5.Электротехничаская сталь

5.1 Общие требования

Как указывалось выше общепринято выделение двух основных групп магнитных материалов — магнитомягкие и магнитотвердые; в третью группу включают материалы специального назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения даже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) обладают большой удельной энергией. Эта энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B_r и коэрцитивная сила H_C материала.

Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ доменов и вращения различно. Процессы смещения границ доменов требуют меньших затрат энергии, чем процессы вращения.

В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов, а в магнитотвердых — за счет вращения вектора намагниченности. Однако это не всегда так. Например, для высококоэрцитивных (магнитотвердых) материалов на основе редкоземельных металлов процессы смещения границ доменов превалируют над процессами вращения.

Сравнивая петли гистерезиса, характерные для обеих групп материалов, можно отметить, что форма петли, индукция насыщения и остаточная индукция примерно одинаковы, а разница в коэрцитивной силе достигает очень большого значения. Для промышленных магнитомягких материалов наименьшая Нс  0,4 кА/м, а для магнитотвердых наибольшая Нс 800 кА/м,. Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с небольшой коэрцитивной силой, а магнитотвердые — широкую петлю с большой коэрцитивной силой.

Границы значений Н_С, по которым материал можно отнести к группе магнитомягких или магнитотвердых, являются условными. Можно считать, что для магнитомягких материалов Н_С <800 кА/м, а для магнитотвердых Н_С >4 кА/м. По мере прогресса техники границы значений Н_С расширяются в обе стороны. Термины «магнитомягкий» и «магнитотвердый» не относятся к характеристике механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы, и наоборот.

К группе магнитных материалов специального назначения можно отнести материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), магнитострикционные и термомагнитные, ферриты СВЧ, материалы со средней магнитной твердостью и др. В последнее время к ним относят быстро развивающиеся материалы со сложной петлей гистерезиса, отличающейся от показанной на рис. 4.2 и от прямоугольной по форме. Петли различных форм и конфигураций могут быть получены почти во всех материалах (магнитотвердых, магнитомягких) за счет специальных видов обработки: термической, термомеханической, термохимической я т. д. Технология изготовления композиционных материалов также позволяет синтезировать требуемую петлю гистерезиса.

В самостоятельную группу выделены материалы для микроэлектроники.

Магнитомягкие материалы принято классифицировать по их основному химическому составу, который в значительной степени определяет технологию производства, свойства и области применения материала. В соответствии с этим магнитомягкие материалы подразделяют на различные группы.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) — это железо, содержащее ограниченное количество примесей, прежде всего углерода, получаемое методами прямого восстановления чистых руд, а также с применением электролитического или карбонильного процессов.

Технически чистое железо является дешевым и технологичным материалом, хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, обладает высокими магнитными свойствами в постоянных полях. Основной недостаток железа состоит в малом значении удельного электрического сопротивления, что ограничивает область его применения как магнитного материала с постоянными магнитными полями. В переменных полях железо применять нецелесообразно ввиду больших потерь на вихревые токи.

Технически чистое железо имеет очень большое значение как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов.

Электротехнические (кремнистые) стали представляют собой твердый раствор кремния в железе.

К преимуществам электротехнических сталей относятся большие значения удельного электрического сопротивления и высокие магнитные свойства. Основными недостатками этих сталей являются повышенная твердость и хрупкость, а также пониженные по сравнению с железом значения индукции насыщения. Электротехнические стали изготавливают горячекатаными с изотропными магнитными свойствами и холоднокатаными — малотекстурованными и текстурованными с анизотропией магнитных свойств.

Электротехнические стали по сравнению с другими магнитными материалами наиболее широко применяются для изготовления магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, дросселей и других устройств, рассчитанных на работу при частоте до 400— 500 Гц в области малых, средних и сильных полей, иногда в постоянных полях и при повышенных частотах (до 10 кГц).

Пермаллои — это сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом и некоторыми другими элементами.

Основное преимущество пермаллоев — очень высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения и сравнительно высокая стоимость. Высокие магнитные свойства у пермаллоев получают лишь после отжига готовых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение.

Пермаллои применяют для изготовления магнитных элементов измерительных, автоматических и радиотехнических устройств, работающих в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц, а для сверхтонкого проката и до более высоких частот.

Магнитомягкие ферриты представляют собой твердый раствор определенных оксидов металлов, обладающих ферримагнетизмом, с коэрцитивной силой не более 4 кА/м. Например, высокопроницаемые ферриты — это смесь сильно и слабо магнитных ферритов. Наиболее широко применяются марганец-цинковые (низкочастотные) и никель-цинковые (высокочастотные) ферриты.

Удельное сопротивление ферритов во много раз больше удельного сопротивления металлических материалов на основе сталей, а потери на вихревые токи соответственно меньше. Это позволяет использовать ферриты при изготовлении изделий, предназначенных для работы в областях звуковых и радиочастот. К недостаткам ферритов следует отнести низкие значения индукции насыщения, сравнительно малые значения магнитной проницаемости, большую зависимость магнитных свойств от температуры, значительные хрупкость и твердость. Применение магнитомягких ферритов для получения изделий, рассчитанных на работу в постоянных полях или при промышленной частоте, нецелесообразно.

Магнитодиэлектриками называют конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого электрически изолированы друг от друга пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Магнитодиэлектрики, как и ферриты, обладают большим удельным электрическим сопротивлением и являются высокочастотными материалами. Их преимущества перед ферритами заключаются в более высокой стабильности свойств и в хорошей воспроизводимости характеристик, а недостатком является более низкое значение магнитной проницаемости.

Прочие магнитомягкие материалы. Кроме указанных основных групп магнитомягких материалов в некоторых случаях применяют материалы с особыми свойствами, например сплавы железа с кобальтом, обладающие очень высокими значениями индукции насыщений (пермендюры).

Аморфные материалы — новая группа магнитомягких материалов со своеобразной атомной структурой, отличающейся от структуры кристаллических материалов. Уровень их электромагнитных свойств превышает уровень этих свойств у электротехнических сталей и соответствует уровню электромагнитных свойств пермаллоев, но они меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокими коррозионной стойкостью, прочностью и твердостью при сохранении пластичности.

В приложении 1 приведены некоторые характеристики различных групп магнитомягких материалов. Данные этой таблицы являются ориентировочными и могут служить лишь для общей сравнительной оценки этих групп.

В зависимости от назначения материала к нему предъявляют различные требования. Например, материал для магнитных экранов должен иметь высокие начальную и максимальную проницаемости; для материала, из которого изготовляют импульсные трансформаторы, важны скорость нарастания магнитной индукции и форма импульса и т. п.

Общие требования к магнитомягким материалам можно сформулировать следующим образом.

1. Материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, т. е. петля гистерезиса должна быть узкой, чему соответствует малое значение коэрцитивной силы и большое значение магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода.

2.Материал должен обладать большой индукцией насыщения. При выполнении этого требования можно получить наименьшие габаритные размеры и массу устройства. Поэтому рабочую точку часто выбирают значительно выше той, которой соответствует максимальная проницаемость. Наибольшей индукцией насыщения обладают сплавы железа с кобальтом, технически чистое железо и электротехнические стали.

3. При работе в переменных полях изделия из магнитомягкого материала должны иметь, возможно, меньшие полные потери, которые складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и дополнительных потерь.

Потери определяют рабочую тёмпературу изделия, которая не должна превышать допустимого значения. Снижение потерь повышает энергетический к. п. д., а также позволяет при заданной температуре перегрева повысить рабочую индукцию, что дает возможность уменьшить массу и габаритные размеры устройства.

Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания. Так как для различных материалов Н_С меняется в десятки и сотни раз, а В_S и В_R — только в несколько раз, то в первом приближении потери на гистерезис, отнесенные к одному циклу перемагничивания, пропорциональны коэрцитивной силе, которая должна быть минимальной.

Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления магнитопровода, максимальной индукции и частоты перемагничивания. Для уменьшения этих потерь увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, применяя материалы с большим удельным сопротивлением, а также шихтованные сердечники в виде пакета из тонких электрически изолированных друг от друга пластин. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с междувитковой электрической изоляцией.

Дополнительные потери зависят от химического состава магнитного материала и его дисперсности. Они существенны только на высоких частотах. Определение составляющих потерь позволяет найти пути уменьшения полных потерь. Например, с повышением частоты повышается доля потерь на вихревые токи и, казалось бы, для уменьшения полных потерь нужно применять более тонкие пластины. Однако известно, что уменьшение толщины проката сверх некоторого критического значения вызывает резкое увеличение потерь на гистерезис. Следовательно, применение очень тонких листов может вызвать не уменьшение, а даже увеличение полных потерь. Количественная оценка составляющих потерь в каждом случае дает возможность принять оптимальное решение.

Кроме перечисленных основных требований к магнитомягким материалам предъявляют и другие требования.

От листовых и ленточных металлических материалов требуются высокая пластичность, обеспечивающая хорошее качество штамповок и длительность работы штампов, хорошее качество поверхности (отсутствие ржавчины, отслаивающейся окалины, бугорков, вмятин и т. п.), отсутствие разнотолщинности; от листовых материалов, кроме того, — минимальные волнистость и коробоватость. Выполнение этих требований позволяет повысить степень заполнения магнитопроводов, что обусловливает меньшие габаритные размеры изделия.

Прокат желательно иметь не в виде листов, а в виде рулонов, что дает возможность автоматизировать как производство материалов, так и изготовление изделий из них.

Магнитные свойства большинства магнитомягких материалов зависят от механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше материал можно обжать при сборке сердечника, т. е. тем выше коэффициент заполнения. Под влиянием механических напряжений сильно меняются начальная и максимальная проницаемости и коэрцитивная сила, но проницаемость в сильных полях и индукция насыщения зависят незначительно. Наиболее существенно механические напряжения влияют на свойства пермаллоев.

Магнитные свойства материалов после механической обработки восстанавливают путем термообработки (отжига).

В отдельных случаях существенными являются временная и температурная стабильности свойств, линейность кривой намагничивания (на определённом участке), прямоугольность петли и др. При выборе материала необходимо учитывать его стоимость и дефицитность.