Магнитный сплав на основе железа. Магнитные сплавы с особыми свойствами

Важную роль в жизни каждого занимает металлургическая промышленность, потому что ежедневно приходится сталкиваться с различными изделиями из металла. А сделаны они из всевозможных сплавов, которые получены благодаря выплавке. При производстве этих материалов используют как минимум два металла, а для улучшения свойств - специальные присадки. В этой статье будет рассмотрено несколько сплавов железа с никелем, их свойства и применение.

О свойствах железа

Чистое железо - серебристо-серого цвета, обладает пластичностью и ковкостью. Самородные слитки, встречающиеся в природе, имеют ярко выраженный металлический блеск и значительную твердость. На высоте и электропроводность материала, он с помощью свободных электронов легко передает ток. Металл обладает средней тугоплавкостью, размягчается при температуре +1539 градусов по Цельсию и теряет ферромагнитные свойства. Это химически активный элемент. При нормальной температуре легко вступает в реакцию, а при нагревании эти свойства усиливаются. На воздухе покрывается пленкой оксида, которая мешает продолжению реакции. При попадании во влажную среду появляется ржавчина, которая уже не препятствует коррозии. Но, несмотря на это, железо и его сплавы находят широкое применение.

Немного истории

Инвар - это сплав железа с никелем, в состав которого входит 36 % легирующей добавки. Впервые он был открыт во Франции в 1896 году физиком Шарлем Гийомом. В это время он вел работы по поиску недорогого металла для эталонов мер массы и длины, которые изготовляли из очень дорогостоящего платиноиридиевого сплава. Благодаря этому открытию ученый в 1920 году получил Нобелевскую премию в области физики.

Слово «инвар» в переводе с латинского означает неизменный. Это значит, что у сплава железа с никелем коэффициент остается постоянным при широком диапазоне изменения температур - от -80 до 100 градусов по Цельсию. Этот сплав имеет и несколько других названий: нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл. Invar является торговой маркой компании Imphy Alloys Inc., которая принадлежит сталелитейному концерну Arcelor Mittal.

Сплав железа с никелем

Для улучшения свойств железа, используя различные добавки, получают сплавы. Ученые считали, что получить железоникелевый сплав, учитывая термодинамические свойства металлов, не составит никакого труда. Но на практике они столкнулись с проблемами. При взаимодействии металлов, во время получения сплава железа с никелем, в результате побочного окислительного процесса железо из двухвалентного состояния переходит в трехвалентное.

В результате снижается выход сплава и ухудшаются определенные физические свойства. Для решения этой проблемы в электролит добавляют амины и органические кислоты, которые образуют с трехвалентным обладающие малой растворимостью. В связи с этим эластичность осадка становится лучше, а для его равномерного распределения электролиты перемешивают. Полученный сплав железа с никелем называется инвар.

Применение сплава инвар

Незначительный температурный коэффициент расширения позволяет использовать его для производства:

• деталей контрольно-измерительных приборов;
• лент и проволоки для геодезических работ;
• несущих конструкций лазера;
• деталей часовых механизмов, маятников хронометров;
• проката: горячекатаного прутка и листа, холоднокатаной ленты, бесшовных труб, кованых прутков.

Для увеличения прочности производят холодную пластическую деформацию сплава железа с никелем, а затем делают низкотемпературную термообработку. Для большей стойкости к коррозии при обычных атмосферных условиях его поверхность полируют и наносят защитный слой, если изделие предназначается для использования в агрессивных средах. Антикоррозийные свойства инвара также повысятся при добавлении в его состав около 12 % хрома, при этом он сохраняет постоянную упругость при нагревании до 100 градусов.

Магнитные сплавы

Эти сплавы находят широкое применение в электротехнике. Из них изготовляют постоянные магниты, сердечники трансформаторов, электроизмерительные приборы, электромагниты. Людям давно известно, что железо обладает магнитными свойствами и в результате этого оно находит множество применений.

Много позже было обнаружено, что такое же свойство присуще никелю и некоторым другим металлам. Изделия, изготовленные из магнитного сплава железа с никелем, также обладают способностью сохранять собственное магнитное поле, когда внешнее уже отсутствует. Причем это личное поле снова способно воздействовать на другие магнитные тела.

Никель, кобальт и их сплавы

Кобальт и никель являются элементами подгруппы железа. Все три элемента имеют схожие свойства, но есть и существенные различия. Оба металла обладают большей плотностью, чем железо, и значительно тверже и прочнее его. Они менее активны в химическом плане, отличаются коррозийной устойчивостью. Кроме этого, металлы ценят за большую стойкость по отношению к

Недостатками кобальта и никеля является их высокая токсичность и значительная стоимость относительно железа. Свое применение они находят для антикоррозийного наружного покрытия изделий из углеродистых сталей и железа путем электрохимических реакций. А также они применяются для изготовления узлов и деталей, требующих усиленной прочности и твердости. Следует отметить особое значение сплавов железа, никеля и кобальта, которые носят названия коинвар, инвар, супермаллой, пермаллой и маллой. Основное их достоинство заключается в высоких магнитных свойствах. Эти сплавы используют для производства магнитопроводов различных электромагнитных устройств.

Сплав ковар

Смесь состоит из металлов, обладающих отличными механическими свойствами. Их легко обрабатывать, они без труда подвергаются прокатке, протяжке, ковке и штамповке. А сплав кобальта, никеля и железа иначе называется ковар. Удачно подобранное сочетание химических элементов обеспечивает материалу отличные характеристики. Данный сплав имеет хорошую теплопроводность, высокий коэффициент удельного электрического сопротивления и близкие к нулю показатели линейного расширения в большом интервале температур. Единственным недостатком является низкая коррозийная стойкость в сырой среде, поэтому часто используют защитные покрытия из серебра. Ковар широко применяется в промышленности для производства:

• труб, лент и проволоки;
• конденсаторов;
• корпусов оборудования в приборостроении;
• деталей в радиоэлектронике;
• корпусов в электровакуумной отрасли.

Содержание в сплаве дорогого кобальта и никеля увеличивает стоимость материала, но хорошие характеристики и продолжительная эксплуатация покрывают первоначальные вложения.

Сплавы ални

Ални - это групповое название магнитных сплавов "железо-никель-алюминий". При увеличении концентрации алюминия и никеля в определенных пределах остаточная индукция уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает. Чаще всего применяются сплавы, в которых алюминия от 11 до 18 %, а никеля - 20-34 %. Основными свойствами таких сплавов является электропроводность, теплопроводность и пластичность. Все они характеризуются хорошим свариванием.

Для использования сплавов при их легируют кобальтом и медью. В этом случае материал приобретает твердость и хрупкость и имеет крупнозернистую структуру. Сплавы ални применяют как конструкционный материал для деталей газотурбинных и реактивных двигателей, работающих под воздействием высоких температур более 1000 градусов Цельсия продолжительное время, сохраняя металл без повреждений.

Заключение

Все металлы, интенсивно используемые в современной промышленности, являются сплавами. Например, практически все железо, которое получают в мире, используется для производства чугунов и сталей. Объяснить это можно тем, что сплавы характеризуются лучшими свойствами, чем те металлы, из которых их получают. Следует отметить, что выпускаемые промышленностью сплавы имеют общие для них свойства: прочность, твердость, упругость и пластичность. А железоникелевые еще обладают и которые при производстве усиливаются с помощью дополнительного легирования.

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 10 6 °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 -4 см.

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 10 3 -10 13 раз больше сопротивления ферромагнитных металлов.

Химический состав ферритов может быть записан химической формулой MeO-Fe 2 0 3 или Me 2+ Fe 2 3+ O 4 2- , где используются двухвалентные ионы металлов: Мn 2+ , Fе 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Cd 2

Название ферритов определяют по хорактеризующему металлическому иону, например NiFe 2 0 4 – никелевый феррит, ZnFe 2 0 4 – цинковый феррит. Структура феррита аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl 2 O 4 , 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:

Me 2+ O 4 2-

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:

Fe 3+ O 4 2- ,

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:

Ме x 2- Fе 1- x 3+ [Ме 1- x 2+ Fе 1+ x 3+ ]О 4 2- .

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. М s = |М b -М а |.

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 Zn 2+ и Cd 2+ 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 + Fe 2 0 3 →MeFe 2 0 4

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 NiFe 2 0 4 , и феррита цинка ZnFe 2 О 4:

Ni 1- x Zn x Fe 2 0 4 ,

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 MnFe 2 0 4 и цинкового феррита ZnFe 2 0 4 . Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области ча­стот 1 МГц;

в) литиевые типа Li 0,5 Fe 2,5 0 4 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 κ пу, который определяется как отношение остаточной индукции к макси­мальной магнитной индукции:

κ пу =В r / B max <1

Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с +В r на -В r , которое должно быть примерно 10 -7 -10 -9 с), 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 κ пу =0,9-0,94; остаточная ин­дукция B r =0,15-0.25Тл, температура Кюри T k =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.

Решение научно-технических задач часто связано с поиском материалов, обладающих свойствами, которых нет у природных материалов. К таким прогрессивным разработкам можно отнести прецизионные сплавы, в частности, инвар.

Под прецизионными сплавами понимают такие металлические сплавы, которые придают выбранному основному металлу дополнительные, заранее заданные свойства. Иногда удаётся получить уникальные физические, химические или механические свойства. Итоговый результат определяется процентным соотношением каждого из металлов в сплаве. Для получения подобных сплавов используют следующие металлы: железо, никель, медь, кобальт и многие другие.

Очень интересную группу составляют прецизионные сплавы, обладающие так называемыми аномальными свойствами. Например, у них практически не изменяются, или изменяются в небольших пределах физические свойства при изменении внешних воздействий:

• температуры внешней среды;
• величины и свойств магнитного и электрического полей (амплитуды, частоты, фазы и поляризации);
• увеличение или ослабление механических нагрузок;
• воздействия реактивных сред.

Наиболее применяемых подобных сплавов насчитывается около двенадцати. Самые распространённые: инвар (магнитный сплав железа с никелем), элинвар, константан, перминвар, манганин.

Инвар получил своё название от латинского слова «неизменный». Он создан достаточно давно — ещё в 1896 году швейцарским химиком и металлургом Гийомом. Однако свойства этого сплава были оценены по достоинству гораздо позже. Сам автор за это открытие получил Нобелевскую премию по физике. Особое внимание обратили на физико-химические свойства инвара разработчики точной измерительной техники.

Физико-химические свойства инвара

Инвар — это сплав железа с никелем. Процентные соотношения этих металлов распределяются следующим образом: железо – 64%. Никель -36%. Сам сплав с латинским названием «Invar» как торговая марка зарегистрирован компанией ArcelorMital. Тем не менее, она не обладает всеми правами на изготовление инвара. В России этот сплав изготавливается по ГОСТ со своим наименованием. Наиболее распространённым и часто используемым, считается инвар 36Н.

К физически свойствам относятся:

• Коэффициент теплового расширения. Он достаточно низкий при очень широком диапазоне температуры (от -80°C до +100°C).
• Температура плавления. Она составляет 1430°C.
• Предел механической прочности равен 49 кгс/мм 2 .
• Плотность стандартного сплава составляет 8130 кг/м³,

Эти уникальные физические характеристики объясняются следующими химическими свойствами:

• Имеет характерно выраженную однофазную структуру.
• Маленький коэффициент теплового расширения объясняется тем, что при нагреве общее тепловое расширение компенсируется магнитострикционным снижением объёмного показателя.

Для улучшения характеристик его подвергают различным видам механической обработки. Чтобы повысить прочность проводят холодную пластическую деформацию, а затем термообработку при низкой температуре. Повышение стойкости к коррозии достигается специальной полировкой. Высокой устойчивости к воздействию агрессивной внешней среды добиваются нанесением специальных защитных покрытий.

Часто на практике применяются две разновидности инвара: суперинвар с пониженным коэффициентом линейного расширения и нержавеющий инвар, в состав которого входит железо (почти 37%), кобальт (не менее 54%), хром (около 9%).

Применение инвара

Данный сплав железа с никелем изготавливается в форме проволоки или тонкой плоской ленты. Иногда по требованию заказчика ему придают другую форму. Это могут быть: небольшие по размеру листы, прутки или лента. Улучшение свойств обеспечивается за счёт создания особых технологических условий: плавки, последующей термической обработки, специфической деформации и обработки поверхности.

Инвар используется для производства некоторых деталей приборов, измерительной и экспериментальной аппаратуры, которые не должны менять свои линейные размеры в зависимости от изменений окружающей температуры. Из этого сплава изготавливают различные датчики, преобразователи энергии, одну из составляющих биметаллических элементов. Благодаря своим характеристикам он использовался для производства эталонов длины и массы.

Инвар применяется также в бытовой технике: телевизорах, радиоприёмниках, аудио и видеомагнитофонах, некоторых моделях высокоточных маятниковых часах.

Небольшие размеры деталей, сложность и высокая стоимость производства требует аккуратного обращения с аппаратурой, имеющей в своём составе прецизионные сплавы, такие как инвар.

Разновидности инвара применяются при производстве переходов металл-стекло, мембранных ёмкостей для перевозки сжиженного газа, в микроэлектронике в качестве подложек чипов, корпусов лазерных установок, волноводов. В последнее время разработана надёжная методика сварки. Это позволило значительно расширить область его применения.

В заключение мы остановимся на некоторых магнитных свой­ствах железа и его сплавов. Вообще говоря, в обычной практике мы пока еще редко пользуемся железом в чистом виде, а применяем его соединения или сплавы. Наиболее часто встречающимися примесями являются углерод (С) и сера (S); от этих примесей избавиться чрезвычайно трудно.

За последние годы техника изготовления химически чистого железа начала развиваться. Для получения чистого металла железо электролитически раффинируют, а потом переплавляют в вакууме для освобождения от водорода и других газов. Полу­ченное таким путем железо обладает очень ценными магнитными качествами, но пока сравнительно дорого. Нижеприведенные цифры потерь на гистерезис (в эргах на см 3 , на 1 цикл) позволяют судить о качествах вакуумного железа.

В настоящее время в электротехнике наиболее широко применя­ются сплавы железа с кремнием (Si).

В нижеследующей таблице в виде примера того, что в этом случае может быть достигнуто, приведены величины потерь на

гистерезис для двух сортов кремнистого железа (сплав вакуум-железа с кремнием):

Величина потерь на гистерезис для сплавов Fe с Si резко колеблется с изменением содержания Si, как это иллюстрируется кривыми рисунка 100.

Эти данные относятся к сплавам обычного железа с кремнием. Из кривых видно также, что минимальными потерями на гистерезис обладает сплав с процентным содержанием кремния в 1,7%. Однако, на практике содержание кремния доводят нередко до 3,5-4% (трансформаторное железо), чтобы увеличить электрическое сопротивление железа и понизить потери на токи Фуко.

Зависимость между содержанием кремния и удельным сопро­тивлением показана в таблице:

В настоящее время в электротехнической практике наиболее употребительны следующие сорта кремнистого железа: динамное. содержащее 1,7% Si, и трансформаторное, содержащее от 3,5 до 4% Si

Из других сплавов представляют осо­бенный интерес спла­вы железа с никкелем. Оба эти мате­риала в отдельности обладают высокими магнитными качества­ми, в сплаве же же­лезо и нвккель дают целый ряд материа­лов - от совершенно практически немаг­нитных до обладающих исключительно высокими магнитны­ми свойствами. Спла­вы эти отличаются еще одной особенно­стью. Именно, они в известных усло­виях обнаруживают весьма сильно выраженную неустойчивость своих магнитных свойств. Давно известная немагнитная сталь, имеющая состав 75% Fe+25% Ni, имеет при обычной температуре маг­нитную проницаемость m=1,4. Охлажденная до -200°С она оказы­вается сильно магнитным материалом и при медлен­ном нагревании может со­хранить свою магнитность и при комнатной темпера­туре. Однако, механиче­ские сотрясения опять приводят к прежней вели­чине магнитной прони­цаемости m= 1,4. Анало­гичная неустойчивость на­блюдается и у некоторых сильно магнитных сплавов железа с никкелем, о чем скажем ниже.

Интересно проследить изменение магнитных свойств рассматри­ваемых сплавов при изменении содержания Ni. Характер изменения

показан на рисунке 101.

Здесь показана наибольшая магнитная про­ницаемость как функция процентного содержания никкеля. Из этой кривой видно, что в весьма узких пределах, около 78,5% никкеля, мы имеем резкое повышение магнитной проницаемости. Сплав в 78,5% Ni+21,5% Fe называется пермаллоем. Он обладает самой высокой магнитной проницаемостью из всех известных материалов. При Н =0,06 гаусса mдоходит до 90000. Для сравнения свойств пер­маллоя и мягкого железа приведены кривые на рисунках 102 и 103, из которых следует, что для получения одной и той же индукции в слабых полях пермаллой требует приблизительно в 20 раз меньшую намагничи­вающую силу.

Однако, пер­маллой быстро насыщается, и при больших индукциях проницаемость его ниже, чем у железа. Этим в значитель­ной степени определяется область применений пермал­лоя. Ясно, что он может оказаться полезным только в тех случаях, когда мы имеем дело с очень слабыми магнитными полями. Подобные усло­вия очень часто имеют место в различных устройствах, встре­чающихся в технике слабого тока. Между прочим, ленты из пермаллоя с большим успехом приме­нены были недавно для компен­сации емкости подводных телеграф­ных кабелей по способу Крарупа. Как показывает опыт, для того чтобы пермаллой обладал надлежащими маг­нитными качествами, он должен быть подвергнут очень тщательной тер­мической обработке. При этом не­обходимо еще иметь в виду, что вы­сокие магнитные качества пермаллоя весьма неустойчивы, как было выше уже указано. Механические сотрясе­ния или хотя бы только большие механические напряжения легко раз­рушают ту структуру пермаллоя, которая обладает ценными для тех­ники свойствами. Таким образом, устройства, в которых применен пермаллой, требует очень внима­тельного к себе отношения и большой осторожности при работе с ними. Ввиду такой неустойчивости пермаллоя в некоторых слу­чаях идут на некоторое понижение магнитных качеств, лишь бы иметь более стойкий материал. Так, например, в последнее время начинают применять сплав с составом 50% Fe+50% Ni.

В отличие от магнитнотвердых материалов - сплавов для постоянных магнитов, где требуется высокая коэрцитивная сила, большую группу магнитных сплавов представляют так называемые магнитномягкие сплавы, которые в первую очередь должны иметь низкую коэрцитивную силу.

Если высокая магнитная твердость достигалась получением неравновесной, высокодисперсной структуры, то для получения магнитной мягкости необходимо максимальное приближение к равновесному состоянию, а также необходимо получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков.

Кроме низкой коэрцитивной силы, магнитномягкие материалы должны иметь еще и высокую магнитную проницаемость в слабых, средних или сильных полях, низкие потери на перемагничивание и т. д.

Естественно, что наиболее подходящим магнитномягким материалом являются чистые металлы, в первую очередь чистое (технически чистое) железо. В отдельных ограниченных случаях применяют сплавы не только на основе железа, но и других металлов - никеля и кобальта.

Рассмотрим отдельные виды магнитномягких материалов.

Техническое железо - практически почти чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными и поэтому их содержание строго ограничивается.

Промышленность изготавливает две марки технического железа (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (табл. 96, 97).

Таблица 96. (см. скан) Химический состав технического железа, % (не более)

Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна - улучшает. В обычных промышленных сортах железа коэрцитивная сила получается порядка 1 Э или немного ниже, тогда как минимальное значение коэрцитивной силы 0,01 Э получено на очень крупнозернистом чистом железе.

Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высокой температуре. Технически чистое железо применяют для изготовления сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока, магнитных экранов, полюсов электрических машин и других деталей.

Электротехническая сталь представляет собой ферритный сплав железа с кремнием ( см. рис. 280).

Железокремнистый твердый раствор вследствие искажений в решетке, вызванных наличием в ней инородных атомов кремния, имеет более высокую коэрцитивную силу, чем чистое железо, однако в этом сплаве при нагреве можно получить крупное зерно, которое при охлаждении не измельчается, так как нет а-превращения, и это на практике приводит к тому, что значение коэрцитивной силы получается в таком материале не больше, чем в обычном железе. Более высокое электросопротивление легированного кремнием феррита уменьшает потери на токи Фуко.

Электротехническую сталь изготавливают в виде тонких листов, которые используют для изготовления сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин и аппаратов переменного и постоянного тока.

Листовая электротехническая сталь подразделяется по сортаменту (главным образом по толщине), способу производства (холоднокатаный и горячекатаный лист), степени анизотропии, а также основным магнитным характеристикам (магнитная индукция и удельные потери) и степени легирования кремнием.

Для листовых электротехнических сталей принята иная система маркировки, чем для обычных сталей. Эти стали маркируют следующим образом: после первой буквы Э следуют две или больше цифр. Первая цифра за буквой Э показывает содержание кремния (содержание кремния в пределах:

Таблица 97. Магнитные свойства технического железа

2,8-3,8%, 3,8-4,8 % обозначается соответственно цифрами: I, 2, 3, 4). Вторая цифра характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше эти свойства). После первых двух цифр иногда ставят один или два нуля. Один нуль показывает, что сталь холоднокатаная текстурованная (смотри ниже), два нуля - холоднокатаная малотекстурованная.

Таким образом марка означает электротехническую горячекатаную сталь с и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка - такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.

Из изложенного следует, что лишь сплавы и являются ферритными. Магнитные характеристики у них получаются выше, но они более хрупки.

Кристаллы -железа отличаются резко выраженной анизотропией магнитных свойств. Ребро куба является осью наиболее легкого намагничивания, поэтому получение текстуры ребра куба повысило бы магнитную проницаемость в одном направлении, но уменьшило бы ее в другом (перпендикулярном к первому) направлении.

Итак, высокие магнитные свойства могут быть получены на сплавах высокой чистоты (особенно по углероду), при крупном зерне и текстурованной структуре. Технология производства должна обеспечить получение такого состояния.

Современная технология производства высших сортов электротехнической стали заключается в следующем: выплавка стали с заданным содержанием кремния и минимальным углерода (практически содержание углерода получается около затем прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину мм. Перед холодной прокаткой проводят отжиг при При этом содержание углерода уменьшается до . Заключительный отжиг проводят для снятия наклепа и укрупнения зерна при в атмосфере водорода. Если предшествовавшая холодная деформация была значительной то получается текстурованная структура (степень текстурованности порядка если деформация была меньше 7-10%, то получается так называемая малотекстурованная структура. Наконец, если прокатку проводить только в горячем состоянии, то текстуры не будет - магнитные свойства вдоль и поперек прокатки становятся одинаковыми. Текстурованная электротехническая сталь называется трансформаторной сталью, а не текстурованная - динамной.

Следует добавить, что удельные потери на перемагничивание тем меньше, чем тоньше лист, поэтому электротехническую сталь изготавливают только в виде тонких листов толщиной 0,35 и 0,50 мм.

Если в процессе изготовления деталей трансформатора сталь была подвергнута даже незначительной пластической деформации (например, рубке листов, загибу), то магнитные свойства ухудшаются.

В заключение в табл. 98 приведены данные о свойствах электротехнических листовых сталей

Железоникелевые сплавы (пермаллои) - в определенных, узких пределах содержания никеля (около имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость (рис. 385), тогда как у обычного технического железа она приблизительно в десять раз меньше, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Свойства пермаллоя классического состава существенно зависят от термической обработки. Наиболее высокую начальную магнитную проницаемость сплав получает при высокотемпературном нагреве в атмосфере водорода (для укрупнения зерна, удаления примеси углерода и устранения остаточных напряжений). Охлаждение в магнитном поле повышает магнитные характеристики. Эффективность магнитной обработки тем больше, чем выше лежит точка Кюри сплава. Поэтому

Таблица 98. (см. скан) Электромагнитные свойства листовой электротехнической стали

магнитная обработка наиболее заметно улучшает свойства сплава с которого точка Кюри имеет наиболее высокую температуру, повышая начальную магнитную проницаемость до

Применяются также сплавы с (гайперники). Без сложной обработки они превосходят пермаллои в магнитных свойствах, но уступают им, если такую сложную обработку провести.

Кроме двойных железоникелевых сплавов, применяют и более сложные по составу с дополнительным легированием кремнием, молибденом, марганцем, медью. Эти элементы повышают электросопротивление, что позволяет применять их на повышенных и высоких частотах, уменьшают чувствительность к наклепу (таково влияние молибдена), повышают стабильность свойств (влияние меди).

Рис. 385. Начальная магнитная проницаемость сплавов

Состав пермаллоев техническими условиями точно не оговаривается, марка указывает лишь примерный состав сплава, но магнитная характеристика должна быть обеспечена. Некоторые пермаллойные сплавы и их наиболее важные магнитные характеристики, зависящие от толщины листа и гарантируемые техническими условиями, указаны в табл. 99.