Магнитотвердые материалы: основные свойства, характеристики, использование

Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы должны иметь высокую начальную и максимальную магнитную проницаемость и низкую коэрцитивную силу. Кроме этого, они должны обладать незначительными потерями при перемагничивании на вихревые токи, обладать малой площадью петли гистерезиса и сравнительно высоким электрическим сопротивлением.

Изготовление магнитно-мягких изделий литьём трудоёмко и связано с большими потерями материала. Себестоимость магнитно-мягких спеченных деталей гораздо ниже себестоимость тех же деталей, изготовленных путём обработки на металлорежущих станках из компактного материала. При этом в ряде случаев требования промышленности настолько высоки, что выполнение их на базе существующей технологии изготовления магнитно-мягких материалов невозможно.Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и другими. Порошок железа, применяемый как основа магнитно-мягких материалов, должен содержать углерода не более 0,07%. Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Состав и свойства некоторых магнитно-мягких материалов

При изготовлении магнитно-мягких материалов из железного порошка необходимое количество его смешивают с определенной дозой стеротекса (цинковая соль стеариновой кислоты) для улучшения прессуемости порошка. Затем проводят прессование и спекание в атмосфере водорода. Охлаждение после спекания осуществляют в холодильнике печи также в атмосфере водорода. После спекания изделия подвергают допрессовке, после которой проводят повторное спекание в водороде (отжиг).

В результате такой обработки получают изделия, имеющие характеристики:

• остаточная магнитная индукция В₈₀₀, Тл – 0,9
• максимальная магнитная проницаемость μ_max, мГн/м –3400 –3500
• коэрцитивная сила Н_с, А/м – 96–104

Чистое железо имеет низкое электросопротивление. Поэтому для изделий из него характерны большие потери на вихревые токи. Для снижения этих потерь применяют сплавы железа с кремнием, кремнием и алюминием или другими легирующими добавками. Лучшие свойства достигаются при содержании кремния 4–6 %. Сплавы с большим содержании кремния имеют высокую твердость, повышенную хрупкость и плохую обрабатываемость.

Сплавы типа пермаллоя можно получать как из механической смеси порошков, так и из порошков полученных путем совместного осаждения карбонилов железа и никеля. Сплав, получаемый совместным легированием карбонилов, имеет более высокие свойства, чем полученный механическим смешиванием отдельных компонентов. Так, в первом случае коэрцитивная сила Н_с= 0,537 А/м, максимальная магнитная проницаемость μ_max= 6,62 мГн/м , а во втором соответственно Н_с=0,0417 А/м, μ_max= 3,49 мГн/м.

В настоящее время разработан электролитический метод получения порошковых магнитно-мягких сплавов типа тройного пермаллоя (Ni–Fe–Mo) и четверных супермаллоев ( Ni–Fe–Mo–Mn и Ni–Fe–Mo–Cu) с высокими магнитными свойствами. Из-за высокой твердости частиц такие порошки плохо прессуются. Для улучшения прессуемости в состав вводят определенное количество пластмассы, которая при спекании в водороде полностью удаляется и не влияет на магнитные свойства.В ряде случаев для улучшения свойств магнитно-мягких материалов проводят термомагнитную обработку, которая заключается в нагреве магнитных изделий до температуры порядка 710 °С с выдержкой при этой температуре и последующем охлаждением в магнитном поле. Магнитная проницаемость после такой обработки повышается.

Петля гистерезиса

Существует два вида искусственных магнитов. Первый вид — постоянные, которые изготовлены из магнитотвердых материалов, свойства их никак не связываются с внешними источниками или токами. Второй вид — электромагниты. У них есть сердечник из железа — магнитомягкого материала, и по обмотке этого сердечника проходит ток, что и создает магнитное поле. Теперь нужно рассмотреть принципы его работы. Характеризует магнитные свойства петля гистерезиса для магнитотвердых материалов. Существуют достаточно сложные технологии для изготовления магнитных систем, а потому нужны сведения о намагничивании, магнитной проницаемости, о потерях энергии, когда происходит перемагничивание. Если изменение напряженности циклическое, кривая перемагничивания (изменения индукции) всегда будет выглядеть как замкнутая кривая. Это и есть петля гистерезиса. Если поле слабое, тогда петля больше похожа на эллипс.

Когда напряженность магнитного поля увеличивается, получается целая серия таких петель, заключенных друг в друга. В процессе намагничивания все векторы ориентируются вдоль, а при окончании наступит состояние технического насыщения, материал будет намагничен полностью. Петля, полученная при насыщении, называется предельной, она показывает максимально достигнутое значение индукции Bs (индукция насыщения). Когда напряженность уменьшается, сохраняется остаточная индукция. Площадь гистерезисных петель в предельном и промежуточном состоянии показывает рассеивание энергии, то есть потери на гистерезис. Это зависит более всего от частоты перемагничивания, свойств материала, геометрических размеров. Предельной петлей гистерезиса могут определяться следующие характеристики магнитотвердых материалов: индукция насыщения Bs, остаточная индукция Bc и коэрцитивная сила Нс.

Электромагниты

Электромагнит — это магнит, в котором магнитное поле создается электрическим током. Магнитное поле исчезает, когда ток отключается. Электромагниты обычно состоят из большого количества близко расположенных витков провода, которые создают магнитное поле. Проволочные витки часто наматываются вокруг магнитного сердечника, изготовленного из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо; магнитный сердечник концентрирует магнитный поток и создает более мощный магнит.

Основным преимуществом электромагнита перед постоянным магнитом является то, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, который не требует питания, электромагнит требует непрерывной подачи тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели, генераторы, реле, соленоиды, громкоговорители, жесткие диски, МРТ-аппараты, научные приборы и оборудование для магнитной сепарации. Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых железных предметов, таких как металлолом и сталь. Электромагнетизм был открыт в 1820 году. Тогда же вышла первая классификация материалов по магнитным свойствам.

Ферриты

Ферриты представляют собой класс магнитных материалов, состоящих из оксидов железа (Fe2O3) и других металлов (NiO, MgO, ZnO, MnO, CuO, BaO и др.). Состав ферритов можно записать формулой

МеО⋅Fe₂o₃, где

Me –двухвалентный металл.

Компоненты, входящие в ферриты, образуют между собой обширные области твердых растворов, в которых присутствуют магнитные материалы с очень широким диапазоном свойств. Эти материалы могут быть магнитно-твердыми и магнитно-мягкими.

Процесс производства ферритов

Процесс производства ферритов представляет собой сложный комплекс технологических операций, так как электромагнитные свойства ферритов изменяются при незначительных отклонениях от состава шихты, зернистости порошков, удельного давления при прессовании, температуры и времени спекания.

Процесс производства ферритов состоит из следующих этапов:

• составление, смешивание, помол и отжиг шихты;
• введение пластификаторов, второе смешивание с помолом и протирка шихты;
• прессование и спекание.

В зависимости от состава ферритов их спекание проводят при температурах от 900 до 1400 °С в воздушной среде. Однако в некоторых случаях применяют инертную среду. После обжига изделия проверяют на отсутствие трещин, сколов, сохранение конфигурации и размеров, а также на электромагнитные параметры.

Магнитные свойства ферритов зависят от химического состава, условий спекания и режима последующего охлаждения. В зависимости от этих условий ферриты могут иметь начальную магнитную проницаемость от единицы до 4000. Индукция насыщения ферритов бывает не высокой. Так при полях в 8–12 кА/м индукция насыщения составляет не более 0,4 Тл. Ферриты трудно намагничиваются, и полное магнитное насыщение у них наступает при очень сильных полях.

Удельное электрическое сопротивление ферритов колеблется в пределах 0,1·105 Ом·м, в то время как у металлов оно составляет не более 10-6 мОм⋅. Ферриты представляют собой соединения сложного структурного строения. Наиболее распространены ферриты типа шпинели, у которых элементарные ячейки аналогичны природному минералу MgO⋅Al₂O₃. Имеются ферриты с гексагональной решеткой, строение которых аналогично природному материалу Pb(Fe·Mn)₁₂O₁₉. Кроме того существуют ферриты с элементарной ячейкой, подобной природному минералу – гранату и ферриты типа перовскита, аналогичные по структуре природному минералу CaO⋅TiO₂.

Ферриты применяют для изготовления деталей радиоприемников, телевизоров, запоминающих и вычислительных устройств, систем магнитной записи и в качестве конструкционного материала для построения элементов связи.

Новыми перспективными магнитными материалами являются постоянные магниты на основе редкоземельных металлов, и аморфные магнитные материалы. Магниты на основе редкоземельных металлов представляют собой соединения редкоземельных элементов с кобальтом типа:

RCO₅, где

– R–Sm, Pr, Cd, Ce.

Они имеют высокую магнитную энергию ( 250 – 290 мДж/м3) и применяются в микроволновых устройствах, авиационной, космической и других отраслях техники.

Аморфные магнитные материалы имеют состав, который можно описать формулой:

T_75-83M_25-17, где

• Т – Fe, Co, Ni (могут быть микродобавки других металлов);
• M – P, C, B, Si, Al.

Аморфные материалы не имеют границ зерен, и величина коэрцитивной силы в них исчезающе мала ( порядка 0,5 А/м). Они используются для изготовления магнитных экранов, головок магнитнозаписывающих устройств, сердечников реле и других изделий.

Проницаемость и потери энергии

Чтобы охарактеризовать поведение материала в поле напряженности, нужно использовать такое понятие как абсолютная магнитная проницаемость. Существуют определения импульсной, дифференциальной, максимальной, начальной, нормальной магнитной проницаемости. Относительная прослеживается по основной кривой, поэтому такое определение не употребляется — для простоты. Магнитная проницаемость при условиях, когда Н = 0 называется начальной, и ее можно определить только при слабых полях, приблизительно до 0,1 единиц измерения. Максимум, напротив, характеризует наибольшую магнитную проницаемость. Значения нормальной и максимальной предоставляют возможность наблюдать нормальный ход процесса в каждом частном случае. В области насыщения в сильных полях магнитная проницаемость всегда стремится к единице. Все эти значения необходимы для использования магнитотвердых материалов, применяют их всегда.

Потери энергии при перемагничивании необратимы. Электричество выделяется в материале как тепло, и потери его складываются из динамических потерь и потерь на гистерезис. Последние получаются при смещении стенок доменов, когда процесс намагничивания только начинается. Поскольку магнитный материал имеет структуру неоднородную, энергия обязательно затрачивается на выравнивание стенок доменов. А динамические потери получаются в связи с вихревыми токами, возникающими в момент изменения напряженности и направления магнитного поля. Таким же образом рассеивается энергия. И потери из-за вихревых токов превосходят на высоких частотах даже потери на гистерезис. Также динамические потери получаются в связи с остаточными изменениями состояния магнитного поля после того, как изменилась напряженность. Количество потерь последействия зависит от состава, от термической обработки материала, появляются они сугубо на высоких частотах. Последействие — это магнитная вязкость, и эти потери всегда учитываются, если ферромагнетики используются в импульсном режиме.

Петля гистерезиса

Существует два вида искусственных магнитов. Первый вид — постоянные, которые изготовлены из магнитотвердых материалов, свойства их никак не связываются с внешними источниками или токами. Второй вид — электромагниты. У них есть сердечник из железа — магнитомягкого материала, и по обмотке этого сердечника проходит ток, что и создает магнитное поле. Теперь нужно рассмотреть принципы его работы. Характеризует магнитные свойства петля гистерезиса для магнитотвердых материалов. Существуют достаточно сложные технологии для изготовления магнитных систем, а потому нужны сведения о намагничивании, магнитной проницаемости, о потерях энергии, когда происходит перемагничивание. Если изменение напряженности циклическое, кривая перемагничивания (изменения индукции) всегда будет выглядеть как замкнутая кривая. Это и есть петля гистерезиса. Если поле слабое, тогда петля больше похожа на эллипс.

Когда напряженность магнитного поля увеличивается, получается целая серия таких петель, заключенных друг в друга. В процессе намагничивания все векторы ориентируются вдоль, а при окончании наступит состояние технического насыщения, материал будет намагничен полностью. Петля, полученная при насыщении, называется предельной, она показывает максимально достигнутое значение индукции Bs (индукция насыщения). Когда напряженность уменьшается, сохраняется остаточная индукция. Площадь гистерезисных петель в предельном и промежуточном состоянии показывает рассеивание энергии, то есть потери на гистерезис. Это зависит более всего от частоты перемагничивания, свойств материала, геометрических размеров. Предельной петлей гистерезиса могут определяться следующие характеристики магнитотвердых материалов: индукция насыщения Bs, остаточная индукция Bc и коэрцитивная сила Нс.