железа, кремния и алюминия и др. Все эти материалы имеют высокую магнитную проницаемость, очень малую коэрцитивную силу и небольшие потери на гистерезис.
Технически чистое или так называемое армко-железо содержит очень мало примесей (сотые доли процента). Его выплавляют в мартеновских печах из особо чистых руд. Другой вид технически чистого железа - электролитическое железо получают методом электролитического осаждения из раствора сернокислого или хлористого железа.
широкое применение получило железо высокой химической чистоты, называемое карбонильным железом. Оно представляет собой порошок, выделяемый из карбонила железа (Fe(CO)5)при температуре 200-250°С и давлении 150 МПа.
Армко-железо, электролитическое и карбональное железо используют в производстве магнитодиэлектриков.
Самым массовым магнитомягким материалом, имеющим широкую область применения, является листовая электротехническая сталь. Это сплав железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8-4,8%.
Электротехническая сталь выплавляется в мартеновских печах. Листы изготовляются прокаткой стального слитка в горячем или холодном состоянии. Поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную сталь. Горячекатаная сталь в магнитном отношении не анизотропна, то есть ее магнитные характеристики одинаковы во всех направлениях.
Применение повторной прокатки листов стали в холодном состоянии с последующим отжигом существенно меняет ее кристаллическую структуру за счет ориентации ребер кристаллов вдоль направления прокатки, т. е. происходит текстурирование стали. Текстурированная сталь отличается большой анизотропией: магнитные свойства ее в несколько раз выше в продольном (по ходу прокатки) направлении.
Необходимо разобраться в маркировке электротехнической стали, ее характеристиках и применении в электромашиностроении.
Пермаллой представляет собой железоникелевый сплав. Он предназначен для получения больших индукций в слабых магнитных полях. Различают высоконикелевый (с содержанием никеля до 80%) и низконикелевый (до 50%) пермаллой. Высоконикелевый пермаллой используется при изготовлении магнитных усилителей, слаботочных трансформаторов, катушек индуктивности аппаратуры связи и автоматики. Низконикелевый пермаллой используется в телефонии и радиотехнике для деталей электромагнитных реле, полюсных наконечников, магнитных экранов. Порошкообразный пермаллой применяют в производстве магнитодиэлектриков.
К числу материалов с большой начальной магнитной проницаемостью относится альсифер - сплав алюминия, кремния и железа. Он используется для магнитных экранов, корпусов приборов, деталей магнитопроводов для работы на постоянном токе. Альсифер, измельченный в тонкий порошок, применяется в производстве магнитодиэлектриков.
Магнитодиэлектрики предназначены для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а, следовательно, и малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Магнитодиэлектрики получают путем прессовки порошкообразного ферромагнетика с органической или неорганической связкой, изолирующей зерна друг от друга. В качестве основы применяют карбонильное железо, альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т. п.
К сплавам с особыми свойствами следует отнести:
сплавы, отличающиеся незначительным изменением магнитной проницаемости при изменении напряженности поля. Это перминвар, представляющий собой тройной сплав Fe-Ni-Сo, и изотерм, в состав которого входят железо, никель, алюминий или медь;
сплавы с сильной зависимостью магнитной проницаемости от температуры. Это термомагнитные сплавы: медноникелевый сплав - кальмаллой, железоникелевый - термаллой и железоникельхромовый - компенсатор;
сплавы с высокой магнитострикцией. При намагничивании ферромагнитных монокристаллов наблюдается изменение их линейных размеров. Это носит название магнитострикции. Магнитострикционные материалы (никель и сплавы железа с кобальтом) широко используются в технике в качестве излучателя ультразвука. Огромной магнитострикцией обладают редкоземельные элементы: тербий, тулий, эрбий и их соединения, а также атомы урана. Акустическая энергия излучателей на РЗМ в сотни раз больше, чем у излучателей на ферромагнитных сплавах;
сплавы с особо высокой индукцией насыщения. Это железокобальтовые сплавы пермендюры с индукцией насыщения до 2,4 Т, т. е. большей, чем у всех известных ферромагнетиков.
Следует ознакомиться с областью применения указанных сплавов. В последнее время возник новый класс магнитомягких материалов - аморфные магнетики. У этих веществ нет кристаллической решетки; их структура аналогична структуре жидкостей или таких веществ, как стекло или смола. Эти материалы обладают целым рядом ценнейших свойств и при устранении сложности их получения весьма перспективны.
Вторую группу металлических магнитных материалов составляют магнитотвердые материалы. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты, будучи один раз намагничены, в течение многих лет сохраняют состояние намагниченности. Для них характерна большая коэрцитивная сила Нc и большая остаточная индукция Вr. Петля гистерезиса у них значительно шире, чем у магнитомягких, поэтому магнитотвердые материалы трудно перемагничиваются.
Металлические магнитотвердые материалы по составу и способу получения подразделяются на четыре группы:
I. Легированные стали мартенситной структуры. Они являются наиболее простым и доступным материалом для постоянных магнитов. Легируются добавками вольфрама, хрома, молибдена, кобальта. Необходимо изучить их состав, свойства и магнитные характеристики.
II. Тройные сплавы. Большую магнитную энергию имеют тройные сплавы Αl-Νί-Fe, которые раньше называли сплавами альни. Сплав альни с добавкой кремния называли альниси, сплав альни с кобальтом - альнико, сплав альни с небольшим содержанием кобальта магнико. В современной маркировке сплавов системы Al-Ni-Fe приняты следующие обозначения: Ю - алюминий, Η - никель, Д - медь, К - кобальт, Τ - тина, Б - ниобий.
Наибольшее применение имеют сплавы ЮНД4 (альни - 3), ЮНДК24 (альнико - 24), ЮНДК-15 (альнико - 15).
Необходимо ознакомиться с маркировкой, составом, магнитными характеристиками тройных сплавов.
III. Магниты из порошков. Невозможность получения особенно малых изделий со строго выраженными размерами из литых железоникельалюминиевых сплавов обусловила привлечение методов порошковой металлургии для производства постоянных магнитов.
С методом порошковой металлургии учащиеся ознакомились при изучении темы 1.2. При этом следует различать металлокерамические магниты из зерен порошка, скрепленных тем или иным связующим (металлопластические магниты).
Очень большой коэрцитивной силой обладают спеченные магнитотвердые материалы на основе кобальта с редкоземельными металлами, самарием, празеодимом.
Необходимо ознакомиться с получением, свойствами и применением магнитов из порошков.
IV. Пластически деформируемые сплавы. Используются для записи и воспроизводства звука. К ним относятся сплавы меди, железа и никеля (кунифе), меди, никеля и кобальта (кунико); железа, кобальта и ванадия (викаллой).
Использование перспективных магнитных материалов в современной электротехнике, радио-, телевизионной и вычислительной технике позволяет создавать устройства нового типа, которые гораздо компактнее, надежнее и экономичнее традиционных.
Литература: [3], с. 294-311.
5. 3. Неметаллические магнитные материалы.
Ферриты представляют собой магнитную керамику с незначительной электронной электропроводностью. Большое удельное сопротивление, превышающее ρ железа в 106-1011 раз, а, следовательно, и малые потери на вихревые токи в области повышенных и высоких частот, наряду с достаточно высокими магнитными свойствами обеспечивают ферритам самое широкое применение в высокочастотной технике.
Ферриты представляют собой системы из окислов железа и окислов двухвалентных, реже одновалентных металлов.
Следует изучить магнитные и электрические характеристики ферритов. Ферриты могут быть магнитомягкие и магнитотвердые. Первые получают обычно с использованием окислов никеля, марганца, цинка, лития, меди.