3.1.2. Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы намаг­ничиваются в слабых магнитных полях (H ≤ 5∙10⁴ А/м) вследствие большой маг­нитной проницаемости (μ ≤ 88 мГн/м и μ_max ≤ 300 мГн/м) и малых потерь на перемагничивание.

Такие материалы применяют для из­готовления сердечников катушек, элек­тромагнитов, трансформаторов, дина-момашин.

При перемагничивании ферромагне­тиков в магнитном поле возникает не­сколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничи­вание для магнитно-мягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникно­вением токов Фуко.

В переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции В и напряженности поля Н.

Магнитно-мягкие мате­риалы подразделяются на низко- и вы­сокочастотные.

Низкочастотные магнитно-мягкие ма­териалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения B_s и низкочастотные с высо­кой магнитной проницаемостью μ (на­чальной μ_н и максимальной μ_max).

Материалы с высокой индукцией насы­щения. К ним прежде всего относятся железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции, малой коэрцитивной силе, достаточно высокой магнитной проницаемости и хо­рошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 10² до 5∙10⁴ А/м.

Магнитные свойства железа приве­дены в таблице.

Магнитные свойства железа

Железо	С, %	μн	μmax	Нc, А/м
		мГн/м
Карбонильное	0,005 - 0,01	4,0	26	6,4
Электролитическое, переплавленное в вакууме	0,01	—	79	7,2
Электролитическое	0,02 - 0,025	0,8	19	28
Технически чистое	0,02 - 0,04	0,3	9	64

Наибольшее количе­ство примесей содержит технически чи­стое железо. При содержании 0,02…0,04% С и остальных примесей в количестве 0,6% железо обладает достаточно хорошими магнитными свой­ствами. В процессе изготовления проката в же­лезе возникают внутренние напряжения, а в решетке - большое количество дис­локаций. Это ухудшает магнитные свой­ства. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения.

Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электро­лизом. Такое железо, особенно перепла­вленное в вакууме, имеет более высо­кую магнитную проницаемость, которая почти на порядок выше, чем в техниче­ски чистом железе. В той же степени снижается Н_с.

Наиболее чистое от углерода и при­месей карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Fе(СО)₅ - карбонила, с последующим спеканием порошка железа.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии ис­пользуют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлурги­ческими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей допускается в тех же количе­ствах. Электротехнические стали поста­вляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность вы­пускает, стали различного сортамента, в том числе тонкий лист.

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (ρ ≤ 0,1 мкОм ∙ м) увели­чивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее примене­ние устройствами с постоянным маг­нитным полем.

Электрическое сопротивление стали можно повысить легированием крем­нием, который не дефицитен. Раство­ряясь в железе, кремний образует леги­рованный твердый раствор. Один про­цент кремния повышает удельное со­противление на 0,12 мкОм ∙ м, но сни­жает B_s на 0,48 Тл. При отжиге кремний способствует росту кристаллов и тем самым несколько уменьшает Н_с.

Снижение общих потерь при перемагничивании кремнистой стали опреде­ляется главным образом увеличением удельного электрического сопротивления стали. Электрическое сопротивление продолжает повышаться с дальнейшим увеличением содержания кремния в ста­ли, но при этом сильно падают пласти­ческие свойства. Стали с содержанием кремния выше 4% хрупки, плохо про­катываются, что затрудняет получение тонколистового проката. Для уменьше­ния тепловых потерь сердечники из кремнистой стали используют в виде тонких (< 1 мм) листов с прослойкой изоляции (полимеры, оксиды).

После технологических операций, не­обходимых для изготовления деталей магнитопровода (резка, штамповка и др.), магнитные свойства сталей ухуд­шаются, т. е. увеличивается коэрцитив­ная сила, а, следовательно, и потери на гистерезис. Для восстановления маг­нитных свойств применяют отжиг при температуре ниже температур фазового превращения (880-900 °С) в среде, пре­дохраняющей от окисления и науглеро­живания. Если отжиг ведут в водороде, то это очищает сталь от вредных при­месей, и магнитные свойства улучшают­ся.

При использовании текстурованной анизотропной стали в силовых трансфор­маторах при совпадении направления проката с осевой линией сердечника трансформатора потери минимальны.

Легированные электротехнические стали применяют в электротехнических изделиях, рассчитанных на работу при частотах до f ≤ 400 Гц.

Более высокими значениями индукции насыщения (≤ 3 Тл) обладают ферро­магнетики, имеющие высокое значение атомного магнитного момента (редкозе­мельные металлы).

Материалы с высокой магнитной про­ницаемостью. Для достижения больших значений индукций в очень слабых маг­нитных полях (H ≤ 10² А/м) применяют сплавы, отличающиеся большой началь­ной проницаемостью. Это сплавы Fe-Ni (пермаллой) и Fe-Al-Si (альсифер).

Сплавы пермаллои с содержанием 45…83% Ni характеризуются большой магнитной проницаемостью μ_н ≤ 88 мГн/м; μ_max ≤ 310 мГн/м, что обеспечи­вает их намагничивание в слабых полях. Повышенное удельное элек­трическое сопротивление по сравнению с чистыми металлами Fe и Ni позволяет использовать их в радиотехнике и теле­фонии при частотах до 25 кГц. Малая Н_с < 16 А/м уменьшает потери на гисте­резис при перемагничивании. По значе­нию индукции насыщения сплавы с повышенным содержанием никеля усту­пают железу и стали. В зависимости от состава B_s изменяется в пределах 0,5…1,5 Тл. Большим достоинством пермаллоев является их высокая пластичность, что облегчает технологию получения полу­фабрикатов: тонких листов, лент и про­волоки, используемых при изготовлении сердечников.

Магнитные свойства пермаллоев ме­няются под воздействием даже слабых напряжений. При сжимающих напряже­ниях всего 5 МПа магнитная проницае­мость уменьшается в 5 раз, а коэрци­тивная сила возрастает в 2 раза. Поэто­му окончательно изготовленные детали надо подвергать термической обработке и в процессе сборки необходимо избе­гать ударов, сильной затяжки или сдав­ливания обмоткой.

Магнитные свойства железоникелевых сплавов зависят от скорости охлажде­ния.

Термическая обработка пермаллоев проводится для удаления примесей, остаточных напряжений и укрупнения зерна. Она заключается в медленном нагреве их до температуры 1100…1150 °С в среде, защищающей материал от окисления (вакууме, водороде); выдерж­ке при этой температуре 3…6 ч в зависи­мости от размера и массы; медленном охлаждении до 600 °С (100 °С/ч) и даль­нейшем быстром охлаждении (400 °С/ч), при котором не происходит упорядоче­ния твердого раствора.

Все пермаллойные сплавы по составу можно разделить на две группы: низко­никелевые с содержанием 45…50% Ni, имеющие высокую магнитную прони­цаемость (μ_н ≤ 4 мГн/м) при относи­тельно высокой индукции насыщения (1,5 Тл), и высоконикелевые с содержа­нием 79…83% Ni с чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью (μ_н ≤ 35 мГн/м), но меньшей индукцией насыще­ния 0,75 Тл.

Для улучшения электромагнитных и технологических свойств эти сплавы часто дополнительно легируют. Так, молибден и хром уменьшают чувстви­тельность к остаточным напряжениям, одновременно повышая удельное элек­трическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь стабилизирует свойства, улучшает механическую обра­батываемость, повышает удельное элек­трическое сопротивление. Кремний и марганец увеличивают удельное электри­ческое сопротивление. Все легирующие элементы увеличивают магнитную про­ницаемость μ_н и μ_max.

Сплавы подразделяют по уровню ос­новных свойств на девять групп.

В группу сплавов с наивысшей прони­цаемостью в слабых магнитных полях входят высоконикелевые легированные пермаллои 79НМ и 81НМА. Обозначение легирующих элемен­тов в них аналогично легированным сталям.

Эти пермаллои используют для работы в слабых полях до частот 25 кГц. С ростом частоты в интервале от 400 Гц до 25 кГц для снижения тепловых потерь уменьшают толщину проката. При этом, так же как и в сталях, уменьшает­ся магнитная проницаемость и растет Н_с, что ведет к росту потерь на перемагничивание.

В группу сплавов с высокой магнит­ной проницаемостью и повышенной ин­дукцией B_s входят низконикелевые неле­гированные пермаллои 45Н и 50Н. В связи с пони­женным электрическим сопротивлением их используют при более низких часто­тах, нежели легированные высоконикеле­вые пермаллои.

Представителем группы сплавов с высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением является пермаллой 50HXC. Легирование хромом и крем­нием увеличивает ρ сплава почти вдвое. Это позволяет использовать его в тех же изделиях, что и нелегированные пермаллои, но при несколько более высоких частотах.

Особую группу составляют пермал­лои с прямоугольной петлей гистерези­са 50НП, 65НП, 79НМП, которые широко используют в вычислительной технике и устройствах автоматического управле­ния. Отличительная особенность таких материалов - большая остаточная ин­дукция В_r, близкая к B_s.

Существуют два способа получения материала с прямоугольной петлей ги­стерезиса: создание кристаллографиче­ской или магнитной текстуры. Кристаллографическая текстура достигается посредством хо­лодной пластической деформации при прокатке с большими степенями обжа­тия, магнитная текстура — путем охлаждения материала при закал­ке в магнитном поле (термомагнитная обработка). Векторы намагниченности при такой закалке ориентируются вдоль поля. При последующем намагничива­нии в том же направлении вращение векторов отсутствует.

Преимущество метода термомагнит­ной обработки состоит в том, что пря­моугольную петлю гистерезиса можно получить у ленты любой толщины и в любом направлении, а не только в на­правлении прокатки.

У сплава 50НП прямоугольность пет­ли достигается прокаткой, а у сплавов 65НП и 79НМП путем обработки в магнитном поле. Сердечни­ки, изготовленные из анизотропных лент толщиной 3 мкм, могут работать при частотах 700 кГц, а при толщине 1,5 мкм - до 1 МГц. Такие ленты в основ­ном изготовляют из сплава 79НМП.

Из-за дороговизны тонких лен­точных сердечников и невозможности прокаткой получить ленты толщиной ме­нее 0,5 мкм разработаны методы полу­чения тончайших пленок

(10^-5…10^-6 см) путем напыления таких сплавов в вакууме на подложку немагнитного металла.

Альсиферы - сплавы системы Fe-Al-Si не содержат дорогих или дефи­цитных легирующих элементов. Сплав оптимального состава 9,6 % Si и 5,4 % А1 имеет следующие свойства: (μ_н = 44 мГн/м; μ_max = 146 мГн/м; Н_с = 1,76 А/м; μ₀M_s = l,l Тл; ρ = 0,81 мкОм ∙ м. Сплав имеет нулевые значения К и λ_s и низкие потери на гистерезис. Практическому применению таких сплавов препят­ствуют высокие твердость и хрупкость, что делает их абсолютно недеформируемыми. Альсиферы обладают хоро­шими литейными свойствами, поэтому их применяют для изготовления фа­сонных тонкостенных отливок. Эти сплавы используют также для получе­ния тонких порошков при изготовлении магнитодиэлектриков.

Высокочастотные магнитно-мягкие ма­териалы. При высоких частотах растут тепловые потери и тангенс угла потерь tgδ, что сопровождается ухудшением магнитных свойств ферромагнетика - уменьшением магнитной проницаемо­сти.

Одним из эффективных способов сни­жения тепловых потерь является приме­нение материалов с высоким электриче­ским сопротивлением - диэлектриков. К таким материалам относятся фер­риты, играющие важную роль в со­временной электронике. Ферриты изго­товляют спеканием оксидов. Удельное электрическое сопротивление их достига­ет 10¹² Ом∙ ∙м, что определяет возмож­ность использования их в области высо­ких радиочастот и сверхвысоких частот.

По своим магнитным свойствам при небольших частотах они уступают фер­ромагнитным металлам и сплавам на их основе. Их относительная магнитная проницаемость невелика и изменяется в широком интервале значений - от не­скольких тысяч до нескольких единиц; малая индукция насыщения

B_s < 0,4 Тл, относительно большая коэрцитивная сила Н_с ≤ 180 А/м, невысокие температу­ры точки Кюри θ ≤ 300 °С ограничи­вают их рабочую температуру и ухуд­шают температурную стабильность свойств.

К недостаткам ферритов относят их большую чувствительность к оста­точным напряжениям, в том числе теп­лового и магнитострикционного проис­хождения. Они обладают всеми свой­ствами керамики: твердые, хрупкие, при спекании дают большую усадку. Обра­батывать их можно только алмазным инструментом. Свойства ферритов зави­сят от различных технологических фак­торов (размер и однородность порош­ков оксидов, удельные нагрузки при прессовании, температура спекания, ре­жим охлаждения и др.). Все это затруд­няет получение ферритов с заданными и повторяющимися свойствами.

Ферриты спекают из двойных оксидов типа FeO-Fe₂O₃.

Ферриты имеют доменную структуру с нескомпенсированными антипарал­лельными магнитными моментами ионов металла (ферримагнетики). Ферримагнетизм по­является тогда, когда сумма магнитных моментов ионов, расположенных в раз­личных порах, неодинакова. Установле­но, что у большинства шпинельных фер­ритов в октаэдрических порах располо­жено восемь ионов трехвалентного же­леза, а в тетраэдрических порах - остальные восемь ионов трехвалентного железа и восемь ионов двухвалентного металла.

Магнитные свойства ферритов опре­деляются их химическим составом. Немагнитный цинковый фер­рит, добавленный в никелевый феррит, понижает θ и Н_с и резко увеличивает μ´_н при определенном химическом со­ставе, поэтому дозировка цинкового фер­рита должна быть очень точной.

Магнитные свойства ферритов зави­сят от условий эксплуатации и, в пер­вую очередь, от частоты перемагничива-ния. Предельно допустимая для материала частота внешнего поля f_кр опре­деляется частотой, при которой tg δ не превышает 0,1, а для некоторых изделий 0,02.

Ферриты для устройств, применяе­мых на радиочастотах. К ним отно­сятся Mn-Zn и Ni-Zn ферриты. Например, 4000НМ,

400НН, 100ВЧ.

На первом месте в марке стоит число, соответствующее μ´_н (относительная про­ницаемость). На втором - буквы, опре­деляющие частотный диапазон: Н - низ­кочастотные, ВЧ — высокочастотные. На третьем - буква, обозначающая леги­рующий элемент: Н - никель-цинковый, М - марганцево-цинковый феррит. Для высокочастотных ферритов легирующий элемент не указывается, например, 30ВЧ2 - μ´_н = 30, высокочастотный, раз­новидность вторая.

Ферриты Mn-Zn обладают высокой магнитной проницаемостью, но имеют относительно небольшое удельное элек­трическое сопротивление (10³ до 10⁵ Ом ∙ м), что ограничивает их использо­вание при высоких частотах ( < 3 МГц). Их подразделяют на две группы: фер­риты первой группы 4000НМ, 1000НМ не содержат специальных добавок и ис­пользуются в диапазоне частот до 1 МГц, когда не предъявляются повы­шенные требования к температурной стабильности начальной магнитной проницаемости; ферриты второй группы 1000НМЗ содержат присадки оксидов кобальта и других металлов, вво­димых для улучшения температурной стабильности начальной магнитной проницаемости, и предназначены для использования в слабых и средних по­лях на частотах до 3 МГц.

Ферриты Ni-Zn отличаются высоким удельным электрическим сопротивле­нием (до 10¹¹ Ом ∙ м), малыми потеря­ми; поэтому их используют при более высоких частотах (< 200 МГц) и под­разделяют на три группы.

Ферриты первой группы 1000НН, 400НН не содержат специальных приса­док и применяются для работы в слабых и средних полях на частотах до 2 МГц. Ферриты второй группы со­держат 50% Fe₂O₃, значительные коли­чества (1…8%) других оксидов. Такие ферриты (300HH, 60НН) применяются для работы на частотах до 55 МГц. Ферриты третьей группы содержат из­быток Fe₂O₃ (54…59%), а также присад­ки кобальта и других оксидов (до 1 %), вводимых для улучшения свойств. Эти ферриты имеют меньшие потери на вих­ревые токи и предназначены для ис­пользования в слабых полях на часто­тах до 200 МГц (100ВЧ, 30ВЧ2); из-за высокой температуры точки Кюри они обладают малым температурным коэф­фициентом магнитной проницаемости в широком интервале температур.

Ферриты для устройств, приме­няемых на высоких частотах (< 800 МГц). Ферриты имеют сложный состав, их изготовляют из четырех и более ок­сидов. Разнообразие сочетаний ис­ходных компонентов предоставляет не­ограниченные возможности для созда­ния материалов с различными маг­нитными свойствами. В их числе феррит одновалентного лития Li₂O-5Fe₂O₃ со структурой шпинель и ферриты, в ко­торых часть ионов бария заменена ко­бальтом, со структурой ГПУ (BaCo)OFe₂0₃.

Дополнительно вводя в состав ферри­тов те или иные катионы, можно получить материалы с различной индукцией насыщения и разной температурой точ­ки Кюри. Такие сложнолегированные ферриты характеризуются высоким удельным электрическим сопротивле­нием (до 10¹² Ом ∙ м), стабильностью магнитной проницаемости, низкими по­терями и сохраняют эти параметры по­стоянными до 800 МГц.

Ферриты для устройств, приме­няемых на сверхвысоких частотах СВЧ (> 800 МГц). Возможность применения ферритов при таких частотах опреде­ляет резонансное поглощение, возни­кающее в тех случаях, когда на феррит, перемагничиваемый высокочастотным полем, наложено перпендикулярное по­стоянное магнитное поле Н_о.

Ширина интервала ΔН₀ - основная ха­рактеристика СВЧ ферритов. Ее значе­ние будет тем меньше, чем больше плот­ность и меньше кристаллографическая анизотропия материала. Такие свойства можно получить, вводя в состав ферри­тов оксиды с константой анизотропии противоположного знака. Кроме того, для увеличения плотности их изготавли­вают не спеканием, а сплавлением по­рошков в монокристалл, у которого уз­кая резонансная кривая (малое ΔН₀) получается, если постоянное магнитное поле приложено в направлении трудно­го намагничивания.

В марке ферритов для СВЧ на первом ме­сте ставится цифра, указывающая значение длины волны в сантиметрах, при которой ис­пользуется данный феррит. Например, 3СЧ4 — феррит для работы в полях с длиной волны 3 см, разновидность 4.

Ферриты для СВЧ выбирают с уче­том типа устройств, частотного диапа­зона, уровня мощности и климатических условий.

Ферриты со структурой шпинель из­готовляют спеканием оксидов никеля и магния. Значение ΔН₀ для та­ких ферритов (30СЧ1, 80СЧ) оценивают при частотах 3000 МГц. Ферриты, используемые при более высоких частотах, дополнительно легируют трехвалентными металлами хромом или алюминием. Значение ΔН₀ для них оценивают при частотах 9200 МГц.

Ферриты-гранаты имеют кристалли­ческую решетку минерала граната. В качестве легирующего элемента в них исполь­зуют редкоземельные металлы (РЗМ). Применение находят поли- и монокри­сталлы.

Поликристаллические ферриты-гра­наты изготовляют спеканием оксидов редкоземельных металлов: иттрия, га­долиния и др. Их применяют при дли­нах волн более 30 см. Для миллиме­тровых волн (8 мм) применяют моно­кристаллические ферриты, которые по­лучают методом сплавления порошков оксидов и последующей кристаллизации их на затравке монокристаллов. Этот же метод используют для изготовления рубиновых монокристал­лов для квантовых генераторов (лазе­ров). Монокристалл иттриевого граната 08КГ при частоте 9200 МГц имеет ΔН₀ = 0,6 кА/м, что значительно ниже значений для по­ликристаллических ферритов.

Ортоферриты, так же как и ферриты-гранаты, изготовляют из оксидов желе­за, легированных РЗМ. Монокристаллы ортоферритов получают методом бестигель­ной зонной плавки.

Они используются в запоминающих устрой­ствах. В таких устройствах ферриты оценивают подвижностью доменов, ко­торая повышает скорость обращения информации, и размером доменов, определяющим плотность информации на пластинах. Подвижность лучше у ортоферритов, а плотность больше у фер­ритов-гранатов.

Ферриты с прямоугольной петлей ги­стерезиса (ППГ). Такие ферриты ис­пользуют в вычислительной технике (в марке буквы ВТ). Их маркируют по зна­чению коэрцитивной силы: цифра в марке соответствует Н_с в А/м.

Наибольшее применение получили ферриты из оксидов Mg и Мn. Наилуч­шие характеристики наблюдаются также у поли­ферритов, содержащих кроме перечис­ленных трех оксидов оксиды цинка, кальция, лития.

В зависимости от особенностей устройств применяют различные по свойствам ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса: с низкой коэрцитив­ной силой (10ВТ, 30ВТ, 56ВТ) и с высо­кой коэрцитивной силой (100ВТ, 140ВТ, 180ВТ).

Материалы со специальными маг­нитными свойствами. Сплавы с большим коэффициентом магнитострикции. Эти сплавы применяют для сердечников преобразователей магнитных колебаний в ультразвуковые, для изготовления зву­козаписывающих головок, в установках для обработки твердых материалов и др. Кроме большого коэффициента магнитострикции эти сплавы должны обладать малой коэрцитивной силой и высоким удельным электрическим со­противлением.

Наибольшей магнитострикцией обла­дает никель. Благодаря высокой пластичности он применяется в виде тонких листов (толщиной 0,1 мм и менее); характеризуется малым элек­трическим сопротивлением (0,08 мкОм∙м), а, следовательно, приме­ним для низких частот.

Высокой магнитострикцией обладает сплав железа с 13% А1. Он имеет значительно более высокое электрическое сопротивление (0,96 мкОм∙м), и поэтому при тех же потерях пластины его могут быть в 2…3 раза толще, чем пластины никеля. Более высокими коэффициентами магнитострикции обладают сплавы железа, содержащие 50% Со, ко­торые используют для преобразовате­лей большой мощности. Сплав железа с платиной обладает наиболее высоким коэффициентом магнитострикции, но он весьма дорог.

Термомагнитные сплавы. Интенсив­ность намагничивания уменьшается с повышением температуры, поэтому, чтобы компенсировать ошибки прибо­ров, обусловленные изменением магнит­ного потока при изменении темпера­туры, в магнитную цепь вводят шунты. Магнитная индукция ферромагнетиков очень резко изменяется вблизи точки Кюри, поэтому материал шунта должен иметь температуру точки Кюри в ин­тервале рабочих температур.

Этим условиям удовлетворяет сплав железа с никелем (30…35%), который перестает быть ферромагнитным при 100 °С. Введение хрома или алюминия дополнительно снижает температуру точки Кюри.