5.2.2 Магнітом’які матеріали

Магнітом’яким називають магнітний матеріал з коерцитивною силою по індукції не більше 4 кА/м (ГОСТ 19693-74). Магнітом’які матеріали мають високе значення початкової магнітної проникності, вони здатні намагнічуватися до насичення і в слабких полях. Використовуються для виготовлення магнітного дроту змінного магнітного поля. Застосовуються в електромашинобудуванні, трансформаторобудуванні, в електротехнічній і радіотехнічній промисловості, вимірювальній техніці, системах автоматики та телемеханіки, обчислювальній техніці. До магнітом’яких матеріалів відносять феромагнітне особливо чисте залізо, низьковуглецеві електротехнічні сталі (нелеговані та кремнієві), прецизійні низькокоерцитивні сплави на залізній і залізонікелевій основі, порошкові феро- і феримагнітні та композиційні магнітодіелектричні матеріали, які класифікують за основним нормованим магнітним параметром [7].

5.2.2.1 Низькочастотні магнітом’які матеріали

Низькочастотні магнітом’які матеріали в свою чергу поділяють на низькочастотні з високою індукцією насичення В_s та низькочастотні з високою магнітною проникністю  (початковою _п і максимальною _max).

Матеріали з високою індукцією насичення. До них в першу чергу відносять залізо, нелеговані і леговані електротехнічні сталі. Завдяки високій магнітній індукції (В_s  2,15 Тл), незначній коерцитивній силі (Н_с  100 А/м), достатньо високої магнітної проникності (_max  79 мГн/м) і добрій технологічності їх застосовують в електротехніці для магнітних полів напруженістю від 10² до 510⁴ А/м.

Магнітні властивості заліза наведено в табл. 5.5. Найбільшу кількість домішок містить технічно чисте залізо. При вмісті 0,02…0,04 % С та інших домішок в кількості 0,6 % залізо володіє досить добрими магнітними властивостями: Н_с = 64 А/м и _max = 9 мГн/м. В процесі виготовлення прокату в залізі виникають внутрішні напруження, а в ґратці – велика кількість дислокацій. Це погіршує магнітні властивості. Відпалення в вакуумі або водні усуває дефекти та напруження.

Таблиця 5.5 – Магнітні властивості відпаленого заліза [5]

Залізо	С, %	п	max	Нс, А/м
		мГн/м
Карбонільне	0,005 – 0,01	4,0	26	6,4
Електролітичне переплавлене у вакуумі	0,01	–	79	7,2
Електролітичне	0,02 – 0,025	0,8	19	28
Технічно чисте	0,02 – 0,04	0,3	9	64

Нелеговані електротехнічні сталі виготовляють такими ж металургійними способами, що і технічно чисте залізо; вміст вуглецю і домішок допускається в тих же кількостях. Електротехнічні сталі постачають з гарантованими магнітними властивостями для електротехнічної промисловості. Промисловість випускає сталі різного сортаменту, в тому числі тонкий лист (табл. 5.6). Перша цифра в марці вказує спосіб виготовлення: гарячекатана сталь (1), холоднокатана ізотропна (2). Друга цифра 0 вказує на низький вміст кремнію ( 0,03 %). Третя цифра визначає головну характеристику, яку гарантує завод-виробник, а саме: цифра 8 позначає коерцитивну силу Н_с, а її значення (в А/м) показують дві останні цифри.

Таблиця 5.6 – Магнітні властивості нелегованої електротехнічної тонколистової сталі (ГОСТ 3836-83) [5]

Сталь	Нс, А/м	max, мГн/м	В (Тл) при Н=30 кА/м
10895 20895	95	3,8	2,05
10864 20864	64	5,6	2,05
10848 20848	48	6,0	2,05

Нелеговану сталь застосовують в електротехнічній промисловості. Однак, низький питомий електричний опір (  0,1 мкОмм) збільшує теплові втрати при перемагнічуванні, а це обумовлює її використання тільки в пристроях з постійним магнітним полем.

Електричний опір сталі можна збільшити легуванням кремнієм, який не є дефіцитним. Розчинюючись у залізі, кремній утворює легований твердий розчин. Один відсоток кремнію підвищує питомий опір на 0,12 мкОмм, але знижує В_s на 0,48 Тл. При відпалюванні кремній сприяє росту кристалів і тим самим трохи знижує Н_с. Однак, сталі із вмістом кремнію вище за 4 % крихкі, погано прокатуються, що ускладнює отримання тонкого листа прокату. Для зменшення теплових втрат сердечники з кремнієвої сталі використовують у виді тонких (1 мм) листів з прошарком ізоляції (полімери, оксиди).

Магнітні властивості легованої електротехнічної сталі наведені в табл. 5.7. Перша цифра в марці визначає вид прокату і структуру: гарячекатана ізотропна (1), холоднокатана ізотропна (2), холоднокатана анізотропна з кристалографічною текстурою напрямку 100 (3). Друга цифра в марці вказує вміст Si (в %): 0 – вміст  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 %). Третя цифра визначає втрати на гістерезис і теплові втрати при визначеному значенні В і f. Наприклад, 1 – питомі втрати при В = 1,5 Тл і f  50 Гц (Р_1,5/50). Четверта цифра – код числового значення нормованого параметру. Чим більша цифра, тим менші питомі втрати Р_1,5/50.

Таблиця 5.7 – Магнітні властивості легованої електротехнічної тонколистової сталі (ГОСТ 21427-75) [5]

Сталь		Товщина листа, мм	Р1,5/50, Вт/кг	В (Тл) при Н (кА/м), не менше
				2,5	30
Гарячекатана ізотропна
1311	0,50		6,1	1,48		1,95
1411	0,50		4,4	1,46		1,94
1511	0,50		3,5	1,46		1,90
Холоднокатана ізотропна
2011	0,65		9,0	1,60		2,02
2111	0,65		10,0	1,58		2,0
2211	0,65		7,0	1,56		1,96
2311	0,65		5,8	1,52		1,96
2411	0,50		3,6	1,49		1,96
Холоднокатана анізотропна
3411	0,50		2,45	1,75		-
3416	0,28		0,89	1,9		-

Після технологічних операцій, потрібних для виготовлення деталей магнітопроводу (різання, штампування та ін.), магнітні властивості сталей погіршуються, тобто збільшується коерцитивна сила, а тому, і втрати на гістерезис. Для відновлення магнітних властивостей застосовують відпалювання при температурі нижче температур фазового перетворення (880-900 С) в середовищі, яке запобігає окисленню та навуглецюванню. Якщо відпалювання ведуть у водні, то це очищує сталь від шкідливих домішок, і магнітні властивості поліпшуються.

Матеріали з високою магнітною проникністю. Для досягнення більш високих значень індукції в слабких магнітних полях (Н  10² А/м) застосовують сплави, які відрізняються великою початковою проникністю. Це сплави Fe – Ni (пермалой) і Fe-Al-Si (альсіфер).

Пермалої з вмістом 45…83 % Ni характеризуються високою магнітною проникністю _п  88 мГн/м; _max  310 мГн/м, що забезпечує їх намагнічування в слабких полях (рис. 5.12). Підвищений питомий електроопір у порівнянні з чистими металами Fe і Ni дозволяє використовувати їх в радіотехніці та телефонії при частотах до 25 кГц. Незначна Н_с  16 А/м зменшує втрати на гістерезис при перемагнічуванні. За значенням індукції насичення сплави з підвищеним вмістом нікелю поступаються залізу і сталі. В залежності від складу В_s змінюється в межах 0,5…1,5 Тл. Перевагою пермалоїв є їх висока пластичність, що полегшує технологію отримання напівфабрикатів: тонких листів, смуг та дроту, які використовують при виготовленні сердечників.

Термічна обробка пермалоїв проводиться з метою усунення домішок, залишкових напружень та збільшення зерна. Вона полягає у повільному нагріванні їх до температури 1100…1150 С в середовищі, яке захищає матеріал від окислення (вакуумі, водні); витримці при цій температурі 3…6 год. в залежності від розміру та маси; повільному охолодженні до 600 С (100 С/год.) і подальшому швидкому охолодженні (400 С/год.), при якому не відбувається впорядкування твердого розчину.

Рисунок 5.12 – Вплив складу на магнітні характеристики залізонікелевих сплавів [5]

Усі пермалойні сплави за складом можна поділити на дві групи: низьконікелеві із вмістом 45…50 % Ni, які мають високу магнітну проникність (_п  4 мГн/м) при відносно високій індукції насичення (1,5 Тл), та високонікелеві із вмістом 79…83 % Ni з надзвичайно високою магнітною проникністю (_п  35 мГн/м), але з меншою індукцією насичення 0,75 Тл.

Для поліпшення електромагнітних і технологічних властивостей ці сплави додатково легують. Так, молібден і хром зменшують чутливість до залишкових напружень, одночасно збільшують питомий електроопір і магнітну проникність. Мідь стабілізує властивості, поліпшує механічну оброблюваність, збільшує питомий електричний опір. Кремній і марганець підвищують питомий електроопір. Усі легувальні елементи збільшують магнітну проникність _п і _max.

Сплави поділяють за рівнем властивостей на 9 груп. Магнітні властивості деяких пермалоїв трьох характерних груп наведено в табл. 5.8. В кожній групі їх поділяють на класи. Зі збільшенням класу, як можна побачити з табл. 5.8, помітно зростає магнітна проникність, знижується Н_с. Значення В_s мало змінюється.

Таблиця 5.8 – Магнітні властивості холоднокатаних смуг завтовшки 0,1 мм із пермалоїв (сплави Fe – Ni) (ГОСТ 10160-75) [5]

Сплав	Магнітна проникність, мГн/м		Нс, А/м	Вs, Тл	, мкОмм
	п	max
79НМ	25 28 38	150 190 250	2,4 1,2 1,2	0,75 0,73 0,73	0,55
81НМА	88	310	0,64	0,50	0,8
45Н	2,9	31	16	1,5	0,45
50Н	3,8	38	14	1,5	0,45
50НХС	3,1	31	13	1,0	0,90
Для сплаву 79НМ наведено магнітні властивості для І – ІІІ класів

До групи сплавів з найбільшою проникністю в слабких магнітних полях входять високонікелеві леговані пермалої 79НМ і 81НМА (див. табл. 5.8).

До групи сплавів з високою магнітною проникністю і підвищеною індукцією В_s входять низьконікелеві пермалої 45Н та 50Н, а також пермалой 50НХС з підвищеним питомим електричним опором. Легування хромом і кремнієм збільшує  сплаву майже вдвічі. Це дозволяє використовувати його в тих же виробах, що і нелеговані пермалої, але при більш високих частотах.

Особливу групу складають пермалої з прямокутною петлею гістерезису (табл. 5.9), які застосовують в обчислювальній техніці і пристроях автоматичного управління. Особливість таких матеріалів – велика залишкова індукція В_r, яка наближається до В_s.

Таблиця 5.9 – Магнітні властивості сплавів з прямокутною петлею гістерезису (холоднокатана стрічка) [5]

Сплав	Товщина стрічки, мм	max, мГн/м	Нс, А/м	Вs, Тл	Коефіцієнт прямокутності при Н = 800 А/м
50НП	0,10	50	18	1,5	0,85
65НП	0,10	250	2,8	1,3	0,90
79НМП	0,003		9,6	0,61	0,90

Альсіфери – сплави системи Fe-Al-Si не містять коштовних або дефіцитних легувальних елементів. Сплав оптимального складу 9,6 % Si та 5,4 % Al має такі властивості: _п = 44 мГн/м; _max = 146 мГн/м; Н_с = 1,76 А/м; В_s = 1,1 Тл;  = 0,81 мкОмм. Сплав має нульові значення сталої анізотропії К і коефіцієнту магнітострикції _s та незначні втрати на гістерезис. Практичному застосуванню таких сплавів перешкоджають висока твердість і крихкість, що робить їх абсолютно недеформівними. Альсіфери володіють добрими ливарними властивостями, тому їх застосовують для виготовлення фасонних тонкостінних відливок. Ці сплави використовують також для отримання тонких порошків при виготовленні магнітодіелектриків [5].