Магнитные свойства выше у сплава с какой структурой

Перминвар – тройной сплав (25%Со, 45%Ni, остальное – Fe). Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300А/м. Индукция насыщения достигает 1,55Тл. Применение его ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.

Пермендюр – сплав Fe-Со, который состоит из 30-50% кобальта, 1,5-2%V и остальное – Fe. Этот сплав может работать в магнитных полях с напряженностью 24000А/м и обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения до 2,43Тл.

Пермендюр из-за высокой стоимости применяется только в специализированной аппаратуре: для изготовления мембран телефонов, осциллографах и т. д.

В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый сплав – кальмаллой, железоникелевый – термаллой, железоникель-хромовый компенсатор.

В этих материалах с увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре магнита падает. Недостатком кальмаллоя является низкая индукция насыщения, для повышения ее в кальмаллой добавляют присадки железа. Для расширения работы в области низких температур железо-никелевые сплавы легируют хромом. Такие сплавы называют компенсаторами.

Аморфные магнитные материалы (АММ). Такие материалы получаются при быстром охлаждении из расплавленного состояния без кристаллизации со скоростью охлаждения до 106 °С/с. Эти материалы обладают высокими магнитными свойствами с повышенным сопротивлением. К ним относятся сплавы железа и никеля с добавками хрома, молибдена, бора, кремния, фосфора.

АММ можно использовать в различных типах специальных трансформаторов, в магнитных усилителях, воспроизводящих и записывающих головках.

Магнитодиэлектрики –материалы, состоящие из конгломерата частиц низкокоэрцитивного магнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком, который играет роль и связующего элемента. Так как частицы ферромагнитной фазы изолированы, то магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревые токи, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Они характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.

Электрическая изоляция ферромагнитных частиц производится жидким стеклом, различными смолами (полистиролом, фенолформальдегидной смолой). Размеры ферромагнитных частиц составляют d=10-2-10-4см.

Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя.

Технология изготовления изделий из магнитодиэлектриков состоит из приготовления ферромагнитного порошка, прессования изделия и обработки.

Магнитодиэлектрики предназначаются для работы в слабых магнитных нолях, близких по значению к коэрцитивной силе, и используются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике, так как их магнитная проницаемость слабо зависит от частоты

Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением в 103-1013 раз больше сопротивления ферромагнитных металлов.

Химический состав ферритов может быть записан химической формулой MeO-Fe203 или Me2+Fe23+O42-, где используются двухвалентные ионы металлов: Мn2+, Fе2+ , Co2+, Ni2+, Zn2+, Cd2

Название ферритов определяют по хорактеризующему металлическому иону, например NiFe204 – никелевый феррит, ZnFe204 – цинковый феррит. Структура феррита аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl2O4, поэтому их называют феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой плотнейшую упаковку образуют относительно большие ионы кислорода (ионный радиус 0,132нм). Металлические ионы с меньшим ионным радиусом (0,04-0,1нм), располагаются в промежутках между ионами кислорода. В структуре типа шпинели существует два типа промежутков: тетраэдрические – образованные четырьмя ионами кислорода, и октаэдрические, образованные шестью ионами кислорода. В центрах этих промежутков находятся ионы металла.

В элементарной кубической ячейке содержится 64 тетраэдрических и 32 октаэдрических промежутка. В структуре шпинели ионами металла занято восемь тетраэдрических (A-узлы), и 16 октаэдрических (B-узлы) промежутка.

Распределение ионов двух- и трехвалентного металла по узлам кристаллической решетки оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритов. В зависимости от распределения ионов металла рассматривают три типа шпинелей:

а) нормальная шпинель – в А-узлах размещены ионы двухвалентного металла, а в В-узлах – ионы трехвалентного железа. Химическая формула:

Me2+[Fe23+]O42-

б) обращенная шпинель – A-узлах находится часть ионов трехвалентного железа, а в B-узлах – оставшаяся часть ионов трехвалентного железа и ионы двухвалентного металла, химическая формула:

Fe3+[Me2+Fe2-x3-]O42- ,

где х – доля ионов железа в А-узлах:

в) смешанная шпинель – ионы двух- и трехвалентного металла и железа одновременно появляются одновременно в A и B узлах:

Меx2-Fе1-x3+ [Ме1-x2+Fе1+x3+]О42-.

Распределение ионов по A– и B-узлам определяется следующими факторами: а) ионным радиусом; 6) конфигурацией электронных оболочек ионов; в) электростатической энергией.

Выше отмечалось, что в ферритах осуществляется косвенное обменное взаимодействие, которое приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов. В феррошпинелях соседними ионами оказываются ионы, находящиеся в А– и В-узлах (А-В-взаимодействие), что можно представить решетку состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток А и В. Причем внутри подрешеток магнитные моменты ионов оказываются параллельны друг другу и суммарная намагниченность феррита может быть представлена как разность намагниченностей подрешеток – октаэдрической Мв(В) и тетраэдрической Ма (А), т. е. Мs= |Мb-Ма|.

Если намагниченность неодинакова, как это наблюдается в случае ферритов, возникает спонтанная намагниченность.

Цинковый и кадмиевый ферриты, которые обладают структурой нормальной шпинели, немагнитны, так как диамагнитные ионы Zn2+ и Cd2+ занимают A-узлы, тем самым взаимодействие А-В ликвидируется, взаимодействие в подрешетке В (В–В-взаимодействие) мало и не в состоянии создать упорядочение магнитных моментов.

При повышении температуры магнитное упорядочение разрушается и спонтанная намагниченность уменьшается, что аналогично зависимости для металлических магнитных материалов.

Технология получения ферритов. Ферриты получают методом керамической технологии, т.е. смешивают оксиды и карбонаты нерастворимых в воде металлов и метод термического разложения солей различных металлов. Технология получения ферритов путем смешивания оксидов или карбонатов наиболее проста и заключается в следующем: исходные компоненты взвешивают и подвергают первому помолу и тщательному перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах. Затем после сушки и прессования брикетов (или гранулирования) осуществляют предварительный обжиг при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол и порошок используют для получения изделий из ферритов путем прессования в стальных пресс-формах, выдавливания через мундштук, горячего литья под давлением. Для повышения пластичности в ферритовый порошок вводят пластификаторы (поливиниловый спирт, парафин). Окончательный обжиг ферритового изделия проводят при температуре 1100-1400°С. Для спекания частиц и окончательной ферритизации в твердой фазе по типу:

МеО + Fe203→MeFe204

Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому их обрабатывают алмазным инструментом путем резания, шлифования, полирования, пробивать отверстия ультразвуком и производить пайку ультразвуком ферритов между собой и с металлами. Ферритовые детали склеивают полистироловым и эпоксидным клеями.

Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.

Магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следующих видов:

а) никель-цинковые, представляющие твердые растворы никелевого феррита NiFe204, и феррита цинка ZnFe2О4:

Ni1-x ZnxFe204,

где х доля концентрации цинка в феррите.

Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (x=0,4-0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции и магнитной проницаемости и постоянному уменьшению температуры Кюри;

б) марганец-цинковые – твердые растворы марганцевого феррита MnFe204 и цинкового феррита ZnFe204. Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 МГц;

в) литиевые типа Li0,5 Fe2,5 04 обладают структурой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.

Магнитомягкие ферриты маркируются: на первом месте примерное значение магнитной проницаемости, а затем буквы, определяющие частотный диапазон: Н – низкочастотный диапазон (0,1-50МГц), ВЧ – высокочастотный (50-600МГц), а затем буквы, означающие состав материала: М – марганец-цинковые, Н – никель-цинковые, их маркируют также маркой ВЧ. Например, низкочастотные 20000НМ, высокочастотные 150ВЧ.

Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) особенно важны в устройствах автоматического управления аппаратуры телеграфной связи, вычислительной техники, коммутирующих дросселей.

Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса κпу, который определяется как отношение остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:

κпу=Вr / Bmax<1

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с +Вrна –Вr, которое должно быть примерно 10-7-10-9с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.

ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы железо-никель-кабальт с содержанием кобальта от 30 до 55%, легированные медью или другими металлами. Они изготовляются в виде лент толщиной от единиц до нескольких сотен микрометров, их коэффициент прямоугольности от 0,85 до 0,98. Прокатка микронной ленты, ее термообработка и изготовление сердечников сложнее, чем производство изделий из ферритов, поэтому ферриты с ППГ находят более широкое применение. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания.

Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магний-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, натрия и др. Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности κпу=0,9-0,94; остаточная индукция Br=0,15-0.25Тл, температура Кюри Tk=110-250°С (для магний-марганцевых ферритов); 550-630°С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схемах автоматического управления, лежит в пределах 10-20А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, – 100-1200А/м.

Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников различных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15×15мм, которые содержат 16*16=256 отверстий.

К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температурная стабильность параметров, чем металлических сплавов.

Источник

Стали и сплавы с магнитными свойствами. Магнитные стали и сплавы делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Нси остаточной индукции Вr. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей УЮ-У12.

Коэрцитивная сила углеродистых сталей резко возрастает после закалки на мартенсит вследствие появления больших напряжений.

У стали У12 после закалки в воде Нс = 4800 А/м, Вr= 0,8 Тл. Однако низкая прокаливаемость, малая стабильность остаточной индукции привели к вытеснению углеродистых сталей легированными.

Легирование металла вызывает повышение магнитной твердости (т.е. коэрцитивной силы). Коэрцитивная сила возрастает при образовании в твердом растворе второй фазы, с повышением дискретности второй фазы, при возникновении напряжений в кристаллической решетке, при измельчении зерна.

В настоящее время для изготовления постоянных магнитов широко используют стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими элементами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Буквой Е обозначается магнитная сталь.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, закалки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100°С в течение 10-24 ч).

Высокое содержание углерода и легирующих элементов в этих сталях придает им повышенную твердость, поэтому перед холодной механической обработкой их подвергают смягчающему отжигу при 700—850 °С. При отжиге происходит образование карбидов, что ухудшает магнитные свойства («магнитная порча»). Поэтому перед закалкой для устранения «магнитной порчи» проводят нормализацию, при которой происходит растворение крупных карбидных фаз.

Во избежание «магнитной порчи» при закалке нагрев должен быть кратковременным (не более 15 мин). Охлаждение можно проводить в воде или в масле, но обычно охлаждают в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя при этом несколько снижаются магнитные свойства.

Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как устраняет немагнитный (парамагнитный) аустенит.

Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечивает стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Высокие магнитные свойства имеют железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнит (8% А1, 24% Со, 14% Ni, 3% Си, остальное железо).

Магниты из этого сплава получают литьем, так как сплав не поддается деформации и обработке резанием. Сплав подвергают закалке в магнитном поле. Сущность закалки в следующем. Нагретый до 1300°С сплав помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до температуры ниже 500°С, дальнейшее охлаждение проводят на воздухе. После такой обработки сплав обладает анизотропией магнитных свойств.

Магнитные свойства достигают высокого уровня в том направлении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закалке. Затем сплав подвергают отпуску при 600 °С. Магнитные свойства: Я = 40 000 А/м, Вг= 1,2 Тл.

Последнее время находят применение сплавы на основе кобальта (52% Со, 14% V, остальное железо). Сплав поставляется в виде лент, полос и т.д.

Магнитомягкие сплавы и стали имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Их применяют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работающих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы должны иметь однородную (гомогенную) структуру, крупное зерно.

Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницаемость и повышает коэрцитивную силу. Поэтому магнитомягкие сплавы для снятия напряжений и искажений структуры подвергают рекристаллизационному отжигу.

Широкое применение получило чистое железо, в котором содержание углерода и всех примесей строго ограничено. Железо применяют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др.

Широкое применение в промышленности нашла электротехническая сталь — сплав железа с кремнием (0,05—0,005% С, 1,0— 1,8% Si). Легирование кремнием повышает электросопротивление стали и тем самым уменьшает потери на вихревые токи, повышает магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис, способствует росту зерна, улучшает магнитные свойства за счет графитизирующего действия.

Маркируют электротехнические стали следующим образом: первая цифра означает вид проката и структурное состояние (1 — горячекатаная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная); вторая — содержание кремния: 0 — до 0,4%; 1 — 0,4- 0,8%; 2 – 0,8-1,8%; 3 – 1,8-2,8%; 4 – 2,8-3,8%; 5 – 3,8-4,8%; третья — основную нормируемую характеристику (0, 1 и 2 — удельные потери при различных значениях магнитной индукции и частоты, 6 и 7 — магнитная индукция соответственно в слабых и средних полях). Вместе первые три цифры обозначают тип стали; четвертая — порядковый номер типа стали. Чем он выше, тем меньше удельные потери, тем больше магнитная индукция.

Электротехническую сталь для снятия наклепа после прокатки и для укрупнения зерна подвергают отжигу при 1100-1200 °С в атмосфере водорода.

При рубке листов, резке, штамповке, гибке магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств электротехнической стали рекомендуется отжиг при 750—800 °С в течение 2 ч с медленным (- 50 град/ч) охлаждением до 400 °С. При этом необходимо исключить окисление и науглероживание стали.

Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщиной от 1 до 0,05 мм.

Железоникелевые сплавы (от 40 до 80% Ni) — пермаллои — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Магнитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обработки.

Для улучшения магнитных свойств после механической обработки пермаллои подвергают отжигу при 1100—1200 “С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняются остаточные напряжения и удаляются примеси углерода.

Охлаждение в магнитном поле также ведет к повышению магнитных свойств.

Немагнитные стали. В электромашиностроении и приборостроении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Раньше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает механические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в электроаппаратуре.

Применение марганцовистой аустенитной износоустойчивой стали (11ОГ13Л) в качестве немагнитной ограничивается ее плохой обрабатываемостью резанием, что обусловлено высокой склонностью ее к наклепу, а также нестабильностью прочностных свойств.

Широкое применение находят аустенитные коррозионно-стойкие стали 12Х18Н9, 12Х18Н9Т. Желательно, чтобы содержание никеля в них соответствовало верхнему пределу, так как в противном случае при больших степенях холодной деформации возможно частичное протекание γ→α – превращения, ведущего к появлению феррита, обладающего ферромагнитными свойствами.

Кроме того, применяются более дешевые стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен марганцем.

Стали и сплавы с электрическими свойствами. Элементы электросопротивления должны иметь низкую электропроводность или высокое электросопротивление. Так как образование твердых растворов при легировании сопровождается повышением электросопротивления, то все сплавы высокого сопротивления, как правило, представляют собой твердые растворы.

Различают сплавы реостатные (для изготовления реостатов) и окалиностойкие сплавы высокого электросопротивления (для нагревательных элементов печей и электроприборов).

Сплавы высокого электросопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:

иметь большое удельное электросопротивление;

иметь малый температурный коэффициент электросопротивления (т.е. электросопротивление должно мало изменяться при изменении температуры);

обладать высокой окалиностойкостью, т.е. способностью противостоять образованию окалины при высоких температурах.

В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли сплавы меди с никелем — константан и никелин. Константан содержит 40% Ni, 1—2% Мn, остальное медь; никелин — 45% Ni, остальное медь.

В качестве сплавов высокого электросопротивления применяют сплавы Ni — Сг (нихромы), Fe — Ni — Cr (ферронихромы) и Fe — Cr — А1 (фехраль) и др.

На свойства сплавов высокого электросопротивления вредное влияние оказывают такие примеси, как углерод, сера, фосфор и т.д. Примеси способствуют окислению границ зерен и тем самым уменьшают окаливаемость и повышают хрупкость.

В приборостроении часто требуются сплавы с определенным коэффициентом линейного расширения, например таким же, как у стекла, равным нулю. Для удовлетворения этих требований в каждом конкретном случае изготавливают сплавы строго определенного состава.

Износостойкие стали. Износ деталей в процессе эксплуатации может быть вызван двумя причинами: трением деталей друг о друга и царапанием твердых частиц о поверхность деталей (абразивный износ).

При обычном трении поверхность металла наклёпывается и сопротивление износу возрастает. Следовательно, износостойкость определяется способностью металла к наклепу.

В случае абразивного износа, когда твердые частицы, абразивы, вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа определяется сопротивлением металла отрыву и твердостью.

Для изготовления деталей, работающих на износ в условиях трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцовистую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 1,0-1,3% С и 11,5-14,5% Мn. Сталь применяют в литом и реже в горячедеформированном состоянии. Структура литой стали состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Mn)3C, выделяющихся по границам зерен и снижающих прочность и вязкость стали. Для повышения прочности и вязкости сталь подвергают закалке с температуры 1050— 1100°С в воде. При такой температуре карбиды растворяются, а быстрое охлаждение в воде полностью задерживает их выделение. После закалки сталь имеет аустенитную структуру и обладает следующими механическими свойствами: σв= 800-900 МПа, σ0,2 = 310…350 МПа, δ=15 … 25%, ψ= 20 … 30%, 180 … 220 НВ.

Высокая износостойкость стали 110Г13Л при трении с давлением и ударами объясняется повышенной способностью к наклепу.

Если при эксплуатации наблюдается только абразивный износ без значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то сталь не обнаруживает повышенной износостойкости.

Таблица 8

Источник