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]

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

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

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.