6.2. Применяемые материалы и их технологические свойства

Материалы, применяемые для изготовления магнитопроводов, делятся на следующие группы: железо, железокремнистые сплавы (кремнистая сталь), безникелевые, железоникелевые сплавы, магнитодиэлектрики и ферриты. Первые четыре группы магнитномягких материалов предназначены для работы главным образом на низких частотах, а две последние группы — на высоких частотах.

Железо с некоторыми неизбежными примесями, но без легирующих элементов является одним из самых распространенных видов магнитного материала. Оно имеет следующие магнитные свойства: коэрцитивная сила 0,01 — 0,9 э,- индукция насыщения (при 20° С) 21 580 гс, максимальная магнитная проницаемость 500 гс/э. Технически чистое железо применяется почти исключительно в машинах и устройствах, работающих на постоянном токе. При работе на переменном токе, когда значительны потери энергии, используют легированные сорта железа или специальные сплавы, которые наряду с большим удельным сопротивлением имеют лучшие магнитные свойства.

Железокремнистые сплавы — наиболее распространенные материалы, применяемые на всех диапазонах частот, начиная с 50 гц и кончая радиочастотами. В зависимости от назначения сплава содержание в нем кремния колеблется от нескольких десятых долей процента до 4,8%. Добавка кремния к железу в несколько раз увеличивает его сопротивление и значительно улучшает магнитные свойства, но заметно уменьшает индукцию насыщения. Кремний ухудшает также технологические свойства железа, делая его более хрупким. Железо в холодном виде можно прокатывать при содержании кремния не более 3,5%, а штамповать и резать — при содержании его не выше 4,5%.

Содержание кремния в электротехнических сталях находится в следующих пределах: слаболегированные стали 0,8—1,8%; среднелегированные 1,8—2,8%; повышеннолегированные горячекатаные 2,8—3,8%, холоднокатаные 2,8—3,5%; высоколегированные 3,8—4,8%.

Наиболее широкое применение в промышленности нашли тонколистовые кремнистые электротехнические стали различных марок (ГОСТ 802-58): Э11, Э12, Э13, Э21, Э31, Э44, Э310 (ХВП), Э32О, Э33О, Э340, Э370, Э41, Э42, Э43, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48 и др.

Железокремнистые сплавы имеют следующие магнитные характеристики: коэрцитивная сила 0,15—0,9 э; индукция насыщения (при 20° С) 19 500 гс, начальная магнитная проницаемость 400—1 000 гс/э, максимальная магнитная проницаемость 5 500—60 000 гс/э.

Горячокатаные кремнистые стали служат для изготовления магнитопроводов дросселей, трансформаторов, электромашин и других изделий, работающих при высоких потоках индукции в переменных магнитных полях низкой частоты. Ограничение диапазона частот обусловлено возрастанием потерь энергии в стали с увеличением частоты,

Холоднокатаные кремнистые стали занимают особое место среди электротехнических сталей. Они обладают повышенными магнитными свойствами в направлении проката — текстурой, т.е. определенной ориентировкой кристаллографических осей зерен вдоль направления проката.

Магнитные свойства холоднокатаных повышеннолегированных сталей гораздо выше горячекатаных, и во многих случаях при равных параметрах рее магнитопровода можно снизить примерно в 1,5 раза (по сравнению с магнитопроводом из горячекатаной стали).

В соответствии с ГОСТ 802-58 выпускаются промышленные марки холоднокатаной листовой электротехнической стали Э310, Э320, Э33О, Э340, Э370, Э380. Сталь Э310 (ХВП) поставляется также в виде ленты толщиной 0,08, 0,15 и 0,2 мм.

Холоднокатаная электротехническая сталь, как и горячекатаная, используется для изготовления магнитопроводов трансформаторов, дросселей и других низкочастотных устройств.

Для наиболее рационального использования анизотропии холоднокатаной стали необходимо, чтобы текстура материала на всем протяжении магнитопровода совпадала с направлением магнитного потока. Это условие требует внесения некоторых изменений в обычную конструкцию магнитопроводов и в технологию их изготовления. Проще вопрос о конструкции и технологии изготовления сердечников для маломощных трансформаторов решается при использовании ленточной стали.

Безникелевые сплавы содержат некоторые твердые растворы систем сплавов железа: железо — алюминий, железо — алюминий — кремний и железо — кобальт с добавлением других элементов. Максимальная магнитная проницаемость их 160 000 гс/э. Эта группа сплавов пока еще не получила широкого распространения.

Железоникелевые сплавы (пермаллой) нашли широкое применение в промышленности. Магнитные свойства этих сплавов зависят от содержания никеля, которое колеблется от 35 до 80%.

Индукция насыщения пермаллоя невелика: у высоконикелевых сталей до 8 000 гс; а у низконикелевых — до 15 000 гс. Максимальная проницаемость находится в области слабых полей и по величине во много раз превосходит проницаемость кремнистых сталей, поэтому железоникелевые стали применяются в основном в магпитопроводах, работающих в слабых магнитных полях.

Как правило, железоникелевые сплавы содержат легирующие элементы: Mo, Cr, Mn, .Cu, Si; в ряде случаев используют нелегированные железоникелевые сплавы. Особенно распространены высоконикелевые легированные сплавы 79НМ, 80НХС и 79НМА, низконикелевые легированные сплавы 42НС и 38НС, пелегированные сплавы 45Н и 50Н, сплавы 50НП и 65НП, обладающие магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса.

Следует отметить одну характерную особенность железоникелевых сплавов — сильно выраженную чувствительность к деформациям (сжатию, растяжению, изгибу), ухудшающим магнитные свойства. Поэтому очень важно, чтобы отжиг изделий из пермаллоя производился после всех технологических операций, способных создавать подобные деформации материалов.

Железоникелевые сплавы поставляются в виде холоднокатаных, термически не обработанных лент и полос толщиной от 0,02 до 2,50 Мм согласно сортаменту, предусмотренному ГОСТ 503—67.

Магнитодиэлектрики изготовляют па основе различных магнитномягких материалов. Свойства магнитодиэлектриков зависят от свойств выбранного исходного материала или сплава. Основой для изготовления магнитодиэлектриков могут служить: порошкообразное железо, полученное электролитическим способом или же восстановлением из природных руд, легированный или не легированный пермаллой, сплавы железо — никель — кобальт, железо — кремний — алюминий (альсиферы) и др. Наиболее широкое промышленное применение получили магнитодиэлектрики на основе альсифера, молибденового пермаллоя и карбонильного железа.

Альсифер, помимо высоких электромагнитных характеристик, выгодно отличается от других сплавов, в частности от пермаллоя, хорошей размольностью, невысокой стоимостью и недефицитностыо сырья. Магнитодиэлектрики на основе альсифера марок ТЧ-60, ТЧК-55, ВЧ-32 и ВЧК-22 выпускаются заводами в виде кольцевых деталей в соответствии с ведомственными нормалями. Магнитодиэлектрики на основе альсифера ФМ, РЧ-9 и РЧ-6 выпускаются по техническим условиям заводов преимущественно в виде деталей цилиндрической формы.

Карбонильное железо с успехом применяется в широком диапазоне частот от звуковых до 200 Мгц.

Порошкообразное карбонильное железо состоит из мельчайших (1—10 мк) зерен сферической формы, получаемых путем разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅ на окись углерода и железо.

Молибденовый пермаллой дает магнитодиэлектрики с наибольшим значением начальной проницаемости; их потери па гистерезис меньше, чем потери альсифера и карбонильного железа.

Детали из магнитодиэлектриков изготовляют с добавлением к порошкам изолирующей связки, создающей вокруг каждой частицы тонкий слой изоляции; связка придает детали требуемую механическую прочность и жесткость. В качестве изолирующей связки используют феноло-формальдегидные смолы, полистирол, жидкое стекло и др. Наилучшим из этих материалов является полистирол. Он вносит меньшие диэлектрические потери, чем термореактивные смолы; поэтому его используют при изготовлении магнитопроводов, работающих на высоких частотах. Другое достоинство полистирола — отсутствие старения с течением времени.

Ферриты (оксиферы) как ферромагнитный материал были открыты еще в 1909 г., однако в то время они не нашли применения из-за низкой магнитной проницаемости.

Лишь после второй мировой войны, когда были найдены новые составы ферритов с высокой проницаемостью, они получили общее признание. Большую работу но созданию и производственному освоению ферритов провели советские исследователи Н. Н. Шольц, К. А. Пискарев, Г. А. Смоленский, Л. И. Рабкин и др.

Ферриты, как показано выше, имеют химическую формулу MOFe₃O₃ и представляют собой твердые растворы двухвалентных металлов. По своему составу ферриты могут быть одинарными, двойными и многокомпонентными. В отличие от магнитодиэлектрика ферриты являются однородным материалом, свойства которого определяются только их составом и режимом спекания. Ферриты имеют высокое объемное электрическое сопротивление (10² — 10⁷ омсм), а следовательно, малые потери на вихревые токи, что позволяет использовать их на высоких частотах, и большую начальную магнитную проницаемость.

Ферриты с высоким значением начальной магнитной проницаемости (µ_a = 6 000÷1 000 гс/э) обладают стабильной величиной проницаемости и малым тангенсом угла потерь в значительном диапазоне частот.

Наиболее распространенными низкокоэрцитивными оксидными магнитными материалами являются:

а) марганцово-цинковые (Mn — Zn) оксидные материалы, представляющие собой твердые растворы феррита марганца (MnOFe₂O₃) и феррита цинка (ZnOFе₂O₃) в определенных соотношениях;

б) никелево-цинковые (Ni — Zn) оксидные материалы, представляющие собой твердые растворы феррита никеля (NiOFe₂O₃) и феррита цинка (ZnO Fe₂O₃);

в) материал марки Ф-20 — твердый раствор феррита лития (LiO Fe₂O₃) и феррита цинка.

Радиочастотные оксидные магнитные материалы применяются в слабых переменных полях; при значительных полях применение их допустимо, если к магнитопроводам не предъявляются требования малых гистерезисных потерь.