МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПЕРМАЛЛОИ

Развитие автоматики, радиосвязи, электрических измерений и других областей техники потребовало создания материалов с более высокими магнитными свойствами в слабых полях, чем у электротехнических сталей.

К таким материалам относятся прежде всего пермаллои — сплавы железа с никелем, обычо легированные хромом, медью, кремнием и некоторыми другими элементами.

Высокие магнитные свойства пермаллоев в слабых полях бы­ли известны еще в 1913 г. Однако широкое внедрение этих ма­териалов в технику произошло в последние 15—20 лет, а первый стандарт[31] на эти материалы в СССР введен только с 1 /VII 1963 г.

На рис. 35 представлены зависимости физических свойств железоникелевых сплавов от содержания никеля. Из рассмотре­ния кривых ВИДНО, ЧТО наибольшими значениями Ца и р-шах обла­
дает сплав с содержанием 78,5% Ni, получивший название клас­сического пермаллоя.

Для этого сплава константа кристаллографической анизотро­пии К и магнитострикция насыщения Ks близки к нулю.

Как показали Н. С. Акулов и затем Е. И. Кондорский, одно­временное равенство нулю К и Xs и является причиной особенно легкой намагничиваемости пермаллоев, что объясняется следую­щим образом.

Уменьшение магнитной кристаллографической анизотропии или, другими словами, уменьшение внутрикристаллических сил ориентации приводит к тому, что разница в работе, которую надо совершить для намагничивания кристалла в «легком» или в «трудном» направлениях, становится меньше. Уменьшение маг- нитострикции приводит к снижению напряжений в кристалличе­ской решетке, возникающих при изменении линейных размеров под действием намагничивающего поля, и, следовательно, облег­чает процессы намагничивания.

Следует отметить, что при близких к нулю значениях К и ^S магнитные свойства материала становятся чрезвычайно чувстви­тельными к наличию внешних напряжений, что в большинстве случаев является нежелательным.

Магнитные свойства в очень большой степени зависят также от химического состава и чистоты сплава. При этом особенно сильное влияние оказывают примеси, такие, как углерод, сера и кислород, не входящие в твердый раствор.

Высокие магнитные свойства у пермаллоя с содержанием 78,5% Ni были получены в результате особого вида термической обработки, так называемой «пермаллойной», которая состоит из двух этапов.

Нагрева до 900—950° С с выдержкой при этой температуре в течение часа и охлаждением со скоростью, не превосходящей 100° С в час.

Повторным нагревом до 600° С и охлаждением при комнатной температуре на медной плите со скоростью до 1500 град/мин («воздушная закалка»).

Сильная зависимость проницаемости от скорости охлажде­ния объясняется образованием сверхструктуры * при медленном охлаждении, однако окончательно выясненным этот вопрос счи­тать нельзя.

При очень большой скорости охлаждения магнитные свойст­ва ухудшаются, что объясняется возникновением внутренних на­пряжений.

Дальнейшие исследования показали, что двойная обработка для классического пермаллоя может быть заменена одинарной, заключающейся в высокотемпературном отжиге при 1300° С в чистом сухом водороде и длительном отпуске при 400—500° С.

Из рис. 35 можно увидеть, что второй максимум для началь­ной проницаемости наблюдается для сплавов с содержанием 40—50%Ni. Эти сплавы обычно называют низконикелевыми, в отличие от высоконикелевых с содержанием 72—80%Ni.

В табл. 8 приведены некоторые свойства высоконикелевого (78,5% Ni) и низконикелевого (50% Ni) нелегированных пермал­лоев в постоянных магнитных полях.

Таблица 8

Свойства нелегированных высоконикелевого (78,5% Ni) н ннзконнкелевого (50% Ni) пермаллоев [Л. 3]

Содер­жание

Никеля,

%

[J.

Max

Н

С

В

S

Р. „ ом-мм'1м

Термическая обработка

50 78,5

2000—3200 7000-14 000

50 000—60 000 100 000—200 000

0,75 э (6 ajM) 0,25 э (2а/л)

15 500 гс (1,55 тл) 10 500 гс (1,05 тл)

0,5 0,25

Отжиг 1000—1200° С Двойная (пер - маллоевая)

На основании данных табл. 8 можно сделать следующие вы­воды.

Магнитная проницаемость у высоконикелевых пермаллоев в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в несколько десят­ков раз выше, чем у электротехнических сталей. Отметим, что без термической обработки проницаемость пермаллоев ниже, чем у технически чистого железа.

Индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев прибли­зительно в 2 раза ниже, чем у электротехнических сталей и в 1,5 раза ниже, чем у низконикелевых.

Отсюда следует, что высоконикелевые пермаллои нецелесо­образно применять ;В качестве материала для сердечников сило­вых трансформаторов и других устройств, для которых сущест­венным является создание большого магнитного потока.

Удельное электросопротивление высоканикелевых пермалло­ев, в 2 раза меньше, чем у низконикелевых. Следовательно, при работе в переменных магнитных полях, особенно на повышенных частотах, предпочтение надо отдать низконикелевым пермал­лоям.

Термическая обработка высоконикелевых пермаллоев слож­нее, чем низконикелевых.

Следует также иметь в вид)', что высоконикелевые пермаллои дороже низконикелевых из-за большого содержания никеля и что механические напряжения, а также чистота <и состав сплава значительно сильнее влияют на магнитные свойства высоконике­левых пермаллоев, чем низконикелевых.

Большой диапазон изменения магнитных свойств, указанных в табл. 8, объясняется плохой воспроизводимостью характеристик пермаллоя.

Для улучшения электромагнитных свойств обе группы пер­маллоев обычно легируют различными элементами.

Легирование молибденом вызывает значительное увеличение удельного электросопротивления, оказывает положительное влия­ние на величину начальной проницаемости и позволяет двойную термообработку заменить сравнительно простым отжигом. Кро­ме того, наличие молибдена уменьшает чувствительность к де­формации.

Отрицательное действие молибдена проявляется в уменьше­нии индукции насыщения.

Действие хрома в значительной степени аналогично действию молибдена.

Медь способствует увеличению постоянства магнитной прони­цаемости при изменении напряженности поля, улучшает темпера­турную стабильность, а также повышает электросопротивление. Сплавы с медью хорошо поддаются механической обработке.

Для легирования пермаллоев применяются также и некоторые другие элементы.

Создание стандарта на промышленные марки пермаллоев свя­зано с большими трудностями, что объясняется плохой воспроиз­водимостью характеристик. Стандарт можно создавать лишь при высокой культуре производства сплавов.

В настоящее время впервые в СССР принят ГОСТ 10160—62, «Сплавы железоникелевые с высокой магнитной проницае­мостью» (срок введения 1/VII 1963 г.).

Стандарт распространяется на девять марок сплавов, разде­ленных на четыре группы.

45Н, 50Н — нелегированные низконикелевые пермаллои с содержанием соответственно 45% Ni и 50% Ni.

50НП, 65НП, 34НКМП — сплавы, обладающие кристал­лографической или магнитной текстурой и прямоугольной петлей гистерезиса (свойства этих сплавов рассмотрены в § 27).

50НХС — низконикелевый пермаллой с содержанием 50% Ni, легированный хромом и кремнием.

79НМ, 80НХС, 76НХД — высоконикелевые пермаллои (79% Ni, 80% Ni, 76% Ni), легированные соответственно молиб­деном (3,8—4,1%), хромом и кремнием, хромом и медью (4,80— 5,20%).

Все сплавы содержат в небольших количествах марганец (0,30—0,60%) и кремний (0,15—0,30%).

Сплавы изготовляются в виде холоднокатаных лент толщиной от 0,02 до 2,5 мм, горячекатаных листов, горячекатаных и кова - 3*

Ных прутков. Ширина лент зависит от толщины и составляет для самых тонких лент 30—100 мм, для самых толстых—100— 250 мм.

Листы, ленты и прутки поставляются в термически необрабо­танном виде.

Режимы термической обработки железоникелевых сплавов (пермаллоев), рекомендованные ГОСТ 10160—62

Режимы термической обработки, рекомендуемые стандартом, приведены в табл. 9.

Таблица 9

Марка сплава

Среда отжига

Темпера­тура, °С, и скорость нагрева

Время вы­держки при температу­ре нагрева в зависи­мости от размера и веса садки, н

Режим охлаждения

45 Н

Вакуум

1100-1150 по 400-500 град і ч

3-6

Охлаждение до 600° С со скоро­стью 100—200° С в час; с 600 до 200° С плавное охлаждение со ско­ростью не более 400° С в час

50НХС

Вакуум

1100—1150

По 400—500 г рад 1ч

3-6

Охлаждение до 400° С со скоро­стью 100° С в час, далее охлаждение образцов в воздухе

76НХД

Вакуум

1100-1150 по 400—500 градіч

3-6

Охлаждение до 500° С со скоро­стью 50° С в час, далее до 300° С со скоростью 10" С в час, затем ох­лаждение со скоростью не более 400° С в час

Примечания:

Отожженные образцы и изделия должны быть светлыми, чистыми, сво­бодными от окислов, темных пятен и цветов побежалости. Совершенно не до­пускается спекание пластин или витков друг с другом в процессе отжига.

Отожженные изделия, детали или ленточные сердечники не должны подвергаться в процессе сборки ударам, изгибам, рихтовке, шлифовке, а также чрезмерной затяжке или сдавливаемости обмоткой.

Отожженные изделия или образцы для магнитных измерений осторож­но снимают с оправок, закладывают в защитные каркасы и направляют на Сборку или магнитные испытания.

Статические магнитные свойства сплавов после конечной тер­мической обработки должны соответствовать данным табл. 10.

Сплавы с улучшенными свойствами обозначаются дополни­тельно буквой «У».

Из рассмотрения данных табл. 10 мож. но следующим образом охарактеризовать различные марки сплавов.

Таблица 10

Свойства железоникелевых сплавов (пермаллоев) после термической обработки (ГОСТ 10160—62)

Начальная проницае­мость

Максимальная проницае­мость

Коэрцитив­ная сила

Не более

Холодно­катаные ленты

0,02—0,04 0,05-0,08 0,10—0,18 0,20—0,30 0,35-2,50

2,1

2,3 2,5 3,1

3,5

1700 1800 2000 2500 2800

20 23 25 29 31

16 000 18000 20 000 23000 25000

32 24 24 20 16

0,40 0,30 0,30 0,25 0,20

45Н

Горячека­таные листы

3—22

2,5

2000

23

18 000

24

0,30

1,5

0,45

Прутки

8—10

2,5

2000

23

18 000

24

0,30

50Н

Холодно­катаные ленты

0,02-0,04 0,05-0,08 0,10-0,18 0,20-0,30 0,35-0,50 0,55—1,0 1,1-2,5

2,3 2,5 2,9

3,3

3,8 3,8 3,5

1800 2000 2300 2600 3000 3000 2800

25 25 31 38 44 38 31

20 000 20 000 25 000 30 000 35 000 30 000 25 000

24 20 16 12 10 12 13

0,30 0,25 0,20 0,15 0,12 0,15 0,16

1,5

0,45

Горячека­таные листы

3-22

3,1

2500

25

20 000

24

0,30

Прутки

8—100

3,1

2500

25

20000

24

0,30

50Н-У

Холодно­катаные ленты

0,10-0,18 0,20-0,30 0,35—0,50 0,55-1,0 1,1-2,5

3,8 4,4 5,0 5,0

3,8

3000 3500 4000 4000 3000

38 44 56 50 44

30 000 35 000 45 000 40 000 35 000

14 12 10 10 12

0,18 0,15 0,12 0,12 0,15

1,5

0,45

50НХС

Холодно­катаные ленты

0,02—0,04 0,05-0,08 0,10—0,18 0,20—0,30 0,35-0,50 0,55—1,0

1,9

2,5 3,1 3,8 4,0 3,8

1500 2000 2500 3000 3200 3000

19 25 31

35 38 25

15 000 20 000 25 000 28 000 30 000 20 000

20 16 13

10 8 10

0.25 0,20 0,16 0,12 0,10 0,12

1,0

0,90

80НХС

Холод­нокатаные ленты

0,02-0,04 0,05-0,08 0,10-0,18 0,20—0,30 0,35—0,50 0,55—1,0 1,1-2,5

23 25 28 35 44 38 31

18 000 20000 22 000 28 000 35000 30000 25000

88 110 150 160 190 210 190

70 000 90000 120000 130000 150000 170000 150 000

4,0 3,2 2,4 1,6 1,2 1,0 1,2

0,05 0,04 0,03 0,02 0,015 0,012 0,015

0,65

0,62

Горяче­катаные листы

3-22

25

20 000

88

70000

3,2

0,04

Пруткн

8-100

25

20 000

88

70 000

3,2

0,04

76НХД

Холодно­катаные ленты

0,02-0,04 0,05-0,08 0,10-0,18 0,20-0,30

13 16 19 23

10000 13 000 15000 18000

65 130 150 190

50000 100 000 120000 150000

5,2 2,4 2,0 1,6

0,065 0,03 0,025 0,02

0,75

0,57

Примечание. Свойства сплавов марок 50НП, 65НП, НКМП приведе­ны в § 27.

Сплав 45Н обладает повышенной магнитной проницаемостью и наивысшим значением индукции насыщения из ївсей группы же - лезоникелевых сплавов (15 ООО гс).

Стандарт рекомендует применять этот «плав для сердечников междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при по­вышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплав 50Н отличается от сплава 45Н повышенными магнит­ными свойствами и несколько большей стоимостью.

Сплав 50НХС обладает повышенной магнитной проницае­мостью и (высоким удельным электросопротивлением. Он реко­мендуется для сердечников импульсных трансформаторов и ап­паратуры связи звуковых и высоких частот, работающих без под­магничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД имеют высокую проницаемость в слабых полях. Сплав марки 76НХД обладает повышенной тем­пературной стабильностью в интервале от —60 до +60° С.

Сплавы этой группы рекомендуются для сердечников малога­баритных трансформаторов, реле и магнитных экранов; при тол­щине 0,02 мм — для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле.

Кроме рассмотренных марок пермаллоев, в технике находят применение и некоторые другие железоникелевые сплавы.

Большой интерес представляет так называемый супермаллой, который имеет следующий состав: около 79%№, 5%Мо, 15%Fe и 0,5% Мп.

Супермаллой в процессе производства тщательно очищается от примесей, плавка ведется 'В индукционной печи в вакууме, а разливка производится в атмосфере азота или гелия. Термообра­ботка состоит из отжита при 1300° С в атмосфере чистого водоро­да и охлаждении с определенной скоростью, которая обеспечива­ет получение наилучших магнитных свойств.

Отношение значений проницаемостей супермаллоя и пермал­лоя 79НМ составляет 5—10 в полях до 4000—5000 гс. При индук­ции 7000—8000 гс проницаемость супермаллоя резко понижается и становится меньше, чем проницаемость молибденового пермал­лоя или железа. Магнитные свойства супермаллоя можно оха­рактеризовать следующими средними данными: [га=Ю0 000; Цтах=600 000—1 500 000; Яс=0,004 э; Bs = 7900 гс.

На рис. 36 приведены кривые намагничивания и магнитной проницаемости некоторых марок пермаллоя, а на рис. 37 —кри­вая проницаемости листового супермаллоя (для сравнения на этом же графике приведена кривая проницаемости пермаллоя 79НМ).

Рассмотренные выше магнитные свойства пермаллоев относят­ся к постоянным магнитным полям.

Во многих случаях пермаллои применяются и при намагни­чивании переменным полем, а также в сложных случаях намаг­ничивания: импульсного, одновременного действия постоянного и переменного полей и т. п.

Электромагнитные свойства для этих случаев существенно за­висят от толщины пластин, удельного электросопротивления, час­тоты, однородности материала и других причин.

В задачу настоящей книги не входит рассмотрение этих воп­росов. Отметим только, что с увеличением частоты магнитная проницаемость падает и тем скорее, чем выше было ее значение в постоянном поле.

При изменении частоты от 0 до 15 000 гц при толщине листч 0,35 мм начальная проницаемость высокопикелевого (78% Ni) нелегированного пермаллоя палает в 40 раз, а низконикелевого
марки 45Н — всего в 6 раз [32]. Для супермаллоя переход от посто­янного поля к переменному полю частоты 50 гц связан со сниже­нием начальной проницаемости «а 25%, а максимальной почти на 70% (для ленты толщиной 0,15 мм).

Чем выше частота, тем более целесообразно применение низ­коникелевых пермаллоев тонкого проката.

Технологические вопросы применения пермаллоев рассмотре­ны в § 12.

Недостатками пермаллоев являются их относительно высокая стоимость (см. табл. 2), дефицитность отдельных компонентов, прежде всего никеля, необходимость проведения сложного отжи­га после механической обработки, а также большая зависимость магнитных свойств от механических воздействий.

Попытки найти заменители пермаллоев, свободные от указан­ных недостатков, привели ік исследованию сплавов железо— алю­миний без третьего или с третьим компонентом.

Примером тройного сплава такого рода является альсифер — сплав алюминия, кремния и железа. Альсифер получают как ли­той материал. Он нековок, обладает высокими твердостью и хрупкостью.

Сплав оптимального состава (9,6% Si и 5,4% А1) имеет сле­дующие свойства: р. а = 35 400; р, тах= 117ООО; Нс = 0,022 э, т. е. не уступает пермаллоям [JI. 3].

Однако максимум магнитных свойств соответствует оченьточ - ному соблюдению состава, что может быть обеспечено только для лабораторных образцов. Промышленный альсифер имеет сред­ние значения начальной проницаемости ра = 6000—7000 (после от­жига), т. е. значительно более низкие, чем оптимальное.

Вследствие хрупкости альсифера толщина стенок должна быть не менее 1—2 мм, что ввиду малого электрического сопро­тивления изделия полностью исключает возможность применения отливок из альсифера в цепях переменного тока даже с частотой 50 гц.

Альсифер благодаря хорошей размольности применяют глав­ным образом в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлект - риков (ем. § 15).

К двойным сплавам алюминий — железо относятся, напри­мер, алфенол (16% А1) итерменол (16% А1, 3% Мо). По магнит­ным свойствам они не уступают низконикелевым пермаллоям и даже в некоторых отношениях превосходят их, но высокое содер­жание алюминия обусловливает значительные технологические трудности из-за хрупкости сплавов.

Все же алфенол удается изготовлять в виде лент толщиной до 0,1 мм, что позволяет использовать его, например, в магнит­ных головках для звукозаписи, где весьма важным требованием является высокая устойчивость материала к истиранию.

Из отечественных материалов этой группы можно указать сплав марки 16ЮХ, который отличается от алфенола тем, что со­держит хром, улучшающий пластичность. Для 16ЮХ ца= 15 ООО, timax = 140 000, удельное сопротивление в три раза больше, чем у молибденового пермаллоя.

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НАМАГНИЧИВАНИЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

Важнейшим вопросом эффективного использования магнит­нотвердых материалов является высокое качество намагничива­ния систем с постоянными магнитами. Обычно магниты (кроме магнитов из феррита бария) намаг­ничиваются после сборки системы, так как при этом после …

ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ ШЕРРИТОВ ДЛЯ СВЧ

Основными параметрами, характеризующими свойства фер­ритов на СВЧ, являются компоненты тензора магнитной прони­цаемости р и диэлектрическая проницаемость е. Техника измерения этих параметров сложна, связана с громоздким рас­четным аппаратом и, что самое …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.