Спеченные материалы для электротехники и электроники. Справочник - Гнесин Г.Г., Дубок В.А., Братерская Г.Н., Ковенский И.И.. Левченко Г.В., Минакова Р.В., Падерно Ю.Б.

Author: Гнесин Г.Г. Дубок В.А. Братерская Г.Н. Ковенский И.И.. Левченко Г.В. Минакова Р.В. Падерно Ю.Б.
Tags: общее машиностроение технология машиностроения электроника электротехника электрооборудование справочник резисторы издательство металлургия
Year: 1981
Similar
Производство порошковых изделий
Порошковая металлургия
Порошковая металлургия и напыленные покрытия
Современные проблемы порошковой металлургии
Text
                    СПЕЧЕННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
для
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
И ЭЛЕКТРОНИКИ
сгГГХТочТПТк
СПЕЧЕННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
И электроники
СПРАВОЧНИК
Под редакцией докт. техн, наук Г. Г. ГНЕСИНА
СОГЛАСОВАНО С ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБОЙ
СТАНДАРТНЫХ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ
Москва «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1981
УДК 621 : 762.5 : 541.13 : 621.38
Авторы.
докт. техн, наук Г. Г. ГНЕСИН, канд. хим. наук В. А. ДУБОК,
кандидаты техн, наук Г. Н. БРАТЕРСКАЯ, И. И. КОВЕНСКИЙ,
Г. В. ЛЕВЧЕНКО, Р. В. МИНАКОВА, Ю. Б. ПАДЕРНО,
О. А. ПАНАСЮК, О. К. ТЕОДОРОВИЧ, Л. Н. ТУЛЬЧИНСКИЙ
Институт проблем материаловедения АН УССР
Рецензент Д Глускин
УДК 621 : 7В2.5 : 541.13 • 621 38
Спеченные» материалы для электротехники и электроники. Справочное издание.
ГнеснпГ. Г., ДубокВ. А., Братерская Г. Н., Ковен-
ски й И. И., Л е в ч е н к о Г. В., М и н а к о в а Р. В., П а д е р н о Ю. Б.,
ПанасюкО. А., Теодорович О. К.,Ту л ьч и некий Л. Н. — М.,
Металлургия, 1981. 344 с.
Справочник, содержащий сведения о материалах со специальными электро-
физическими и магнитными свойствами, получаемых методами порошковой тех-
нологии, издается впервые. В нем обобщены данные а свойствах, методах их
измерений, эксплуатационных характеристиках и областях применения порош-
ков и спеченных электроконтактных, электродных, резистивных, диэлектриче-
ских и магнитных материалов.
Предназначен для научных и инженерно-технических работников, занятых
разработкой и эксплуатацией электротехнической и радиоэлектронной аппара-
туры. Может быть полезен для преподавателей и учащихся вузов, специализи-
рующихся в области порошковой металлургии, материаловедения, электротех-
ники, электроники и приборостроения. Ил. 27. Табл. 191. Библиогр. список:
363 назв.
с М(01)7~8' 2“’000“
(6) Издательство Металлургия» 1981 г.
ВВЕДЕНИЕ
В электротехнике и электронике широко применяются различные мате-
риалы с заданным уровнем электропроводности, специфическими полупроводни-
ковыми, магнитными, теплофизическими, термомеханическими и химическими
свойствами.
Эти материалы используют для изготовления токоподводов, контактов,
электродов, резисторов, полупроводниковых элементов, электроизоляторов,
эмиттеров, магнитопроводов, постоянных магнитов и других компонентов элек-
тротехнических и электронных устройств, широкое применение которых в народ-
ном хозяйстве во многом предопределяет техническое перевооружение основных
видов производства в нашей стране.
Основные направления экономического и социального развития СССР
на 1981—1985 годы и на период до 1990 года,принятые на XXVI съезде КПСС,
предусматривают увеличение производства новых материалов н изделий на ос-
нове металлических порошков и тугоплавких соединений.
Кроме того, будет уделено особое внимание разработке и освоению вы-
пуска электротехнического оборудования с меньшим удельным расходом цвет-
ных металлов и других материалов. Решение этих задач требует интенсивного
внедрения новых материалов со специальными электрофизическими и магнит-
ными свойствами.
Значительная часть металлических и полупроводниковых материалов может
быть получена кристаллизацией расплавов с последующей механической и тер-
мической обработкой либо осаждением из газовой фазы. Однако во многих слу-
чаях наиболее экономичными или вообще единственно возможными оказываются
методы и процессы порошковой металлургии и керамической технологии, при
которых формирование структуры и получение заданных свойств материалов
происходят в результате уплотнения одной или нескольких порошкообразных
компонент без плавления наиболее тугоплавкой фазы или вообще без участия
жидкой фазы.
Использование порошковой технологии позволяет получать прессованием
и спеканием готовые изделия, не требующие последующей механической обра-
ботки.
Чрезвычайно важным преимуществом этого метода является возможность
создания разнообразных композиционных материалов, в которых сосуществуют
структурные составляющие, выполняющие строго определенные функции. Соче-
тание различных фаз в определенных количественных соотношениях и с опреде-
ленным характером их распределения позволяет реализовать в подобных много-
фазных материалах новые свойства, недостижимые в материалах, получаемых
традиционными металлургическими способами.
Методы порошковой металлургии и керамической технологии позволяют
широко использовать наиболее тугоплавкие химические соединения и металлы
для получения электротехнических материалов при температурах, намного более
низких, чем температуры их плавления.
Порошковая технология может дополняться процессами нанесения покры-
тий, прокатки, экструзии, прессования в магнитном поле, диффузионной сварки,
пайки и других методов соединения разнородных материалов, что открывает
широкие возможности получения композитов с анизотропными физическими свой-
ствами, а также изделий, имеющих сложную макроструктуру, в которых опти-
мальным образом совмещены различные по своей природе и функциональной
нагрузке материалы. С учетом таких широких возможностей открываются
перспективы создания принципиально новых материалов электротехнического
назначения с существенно более высокими физическими свойствами и эксплу-
атационными характеристиками.
Материалы и изделия, получаемые способами порошковой технологии, могут
быть разделены на несколько групп в зависимости от их свойств, которые обуслов-
лены способами получения и определяют специфику и целесообразность приме-
нения рассматриваемых материалов. Ниже представлена классификация материа-
лов электротехнического назначения по их специфическим свойствам либо в
зависимости or технике экономического эффекта
1*	3
Характеристика изделий
Изделия точной формы, не требующие
механической обработки после прессо-
вания и спекания, что существенно
снижает их стоимость и повышает
технологичность процесса производ-
ства в результате его автоматизации
Изделия, специфические свойства ко-
торых определяются высокой дисперс-
ностью порошков, не рекристалли-
зующихся при уплотнении
Изделия из тугоплавких металлов и
тугоплавких соединений, получаемых
спеканием в твердой фазе
Изделия из композиционных материа-
лов, получаемые спеканием разнород-
ных по свойствам порошков
Изделия из спеченных материалов,
основная фаза которых плавится ин-
конгруэнтно, диссоциирует или пре-
терпевает при атмосферном давлении
фазовые переходы с существенным из-
менением объема
Изделия с анизотропной структурой,
формирующейся в результате:
прессования в магнитном поле;
совместной прокатки или экструзии
разнородных материалов.
Виды материалов и изделий
а.	Магнитопроводы из железа, сплавов
железо^фосфор, железо—кремний,
пермаллоя, супермаллоя, ферритов
и других магнитомягких материа-
лов.
б.	Постоянные магниты из сплавов
альнико и сплавов Fe—Со—Сг и
других магнитотвердых материалов.
в.	Коллекторные пластины из спечен-
ной меди.
г.	Контакты из спеченного серебра.
а.	Постоянные магниты из ферритов,
из однодоменных микропорошков
железа и сплавов железо—кобальт
и РЗМ кобальт.
б.	Таблеточные геттеры из микропо-
рошков титана.
а.	Изделия из спеченных вольфрама,
молибдена, тантала, ниобия.
б.	Электронагреватели, электроды,
эмиттеры из спеченных тугоплавких
соединений.
в.	Электроизоляторы из спеченных
окислов и неметаллических нитри-
дов.
а.	Электрические контакты, электро-
ды, токоподводы из псевдосплавов
и керметов.
б.	Керамические резисторы и поглоти-
тели энергии, содержащие электро-
проводные фазы и диэлектрические
компоненты.
в.	Магнитодиэлектрики.
а.	Оптическая керамика из окислов
лантаноидов
б.	Керамика из неметаллических ту-
гоплавких соединений (SiC, Si3N4,
BN, AIN).
а.	Постоянные магниты.
б.	Биметаллические изделия.
Представленные выше сведения позволяют определить следующие основные
преимущества порошковой технологии:
1. Возможность улучшения технико-экономических показателей произвол
ства вследствие исключения операций механической обработки; снижения коли-
чества отходов материалов при производстве изделий; автоматизации процесса
производства; снижения температур термообработки и связанного с ним упроще-
ния термического оборудования благодаря использованию высокодисперсных
порошков, обладающих повышенной спекаемостью.
2. Повышение или получение новых свойств и эксплуатационных характери-
стик материалов и изделий сочетанием разнородных по свойствам фазовых состав-
ляющих; формированием специфических ультрадисперсных и анизотропных
структур.
Перспективность и целесообразность применения спеченных материалов
в электротехнике и электронике подтверждена многочисленными положи-
4
тельными результатами разработок и исследований свойств и техноло-
гических характеристик изделий, получаемых методами порошковой техно-
логии.
б настоящем справочнике собраны и классифицированы данные о различных
металлических, псевдосплавных, керамико-металлических и керамических ма<
териалах со специальными электрофизическими и магнитными свойствами,
получаемых методами порошковой технологии.
В справочнике не рассмотрены те группы неорганических материалов, кото-
рые получают в основном методами кристаллизации расплавов (проводниковые
сплавы, полупроводники и сверхпроводящие материалы).
Следует отметить, что изданная до настоящего времени справочная литера-
тура не отражает современного состояния проблемы использования спеченных
материалов в электротехнике и электронике. В вышедших ранее справочниках
по электротехническим материалам в небольшом объеме представлены сведения
о спеченных магнитных, электроконтактных и электроизоляционных материалах
в основном отечественного производства, как правило, по результатам публика-
ций 10—15-летней давности (см., например, «Справочник по электротехническим
материалам», тт. 1—3. Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Та-
реева. М.: Энергия, 1976). В таких справочниках практически отсутствует ин-
формация по материалам со специальными электрофизическими свойствами на
основе бескислородных тугоплавких соединений (карбиды, бориды, нитриды,
силициды).
В предлагаемом читателю справочнике использована новая, ранее не обоб-
щенная информация, полученная из научных статей, обзоров, проспектов фирм,
отечественных и зарубежных стандартов о свойствах и областях применения
спеченных материалов, а также о конструктивных особенностях и номенклатуре
изделий, изготовленных из этих материалов.
В связи с тем что порошковая технология позволяет реализовать уникальные
структурные состояния материалов, во многих случаях определяющие каче-
ственно новые их свойства, авторы считают необходимым изложить физические
принципы и технологические особенности получения спеченных материалов,
а также методы управления их структурой и свойствами.
Такого рода информация даст возможность читателю не только использовать
данные о физических свойствах, но и оценить технико-экономические аспекты
производства тех или иных материалов применительно к определенной отрасли
промышленности.
Отдельная глава справочника посвящена свойствам металлов и соединений,
являющихся основой спеченных материалов. В этой главе особое внимание уде-
лено характеристикам порошков, поскольку свойства спеченных изделий во мно-
гом определяются дисперсностью, химическим и фазовым составом, конфигура-
цией частиц порошка и тесно связанными с этими факторами удельной поверх-
ностью, насыпной массой, текучестью, прессуемостью и пр.
Несмотря на то что многие виды и марки порошков не стандартизованы,
мы ^постарались обобщить известную нам информацию и сравнить физические
свойства и эксплуатационные характеристики порошков металлов и тугоплавких
соединений, производимых в различных организациях и фирмах.
Необходимо подчеркнуть, что в ряде случаев порошки можно рассматривать
как готовые материалы, свойства которых определяются дисперсностью и фор-
мой частиц, например магнитоабразивные материалы, магнитные смазки и напол-
нители магнитных муфт, геттеры и пр.
Большая часть справочника посвящена описанию свойств, характеристик
изделий, полученных методами порошковой технологии, их областей примене-
ния. Эти сведения обобщены в семи главах.
Авторы справочника сочли необходимым предпослать указанной части спе-
циальную главу, в которой дан обзор современных методов измерения электро-
физических и магнитных свойств материалов. При этом особое внимание уделено
тем методикам, особенности которых определяются специфическими строением
и свойствами порошковых материалов. В этой главе даны рекомендации относи-
тельно выбора оптимальных методов измерения вышеуказанных свойств спечен-
ных материалов
5
В последующих главах излагаются сведения о спеченных материалах и
изделиях, причем содержание этих глав продиктовано стремлением классифи-
цировать материалы по принципу специфики их применения.
Предлагаемое издание рассчитано на научных сотрудников и инженерно-
технических работников, занимающихся разработкой материалов и конструиро-
ванием электротехнической и электронной аппаратуры. Поэтому в справочнике
основное внимание уделено свойствам, характеристикам изделий и областям при-
менения спеченных материалов, а также вопросам их технологии.
Привлечение сведений из каталогов зарубежных фирм позволит читателю
получить информацию о наличии или отсутствии аналогов среди отечественных
и зарубежных спеченных материалов, что даст возможность принимать решения
о замене отдельных деталей или узлов в импортной аппаратуре отечественными
изделиями. С другой стороны, представленная в справочнике информация позво-
лит сделать выводы о необходимости использования в отдельных случаях зару-
бежных материалов или необходимости проведения в СССР разработок, направ-
ленных на повышение свойств отечественных материалов и изделий.
Книга снабжена поисково-справочным аппаратом, включающим список
использованной литературы (по главам), и предметный указатель.
1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕЧЕННЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ
1.1. Классификация материалов
по свойствам, определяющим их назначение
Определяющими являются те свойства, от которых в первую очередь зави-
сит работоспособность изделия, изготовленного из данного материала. Для элек-
тротехнических материалов такими параметрами могут быть электропровод-
ность, теплофизические, термодинамические и механические свойства, эмиссион-
ные характеристики, магнитные свойства и коэффициенты, характеризующие
зависимость указанных свойств от температуры.
Следует отметить, что многие из этих свойств и характеристик являются
структурно-чувствительными и поэтому существенно зависят от таких факторов,
как фазовый и химический состав, степень кристалличности и размер кристал-
литов, текстура, пористость и пр.
Электропроводность является определяющим свойством для электроконтакт-
ных, проводниковых, электродных, резисторных материалов. Кроме того, на-
ряду с электропроводностью работоспособность материалов для электродов,
сильноточных электрических контактов определяется механической прочностью
и твердостью, а для резисторов и электронагревателей задается не только номи-
нальная величина электропроводности, hoi также знак и величина температур-
ного коэффициента сопротивления (ТКС).
Эффективность термокатодов в первую очередь определяется эмиссионными
свойствами и стойкостью против термического распыления в вакууме или против
разрушения при ионной бомбардировке.
Электроизоляционные материалы характеризуются уровнем электросопро-
тивления и пробивного напряжения, отнесенного к 1 мм толщины изделия (элек-
трическая прочность). Для диэлектриков определяющими параметрами служат
заданная величина диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических
потерь, а также характер частотных и температурных зависимостей этих свойств.
Для всех электротехнических материалов, эксплуатирующихся при высоких
температурах, определяющими характеристиками являются также химическая
6
стабильность по отношению к окружающей среде, структурная стабильность,
т. е. отсутствие фазовых переходов и других процессов, ведущих к изменению
физических свойств, а также размерная стабильность, т. е. отсутствие ползу-
чести, разбухания вследствие поглощения компонентов окружающей среды, за-
метного изменения объема вследствие высокого коэффициента термического
расширения и пр.
Следует отметить, что материалы, получаемые методами порошковой техно-
логии, имеют ряд особенностей, существенно влияющих на физические свойства
и характер их изменения при воздействии внешних факторов. Наиболее сильно
влияет на многие свойства пористость, которая снижает тепло- и электропровод-
ность проводящих материалов, уменьшает пробивное напряжение изоляторов,
ухудшает прочностные характеристики. Однако в ряде случаев заданное значе-
ние пористости и характер распределения пор необходимы для формирования
некоторых специфических свойств материалов, например газопроницаемости,
термостойкости, способности впитывать смазывающие компоненты и пр.
В табл. 1.1 представлены свойства основных классов электротехнических
материалов, определяющие область их применения.
ТАБЛИЦА 171
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ,
РАБОТАЮЩИХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЯХ,
ПО ОПРЕДЕЛЯЮЩИМ СВОЙСТВАМ
Виды материалов и изделий	Характерйстика электрических полей	Тенденция определяющих свойств
Контакты сильноточ- ные разрывные	Постоянные, перемен- ные, сильные	р -> min; Rn -> min; А -> max; Н max; ст -> max
Контакты слаботочные разрывные Контакты слаботочные скользящие	Постоянные, перемен- ные, слабые То же	р min; Rn -> min; A -> max; о max p -> min; Rn -> min; < min; ст max
Резистивные материа-	Постоянные, перемен-	p-> const; TKC-> const;
лы	ные, слабые, средние	A -> max; a. -> min
Электронагреватели	Переменные, средние	p const; TKC -> min; A -> max; a -> min; ст max
Термокатоды	Постоянные, сильные, средние	<p min; Тпл max; p -> const; A -> max
Электроизоляторы	Посто/тнпые, перемен- ные, сильные, средние, слабые	Enp max; p -> max; A max; a min; e const
Диэлектрики для кон-	Переменные, постоям-	e max; tg 6 min;
денсаторов	ные, сильные, слабые	p -> max; Enp -+ max
Конструкционные ди- электрики	Переменные, СВЧ, сла- бые	e -> const; tg 6 min; A max; a min
Примечание. (j — удельное электросопротивление; 2?п — переходное элек-
тросопротивление; ТКС — температурный коэффициент сопротивления; Е — электри-
ческая прочность; Е — диэлектрическая проницаемость; tg 6 — тангенс угла диэлектри-
ческих потерь; И — твердость; а — механическая прочность; к — теплопроводность;
а — Коэффициент термического расширения; f — коэффициент треиия; <р — работа вы-
хода электронов; -> min — желательны минимальные значения; -> max — желательны
максимальные значения; -> const — желательны определенные значения.
7
Для магнитных материалов в целом определяющим свойством является
коэрцитивная сила Нс, по величине которой они разделяются на магнитомягкие
(Нс < 4 кА/м) и магнитотвердые (Яс > 4 кА/м). Магнитная мягкость увеличи-
вается по мере стремления коэрцитивной силы к нулю. Материалы с близкой
к нулю коэрцитивной силой (аморфные ферромагнетики, супермаллой) имеют
очень высокую начальную магнитную проницаемость (до 10е) и весьма низкие
магнитные потери.
Магнитная твердость увеличивается по мере стремления коэрцитивной силы
по намагниченности к бесконечно большим значениям. Материалы с такими зна-
чениями коэрцитивной силы (соединения РЗМ — кобальт) обладают очень вы-
сокой удельной магнитной энергией (120 кДж/м3).
Есть, однако, классы магнитных материалов, представляющие исключение.
Так, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса имеют малое, но вполне
определенное значение коэрцитивной силы Jfc, так как при Яс -> 0 понятие
петли гистерезиса теряет смысл.
Выделен класс магнитных материалов, по величине коэрцитивной силы отно-
сящийся к магнитомягким материалам, а по остальным свойствам — к магнито-
твердым; это класс среднекоэрцитивных ферромагнетиков или полутвердых ма-
гнитных материалов [1].
Среднекоэрцитивные материалы Хнапример, состав, %: Со 35, Ст 12, Fe 53)
имеют Нс~- 1,64-4,8 кА/м, высокое значение остаточной индукции (1,8 Тл)
и прямоугольную петлю гистерезиса.
Следовательно, по величине коэрцитивной силы магнитные материалы
можно разделить на магнитомягкие (Нс -+ 0), магнитотвердые (Нс -> оо) и
среднекоэрцитивные (Нс = const).
Другим определяющим свойством является намагниченность J, которая
для материалов, работающих в сильных полях (электротехнические стали, по-
стоянные магниты, ферриты для сердечников трансформаторов, среднекоэрци-
тивные материалы), должна иметь возможно более высокое значение.
Постоянные магниты отличаются высоким значением остаточной намагничен-
ности Jr.
ТАБЛИЦА 1.2
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Материалы	Область магнитных полей	Тенденция определяющих свойств
Магнитотвердые Магнитомягкие	Постоянные сильные То же Переменные сильные Переменные слабые	Hcj -> max, Jr max Hc -+ min, Jr -> min, Jm	max Hc -> min, Jr	min, J,n max, p	max Hc -> min, |ia -> max, tg 6 -> min, TK (Ы min
Магнитомягкие и сред-	Постоянные слабые	jr! jm 1, He = const
некоэриитивнье с пря- моугольной петлей ги- стерезиса	Импульсные слабые	Jr -> max, TK (Hc) min
Примечание. Hcj — коэрцитивная сила по намагниченности; Н с — коэрци-
тивная сила по индукции; Jг — остаточная намагниченность; Jт — максимальная
намагниченность; р — удельное электросопротивление; ца — начальная магнитная про-
ницаемость; tg б — тангенс угла магнитных потерь; ТК — температурный коэффициент;
> min — желательны минимальные значения; -> шах — желательны максимальные
значения; -> const — желательны определенные значения.
8
Для материалов, работающих в слабых магнитных полях (магнитодиэлек-
трики, ферриты для элементов индуктивности), определяющими свойствами
являются начальная магнитная проницаемость и удельные магнитные потери.
Но эти свойства являются производными от величины коэрцитивной силы.
Для материалов элементов автоматических устройств и памяти определяю-
щим свойством является прямоугольность петли гистерезиса Jr/Jт -> 1 (Jт —
максимальная намагниченность).
Определяющим свойством для магнитных материалов, работающих в пере-
менных магнитных полях, является удельное электрическое сопротивление,
величина которого определяет граничную частоту, до которой целесообразно
применение данного материала.
Важными параметрами являются температурные коэффициенты магнитных
и электрических свойств. Так, низкие температурные коэффициенты заставляют
в ряде случаев предпочесть металлические ферромагнетики ферритам, хотя по-
следние значительно превосходят металлы по величине электрического сопро-
тивления.
В табл. 1.2 представлены последовательно по степени значимости опреде-
ляющие свойства магнитных материалов различных классов.
1.2.	Электрические характеристики
Различная физическая природа и назначение спеченных электротехнических
материалов определяют широкий диапазон их электрофизических свойств —
от близких к свойствам высокочистых металлов до свойств, характерных для
лучших электроизоляторов. Значимость тех или иных свойств зависит от при-
менения материала.
1.2.1.	УДЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
Одним из наиболее широко используемых свойств электротехнических ма-
териалов является электропроводность, характеризующая способность мате-
риала к переносу электрических зарядов во внешнем электрическом поле. Мера
электропроводности — удельная электрическая проводимость — в системе СИ
выражается в сименсах, деленных на метр, но на практике часто используют
величину, в 100 раз большую: 1 См/см = 102 См/м.
Удельная электрическая проводимость спеченных металлических материалов
на основе высокочистых металлов равна 10е—108 См/м, а электроизоляционных
(диэлектрических) материалов, к которым относятся, например, многие окислы
и нитриды, 10~15—10-8 См/м [2].
Диэлектрики — это такие электроизоляционные материалы, для которых
существенным является свойство поляризуемости — уменьшение напряжен-
ности электрического поля в объеме вещества благодаря возникновению там
индуцированных электрическим полем связанных зарядов.
Удельная электрическая проводимость в интервале от 10-8 до 106 См/м ха-
рактерна для композиционных материалов на основе металлов, а также для
полупроводниковых материалов.
1.2.2.	ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ
УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Важной характеристикой материалов является температурный коэффи
1 city
циент удельной электрической проводимости а = —•	[1], величина и знак
a al
которого позволяют понять особенности электронного строения материала
а также оценить дефектность его структуры.
В соответствии с квантовомеханической теорией твердых тел электроны
при своем движении в идеальном кристалле не испытывают сопротивления, т. е.
9
все металлы должны иметь бесконечно большую электропроводность. Причина
существования конечной величины электрической проводимости — отклонения
от идеального порядка атомов в кристалле, обусловленные их тепловым движе-
нием, присутствием примесей, вакансий, дислокаций, границ зерен и т. п. Элек-
трическая проводимость чистых металлов, в возникновении которой основную
роль играет рассеяние электронов тепловыми колебаниями кристаллической
решетки, увеличивается при снижении температуры. При температуре металла
выше дебаевской (100—500 К) эта зависимость имеет линейный характер и при-
ближенно выражается формулой а=А/Т, где А ~ 1, Т—’температура, К.
Действительно, для многих металлов, например для меди, алюминия, золота,
платины, а250К	— 4 10’3 К-1 [3].
При низких температурах, когда основное влияние на рассеяние электрон-
ных волн оказывают не тепловые колебания', а искажения кристаллической ре-
шетки, величина электрической проводимости о не зависит от температуры.
Предельно низкое значение о, достигаемое при охлаждении металла, является
мерой совершенства его кристаллической структуры. Для тщательно очищенных
и отожженных монокристаллов металлов остаточная электрическая проводи-
мость в 104—106 раз выше, чем при комнатной температуре; для металлов, полу-
чаемых методами порошковой металлургии, это отношение обычно составляет
102—103. В сплавах рассеяние примесными атомами столь велико, что их элек-
трическая проводимость слабо зависит от температуры даже при значительном
нагревании. Поэтому их используют как материалы для проволочных резисто-
ров, нагревательных элементов и в других случаях, когда необходима стабильная
электрическая проводимость [3].
Главный фактор, определяющий температурную зависимость электрической
проводимости полупроводниковых и диэлектрических материалов, — увеличе-
ние с ростом температуры концентрации носителей тока (электронов, дырок либо
подвижных ионов).
Проводимость этих материалов обычно экспоненциально возрастает с тем-
пературой: о = <т0 ехр (—BlkT} [2], где с>0 — константа, слабо зависящая от тем-
пературы; k — постоянная Больцмана; В — энергия активации проводимости,
составляющая для полупроводников 0,2—2 эВ, а для диэлектриков 2—4 эВ.
Энергия активации в большинстве случаев не остается постоянной в широких
температурных интервалах — при низких температурах (в области примесной
проводимости) она, как правило, меньше, чем при высоких (в области собствен-
ной проводимости). Иногда энергия активации при высоких температурах может
быть и меньше, чем при низких.
Температурный коэффициент электрической проводимости диэлектриков и
1 da В г .
полупроводников а = — •	13J значительно выше, чем металлов.
Например, температурный коэффициент сопротивления термисторов, получае-
мых спеканием некоторых окислов, в рабочем диапазоне температур дости-
гает 5% на 1 °C [4].
Важной особенностью многих полупроводников и диэлектриков является
значительное изменение их электропроводности под влиянием примесей. Напри-
мер, для увеличения электропроводности сверхчистого кремния в 10 раз доста-
точно ввести, в него 10~’% некоторых примесей. Ионные кристаллы и тугоплав-
кие соединения обычно не столь чувствительны к присутствию примесей, так
как подвижность носителей тока в них в 102—107 раз меньше, чем, например,
в кремнии, а энергия ионизации примесей достигает нескольких электрон-вольт.
В сложных веществах аналогично примесям действуют нарушения стехиометри-
ческого состава в пределах области гомогенности, благодаря чему их свойства
оказываются функцией стехиометрического состава. В процессе высокотемпера-
турного спекания окислов, нитридов, карбидов и других веществ успевает уста-
новиться термодинамическое равновесие с окружающей средой — газовой фа-
зой, засыпкой, контейнером и т. д., что сопровождается изменением состава
вещества в области гомогенности, а также его электрической проводимости.
Например, электрическая проводимость окислов титана, никеля и некоторых
других металлов при нарушении стехиометрического состава может изменяться
10
в ]дз_10s раз. Поэтому выбор условий синтеза и спекания не менее важен Для
получения требуемых свойств, чем состав материала и количество примесей [5].
В связи с большой энергией активации и малой величиной электрической
проводимости диэлектриков при понижении температуры основной вклад в элек-
тропроводность вносят подвижные носители тока — электроны либо ионы, кото-
рые перемещаются вдоль дефектов кристаллической решетки — дислокаций,
границ блоков и зерен, а также по поверхности кристалла, где сосредоточено
наибольшее количество дефектов кристалла [6].
1.2.3.	ПОВЕРХНОСТНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
Мерой переноса тока вдоль поверхности является удельная поверхностная
электропроводность, которая определяется как отношение разности потенциалов
к току между двумя расположенными на поверхности электроизолятора электро-
дами в виде параллельных металлизированных полос, расстояние между кото-
рыми равно их длине. Размерность поверхностной электропроводности См-1,
так как ток между сторонами квадрата не зависит от размеров последнего. Оче-
видно, что ток между такими электродами может протекать не только вдоль
поверхности, но и в объеме электроизолятора, т. е. определенная этим методом
величина зависит и от объемных свойств материала [7].
1.2.4.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
Важнейшей характеристикой электроизоляционных материалов является
также электрическая прочность — способность противостоять без разрушения
воздействию электрических полей большой напряженности. Электрическая проч-
ность, которая измеряется напряженностью электрического поля, вызывающего
разрушение материала, зависит от природы материала, конфигурации электриче-
ского поля в нем, однородности материала и совершенства его кристаллической
структуры.
Любая неоднородность материала, а также наличие острых кромок у об-
разца, малый радиус закругления либо острые края подводящих напряжение
электродов — все эти факторы вызывают локальное повышение напряженности
электрического поля, что приводит к преждевременному инициированию пробоя
в тех частях диэлектрика, где напряженность поля превышает электрическую
прочность.
Ток, проходящий через диэлектрик, разогревает его, что в свою очередь
способствует дальнейшему увеличению проводимости, росту тока и разогреву
диэлектрика вплоть до расплавления. Такой вид пробоя называется тепловым
в отличие от электрического — лавиноподобного роста тока вследствие ударной
ионизации атомов диэлектрика электронами проводимости, ускоренными в силь-
ном электрическом поле [8].
Различная природа теплового и электрического пробоя обусловливает раз-
личие зависимости электрической прочности диэлектриков, в которых реали-
зуются различные типы пробоя, от внешних факторов. Например, если элек-
трическая прочность при тепловом пробое пропорциональна эффективному зна-
чению приложенного напряжения, то для электрического пробоя важно пиковое
значение напряженности поля. Инерционность электрического пробоя измеряется
микросекундами, в то время как развитие теплового пробоя зависит от тепловой
постоянной изучаемого изделия — ток, приводящий к пробою массивных высо-
ковольтных керамических изоляторов, нарастает в течение десятков часов. Раз-
личные воздействия на электрическую прочность при тепловом и электрическом
пробое оказывают изменение толщины и формы образцов, среды, в которой произ-
водятся испытания (воздух, масло). Тепловой пробой характерен для диэлектри-
ков при повышенной температуре, при комнатной температуре — для диэлектри-
ков с относительно большей проводимостью — порядка 10~8—10"11 См/м. Мате-
риалы с проводимостью порядка 10'14—10-15 См/м обычно разрушаются вслед-
ствие электрического пробоя. Электрическая прочность лучших диэлектриков,
таких как слюда, кварц, достигает в тонких слоях 1500 МВ/м. Электрическая
11
прочность керамических, фарфоровых и других спеченных диэлектриков обычно
составляет 30—150 МВ/м. Все эти материалы разрушаются вследствие электри-
ческого пробоя. Материалы, у которых наблюдается явление теплового пробоя,
имеют электрическую прочность, как правило, не выше 20 МВ/м [9].
Электрическая прочность при переменном испытательном напряжении
ниже, чем при постоянном, и уменьшается с ростом частоты. Чтобы учесть много-
численные факторы, влияющие на электрическую прочность, измерения элек-
трической прочности проводят в определенных регламентированных режимах,
которые устанавливают как для материалов, так и для отдельных видов изделий
в соответствии с условиями их эксплуатации.
Пробой вдоль поверхности образца происходит при значительно меньших
напряженностях поля, чем в объеме образцов, и меньших, чем электрическая
прочность воздуха (3 МВ/м при комнатной температуре), что объясняется кон-
центрацией электрического поля вблизи поверхности вследствие различия элек-
тропроводностей и диэлектрических проницаемостей электроизолятора и газо-
вой фазы. Чтобы предотвратить поверхностный пробой, при измерениях элек-
трической прочности используют образцы специальной формы, у которых путь
для пробоя по поверхности значительно больше, чем в объеме (ГОСТ 6433.3—71).
1.2.5.	диэлектрическая проницаемость
И ТАНГЕНС УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ
Диэлектрическая проницаемость е и тангенс угла диэлектрических потерь
tg б — основные характеристики конструкционных, электроизоляционных, ра-
диопрозрачных и других материалов, работающих в переменных электромагнит-
ных полях, а также диэлектриков конденсаторов, затворов полевых транзи-
сторов и т. п.
Относительная диэлектрическая проницаемость — это скалярная безраз-
мерная величина, характеризующая способность диэлектриков поляризоваться
в электрическом поле и равная отношению емкости конденсатора с диэлектриком
к емкости такого же конденсатора без диэлектрика в вакууме. Мера поляриза-
ции — поляризуемость диэлектрика, равная электрическому дипольному мо-
менту единицы объема диэлектрика, или, что то же, поверхностному заряду,
возникающему на единичной поверхности диэлектрика в результате поляризации.
Поляризация диэлектрика может быть обусловлена несколькими процес-
сами, имеющими различную физическую природу и различное время установле-
ния. Так, например, во всех веществах'имеет место упругая электронная поля-
ризация — небольшое смещение электронных оболочек атомов относительно
ядер во внешнем электрическом поле. Время установления этой поляризации —
порядка периода собственных колебаний электронов ^Ю'15 с, что соответствует
УФ-области спектра. При упругой электронной поляризации показатель пре-
ломления вещества в видимой области спектра п связан с диэлектрической про-
ницаемостью е соотношением е = и2. Это соотношение справедливо для многих
простых веществ, некоторых окислов, нитридов, боридов, органических соедине-
ний. Диэлектрическая проницаемость таких веществ обычно равна 2—6.
Поляризация ионного смешения возникает в результате смещения положи-
тельных и отрицательных ионов в ионном кристалле относительно их положе-
ния равновесия под действием внешнего поля. Время установления такой поля-
ризации определяется инерционностью иоиов и составляет КГи—10~1а с. Ионная
поляризация наблюдается у всех веществ с ионным характером химической
связи — окислов, галогенидов, халькогенидов и др. Диэлектрическая прони-
цаемость при таком виде поляризации обычно лежит в пределах 7—20.
Ионно-реддксационная и электронно-релаксационная виды поляризации
обязаны своим происхождением смещению ионов либо электронов в диэлектрике
на расстояния, равные десяткам и даже сотням элементарных ячеек кристалла.
Возможность такого движения возникает обычно вблизи дефектов кристалличе-
ской решетки — вакансий, дислокаций, границ зерен и т. п., в результате неко-
торого упорядочения в электрическом поле хаотических тепловых перемещений
щонов или электронов.
12
Хотя количество релаксационных центров значительно меньше, чем общее
число атомов в кристалле, значительная величина моментов образующихся
диполей обусловливает значительную величину диэлектрической проницаемости
таких кристаллов, достигающей нескольких сотен. Время установления релак-
сационных видов поляризации экспоненциально уменьшается с температурой,
изменяясь в очень широких пределах — от микросекунд до десятков секунд [10].
В неоднородных диэлектриках подвижные электроны могут смещаться
(мигрировать) в пределах областей гомогенности. Если электропроводности этих
областей значительно отличаются, то на их границах возникают электрические
заряды. Такую поляризацию, называемую миграционной или межслоевой,
нельзя отнести к каждой точке внутри кристалла, поэтому здесь можно гово-
рить только об эффективном значении диэлектрической проницаемости. Подоб-
ное явление имеет место в керамических материалах, когда в относительно хо-
рошо проводящей керамике образуются непроводящие прослойки на границах
зерен. Приготовленная таким способом керамика на основе легированного тита
ната бария имеет эффективную Диэлектрическую проницаемость до 60 000 [11],
однако тангенс угла диэлектрических потерь в таких материалах велик tg6 яа
«=* 0,15-ь0,25.
Еще одним часто встречающимся в неорганических диэлектриках видом
поляризации является приэлектродная поляризация, когда местом, где накап-
ливаются носители заряда, является энергетический барьер между диэлектриком
и электродом. Такая ситуация реализуется, например, в ионных кристаллах
при повышенных температурах, когда напряжение между электродами меньше
напряжения разложения, т. е. разрядка ионов (электролиз) происходить не мо-
жет. Используя это явление в так называемых суперионных проводниках, удается
получать конденсаторы с рекордной емкостью — до 10е ф/см3 при рабочем на-
пряжении конденсатора 0,7 В [12].
В описанных видах поляризации в силу симметричности кристаллической
решетки электрическое поле внутри кристалла является изотропным и поэтому
непосредственно не участвует в возникновении дипольных моментов. В менее
симметричных кристаллах — в 20 кристаллических классах из 32 возможных —
поляризация ионного смещения связана с деформацией кристалла — приложе-
ние электрического поля приводит к изменению размеров кристалла и, наобо-
рот, — механическая деформация обусловливает появление зарядов на гранях
кристалла. Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Так как смещение
ионов происходит тоЛько вдоль определенного направления в кристалле, ди-
электрическая проницаемость пьезоэлектриков является тензором 3-го ранга.
В пьезоэлектрических кристаллах 10 наименее симметричных классов,
обладающих особой полярной осью, электрический момент элементарной ячейки,
т. е. поляризация кристалла, возникает прн кристаллизации вследствие осо-
бенностей упаковки атомов в кристалле. Такую поляризацию называют спонтан-
ной. Спонтанная поляризация зависит от температуры, поэтому при нагреве
или охлаждении кристалла электрический потенциал некоторых его граней из-
меняется — это явление называется пироэлектрическим эффектом. Типичные
пироэлектрики — турмалин и виннокислый калий — развивают на своих гранях
настолько большую э. д. с., что сами пробивают себя электрическим полем.
Например, пластинка турмалина, вырезанная перпендикулярно пироэлектриче-
ской оси и имеющая толщину 1 мм, при нагреве на 10° приобретает электриче-
ский заряд —5-10'9 Кл/см2, а разность потенциалов между ее гранями увели-
чивается на 1200 В [13].
Направление спонтанной поляризации в большинстве пироэлектриков (так
называемых линейных пироэлектриках) нельзя изменить внешним электриче-
ским полем при любых температурах вплоть до плавления. Тем не менее у не-
которых пироэлектриков внешнее поле 103—104 В/см может переориентировать
направление оси спонтанной поляризации. Эти кристаллы называются сегнето-
электриками. Обычно соседние области сегнетоэлектриков, обладающие спон-
танной поляризацией (домены), ориентированы противоположно друг другу и
компенсируют электрические поля друг друга. Достаточно сильное электрическое
Поле может ориентировать поляризацию всех кристаллов сегнетокерамики
в одном направлении, а кристалл сегнетоэлектрика превратить в однодоменный
13
Структура кристалла, в которой он может проявить сегнетоэлектрические свой-
ства, сохраняется обычно в небольшом интервале температур, точки перехода
из сегнетоэлектрического состояния в параэлектрическое (обычно в фазу кубиче-
ской сингонии) называются точками Кюри. Диэлектрическая проницаемость'
сегнетоэлектриков увеличивается при прибтижении к точке Кюри со стороны
как высоких, так и низких температур по закону Кюри—Вейсса:	'
с_ *
Т-Та ’
где К — константа Кюри, а Го — температура, отличающаяся от точки Кюри
на 5—10 °C. При температурах вблизи фазового перехода диэлектрическая про-
ницаемость сегнетоэлектриков максимальна и составляет обычно 20 000 —
50 000 [14].
Пьезоэлектрическими, пироэлектрическими и сегнетоэлектрическими свой-
ствами обладают кристаллы многих тугоплавких соединений — кристалличе-
ские модификации кремнезема, часть кристаллических форм окиси алюминия,
окислов лантаноидов, а также многих нитридов, фосфидов, халькогенидов и
других соединений. В веществах с преобладающим ковалентным типом химиче-
ской связи эти свойства выражены слабее, чем в ионных кристаллах. Структур-
ные характеристики материала сравнительно мало влияют на сегнетоэлектриче-
ские свойства, в то время как пьезо- и пироэффекты в поликристаллических и
керамических материалах наблюдаются только при наличии текстуры, что до-
стигается у керамики, например, специальными режимами формования и спе-
кания.
Этими свойствами обладает широкий класс веществ, поэтому их проявление
необходимо учитывать при исследовании новых как по составу, так и по струк-
туре тугоплавких материалов.
1.3.	Методы измерения электрических свойвтв
1.3.1.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Из всех описанных свойств электротехнических материалов в наибольших
пределах изменяется величина электрической проводимости. Поэтому методики
Рис. 1. Расположение электро-
дов 1—4 при измерении удельно-
го электросопротивления четы-
рехзондовым методом
(ИТ—источник постоянного тока
0,1—10 мА)
ее измерения для металлов, полупроводни-
ков и диэлектриков существенно различа-
ются.
Электропроводность металлических спе-
ченных материалов измеряют четырехэлек-
тродным методом на образцах в виде удли-
ненных штабиков с круглым либо прямо-
угольным сечением площадью 1—10 мм2, а
длиной 40—200 мм. Внешние (токовые) элек-
троды служат для пропускания тока через
образец, а внутренняя пара электродов —
для измерения разности потенциалов на
некотором участке образца (рис. 1). Формы
образца и электродов должны обеспечивать
параллельность линий тока между внут-
ренними электродами и необходимую точ-
ность измерения расстояния между внут-
ренними электродами и плоскостью сечения
образца.
Внутренние электроды изготавливают
иногда в виде точечных зондов — пружи-
нящих игл, прижимаемых к поверхности образца, что позволяет точнее
измерить длину участка проводника, на котором измеряется падение напряже
14
нпя. При подготовке металлических образцов к измерению необходимо исклю
чить все виды обработки, которые могут изменить внутреннюю структуру об-
разца либо количество дефектов кристаллической решетки в нем —-деформацию,
термообработку, наклеп и т. п. [15].
Величина постоянного либо переменного тока через образец выбирается,
исходя из требований стабильности температуры образца, и определяется как
формой его сечения, так и условиями теплообмена с окружающей средой. При точ-
ности измерений i 0,5% допустимый перегрев составляет °C, что обеспечи-
вается без каких-либо специальных мер мощностью порядка ИГ3 Вт на 1 см2
поверхности образца.
Для измерения падения напряжения между зондами используют мосты пере-
менного и постоянного тока.
При точности ~3% можно использовать, например, миллиомметр Е6-12,
работающий на частоте 500 Гц и имеющий выводы для присоединения токовых
и потенциальных электродов при измерении четырехэлектродным методом.
Диапазон измерений прибора Е6-12 от 1 мОм до 10 Ом.
К недостаткам четырехэлектродного метода относится прежде всего то, что
определенная этим методом электропроводность представляет собой значение,
усредненное по всему образцу, и совпадает с истинной величиной только для
однородных образцов, что не часто встречается в керамической технологии.
Погрешности четырехэлектродного метода связаны также с появлением термо-
э. д. с. между потенциальными зондами из-за возникновения разности темпе-
ратур на краях образца вследствие эффекта Пельтье и с изменением проводи-
мости одной из приконтактных областей образца из-за инжекции носителей тока
с электрода в материал с полупроводниковой проводимостью. Большие трудности
возникают также при приготовлении образцов — как вследствие перечисленных
выше ограничений в способах обработки, так и из-за хрупкости многих спе-
ченных материалов, особенно если в их состав входят тугоплавкие соединения
с ионным либо ковалентным характером химической связи. Поэтому обычно
четырехэлектродный метод применяют только для измерения материалов с элек-
трической проводимостью выше 10е См/м.
1.3.2.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В диапазоне проводимостей материалов 106—10~7 См/м используют так на-
зываемый четырехзондовый метод измерения с заостренными точечными пружи-
нящими зондами, устанавливаемыми вдоль одной прямой на расстоянии 0,1—1 мм
друг от друга на плоской площадке на поверхности материала, размеры которой
могут быть всего несколько десятков квадратных миллиметров. Между внеш-
ними зондами пропускают ток, внутренние зонды используют для измерения раз-
ности потенциалов.
Зазор между зондами намного меньше расстояния до границ материала,
поэтому при расчетах рассматривается модель растекания тока с точечного зонда
на плоской поверхности в бесконечно большой объем вещества. В такой модели
эквипотенциальные поверхности вблизи точечного зонда сферически симме-
тричны, и потенциал в любой точке вещества вычисляется по уравнению Лапласа
в сферической системе координат 116]. Из решения, в частности, следует, что
величина протекающего через образец тока определяется в основном так назы
ваемым сопротивлением растекания, т. е. приконтактной областью вещества,
размеры которой сравнимы с размерами контакта между зондом и измеряемым
материалом. Так, если поверхность соприкосновения зонда с образцом имеет
вид полусферы радиуса J?, то 90% общего падения напряжения на образце при-
ходится на слой радиусом 107?. Если /х, 12, 13 — расстояние между зондами 1, 2,
3 и 4 соответственно, то удельная электрическая проводимость материала вычис-
ляется по формуле
_ I / 1	1	1	1 \
17 ~ w23 I /j /j + /3 ~ it + i2 +1г)’	('"3“I)
15
где l/2s — напряжение между потенциальными зондами 2 и 3. Если расстояние
между всеми зондами одинаково, формула (3) упрощается:
° 2л/С/аз
(1-3-2)
Тр1
Др1 Др2 ДрЗ ДрР
Рис. 2. Схема измерения удельного со-
противления четырехзондовым методом
на переменном токе:
ИТ — источник тока; ИС — источник сме-
щения; Др'—Др^ — дроссели; 1—4 —
электроды; 5 — образец
Гр2
Формулы (1.3—1) и (1.3—2) справедливы, когда диаметр контакта мал
по сравнению с расстоянием между зондами — при диаметре контакта, рав-
ном 0,051, связанная с этим погрешность измерения составляет —-2%.
Четырехзондовый метод используют также для измерения проводимости
тонких пластин, в том числе пластин из тугоплавких материалов с металлизо-
ванной обратной поверхностью. Результаты расчета в таких моделях сводятся
к использованию формул (1.3—1) и (1.3—2), умноженных на некоторый попра-
вочный коэффициент, зависящий от расположения зондов относительно границ
материала [16]. Во всех случаях,
когда расстояние от места установки
зондов до границы материала превы-
шает 3/, поправочный коэффициент
может быть принят равным единице
с ошибкой не более нескольких про-
центов. Размер порядка 3Z должна
иметь и та область материала, где -
свойства однородны, чтобы можно
было использовать четырехзондовый
метод.
В применяемых обычно конструк-
циях зонды монтируют в специальной
головке, где расстояние между зон-
дами составляет от 0,1 до 1 мм. Концы
зондов затачивают электролитически,
электроэрозионной обработкой, поли-
ровкой абразивными суспензиями
либо другими методами. Конструкция
головки обеспечивает строгую фикса-
цию расстояния между зондами и на-
зонда с поверхностью материала. Сами
твердого сплава типа В К, фосфористой
Четырехзондовую головку крепят на
дежный пружинящий контакт каждого
зонды изготавливают из вольфрама,
бронзы, стали либо других материалов,
специальном манипуляторе, снабженном микрометрическим винтом, с помощью
которого ее можно устанавливать на любом заданном месте поверхности мате-
риала.
Ток через зонды 1 и 4 обычно не превышает 1 мА и создается регулируемым
источником с высоким выходным сопротивлением. Чтобы исключить переходное
сопротивление контактов 2 и 3, разность потенциалов между ними измеряют
компенсационным методом либо достаточно высокоомным вольтметром. Так,
вольтметры с RBX 108 Ом позволяют измерять материалы с электрической
проводимостью до 10“2 См/м, а если использовать электрометры, у которых
7?вх 101“—]Qi6 Ом, то охватываемый диапазон измерения расширяется до
10~“—10~7 См м. Применение четырехзондового метода для материалов с малой
электрической проводимостью ограничено утечками по поверхности образца,
а также тем, что проводимость диэлектриков, изолирующих зонды и подводящие
провода друг от друга, становится соизмеримой с переходным сопротивлением
зонд—образец. Чтобы уменьшить переходное сопротивление потенциальных
контактов, особенно на таких материалах, где точечные зонды дают большой
коэффициент выпрямления (например, SiC, AIN, ZnO и др.), применяют элек-
трическую формовку контакта зонда с материалом. С той же целью используют
прямое смещение контактов — пропускание через них тока в прямом направле-
нии от независимого источника. Измерения при этом проводят на переменном
токе. Схема такого устройства приведена на рис. 2. Дроссели Дрх—Др.ц и кон-
денсаторы С1; С2 служат развязками, позволяющими использовать один общий
16
источник смещения ИС. Источником измерительного тока служит звуковой гене-
ратор с частотой —103 Гц. Разность потенциалов между зондами 2 и 3 изме-
ряется узкополосным вольтметром с синхронным детектором.
1.3.3.	ОДНОРОДНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ
Важной задачей во многих случаях является изучение однородности элек-
трической проводимости материала, отражающей равномерность распределения
пор, примесей, дефектов, дислокаций и т. п. С этой целью используют подвиж-
ный металлический зонд, оканчивающийся микроколесиком или шариком и
перемещающийся по поверхности материала с постоянной скоростью. Такой
зонд позволяет измерить распределение потенциала вдоль образца U (х), а вели-
чина удельного сопротивления вычисляется как производная функции U (х)
по координате х в данной точке:
pW=— 'ЧТ-	(L3-3)
Скачки переходного сопротивления зонда, которых трудно избежать при дви-
жении зонда по образцу, значительно затрудняют измерения. Поэтому при кон-
троле однородности материалов, обладающих фоточувствительностью (таких,
как карбид кремния, многие окислы, сульфиды, нитриды и др.), пользуются
бесконтактными методами — методом светового и темнового зондов. Световой
зонд представляет собой сфокусированную на поверхности материала освещен-
ную полоску с резкими краями, направление которой перпендикулярно прямой,
соединяющей потенциальные зойды.
При движении светового зонда от одного электрода к другому между ними
возникает фотоэлектродвижущая сила, пропорциональная производной элек-
трической проводимости в освещенной области по расстоянию в направлении,
перпендикулярном движению зонда. Чувствительность и разрешающая способ-
ность такого метода существенно выше, чем при использовании подвижных
контактов.
Из-за диффузии носителей тока из освещенной области эффективная ширина
светового зонда оказывается больше, чем ширина освещенной полосы, что огра-
ничивает разрешающую способность метода. Устранить этот недостаток и полу-
чить максимальную разрешающую способность позволяет метод темнового зонда;
в отличие от предыдущего, здесь по освещенной поверхности между электродами
движется тонкая затемненная полоса [17].
1.3.4.	ОБЪЕМНАЯ И ПОВЕРХНОСТНАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Измерения электрической проводимости электроизоляционных материалов,
удельная электрическая проводимость которых меньше 10~8 См/м, требуют
специальных методов и аппаратуры. Особенности таких измерений связаны с за-
метным вкладом поверхностных утечек и проводимости по порам, в частности,
из-за влияния адсорбированной влаги, невозможностью использовать точечные
зонды из-за большого сопротивления растекания, накоплением пространствен-
ного заряда в приэлектродных областях при прохождении тока, а также труд-
ностями устранения наводок и посторонних э. д. с., возникающих на различных
участках высокоомных измерительных цепей. Особенно затруднены высокотем-
пературные измерения таких материалов, где к перечисленным факторам добав-
ляются утечки из-за проводимости газовой фазы, изменения состава материала
вследствие электролиза, ионной поляризации электродов и т. п.
Чтобы устранить либо уменьшить изменение электрических свойств элек-
троизоляционных материалов из-за взаимодействия с влагой, образцы в соответ-
ствии с техническими условиями на каждый материал перед измерением свойств
подвергают нормализации (предварительному кондиционированию) — выдержке
при такой температуре й влажности окружающей среды, при которой должны
17
О’1/
7
2
(Л)
Рис. 3. Схема под-
ключения электро-
дов при трехэлек-
тродном измерении
удельного сопро-
тивления диэлек-
триков
восстановиться свойства, изменившиеся в связи с предшествующим взаимодей
ствием образца с влагой. Затем образцы кондиционируют — выдерживают при
температуре и влажности, близким к условиям службы материала, и только
после этого испытывают. Условия испытаний обычно совпадают с кондициони-
рованием, но могут и отличаться. Возможные варианты условий нормализации,
кондиционирования и испытаний, а также их сокращенные обозначения при
записи установлены ГОСТ 6433.1—71. Например, если образец должен быть
нормализован в течение 18 ч в среде с относительной влажностью менее 20%
при 50 °C, а затем кондиционирован в течение 24 ч при 20 °C и относительной
влажности 65% и испытан в тех же условиях, то обозначения такой подготовки
и испытания должны быть записаны следующим образом:
18 ч (50) < 20 + 24 ч (20) 65; М (20) 65.
Если образцы испытывают без нормализации и конди-
ционирования, то перед буквой М ставят букву Р, разде-
лив их точкой с запятой. В этом случае при испытании
Образцов, например, в условиях комнатной среды, где
температура может колебаться от 15 до 35 °C, а относи-
тельная влажность — от 45 до 75% , в протоколе испыта-
ния следует записать Р; М (15—35) 45—75.
Нормализацию, кондиционирование и испытание об-
разцов проводят также в трансформаторном масле или
в других жидкостях.
Если в технических условиях иа материал не ука-
заны условия нормализации, кондиционирования и испы-
тания, то нормализацию образцов проводят при 50 ±
± 2 °C и относительной влажности не более 20% в тече-
ние 24 ч, а испытания — в комнатных условиях.
С целью максимального уменьшения утечек, шун-
тирующих высокоомный образец при измерении удель-
ного объемного электросопротивления электроизоляцион-
ных материалов, обычно используют трехзондовую
схему измерения (рис. 3).
Высоковольтный электрод 1 присоединяется к источ-
нику постоянного либо переменного напряжения, вели-
чина которого должна быть указана в технических усло-
виях на материал (ГОСТ 6433.2—71 рекомендует следу-
ющие величины испытательных напряжений: 50, 100,
250, 500 и 1000 В).
Кольцевой электрод 3 (охранное кольцо) соединяется с заземленным полю-
сом источника питания непосредственно, а измерительный электрод 2 — через
гальванометр. Ширина охранного кольца должна быть не менее двойной тол-
щины образца, а величина зазора между измерительным и охранным электро-
дом — около 2 мм. Диаметр образца — от 25 до 150 мм. Удельное объемное со-
противление р0 вычисляется по формуле
ТГ D* 2
ри=-^-^-	(1-3-4)
где D — средний диаметр зазора между измерительным электродом и охранным
кольцом; t — толщина образца, м; 7?0 ^ufl, где Ди — разность потенциалов
между измерительным и высоковольтным электродами; I — ток гальванометра.
Та же система электродов позволяет измерять и удельное поверхностное
сопротивление. В этом случае электрод 1 соединяется с заземленным полюсом
источника питания, т. е. служит охранным электродом, а к кольцевому элек-
троду 3 присоединяют высоковольтный вывод источника. Удельное поверхностное
сопротивление рассчитывают по формуле
nD „	., „	г-,
Ps = —-—Rs<	(1-3—5)
где g — ширина зазора между измерительным и охранным электродами.
18
Трехэлектродный метод применяют также для измерения удельных элек-
трических сопротивлений трубчатых образцов. При этом высоковольтный элек-
трод наносят на внутреннюю поверхность, а охранный и измерительный элек-
троды __на внешнюю поверхность трубки, располагая их в виде полос по всей
окружности трубки. Удельные сопротивления в этом случае рассчитывают по сле-
дующим формулам:
ра = 2,73 (Z + g) Rv',	(1.3-6)
,g^
ps==2n-^_Rs,	(1.3-7)
где Rv, Rs — измеренные сопротивления, Ом; dt, d, — внутренний и наруж-
ный диаметры трубок, м; I — ширина измерительного электрода, м; g — ширина
зазора между измерительным и охранным электродами, м.
1.3.5.	ЭЛЕКТРОДЫ ДЛЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Электроды для измерения удельных электрических сопротивлений изготав-
ливают различными методами — нанесением на диэлектрик металлических пле-
нок, притиранием к поверхности с помощью масла тонкой отожженной метал-
лической фольги, нанесением суспензий порошка графита в воде или лаке, в виде
прижимных конструкций, выполненных из металла либо токопроводящей ре-
зины, .и т. п. Применяют также электроды из ртути и порошкообразного графита.
Б этом случае высоковольтным электродом служит налитая в сосуд ртуть, на
поверхности которой плавает плоский образец либо порошкообразный графит,
на который кладут образец. На верхней поверхности образца концентрически
располагают три металлических кольца. Ртуть, залитая во внутреннее кольцо,
либо засыпанный туда же графит служат измерительным электродом, а ртуть
либо графит в зазоре между наружными кольцами — охранным элек-
тродом.
Из всех упомянутых типов электродов наиболее высокую воспроизводимость
и точность измерения обеспечивают электроды, нанесенные на образец методом
вакуумного распыления металлов (серебра, золота, алюминия), но они дороги,
трудоемки в изготовлении и не могут быть применены при массовых испытаниях.
Плоские электроды из фольги, притертые к диэлектрику с помощью масла, элек-
троды из фольги с резиновой подкладкой и особенно прижатые электроды из ме-
талла вносят большую погрешность за счет образования между электродами и
образцом воздушных включений из-за неплотного прилегания электродов к об-
разцу, что особенно заметно при повышенных температурах. Еще один недоста-
ток электродов прижимного типа — необходимость применения сравнительно
больших давлений — до 40 кПа для создания удовлетворительного контакта
между электродами и образцом. Такое механическое воздействие приводит к воз-
никновению в изоляторе трибо- и пьезоэффектов, вызывающих паразитные токи
силой 10-14—10-15 А, которые ограничивают чувствительность при измерении
сопротивления до 1016—101в Ом.
Резиновые электроды, требующие меньших усилий прижима, обладают оста-
точной деформацией, а покрывающая их фольга обеспечивает степень контакта
не лучше, чем достигаемый притиранием фольги. Наилучшими характеристиками
при массовых испытаниях обладают, по-видимому, электроды из эластичной
токопроводящей резины, имеющей вид сферической мембраны [18]. Удельное
Давление при использовании таких электродов может быть снижено до 10 кПа.
При этом силы токов, генерируемых изолятором, снижаются и верхний предел
измерения удельного электрического сопротивления может быть расширен
До 1017 Ом-м.
19
1.3.6.	СОПРОТИВЛЕНИЕ изоляции
И ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Кроме удельных объемного и поверхностного электрических сопротивлений
электроизоляционных материалов, в соответствии с ГОСТ 6433.2—71 измеряют
также так называемые сопротивление изоляции и внутреннее сопротивление
материала. Сопротивление изоляции — это отношение напряжения к току, про-
текающему по поверхности и через толщу образца между двумя штыревыми элек-
тродами, проходящими через образец насквозь, либо ленточными электродами,
проходящими параллельно друг другу на поверхности образца. Сопротивление
изоляции — чисто техническая характеристика материала, позволяющая более
или менее точно оценить ток утечки между определенными элементами конструк-
ции. Поэтому выбор электродов зависит от соотношения объемного и поверх-
ностного тока при данном применении электроизоляционного материала.
Если основная часть тока утечки проходит через объем диэлектрика и дан-
ное изделие из электроизоляционного материала имеет толщину >1 мм, то со-
противление изоляции измеряется между двумя штыревыми электродами, встав-
ленными в сквозные отверстия в плоском образце и плотно прилегающими к стен-
кам этих отверстий благодаря конусной посадке. Диаметр штыревых электродов
5 мм, расстояние между центрами отверстий 25 ± 1 либо 15 ± 1 мм. В тех слу-
чаях, когда основной вклад в сопротивление изоляции вносит поверхностный
ток по электроизолятору, а также при толщине листа либо полос электроизоля-
ционного материала <1 мм, для определения сопротивления изоляции исполь-
зуют ленточные, ножевые либо металличес кие прижимные электроды. Ленточ-
ные электроды представляют собой две параллельные полоски из проводящей
пасты (лака) шириной 1 мм либо полоски из металлической фольги шириной
10 мм, расположенные на поверхности образца на расстоянии 10 ± 0,5 мм.
Длина электродов для плоских образцов должна быть 100 ± 1 мм. При опреде-
лении с помощью ленточных электродов сопротивления изоляции трубчатых
либо стержневых образцов, где полоски наносятся по окружности образца,
сопротивление изоляции должно быть приведено к длине электродов 100 мм
с помощью соотношения
#1°° = 100 Rx,
где d — наружный диаметр образца, мм; Rx — измеренное сопротивление изо-
ляции, Ом; 7?100 — сопротивление, соответствующее длине электродов 100 мм.
Ножевые электроды изготавливаются из обернутой фольгой резины, размеры
которой соответствуют размерам ленточных электродов. Прижимные электроды
представляют собой металлические бруски размером 10X10X50 мм, прижимае-
мые к плоской поверхности образца. Последние два типа электродов исполь-
зуются только для измерения сопротивления изоляции плоских образцов и лент.
Для образцов и лент шириной <25 мм сопротивление изоляции относят к ши-
рине 25 мм:
^25 = ’25” Rx’
где b — ширина образца, мм; Rx — измеренное сопротивление, Ом; /?25 — со-
противление, соответствующее ширине образца 25 мм.
Внутреннее сопротивление изоляции — это отношение напряжения к току,
протекающему в объеме материала между двумя штыревыми электродами, встав-
ленными в несквозные отверстия, просверленные с противоположных сторон
образца. Диаметр стержневого электрода выбирается равным 5 мм, расстояние
между центрами отверстий 15 ± 0,2 мм, глубина отверстия 0,8 толщины образца.
Определение внутреннего сопротивления производят обычно при толщине элек-
троизоляционных изделий не менее 8 мм.
Измерение сопротивлений производят при постоянном напряжении, неста-
бильность и пульсации которого не должны превышать 1% , что необходимо для
уменьшения емкостных токов через образец. Величина испытательного напряже-
20
ния при измерении сопротивления изоляции и внутреннего сопротивления выби-
рается возможно более близкой к условиям службы материала из числа реко-
мендованных ГОСТ значений 50, 100, 250, 500 и 1000 В. При измерении удельных
объемного и поверхностного сопротивлений используют иногда напряжения
не выше нескольких вольт, что позволяет избежать электролизных явлений
вблизи контактов и образования значительных объемных зарядов в диэлектрике.
Перед началом измерений, чтобы уменьшить пиро-, пьезоэлектрические и
другие э. д. с., возникающие на электродах образца, все электроды на образце
должны быть замкнуты между собой в течение 1 мин и более до подачи испыта-
тельного напряжения. Время от подачи испытательного напряжения до замера
сопротивления должно быть указано в технических условиях на материал. Если
такое указание отсутствует, то отсчет следует производить на 60-й секунде после
включения напряжения.
1.3.7.	ЭЛЕКТРОДНЫЕ БЛОКИ И АППАРАТУРА
Отечественная аппаратура для измерения электрического сопротивления
диэлектрических материалов серийно не выпускается. Чертежи нескольких ва-
риантов электродных устройств приведены в ГОСТ 6433.2—71. Среди более
недавних разработок можно отметить приставку ПС-1, позволяющую в ком-
плекте с электрометрами ЭМ-1 или ИТН-7 измерять рв и ps диэлектриков [18].
Приставка ПС-1 имеет источники измерительного напряжения от 0,1 до 500 В
и электродное устройство, которое может работать в режиме измерения рр и ps.
В экранированном отсеке приставки могут устанавливаться сменные блоки
электродов, измерительные электроды в которых имеют диаметры 10, 25 и 50 мм.
ДляЧ)беспечения контактного давления на измеряемый образец служит эксцен-
триковый механизм, на конце втулки которого находится высоковольтный элек-
трод. Конструкция электродного блока и использованные в нем электроды из то-
копроводящей резины обеспечивают высокую производительность испытаний,
надежный омический контакт с образцом, высокую чувствительность и точность
измерений. В сочетании с электрометром ИТН-7 приставка позволяет измерять
удельные объемные электрические сопротивления материалов в диапазоне 106—
1019 Ом- см.
1.3.8.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
Определение истинной электрической прочности электроизоляционных мате-
риалов — пробивного напряжения однородного образца в однородном электри-
ческом поле — встречается обычно со значительными затруднениями из-за необ-
ходимости тщательного соблюдения обоих этих условий. Однородность поля
достигается тем, что в образце делают углубления — сферические либо с плоским
дном и закругленными краями, так что отношение общей толщины образца к ми-
нимальной толщине в месте углубления должно быть не менее чем 5—10. Кера-
мические диэлектрики обычно трудно поддаются обработке, поэтому придать
такую форму образцам нелегко. Кроме того, достижение однородности поля имеет
смысл только тогда, когда сам образец однороден, так как любая неравномер-
ность структуры, текстурирование материала, микротрещины, поры, границы
зерен и другие дефекты являются местом концентрации электрического поля.
По сути, определяемая на опыте электрическая прочность — это прочность
наиболее слабого места образца, притом заниженная в неизвестное количество
раз вследствие концентрации в этом месте электрического поля. Например,
в пористых диэлектриках напряженность поля, приводящая к пробою вдоль
границы раздела диэлектрик—пора, составляет обычно 10!—104 В/см, поэтому
при полях, в сотни раз меньших электрической прочности диэлектрика, в порах
возникают дискретные разряды либо тлеющий разряд, вызывающий разогрев и
электрическую эрозию диэлектрика. Если электрическая прочность измеряется
на переменном токе, то при пробое газовых включений в порах наблюдается
существенное увеличение tg 6 [8].
21
На практике в соответствии с ГОСТ 6433.3—71 определяют не истинную
электрическую прочность, а некоторую сопоставимую с ней величину •— элек-
трическую прочность, дающую приближенную характеристику поведения мате-
риала в реальных условиях [10]. Полученные по методикам, предлагаемым
в ГОСТ 6433.3—71, значения электрической прочности различаются для образ-
цов разной толщины и неприменимы для характеристик конструкций. Напри-
мер, экспериментальная зависимость пробивного напряжения керамических
материалов от толщины d может быть представлена в виде уравнения
^пр = ^0Пр^-^—,	(1-3 8)
где (/Опр — пробивное напряжение образца толщиной d0; п изменяется в пре-
делах 0,5—1,0 В в зависимости от многих технологических факторов (для кера-
мики BaTiO3 с размером зерен d = З-ь-6 мкм п = 0,776, для d =~ З-ьЮ мкм
п = 0,758) [11].
Пробивное напряжение определяют между электродами определенного типа,
вычисляя электрическую прочность как частное от деления этого пробивного
напряжения на кратчайшее расстояние между плоскими электродами, а для
электродов другой формы используют некоторый коэффициент а, учитывающий
неоднородность материала и электрического поля и зависящий от толщины об-
разца. Значения этого коэффициента приводят в стандартах или в технических
условиях на материал.
Электрическую прочность параллельно поверхности плоских образцов опре-
деляют на образцах с размерами не менее чем 60X 65 мм с помощью штыревых
конусных электродов, вставленных в сквозные отверстия, — таких же, как при
измерении сопротивления изоляции материалов. Если необходимо исключить
поверхностный пробой, применяют цилиндрические электроды, плотно встав-
ленные в несквозные цилиндрические отверстия, просверленные с противопо-
ложных сторон образца, так что расстояние между осями отверстий составляет
15 ± 0,2 мм. Размеры электродов и расположение отверстий полностью анало-
гичны измерениям внутреннего сопротивления электроизоляционных материа-
лов. Отличие заключается только в том, что глухой конец отверстия с целью по-
лучения более однородного поля можно заканчивать полусферой, а вставляемый
в отверстие электрод должен иметь вентиляционный канал вдоль оси, диаметр
которого в точке выхода на полусфере составляет не более 0,5 мм.
Электрическая прочность перпендикулярно поверхности материала изме-
ряется на плоских образцах, имеющих вид круга или квадрата с диаметром
(стороной) от 25 до 150 мм.
Для подвода напряжения к образцу используют два прижимных металличе-
ских электрода, имеющих предпочтительно разные диаметры: диаметр нижнего
электрода должен быть не менее чем в 3 раза больше диаметра верхнего элек-
трода. Допускается также использование электродов одинаковых диаметров.
Для керамических материалов предпочтительно выполнять нижний элек-
трод в виде цилиндра с закругленными краями диаметром 75 и высотой 15 мм;
радиус закругления краев 3 мм. Верхний электрод изготавливают в виде полу-
сферы диаметром 25 мм со скругленными краями. При необходимости обеспече-
ния лучшего контакта на образцах со сферическими выемками рекомендуется
применение либо электродов, нанесенных на образец распылением металла,
шоопированием, либо электродов из суспензии графита в воде или лаке, либо
серебряной пасты. Толщину образца под сферической выемкой выбирают в пре-
делах 1—3 мм так, чтобы было достаточным напряжение испытательной уста-
новки и не было перекрытия по поверхности образца.
Электрическую прочность трубок с внутренним диаметром до 100 мм в на-
правлении, перпендикулярном поверхности образца, определяют, используя
в качестве внешнего электрода полоску металлической фольги шириной 25 мм,
плотно прилегающую к поверхности трубки. В качестве внутреннего электрода
допускается применение металлической фольги или металлической трубки,
плотно прилегающих к внутренней поверхности образца. Внутренний электрод
должен выступать за внешний электрод не менее чем на 25 мм. В качестве вну-
22
треннего электрода допускается также использование воды или порошка гра-
фита. Воду применяют только в тех случаях, когда она не проникает внутрь
стенок трубки и не вызывает изменения электрических свойств трубок.
При измерении электрической прочности цилиндров с внутренним диаметром
более 100 мм в направлении, перпендикулярном к поверхности образца, в ка-
честве внешнего электрода применяют полоску металлической фольги шириной
75 мм. В качестве внутреннего электрода применяют диск из металлической
фольги диаметром 25 мм, плотно притертый к внутренней поверхности цилиндра.
Такая система электродов является предпочтительной, хотя допускается приме-
нение и таких электродов, как при испытании трубок меньших диаметров.
Испытательная установка для измерения электрической прочности на пе-
ременном напряжении частотой 50 Гц включает в себя высоковольтный испыта-
тельный трансформатор, реле максимального тока, отключающее первичную
цепь трансформатора при пробое образца, регулирующее устройство, позволяю-
щее осуществлять плавный подьем напряжения на образце, защитное сопротив-
ление, соединенное последовательно с испытываемым образцом, и вольтметр,
который может быть включен как на стороне высокого, так и на стороне низкого
напряжения трансформатора. Предпочтительно измерение напряжения на сто-
роне высокого напряжения непосредственно на образце.
В установку для измерения электрической прочности на постоянном напря-
жении входят также еще выпрямительное устройство, включенное на стороне
высокого напряжения, и зарядная емкость, образующая вместе с защитным
сопротивлением сглаживающий ДС-фильтр.
Мощность испытательной установки должна быть такой, чтобы ток корот-
кого замыкания на стороне высокого напряжения был не менше 40 мА во всем
диапазоне рабочих напряжений установки. Защитное сопротивление следует
выбирать, исходя из данных трансформатора, обычно в пределах от 0,2 до 1,0 Ом
на 1 В высокого напряжения трансформатора. В момент пробоя образца должно
срабатывать реле максимального тока, подобранное в соответствии с мощностью
трансформатора.
Определение электрической прочности производят при плавном или ступени
чатом подъеме напряжения. Скорость плавного подъема напряжения выбирают
такой, чтобы пробой происходил в диапазоне от 10 до 20 с после начала подъема
напряжения. При ступенчатом подъеме напряжение поднимают с выдержкой
на каждом этапе 1 мин. Напряжение на I этапе должно составлять 50% пробив-
ного напряжения, полученного при плавном подъеме. Напряжение на I этапе
подают на образец плавным подъемом. Испытательное напряжение на каждом
последующем этапе должно повышаться на 10% от испытательного на первом
этапе. Продолжительность перехода от одного этапа к другому не должна пре-
вышать 10 с. Если пробой произойдет в момент повышения напряжения, то про-
бивным должно считаться напряжение, соответствующее предыдущей ступени.
За величину пробивного напряжения при испытании на переменном напряже-
нии принимают его эффективное значение.
Допускается также несколько иной режим ступенчатого подъема напряже-
ния — с начальной величиной испытательного напряжения, близкой к 40% про-
бойного, выдержкой на каждой ступени в течение 20 с, временем перехода от
одной ступени к другой 1—2 с и величиной каждой ступени, определяемой по спе-
циальной таблице. Принцип построения таблицы сводится к следующему: весь
диапазон испытательных напряжений разбивается на интервалы со следующими
границами (кВ): 0,5; 1,0; 2,0; 5,0; 10; 20; 50; 100 и т. д., а величина ступени
в каждом интервале составляет 10% от начального напряжения интервала.
Способ подъема напряжения (плавный или ступенчатый), а также число
образцов, необходимое для испытания электрической прочности, указывается
в технических условиях на материал. Число образцов должно быть не’менее
пяти.	~
Для устранения поверхностных разрядов, возникающих при испытании
образцов в воздухе, измерение электрической прочности допускается произво-
дить в трансформаторном масле («:90 °C) либо в другой электроизоляционной
Жидкости, например в кремнийорганической жидкости типов ПМС-40, ПМС-60
(>90°С), если жидкости не оказывают влияния на материал.
?3
Таким образом, методики испытания электрической прочности, предлагае-
мые ГОСТ 6433.3—71, преследуют цель унификации этих измерений, сведения
их к минимальному числу типов возможно простых испытаний, позволяющих
сравнивать различные материалы. В то же время особенности различных меха-
низмов пробоя и различные условия эксплуатации конструкций из электроизоля-
ционных материалов могут привести к тому, что материалы, обладающие по ре-
зультатам стандартных испытаний худшей электрической прочностью, будут
выдерживать более высокое напряжение в конструкциях. Поэтому изучение фи-
зических процессов, приводящих к пробою, должно дополнять стандартные испы-
тания и служить основой для правильного выбора и совершенствования электро-
изоляционных материалов.
1.3.9.	ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
МОСТОВЫМ МЕТОДОМ
Методы измерения диэлектрических характеристик материалов отличаются
большим разнообразием прежде всего из-за широкого диапазона частот, на кото-
рых проводятся эти измерения: от 0 до 1011 Гц.
На частотах ниже 108—109 Гц измеряемой величиной является емкость
измерительной ячейки, в которую входит исследуемый диэлектрик. Для изме-
рения этой емкости на частотах от нуля до 10 Гц используют ток заряда или раз-
ряда конденсатора с диэлектриком, на частотах 1—105 Гц используют мосты
переменного тока, а на частотах 101—108 Гц — резонансные методы. В диапа-
зоне частот 109—1011 Гц диэлектрическую проницаемость вычисляют по измерен-
ным характеристикам цепей с распределенными параметрами — волноводов либо
объемных резонаторов, заполненных диэлектриком [19].
Конструкция измерительной ячейки, электроды и способ измерения емкости
определяются как видом исследуемого материала, так и частотой, на которой
выполняется измерение.
В соответствии с ГОСТ 6433.4—71 на частоте 50 Гц для измерения диэлектри-
ческой проницаемости используют образцы в форме дисков или параллелепипедов
с диаметром (стороной) от 25 до 150 мм и толщиной до 3 мм, а также трубчатые
образцы длиной 100—300 мм. Размеры образцов выбираются так, чтобы емкость
образовавшегося конденсатора была не менее 100 пФ. Как и при измерениях
объемного электросопротивления, применяется трехэлектродная система, со-
стоящая из высоковольтного (потенциального) электрода диаметром от 20 до
125 мм и расположенного напротив него охранного и измерительного электродов.
Внешний диаметр охранного электрода равен диаметру потенциального, ширина
охранного электрода должна быть не менее двойной толщины образца; зазор
между охранным и измерительным электродом 2 ± 0,2 мм (ГОСТ 6433.4—71).
Электроды изготавливаются различными способами, напримео из отожжен-
ной алюминиевой, оловянной или свинцовой фольги толщиной от 0,005 до 0,02 мм,
притираемой с помощью тонкого слоя вазелина, конденсаторного масла либо
другого подобного материала, а также путем прижатия фольги через резину.
Наилучшую воспроизводимость обеспечивают электроды из серебра, золота,
алюминия и некоторых других металлов, нанесенных распылением в вакууме,
шоопированием либо вжиганием пасты. Сопротивление электродов, измеренное
между двумя точками, отстоящими на 1 см, должно быть не более 100 Ом.
Сущность измерения мостовым методом емкости и потерь конденсатора, обра-
зованного из испытываемого изоляционного материала, сводится к возможности
заменить испытуемый конденсатор эквивалентной цепью — конденсатором без
потерь и омическим сопротивлением, соединенными последовательно Cs, Rs,
или параллельно Ср, Rp. Величины Ср и Rp (или Cs и Rs) определяются с помощью
моста, работающего на частоте 59 Гц, например моста типа Р5026. Для вычисле-
ния диэлектпической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь
необходимо также вычислить Со — емкость, которую имела бы та же система
электродов в вакууме.
Для плоского образца с круглыми электродами емкость Со вычисляют по сле-
дующим формулам;
24
для плоского образца с круглыми электродами
Со = 0,0695	)2,
для трубчатого образца (цилиндрические электроды)
Со = 0,2416	+	.
lg_2_ ’
g
где d — диаметр измерительного электрода; g — зазор между охранным и изме-
рительным электродами; t — толщина образца; I — ширина измерительного
электрода; Dr и — соответственно внутренний и наружный диаметр трубча-
того образца (все размеры в см); В — поправочный коэффициент, вычисляемый
для тонких электродов (а < i, где а — толщина электрода) по формуле В =
= 1 — 2,932 — 1g ^ch 0,7854у для толстых электродов (а» t) В = 1.
Значения В в зависимости от величины g/t приведены ниже:
qlt	2,0	1,8	1,6	1,4	1,2	1,0	0,8	0,6	0,4	0,2	0,1
В	0,43	0,44	0,47	0,51	0,57	0,62	0,68	0,75	0,82	0,89	0,93
Диэлектрическую проницаемость е и tg 8 диэлектрика вычисляют из изме-
ренных эквивалентных параметров измерительного конденсатора Ср, Rp или
Cs, Rs и величины Со по следующим формулам:
tg6 =	_ „ coCs7?s,
^RpCp
е = <~‘р =	1
Со Со • 1 +tg28 •
Описанный мостовой метод измерения диэлектрических характеристик на
частоте 50 Гц с небольшими изменениями применим и на повышенных частотах
вплоть до частоты 106 Гц. При этом требования к образцам остаются теми же,
а требования к электродам несколько изменяются. Так, для уменьшения соб-
ственных индуктивностей электродов и их омического сопротивления, возра-
стающего на повышенных частотах из-за скин-эффекта, сопротивление, измерен-
ное между крайними точками электрода на постоянном токе, не должно превы-
шать 0,1 Ом. Рекомендуемая ширина охранного электрода должна быть возможно
больше — желательно более 10 мм, но не менее двойной толщины образца, а за-
зор между измерительным электродом и охранным кольцом должен быть воз-
можно меньшим, но не более 2 мм (ГОСТ 22372—77). Для вычисления межэлек-
тродной емкости Со, а также 8 и tg 8 используют те же формулы, что и на ча-
стоте 50 Гц.
При измерениях мостовым методом используют иногда также двухэлектрод-
ную схему измерения. Краевая емкость в этом случае будет иной, поэтому фор-
мулы, необходимые для расчета диэлектрических характеристик, несколько
отличаются и совпадают с формулами, используемыми при резонансном методе
измерения, описанном в следующем разделе.
1.3.10.	ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
РЕЗОНАНСНЫМ МЕТОДОМ
Резонанс в цепях с сосредоточенными параметрами используется для опре-
деления диэлектрических характеристик в диапазоне частот 101—10s Гц. Изме-
ряемыми величинами при этом являются резонансная частота и добротность ко-
лебательного контура, а образец с электродами либо измерительная ячейка
с образцом является конденсатором контура.
25
Требования к образцам диэлектриков, используемым в таких измерения^,
сходны с требованиями к образцам, используемым для измерений на частоте
50 Гц. Диаметр или сторон^ плоского образца должны иметь размер от 25 до
150 мм, длина трубчатого образца — от 100 до 300 мм. Во всех случаях отноше-
ние длины образца к его толщине должно быть не менее 10. Для материалов
с диэлектрической проницаемостью большей 30 допустимо применение образцов
меньшего диаметра, но не менее 10 мм (ГОСТ 22372—77).
Используемые при резонансном методе измерения образцы должны иметь
два электрода, которые могут быть либо меньше поверхности образца, либо,
если поверхностная проводимость незначительна, могут доходить до края об-
разца. Если электроды одинаковы и меньше, чем образец, то они должны отстоять
от края не менее чем на двойную толщину образца, а несоосность электродов
не должна превышать 1°о диаметра измерительного электрода.
Если электроды неодинаковы, то диаметр большего электрода
должен превышать диаметр меньшего, по крайней мере, на
двойную толщину образца.
Минимальный размер электродов определяется, исходя из
того, чтобы емкость конденсатора, получаемого после нанесе-
ния электродов на образец, была достаточна для измерения
используемыми приборами с погрешностью ±4%.
Способы изготовления электродов и материал электродов
при резонансных измерениях аналогичны используемым на ча-.
стоте 50 Гц, а требования к проводимости электрода обычны
для высокочастотных измерений — сопротивление между точ-
ками электрода, измеренное цилиндрическими щупами со сфери-
ческим концом диаметром 1,5—2 мм, не должно превышать
0,1 Ом.
В отличие от трехэлектродной схемы включения образца
в двухэлектродной схеме заземлять рекомендуется электрод
с большей площадью.
Как и при использовании трехэлектродной системы, в об-
разце с двумя электродами часть емкости образца составляет
Рис. 4. Измерительный конденсатор с образцом; CL — краевая
емкость
краевая емкость С±, обусловленная электрическим полем, выходящим за пре-
делы электродов измеряемого конденсатора (рпс. 4).
В образце с тремя электродами эта часть поля учитывается величиной В.
При использовании образца с двумя электродами необходимо рассматривать не-
сколько расчетных формул, вид которых зависит от соотношения размеров, элек-
тродов и образца, диаметра измерительного электрода d, его толщины а, а также
толщины образца t.
В случае круглого образца с электродами, полностью покрывающими его
плоские поверхности, так что краевое поле расположено вне диэлектрика, фор-
мулы для расчета краевой емкости имеют следующий вид:
для тонких электродов (а < t)
Cj = nd (0,029 — 0,0581g t);	(1.3—9)
для толстых электродов (a^f)
С± = nd (0,0326 1g dlt+ Z+ 0,0031),	(1.3—10)
где Z = 0,0326 [(1 + alt) 1g (1 + alt) — alt 1g alf)\.
Значения величины Z в зависимости от alt, вычисленные по формуле (10),
приведены ниже:
alt	0,1	0,3	0,7	0,9	1,1	1,3
Z	0,005	0,010	0,015	0,019	0,021	0,022
26
В случаях круглых, одинаковых по размеру тонких электродов (а < f),
площадь которых меньше площади поверхности образца,
(?! = л d (0,019sr — 0,058 lg t + 0,010).	(1.3—11)
Для таких же, ио неодинаковых электродов
Cj = л d (0,0418, — 0,077 lg t + 0,045).	(1.3—12)
Для трубчатых образцов с внутренним и внешним диаметром трубкиDj и D,,
толщиной стенки t = D2 — D±, с цилиндрическими электродами длиной / при
i/Di < 0,1, a<t
Ct = (Di + t) (0,019er — 0,058 lg t + 0,010).	(1.3—13)
Здесь er — примерная величина диэлектрической проницаемости образца, оцени-
ваемая на основе предварительных измерений.
Кроме краевой емкости, измерительный электрод' и подводящие провода
имеют также некоторую емкость по отношению к заземленной части схемы Сг,
которая также добавляется к измеряемой емкости образца. Емкость Сг опреде-
ляется непосредственным измерением.
Таким образом, истинная емкость образца Сх вычисляется из измеренного
значения емкости С'х следующим образом:
Cx = C'x—Cl — Cz.	(1.3-14)
Расчет относительной диэлектрической проницаемости диэлектрических
материалов производят по формуле
в = СХ!С^.
Тангенс угла диэлектрических потерь материала определяют по формуле
tg6 = -^tg6',
где tg 6' — измеренное значение тангенса угла потерь.
При измерениях резонансным методом с помощью приборов, предназначен-
ных для измерения добротности контуров, тангенс угла диэлектрических потерь
материала вычисляют по формуле
tcrfi —	— @1	Срез
8	QzQi сх ’
где Qi — добротность контура с образцом; Q2 — добротность контура без образца
на той же частоте; Срез — резонансная емкость эталонного конденсатора контура;
Сх — емкость образца, определенная по формуле (14) с учетом краевой емкости и
емкости на землю.
По ГОСТ 22372—77 на частотах свыше 0,1 МГц рекомендуется, а на частотах
свыше 1 МГц обязательно применение при измерениях диэлектрических характе-
ристик стандартных измерительных ячеек, снабженных микрометрическим вин-
том, с помощью которого верхний электрод перемещается относительно нижнего.
В'ячейку вставляют, как правило, образец с нанесенными на него электродами,
толщина которых при расчетах вычитается из толщины образца. Такая ячейка
придается ко многим выпускаемым промышленностью диэлькометрам. Необхо-
димо отметить, что ячейка не позволяет измерять температурную зависимость
диэлектрических характеристик выше 200 °C и поэтому не может удовлетвдрить
многим практическим-требованиям.
При измерении температурной зависимости диэлектрических характеристик
как с помощью ячейки, так и без нее максимальная скорость изменения темпера-
туры не должна превышать 15 град/мин. Измерения’проводят при'постоянной
температуре, поддерживаемой в течение не менее 10 мин на каждый миллиметр
толщины образца.
ГОСТ 23272—77 разрешает также определение диэлектрической проницае-
мости твердых диэлектриков методом погружения. При использовании этого
27
метода измеряемой величиной является емкость ячейки, полностью заполненной
жидкостью с диэлектрической проницаемостью, близкой или равной диэлектри-
ческой проницаемости образца, в которую погружен испытываемый образец без
электродов. В случае использования двух жидкостей с известными диэлектри-
ческими характеристиками метод позволяет исключить также измерение размеров
образца и делает возможным точное определение диэлектрической проницаемости
образцов произвольной формы и порошков, что представляет часто значительный
практический интерес.
1.3.11. ИЗМЕРЕНИЯ НА ВЫСОКИХ И СВЕРХВЫСОКИХ
ЧАСТОТАХ
Для увеличения предельной рабочей частоты измерительных ячеек с образ-
цами в виде дисков вместо катушек индуктивности используют закороченные от-
резки коаксиальных линий. Подобная конструкция ячейки применена, например,
в куметре ВМ-409 фирмы Tesla, который работаетв интервале частот20—300МГц.
При частотах 300—1000 МГц используют коаксиальные резонаторы, нагруженные
сосредоточенной емкостью, а при частотах 109 — 1011 Гц — также коаксиальные и
Рис. 5. Блок-схема установки для изме-
рения параметров диэлектриков на
частоте 1010 Гц:
1 — стабилизатор сетевого напряжения
типа СН; 2 — генератор СВЧ типов ГЗ-26
(ГС-626), Г4-32А (ГСС-112М); 3 — феррит-
ный вентиль или аттенюатор типа Э8-24;
4 — градуированный аттенюатор типа
Д5-5 (АВП-122); 5— измерительный объ-
емный резонатор; 6 — детекторная го-
ловка типа Э7-6; 7 — индикатор типа
М-95, У2-6
волноводные линии и объемные ре-
зонаторы, лучевые и интерференцион-
ные методы в свободном пространстве;
методы, основанные на поглощении
тепла диэлектриком, втягивающем дей-
ствии электромагнитного поля и мно-
гие другие. Области применения на-
шедших наиболее широкое распро-
странение волноводных и резонаторных
методов связаны с величиной диэлек-
трических потерь: если объемные ре-
зонаторы обеспечивают наибольшую
точность определения е и tg 6 мате-
риалов, для которых tg 6= Ю-64-Ю-2,
то волноводные методы позволяют опре-
делять е и tg 6 от tg 6 = 10-34-IO’1.
Волноводные методы измерения
параметров диэлектриков сводятся
к определению комплексного коэффи-
циента отражения или передачи уча-
стка волновода, заполненного иссле-
дуемым материалом. Применяют об-
разцы толщиной, кратной четному
и нечетному числу 7е/4 (ХЕ — длина
волны в волноводе, заполненном
диэлектриком), а также образцы толщиной, близкой к глубине скин-слоя. При
этом участок волновода с образцом может быть нагружен на согласованную на-
грузку или замкнут накоротко. Разработаны также методы, основанные на изме-
рении коэффициента отражения электромагнитного излучения от образца, при-
жатого к фланцу волновода. Выбор того или иного метода определяется возмож-
ностями в подготовке образцов материала, требованиями к точности измерения и
возможностями используемой аппаратуры [20].
Примером резонаторной методики измерения диэлектрических характеристик
материалов СВЧ может быть установленный ГОСТ 12723—67 метод определения
8 и tg 6 диэлектриков на частотах 9—10 ГГц с использованием перестраиваемого
объемного цилиндрического резонатора с электромагнитными колебаниями типа
Hns, где s — число полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Предпочти-
тельный ряд значений s 2, 3, 4, 5; диаметр резонатора 50 мм.
Блок-схема измерительной установки показана на рис. 5 (в подписи к ри-
сунку в скобках указаны типы приборов, используемых обычно в подобных уста-
новках). Определение е основано на измерении разности резонансных длин резо-
28
натора до и после помещения в резонатор образца диэлектрика при неизменной
за время измерения частоте электромагнитных колебаний.
Определение тангенса угла диэлектрических потерь основано на измерении
ослабления интенсивности электромагнитных колебаний при помещении в резо-
натор образца диэлектрика, что может быть определено либо непосредственно как
ослабление, вносимое образцом диэлектрика в измерительный тракт, либо как
отношение ширины резонансной кривой до и после помещения в резонатор об-
разца диэлектрика.
Толщина образца d выбирается кратной целому числу длин полуволн в ди-
электрике d = 0,bmkg. В этом случае на поверхностях диэлектрика расположены
узлы электромагнитного поля, поэтому неровности поверхности, сорбированная
на поверхности влага, случайные загрязнения менее всего влияют на результаты
измерений. Для округления величины d допустимы отклонения от 0,5mXg, но не
более чем на ±0,05Xg. Длину волны в диэлектрике с проницаемостью 8, помещен-
ном в резонатор с критической длиной волны Хкр (Хкр = 1,640г, где г — радиус
резонатора), вычисляют по формуле
Xg =--- .	—.	(1.3-15)
/•-(дУ2
Измерение относительной диэлектрической проницаемости производят в сле-
дующем порядке.
Настраивают генератор СВЧ на выбранную частоту диапазона в пределах
9—10 ГГц. Режим работы генератора — непрерывная модуляция либо модуляция
меандром.
Измеряют длину волны Хв в резонаторе. Для этого перемещением поршня резо-
натора настраивают его в резонанс и по микрометрическому винту поршня произ-
водят отсчет с точностью до 0,001 мм. Плавно перемещают поршень до следующей
настройки в резонанс и снова производят отсчет. Длина волны Хв равна удвоен-
ной разности двух отсчетов. Например, на предпочтительной (по ГОСТу) частоте
9365 МГц длина волны Хв составляет 51,132 мм. В дальнейшем по Хв подстраивают
частоту генератора СВЧ. До помещения образца диэлектрика в резонатор вели-
чина введенного аттенюатором 4 (см. рис. 5) ослабления должна быть не менее
15 дБ, а показания индикатора должны составлять не менее 50% длины его шкалы.
Отсчет введенного затухания Л% производят в децибеллах с точностью 0,1 дБ.
Помещают образец диэлектрика в резонатор и, добиваясь резонанса переме-
щением поршня резонатора, определяют резонансную длину резонатора с диэлек-
триком /е и смещение поршня L:
L=l0—le.	(1.3—16)
Вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость материала по
формуле
где Хкр— критическая длина волны в резонаторе; X— длина волны на частоте
измерения; d— толщина диэлектрика; х— безразмерная величина, определяе-
мая из уравнения
tgx tg₽0(L Д-d)	1ОЧ
~Т~----------М ’	(1.3-18)
Ро— фазовая постоянная, равная 2п/Хв;Хв — длина волны в резонаторе
Решения этого уравнения сведены в таблицы (ГОСТ 12723—67). Определение
тангенса угла диэлектрических потерь материала tg 6 производят следующим
образом.
29
Настроив в резонанс резонатор с образцом диэлектрика, уменьшают ослаб-
ление, введенное аттеньюатором, до тех пор, пока показания индикатора не
станут такими же, как в настроенном в резонанс резонаторе без диэлектрика.
Производят отсчет ослабления по шкале аттеньюатора N1 с точностью 0,1 дБ.
Вычисляют вносимое образцом диэлектрика ослабление # =
Вычисляют tg 6 материала с точностью до двух значащих цифр по формул.
tg6 = A(10'v/20 — г]).	(1.3-19)
Входящую в формулу (19) величину А вычисляют с точностью до трех значащихе
цифр:
где
. = ф (х)	10	1
е. ' d ' Qg
Ф(х)
пг -ф tg2 X .
l+tg2X_J^’
1 ь	X
(1.3—20)
(1.3—21)
п ~ ( М ) ’
/о — резонансная длина резонатора без образца диэлектрика; Qo — нагру-
женная добротность резонатора без образца диэлектрика; d — толщина образца
диэлектрика.
Величина т] представляет собой отношение потерь в стенках резонатора с об-
разцом диэлектрика к потерям в стенках резонатора без образца. Если tg 6 >
> 5-10~4, величина т] может быть принята равной 1. Более точные вычисления до-
статочно громоздки.
При необходимости измерения температурных зависимостей диэлектриче-
ских характеристик материалов на СВЧ используют нагреваемые резонаторы и
волноводы, изготовленные из тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена)
либо из платины. Например, установка «Кварц», резонатор которой выполнен из
молибдена, работает по принципу, аналогичному описанному в ГОСТ 12723—67,
и позволяет измерять е и tg 6 материалов при частотах 9400—9800 МГц в интер-
вале от комнатной температуры до 1500 °C. Измерения проводят в среде аргона,
гелия, азота и некоторых других газов. В последнее время освоены также измере-
ния диэлектрических характеристик материалов на частотах 1010—5- 10й Гц.
На этих частотах, кроме резонаторных и волноводных, используют также квази-
оптические методы, в которых электромагнитная энергия направляется на сво-
боднорасположенный в пространстве образец, занимающий, по крайней мере, об-
ласть первой зоны Френеля волновой поверхности излучения [21].
1.3.12. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
ВО ВРЕМЕННОЙ ОБЛАСТИ
Релаксационные процессы, протекающие в большинстве диэлектриков, вы-
двигают как одну из основных задач при исследовании новых материалов задачу
диэлектрической спектроскопии — изучение частотных зависимостей диэлектри-
ческих характеристик. Решение этой задачи обычными методами требует значи
тельных затрат времени, большого количества аппаратуры, трудоемких измере-
ний и обработки данных на фиксированных частотах.
В связи с этим в последнее время разработан так называемый метод диэлек-
трической спектроскопии во временной области, основанный на том, что диэлек-
трические характеристики материала могут быть рассчитаны из измерения коэф-
фициента отражения сигнала от образца материала. Реализация этого принципа
сводится к изучению распространения импульса напряжения в имеющей малые
потери коаксиальной линии с. диэлектрическим образцом, расположенным между
центральным проводником линии и замыкающим коаксиал поршнем, ход которого
контролируется микрометрическим винтом. Объем образца составляет всего
——0,01 см®, емкость пусюй измерительной ячейки 0,03—1 пФ [22].
30
Блок-схема- установки дЛя изучения характеристик диэлектриков Этим
методом приведена на рис. 6.
Информацией, получаемой с помощью этой установки, является форма им-
пульса напряжения после отражения его от образца или прохождения через него.
При длительности фронта импульса ~4-10'10 с и длительности импульса —10~6 с
по форме отраженного импульса удается рассчитать частотную зависимость ди-
электрических характеристик материала
в диапазоне 106—109 Гц с погрешностью,
не превышающей 10% даже вблизи краев
этого диапазона. Простая форма изме-
рительной ячейки делает этот метод при-
годным также и для измерений темпера-
турно-частотных зависимостей диэлек
трических характеристик веществ.
1.4. Магнитные характеристики
Магнитные свойства тел определя-
ются характером взаимодействия элемен-
тарных магнитных моментов входящих
в состав этих тел электронов и ядер с внеш-
ним магнитным полем. Магнитный мо-
мент электрона складывается из орбиталь-
ного и спинового моментов. Первый обу-
словлен пространственным движением
электрона, создающим так называемый
орбитальный ток, аналогичный току по
замкнутому контуру; второй является
спиновым или собственным магнитным мо-
Рис. 6,^Блок-схема"'установки для
измерения параметров диэлектриков
методом спектроскопии во времен-
ной области:
1 — формирователь импульсов типа
И1-7 с длительностью фронта импуль-
са 0,4 нс; 2 — коаксиальный тракт с
характеристическим импедансом 50 Ом;
3 — пробоотборник, согласованный
50-Ом тройник; 4 — термостатируе-
мая измерительная ячейка; 5 — замы-
кающий поршень; 6 — стробоскопиру-
ющий осциллограф типа С7-8; 7 —
двухкоординатный самопишущий при-
бор
ментом электрона, имеющим квантовую природу, и не связан с его пространствен-
ным движением. Собственный магнитный момент является таким же свойством
электрона, как заряд, масса и т. п. Его величина измеряется специальной еди-
ницей — магнетоном Бора (|Хв == 9,27- КГ?4 А-м2). Магнитные моменты атомных
ядер на несколько порядков меньше спинового момента электрона; они не вносят
существенного вклада в магнитный момент тела, равный векторной сумме магнит-
ных моментов всех частиц, образующих тело.
Магнитный момент вещества, отнесенный, к единице объема, называется на-
магниченностью, а отнесенный к массе — удельной намагниченностью.
Под действием магнитного слоя в веществе происходят изменение величины
и переориентация элементарных магнитных моментов, в результате чего
суммарный магнитный момент изменяется. Мерой интенсивности этого изме-
нения является магнитная восприимчивость, которая определяется отноше-
нием намагниченности к напряженности магнитного поля. Магнитная воспри-
имчивость характеризует способность вещества намагничиваться в магнитном
поле.
В СИ восприимчивость является безразмерной величиной.
По интенсивности взаимодействия с магнитным полем все вещества делят на
слабомагнитные (диамагнетики, парамагнетики, антиферромагнетики) и сильно-
магнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).
В антиферромагнетиках, ферромагнетиках и ферримагнетиках под действием
квантовых сил обменного взаимодействия возникают микроскопические (размером
от 0,01 до 10 мкм) области, в которых магнитные моменты атомов или ионов рас-
полагаются параллельно или антипараллельно друг другу. Такие области, имею-
щие пространственно однородное упорядочение магнитных моментов атомов или
ионов, называют доменами.
В отсутствие внешнего поля домены ферро- и ферримагнетиков остаются на-
магниченными (самопроизвольная или спонтанная намагниченность).
Ниже приведены определения по ГОСТ 19693—74 веществ по интенсивности
нх взаимодействия с магнитным полем.
31
Диамагнетик — вещество, атомы, ионы или молекулы которого не имеют
результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего магнитного поля.
Примечание. Во внешнем магнитном поле магнитная восприимчивость
такого вещества отрицательна.
Причиной диамагнетизма является возникновение под действием внешнего
магнитного поля в элементарных атомных контурах, образуемых движением
электрона вокруг ядра, противотоков, создающих момент, направленный в сто-
рону, противоположную внешнему полю. Поэтому диамагнитная восприимчи-
вость отрицательна, весьма мала (10"5), в большинстве случаев не зависит от
температуры и напряженности поля. Диамагнетизм проявляется в таких вещест-
вах, в которых имеет место полная компенсация как орбитальных, так и спиновых
моментов (в золоте, серебре, меди, цинке, галлии, висмуте, сурьме, алмазе, гер-
мании, кремнии, водороде, азоте и др.).
В веществах с нескомпенсированными магнитными моментами диамагнетизм
перекрывается другими видами взаимодействий: парамагнетизмом, ферромагне-
тизмом и др. Величины диамагнитной восприимчивости приведены в таблицах
физических величин [23].
Парамагнетик — вещество, атомы, ионы или молекулы которого имеют ре-
зультирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля.
Примечание. Во внешнем постоянном магнитном поле магнитная вос-
приимчивость такого вещества положительна, но много меньше единицы.
Взаимодействие магнитного поля с парамагнетиком заключается в преиму-
щественной ориентации элементарных магнитных моментов в направлении поля.
При этом преодолевается дезориентирующее действие тепловой энергии. Поэтому
парамагнитная восприимчивость большинства парамагнетиков сильно зависит
от температуры.
Исключение составляет группа веществ, например щелочные и щелочноземель-
ные металлы, кроме бериллия, в которых парамагнетизм возникает за счет спино-
вых моментов электронов проводимости (парамагнетизм Паули).
Поскольку концентрация электронов проводимости в металлах не зависит
от температуры, магнитная восприимчивость таких парамагнетиков также прак-
тически не зависит от температуры [24]. Парамагнетизмом также обладают кисло-
род, большинство окислов редкоземельных элементов, титана, урана и др., пере-
ходные металлы (кроме ферромагнитных), алюминий, платина, иридий, вольфрам,
рений и др. [23, 24].
Антиферромагнетик — кристаллическое вещество, в котором магнитные
моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного
упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов
равны нулю.
Ферромагнетик — кристаллическое вещество, в котором магнитные моменты
атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядо-
чения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны
от нуля.
Ферримагнетик — кристаллическое вещество, магнитную структуру кото-
рого можно представить в виде двух или более подрешеток, магнитные моменты
атомов или ионов которых находятся в состоянии самопроизвольного магнитного
упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов
отличны от нуля.
В электротехнике в качестве магнитных материалов применяют только такие
ферромагнетики и ферримагнетики, магнитная восприимчивость которых значи-
тельно превышает единицу.
Сходный характер взаимодействия ферро- и ферримагнетиков с внешним маг-
нитным полем определяется тем, что эти вещества состоят из областей самопроиз-
вольной (спонтанной) намагниченности — доменов. В ферромагнитных доменах
магнитные моменты атомов или ионов расположены параллельно, в ферримагнит-
ных магнитные моменты разбиваются на две или более групп (магнитных подреше-
ток), в каждой из которых они расположены параллельно; магнитные моменты
подрешеток могут располагаться антипараллельно друг другу (при наличии двух
подрешеток — всегда антипараллельно), так что результирующий магнитный
момент является алгебраической суммой моментов отдельных подрешеток.
32
Так как в ферримагнетиках абсолютные величины магнитных моментов под-
решеток не равны, то результирующий магнитный момент также отличен от нуля.
Во внешнем магнитном поле ферро- и ферримагнитные материалы ведут себя оди-
наково, проявляя только количественные отличия параметров и главным образом
их температурных коэффициентов, величины которых у ферримагнетиков обычно
значительно выше, чем у ферромагнетиков.
Под действием внешнего магнитного поля с напряженностью Н магнитный
материал намагничивается до намагниченности J, в результате чего в нем возни-
кает индукция В согласно уравнению
В = р0 (//+/),	(1.4-1)
где Ио " 4л-10 7 Тн/м— магнитная постоянная.
Величины В и J связаны с объемом магнитного материала, т. е. являются
объемными, а не массовыми (отнесенными к массе) параметрами.
Намагниченность, отнесенная к единице массы магнитного материала, назы-
вается удельной намагниченностью:
о = J/y,	(1.4—2)
где о — удельная намагниченность, А-м2/кг; J — намагниченность, А/м; ф—
плотность, кг/м8.
В уравнении (1) индукцию следует выражать в теслах (Тл), напряженность
магнитного поля и намагниченность — в амперах на метр (А/м).
При некотором значении напряженности Hs магнитный материал намагни-
чивается до технического насыщения, т. е. состояния, при котором векторы на-
магниченности всех доменов ориентируются в направлении намагничивающего
поля. Намагниченность магнитного материала при увеличении напряженности
выше Hs не может быть существенно повышена.
По ГОСТ 19693—74 индукция технического насыщения Bs — значение ин-
дукции магнитного материала, определяемое экстраполяцией из области напря-
женностей магнитных полей, соответствующих намагниченности технического на-
сыщения к нулевому значению напряженности поля, т. е.
Bs=Ms-	(1-4—3)
В зарубежной литературе для величины Р = В — р0Н = р0/ принят тер-
мин «магнитная поляризация». В настоящем издании в некоторых случаях будет
использован термин «внутренняя индукция». Так, Bs = p0/s есть внутренняя
индукция технического насыщения.
С повышением температуры нарушается упорядоченная ориентация магнит-
ных моментов. Критическая температура, выше которой ферромагнетик (ферри-
магнетик) становится парамагнетиком, называется точкой Кюри.
В размагниченном состоянии при температурах, не превышающих точку
Кюри, каждый домен благодаря действию внутрикристаллического поля нахо-
дится в состоянии магнитного насыщения с намагниченностью Js, причем век-
торы намагниченности доменов расположены равновероятно по всем направле-
ниям. Под действием возрастающего магнитного поля вначале увеличивается
объем тех доменов, векторы намагниченности которых образуют наименьший угол
с направлением поля, затем все векторы намагниченности располагаются под
малыми углами к внешнему полю и, наконец, при дальнейшем его увеличении
векторы намагниченности всех доменов принимают направление, параллельное
намагничивающему полю, в результате чего достигается намагниченность Js.
В дальнейшем рост намагниченности происходит за счет парапроцесса —
весьма незначительного возрастания намагниченности, вызванного направляющим
воздействием внешнего поля на дезориентированные тепловым движением маг-
нитные моменты атомов.
С приближением к точке Кюри влияние парапроцесса на величину индукции
резко возрастает и понятие «техническое насыщение» теряет смысл. Лишь при тем-
пературах, близких к абсолютному нулю, индукция технического насыщения сов-
падает с абсолютной индукцией насыщения.
2 Г. Г Гнесин	33
С увеличением температуры намагниченность уменьшается по закону Вейса:
AMo = th^^, (1.4-4)
где Jo — намагниченность абсолютного насыщения (при О К); 0 — точка Кюри;
Js — намагниченность насыщения прн температуре Т.
При уменьшении напряженности от значения Hs векторы намагниченности
доменов не возвращаются к исходному положению, а занимают энергетически вы-
годные положения, например вблизи кристаллографических осей легкого намаг-
ничивания.
Ось легкого намагничивания — кристаллографическая ось, при намагничи-
вании вдоль которой напряженность магнитного поля, необходимого для дости-
жения намагниченности технического насыщения, минимальна.
Соответственно ось трудного намагничивания — кристаллографическая ось,
при намагничивании вдоль которой напряженность магнитного поля, необходи-
мого для достижения намагниченности технического насыщения, максимальна.
Оси легкого и трудного намагничивания имеются как в монокристаллах, так
и в отдельных кристаллитах. В поликристаллическом теле обычно нет единых осей
легкого и трудного намагничивания. Но в материалах, состоящих из связанных
при помощи связки или посредством спекания монокристаллических частиц,
предварительно ориентированных в направлении легкого намагничивания силы-
ным магнитным полем, такие оси имеются, хотя подобные материалы представляют
собой поликристаллические тела.
При намагничивании вдоль осей среднего намагничивания напряженность
магнитного поля, необходимая для достижения намагниченности технического
насыщения, принимает значение между минимальной (по оси легкого намагни-
чивания) и максимальной (по оси трудного намагничивания) напряженностью.
Ниже показаны направления осей легкого, среднего и трудного намагничи-
вания в ферромагнитных металлах:
Никель
Осн намагничивания
Железо Кобальт
Легкого		. . . .	100	0001	111
Среднего		. . . . ио		ПО
Трудного ....	... И1	1120, 1010	100
Магнитное поле определяет не только намагниченность материала, но и при-
водит к изменению его размеров.
Это явление, называемое магнитострикцией, выражается в упругом измене-
нии длины материала при воздействии на него магнитного поля. Различают про-
дольную, поперечную и объемную магнитострикцию в зависимости от направле-
ния изменения длины или объема по отношению к магнитному полю.
Продольной магнитострикцией называют относительное изменение линейного
размера образца из магнитного материала в направлении намагничивания.
Значение продольной магнитострикции, при которой намагниченность в маг-
нитном материале достигает технического насыщения, называется магнитострик-
цией насыщения.
Поперечной магнитострикцией называют относительное изменение линей-
ного размера образца из магнитного материала в направлении, перпендикуляр-
ном направлению намагничивания.
Относительное изменение объема образца магнитного материала при его
намагничивании называется объемной магнитострикцией.
Магнитострикция может иметь положительный или отрицательный знак;
она зависит от напряженности поля и может в некоторых случаях, например
у железа, изменять свой знак с увеличением напряженности поля.
Наибольшую магнитострикцию имеет кобальтовый феррит состава Co0>8Fe2>1O4
в направлении | 1001 магнитострикция насыщения %s = —540-10 в, перпендику-
лярно к нему Xs = +220-10~6 [25]. Для достижения магнитострикции насыще-
ния кобальтового феррита напряженность поля должна быть 400 кА/м.
34
Магнитные свойства магнитного материала неодинаковы в различных на-
правлениях. Это явление, называемое магнитной анизотропией, характеризуется
энергией магнитной анизотропии, которая складывается из энергии магнитных
взаимодействий между электронами, энергии упругих напряжений и энергии маг-
нитострикционных напряжений в кристалле.
Для гексагональных кристаллов, имеющих одну ось легкого намагничивания
(одноосных кристаллов), энергия кристаллографической магнитной анизотропии
имеет вид
Ek ~ sin2 0 + К2 sin40,
где Ki и —- константы кристаллографической магнитной анизотропии, Дж/м3;
0 — угол между вектором самопроизвольной намагниченности и гексагональной
осью.
Таким образом, константа магнитной анизотропии — это один из коэффи-
циентов при разложении свободной энергии магнитной анизотропии в ряд по сте-
пеням направляющих косинусов углов
вектора самопроизвольной намагни-
ченности относительно кристаллогра-
фических осей кристалла.
Благодаря магнитной анизотропии
после снятия внешнего поля в магнит- -
ном материале фиксируется метаста-
бильное , состояние, характеризуемое
частным минимумом энергии, но рас-
положенное энергетически выше раз-
магниченного состояния. В этом со-
стоянии сохраняется остаточная на-
магниченность. Явление необратимости
магнитных состояний при изменениях
внешнего магнитного поля получило
название гистерезиса. Магнитный ги-
стерезис характеризуется неоднознач-
ной зависимостью магнитной индукции
(намагниченности) магнитного мате-
от напояженности внешнего
Н
Рис. 7. Петли гистерезиса по индукции
и по намагниченности в I и II квадран-
тах
магнитного поля при его квазистатическом (достаточно медленном) изменении.
Замкнутая кривая, выражающая зависимость магнитной индукции материала
от амплитуды напряженности магнитного поля при периодическом достаточно
медленном изменении последнего, называется петлей магнитного гистерезиса по
индукции (рис. 7).
Соответственно замкнутая кривая, выражающая зависимость намагничен-
ности материала от амплитуды напряженности магнитного поля при периодиче-
ском достаточно медленном изменении последнего, называется петлей магнитного
гистерезиса по намагниченности. Точки, в которых петля гистерезиса пересекается
с осью абсцисс, определяют величину коэрцитивной силы.
По ГОСТ 19693—74 коэрцитивная сила по индукции Нс (Нсв) — величина,
равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения магнитной
индукции от остаточной индукции до нуля (см. рис. 7).
Соответственно коэрцитивная сила по намагниченности Hcj — величина,
равная напряженности магнитного поля, необходимого для изменения намагни-
ченности от остаточной намагниченности до нуля (см. рис. 7).
По величине коэрцитивной силы магнитные материалы подразделяют на маг-
нитомягкие (Нс < 4 кА/м) и магнитотвердые (Нс 4 кА/м).
Коэрцитивная сила магнитомягких материалов определяется в основном
внутренними неоднородностями (порами, немагнитными включениями), градиен-
тами напряжений и микроскопическими магнитными полями, возникающими
вокруг парамагнитных включений и пустот, задерживающих смещение границ
Доменов в ходе перемагничивания. В магнитотвердых материалах высокое значе-
ние коэрцитивной силы определяется либо значительной задержкой процессов
смещения, либо однодоменным состоянием, связанным с анизотропией формы или
2*	35
высокой кристаллографической магнитной анизотропией. В материалах, состоя
щих из слабовзаимодействующих однодоменных частиц, намагничивание i роисхо
дит только за счет процессов вращения вектора намагниченности, что требует
больших перемагничивающих полей, величина которых и определяет высокое зна
чение коэрцитивной силы. Предельные значения Н j могу быть п дсчитаны;
‘""--йл-		<145'
при кристаллографической анизотропии
cj ь Na)Js	(146)
при анизотропии формы
(Js — намагниченность насыщения; Кэф эффективное значение констан 1Ы кри-
сталлографической анизотропии; Na, — коэффициенты размагничивания 1
соответственно по продольной и поперечной осям частицы).
Практически достигнутые значения коэрцитивной силы ниже вычисленный
по формулам (5) и (6), что связано с дефектами кристаллической структуры, вы-
зывающими местные изменения констант анизотропии, и различиями в химическом
составе вещества мелких частиц и однодоменного материала, а также отклонениями
размеров частиц от однодоменных и взаимодействием между ними.
Коэрцитивная сила в значительной степени определяется структурой мате-
риала (распределением фаз, размерами и формой ферромагнитных зерен или
частиц, величиной и распределением внутренних напряжений и т. п.). Коэрцитив-
ная сила материала одного и того же химического состава в зависимости от струк-
турных особенностей и размеров образца может изменяться в весьма широких
пределах. Так, для тороидальных образцов из чистейшего железа с крупными зер-
нами Hcj 10-3 кА/м, а для высокодисперсных порошков железа, состоящих
из удлиненных частиц с поперечным размером 0,05 мкм, Hcj = 102 кА/м.
Величину коэрцитивной силы одного и того же образца можно изменять на
несколько порядков, применяя различные виды механической и термической обра-
боток. Все виды пластической деформации (скручивание, изгиб, смятие, резка,
штамповка) вызывают рост коэрцитивной силы магнитомягких материалов. Для
уменьшения коэрцитивной силы железа используют многократную вакуумную
переплавку, отжиг в водороде вблизи точки плавления, выращивание крупных
зерен и термообработку в магнитном поле. Минимальным значением коэрци-
тивной силы обладает супермаллой (Hcj 1,6'10 4 кА м).
Повышение коэрцитивной силы является основной задачей при создании
магнитотвердых материалов. Ее решают путем создания дисперсных включений
ферромагнитных однодоменных частиц в слабомагнитной матрице, сплавов с вы-
соким значением кристаллографической магнитной анизотропии.
Для подавляющего большинства магнитных материалов коэрцитивная сила
падает с ростом температуры, однако известны материалы (гексаферриты бария,
стронция и свинца), для которых температурный коэффициент коэрцитивной
силы ТК,НС положителен, что связано с температурным ростом величины К ф
этих материалов. Высокой температурной стабильностью коэрцитив) ой силы
отличаются постоянные магниты на основе высокодисперсных порошков железа
и сплава железо—кобальт (—0,008%/К). Стабильность коэрцитивной силы этих
материалов определяется незначительными температурнь мн изменениями вели-
чины Js, так как Na и Nt, не зависят от температуры. Ферромагнетики обычно
более термостабильны, чем ферримагнетики, в частности ферриты, которым как
полупроводникам свойственны сравнительно высокие значения ТКНС (до 1°о К).
ГОСТ 19693—74 определяет различные по форме петли гистерезиса следую-
щим образом.
Прямоугольная петля магнитного гистерезиса (ППГ) петля м гни ного
гистерезиса, у которой отношение магнитной индукции при нулев й напряжен
ности магнитного поля к магнитной индукции, соответствующей напряженности
магнитного поля, превышающего коэрцитивную силу в заданное число раз, не
менее 0,85.
1 Определение коэффициента размагничивания — далее в э ом разделе
36
Симметричная петля магнитного гистерезиса пегля магнитного гистсрс
зиса, получаемая при циклическом изменении напряженности магнитного поля
меЖДУ равными по абсолютному значению максимальной и минимальной напря
женностями и симметричная относительно координат.
Несимметричная петля магнитного гистерезиса петля магнитного гисте
резиса, получаемая при циклическом изменении напряженности магнитного поля
между неравными по абсолютному значению максимальной и минимальной на-
пряженностями.
При возрастании по абсолютной величине напряженности магнитного поля
размер петли гистерезиса возрастает до некоторого предела, называемого предель-
ной петлей гистерезиса.
Предельная петля гистерезиса симметричная петля магнитного гистерезиса
максимальное значение намагниченности которой соответствует намагниченности
технического насыщения.
Точка, расположенная на пересечении петли гистерезиса по намагниченности
с осью ординат, определяет остаточную намагниченность — намагниченность,
сохраняющуюся в магнитном материале после намагничивания его до намагни-
ченности технического насыщения и уменьшения напряженности магнитного поля
в нем до нуля.
Аналогично остаточная индукция — индукция, сохраняющаяся в магнит-
ном материале после намагничивания его до намагниченности технического насы-
щения и уменьшения напряженности магнитного поля в нем до нуля.
В соответствии с уравнением (1) остаточная намагниченность Jr отличается
от остаточной индукции Вг постоянным множителем:
Вг = ИоА- (1-4—7)
Действие внешнего магнитного поля приводит либо к намагничиванию,
либо к размагничиванию. Размагничивание происходит в том случае, если на-
правление внешнего поля противоположно направлению вектора намагничен-
ности.
Процесс, в результате которого под воздействием внешнего магнитного поля
направление вектора намагниченности магнитного материала меняется на проти-
воположное, называется перемагничиванием.
Благодаря явлению гистерезиса в отсутствие поля в магнитных материалах
сохраняется остаточная намагниченность, весьма незначительная у магнитомяг-
ких материалов и высокая у магнитотвердых.
Магнитный материал может быть приведен в размагниченное состояние —
такое состояние, при котором значение его намагниченности равно нулю. В зави-
симости от методов приведения различают следующие виды размагниченных со-
стояний.
Динамически размагниченное состояние размагниченное состояние, полу-
ченное при помощи внешнего знакопеременного периодического магнитного поля,
амплитуда напряженности которого уменьшается от значения, соответствующего
намагниченности технического насыщения, до нуля.
Статически размагниченное состояние размагниченное состояние, полу-
ченное при помощи внешнего равномерно меняющегося магнитного поля, которое
приводит намагниченность магнитного материала к такому значению, что при
удалении поля она становится равной нулю.
Термически размагниченное состояние — размагниченное состояние, полу-
ченное повышением температуры материала выше точки Кюри и последующим
охлаждением его при отсутствии внешнего магнитного поля.
Характеристики магнитомягких материалов определяют после перевода ма-
териала в размагниченное состояние.
Кривая, выражающая зависимость магнитной индукции от напряженности
магнитного поля в процессе намагничивания предварительно термически размаг-
ниченного магнитного материала при последовательном возрастании напряжен-
ности магнитного поля, называется начальной кривой намагничивания по ин-
дукции.
Соответственно кривая, выражающая зависимость намагниченности от на-
пряженности магнитного поля в процессе намагничивания предварительно тер-
37
мически размагниченного материала при последовательном возрастании напряжен-
ности магнитного поля, называется начальной кривой намагничивания по намаг-
ниченности.
Кривую намагничивания можно также построить, соединяя последовательно
вершины симметричных петель гистерезиса, которые получаются при последова-
тельно возрастающих значениях напряженности магнитного поля.
Такая кривая может быть получена как по индукции, так и по намагничен-
ности. В последнем случае ее называют основной кривой намагничивания.
Важной характеристикой для'магнитотвердых материалов является кривая
размагничивания по индукции — часть нисходящей ветви петли магнитного ги-
стерезиса по индукции между точкой, в которой равна нулю напряженность маг-
нитного поля, и точкой, в которой равна нулю магнитная индукция.
Соответственно кривую "размагничивания по намагниченности определяют
как часть нисходящей ветви петли магнитного гистерезиса по намагниченности
между точкой, в которой напряженность магнитного поля равна нулю, и точкой,
в которой намагниченность равна нулю.
Для магнитомягких материалов, работающих в слабых магнитных полях,
определяющей характеристикой является начальная магнитная проницаемость-
значение магнитной проницаемости (отношения величины индукции к напряжен-
ности'магнитного поля) на начальной или основной кривой намагничивания по
индукции при стремлении напряженности магнитного поля к нулю, деленное на
магнитную постоянную.
Начальная магнитная проницаемость определяется выражением
HH=lim—Л-, (1.4-8)
н,-о Ро''
где р0 = 4л-10~7 Гн/м — магнитная постоянная.
Если магнитная индукция и напряженность поля — векторы, то проницае-
мость является тензором, т. е. ее составляющие по каждой из осей координат зави-
сят от составляющих напряженности поля по всем осям координат. Тензорные
свойства магнитной проницаемости проявляются в диапазоне сверхвысоких
частот.
С магнитной восприимчивостью Лм магнитная проницаемость связана выра-
жением
И = *м+1. (1-4—9)
Максимальной проницаемостью ртах называется максимальное значение маг-
нитной проницаемости как функции напряженности магнитного поля на основной
кривой намагничивания по индукции.
Величины рн и |Хтах зависят от температуры. Значение проницаемости увели-
чивается и максимум ее с повышением температуры смещается к меньшим напря-
женностям поля, что равнозначно снижению коэрцитивной силы.
При перемагничивании магнитного материала в переменном магнитном поле
наблюдаются искажение формы петли гистерезиса и отставание по фазе кривой
индукции от кривой напряженности поля. Это отставание связано с действием вих-
ревых токов, препятствующих изменению индукции, гистерезисом и магнитной
вязкостью. Угол между вектором напряженности магнитного поля и вектором
индукции называют углом магнитных потерь 6.
Прн изображении векторов напряженности и индукции комплексными чис-
лами можно определить комплексную магнитную проницаемость как отношение
комплекса магнитной индукции к комплексу напряженности магнитного поля
в материале, деленное на магнитную постоянную.
Прн этом напряженность магнитного поля изменяется во времени синусо-
идально, а для магнитной индукции берется составляющая, изменяющаяся во
времени синусоидально с той же частотой, что и напряженность магнитного поля.
При определении комплексной магнитной проницаемости предполагается, что
пространственные векторы, характеризующие напряженность магнитного поля и
индукцию, параллельны.
38
Комплексная проницаемость определяется выражением
(-1 = J-. А =	(1.4-ю)
го п
где р' — действительная составляющая; |1" — мнимая составляющая.
Чем больше величина и", тем выше потери в магнитном материале.
Начальная магнитная проницаемость имеет высокие значения у материалов
с низкой магнитострикцией.
При перемагничивании в переменном магнитном поле в магнитном материале
возникают потери энергии, затрачиваемые на изменение магнитного состояния и на
возбуждение вихревых токов.
Удельные магнитные потери определяют как мощность, поглощаемую в еди-
нице массы магнитного материала и рассеиваемую в в и Де тепла при воздействии
на материал изменяющегося во времени магнитного поля.
Если потери отнесены к единице объема (удельные объемные потери), то их
определяют как мощность, поглощаемую в единице объема магнитного материала
и рассеиваемую в виде тепла при воздействии на материал меняющегося во вре-
мени магнитного поля.
Часть удельных магнитных потерь, обусловленных явлением магнитного
гистерезиса, называют удельными магнитными потерями на гистерезис. Часть
удельных магнитных потерь, обусловленных вихревыми токами, называют удель-
ными магнитными потерями на вихревые токи.
Для количественной оценки потерь в слабых магнитных полях пользуются
понятием тангенса угла магнитных потерь tg 6М.
Тангенс угла магнитных потерь — это отношение мнимой части к действитель-
ной части комплексной магнитной проницаемости:
6М = -Д-, откуда 6М = arctg-^т-.
Г	г
Тангенс угла потерь представляет собой величину, обратную добротности ка-
тушки с магнитным сердечником.
В слабых магнитных полях (области Релея) зависимость tg6M от напряжен-
ности и частоты магнитного поля имеет вид
tg 6М = 6В/ 8ГН -|- 6д,
где бв, 6Г, — коэффициенты потерь соответственно на вихревые токи, на гисте-
резис и на дополнительные (остаточные) потери; f — частота, Гц; Н — напряжен-
ность магнитного поля, А/м.
По ГОСТ 19693—74 коэффициенты потерь определяют следующим образом.
К Коэффициент потерь на вихревые токи — приращение тангенса угла магнит-
ных потерь, отнесенное к соответствующему изменению частоты при неизменной
амплитуде напряженности магнитного поля.
Ич Зависимость тангенса угла магнитных потерь от частоты в заданном интер-
вале ее изменения предполагается линейной.
Коэффициент потерь на гистерезис — приращение тангенса угла магнитных
потерь, отнесенное к соответствующему приращению амплитуды напряженности
магнитного поля при неизменной его частоте.
Зависимость тангенса угла магнитных потерь от амплитуды напряженности
магнитного поля в заданном интервале ее изменения предполагается линейной.
Коэффициент дополнительных (остаточных) потерь — значение тангенса
угла^магнитных потерь после исключения тангенса угла магнитных потерь на
вихревые токи и тангенса угла магнитных потерь на гистерезис.
» Содержащиеся в последнем определении тангенсы углов магнитных потерь
на вихревые токи и гистерезис ГОСТ 19693—74 определяет следующим образом.
t Тангенс угла потерь на вихревые токи — произведение коэффициента потерь
на вихревые токи на заданную частоту синусоидального магнитного поля.
_ Предполагается, что тангенс угла магнитных потерь менее 0,1.
Тангенс угла потерь на гистерезис — произведение коэффициента потерь на
гистерезис на заданную амплитуду синусоидального магнитного поля.
39
Предполагается, что тангенс угла магнитных потерь менее 0,1.
Таким образом, tg 6М = tg 6В 4- tg 6Г + tg 6Д.
Для оценки магнитомягких ферритов обычно используют относительный тангенс
угла магнитных потерь — отношение тангенса угла магнитных потерь к началь-
ной магнитной проницаемости.
Для оценки материалов с прямоугольной петлей гистерезиса используют
следующие характеристики.
Коэффициент, прямоугольности петли гистерезиса — отношение остаточной
индукции при нулевой напряженности магнитного поля к максимальной индук-
ции на данной симметричной петле гистерезиса.
Коэффициент квадратности петли гистерезиса — отношение напряженно-
сти поля трогания к коэрцитивной силе на данной симметричной петле гистерезиса.
Напряженность поля трогания — это напряженность размагничивающего
поля, при котором значение индукции на кривой размагничивания меньше оста-
точной индукции на 10%.
Время перемагничивания — интервал времени, необходимый для перемагни-
чивания кольцевого образца из состояния остаточной индукции в противополож-
ное состояние с максимальной индукцией под действием импульса магнитного
поля определенной формы, длительности и амплитуды.
Условно время перемагничивания принято определять интервалом времени,
равным длительности импульса выходного сигнала с кольцевого образца на уровне
0,1 его амплитуды.
Магнитотвердые материалы используют в технике в качестве постоянных маг-
нитов.
Постоянный магнит — это намагниченное тело из магнитотвердого мате-
риала, служащее в технике источником постоянного магнитного поля.
При приложении размагничивающего магнитного поля величина индукции
или намагниченности магнита изменяются по кривой размагничивания. Если
магнит не полностью размагничен, то при уменьшении размагничивающего поля
значение индукции (или намагниченности) снова возрастает, но не по кривой раз-
магничивания, а по прямой возврата.
Прямая возврата — это прямая линия от точки на кривой размагничивания
до точки, которая соответствует увеличенному значению индукции, вызванному
изменением внешнего магнитного поля.
В отдельных случаях при очень высоких значениях коэрцитивной силы по
намагниченности (в бариевых ферритах, магнитах РЗМ—Со и др.) кривая размаг-
ничивания вырождается в прямую линию. В этом случае прямая возврата совпа-
дает с линией размагничивания. Кроме остаточной индукции (намагниченности)
и коэрцитивной силы, важной характеристикой постоянного момента является
удельная магнитная энергия.
Удельная магнитная энергия определяется половиной произведения индук-
ции и напряженности поля, соответствующих заданной точке на кривой размагни-
чивания магнитотвердого материала:
Г = 1/2ВН,
где W — удельная магнитная энергия, Тл-кА/м, или кДж/м3; В — индукция в за-
данной точке кривой размагничивания, Тл; Н — напряженность магнитного поля
в заданной точке кривой размагничивания, кА/м.
Максимальное значение удельной магнитной энергии данного материала на-
зывается максимальной удельной магнитной энергией. Эта величина служит ха-
рактеристикой магнитотвердого материала. Промышленность выпускает магнито-
твердые материалы с максимальной удельной магнитной энергией 1^тах от 1 до
120 кДж/м3.
В зависимости от формы магнита и конфигурации магнитной системы
устанавливается определенная рабочая точка магнита. Например, для кольце-
вого магнита, намагниченного по осевой окружности, или для очень тонкого диска,
намагниченного по диаметру, рабочая точка будет находиться в точке остаточной
намагниченности; для такого же тонкого диска, но намагниченного по оси рабо-
чая точка будет находиться в точке коэрцитивной силы по индукции, т. е. магнит
не будет источником магнитного поля.
40
Рабочая точка постоянного магнита — точка на кривой размагничивания,
координаты которой представляют индукцию или намагниченность и напряжен-
ность магнитного поля в материале постоянного магнита.
Размеры магнита и магнитной системы обычно рассчитывают таким образом,
чтобы рабочая точка магнита находилась в точке максимальной удельной магнит-
ной энергии магнитотвердого материала, из которого изготовлен магнит.
В этом случае объем магнита, необходимого для создания заданной напря-
женности магнитного поля, в рабочем зазоре магнитной системы будет минималь-
ным.
Линии индукции, как известно, являются замкнутыми, Они выходят не
только из полюсов магнита, но и из боковой его поверхности. В каждой точке по-
верхности магнита, где есть выход линий индукции, имеется не только танген-
циальная, параллельная поверхности, но и нормальная составляющая индукции.
Только вдоль нейтральной линии постоянного магнита нормальная к поверх-
ности составляющая индукции равна нулю.
Сечение постоянного магнита, проходящее через нейтральную линию, назы-
вается нейтральным сечением постоянного магнита.
При измерении параметров магнита датчик индукции или намагниченности
устанавливают вблизи нейтрального сечения.
В каждой точке постоянного магнита выполняется условие
77= — B — J,	(1.4-11)
Во
где Н — внутреннее поле постоянного магнита, выражающее напряженность
магнитного поля в материале постоянного магнита; В — индукция в постоянном
магните; J — намагниченность постоянного магнита.
' Все величины, входящие в уравнение (1.4—11), векторные и могут изменяться
от точки к точке. Намагниченность магнитов, имеющих форму эллипсоидов, длин-
ных цилиндров и тонких дисков, постоянна во всем объеме.
Напряженность внутреннего поля в отсутствие внешнего поля отрицательна.
Векторная разность между напряженностью внутреннего магнитного поля
и напряженностью внешнего поля постоянного магнита определяет размагничи-
вающее поле постоянного магнита.
Величина, равная отношению напряженности размагничивающего поля
к значению намагниченности, усредненных по нейтральному сечению, является
коэффициентом размагничивания N (по намагниченности) постоянного магнита.
Этот коэффициент увеличивается по мере роста отношения нейтрального
сечения к длине магнита. Величины коэффициентов размагничивания для магни-
тов различной геометрической формы приведены ниже.
Бесконечно длинный круглый цилиндр, намагни-
ченный:
по оси ........................................
по диаметру .................................
Бесконечно тонкий диск, намагниченный:
по оси ........................................
по диаметру..................................
Шар ...	..................................
Полый тонкостенный шар, R2......................
Полый тонкостенный цилиндр (7?х< Т?2), намагни-
ченный:
по оси ...........................................
по диаметр) ....................
О
*4
1
о
х4 ,
1 - (Д1//?2)3
18л
О
\-(Ri/R2)2
16л
41
Внутреннее поле Я/ постоянного магнита определяется выражением
Ht = He~NJ,	(1.4—12)
где Не — внешнее магнитное поле, приложенное к магниту; N — коэффициент
размагничивания (по намагниченности) постоянного магнита.
Если Не = 0, то Н1 = —NJ,
В частности, тонкий диск, намагниченный по оси, при Не = 0 находится
в размагниченном состоянии, так как в уравнении В — р0 (Н + J) для тонкого
диска Н = —J; (N = 1); следовательно, В = 0. Наоборот, тонкий диск, намагни-
ченный по диаметру, не будет размагничиваться, так как N = 0. В отсутствие
внешнего поля = 0; остаточная индукция Вг = р07г, где Jr — остаточная на-
магниченность материала постоянного магнита.
Под действием температуры в постоянных магнитах происходят обратные и
необратимые изменения индукции.
Необратимое температурное изменение индукции постоянного магнита —
это остаточное изменение индукции, создаваемой постоянным магнитом в какой-
либо области пространства, после нагревания или охлаждения магнита и после-
дующего его охлаждения или нагревания до исходной температуры.
Обратимое температурное изменение индукции постоянного магнита —
это разность’между"изменением индукции, создаваемой в какой-либо области, вы-
званное нагреванием или охлаждением магнита и необратимым температурным
изменением в той же области пространства и в том же температурном диапазоне.
Под действием различных физико-химических факторов происходит старение
постоянного магнита, которое определяется изменением намагниченности постоян-
ного магнита во времени.
Старение может быть магнитным, что выражается в размагничивании магнита,
и структурным, при котором изменяется-структура материала магнита, например
окисляется магнитная фаза. После магнитного старения магнит может быть снова
намагничен до исходного состояния; изменения, происшедшие в результате струк-
турного старения, необратимы. В’отдельных случаях свойства магнита могут быть
восстановлены после специальной термообработки. Старение является одним из
видов нестабильности магнитной величины.
Нестабильность магнитной'ееличины —' это относительное изменение магнит-
ной величины, вызванное воздействием на магнитный^материал механических,
климатических и других внешних факторов.
Коэффициент нестабильности магнитной величины — это отношение неста-
бильности магнитной величины к начальному значению магнитной’величины, из-
меренному до воздействия механических, климатических'и других'внешних_фак-
торов.
Температурная нестабильность определяется температурными коэффициен-
тами (ГОСТ 19693—74).
Средний температурный коэффициент магнитной величины — это отноше-
ние относительного изменения магнитной величины, вызванного изменением тем-
пературы, к разности конечной и начальной температур.	>»-
Температурный коэффициент магнитной величины — это предельное значе-
ние среднего температурного коэффициента магнитной величины, когда разность
температур стремится к нулю.
Относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости —
это отношение температурного коэффициента магнитной проницаемости к значе-
нию начальной магнитной проницаемости при нормальной температуре.
В настоящем разделе рассмотрены основные магнитные параметры и харак-
теристики, которые могут характеризовать свойства магнитных порошков и маг-
нитных материалов на их основе. В раздел не вошли характеристики и параметры
магнитострикционных материалов и магнитомягких материалов, в которых ис-
чользуется явление гиромагнитного эффекта, так как в настоящем издании эти
Материалы не рассматриваются. Более подробный обзор магнитных свойств при-
веден в литературе [27—31 ].
42
1.5. Методы измерения магнитных свойств
1.5.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Методы и приборы для испытания магнитных материалов описаны в работах
[27—36] и регламентированы ГОСТ 8.268—77, ГОСТ 12119—66, ГОСТ 8.377—80,
ОСТ 11068.026—79, ГОСТ 12635—67, ГОСТ 12636 67, ГОСТ 12637—67. Не стан-
дартизированы лишь методы магнитных испытаний порошков. Испытания ком-
пактных материалов из порошков, в том числе материалов с диэлектрической
связкой и спеченных, принципиально не отличаются от испытаний литых, листо-
вых и других видов компактных материалов. При испытании цельных спеченных
магнитопроводов на переменном токе следует оговаривать толщину образцов,
так как глубина проникновения переменного магнитного поля в металл ограни-
ченна. Обычно магнитные свойства спеченных материалов определяют непосред-
ственно на магнитопроводах.
В зависимости от назначения магнитного материала проведение магнитных
испытаний сводится к определению параметров отдельного участка кривой намаг-
ничивания в координатах В—Н, магнитных потерь, характерных точек петли
гистерезиса (5S, Br, Н), кривой размагничивания (для магнитотвердых материа-
лов) и других характеристик и параметров, для определения которых используют
различные средства измерения.
Магнитные измерения предполагают расчетное или экспериментальное опре-
деление параметров магнитного поля. Расчетным путем можно определить напря-
женность магнитного поля Н (А/м) для образцов замкнутой формы, например ко-
лец или тороидов:
2w I
где w — число витков намагничивающей обмотки; I — ток намагничивающей
обмотки, A; D nd — соответственно наружный и внутренний диаметры кольце-
вого образца, м.
Формула (1) справедлива при dlD — 0,9. В этом случае напряженность поля
на наружной и внутренней образующих кольца отличается от средней напряжен-
ности ие более чем на 5%.
Диаметр, где напряженность намагничивающего поля имеет среднее значение
между напряженностями на наружной и внутренней образующих, определяют по
формуле
D = D —
ср'г In D — In d ’
(1.5-2)
(1.5-3)
гДе -Оср. г — средний гармонический диаметр
В этом случае
11 = . .
Гс^ср.г
При dlD = 0,8 различие между средним и средним гармоническим радиусами
составляет ~1%. При меньших значениях этого отношения нужно учитывать
различие напряженностей магнитного поля на образующих кольца.
Для образцов неправильной формы напряженность внутреннего поля опреде-
ляют с учетом коэффициента размагничивания по формуле
(1.5-4)
Где Це — напряженность внешнего поля соленоида, постоянного магнита или дру-
гого намагничивающего устройства, А/м.
Для определения Н; необходимо знать не только Не, но и намагниченность
ц^Разца и коэффициент его размагничивания, который может быть определен рас-
43
С большей точностью поле образца может быть определено при помощи при-
боров для измерения индукции магнитного поля, величина которой вне образца
с точностью до постоянного множителя равна напряженности магнитного поля:
(1.5-5)
го
Так как тангенциальные составляющие напряженности с обеих сторон по-
верхности образца равны, можно, помещая датчик магнитного поля на поверх-
ности вблизи нейтрального сечения образца, определить его внутреннее поле.
Этот метод обычно используют при измерениях образцов магнитотвердых
материалов.
Приборы для измерения индукции магнитного поля, серийно выпускаемые
в СССР, представлены в табл. 1.3 [36].
Приборы для измерения индукции магнитного поля с преобразователями
Холла, выпускаемые зарубежными фирмами, приведены в табл. 1.4.
Для измерения напряженности магнитного поля используют также круглые
И плоские катушки (последние — для измерения поля на поверхности образца), ви-
брирующие катушки, магниторезисторы, изготовленные из висмута в виде спи-
рали, электрострикционные датчики [33] и другие приборы.
При измерении напряженности магнитного поля датчик поля ориентируют
определенным образом относительно направления поля. Например, при исполь-
зовании датчика Холла его ориентируют так, чтобы токовые и потенциальные
электроды находились на гранях холловского кристалла, параллельных направ-
лению напряженности Н. При использовании плоских катушек их располагают на
поверхности образца таким образом, чтобы плоскости витков катушки были пер-
пендикулярны направлению напряженности поля. При этом размеры датчиков по-
ля и их расстояния от поверхности измеряемых образцов не должны превосходить
0,1—0,3 мм (ГОСТ 8.268—77).
Непосредственное измерение магнитной индукции в магнитном материале
может быть произведено при помощи ферромагнитных преобразователей Холла,
расположенных между торцом образца и одним из полюсных наконечников магнит-
ной системы [38]. Этот метод определения индукции в образце Используют при
испытаниях магнитотвердых материалов. Часть магнитного потока магнито-
твердого образца замыкается через его боковую поверхность, минуя полюсные
наконечники, и за счет перемещения измерителя индукции с нейтральной линии
в торец образца возникает дополнительная погрешность порядка 1%.
Поэтому обычно при определении индукции измеряют магнитный поток через
нейтральное сечение образца. Вычисление проводят по формуле
В = Ф/S,	(1.5—6)
где В — магнитная индукция в нейтральном сечении, Тл; Ф — магнитный поток
через нейтральное сечение, Вб; S — площадь нейтрального сечения, м2.
Этим методом определяют индукцию образцов замкнутой формы (колец, то-,
роидов).
Для измерения постоянного магнитного потока используют веберметры и бал-
листические гальванометры; последние ввиду сложности использования и малой
производительности применяют весьма ограниченно.
В качестве первичного измерительного преобразователя (ПИП) в этих при-
борах используется измерительная обмотка, равномерно распределяемая по всей
длине в замкнутых образцах (кольцах) или располагаемая вблизи нейтральной
линии в разомкнутых (магнитотвердых) образцах.
При изменении магнитного потока в образце, происходящем при изменении
в нем напряженности магнитного поля, в ПИП возбуждается э. д. с.
где w — число витков измерительной обмотки.
В результате интегрирования этого выражения (при постоянном или квази-
постоянном магнитном поле) на выходе баллистического гальванометра или ве-
44
ТАБЛИЦА 13.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНДУКЦИИ постоянного МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Тип средства измерения	Диапазон измерений, Тл	Частотный диапазон, Гц	Погрешность измерения, %	Размеры измерительного преобразователя	Тип измерительного преобразователя
Г74	10-7—ю-з	М агни томодуляци 0	онный метод измер 2—1	ения 0 6X11	Мдгнитомодуляционный
Г78	10-е—5. ю-з	0	5	14X14X14, длина щупа 200 0 15X4,	То же
Г75	IO-’—2-Ю-3 10-3—1	30—104 Гальваномагнит 0	ный метод измерен 0,2 + 0,3 Dx	длина щупа 200 ия 0,9X2X80	Преобразователь Холла
Г77	5-Ю-5—1	0	0,2+ 0,6-^- 5—2	0 4X80 2X3X10	То же
Ф4355	5.10-5—3-10-2 10-2—1,5	40—500 0	2—4 1,5—2,5	0 4X150 2X3X100 1X5X80	»
Ф4356	IO-3—5-10-1	20—20-103	4,0	1X5X80	»
Щ4310	2.10-2—2. ю-1	0	1,5	1X5X80	»
Щ4311	10-2—1	0	1,0	1X5X80	»
Ф4354 1	5-10-3—1,5	0	2,5	1X5X80	»
Ф4300	2-10-2—0,2	0	2,5	1X5X80	Преобразователь Холла
Ш1-1	0,2—2 25-10-3—2,5	Р aduoc.neitmpocK.oiu, 0	ческий метод изме 0,01	рения 10X16,5X125	|	ЯМР
Примечание. —конечное значение устаиов ленного предела магнитной индукции; Вх—значение измеренной магнитной индукции.
ТАБЛИЦА 1.4
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕСЛАМЕТРОВ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ ХОЛЛА [32]
Тип прибора или наименование	Фирма, страна	Диапазон измерений, Тл	Частотный диапазон, Гц	Погрешность измерения, %	Размеры преобразо- вателя, мм
Измеритель магнитного поля, тип 1521	Институт Фёрстера, ФРГ	0,04—0,1—0,2	0	2,5	
Измеритель магнитной индукции, тип 1541	То же	1.10'4—2	0	1,0	
Измеритель магнитной индукции	Siemens—Halske, ФРГ	10“3—2	0	1,5	
Гауссметр- 56580	Metra, ЧССР	0,2—0,5—2	0	2,5	1X3X50
56581		0,5—1,0—2			
Гауссметр- модель 110	США	1.10- 4—3	0	2,0	
модель 240		1.10-5—3	0	1,0	
модель 350		0,01—0,3	10—30-1 о3	2,0	
Гауссметр ММ-11	lokogama Electric	(2—5—10—20) IO’3	0	2,5	
	Works, Ltd., Япония	0,05—0,1—0,2—0,5— 1—2	500	—'	
берметра фиксируется результат, пропорциональный магнитному потоку, согласно
уравнению
t 2
Ф = — w J edt.
t\
Интегрирование обеспечивается устройством приборов.
При перемагничивании в переменных симметричных магнитных полях в об-
щем случае кривая индукции несинусоидальна и содержит только нечетные гар-
моники:
В = Bim sin (at I- + B3m sin (3<W + ф3) + • •
На выходе ПИП согласно (1.5—7) возникает э. д. с.
е = — 2ntwS [Bim cos (at + фц) + 3Bam cos (3<о/ + ф3) + • • • ]
Средняя величина этой э. д. с.
Г/2
2 f	2
Вер — J edt —	= 4/ffi)Ornax'
о
Из (1.5—6) и (1.5—8) следует
п _ Вср
И"|ах “ ’
(1.5-8)
(1.5-9)
где ВШах — магнитная индукция в образце, Тл; £ср — напряжение, измеряемое
вольтметром средних значений, В; f — частота напряжения питания, Гц; S —
площадь нейтрального сечения, м2; w — число витков измерительной обмотки.
Основные характеристики баллистических гальванометров и веберметров
приведены в табл. 1.5 и 1.6.
Ниже приведены основные характеристики вольтметра средних значений
типа Ф517 для измерения индукции в переменных магнитных полях [39].
Количество пределов ........................ 10
Частотный диапазон, Гц............ 45—10 000
Основная погрешность, %	  1,5
Пределы измерения:
мВ .................................. 10—30—100—300
В............................1	3—10—30—100—300
Входное сопротивление,	МОм....................... 1
Входная емкость, пФ............................. 50
Напряжение питания, В................ 127—220
Масса, кг ....................................... 8
Значительный интерес представляет определение намагниченности материа-
лов, работающих в сильных магнитных полях, а также с высоким значением коэр-
цитивной силы, так как индукция в этом случае определяется величиной напря-
женности приложенного при измерениях сильного магнитного поля и поэтому не
может характеризовать материал.
Так как индукция технического насыщения соответствует намагниченности
технического насыщения, то при ее определении необходимо от значения макси-
мальной индукции, полученного при измерении, вычесть значение индукции при-
ложенного магнитного поля:
=	= Втах Ро^Тпмх.	(1.5 -10)
Если 77шах 5s- 3.7S, то Д//щах 3А./з.
Например, для получения предельной петли гистерезиса бариевого феррита
марки 6 БЦ240 ГОСТ 8.268—77 рекомендованы поля напряженностью 1000 кА/м,
47
ТАБЛИЦА l.o
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ГАЛЬВАНОМЕТРОВ [381
Тип	Положение магнитного шунта	Постоянная по магнит- ному потоку, мкВ. м мм	Сопротивление, Ом		Период свобод- ных ко- лебаний (не ме- нее), с	Разряд постоян- ства ну- левого положе- ния
			внутрен- нее	внешнее крити- ческое		
М17/11 *	Выведен Введен	1,5 0,9	29	50 0	18	1,о
М17/12	Выведен Введен	1,2 0,4	30	350 10	15	1,5
М17/13 *	Выведен Введен	1,8 1,0	30	130 5	18	1 0
* Первая обмотка.	______________
ТАБЛИЦА 1.0
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЕБЕРМЕТРОВ [36, 38]
Тип	Предел измерения, мкВ	Цена деления, мкВб	Сопротивле- ние внешней цепи (не более), Ом	Основная погрешность (не более), %	Скорость сползания (не более), делений/с
Ml 119	10 000	100	10	+ 1,0	
			20	+ 2,5	
			30	±4,0	2 5
М199	500	5	50	± 1,5	2 5
Ф18	5-0—15	0,2 1	100	+ 4	2 10
	25—0—75		100	±2,5	1/15
	100—0—300	4	100	±1,5	1 30
Ф190	2 0 2	0,04	100	±2,5	1/7
	5 0 5	0,1	100	±1,5	1 20
	10—0 10	0,2	150	±1,5	1'30
	20—0 20	0,4 1	150	+ 1,5	1/60
	50—0 50		300	±1,5	1/60
	100—0—100	2	300	+ 1 5	1 60
	500—0—500	10	100	+ 1,5	1 30
Ф5050	10-0-10		100	±0,3 + + 0,2 Вк1Вх	1/1 *
	100—0—100		100		
	1 000 0—1 000		100		
	10 000—0—10 000		100		
Ф199	25—0—25		100	±2,5	16
	50—0—50		200	+ 2,5	1 10
	100-0—100		300	±1,5	1 15
	250—0—250		500	± 1 5	1 20
	500—0—500		1000	±1,5	1/30
	1 000—0—1 000			±1,5	
	2 500—0—2 500			± 1,5	
Автоматическая установка
нуля перед измерением
48
чю в 3 раза превосходит намагниченность самого материала, следовательно,
ошибка, допущенная в определении максимальной индукции, утраивается при
определении индукции насыщения.
Намагниченность определяют при помощи магнитометров [33, 35] и при ис-
пользовании в качестве ПИП катушек, содержащих измерительную и компенси-
рующую действие намагничивающего поля обмотки [40].
Наибольшей чувствительностью обладает вибрационный магнитометр [35]
в котором образец, помещенный в магнитное поле, приводится в колебательное
движение относительно неподвижных катушек. Сигнал катушек, пропорцио-
нальный намагниченности образца, усиливается селективным усилителем и по-
дается на индикатор — стрелочный прибор или цифровое показывающее устрой-
ство. При помощи вибрационного магнитометра можно определять начальную
кривую намагничивания по намагниченности, кривую размагничивания по на-
магниченности, петли гистерезиса по намагниченности, характерные точки
(В г, Hcj).
С помощью чувствительных усилителей с низким уровнем шумов могут быть
измерены характеристики образцов массой порядка миллиграмма. Недостатком
магнитометров является необходимость проведения измерений в разомкнутой
магнитной цепи, что требует учета размагничивающего поля. Магнитные харак-
теристики могут быть определены с использованием коэффициента размагничива-
ния, для чего образцам придают формы правильного эллипсоида (сферы, тонкого
диска, цилиндров с большим отношением длины к диаметру и т. д.). Если образец
имеет произвольную форму, определение коэффициента размагничивания пред-
ставляет значительные, часто непреодолимые трудности.
Поэтому, если количество исследуемого материала > 1 г, целесообразно ис-
пользовать датчик намагниченности [40], при помощи которого могут быть про-
ведены измерения в замкнутой магнитной цепи.
Датчик содержит однослойную измерительную катушку, намотанную на
тонкий жесткий каркас, к боковой поверхности которой примыкают тонкие пло-
ские компенсирующие катушки, намотанные встречно по отношению к измери-
тельной.
Одна из компенсирующих катушек, намотанная на эластичный каркас, слу-
жит для подстройки датчика, обеспечивающей компенсацию внешнего магнит-
ного поля с точностью 0,05% . Сигнал датчика пропорционален намагниченности
образца, что позволяет проводить измерения в полях, более чем на порядок пре-
вышающих намагниченность.
При измерениях датчик намагниченности надевается на образец таким обра-
зом, что измерительная катушка занимает положение на нейтральной линии.
1.5.2. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
В ПОСТОЯННЫХ ПОЛЯХ
Магнитные характеристики, определяемые в постоянных магнитных полях,
зависят в основном от свойств материала; магнитные характеристики, определен-
ные в переменных магнитных полях, зависят, кроме того, от частоты изменения
поля, толщины и формы образца, его удельного сопротивления и многих других
факторов и лишь условно могут быть названы характеристиками материала.
Поэтому магнитные материалы из порошков характеризуют параметрами,
определенными в постоянных полях, а изделия из этих материалов, работающие
в переменных полях, дополнительно испытывают в этих полях для определения их
эксплуатационных характеристик. Изделия из материалов, предназначенных для
работы в слабых переменных полях (магнитодиэлектрики, ферриты), определяю-
щей величиной которых является магнитная проницаемость, испытывают в основ-
ном в переменных магнитных полях.
В постоянных магнитных полях испытывают магнитотвердые материалы,
магнитомягкие материалы с высоким значением индукции технического насы-
щения, материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Последние испытывают
также но специальным импульсным программам.
49
Испытания в постоянных магнитных полях называют статическими, так как
в ходе испытаний материал переводят из одного стабильного состояния в другое.
При квазистатическом методе магнитное состояние материала изменяется на-
столько медленно, что материал последовательно проходит те же состояния, в ко-
торые его можно было бы привести при статических испытаниях.
Большинство промышленных установок для статических испытаний основано
на использовании индукционно-импульсного и индукционно непрерывного ме-
тодов [34—41 ].
При индукционно-импульсном методе наведение э. д. с. происходит благодаря
кратковременному изменению магнитного потока через образец По величине
э. д. с. при помощи баллистического гальванометра или веберметра определяется
изменение магнитного потока, пропорциональное изменению индукции (или на-
магниченности) в образце. Изменение потока вызывается резким (импульсным)
изменением напряженности магнитного поля в образце. Таким образом, при им-
пульсно-индукционном методе получают серию изменений напряженности и соот-
ветствующие им изменения индукции (намагниченности).
Если эти изменения отсчитывать от некоторой заданной точки, например от
максимальной или нулевой индукции, можно по точкам построить кривую намаг-
ничивания, петлю гистерезиса и другие зависимости индукции (намагниченности}
от напряженности магнитного поля.
Например, чтобы определить значение индукции образца при заданной'
напряженности магнитного поля, в предварительно размагниченном образце при
помощи обмотки, соленоида или электромагнита возбуждают заданное поле, после
чего резко меняют направление поля на противоположное. Такое изменение (ком-
мутация) происходит при изменении направления тока в обмотке образца (соле-
ноида, электромагнита) на противоположное (коммутация тока). При этом точка
в плоскости В—Н, определяющая магнитное состояние образца, переходит с од-
ной вершины симметричной петли гистерезиса с координатами ВтНт на противо-
положную е координатами —Вт; —Нт.
Изменение потокосцепления Атр — 2фт — 2к>Фт фиксируется веберметром
(баллистическим гальванометром).
Если постоянная веберметра Св, отклонение при измерении ДФ равно п, то
2фт = Свп.	(1.5 11)
Так как ~ wBsS,
то
Вт ~i^Csn'	(1’5 12)
где Вт — индукция в образце, Тл; S — сечение образца, м2; w — число витков из-
мерительной обмотки; Св — постоянная веберметра (баллистического гальвано-
метра), Вб/дел; п — отклонение стрелки веберметра, дел.
1 Определяя значения индукции при заданных последовательно возрастающих
от некоторого минимума значениях напряженности магнитного поля, находят
точки основной кривой намагничивания. Перед каждым определением индукции
производят магнитную подготовку, которая заключается в серии коммутаций при
заданном значении напряженности магнитного поля. Это обеспечивает получение
установившейся петли гистерезиса, вершина которой находится в определяемой
точке Вт, Нт.
Определение точек петли гистерезиса проводят по такой же методике, но
изменяя поле от Нтах до заданного значения Н{. При определении точек кривой
размагничивания по индукции (намагниченности) изменяют значение напряжен-
ности поля от Ятах до заданного значения —Н{, направление которой противо-
положно //щах-
В этом случае индукцию рассчитывают по формуле
w Ч (" -	•	115 131
где Bi индукция в некоторой точке петли гистерезиса, соответствующей на-
пряженности поля Н;, Тл; Св постоянная веберметра при определении Вт х,
50	1
Вб дел; П1 — отклонение стрелки веберметра при определении ВтаХ) дел; Св,—
постоянная веберметра при определении Вг коммутацией поля от /7тах Д° Я£,
Вб/дел; /г2 — отклонение стрелки веберметра при определении Bt.
Остаточную индукцию определяют при Ht — 0 по формуле (1.5 13).
Коэрцитивную силу по индукции находят как значение напряженности раз
магничивающего поля Hlt при которой Bt — О
В этом случае из (1.5 13) следует
Если определяют кривую размагничивания по намагниченности, то значение
коэрцитивной силы по намагниченности находят как значение напряженности
размагничивающего поля, при которой Ji = 0. В этом случае
(1.5-15)
'-'J2	"
Обозначения в (1.5—15) те же, что в (1.5 14), с учетом того, что C7t— по-
стоянная веберметра при определении /тах> a С.ь— при определении J[.
Точки на спадающей части петли гистерезиса по намагниченности определяют
по формуле
где Цо — магнитная постоянная.
Если определена зависимость В (Я), можно, используя уравнение
B = p0(H+J),	(1.5—17)
иайти зависимость J (Н).
При этом нужно учитывать знак напряженности поля в образце. При опре-
делении кривой намагничивания и участков петли гистерезиса в I и IV квадран-
тах //> 0.
Следовательно,
Л.1У==В/р0 — Н.	(1.5—18)
При определении кривой размагничивания (II квадрант) н участка петли
гистерезиса в III квадранте И < 0.
Следовательно,
Al, III = В'Ро + И.	(1.5—19)
В уравнения (1.5—18), (1.5—19) подставляют абсолютную величину Н.
По зависимости J (Н) находят зависимость В (Н), пользуясь формулами
Bi, iv = Р« (Я + J);	(1.5-20)
Вц, ш = |Ч (/-Я).	(1.5-21)
При измерениях индукционно импульсным методом используют замкнутую
магнитную цепь. Образцы магнитомягких материалов (в виде колец, тороидов),
а также магнитотвердых замыкают искусственным магнитопроводом с низким
магнитным сопротивлением. Намагничивающее устройство с замыкающим обра-
зец магнитопроводом называют пермеаметром.
При использовании пермеаметров напряженность внутреннего магнитного
поля образцов магнитотвердых материалов измеряют при помощи тесламетров
(см. табл. 1.3) или катушек поля.
Завод «Точэлектроприбор (Киев) выпускает измерительные информационные
системы для определения статических характеристик магнитомягких (У5045)
и магнитотвердых (У5056) образцов.
Систе ia У5045 в коммутационном режиме намагничивания по методике
1 ОСТ 8.377 80 на кольцевых образцах позволяет определять следующие харак-
теристики; основную кривую намагничивания; начальную и максимальную
51
магнитные проницаемости; петлю гистерезиса; остаточную индукцию и коэрци-
тивную силу по индукции.
Погрешности определения Н, В, Нс не превышают ± 3%. Пределы измерения
индукции 0,01—0,1; 1,0—10 Тл. Намагничивающий ток до 15 А.
В качестве измерителя магнитного потока использован цифровой микро-
веберметр Ф5050 (табл. 1.6).
Микровеберметр включен через устройство моделирования, обеспечивающее
отсчет на цифровом табло значения индукции в образце (в теслах).
Данные блоков, входящих в систему, приведены в табл. 1.7.
ТАБЛИЦА 1.7
БЛОКИ СИСТЕМЫ У5045
Наименование и обозначение блока (устройства)	Габаритные размеры, мм, не более	Масса, кг, не более
Блок моделирования Р5061	490Х 130X380	6
Устройство регулировочное Р5048/1	550Х 570Х 1000	120
То же, Р5048/2	550Х570Х 100	120
Устройство для испытания кольцевых	240X450X350	11 '
образцов П5113		
Микровеберметр Ф5050	490X 130 375	16
Потребляемая мощность вспомогательных цепей 300 В-А (220 В, 50 Гц).
Питание цепи намагничивающего тока производится*от дополнительной аккуму-
ляторной батареи (в систему не входит!) с номинальным напряжением 24 В ем-
костью не менее 200 А-ч (например, 8 шт. автомобильных аккумуляторов ЗСТ-110
ПМС или 4 шт. 6СТ-115 ЭМС, соединенных по параллельно-последовательной
схеме).
Система У5056 в квазистатическом режиме намагничивания по ГОСТ 8.268—77
позволяет определять на стержневых образцах кривую размагничивания, оста-
точную индукцию, коэрцитивную силу и другие характеристики с погрешностью
по остаточной индукции и коэрцитивной силе ±3%.
Размеры образцов: длина 4—100 мм, сечение 0,5—9 см2.
Максимальное намагничивающее поле 1000 кА/м обеспечивает измерение
коэрцитивной силы от 4 до 400 кА/м.
Мощность, потребляемая от сети (220 В, 50 Гц), 1,5 кВА.
Данные блоков, входящих в систему, приведены в табл. 1.8.
ТАБЛИЦА 1.8
БЛОКИ СИСТЕМЫ У5056
Наименование блока (устройства)	Габаритные размеры, мм, не более	Масса, кг, не более
Устройство намагничивающее Г56	ЮООХ 1200X800	400
Гистерезиметр (блок для измерения напряженности магнитного поля) Ф5155/1	490X 130X375	12
Измеритель магнитной индукции Ф5155/2	490X 130X375	13
На индукционно-импульсном принципе построена широко распространенная
баллистическая установка БУ-3 (модификация для магнитотвердых материалов
У541), выпускавшаяся заводом «Точэлектроприбор» (Киев). Установка позволяет
52
определять основные параметры магнитомягких и магнитотвердых материалов
с коэрцитивной силой до 120 кА/м. Основная погрешность ± 3% . Данные блоков,
входящих в установку БУ-3, приведены в табл. 1.9. В качестве измерителя ма-
гнитного потока в установке использован баллистический гальванометр (см.
табл. 1.5), напряженность поля определяют сдергиванием плоской измерительной
катушки с поверхности образца.
ТАБЛИЦА 1.9
БЛОКИ УСТАНОВКИ БУ-3
Наименование блока (устройства)	Габаритные размеры, мм, не более	Масса, кг, не более
Пермеаметр сильных полей	850X800X1400	250
То же, средних полей	850X510X200	90
Соленоид СД-3	1010X360X250	150
Размагничивающее устройство	325X275X250	20
Регулировочное устройство	1000X600X1100	200
Стол управления	1300Х 1100X750	66
Блок контактов	450X510X270	
Разновидностью индукционно непрерывного метода можно считать метод
вибрационного магнитометра. При проведении измерений с помощью мощного
постоянного магнита устанавливают в измерительном зазоре заданное значение
напряженности магнитного поля. Для каждого значения поля находят соответ-
ствующее значение намагниченности. Градуировку магнитометра производят
по образцу материала с известной намагниченностью (например, по никелю).
Другой разновидностью индукционно-непрерывного метода является ква-
зистатический, при котором скорость непрерывного изменения внешнего поля
подбирается настолько малой, чтобы исключить размагничивающее действие
вихревых токов и влияние магнитной вязкости на процесс перемагничивания.
Установки, использующие этот метод, позволяют непрерывно измерять пара-
метры В, J, р. н Н, автоматически регистрировать их в виде зависимостей В (Н),
J (Н), [х (/7), 1Г (ТУ) [34]. В этих установках сигнал задатчика формы внешнего
поля через усилитель мощности подается на намагничивающую обмотку электро-
магнита (соленоида), в рабочем объеме которого помещены образец и измерители
напряженности поля и магнитной индукции. Сигналы этих измерений через
преобразователи (усилители или интегрирующие усилители) подаются на вход
двухкоординатного регистрирующего прибора, записывающего заданную зави-
симость.
Если изменение внешнего поля задается по закону, обеспечивающему поддер-
жание заданной постоянной ошибки воспроизведения по индукции статического
цикла гистерезиса, то значительно снижается время перемагничивания, повы-
шается чувствительность измерителей индукции и напряженности поля, улуч-
шаются условия работы усилителя и интегратора в канале В, достаточно просто
решаются вопросы измерений Br, Jr, Нс, площади гистерезисной петли, удельной
магнитной энергии и других параметров.
Можно также задать такой закон изменения внешнего поля, при котором
будет обеспечено поддержание постоянной величины скорости изменения магнит-
ной индукции dB/dt = const.
В МЭИ разработан ряд установок, работающих по приведенным выше прин-
ципам.
Автоматический регистратор статических петель гистерезиса (АРСПГ-3)
предназначен для записи статических магнитных характеристик магнитотвердых
материалов в виде зависимостей В (Н) на двухкоординатном регистрирующем
приборе. С дополнительными устройствами регистратор АРСПГ-3 может быть
использован для исследования статических характеристик в широком диапазоне
температур.
53
Технические данные
Длина образца, см ............................................1,0—4,0
Площадь сечения, см2..........................................0,25—90
Диапазон Br, Т................................................0,4 1,4
Диапазон Дсв, к 4 м:
при длине образца до 4 см .................................... 40—180
»	>	»	» 1 см .................................... 150—350
Длительность цикла перемагничивания, с........................ 15
Смещение (дрейф) пера регистрирующего прибора за 200 с, мм... Н1
Максимальная погрешность измерения Вг, /7СВ, %................ 2
Воспроизводимость, %..........................................0,2—0,3
Потребляемая мощность (220 В, 50 Гц), кВт..................... 2
Установка АРСПГ-4 отличается от АРСПГ-3 возможностью измерения образ-
цов длиной 0,5—5 см сечением 0,25—2 см2, высокой напряженностью магнитного
поля (в зазоре 6 мм до 2800 кА/м) и погрешностью измерения Вг и Ясв не более
0,2% . Запись проводится на листе размером 300Х 400 мм. Питание от сети (220 В,
50 Гц) 1 кВт. В установке поддерживается постоянное значение dBldt.
Установка МИС-1Н предназначена для записи статических петель гистере-
зиса кольцевых образцов магнитомягких материалов. Установка работает в ре-
жиме dBldt = const, который задает оператор вручную для каждого образца,
исходя из характера петли гистерезиса.
Установка МИС-1М предназначена для контроля статических магнитных
характеристик высококоэрцитивных малогабаритных магнитов длиной 4—10 мм,
сечением 0,02—0,25 см2. В зазоре 10 мм обеспечивается максимальная напряжен-
ность магнитного поля 2000 кА/м. Время записи петли 10 с. Погрешность записи
по параметрам Вг и Нсв не более 5%.
Установка МИС-1 предназначена для записи статических магнитных харак-
теристик, обеспечивает автоматическое размагничивание образцов и намагничи-
вание постоянных магнитов.
Технические данные
Длина (диаметр) образца, мм:
из магнитотвердых материалов...................... 5—20
из магнитомягких материалов ..................... 20
Площадь сечения образца, см2:
из магнитотвердых материалов......................0,25—4,0
кольцевого магнитомягкого ....................... 0,1—4,0
Диапазон Вг, Тл ...................................0,4—1,5
Максимальная напряженность магнитного поля в зазоре
6 мм, кА/м......................................... 2800
Погрешности измерения Вг и Нс, %................... 1,5
Установки АРСПГ-3, АРСПГ-4 и МИС-1 могут быть снабжены термокамерой,
помещаемой в рабочий зазор электромагнита. При этом температура электро-
магнита остается нормальной. Регулирование температуры образца производится
регулятором, построенным на базе ВРТ-2.
Технические данные термокамеры
Диапазон регулируемых температур, °C ... От —180 до +300
Точность регулирования температуры, °C. . .	±1
Длина образцов магнитных материалов, мм	10; 20
Площадь сечения образцов, см2............... 0,24—4,0
Время установления любой температуры в за-
данном диапазоне, ч, не более ...................... 2
Мощность нагревателя, Вт.......................... 450
54
Устройство для создания температурного режима при испытании образцов
магнитотвердых материалов включает термокамеру, блок регулирования темпе-
ратуры и испаритель, обеспечивающий создание отрицательных температур за
счет испарения жидкого азота.
1.5.3. ОСОБЕННОСТИ ИСПЫТАНИЙ МАГНИТОВ
ИЗ СПЛАВОВ РЗМ—Со
Обычно спеченный образец намагничивают в специальном импульсном
устройстве полем не менее 32-102 кА/м. Затем образец переносят в измерительный
электромагнит, где снимают кривую размагничивания с помощью записывающего
веберметра. Напряженность магнитного поля определяют на поверхности магнита
вблизи его нейтрали. Параметры измерительных установок для сплавов РЗМ—Со
приведены в табл. 1.10 и 1.11 [43],
ТАБЛИЦА 1.10
ТИПЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ РАЗЛИЧНЫХ ФИРМ [43 3
Параметр	Tohoku Metal Indus Со		TDK	Shin—etsu Chemistry Co (специаль- ный)
	цикло- тронный	Ситтеров- ский		
Напряженность поля, кА/м, в зазоре, мм: 10		1200		2560	1500
6	 Длина зазора, мм . . .	0 89	2400 0 15	0 100	0 60
Однородность поля, % в зазоре 10 мм ....	—		—	1 *
* При диаметре полюсов 40 мм.
ТАБЛИЦА 1.11
ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ МАГНИТОВ
ИЗ СПЛАВОВ РЗМ—Со, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЯПОНИИ [43 ]
Параметр	Tohoku Metal Indus Со	TDK	Hitachi Metal Co
Напряженность поля, 103 кА/м. . . Длительность намагничивающего им-	14,4	12	64
пульса, мкс	 Напряжение батареи конденсаторов,	7	4-1G3	—
кВ	—		,	3,2
Емкость батареи, мкФ		—	—	5200
Ток в импульсе, кА		—	—	17
В Советском Союзе методы контроля РЗМ—Со магнитов установлены
ГОСТ 21559—76. Испытания магнитных свойств проводят на образцах, имеющих
Форму прямоугольных параллелепипедов или прямых цилиндров со всеми шли-
фованными поверхностями. Длина образца, совпадающая с направлением магнит-
ной текстуры, 4—10 мм, сторона или диаметр поперечного сечения образца 5—
40 мм. Размеры образца выбирают с максимальным приближением к размерам
55
контролируемых магнитов. Применяют два метода определения магнитных пара-
метров:
1. Измерения в электромагните (пермеаметре) с поминальным значением
напряженности поля не менее 4000 кА/м.
2. Намагничивание образца в импульсном соленоиде с максимальным зна-
чением напряженности поля не менее 5600 кА/м с последующим определением
кривой размагничивания в электромагните (пермеаметре) с напряженностью
поля не менее 1300 кА/м.
Оба метода допускают как непрерывное, так и дискретное (по точкам) опре-
деление кривой размагничивания.
Установка для определения магнитных характеристик по первому методу
описана в [44].
В установку входят электромагнит панцирного типа, разработанный
ЦНИИЧМ, массой 3,5 т с диаметром кернов 200 мм и полюсными наконечниками
из сплава 27КХ (26,5—28,0% Со; 0,5% Сг остальное Fe; Bs = 2,4 Тл), микро-
веберметр Ф190, двухкоординатный самописец ЛКД-003 и реверсивный тиристор-
ный преобразователь ПТТР460-200 со сглаживающим RC-фильтром для питания
электромагнита. Напряженность поля на поверхности образца измеряют преоб-
разователем Холла с габаритными размерами 0,7X1,5X0,3 мм марки Х500 или
Х511 с малым ТКВ.
При диаметре полюсных наконечников 22 мм в зазоре 5 мй получают напря-
женность поля 4000 кА/м. Относительная погрешность записанных характери-
стик менее 3% от верхних пределов записи. Время снятия петли гистерезиса
образца 1—2 мин, время подготовки к очередному измерению 15—20 мин.
1.5.4. КОЭРЦИТИМЕТРЫ
При испытании образцов разомкнутой и неправильной формы (стержни,
параллелепипеды, необработанные постоянные магниты, ферромагнитные детали
и порошки) используют коэрцитиметры — приборы, позволяющие определить
коэрцитивную силу по намагниченности Hcj. В коэрцитиметре образец (деталь
или порошок) намагничивают, после чего проводят размагничивание, в ходе
которого при помощи различных ПИП (преобразователь Холла, магнитомодуля-
ционный чувствительный элемент, вибрирующая катушка и др.) фиксируют
момент равенства нулю намагниченности. При этом не сказывается размагничи-
вающее действие полюсов, так как с учетом уравнения (4) при J = 0 Hi = Не =
= Hcj, т. е. измеренное внешнее поле Не равно внутреннему полю Н{, соответ-
ствующему в этом случае коэрцитивной силе по намагниченности образца.
Для магнитомягких материалов Hcj Нсв; для магнитотвердых Hcj
определяет «магнитную твердость» и является параметром, чувствительным
к структурным изменениям свойств материала в ходе технологического процесса.
В выпускаемом заводом «Точэлектроприбор» коэрцитиметре типа У5030
для измерения коэрцитивной силы постоянных магнитов до 100 кА/м применен
электромагнит с неполностью замкнутой магнитной цепью [39, 42]. Для измере-
ния намагниченности и напряженности поля на поверхности образца используют
преобразователи Холла. Намагничивание магнитов осуществляют однополярным
импульсом тока разряда батареи конденсаторов. Размагничивание производится
автоматически при изменении тока в катушке электромагнита. Технические дан-
ные коэрцитиметра типа У5030:
Время испытания одного магнита, с .......	120
Длина магнита, мм............................ 15—100
Площадь поперечного сечения магнита, см2 . . .	0,5—25
Напряженность намагничивающего поля,	кА/м	500
Погрешность определения HCJ, %..................... —4
Габаритные размеры, мм....................... 1300	1000X770
Масса, кг.......................................... 450
Мощность, потребляемая от сети 220 В, 50 Гц,
кВ-A .	. .	....	3
56
Коэрцитиметр типа 1.094, выпускаемый институтом Ферстера (ФРГ), позво-
ляет определять коэрцитивную силу в 13 диапазонах от 0—8 А/м до 0—80 кА/м.
В приборе используется магнитомодуляционный чувствительный элемент (ферро-
зонд).
1.5.5. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
В НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПЕРЕМЕННЫХ ПОЛЯХ
Спеченные магнитные элементы (магнитопроводы, сердечники катушек
индуктивности и др.) получают не обработкой готового магнитомягкого мате-
риала, а формованием и спеканием порошков. В ходе такого технологического
процесса одновременно образуются как материал, так и спеченное из него изделие.
Поэтому измерить свойства материала можно либо непосредственно на спе-
ченном изделии, либо на образце-свидетеле, изготовленном по той же технологии.
Магнитные характеристики, определенные в переменных магнитных полях,
характеризуют не только исследуемый материал, но и зависят от формы и раз-
меров образца или изделия, частоты и формы кривой переменного магнитного
поля, а также от метода измерений [33]. Это связано с ограниченной глубиной
проникновения переменного магнитного поля в проводящую среду из-за экрани-
рующего действия вихревых токов. Под действием этих токов происходит также
искажение формы петли гистерезиса.
Детали и свидетели из материалов с высоким удельным электросопротивле-
нием промагничиваются полностью, с низким — частично, что в последнем случае
ведет к ухудшению отнесенных ко всему объему характеристик. При правильном
выборе размеров магнитомягкой спеченной детали обеспечивается полное исполь-
зование ее объема.
В отличие от испытаний электротехнических сталей по ГОСТ 12119—66,
при которых используют набор стальных полос массой 1 или 10 кг, помещаемых
в специальный аппарат (прибор Эпштейна), где они образуют замкнутую квадрат-
ную магнитную цепь, характеристики спеченных материалов определяют на гото-
вых изделиях или на кольцевых свидетелях. Толщину свидетелей нужно выбирать
так, чтобы
d<2z = 2.103]/------Р_ = Ю6	(1.5—22)
где d — толщина свидетеля, мм; г — глубина проникновения магнитного поля,
мм; р0 — магнитная постоянная, равная 4л-10"7 Гн/м; р — относительная магнит-
ная проницаемость материала сердечника; f — частота переменного магнитного
поля, Гц; р — удельное электросопротивление, Ом-м.
Для правильного использования результатов измерений в переменных
магнитных полях нужно сопровождать их данными о форме и размерах образца,
указывать частоту и форму напряженности намагничивающего поля или индук-
ции, метод измерений.
По результатам измерения величин токов и э. д. с. в намагничивающей
и измерительной обмотках, а также различных соотношений этих величин в зави-
симости от метода измерения и определяемого параметра путем использования
известных формул вычисляют магнитные характеристики образца.
В большинстве методов определения кривой намагничивания на переменном
токе и потерь требуется проводить измерения при синусоидальной форме кривой
э- Д. с. в измерительной обмотке образца, для чего необходимо, чтобы х;_ > г
(XL — индуктивное сопротивление всей цепи). Этого достигают применением
специальных схем, усилителей напряжения питания с глубокой обратной связью
и т. д.
Если необходимо проводить измерения в режиме синусоидального намагни-
чивающего поля, обеспечивают г/хг > 20.
Кривую намагничивания методом амперметра—вольтметра определяют на
образцах с двумя изолированными друг от друга обмотками: намагничивающей
и измерительной. Первую через амперметр или небольшой калиброванный рези-
стор присоединяют к источнику синусоидальной э. д. с. (в простейшем случае
57
может быть использован автотрансформатор типа ЛАТР или РНО), вторую —
к вольтметру средних значений.
По показаниям амперметра или амплитудного вольтметра, измеряющего
падение напряжения на калиброванном резисторе, находят величину напряжен,
ности намагничивающего поля:
„	2/2^/
"Этах ~ п (D 4- d) ’
(1.5-23)
Рис. 8. Ваттметровый метод измерения
потерь
где //этах — амплитудное значение эквивалентной синусоиды напряженности
магнитного поля, А/м; I—действующее значение намагничивающего тока, А;
Wi — число витков намагничивающей обмотки; D — внешний диаметр кольце-
вого образца, м; d — внутренний диаметр кольцевого образца, м.
При использовании амплитудного
вольтметра
/2 /=
г0
где Vmax — амплитуда напряжения
на калиброванном резисторе, В; г0 —
сопротивление калиброванного рези-
стора, Ом.
Величину индукции в образце
Вшах определяют по формуле (9). Точ-
ность определения индукции этим
методом составляет 5—8% [33].
Для измерения параметров гистерезисной кривой широко применяют ферро-
метры, в которых для измерения индукции и напряженности поля используют
вольтметры с фазочувствительными выпрямителями, позволяющими определять
мгновенные значения магнитных параметров в любой точке гистерезисной кри-
вой [33].
Выпускаемый заводом «Точэлектроприбор» цифровой феррометр Ф5063
позволяет определять максимальные значения индукции и напряженности магнит-
ного поля в диапазоне 25—10 000 Гц и параметры гистерезисной петли в диапазоне
50—1000 Гц.
Для испытаний на частоте 50 Гц используют феррометр типа У542 (завод
«Точэлектроприбор»).
При испытании кольцевых образцов феррометр обеспечивает напряженность
поля 1—10 000 А/м, измерение индукции в диапазоне 0,005—2 Тл. При помощи
феррометра У542 можно измерять также магнитную проницаемость и удельные
потери с точностью ±10%.
Для измерения потерь на гистерезис и вихревые токи наиболее распростра-
ненным является ваттметровый метод. Согласно стандартам на электротехнические
стали измерение потерь производят на определенной частоте и при определенном
значении индукции (чаще всего при 1 и 1,5 Тл).
Токовую обмотку ваттметра соединяют последовательно с первичной обмот-
кой образца, а обмотку напряжения ваттметра подключают параллельно его
измерительной обмотке (рис. 8).
Индукцию в образце измеряют при помощи подключенного к измерительной
обмотке вольтметра средних значений, а напряженность магнитного поля —
амперметром в намагничивающей цепи образца. Удельные потери определяют по
формуле
(1.5—24)
где т — масса образца, кг; w± и w2 — число витков намагничивающей и измери-
тельной обмотки соответственно; Pw — мощность, измеряемая ваттметром, Вт;
U — действующее напряжение на выходе измерительной обмотки, В; — со-
противление измерительной обмотки, Ом; К — сопротивление включенных
58
последовательно вольтметра средних значений и обмотки напряжения ваттметра,
Ом. '
При вычислении потерь по формуле (24) допускается вместо U подставлять
величину 1,1ШСр. При этом коэффициент формы кривой напряжения Kf= UlUcv
на зажимах измерительной обмотки должен быть равен 1,11 ± 0,2. Величину U
измеряют вольтметром действующих значений, подключенным к измерительной
обмотке образца.
Третий сомножитель в формуле (24) обусловлен тем, что ваттметром измеряют
не э. д. с. на зажимах вторичной обмотки, а напряжение. В большинстве случаев
RjlR 1, что позволяет проводить расчеты без поправки.
При ваттметровом методе применяют специальные малокосинусные ватт-
метры класса 0,5 типа Д542 и Д5020 с номинальным значением cos <р = 0,1.
Каждый из указанных выше типов ваттметров имеет 4 модификации по вели-
чине номинального тока в пределах от 0,25 до 10 А.
Измеренные удельные магнитные потери можно разделить на составляющие
по результатам измерений при двух или нескольких частотах, так как потери на
гистерезис пропорциональны первой степени частоты, а на вихревые токи — ее
квадрату:
Р?.в = af+b'f2,	(1.5-25)
-у-2- = a + bf.	(1.5—26)
Совместное решение уравнений (1.5—25) и (1.5—26) для двух частот позволяет
определить коэффициенты а и b и найти
Рг = af и Рв = bf2,
где Рг и Рв — удельные магнитные потери на гистерезис и на вихревые токи соот-
ветственно.
Для определения удельных потерь может быть использована установка
У5034/ выпускаемая заводом «Точэлектроприбор». Пределы измерения удельных
потерь в диапазоне индукции от 0,5 до 1,7 Тл составляют 0,5—120 Вт/кг. Частот-
ный диапазон 25—1000 Гц позволяет провести разделение потерь. На установке
может быть также определена кривая намагничивания на переменном токе мето-
дом амперметра—вольтметра.
1.5.6. ИСПЫТАНИЯ МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ПОВЫШЕННЫХ И ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ
Спеченные металлические материалы применяют в частотном диапазоне до
1000 Гц. На более высоких частотах используют только ферриты и магнитоди-
электрики. Методы испытаний кольцевых образцов в диапазоне частот 10 кГц —
2000 МГц регламентируются ГОСТ 12635—67 (10 кГц — 1 МГц), ГОСТ 12636—67
(1—200 МГц), ГОСТ 12637—67 (200—2000 МГц). Испытания на частотах > 1 МГц
проводят только в слабых магнитных полях до 0,1 Нс, В частотном диапазоне
10 кГц — 1 МГц имеется возможность испытывать материалы индукционным
методом при напряженностях поля до 5 кА/м.
В диапазоне 1 кГц — 200 МГц широко применяют мостовые методы измере-
ний, при которых измеряют индуктивность Lx или взаимную индуктивность Мх
и сопротивление гх намагничивающего устройства, в частности обмоток, с кольце-
вым сердечником из испытываемого ферромагнитного материала и подсчитывают
магнитные характеристики по соответствующим формулам.
При измерении индуктивности на образец наматывают одну обмотку, число
витков которой определяют по формуле
+	'	(1.5-27)
где D и d — соответственно наружный и внутренний диаметры сердечника, м;
s — площадь поперечного сечения сердечника, м2; р/ — действительная состав-
59
ляющая относительной комплексной магнитной проницаемости; Lx индуктив-
ность обмотки с образцом, Гн.
Величины Lx и (Г выбирают в зависимости от пределов измерительного моста
и марки испытываемого материала.
При испытаниях образцов на мосте взаимной индуктивности на образец
наносят две обмотки, выполняемые двойным проводом, с числом двойных витков:
W=J/S32,	(,.^28)
г	U О
где Мх — взаимная индуктивность между обмотками образца, Гн (выбирается
в зависимости от пределов моста для измерения взаимной индуктивности).
При помощи моста в заданных диапазонах частот и магнитных полей опреде-
ляют индуктивность или взаимную индуктивность между обмотками образца
и его сопротивление. После введения необходимых поправок подсчитывают
магнитную проницаемость и тангенс угла потерь материала образца.
Коэффициент потерь на гистерезис 6Г определяют измерением тангенса угла
потерь при двух—трех значениях напряженности магнитного поля и при одной
частоте в области линейной зависимости тангенса угла потерь от напряженности
магнитного поля [33].
Коэффициент частотных потерь (в том числе на вихревые токи) 6В опреде-
ляют измерением тангенса угла потерь при двух—трех частотах и одном и том же
значении напряженности магнитного поля в области линейной зависимости тан-
генса угла потерь от частоты.
Образцы из карбонильного железа рекомендуется испытывать в диапазоне
частот от 100 кГц до 1 МГц, образцы из альсифера — от 100 до 300 кГц.
Коэффициент дополнительных потерь 6Д > 1-Ю-8 определяют как разность
между тангенсом угла потерь материала и суммой тангенсов углов потерь на ги-
стерезис и частотных [33].
Для материалов с малым значением 6Д (порядка 1-Ю'4) его определяют
с помощью моста по схеме с взаимной индуктивностью, измеряя тангенс угла
потерь образца при двух частотах и одном и том же значении напряженности
магнитного поля; на основании этих двух измерений определяют составляющую
тангенса угла потерь, не зависящую от частоты. Вычитая из полученной величины
tg 6Г, обусловленный потерями на гистерезис, определяют 6Д.
Удельные потери материала Р определяют на основании измерения сопротив-
ления потерь образца с помощью моста и измерения силы тока в намагничивающей
обмотке образца по формуле
/2fn
Р=-----2-,	(1.5-29)
т
где / — сила тока в намагничивающей обмотке (действующее значение), А;
гп — сопротивление потерь материала, Ом; т — масса образца, кг.
ГОСТ 12635—67 регламентирует также методы определения температурных
коэффициентов магнитной проницаемости и тангенса угла потерь, напряженности
магнитного поля в испытываемом образце, учет собственной емкости обмоток,
погрешности определения магнитной проницаемости и тангенса угла потерь.
Характеристики мостов для работы в частотном диапазоне 0,1—20 кГц при-
ведены в табл. 1.12.
Характеристики мостов, рекомендованных ГОСТ 12535—67 для испытаний
образцов магнитомягких материалов, приведены в табл. 1.13.
Характеристики измерителей индуктивности и магнитных потерь типов
ЭМ18-2, ЭМ18-3, ЭП8-5, ЭМ5-3, ЭМ1-5, ЭМ1-6, ЭМЦ7-2, ЭМ18-4, ЭМ18-5, АИП-1,
ЭМЦ7-1 и др. приведены в литературе [38, 47].
Для испытаний в диапазоне частот 1—200 МГц используют одинарные и
двойные Т-образные мосты, при помощи которых определяют начальную магнит-
ную проницаемость, тангенс угла магнитных потерь, температурный коэффициент
начальной магнитной проницаемости и зависимости этих параметров от частоты
и амплитуды внешнего высокочастотного магнитного поля. Другие параметры и
характеристики на частотах 1—200 МГц не определяют. ГОСТ 12636—67 рекомен-
60
ТАБЛИЦА 1.12
МОСТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0,1 — 20 кГц 147]
Наименование моста	Тип	Диапазон частот, кГц	Индуктивность		Тангенсы угла потерь		Примечание
			пределы измерения, Гн	основная погрешность	пределы измерения	основная погрешность	
Универсальный	Е7-4	0,1—1	10 • 10" в—100	2%	0,005—0,1		Измеряет сопро-
цифровой Ц фровой	Е7-8	1	0,1 -10-6—1000	0,001 +	5-Ю-4—1	0,005 tg б +	тивление, емкость, добротность Измеряет сопро-
Переменного тока	Р5010	1	1 -10"6—10	+ 1 ед. счета ±0,5; ±1	0—0,5	+ 5-10 4 ±(0,02Рл +	тивление, емкость Автоматический
Для измерения	Р591	1—10	10-10“6—10	±0,2; ±0,4	1 -10-3—0,9	+ 2-10“5+ 0,1) ±1 ед. сч. 0,02 tg б -г	с цифровым отсче- том Автоматическое
индуктивности Переменного то-	Р571М	0,8—5	(1—100) 10-6	±(°’5+^г)	Q _ 0,5->1	-г 1 -10“3 ±(0,25Q+ 5)	слежение за изме- нением параметров
ка * То же	Р577	0,4—5 0,4—2,5 0,2—0,8 0,04—0,5 0,04—20 0,8—20 0,5—5 0,5—2,5 0,5—1 0,2—0,8	1 -Ю-6—0,01 0,01—0,1 0,1—10 10—1000 1 -Ю-в—100 Под (1—10) -10—6 10-Ю'6—0,01 0,01—0,1 0,1—1 1—10	\	L / -(»+¥) 0,5 ±2 диапазоны	1! II	II	1	II I —	>— -|- Ъ	I °	-|- Сл ел	.1.	Т	Сл О	'	СЛ	о 5я	о	±(0,05Q + 5)	Измеряет емкость
* I. — индуктивность, Ги; Q — добротность.
ТАБЛИЦА 1.13
ХАРАКТЕРИСТИКИ АППАРАТУРЫ, ПРИМЕНЯЕМОЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ОБРАЗЦОВ
МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ МОСТОВЫМ МЕТОДОМ Б ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ 0,01 — 1 МГц
Параметры и тнп установки	Основные характеристики мостов *		
	по резонансной схеме	по резонансной схеме	по схеме со взаимной индуктивностью
Тип измерительной установки	УИММ-2	УИМ-2	УВИМ-1
Частотный диапазон, кГц	10—1000	10—1000	10 50
Погрешности, °о	1 (для Lx)	0,3 (для Lx)	5 дл М
	5 (для гх)	1 (для гх) 10 (для <5Г и <5В)	10 (д. 6Д и 6
			
Примечание. гх — сопротивление обмотки с образцом, измеренное пои заданной частоте, Ом.
* Изготовитель — завод «Эталон».
ХАРАКТЕРИСТИКИ КУМЕТРОБ
ТАБЛИЦА 1.14
Название и тип прибора	Пределы измерения		Диапазон частот	Основная погр иос
	добротности	индуктивности		
Измеритель добротности низкочастот- ный Е9-3 Измери ель добротности Е9-4 Измеритель добротности Е9-5А	2 300 5—600 5 1200	0,1 мГн—10 Гн	1—100 кГц 0,05—35 МГц 15—250 МГц	±5°о + 5 мкГн (по индуктив- ности) ±4°о; ±5% (по д бро ности) ±10 (до 70 МГц) ±12 (до 100 МГц) ( д бротности)
дует для этих испытаний одинарный Т-образный мост типа ВИМС-2. При измере
ниях кольцевой образец помещают в специальный высокочастотный пермеаметр
который при помощи штекерных наконечников подключают к измерительной
схеме, содержащей генератор стандартных сигналов, измерительный приемник,
измерительный усилитель, электронный вольтметр, аттенюаторы, измеритель
высокочастотного магнитного поля и приборы для записи и создания определен-
ного температурного режима.
При измерениях на высоких частотах используют также резонансный метод,
заключающийся в измерении куметром добротности контура, содержащего
сердечник из испытываемого материала.
В диапазоне 1 200 МГц используют двух- и одноконтурный пермеаметры
по ГОСТ 12636—67.
При измерении в двухконтурном пермеаметре на заданной частоте определяют
три значения резонансной емкости и добротности пермеаметра: Сх. х с разом-
кнутой вторичной обмоткой (холостой ход); С1(. 3 — с замкнутой вторичной обмот-
кой (короткое замыкание); Сф — с испытуемым образцом.
Величину начальной проницаемости образца определяют по формуле
Нн=-£-------^-37Сф +1,	(1.5-30)
г-а Сф х
где К. — калибровочная постоянная двухконтурного пермеаметра; La — геоме-
трическая индуктивность образца, Гн; La = 4,6/i lg10'9; h, Dlt D2— вы-
с'г
сота, наружный и внутренний диаметры образца.
Измерения проводят на куметре Е9-4.
При измерении с использованием одноконтурного пермеаметра определяют
два значения резонансной емкости и добротности пермеаметра: без образца и
с образцом.
ТАБЛИЦА 1.15
АППАРАТУРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ
ПРИ НОРМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ
Наименование	Погрешность определения изме- ряемой величины, %	Рекомендуемый тип прибора
Коаксиальный резонатор переменной ДЛИНЫ	10	ИПД
Измерительные линии	10	ВИМС-3, Р1-5А, Р1-6А
Измерители КСВ и фазы	10	Р2-26
Генераторы стандартных сигналов	1	Г4-31
Частотомер гетеродинный	1	Г4-8
	0 05	44-9
Измерительный усилитель	—	У2-4
Плавный аттенюатор Фиксированный аттенюатор		Д2-13
Фильтр Зонд и калибровочная линия для определения напряженности магнит- ного поля		ФР 2, ФНЧ
Контактные кольпа для закрепления образца	—	
Контейнер для образна к измеритель- ной линии	—	—
Примечание. Допускается применение аппаратуры, технические характерн-
стики которой ие ниже указанных.
63
Величину начальной проницаемости определяют по формуле
Измерения проводят на куметре Е9-5А,
Характеристики куметров приведены в табл. 1.14.
В диапазоне 200—2000 МГц определяют компоненты комплексной магнитной
проницаемости р/ и )+ и их температурные зависимости методом измерительной
линии и коаксиального резонатора.
Для испытаний в нормальных условиях используют аппаратуру, приведен-
ную в табл. 1.15.
Для испытаний в интервале температур (—120)—(+400) °C используют
термокамеру и криокамеру, изготовленные в НГЙМИП, с погрешностью измере-
ния <5 и <2% соответственно, а также блок автоматической регулировки тем-
пературы, изготовленный там же, и электронный потенциометр ЭПП-09.
1.5.7. ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
ПОРОШКОВ
Порошок, помещенный в некоторую емкость (контейнер), можно рассматри-
вать как пористое тело с пористостью П = 1 — К/Гл, где Г, и Гп — объемы,
занимаемые частицами порошка и насыпанным в емкость порошком соответ-
ственно.
Во внешнем магнитном поле Не на отдельную частицу действует размагничи-
вающее поле Яу = —NJ, где N т— размагничивающий фактор, определяемый
формой частицы (для шара N = 1/3); J — намагниченность частицы в поле на-
пряженностью Ht = Не — NJ.
При сближении между частицами возникает взаимодействие, уменьшающее
размагничивающий фактор до ЯЭф.
При малой пористости (Я <: 1%) ЛГф = N (1 — П). С учетом ближайших
соседних частиц Л+ь = N (1 — k0H) при П < 1/й0. При П > 1/% ЯЭф = 0.
По Кондорскому для эллипсоида вращения при
N =£0 Ь 4л / 2Nа + Nb \
где Na и Нь — размагничивающие факторы соответственно по длинной и корот-
кой осям эллипсоида.
Для частиц с отношением осей alb = 6 fe0 8 (в случае большой пористости).
Так как реальный порошок полидисперсен, величину ЯЭф можно определить
только экспериментально. При этом не учитываются замкнутые поры в частицах
порошка. Замкнутая пористость
n3 = l-dn/4, '	(1.5-32)
где dn — пикнометрическая плотность порошка; dx — рентгеновская плотность
порошка.
Магнитные параметры порошков зависят от концентрации и ориентации
частиц. Эти величины учитывают при изготовлении образцов. Порошок смеши-
вают со связкой (поливиниловый спирт, парафин и др.) и прессуют в магнитном
поле или без него. Прессование проводят так, чтобы образцы (в форме диска или
параллелепипеда) имели одинаковые размеры (прессование в прессформе «под
размер»). Навеску порошка взвешивают с точностью до 0,1%. При проведении
ориентации в магнитном поле навеску в контейнере (цилиндр, параллелепипед)
помещают, в зазор электромагнита и прессуют после приложения магнитного
поля. При использовании в качестве связки парафина навеску предварительно
подогревают до перехода связки в жидкое состояние, после чего контейнер с по
рошком помещают в сильное магнитное поле (1000 кА/м) и выдерживают в нем
до затвердевания связки.
64
Измерения могут быть проведены как па прессованных порошках со связ
ками, так и на порошках, помещенных в немагнитные контейнеры.
Коэрцитивную силу порошка Hcj определяют при помощи коэрцитиметров,
помещая в них ориентированный определенным образом образец из порошка или
контейнер с закрепленным в нем порошком. Точность размеров образца в этом
случае не имеет значения, так как при определении результата намагниченность
и связанное с ней размагничивающее поле снижаются до нуля.
При использовании магнитометров измерения проводят в разомкнутой
магнитной цепи. В этом случае необходимо либо учитывать размагничивающий
фактор N, либо исключить его. Последнее достигается приданием образцу формы
тонкого диска. Зависимость размагничивающего фактора от размеров диска
следующая: h/D = 0,07; У — 0,05 при размерах диска 1X14 мм; h/D — 0,0i
и N — 0,03 при 0,5Х 12,5 мм.
Параметры, определяемые в весьма высоких (Bs) и весьма малых (Hcj)
магнитных полях, не требуют учета размагничивающего фактора. Его необходимо
учитывать при определении кривых намагничивания и размагничивания.
По величине намагниченности насыщения магнитного порошка /5П можно
определить объемную концентрацию магнитного сплава в порошке См:
См = Jsnips’	(Е5—33)
где Js — намагниченность насыщения магнитного сплава, содержащегося
в порошке.
При измерении в замкнутой магнитной цепи пермеаметра необходимо учиты-
вать только внутренний размагничивающий фактор Д'эф, обусловленный пори-
стостью. В этом случае порошок уплотняют в контейнере, имеющем форму парал-
лелепипеда, торцовые (примыкающие к полюсам электромагнита) стенки которого
изготовлены из низкоуглеродистой стали (армко-железа), а дно и боковые стенки
из латуни или другого немагнитного материала. Измерения и расчеты магнитных
характеристик такого контейнера с порошком проводят так же, как измерения
компактных образцов, но с учетом пористости. Расчет индукции:
В = р0 [Я+ Уп(1—П)],	(1.5-34)
где Jn — эффективная (с учетом намагниченность частиц порошка с пикно-
метрической плотностью уп.
По результатам измерений получают J = Jn (1 — П),
где J — эффективная намагниченность брикета порошка с кажущейся плотностью
у, находящегося в контейнере.
•//^п = Т/Тп; П=1-у/?п.
Вследствие размагничивающего действия пор в пористом образце (порошок
в контейнере) устанавливается значение намагниченности, зависящее как от
внешнего магнитного поля, так и от кажущейся плотности у. Поэтому сравнивать
порошки по магнитным свойствам следует с учетом кажущейся плотности, формы
частиц и их ориентации.
Магнитные порошки сравнивают по величине намагниченности насыщения
с учетом пикнометрической плотности Jsn, коэрцитивной силы по намагничен-
ности Hcj, а также по кривым намагничивания (размагничивания) порошков
с одинаковой формой частиц, положением их в пространстве (ориентацией) и ка-
жущейся плотностью образцов или концентрацией частиц в контейнере. При
свободной засыпке порошка в контейнер (без ориентации в магнитном поле)
сравнение двух порошков корректно при одинаковой пористости [48].
3 Г. Г. Гнесин
65
библиографический;список
1.	Рабкин Л. И., Евгенова И. И. Магнитоуправляемые герметизированные
контакты (конструкции,свойства,применение). Изд. 2-е, доп. и перераб.—М.,
Связь, 1976. 104 с.
2.	Физический энциклопедический словарь. Т. 5 — М.: Советская энцикло-
педия, 1966. 576 с.
3.	Цидильковский И. М. Электроды и дырки в полупроводниках. — М.: На-
ука, 1972. 640 с.
4.	Шалимова К. В. Физика полупроводников. — М.: Энергия, 1971. 311 с.
5.	Дофстад П. Отклонения от стехиометрии, диффузия и электропроводность
в простых окислах металлов. — М.: Мир, 1975.	426с.
6.	Состав — дефектность — свойство твердых фаз. Под ред. Г. И. Чуфа-
рова — М.: Наука, 1977. 247 с.
7.	Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область слабых полей). — М.—Л.:
Госфизматиздат, 1949. 532 с.
8.	Сканави Г. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). — М.: Физ-
матгиз, 1958. 907 с.
9.	Энциклопедия неорганических материалов. В 2-х т. Киев. Главная редак-
ция УСЭ, 1977, т. 2. 814 с.
10.	Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. — Киев: Изд. КПИ, 1972. 286 с.
11.	Оказдаки К. Технология керамических диэлектриков. —М.; Энергия, 1976.
336 с.
12	Green Р. D. Solid, state ionics. — Electron and Power, 1972, v. 18, № 4,
p. 395—397.
13.	Йона Ф., Ширане Д. Сегнетоэлектрические кристаллы.—М.: Мир., 1965.
555 с.
14.	Смоленский Г. А. Сегнетоэлектрики и антисегнетоэлектрики. Л.: Наука,
1971. 346 с.
15	Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия,
1974. 400 с.
16.	Павлов Л. П. Методы определения основных параметров полупроводниковых
материалов. — М.: Высшая школа, 1975. 206 с.
17	Бойко В. А., Рыбин В. И. — Измерительная техника, 1977, № 3, с.
’ с. 77—78.
18.	Жильцова Ю. Н., Графов В, С., Павлова М. А. —Измерительная тех-
ника, 1976, № 9, с. 63—65.
19.	Брандт А. А. Исследования диэлектриков на сверхвысоких частотах. —
М.: Физматгиз, 1963. 403 с.
20	Арапов Ю. Г., Давыдов А. Б. — Измерительная техника, 1977, № 8,
с. 76—69.
21.	Машкевич М. Д. Электрические свойства неорганических диэлектриков
в диапазоне СВЧ. —М.: Сов. радио, 1969. 240 с.
22.	Валитов В. М., Фельдман Ю. Д., Зуев Ю. Ф., Гончаров В. А. —Метро-
логия, 1977, № 12, с. 26—29.
23.	Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. И. К. Кикоина. —
М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
24	Энциклопедия неорганических материалов. Т. 2. — Киев: Главная редак-
ция УСЭ, 1977. 814 с.
25.	Nesbitt Е. А. — J. Appl. Physik, 1950. v. 21, р. 879—888.
26.	Bozarth. R. М., Walker J. G. —Phys. Rev., 1952, v. 88, № 5, p. 1209.
27.	Преображенский А. А. Магнитные материалы и элементы. 2-е изд., пере-
раб. и доп. М., Высшая школа, 1976. 336 с.
28	Хек К. Магнитные материалы и их технологическое применение. М., Энер-
’ гия, 1973. 304 с.
29	Дифер И. И. Характеристики ферромагнитных сердечников. М., Энергия,
1967. 168 с.
30.	Энциклопедия неорганических материалов. Под. ред. И. М. Федорченко.
Т. 1, 2. Киев, Главная редакция УСЭ, 1977. 840 + 816 с.
66
31.	Электрические измерения, средства и методы измерений. Под ред.
Е. Г. Шрамкова. М., Высшая школа, 1972. 520 с.
32	Чечурина Е. И. Приборы для измерения магнитных величин. М., Энергия,
1969. 168 с.
33.	Кифер И. И. Испытания ферромагнитных материалов. М., Энергия, 1969,
360 с.
34.	Шихин А. Д. Автоматические магнитоизмерительные системы. М., Энер-
гия, 1977, 136 с.
35.	Чечерников В. И. Магнитные измерения. 2-е изд., доп. и перераб. М., изд.
МГУ, 1969. 388 с.
36.	Ковальчук Д. В. — Метрология, 1977, т. 8, № 4, с. 3—16.
37.	Горнштейн Г. Л., Маршаленко Б. А., Нестеренко А. Д. и др. —В кн.:
Проблемы магнитных измерений и магнито-измерительной аппаратуры. — Л.:
Изд. НТО Приборпром, 1972, с. 73—76.
38.	Справочник по электротехническим материалам. (Под ред. Ю. В. Кориц-
кого и др.), т. 3. Изд. 2-е, перераб.—Л.: Энергия, 1976. 896 с.
39.	Шкурин Г. П. Справочник по электро- и электронно-измерительным при-
борам. — М.: Воениздат. 1972, 448 с.
40.	Тульчинский Л. Н., Давиденко Р. А. Датчик для измерения намагниченно-
сти. В сб. Теория, методы и средства измерения магнитных величин. Л.,
НТО Приборпром, с. 106—ПО.
41.	Февралева Н. Е. Магнитотвердые материалы и постоянные магниты. Опре-
деление характеристик. Справочник. Киев: Наукова думка, 1969. 232 с.
42.	Андриевский Е. А. Измерение параметров постоянных магнитов. — Киев:
Техшка, 1977. 152 с.
43.	Нарита К. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных металлов с ко-
бальтом. Пер. с англ. М.: Металлургия, 1978, с. 51—62.
44.	Скоков А. Д. — Измерительная техника, 1978, № 7, с. 67—71.
45.	Прецизионные сплавы. Справочник. 4Дод ред. Б. В. Молотилова. М.: Ме-
таллургия, 1974. 448 с.
46.	Справочник по электроизмерительным приборам. Изд. 2-е. Под ред.
К. К. Илюнина. Л.: Энергия, 1977. 832 с.
47.	Ферриты и магнито диэлектрики. Справочник под ред. Н. Д. Горбунова
и Г. А. Матвеева. М.: Сов. радио, 1968. 176 с.
48.	Тульчинский Л. Н., Закута М. Б. — Порошковая металлургия, 1973, № 1,
с. 7—10.
2.	СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ
И ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
В настоящей главе рассмотрены свойства и некоторые эксплуатационные
характеристики ряда металлов и их соединений с неметаллами (боридов, карби-
дов, нитридов, силицидов). Бинарные соединения большинства переходных
металлов с бором, углеродом, азотом, кремнием, а также соединения указанных
металлоидов друг с другом отличаются высокими температурами плавления или
Диссоциации (сублимации), и поэтому по отношению к ним будем применять поня-
тие «тугоплавкие соединения».
Металлы и металлоподобные тугоплавкие соединения, образованные пере-
ходными металлами с бором, углеродом, азотом и кремнием, обладают достаточно
высокой электронной проводимостью и положительным температурным коэф-
фициентом сопротивления (ТКС).
Бинарные соединения, образованные бором, углеродом, азотом, кремнием
(неметаллические тугоплавкие соединения в системах В—С, В—Si, Si—N и т. д.),
имеющие преимущественно ковалентный тип химической связи, проявляют
полупроводниковые или диэлектрические свойства и имеют отрицательный ТКС
в области примесной проводимости.
3*
67
Металлы группы железа, некоторые редкоземельные металлы (РЗМ) и ряд
металлоподобных тугоплавких соединений имеют специфические магнитные
свойства. Поэтому в гл. 2 классифицированы и представлены свойства металлов
и тугоплавких соединений, исходя из основных параметров, определяющих их
Электротехническое применение.
2.1.	Металлы группы меди
Элементы 1в группы Периодической системы: Си, Ag, Аи по порядковым
номерам следуют непосредственно за элементами VIIIb группы (Ni, Pd, Pt)
и по химическим свойствам во многом схожи с этими элементами. Однако Си,
Ag и Au обладают также рядом свойств, которые обнаруживают их внутреннюю
связь с элементами 1а группы — щелочными металлами. Как и последние, они
способны в своих соединениях проявлять положительную одновалентность и,
кроме того (прежде всего Си и Au), могут проявлять в своих соединениях более
высокую валентность: Си главным образом как положительная двухвалентная
и Au — трехвалентное.
Металлы 1в группы обладают ярко выраженными свойствами благородных
металлов. Си, Ag, Аи стоят в конце электрохимического ряда напряжений. На всех
ступенях окисления они являются комплексообразователями.
Аналогично металлам VIIIb группы Си, Ag и Аи склонны к образованию
соединений с S.
2.1.1.	МЕДЬ
Медь — наиболее широко применяемый проводниковый материал с низким
электросопротивлением.
Известно более 250 медьсодержащих минералов, главным образом это серни-
стые соединения, залегающие совместно с сернистыми рудами других металлов.
Наиболее чистую медь получают при рафинировании электролизом. При этом
на дне электролизной ванны оседают содержащиеся в виде примесей Ag, Au, Pt.
Чистая медь отличается низкой твердостью и высокой пластичностью, очень
высокими электропроводностью и теплопроводностью (табл. 2.1 и 2.2).
Удельная проводимость меди — параметр, весьма чувствительный к наличию
примесей. Незначительные примеси, повышающие твердость меди, большей
частью сильно снижают ее проводимость (рис. 9).
Прежде всего это относится к As и Sb, стоящим в других группах Периодиче-
ской системы.
При обычной температуре медь практически не подвергается действию сухого
кислорода. Взаимодействие меди с кислородом становится заметным при темпе-
ратуре около 473 К и проходит по схеме Си —> Си2О —> СиО. Окись меди СиО
начинает образовываться лишь после достижения слоем закиси Си2О достаточной
толщины (более 2500 А).
На воздухе при наличии влаги и углекислого газа медь окисляется очень
медленно с образованием зеленого налета основного карбоната (СиОН)2СО3.
При нагревании на воздухе до 1273 К медь окисляется до красной закиси Си2О.
Медь легко взаимодействует с галогенами, серой и селеном, растворяется
в азотной кислоте, образует комплексные соединения с аммиаком, цианидами
и др.
В СССР в качестве проводникового материала используют медь марок Ml
и МО. Медь марки Ml содержит 99,9% Си; в общем количестве примесей (0,1%)
должно быть не более 0,08% кислорода.
Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими
механическими свойствами обладает медь марки МО, в которой содержится не
более 0,05% примесей, в том числе <0,02% кислорода. Из меди марки МО может
быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжке получают твердую
(твердотянутую) медь МТ, которая благодаря наклепу имеет высокий предел
прочности при растяжении и малое относительное удлинение при растяжении,
а также обладает повышенной твердостью и упругостью. Если же медь подвергать
68
ТАБЛИЦА 2.1
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ ГРУППЫ МЕДИ [1]
Свойства	Си	Ag	Au
Атомный номер 		29	47	79
Молярная масса		63,54	107,870	196,967
Молярный объем, 10"6 * * * м3/моль . . .	7,Н	10,27	10,20
Структура внешних электронных обо- лочек 		3d’°4s	5s	5d106s
Потенпиал ионизации атомов, эВ	7,724	7,574	9,223
Кристаллическая структура .... Период решетки, А		3,61479	Кубическая 4,0860	4,0782
Плотность, 103 кг/м3 		8,933	10,499	19,299
Удельная теплоемкость при 288 К, Дж/(кг - К) 		0,369	0,235	0,129
Температура плавления, К .... Температура кипения, К 	 Теплота плавления (при 298 К), Дж/ кг 		1357,065	1235,08	1337,58
	2816,0	2440,0	3150,0
	205,7	104,9	64,5
Теплота сублимапии при 298 К, Дж/ кг 		5319	2644	2173
Теплопроводность при 300 К, Вт/(м- К)	401,2	432,5	310,0
Коэффициент термического расшире- ния при 300 К, Ю-6 К-1 		16,61	18,8	14,00
Характеристическая температура, К: по упругим постоянным		345	225,3	161,6
по теплоемкости		344,5	226,4	164,2
Коэффициент поверхностного натяже- ния в жидком состоянии, Дж/м2	1,351	0,930	1,134
Удельное электросопротивление при 293 К, мкОм-м		0,0172	0,0162	0,023
Термический коэффициент электросо- противления при 273 К, К-1 ....	0,0043	0,00410	0,00398
Магнитная восприимчивость при 296 К . . 			—86	-181	2142
Работы выхода электронов, эВ . . .	4,40; 5,5	4,3	4,3
Временное сопротивление, МПа. . .	265	177	137
Относительное удлинение, %	...	60	65	50
Относительное сужение, %	....	—,	—	—
Твердость НВ		23,5	24,5	24,5
Примечание. Механические свойства приведены для металлов в отожженном
состоянии при 293 К.
отжигу с последующим охлаждением, то получают мягкую медь ММ, сравнительно
пластичную, с малой твердостью и небольшой прочностью, но имеющую весьма
большое удлинение при разрыве и высокую удельную проводимость [21:
Медь марок
Временное сопротивление, МПа, не . МТ
менее................................... 360—390
Относительное удлинение при раз-
рыве AZ/Z, %, не менее............. 0,5—2,5
Удельное электросопротивление,
мкОм-м, не более...................0,0179—0,0182
ММ
260—280
18—35
0,01754
69
ТАБЛИЦА 2.2
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ
НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕДИ [11
Температура; К	Удельное электросо- противление, мкОм.м	Коэффициент теплового расширения, io-6 К"1	Теплопро-. водность, Бт/(м. к)	Динами- ческая вязкоеть- - в жидком состоянии, Н • с/м2	--•Давление -- пара, Па
2					523,5				
5	- —	0,00424	1487,0	—	—
7	—	0,01062	—	—	—
10	—	0,0294	—	—	—
13	—	0,06322	—	—	—
15	—	0,09634	—	—	—
20	—	0,23	2518,0	—	—
40	—	2,28	—	—	—
50	—	—	1189,5	—	—
60	—	5,40	—	—	—
73	0,005	—	—	—	—
100	—	10,33	481,3	—	—
150	—	—	428,4	—	—
200	—	15,18	413,3	—	—
250	—	—	406,0	—	—
293	0,017	—	—	—	—
300	—	16,61	401,2	—	—
350	—	.—	397,2	—	—
400	—	17,58	393,7	—	—
500	—	18,32	—	_—	—
600	—	18,92	—	—	—
 673	0,040	.—	—	—	—
700	—	19,48	374,06	—	3,05-IO’14
800	—	20,09	—	—	3,77-10"11
900	—	21,2	361,43	—	9,59-10-9
1000	—	22,1	—	—	8,06-10-’
1100	—	23,2	—	—,	3,04-10-5
1200	—	24,5	—	—	—
1253	0,084	.—	—	—		
1280	—	—	318,1	—	—
1300	—	27,0	—	—	—
1438	—	—,	—	0,36	—.
1568	—	—	—	0,306		
1653	—	—	—	0,283	
1768	—	—	—	0,27	
1823	—	—	—	0,246	
Стандартная медь имеет удельное электросопротивление р = 0,01724 мкОм- м.
В процентах к проводимости стандартной меди часто выражают проводимость
металлов и сплавов.
В качестве проводникового материала применяют сплавы меди с Si, St, Р,
Be, Сг, Mg, Cd.
Медь может давать сплавы со многими металлами. Ниже приведена раство-
римость элеметггов в меди в твердом состоянии.
Нерастворимые: W, Mo, Os, Ru, Та.
Растворимые, %:
0,01—0,1: Сг, Hb, Pb, V, Zr;
<1: Ag, Al, As, Be, Cd, Co, Fe, Mg, Si, Ti и др.
>1: In, St, Zn.
70
Неограниченно растворимые-. Ni, Au, Мп, Pd, Tl.
С увеличением концентрации легирующего элемента в a-твердом растворе
меди повышается механическая прочность сплавов; их теплопроводность и элек-
тропроводность уменьшаются (менее всего при легировании серебром).
Сплавы меди классифицируют по различным признакам.
По химическому составу: медиоцинковые (латуни, бронзы); медноникелевые;
меднобериллиевые.
По способу изготовления: литейные; деформируемые; спеченные.
По назначению: антифрикционные; жаропрочные; конструкционные; пру-
жинные; электротехнические.
Рис. 9. Зависимость удельной электрической проводимости меди от со-
держания примесей [3]
Из сплавов меди прежде всего следует отметить бронзы — сплавы меди и
олова, часто с добавками цинка и свинца (табл. 2.3). Бронзы отличаются твер-
достью и прочностью. Общими свойствами бронз являются хорошие литейные
качества.
Широко применяемыми сплавами являются томпак и латунь. Они состоят
в основном из меди и цинка, часто с добавками олова, свинца, железа. Они более
дешевы, мягче и обрабатываются легче, чем бронзы.
Медь и ее сплавы применяют при изготовлении электротехнической аппара-
туры, деталей машин, инструментов и пр.
В настоящее время значительное количество меди используют в виде порошка
для изготовления спеченных изделий электротехнического назначения, конструк-
ционных и других деталей.
Известно несколько методов получения порошков меди. От способа произ-
водства зависят величина и форма частиц, насыпная масса, химический состав,
прессуемость, спекаемость порошка и его стоимость. Свойства порошка опреде-
ляют возможность получения изделий с заданными физико-химическими и дру-
гими специальными свойствами.
Порошки меди получают как механическими методами: размолом в вихре-
вых мельницах, распылением расплавленного металла сжатым газом или дробле-
нием струи лопатками вращающегося диска, грануляцией (литьем в воду), так
71
ТАБЛИЦ AJ2.3
Свойства медных электротехнических сплавов [зЗ
Сплав	Состояние	Удель- ная про- води- мость *, %	Временное сопротивле- ние, МПа	Относи- тельное удлинение, %
Бронзы, содержащие, %: 0,9 Cd	Твердая	83—90	До 1050	4
	Отожженная	95	310	До 50
0,8 Cd; 0,6 Sn	Твердая	50—55	До 730	4
	Отожженная	55-60	290	До 55
2,5 Al; 2 Sn	Твердая	15-18	До 970	4
	Отожженная	15-18	370	До 45
0,1 P; 7 Sn	Твердая	10—15	До 1050	3
	Отожженная	10—15	400	До 60
Латунь (30% Zn)	Твердая	25	До 880.	5
	Отожженная	25	320—350	До 60—70
• По отношению к проводимости меди.
и физико-химическими (восстановлением окислов, электролизом водных раство-
ров, электроэрозней).
В СССР основным промышленным способом производства медного порошка
является электролитический.
В основе этого процесса лежит разложение водных растворов металлических
соединений, а также расплавленных солей при пропускании постоянного элек-
трического тока.
Гранулометрический состав, форма и насыпная масса порошка й зависимости
от режимов электролиза могут колебаться в широких пределах. Режим электро-
лиза определяет также содержание примесей и газов, наличие несовершенств
в кристаллической решетке; последнее сказывается на таких показателях, как
насыпная масса, химическая активность, прессуемость и спекаемость.
Важнейшим преимуществом электролитического метода получения порошков
является высокая чистота продукта; основным недостатком — высокая стоимость
порошков из-за низкой производительности и больших затрат энергии.
Получение металлических порошков восстановлением окислов и солей
является наиболее экономичным при условии использования в качестве исход-
ного материала непосредственно руд, отходов металлургического производства
(прокатной окалины) и других дешевых видов сырья.
Окислы меди легко восстановимы, так как медь обладает низким сродством
к кислороду. Поэтому в промышленности для получения порошка меди широко
применяют метод восстановления, который позволяет легко регулировать размеры
и форму частиц порошка. Восстановленные порошки хорошо прессуются и спе-
каются.
Методом восстановления можно получить также порошки сложных сплавов.
Для этой цели окислы металлов в необходимой пропорции размалывают и тща-
тельно перемешивают одновременно в шаровых мельницах, а затем восстанавли-
вают. В процессе восстановления происходит взаимная диффузия металлов
и получающийся продукт представляет собой сплав, фазовый состав которого
можно оценивать по соответствующим диаграммам состояния. Совместное вос-
становление окислов часто используют в порошковой металлургии как метод
получения легированных порошков.
В промышленном производстве порошков меди применяют также гидроме-
таллургический способ. Этот способ заключается в химической переработке руд-
72
ТАБЛИЦА 2.4
РЕЖИМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СВОЙСТВА МЕДНЫХ ПОРОШКОВ
Способ изготовления	Режим изготовления	Химический состав, %	Марка	Насып- ная плот- ность, г/см3	Размер частиц, мкм	Форма частиц
Электрический	Плотность тока 1200— 1500 А/м2; напряжение на ванне 1,5—1,8 В; темпера- тура электролита 60—• 65 °C; расход электроэнер- гии 6800—7500 кВт-ч/т	Си не менее 99,5; Fe 0,02; Pb 0,05 Ag 0,005; Sb 0,0011; сернокислые соединения в пересчете на SO4 0,01; влаж- ность 0,05	ПМА; ПМ; ПМС-1; ПМС-2 ПМСК-1	0,4—4 (обычно 1,5)	40 (для ПМ-1 фракция 40 мкм 65—70 % ; для ПМ-2 85—90 %)	Дендритная
Восстановление окислов и солей	Температура восстановле- ния 400—500 °C; при тол- щине слоя окислов 20— 40 мм длительность вос- становления до 2 ч	Си —99,5; примеси; Fe, Pb, Sb, Ag, O2	—	—	<80	—
Автоклавный *	Газ-восстановитель водо- род; давление 4—20 ат; температура 160—180 °C	Cu 99,4—99,7; Pb 0,04—0,05; нераствори- мый осадок 0,02	—	—	40 (65—80%)	Неправильн7я
Распыление или пульверизация жидкого металла	Размельчение струи на движущейся ленте Грануляция и литье в воду	—	—	—	0,16 мм и более 0,5—1 мм	Сферическая и др.
♦ Производительность в 20—30 раз выше производительности наиболее мощных электролизных ванн.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВ МЕДИ,
Марка	Химический анализ, %					Насыпная плотность, 108 кг/см3	Сыпу- честь, с/50 г, не более
	Си, не меиее	потери в Н2, не более	нерас- творимые примеси, не более	о8> не более	Н2О, не более		
США, «АМАХ
А	99,5	0,30	0,015	—	—	2,4—2,6	32
В	99,5	0,30	0,015	—	—	2,5—2,6	32
LB	99,5	0,30	0,015	—	—	2,45—2,55	33
и	99,4	0,40	0,015	—	—	2,5—2,6	35
ни	99,4	0,40	0,015	—	—	2,7—2,8	32
м	99,25	0,60	0,015	—	—	2,5—2,6	40
с	99,0	0,75	0,015	—	—	2,1—2,5	Нет
					с	высоко	й э л е к
О	99,5	0,20	0,010	-	-	2,5—2,6	32
Фрикционного
О	| 98,5	1 1,0	| 0,050	1 - 1 -	1 1,7—2,0	| Нет |
НА	| 99,25 |	0,30	1 0,015 |	- 1 -	| 3,25—4,00	Высоко 1	29	|
О	1 99,5	|	| 0,30	| 0,015 |	1 - 1 -	| 2,25—5,0	г р у 1	40	|
	I 99,5	|	0,4	1 0,1	|	- 1 -	США, I 0,9—1,1	«Handy and 1 - 1
Англия, «Л4с Kechnie
+60 + 150	99,75 99,75		=	0,10 0,10	0,02 0,02	3,80—5,00 3,30—4,20	%
N	99,50			0,15	0,02	Д л ; 2,65—2,85	под 29
LDN	99,50	—	—	0,15	0,02	2,45—2,65	31
HSN	99,50	—	—	0,15	0,02	2,35—2,45	33
Средние
HDL	99,0	—	—	0,20	0,02	2,70—3,00	29
L	99,00	—	—	0,20	0,02	2,20—2,60	35
74
ТАБЛИЦА 2.5
ПОЛУЧАЕМЫХ ИНОСТРАННЫМИ ФИРМАМИ
Удель- ная по- верх- ность, м2/г	Гранулометрический состав (%) по фракциям, мкм						
	500 250	250-180	180—160	160—95	95-75	75 — 45	<45
Copper. Inn							
	-	—	—	0,5	5—15	25—35	25—42	22—32
—.	—	—	0,2	1—11	13—23	20—37	43—53
	.	—	—	0,2	3—13	17—27	23—40	33—43
		—	—	0,2	1—10	9—19	14—31	55—65
	—	—	0,2	1—10	7—17	15—32	54—64
	.	—	—	0,2	1—6	5—15	11—26	65—75
—.	—	—	0,1	0,5	4	8	90
т; р о п р о	водностью						
1 -	-	-	0,2	1-11	13—23	20—37	43—53
н а з н а ч	е н и я						
1 -	-		0,5	1 6	5—15	10—26	60—80
плотный							
1 -	-	-	0,8	7-17	17—27	19—35	35—45
б ы Й							
1 —	-	-	-	-	-	10	10
Harman	7о» *						
1 -	1 -		1 ±0,5	-	-		| ±15—25
Chemicals Limited»							
I -			| Ост.	1	90		
1 —				40	5		
ш и п н и	ков						
0.3—0,6					1,00			25—40	25—40
0,3—0,6			—	1,00			25—40	25—40
—0,6	—	—	1,00			25—40	25—40
Порошки							
—	—	—		1,00		12—20	35—45
—	—	—	—	1,00		5—15	35—45
75
Марка	Химический анализ, %					Насыпная плотность, 103 кг/см3	Сыпу- честь, с/50 г, не более
	Си, ие менее	потери в Н2» не более	нерас- творимые примеси, не более	о2, не более	Н2О, не более		
Тонкие
HFN LF	99,00 99,00	—			0,20 0,20	0,02 0,02	1,60—2,10 1,60—2,00	**
FN	99,00	—	—	0,20	0,02	1,40—1,60	**
LDFN	99,00	—			0,20	0,02	1,35—1,45	**
OFN	98,80					0,50	0,20	1,40—2,10	**
VFN	95,00	—	—	—	—	1,20—2,20	**
ФРГ, «Norddeut
Дендритные
FFL-2	99,70			—	0,15	—	0,70—0,90	**
FFL	99,70			—	0,15	—	0,95—1,10	**
FL	99,70			—	0,15		1,20—1,30	**
FLM	99,70	—	—	0,15	—	1,35—1,50	**
FM	' 99,75			—	0,12	—	1,55—1,70	**
FS	99,75			—	0,12	—	1,75—2,15	**
SSM	99,80					0,10	—	2,30—2,50	36
М	99,80			—	0,01	—	2,30—2,50	35
мк	99,80	—	—	0,01	—	2,30—2,50	34
К	99,80	—	—	0,01	—	2,30—2,50	33
						3 е р н	истые
QF	99,85					0,07	—	2,1—2,7	33
Q	99,85	—	—	0,07	—	2,4—3,2	33
QQ	99,85	—	—	0,07	—	2,4—3,2	33
Испания, «Ме
Сферический
Си-Е-60	I 99,0	1 1	1		1 - 1	1 - 1	I 4,4—5,0 I	20
Си-Е-30/100	1	1 1		1 - 1	1 -	I 4,2—4,8 |	20	1
						Д е н д р	И Т Н Ы Й
CE-D-100	| 99,5	1 0,3	|	1 -	1 - 1	1 - 1	1 2,8—3,1 |	23—33 I
США, «Greenback
268	99,25	0,30	0,015	—	—	2,55—2,65	35
260М06	99,25	0,30	0,015	—	—	2,60—2,70	30
260ST	99,25	0,30	0,015	—	—	2,65—2,75	30
76
Продолжение табл. 2.5
	Удель- ная по- верх- ность, м2/г	Гранулометрический состав (%) по фракциям, мкм						
		500—250	250—180	180-160	160—95	95-75	75-45	<45
порошки
10-14 10—14 10—14	—		—.	0,20 0,20 0,20		—	99—80 15—85 99—80
10—14	—	—	—	0,20			99—80
10—14	—	—	—	0,20			99—80
10—14	—	—	—	1,00			—
sche Affinerie»
порошки
—	—	—	—		-<0,3	s<8	5-92
—	—	—	—		-<0,3	<^8	5-92
— .	—	—	—		-<0,3	2^12	87—97
—	—	—	—		-<0,3	2—12	86—96
—	—	—	—		s£0,3	2—12	86—96
—	—	—	—		-<0,3	2—17	81—96
—	==50,2	—	—	19—25	.—	28—36	42—48
—	s£0,2	—	—	32—38	—	29—37	28—34
—	s£0,2	—	—	38—44		36—44	15—21
—	s£0,2	—	—	48—54		27—35	14—20
порошки
—	—	-71 s<3	35—55			40—60	<s8	—
—	—	-71 50—80	—	—	20—50	s<4	—
—	—	20—50	35—70	—	sg25	-<2	—
tapol, s. а»
п о р'о шок
Порошок 1	-	!	1							
Industries	Inc»				—		
—				<70,5	1	4	10—20	70—85
—	—	—	-<0,5	1—6	8—15	10—16	60—70.
	—	—	==£0,5	1 6	8—15	10—17	60—70
77
Марка	Химический анализ, %					Насыпная плотность, 10а кг/см3	Сыпу- честь, с/50 г, не более
	Си, не менее	потерн в Н2, не более	нерас- творимые прнмесн, не более	о2, не более	Н2О, не более		
26004	99,25	0,30	0,015					2,65—2,75	30
26006	99,25	0,30	0,015	—	—	2,65—2,75	28
26006С	99,25	0,30	0,015			—	2,75—2,85	27
270NTS7	99,25	0,30	0,015	—	—	2,65—2,80	28
260NT4S	99,25	0,30	0,015	—	—	2,65—2,75	28
267	99,25	0,30	0,015	—	—	2,60—2,70	30
260NT30	99,25	0,30	0,015	—	—	2,65—2,75	28
HGD	99,25	0,40	0,015	—	—	3,40—3,60	28
HGD	99,25	0,40	0,015	—	—	чЗ,70—3,90	28
420LG	99,00	0,30	0,015	——	—	2,65—2,75	30
421LG	98,50	0,30	0,030	—	—	2,65—2,75	30
423LG	98,00	0,35	0,070	—	—	2,55—2,65	30
INF	99,25	0,50	0,100	—	—	2,20—2,60	Нет
240NT80	99,00	0,50	0,030	—	—	2,30—2,50	Нет
240NT85	99,00	0,50	0,040	—	—.	2,30—2,50	»
240NT90	99,00	0,50	0,040	—	—	2,30—2,50	»
240NT95 '	99,00	0,50	0,050	—	—	2,30—2,55	»
230NT85-150	99,00	0,50	0,100	—	—	2,10—2,40	»
220NT85	99,00	0,50	0,100	—	—	2,10—2,20	»
200NT85	98,50	0,75	0,200	—	—	1,90—2,10	»
200NT95	98,50	0,75	0,300	—	—	1,90—2,10	»
США, «Colonial
Си7410			—	—	—	0,3	0,4—0,6	—
Cu748	—	—	—	—	0,3	0,7—1,2	—
Cu742	—	—	—	—	0,3	1,2—1,4	—
Япония, «Fukuda Metal
GU4	99,0	0,2	—	—	—	2,0—3,0	35—50
СЕ5	99,5	0,2	—	—	—	2,0—2,6	40—55
СЕ6	99,7	0,2	—	—	—	1,6—2,0	45—60
СЕ7	99,6	0,2	—	—	—	1,7—2,0	55—65
СЕ8	99,6	0,2	—	—	—	1,7—1,8	55—65
СЕ15	99,6	0,3	—	—	—	1,3—1,6	—
СЕ25	99,3	0,3	—	—	—	1,8—2,2	—
СЕ115	99,3	0,3	—	—	—	1,4—2,7	—
меди химическим осаждением. Порошки губчатые, частицы
* Производят порошки
** Нет свободного течения.
78
Продолжение табл. 2.5
Удель- ная по- верх- ность, м2/г	Гранулометрический состав (%) по фракциям, мкм						
	500—250	250- 180	180—160	160-95	95-75	75-45	45
				sg0,5	1—7	10—17	10—17	55—65
					==i0,5	1—8	14—22	10—18	50—60
					s£0,5	3—10	14—22	10—18	50—60
					<0,5	4—10	11—19	11 — 19	50—60
				__	<0,5	3—10	15—25	12—22	35—45
						<0,5	5—12	24—37	8—18	33—43
	.					<0,8	5—12	18—28	15—25	25—35
	.					<0,8	5—12	12—20	10—20	45—60
						<0,8	5—12	12—20	10—20	45—60
							<0,5	1—6	10—15	10—20	60—70
					<0,5	1—6	10—15	10—20	60—70
						<0,5	1—6	10—15	10—20	60—70
						Нет	1-4	2—7	4—9	85
						<0,2	<1	<3	<3—13	>80
			.			<0,2	<1	<^3	<10	>85
							<0,1	<1	<2		>90
__						<0,1	<1	<2	<s4	>95
						Нет	<0,05	<2	<10	>85
			.			<0,1	<0,7	<3	<10	>85
							Нет	0,5	3	10	85
—	—.	—	»	0,5	2	4	95
Metals, Inc»
2,0—6,0
0,5—2,0
0,3—1,0
Foil and Powder Co Lid»
—	—	—	10—15	5—15	—	—	—
—	—	—	35—45	5—15	5—15	—	<10
—	—.	—	15—25	35—45	15—25	5	15
•—	—	—	5—15	15—25	20—30	20	30
'—	—	—	5 10	20 30	10-20	15	25
—		—	—	2	5—15	60	70
—	—	—	—	<1	5	80	90
—	—	—	—	—	5	80	90
НепРавильной формы.
79
ных концентратов, отходов производства и скрапа, содержащих медь, а также
в восстановлении водных растворов солей меди водородом или окисью углерода
под давлением при сравнительно невысоких температурах. Возможность исполь-
зования недефицитного сырья обеспечивает получение дешевого порошка.
Одним из наиболее производительных методов получения порошков являются
механические методы распыления жидких металлов и сплавов с помощью воздуха,
инертного газа, пара или ударов лопаток вращающегося диска.
К методу распыления тесно примыкает метод грануляции, заключающийся
в сливании жидких металлов в воду. При этом струя предварительно размель-
чается на сетке либо на конвейерной лейте. Распыление и грануляцию широко
применяют при изготовлении порошка меди, а также ее сплавов — бронзы,
латуни. Частицы таких порошков могут иметь сферическую форму.
Значительное влияние на формообразование частиц оказывает величина
поверхностного натяжения расплавленного металла. Если силы поверхностного
натяжения успевают придать шарообразную форму брызгам и каплям металла
до их затвердевания, то получаются более округлые частицы порошка. Чем больше
поверхностное натяжение и чем меньше коэффициент вязкости, тем более сфе-
ричны частицы.
Однако распыленные и гранулированные порошки не отличаются высокой
чистотой, они значительно окислены и почти всегда требуют дополнительного
восстановительного отжига.
В табл. 2.4 приведены режимы изготовления и некоторые свойства порошков
меди, получаемых в СССР; в табл. 2.5 — марки и свойства медных порошков,
выпускаемых некоторыми зарубежными фирмами.
Спеченные изделия из медного порошка применяют в электротехнической,
машиностроительной промышленности, в радио- и приборостроении. Их изготав-
ливают методом прессования и спекания, а также методом прокатки порошка
в ленту с последующим спеканием.
Спеченные изделия из медных сплавов изготавливают смешиванием медного
порошка и других компонентов, прессованием и высокотемпературным спеканием
либо припеканием в водороде или вакууме.
Для сравнения ниже приведены некоторые свойства меди, спеченной из
порошка, и медного проката:
Спеченная медь Медный прокат MI
Плотность, 103 кг/м3........................ 8,8	8,9
Удельное электросопротивление, мкОм-м 0,0178	0,0174
Твердость НВ................................. 42	37
Временное сопротивление, МПа	. . .	300	260
В порошковой металлургии в качестве исходных порошков используют
закись Cu2O (I) и окись CuO (II) меди.
Соединение одновалентной меди (красная окись меди Си2О) встречается
в природе в виде минерала куприта, имеющего кристаллы правильной кубиче-
ской формы (большей частью октаэдров) плотностью (5,75— 6,09)-103 кг/м3.
Окисел двухвалентной меди (II) CuO — встречается в природе в виде продукта
выветривания медных руд.'Искусственно оксид меди (П) получают нагреванием
стружек меди или медной проволоки на воздухе при температуре красного кале-
ния или прокаливанием нитрата или карбоната меди. Полученный таким путем
оксид меди аморфен и обладает ярко выраженной способностью адсорбировать
газы. Плотность его составляет (6,3—6,4)-103 кГ/м8.
2.1.2.	СЕРЕБРО
Серебро — наиболее широко распространенный в природе благородный
металл — редко встречается в самородном виде. Экономическое значение имеют
минера ты серебра.
80
В небольших количествах серебро содержится в золотых, медных, свинцовых
и цинковых рудах, из которых в настоящее время получают примерно 2/3 мировой
добычи первичного серебра.
Большое количество серебра вырабатывают в качестве побочного продукта
при переработке содержащего серебро свинцового блеска.
Очистку серебра производят либо аффинированием (обработкой горячей
концентрированной серной кислотой), либо электролитическим рафинированием.
Физические свойства серебр.а представлены в табл. 2.1 и 2.6,
ТАБЛИЦА 2.6
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ
НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕРЕБРА [51
Темпе-’ ратура, К	Удельное электросо- противление, мкОм.м	Коэффи- циент тер- мического расширения Х10~6, К"1	Теплопро- водность, Вт/(м-К)	Динами- ческая вязкость в жидком состоянии, Па. с	Давление пара, Па
3						
5	—	0,0177	—	—		
7	—	0,0386	—	—	—
10	—	0,112	—	—.		
12	—	0,1988	—					
15	—	0,4084	3330,0	—		.
40	—	6,0	—			
42	—	—	1052,0			
53	0,005	—						
100	—	16,0							
160	—	17,0	—.	—		
273	0,0162			453,0					
300	—	18,8	432,5	—		
473	0,0285					__			
500	—	20,5	—					
600	—			410,7	—			
700	—	22,3								
773	0,0475								
800	—							12,95-10-’
898	—			—	—	12,95-10-3
900	—	24,3	388,8				
1000	—	25,5			—		.
1024	—	—	—-	—	12,95-10-3
1100	—	27,2	—	—	12,95-Ю"1
1191	——	—-		—	
1200	—	30,8	—	—	—
1293	—	—	—	0,369	—
1373	—	—	—.	0,334	
1436	.—	—	—			12,95-IO'1
1463	—	—	—	0,289		
1528	—	—			0,252		
1593			—			0,241		
1693			—			0,218	—
1816	—	. —	—	—	12,95 -10-8
Примеси, содержащиеся в серебре, существенно снижают его электропровод-
Чость. Одиако различные примеси по-разному влияют на эту величину. Влияние
Меди, например, весьма незначительно (рис. 10)
81
Компактное серебро непосредственно с кислородом не соединяется; расплав-
ленное серебро может растворять заметное количество кислорода. При затверде-
вании оно отдает большую часть растворенного кислорода.
Озон легко действует непосредственно на серебро, особенно при нагревании
(до —513 К). При этом образуется окись серебра AgO.
Сродство серебра к сере очень велико. При действии влажного сероводорода
серебро образует Ag,S.
Свободные галогены медленно соединяются, с серебром даже при обычной
температуре. Водные растворы некислородных кислот в отсутствие воздуха не
действуют на серебро. В окисляющих кислотах (азотной или концентрированной
серной) серебро легко растворяется.
Рис. 10. Влияние легирующих эле-
ментов на электросопротивление се-
ребра [5]
ТАБЛИЦА 2.7
ПРИМЕСИ В ТЕХНИЧЕСКИ
ЧИСТОМ СЕРЕБРЕ 15 ]
	Содержание примесей,	
	%	
	сч	
Примеси	1 со со ОО	
	со	
		8
	и	
	О	С/Э
		
	О	О
	С	С
Медь . . .			0,05
Свинец . .	0,003	0,004
Железо . .	0,004	0,003
Висмут . .	0,002	0,001
Сурьма . .	0,001	—
Никель . .	—	0,001
Марганец .	—	0,001
Магний . .	—	0,001
Кремний . .	—	0,001
Всего	0,1	—
Технически чистое серебро содержит не менее 99,9% Ag. Встречающиеся
в нем примеси приведены в табл. 2.7.
Влияние режима термической обработки на механические свойства серебра
видно из данных табл. 2.8.
С большинством легкоплавких неблагородных металлов серебро образует
сложные диаграммы состояния с несколькими промежуточными фазами и значи-
тельными областями твердых растворов на основе серебра. С большинством
тугоплавких переходных металлов серебро образует системы с широкими обла
стями несмешиваемости в жидком состоянии.
Растворяются в серебре в твердом состоянии:
весьма мало-. W, Ni, Mo, Fe и др.;
ограниченно: Сг, Мп, Си;
в значительном количестве: Al, Mg. Li, In, Zn, Cd;
неограниченно: Au, Pd.
Важнейшей отраслью, потребляющей серебро, является электротехника,
а также электроника, радиотехника и связанные с ними отрасли машиностроения,
где электрические свойства серебра обусловили ему широкое применение в ка-
честве материала для изготовления контактов и проводников.
82
ТАБЛИЦА 2 8
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТЖИГА НА ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ
ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО СЕРЕБРА [5]
Температура отжига, К.	Временное сопротивление, МПа (длительность 30 мин)		Относительное удлинение на образце длиной 50,8 мм, %	
	листового серебра толщиной 0,81 мм	серебряной проволоки диаметром 2,3 мм	листового серебра толщиной 0,81 мм	серебряной проволоки диаметром 2,3 мм
Наклеп 50%	382	304	2,4	5
477	186	284	43,7	10
533	—	194	—	43
589	176	179	51,6	52
644	—	177	—	53
700	176	176	51,5	54
755	—	173	—	52
811	169	171	50,3	43
866	—	174	—	44
922	161	178	53,9	39
977	—	181	—	32
1033	158	—	48,4	—
Большое количество серебра идет на изготовление припоев.
Одним из путей сокращения расхода серебра в электротехнике, радиотех-
нике, электронике является применение для электрических контактов спеченных
материалов с пониженным содержанием серебра, изготовляемых методами по-
рошковой металлургии.
Исходным материалом для изготовления спеченных изделий на основе се-
ребра является серебряный порошок, который в нашей стране производят элек-
тролитическим способом по ГОСТ 9724—61.
Требования к серебряному порошку (ГОСТ 9724—61):
Марка порошка .............. ПС-1	ПС-2
Содержание, %:
Ag ....................... 99,9	99,9
примесей:
Си........................ 0,02	0,02
Fe + В -j- Pb, Sn, Al	0,04	0,04
NO3 ...................... 0,01	0,05
Гранулометрический состав
(остаток на ситах), %, не
более:
№ 0056..................... 3,0	—
№ 016........................ —	4,0
В табл. 2.9 приведены свойства серебряных порошков, выпускаемых фир-
мами США.
2.1.3.	ЗОЛОТО
Золото встречается в природе большей частью в самородном состоянии в двух
формах: ископаемой и намывной.
Ископаемое золото находится в местах его первичного залегания. Оно бывает
Вкраплено в виде мельчайших блесток в кварц; иногда встречается в качестве
83
ТАБЛИЦА 2.9
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВ СЕРЕБРА, ИЗГОТОВЛЯЕМЫХ ФИРМАМИ США
Марка	Химический состав, %					Физические свойства				Гранулометрический состав (%) по фракциям, мкм			
	Ag	Си	Fe	Другие примеси	Н2О	насыпная плот- ность, г/см8	ПЛОТ- НОСТЬ после утряски, г/см3	удельная поверх- ность, м2/г	ситовый анализ, мкм	<70	<50	> 40	<40
«Colonial Metals Inc»
Порошок серебра
101Ag	|	-	|	-	|	-	|	- Порошок сере	1 0,2 бра,	1 0,6—0,9 1 п л а к и р о	0,9—1,4 | 0,8—2,0 | 0,65—1,3| — |		1 - 1 -
			ванный плат	иной	
171 Ag Pt | Любое желаемое отношение вплоть |	до 85Ag/15Pt •	| 0,1	| 0,6—0,7 | 0,7—1,1 | 1,5—2,5 «Handy and Herman Со»			|0,6—0,85| —	_ j _
130	99,60	0,010	0,010	—	—	0,7—1,4	—	—	1,0—3,0	—	—	—	<99
222	99,90	0,003	0,003	—	—	1,3—1,8	—	—	4-6	—	—	—	<85
225	99,90	0,003	0,003	—.	—	1,2—1,6	—	—	3,4—4,4	—-	—	—	<90
230	99,90	0,010	0,010	—	—	0,4—0,9	—	—	0,6—1,3	100	—	—	—
251	99,90	0,003	0,003	—	—	2,7—3,5	—	—	14—20	—	=>15	-<50	/А/А О о
252	99,90	0,003	0,003	—	—	2,2—2,7	—	—	9—14	—	—	<40	<70
ТАБЛИЦА 2.10
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ
НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗОЛОТА [1]
Темпера- тура, К	Удельное электросо- противление, Ом.мх 10—*	Коэффи- циент тер- мического расширения XI О-6, К-1	Теплопро- водность, Вт/(м.К)	Динами- ческая вязкость, н.с/м2	Давление пара, Па
2					1171				
5	—	0,0255			—	—.
8	—	—	2805,0	—	—
10			0,2275	—	—	—
15			0,7652	—	—	—
30	—	—	795,0	—	—
73	0,006	—	—	—	—
90			10,94	—	—	—
150			—	335,0	—	—
170	—	12,93	—	—	—
273			—	310,0	—	—
293	0,023	14,00	—	—	—
373		14,43	310,0	—	—
500	—	—	303,405	—	—
573	—	15,34	—	—	—
673	0,057	—	—	—	—
700			—	289,72	—	—
773	—	15,88	—	—	—
973	—	17,18	—	—	—
1000	—	—	271,7	—	—
1073	0,102	—	—	—	—
1173			18,74	—	—	—
1373			20,15	—	0,513	—
1473			—	—	0,465	—
1573			—	—.	0,424	—
1669			—	—	.—	10,59
1705			—	—	.—.	17,66
1762	—	—	—	.—	37,28
1831	—	—					90,05
1897	—			—	—	188,35
1930	—							309,99
1966	—	—	—	-—	475,78
примесей также преимущественно в кварцевых породах, в форме тонких включе-
ний или более мощных жил, пронизывающих сульфиды; встречается в форме
химических соединений с сульфидами, с теллуром.
Намывное золото откладывалось в местах вторичного залегания. Оно суще-
ствует в самородном состоянии в виде мелких зерен, а иногда больших самородков.
Самым древним способом добычи золота является промывание золота. Его
сочетают со способом амальгирования. Из амальгамы золото легко выделяют
отгонкой ртути.
В настоящее время важнейшим способом получения золота является цианид-
ное выщелачивание.
Для отделения золота от серебра применяют сернокислотную промывку
(аффинирование); от платины золото отделяют электролитическим способом.
Зависимость свойств золота от температуры показана в табл. 2.10.
Золото практически не изменяется на воздухе даже при соприкосновении
с водой. Галогены в виде сухих газов при обычной температуре на золото не дей-
85
ствуют. В водном растворе хлора золото растворяется. Особенно легко раство-
ряет золото смесь из 3 ч. конц. НС1 и 1 ч. кони. HNO3 («царская водка»).
Золото не подвергается действию расплавленных щелочей. Серная, соляная,
азотная, фосфорная, мышьяковая кислоты также не действуют на золото ии
в разбавленном, ни в концентрированном состоянии.
Электрохимический потенциал золота ниже, чем других металлов.
С Pt, Pd, Ag, Си золото образует твердые растворы в любом соотношении.
Благодаря высокой теплопроводности и электрической проводимости, кор
розионной стойкости, невысокой твердости и высокой пластичности золото
успешно используют в слаботочной технике для изготовления контактов, а также
спаев и пленок.
Золото в виде порошка применяют для изготовления спеченных изделий —
контактов для коммутирования цепей слабых токов.
Порошок золота получают обычно химическим способом — восстановлением
Щавелевой кислотой из раствора золотохлористоводородной кислоты.
2.2.	ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МЕТАЛЛЫ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА
Ферромагнитные металлы Fe, Со, Ni, входящие в группу VIIIA Периоди-
ческой системы, широко применяют при получении спеченных магнитных рези-
стивных, жаростойких, коррозионностойких, инструментальных и конструкцион-
ных материалов.
Основные свойства ферромагнитных металлов приведены ниже; в табл. 2.11
даны значения некоторых физических свойств при различных температурах.
В переходных металлах с недостроенной Зй-электронной оболочкой и в их
сплавах, если пять ЗсГуровней заняты электронами со спинами одного знака (кон-
фигурация 3d£ или Зс£), проявляются ферромагнитные свойства.
Если электронами со спинами одного знака занято менее пяти ЗгАуровней
(конфигурация 3^2.34™ с п < 5, т < 5), то проявляются антиферромагнитные
свойства. Это подтверждают данные табл. 2.12 [22].
Благоприятное отношение межатомного расстояния к радиусу недостроенной
Зс(-оболочки, лежащее в пределах 3—4, обеспечивает для ферромагнитных метал-
лов положительное значение и достаточную величину обменного интеграла для
возникновения спонтанной намагниченности и связанного с ней ферромагнетизма
при высоких температурах.
	Fe	Со	Ni
Атомный номер	26	27	28
Молярная масса, г/моль	55,847	58,9332	58,70
Кристаллическая структура	6-ОЦК; у—ГЦК; а-ОЦК	Р-гцк; а—ГПУ	ГЦК
Параметры решетки при 293 К, нм	6(1673 К): а = 0,2935 у: а = 0,3564 а: а = 0,28608	Р: а = 0,3548 а: а = 0,2501 с = 0,4066 с!а= 1,626	а = 0,3517
Молярный объем, 10-в м8/моль	7,096	6,62	5,589
Плотность, 103 кг/м3	7,86	8,9	8,90
Температура полиморфного превращения, К	у -> 6 1663 а -+ у 1183	а -> Р 690± 7	—
Структура электронных оболо- чек	(Аг) 3de4s2	(Ar) 3d’4s2	(Ar) 3d84s2
Валентность	2; 3; 6	2; 3	1; 2; 3; 4
Электроотрицательность	1,64	1,70	1,75
Потенциал ионизации, эВ Радиус, нм:	7,90+0,01	7,87+0,02	7,635
атомный	0,126	0,125	0,124
ионный12	0,080	0,078	0,072
ионный13	0,067	0,064	0,062
86
Температура, К:
плавления	1809	1758	1726
кипения	3153	3408	3003
характеристическая	433 (410)	385 (390)	375 (390)
Поперечное сечение поглоще- ния тепловых нейтронов, Ю'28 м2	2,43	34,8	4,5
Работа выхода электронов, эВ	4,31	4,41	4,50
Абсолютная удельная т. э. д. с., мкВ/К Временное сопротивление раз- рыву, МПа	+ 16,6	—20,1	—19,3
	18,4—225	489	343—561
Твердость НВ после отжига Коэффициент поверхностного натяжения в жидком состоя- нии, мДж/м2:	500	1300	900—1200
при температуре плавления	1840	1870	1810
при 1820 К	1788	1886	1934
Индукция технического насы- щения, Тл Удельная намагниченность на- сыщения, А-м2/кг:	2,158	1,790	0,608
при 293 К	218	161	54,39
при 0 К	221,9	162,5	57,5
Число магнетонов Бора на атом	2,216± 0,0008	1,715	О,6155± 0,0003
Точка Кюри, К	1041	1394	631
Примечания: 1. Кристаллические структуры: ОЦК — объемноцентрирован-
ная кубическая; ГЦК — гранецентрированная кубическая; ГПУ — гексагональная
плотная упаковка.
2. Данные взяты из литературных источников [?]—[20].
2.2.1. ЖЕЛЕЗО
Наиболее распространенным ферромагнитным металлом является железо,
блестящий серебристо-белый пластичный металл, входящий в состав подавля-
ющего большинства магнитных материалов в виде основной компоненты. Кристал-
лизуется в кубической плотной упаковке. Устойчивое при комнатной температуре
a-железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку. Выше 910 °C
объемноцентрированная решетка переходит в кубическую гранецентрированную
решетку у-железа. Эта модификация является немагнитной и в магнитных мате-
риалах не используется. Парамагнитное железо с объемноцентрированной куби-
ческой решеткой, устойчивое выше точки Кюри (1041 К), в интервале 1042—
И 83 К иногда называют 0-железом.
Чистое железо и его сплавы с незначительными примесями Si, Мп, S и С
ниже точки Кюри находятся в состоянии а-фазы.
Технически чистое железо обычно содержит небольшое количество примесей
С, S, Мп, Si и других элементов. Вследствие сравнительно низкого удельного
электрического сопротивления технически чистое железо в качестве магнито-
Мягкого материала используют довольно редко, в основном для магнитопрово-
Дов постоянного магнитного потока. Обычно технически чистое железо получают
Рафинированием чугуна в мартеновских печах или конверторах; суммарное со-
держание примесей в нем до 0,08—0,1%. За рубежом такой металл называют
армко-железо.
Для магнитомягких изделий разных типов широко применяют низкоугле-
Родистую электротехническую листовую сталь, которую выпускают в виде листов
Толщиной от 0,2 до 4 мм. Введение в состав стали кремния дает возможность
снизить потери на вихревые токи, способствует выделению углерода в виде гра-
фита и почти полному раскислению стали, что обеспечивает увеличение начальной
Магнитной проницаемости, уменьшение коэрцитивной силы и снижение потерь
87
00	ТАБЛИЦА 2.11
ЗАВИСИМОСТЬ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ [21]
Свойство	’ Значение при температуре, К								
	293	373	473	573	673	773	|	873	|	973	|	1073
редиий коэффициент линейного рас- ширения, 10“® К”1		10,7	12,2	Железо 12,85	13,35	13,8	14,15	14,45	14,6	Р.65
Плотность, 108 кг/м*		7,874	7,850	7,819	7,788	7,750	7,720	7,682	7,645	7,615
Удельная теплоемкость при постоян- ном давлении, Дж/(кг»К): средняя 			463	481	503	524	546	573	611	663
истинная				477	523	568	603	366	754	9U	795
Теплопроводность, Вт/(м.К) ....	72,4	68,2	61,5	55,2	48,5	43,3	38,9	34,3	29,7
Сдельное электрическое сопротнвле- н е, 10"* Ом.м			9,89	14,0	20,2	28,5	38,5	50,3	63.7	79,5	100,0
Н рмальный модуль упругости, ГПа	211	205,8	199,5	189,6	183,5	175,4	163,3	—	—
Средний коэффициент линейного рас- ширения, 10~® к-1		12,2	12,5	Кобаль 13,1	п 13,5	13,9	14,3	14,6	14.8	15 1
Плотность, 10® кг/м®		8,90	8.87	8,84	8,80	8,76	8,72	8,68	8,64	8,60
Теплоемкость при постоянном давле- нии, Дж/(кг«К): средняя 		448	452	459	469	470	490	503	515	535
истинная 		448	454	477	498	531	558	590	631	676
Т плопроводносгь, Вт/(м.К) .... Удельное электрическое сопротивле- ние, 10”® Ом.м		70,0 6,24	94,0 9,5	119	18			39		.	107
Нормальный модуль упругости, ГПа	209,0	205,0	196,1	184,5	182,5	183,4	175,6	165,8	156,0
Средний коэффициент линейного рас- ширения, 10"в К"1			13,6	Никель 14,6	15,8	15,8	15,65	17,3	18,1	19,0
Плотность, 10s кг/м®		8,90	8,87	8,83	8,79	8,75	8,71	8,67	8,62	8.58
Теплоемкость при постоянном давле- нии, ДжДкг.К): средняя 		437	448	475	503	503	507	511	520	524
истинная		445	457	514	569	540	528	540	552	565
Теплопроводность, Вт/(м.К) ....	—	82,9	73,3	63,6	59,4	62,0	66,0	70,0	73,0
'/дельное электрическое сопротивле- ние, 10_® Ом.м		6,85	10,3	15,8	23,0	30,6	34,2	37,2	39,9	42,8
Н рмальный модуль упругости, ГПа	201,7	184,0	178,0	184,8	192,5	183,5	171,0	159,0	149,0
Примеч а н и е. Теплопроводность, удельное электросопротивление и нормальный модуль упругости приведены для армко-желе а
осле отжига в водороде, для отожженных кобальта и никеля.
ТАБЛИЦА 2.12
СОСТОЯНИЕ АТОМОВ 34-ЭЛЕМЕНТОВ В ЧИСТЫХ МЕТАЛЛАХ
И СПЛАВАХ [22]
Вещество	Кристал- лическая струк- тура	Приближенная конфигурация электронных оболочек *	Число иеспа- реиных электро- нов	Магнит- ная струк- тура *•
Fe
Металл	оцк	З^оЗ^Мз'’-’	2,2	ФМ
»	гцк	3^°ЗЛ>г450’5	0,5	АФМ
»	ГОД	3d5,03^2,24s0,8	2,8	ФМ
Сплав FeCo	оцк	3d^°3d^4s°’s	2,8	ФМ
» FeMn	гцк	3d4x°3d3r54s0’5 т 4	0,5	АФМ
» FeNi3	гцк	3tfi3d2‘24s0,8 т v	2,8	ФМ
		Со		
Металл	гцк	3d5’°3d3,44so.e Т	V	1,6	ФМ
	ГПУ	З^З^Ч^-Б	1,5	ФМ
Сплав CoFe	оцк	3dl’03d3.«44s0’6	1,6	ФМ
» CoN i	гцк	З^ШЗЗфзМ	1,6	ФМ
		Ni		
Металл	гцк	3d53d4i’54s°’J t 4	0,5	ФМ
Сплав Ni3Mn	гцк	3dx3d4,-fi4s0*4 т 4	0,4	ФМ
» Ni3Fe	гцк	3d"3d4,’54s0’5 T 4	0,5	ФМ
» NiCo	гцк	3^3d4’54s°>5 t 4	0,5	ФМ
* Стрелка вверх соответствует «4-» — спину, стрелка вниз «—» — спину.
•* ФМ — ферромагнитная, АФМ — антиферромагнитная.
На гистерезис. Вместе с тем кремний неблагоприятно влияет на механические свой-
ства железа, увеличивая его хрупкость. Комбинированием горячей и холодной
прокатки и особой термической обработки кремнистой стали получают текстуро-
ванную сталь крупнозернистого строения, магнитные свойства которой в направ-
лении прокатки значительно выше, чем магнитные свойства стали, не подвергав-
шейся подобной обработке.
Особо чистое железо содержит обычно не более 0,05% примесей и исполь-
зуется для изготовления изделий со специальными магнитными свойствами.
В табл. 2.13 приведены магнитная проницаемость и коэрцитивная сила
Железа, подвергнутого различным видам обработки.
Примеси С, S, N и О в связи с малой растворимостью их в железе ухудшают
Структурно-чувствительные магнитные характеристики (коэрцитивную силу,
Роницаемость и др.). Значительную часть этих примесей можно удалить из
89
ТАБЛИЦА 2.13
СОСТАВ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА
ПОСЛЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ОБРАБОТКИ [24]
Железо	Содержание примесей, %		Магнитная проницаемость		Коэрци тнвная сила Н , А/м
	с	о	началь- ная Ни	макси- мальная Птах	
Технически чистое ....	0,02	0,06	250	7 000	64
Электролитическое ....	0,02	0,01	600	15 000	28
Карбонильное	 Переплавленное в вакууме	0,005	0,005	3 300	21 000	6,4
электролитическое		0,01	—	——	61 000	7,2
Обработанное в водороде Обработанное в водороде	0,005	0,003	6 000	200 000	3,2
особо тщательно	 Монокристалл чистейшего железа, отожженный в во- дороде особо тщательно	—	—	20 000	340 000	2,4
	—	—	—	143 000	0,8
железа соответствующей термообработкой, в частности отжигом в атмосфере водо-
рода.
Ниже приведены границы растворимости [% (по массе)] указанных элементов
в железе [25]:
С	. .	. 0,007	N	. . .	0,001
О	. .	. 0,01	Р	...	1,0
S . . . 0,02
В табл. 2.14 показано влияние содержания этих элементов на максимальную
магнитную проницаемость армко-железа.
ТАБЛИЦА 2.14
МАКСИМАЛЬНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ АРМКО-ЖЕЛЕЗА
РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ ЧИСТОТЫ, ОТОЖЖЕННОГО
В ЧИСТОМ ВОДОРОДЕ ПРИ 1748 К [25]
Длитель- ность отжига, ч	Содержание примесей, % (по массе)						М'тах
	С	S	О	N	Мп	Р	
0	0,012	0,018	0,030	0,0018	0,30	0,004	7 000
1	0,005	0,010	0,003	0,0004	—	—	16 000
3	0,005	0,006	0,003	0,0008	—	—	30 000
7	0,003	—	0,003	0,0001	—	—.	70 000
18	0,005	0,008	0,008	0,0001	0,028	0,004	227 000
Высокая электропроводность железа является причиной появления потерь
от вихревых токов и препятствует проникновению переменного магнитного поля
внутрь материала. При прочих равных условиях вихревые токи тем больше
90
чем меньше удельное электрическое сопротивление. Значения удельного электро-
сопротивления для чистого железа приведены ниже [25].'
Содержание железа, %...........
Удельное электросопротивление,
мкОм-м ............ . . . .
100	99,9	99,8	99,9 *
0,096 0,097 0,099	0,107
* Армко-железо.
Электрическое сопротивление железа с повышением температуры увеличи-
вается (см. табл. 2.15), температурный коэффициент для железа а0 = 5,6-10-3 К.-1.
Для повышения электросопротивления с целью снижения вихревых токов
в чистое железо вводят присадки других элементов. В табл. 2.15 показано влия-
ние некоторых легирующих элементов на удельное электросопротивление железа:
наиболее эффективны добавки Si и А1. По Йенсену [26], электросопротивление
(Ом-м) железокремнистых сплавов, содержащих от 0,35 до 6% Si, можно опреде-
лить по формуле
р = 9,6 + 18,4Psi (Psi — 0,35)- IO’8,
где Psi—содержание кремния, %.
ТАБЛИЦА 2.15
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ
НА ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА [25]
Концентрация легирующего элемента, % (по массе)	Удельное электросопротивление, мкОм.м				
	Си	Со	N1	А1	Si
0	0,096	0,096	0,096	0,096	0,096
1	0,015	0,011	0,013	0,020	0,020
2	0,013	0,013	0,015	0,029	0,033
3	0,012	0,014	0,016	0,039	0,043
4	0,011	0,016	0,018	0,048	0,053
5	0,011	0,018	0,020	0,059	0,063
6	0,010	0,019	0,021	0,067	0,074
Наименование «железо» условно применимо к низкоуглеродистой стали, из
которой изготавливают магнитопроводы всех видов и самых сложных форм:
сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, детали реле, экраны,
телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей переменного и постоянного
тока малой и средней мощности.
Химический состав и магнитные свойства различных марок электротехниче-
ской низкоуглеродистой стали, изготавливаемых в СССР, приведены в табл. 2.16.
Магнитные свойства указанных сталей формируются в результате специаль-
ной термической обработки, состоящей из медленного нагрева до 900 °C, длитель-
ной (2—4 ч) выдержки и медленного охлаждения до 600 °C. Процесс проводят
или в защитной среде, предохраняющей металл от загрязнения, или в рафини-
рующей среде, обеспечивающей дополнительную очистку металла от примесей.
Магнитные свойства технически чистого железа значительно улучшаются
при легировании Si и А1. Большое практическое применение нашли сплавы же-
леза с кремнием, известные под названием электротехнических (кремнистых)
Сталей.
Разнообразные технические требования, предъявляемые к электротехниче-
ским сталям, можно удовлетворять изменением их химического состава, толщины
листов или ленты и применением специальных технологических процессов изго-
товления и термической обработки изделий.
91
ТАБЛИЦА 2.16
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ [29]
Содержание примесей, % (по массе), не более *
Марка стали	с	Si	Мп	S	р	Си
э	0,04	0,2	0,2	0,03	0,025	0,15
ЭА	0,04	0,2	0,2	0,03	0,025	0,15
ЭАА	0,04	0,2	0,2	0,03	0,025	0,15
Э12, ЭЮкп	0,035	0,2	0,2	0,03	0,02	0,3
ЭЮ, ЭЮкп	0,035	0,2	0,2	0,03	0,02	0,3
Э8, Э8кп	0,035	0,2	0,2	0,03	0,02	0,3
Марка стали	Коэрци- тивная сила, А/м	Макси- мальная магнит- ная про- ницае- мость	Индукция (Тл) при напряженности магнит- ного поля, кА/м				гост
			0,5	2,5	5,0	50,0	
э	96	3500	1,38	1,62	1,71	2,18	ГОСТ 3836—47
ЭА	80	4000	1,38	1,62	1,71	2,18	
ЭАА	64	4500	1,38	1,62	1,71	2,18	
Э12, ЭЮкп	96	——	1,30	1,53	—.	—.	ГОСТ 11036—64
ЭЮ, ЭЮкп	80	—	1,30	1,53		—	
Э8, Э8кп	64	—	1,30	1,53				—	
* Остальное Fe.
Сталь электротехническую тонколистовую изготавливают по ГОСТ 802—58,
ленту холоднокатаную рулонную из электротехнической стали — по
ГОСТ 9925—61.
Некоторые магнитные свойства кремнистых электротехнических сталей
различных марок представлены в табл. 2.17.
Промышленные методы получения порошков железа
В промышленности железо широко применяют в виде порошка. Известно
несколько методов получения порошков металлов:
восстановление руды, окалины, окислов и солей;
распыление расплавленного металла;
электролиз водных растворов;
диссоциация карбонилов;
электроэрозия и др.
Метод восстановления. Промышленное распространение получил метод
получения железного порошка восстановлением железной руды, окалины, окислов
железа. Восстановление исходного сырья обычно проводят в среде водорода,
конвертированного; газа (75^76% Н2; 22—23% СО;. 1—2% СО2; 1—1,5% Н2О;
N2 не более 1%; 0,4% СН4) или твердым углеродом.
•В ереде водорода окислы железа обычно восстанавливают при 700—1000 °C.
Недостатком этого метода является относительно низкая производительность
печей. Характеристики железных порошков разных марок, получаемых восста-
новлением, приведены в табл. 2.18.
92
ТАБЛИЦА 2.17
МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ И УДЕЛЬНЫЕ ПОТЕРИ ПРИ ЧАСТОТЕ 50 Гц
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СТАЛЕЙ 131
Марка стали	Толщина листа, мм	Магнитная индукция (Тл) при напряженности магнитного поля, кА/м					Удельные потери Р (Вт/кг) при индук- ции, Тл		
		1	2,5	5	10	30	1,0	1,5	1,7
Горячекатаная сталь
ЭП	1,0			1,53	1,63	1,76]	2,0	5,8	13,4	—
Э12	1,о			1,50	1,62	1,75	1,98	5,5	12,5	—
ЭП	0,50			1,53	1,64	1,76	2,0	3,3	7,7		
Э12	0,50	—	1,50	1,62	1,75	1,98	3,2	7,5	—
Э13	0,50	—	1,50	1,62	1,75	1,98	2,8	6,5	—
Э21	0,50	—.	1,48	1,59	1,73	1,95	2,5	6,1	—
Э22	0,50	—	1,48	1,59	1,73	1,95	2,2	5,3	—
Э31	' 0,50			1,46	1,57	1,72	1,94	2,0	4,4	—
Э32	0,50	—	1,46	1,57	1,71	1,92	1,8	3,9	—
Э31	0,35			1,46	1,57	1,71	1,92	1,6	3,6	—
Э32	0,35			1,46	1,57	1,71	1,92	1,4	3,2	—
Э41	0,50	1,30	1,46	1,57	1,70	1,90	1,55	3,5	—
Э42	0,50	1,29	1,45	-1,56	1,69	1,89	1,4	3,1	—
Э43	0,50	1,29	1,44	1,55	1,69	1,89	1,25	2,9	—
Э43А	0,50	1,29	1,44	1,55	1,69	1,89	1,15	2,7	—
Э41	0,35	1,30	1,46	1,57	1,70	1,90	1,35	3,0	—
Э42	0,35	1,29	1,45	1,56	1,69	1,89	1,2	2,8	—
Э43	0,35	1,29	1,44	1,55	1,69	1,89	1,05	2,5	—
Э43А	0,35	1,29	1,44	1,55	1,69	1,89	0,9	2,2	—
Холоднокатаная малотекстурованная сталь
Э1100	0,50			1,53	1,64	1,76	2,0	3,3	7,5		
Э1200	0,50			1,53	1,64	1,76	2,0	2,8	6,5	—
Э1300	0,50			1,55	1,64	1,76	2,0	2,5	5,8	—
Э3100	0,50			1,50	1,60	1,73	1,96	1,7	3,7	—
Э3200	0,50	—	1,48	1,58	1,72	1,95	1.5	3,4	—
Холоднокатаная текстурованная сталь
эзю	0,50	16,0	1,75	1,83	1,91	1,98	1,1	2,45	3,2
эззо	0,50	17,0	1,85	1,90	1,95	2,0	0,8	1,75	2,5
эзю	0,35	16,0	1,75	1,83	1,91	1,98	0,8	1,75	2,5
эззо	0,35	17,0	1,85	1,90	1,95	2,0	0,6	1,3	1,9
ЭЗЗОА -	0,35	17,0	1,85	1,90	1,95	2,0	0,5	1,1	1,6
Э310	0,20	14,5	1,70									1,5 -	2,2
эззо	0,20	16,5	1,82	—	—	—	—	1,2	1,8
93
ТАБЛИЦА 2.18
ХАРАКТЕРИСТИКА ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ,
ПОЛУЧАЕМЫХ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ
	Насыпная	Химический состав, %	(по массе)
Исходное сырье	ПЛОТНОСТЬ, 108 кг/м8	^еобщ	С	S
Ру roti Corp., США
Окалина *	—	|	98,25 ТУ 14-127-35—73		0,02	0,005
Железорудный концен- трат, прокатная окали- на, кальцинированная сода	—	99,0—99,6	0,01—0,05	0,02
	ГОСТ 9849—74			
Прокатная	окалина, ламповая сажа, камен- ноугольный пек	2,0—3,0 2,3—2,5	98,5—96,0	0,08—0,25	0,02—0,08
Исходное сырье	Химический состав, % (по массе)			КРУП-
	р	Мп	Si	кость, мкм
	Ру гоп. Corp., США			
Окалина *	0,012	0,035	—	0,15—0,05
	ТУ 14-127-35—73			
Железорудный концен- трат, прокатная окали- на, кальцинированная сода	0,01	0,03—0,1	0,06—0,12	400—70
	ГОСТ 9849—74			
Прокатная окалина, ламповая сажа, камен- ноугольный пек	0,02—0,05	0,4—0,7	0,15—0,50	—
* Нерастворимый остаток 0,34% (по массе); гранулометрический состав, (%) по
фракциям, мкм; (0,15—0,1)—14; (0,1 —0,075)—21,5; (0,075—0,05)—14,5; < 0,05—49,5.
94
В СССР промышленное значение получил метод восстановления железной
окалины ^конвертированным газом; процесс включает следующие операции:
сушку окалины при температуре 350 °C; размол окалины совместно с сажей;
восстановление; размол металлической губки в молотковой мельнице; рассев
порошка.
Общая продолжительность восстановления 2—3 ч, температура восстановлю
ния 1100 °C. Полученный по этой технологии порошок (ГОСТ 9849—74) предна-
значен для изготовления деталей методом порошковой металлургии, сварочных
материалов, аккумуляторов и других изделий.
В зависимости от химического состава железный порошок подразделяют
на восемь марок, условно обозначаемых ПЖО, ПЖ1, ПЖ2, ПЖЗ, ПЖ4, ПЖ5,
ПЖ6, ПЖ7.
В условном обозначении железного порошка сначала указывают марку по
химическому составу, затем класс по гранулометрическому составу (К — круп-
ный, С — средний, М — мелкий, ВМ — весьма мелкий) и подгруппу по насыпной
плотности (например, ПЖМ2).
Характеристики порошка, получаемого по ГОСТ 9849—74, приведены
в табл. 2.19 и 2.20.
Железный порошок получают также методом восстановления окислов железа
в виде окалины и рудных концентратов твердым углеродом.
По этому способу шихту после смешивания загружают в шамотные тигли
таким образом, что окалина окружена слоем восстановителя — мелкой фракции
угля (термоштыба). Способ требует длительной (до 70 ч) выдержки при 1000 °C.
Охлаждение длится 40 ч.
Свойства порошка, получаемого по этой технологии, представлены
в табл. 2.21 и 2.22.
В табл. 2.23 представлены некоторые физические и химические характери-
стики порошков железа разных марок, выпускаемых фирмой «Hoganas»
(Швеция).
Высокими магнитными свойствами обладают магнитомягкие изделия из
порошка марки ASC 100.29, также выпускаемого фирмой «Hoganas» (табл. 2.24).
Эти характеристики получены благодаря высокой чистоте этого порошка.
Содержание примесей в порошке марки ASC 100.29, %: С 0,01; Si 0,01; Mg
0,05; Си 0,005; Ni 0,02; Сг 0,005; Al 0,004; Р 0,004; N 0,002; нерастворимый оста-
ток 0,05.
При использовании водорода в качестве защитной среды коэрцитивная сила
значительно снижается, что объясняется низким содержанием азота.
Метод распыления
Одним из наиболее производительных методов получения порошков яв-
ляется метод распыления. В его основе лежит распыление струи расплавленного
металла с помощью воздуха, инертного газа, пара или ударов лопаток враща-
ющегося диска. Распыление широко применяют при получении порошков из лег-
коплавких металлов и сплавов: алюминия, свинца, цинка, олова, бронзы, латуни,
меди, из чугуна, стали и железа.
Основными преимуществами методов распыления являются высокая произ-
водительность, легкость получения порошков как чистых металлов, так и сплавов
и возможность влияния на форму получаемых частиц порошка.
Частицы порошков, полученных методом распыления, имеют форму, близкую
к сферической, хотя наряду с ними получают частицы разветвленной формы.
Форма частиц зависит от поверхности натяжения расплавленного металла, его
вязкости, содержания примесеи в металле и от параметров распыления.
Проблемы распыления железного порошка изложены в работах [27—29].
Получаемые распылением в СССР порошки железа имеют следующий хими-
ческий состав, % (по массе) [30]: Fe 99,7; С 0,01; Si 0,08; Мп 0,005; S 0,003;
р 0,009; О2 0,2.
1Т По технологии, разработанной НПО «Тулачермет», ИПМ АН УССР и
ЧНИИЧМ, распыление осуществляют водой в воду с последующим отжигом
95
ТАБЛИЦА 2.19
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОССТАНОВЛЕННОГО ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА
(ГОСТ 9849 — 74)
	Содержание, % (по массе)							Остаток,
								
Марка	Fe,	с	Si	Мп	S	р	о	нераствори- мый в НС1,
	не менее							%
				не более				
пжо	99,0	0,02	0,10	0,015	0,015	0,015	0,20	0,25
ПЖ1	98,8	0,03	0,10	0,10	0,02	0,02	0,20	0,35
ПЖ2	98,8	0,03	0,10	0,30	0,02	0,02	0,20	0,35
ПЖЗ	98,5	0,08	0,15	0,40	0,02	0,02	0,50	0,40
ПЖ4	98,0	0,12	0,25	0,50	0,03	0,02	1,0	0,50
ПЖ5	97,0	0,10	0,25	0,60	0,03	0,03	2,0	—
ПЖ6	96,0	0,25	0,45	0,70	0,05	0,05	—	—
ПЖ7*	96,0	—	0,50	0,04	—	—	—	—
* Прочие элементы, %: Са, Mg, Ti по 0,02, Al 0,08,
ТАБЛИЦА 2.20
НАСЫПНАЯ ПЛОТНОСТЬ ВОССТАНОВЛЕННОГО ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА
(ГОСТ 9849 — 74)
Под- группа	Класс	Насыпная масса, 10s кг/м3	
		среднее значение	разброс значений *
Группа I 
1	К и С	2,0—2,5	0,15
	М и ВМ	2,0—2,2	0,10
2	К и С	2,6—3,0	0,15
	М и ВМ	2,3—2,5	0,10
3	К и С	Не менее 3,1	0,15
	М и ВМ	»	» 2,6	0,10
		Группа II	
1	К и С	2,0—2,4	0,20
	М и ВМ	2,0—2,2	0,20
2	К и С	2,6—3,0	0,20
	М	2,3—2,5	0,10
	ВМ	2,3—2,5	0,20
3	К и С	Не менее 3,1	0,20
	М и ВМ	»	»	2,6	0,20
* В пределах одной партии.
96
ТАБЛИЦА 2.21
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА,
ПОЛУЧАЕМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ТВЕРДЫМ УГЛЕРОДОМ
	Содержание, %	(по массе)
Марка	С	Si Fe,	Мп	S	Р
	не менее	
		не более
А	98,0	0,15	0,25	0,5	0,04	0,04 j
Б	96,0	0,25	0,45	0,5	0,04	0,04 J
В	94,0	0,40	1,20	0,5	0,05	0,05 -
ТАБЛИЦА 2.22
ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА,
ПОЛУЧАЕМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ТВЕРДЫМ УГЛЕРОДОМ
Группа	Содержание фракции, %							
	+ 0,45	— 0,45 + 0,25	— 0,25 + 0,16	— 0,16 + 0,125	-0,125 + 0,1	-0,1 + 0,08	— 0,08 + 0,056	— 0,056
Очень мелкий ОМ											5	25	70
Мелкий М		—	—	70	—	30	Остальное		
Средний С 		—	10	70	13	5		»	
Крупный К		30	50	15	—	—			—
ТАБЛИЦА 2.23
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА, В ЫПУСКАЕМЫХ ФИРМОЙ «Hoganii?»
Наименование		Характеристика порошков по маркам					
		i	1 W100.25	W40.24	1 W40.37	W40.37C	W40.37OX	W40.37COX
Насыпная	плот-	2,50	2,40	3,70	3,70	3,70	3,70
ность 103, Ситовый а мм +0,701	кг/м3 нализ, % меш +24				0		0
+0,589	+28	—	0	0	1	0	1
+0,417	+35	—	1	1	4	< 1	4
+0,208	+65	0	20	37	35	37	35
+0,147	+ 100	3	25	20	20	20	20
+0,104	+ 150	20	20	20	20	20	. 20
+0,074	+200	25	25	13	10	13	10
—0,074	—200		9	9	10	9	10
+0,61	+250	12	—	—	—				
+0,043	+325	20	—	—	—	—		
—0,043	—325	20		—.						
ге (общее), %		—	98,0	98,0	98,0	97,5	97,5
Потери в	Н,. . .		0,5	0,5	0,5	1,0	1,0
содержание, %: С					0,03	0,03	0,10	0,03	0,10
S Р 			—	0,012 0,008	0,012 0,008	0,012 0,008	0,012 0,008	0,012 0,008
4 Г, Г. Гнесин
97
ТАБЛИЦА 2.24
МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАЗЦОВ *
ИЗ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА МАРКИ ASC 100.29
Плотность 103, кг/м8	Атмосфера спекания	Коэрцитив- ная сила, А/м	Индукция насыщения, Тл	Остаточная индукция, Тл
7,0	Н2	122,4				
7,4	Н2	110,4	—	—
7,0	Диссоциированный	164,8	11,9	7,04
7,0	»	156,8	12,1	8,25
7,2	»	156,8	13,0	7,65
7,2	»	156,8	13,0	8,86
* Температура спекания 1120 °C.
ТАБЛИЦА 2.25
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРОШКА
РАСПЫЛЕННОГО ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ЖЕЛЕЗА [30]
Газ- распылитель	Состояние порошка	Намагниченность в поле 200 кА/м, Тл
Воздух	После распыления После отжига в водороде	0,735 0,85
Азот	После распыления После отжига в водороде	0,98 0,15
в водороде. В качестве исходного сырья используется сталь ЭП620, губчатое
железо.
Форма получаемых частиц несферическая, овальная (конгломераты), основ-
ная фракция 160 мкм.
Некоторые свойства распыленного железного порошка представлены
в табл. 2.25. Наиболее высокими значениями магнитных свойств обладают по-
рошки, полученные распылением расплавов азотом; в этих порошках окислы
концентрируются на поверхности.
Фирма «Hoganas» выпускает распыленные порошки железа, имеющие сле-
дующие характеристики:
АНС 100.29
ASC 100.29
Размер частиц, мм....................
Насыпная плотность X 103, кг/м3 . . .
Скорость течения 50 г, с..............
Плотность 103, кг/м3..................
Потери в водороде, % .................
Содержание углерода, °о...............
2,95
25—28
6,68—6,65
0,10—0,20
0,01—0,02
<17
2,95
25—28
6,68—6,65
0,10—0,15
0,01
98
Фирма «Metapol» выпускает железные порошки марок М260, Ml 100 и Ml 100Е,
имеющие следующие характеристики:
Насыпная плотность X 103, кг м3
Содержание, % (по массе):
Fe..............................
С.............................
S.............................
Р.............................
Потери в Н2, %	...............
Содержание (%) основных фракций,
мкм:
<32...........................
32—60 .......................
60—80 .......................
80—150........................
150—200.......................
М260 Ml 100	М1100Е
3,3—3,9	3,7—4,2	3,8—4,3
98	98	98
0,1	0,1	0,1
0,040	0,040	0,040
0,015	0,015	0,015
0,5 1	0,5—1	—
			
15—30	—	—
15—30	—	—
15—30	10—30	—
15—30	25—50	25—40
Получение порошка железа карбонильным методом
В основе карбонильного метода лежит способность железа с окисью углерода
образовывать комплексные соединения — карбонилы, которые в определенных
условиях могут диссоциировать с образованием порошка железа.
Карбонильные порошки тонкодисперсны, отличаются высокой химической
активностью и чистотой. Исходным сырьем для получения карбонильных порош-
ков являются колчеданные огарки, железный скрап, прокатная окалина, магнетит
и другие руды железа [31, 32].
Формирование порошковых частиц при разложении карбонилов железа
зависит от целого ряда факторов: температуры и давления в реакционном про-
странстве, скорости удаления окиси углерода из реактора, наличия зародышевых
примесей и газов, состояния стенок реактора и др.
При высоких температурах скорость диссоциации карбонила увеличивается
и размер частиц уменьшается. Так, при 250 °C (время пребывания в реакторе
2—3 с) размер частиц железа’составляет 6 мкм, при 300 °C 2,7 мкм, при 400 °C
размер частиц не превышает 1,1 мкм. При более высоких температурах (400—
500 °C) тончайшие выделения железа образуют нити или так называемую волокни-
стую (хлопьевидную) структуру.
Введение в реактор совместно с карбонилами небольших количеств различных
газов (инертные газы, азот, аммиак, воздух, галогены, углеводороды и др.) при-
водит к образованию тонких^сферических порошков.
Аммиак способствует снижению содержания примесей кислорода и углерода
в металлическом порошке.
Содержание кислорода и углерода — специфических примесей карбонильных
порошков —достигает 1—1,5% каждого. Для удаления этих примесей порошки
подвергают отжигу в атмосфере водорода при 400—600 °C. Суммарное содержание
кислорода и углерода после отжига может снижаться до 0,03%.
Карбонильным методом можно изготавливать порошки не только чистых
металлов, но и сплавов.
При совместном термическом разложении смеси карбонилов можно получать
легированные порошки в системах Fe—Ni, Fe—Со, Fe—Mo.
Высокая чистота карбонильных порошков, возможность получения легиро-
ванных порошков, использование недорогого и недефицитного сырья, хорошая
спекаемость порошков — все это является положительной характеристикой кар-
бонильного метода производства. Однако стоимость карбонильных порошков
остается пока высокой, что ограничивает их промышленное применение.
4*	89
Ниже приведена характеристика карбонильного порошка (ГОСТ 13610—68):
Содержание, %:
Fe....................... 99,8—99,8
С...................... <0,1
прочие................. <0,05
Крупность, мкм. . .	1,0—3.5
В Австрии фирма «Gal Corp.»	выпускает карбонильные порошки железа трех
марок [30]:	Е	TH	SF
Содержание, "о: Fe		98,0	98,0	98,0
С		.	<0,8	0,8	0.8
О 		.	<0,3	0,3	0,3
N 		.	<0,9	0,9	0,9
Крупность, мкм	4—6	3—5	3—4
Фирма «Glidden Metals» производит порошок марки К-291, сердечники из
которого используются для работы при частоте 0,2—5 МГц (настроечные, резьбо-
вые и чашеобразные сердечники и тороиды). Порошок обеспечивает высокое
объемное сопротивление [30].
Электролитические высокодисперсные порошки
Высокодисперсные порошки железа и сплава Fe—Со с размером частиц,
соответствующим однодоменному состоянию, используют для изготовления по-
стоянных прессмагнитов.
Для железа и сплава Fe—Со критический диаметр dK частицы, при котором
коэрцитивная сила максимальна, равен 0,017 мкм [33, 34]. Для dK < 0,017 мкм
коэрцитивная сила уменьшается в связи с переходом в супермагнитное состояние,
для которого характерно самопроизвольное тепловое перемагничивание.
При 0,02 мкм энергетически выгодно образование двух и более доменов;
перемагничивание частицы происходит не в результате изменения направления
вектора намагниченности, требующего значительной величины перемагничива-
ющего поля, а в результате смещения границ, происходящего в диапазоне средних
и малых магнитных полей. В удлиненной однодоменной частице железа вектор
намагниченности ориентируется вдоль главной оси, для которой размагничива-
ющий фактор минимален и магнитостатическая энергия достигает минимума.
Для длинных эллипсоидов
^J = (Wrf-/V/)Js,	(1)
где Hcj —коэрцитивная сила по намагниченности; Nd—размагничивающий
фактор вдоль диаметра частицы; N[ — то же, вдоль длины частицы; Js — намагни-
ченность насыщения материала частицы (в данном случае железа или сплава
Fe—-Со).
Для системы хаотически ориентированных частиц
HcJ = 0,479 (Nd-Nt)Js.	(2)
Для частиц железа диаметром 0,0175 мкм и отношением длины к диаметру
4,6 : 1 было получено значение Hcj = 168 кА/м [33, 34].
Как видно из формул (1) и (2), температурный коэффициент коэрцитивной
силы однодоменных частиц определяется температурным ходом намагниченности
насыщения, т. е. очень мал (0,008%-К-1 до 200 °C).
Высокодисперсные порошки железа и сплава Fe—Со (30—40% Со) получают
электролизом растворов солей Fe на неподвижном ртутном или на вращающемся
металлическом катоде.
Ртутный катод применяют в США, Франции, Японии. В качестве электролита
используют раствор сернокислого железа. Удлиненные частицы получают при
100
сохранении катода в полном покое (отсутствие вибраций и толчков). Анодную
пластину располагают строго параллельно зеркалу ртутного катода, что обеспе-
чивает равномерность заданной плотности тока в пределах 100—500 А/ма при
0 °C и выдержке 3500 с. Частицы порошка имеют вытянутую форму с ветвистыми
отростками (дендритами), величина которых увеличивается с повышением темпе-
ратуры электролита и времени выдержки. После термического старения ртутной
суспензии, сопровождающегося частичным растворением отростков, частицы при-
обретают форму длинных цилиндров с небольшими выпуклостями на боковой
поверхности. Для стабилизации частиц в коллоидном растворе и предохранения
их от взаимных контактов при последующем прессовании на поверхность частиц
наносят слой Sn или Sb, для чего в ртутную суспензию вводят насыщенный
ртутнооловянный или ртутносурьмянистый сплав.
Прессованием ртутной суспензии в магнитном поле 400 кА/м с последующей
откачкой ртути через специальные отверстия в пуансоне получают брикеты из
ориентированных ферромагнитных частиц. Остаток ртути извлекают нагреванием
брикета в вакууме и возвращают ее в электролизный бак.
Брикет пропитывают органическим веществом или немагнитным сплавом,
гранулируют и, смешивая, со связующим, получают порошок для прессования
микропорошковых магнитов.
В Советском Союзе высокодисперсные ферромагнитные порошки получают
на вращающемся катоде в двухслойной ванне, нижний слой в которой является
электролитом—водным раствором хлоридов осаждаемых металлов, верхний —
раствором поверхностно активного вещества (ПАВ) в органическом растворителе
(например, раствор олеиновой кислоты в толуоле) [35].
В качестве анодов используют пластины из осаждаемых металлов (Fe, Со),
соотношение между которыми в сплаве регулируют подаваемой на соответствую-
щий анод величиной тока; катод представляет собой погруженный в электролит
и раствор ПАВ диск из нержавеющей стали, вращаемый вокруг горизонтальной
оси электродвигателем.
Образующиеся в процессе электролиза частицы порошка переносятся катодом
в верхний слой ванны, где покрываются слоем ПАВ, защищающим порошок от
окисления. Процесс получения порошка непрерывный.
Извлеченный из электролитической ванны порошок освобождают в центри-
фуге от избытка органических компонентов, затем промывают от остатков элек-
тролита и высушивают. При последующей термообработке происходят дальней-
шее удаление органических компонентов, восстановление образовавшихся в про-
цессе электролиза окислов, отделение дендритных отростков от остова частиц,
частичная рекристаллизация металлической компоненты, уменьшение плотности
краевых дислокаций, устранение других дефектов структуры. Термообработку
проводят в остро осушенном водороде при 300 °C в течение 4 ч. После термообра-
ботки порошок содержит 90—94% (по массе) металлической компоненты, что
позволяет достичь 50—62% (объемн.) содержания ферромагнетика в порошке.
Частицы порошка имеют длину 0,4—0,6 мкм со средним отношением диаметра
к длине 1 : 10, на остове сохраняются остатки дендритных отростков.
Смешивая порошок с полимерной связкой [5—15% (по массе)], получают
пресспорошок для изготовления микропорошковых Магнитов, выпускаемый по
ТУ 98-13—78 (разработчик ИПМ АН УССР). Из пресспорошка прессуют магниты
с максимальной магнитной энергией 3 кДж/м®.
Магнитно-абразивные порошки
Особым видом композиционных порошков на основе железа являются маг-
нитно-абразивные, которые используют в качестве режущего инструмента на
операциях финишной обработки в процессах магнитно-абразивного шлифования
и полирования деталей как простого, так и сложного профиля (пуансоны, запор-
ные иглы, медицинский инструментарий, лопатки турбин и т. Д.). В процессе ис-
пользования такой порошок удерживается неоднородным постоянным магнитным
полем у обрабатываемой поверхности или перемешается относительно этой по-
верхности с заданной скоростью. Магнитным компонентом порошка является
101
железо [75—9О°о (по массе)], абразивным— тугоплавкие соединения (карбиды,
бориды, карбонитриды, корунд).
Основные требования, предъявляемые к магнитно-абразивным порошкам:
высокие режущие свойства абразивною компонента, высокая магнитная прони-
цаемость в средних и сильных магнитных полях (0,6—1,2 Тл), низкая остаточная
индукция магнитного компонента, возможность длительного и многократного
использования, высокая степень взаимодействия между магнитным и абразивным
компонентами, невысокая стоимость.
Магнитно-абразивные порошки получают смешиванием 70—9О°о (по массе)
технического железного порошка (например, марки ПЖ2М ГОСТ 9849—74 или
ПжЗ ГОСТ 9849—74), абразивного компонента (электрокорунда, карбида титана,
карбида кремния и др.) и связки [2% (по массе)], например индустриального
масла, для устранения расслоения по плотности с последующим брикетированием
под давлением 0,2 0,3 ГПа и спеканием в защитной атмосфере (водород, аммиак)
при 1000—1300 °C в течение 30 мин [36].
Брикеты подвергают дроблению, размолу, порошки рассеивают на фракции
60—250 и 250—800 мкм. Такие порошки обеспечивают получение И—13-го клас-
сов шероховатости поверхности за 30—60 с машинного времени на деталях из
закаленных сталей У8, ШХ15, 60С2, ХВГ, 4X13 и др.
Другой метод заключается в смешивании высокодисперсных порошков пере-
ходных металлов, углерода или бора с порошком железа зернистостью 0,5—1 мм,
брикетировании смеси и спекании ее в нейтральной или защитной атмосфере
с опережающим образованием каркаса из тугоплавкого соединения, поры кото-
рого заполнены расплавленным железом.
Полученные в результате размола порошки отличаются высокой прочностью
связи магнитного и абразивного компонентов, что обеспечивает их высокую изно-
состойкость. Порошок на основе карбида титана содержит 60—70% (по массе)
железа (остальное— карбид титана); микротвердость сетки каркаса 32—35 ГПа,
толщина включений сетки 10—100 мкм. Порошки применяют для шлифования
закаленных сталей У8, У10, ШХ15, ХВГ, 4X13 и др.
Разработаны методы получения магнитно-абразивных порошков прокаткой,
распылением и др.
* *
*
Порошки железа и его сплавов широко используют для изготовления раз-
личных видов изделий (конструкционных, фильтровых, композиционных, фрик-
ционных, антифрикционных, электротехнических и др.), получаемых методом
порошковой металлургии.
Изделия электротехнического назначения изготавливают как из чистых, так
и из легированных различными присадками порошков железа.
Характеристики сплавов на основе железа, применяемых в электротехнике,
представлены в табл. 2.26.
2.2.2.	КОБАЛЬТ
Кобальт — тяжелый металл с характерным металлическим блеском, ковок
и пластичен. Имеет сам>ю высокую точку Кюри (1394 К)
Кобальт обычно кристаллизуется в гексагональной плотной упаковке; вое
становление при слабом нагреве водородом приводит к образованию модификации
с гранецентрированной кубической решеткой. Эта модификация устойчива выше
480 С, однако растворенный водород делает ее устойчивой и при более низких
температурах.
Межатомное расстоя! ие Со Со } обеих модификаций практически одинаков
При нормальном давлении в металлическом кобальте растворяется при
600 С 0,8, при 1200 С 4,9 мг кг водорода. Количество абсорбированного водорода
растет пропорционально корню квадратному величины его давления. Раствори
мость углерода при 1300 С 1°о, при 1500 °C 3,5%. Азот до 1200 °C практически
102
ТАБЛИЦА 2.26
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
Характеристика	Марка или состав сплава	Основные компоненты	Уровень определяющих свойств	Назначение (область применения)
Магнитомягкие мате- риалы	Листовая электротехниче- ская сталь марок: ЭИ, Э12, Э13: Э21; Э22: Э31; Э32; Э41; Э42; Э43; Э43А; Э44; Э45; Э46; Э48; Э310; Э320; ЭЗЗО; ЭЗЗОА; Э340; Э370; ЭЗЗО; Э1100; Э1200, Э1300; Э3100; Э3200	Железо, кремний	Удельное сопротивление 0,25—0,60 мкОм.м. Индук- ция Bq 5 — В2 5 А/м не менее 1,19—1,85 Тл '	Основной магиитомягкий мате- риал массового потребления. Используют для изготовления магннтопроводов, статоров, де- талей реле, сердечников транс- форматоров
Магнитомягкие сплавы с высокой индукцией насыщения	Пермендюры (сплавы с со- держанием Со от 50 до 70%)	Железо, кремний	Индукция насыщения до 2,4 Тл, удельное электриче- ское сопротивление невелико	Применяют в специальной аппа- ратуре, осциллографах, теле- фонных мембранах, динамиче- ских редукторах
Магнитомягкие сплавы с высокой магнито- стрикцией	К.50Ф2, К65, сплавы си- стемы Fe—Pt и Fe—Al	Железо, кобальт, платина, алюминий	Высокие значения магнито- стрикции и низкая коэрци- тивная сила	Используют для изготовления магнитострикционных преобра- зователей, в ультразвуковых технологических установках, в дефектоскопах
Магнитомягкие сплавы с незначительным изме- нением магнитной про- ницаемости при изме- нении напряженности поля	Перминвар	Железо, никель, кобальт	Начальная магнитная прони- цаемость 300 остается по- стоянной в интервале напря- женности поля до 250 А/м при индукции 0,1 Тл	Используют в устройствах спе- циального назначения
То же	Изоперм	Железо, никель, алюминий	Магнитная	проницаемость 30—80, имеет лучшую ста- бильность магнитных свойств	
©
Характеристика	Марка или состав сплава	Основные компоненты
Термомагнитные мате- риалы	ТКМ08-1, ТКМ09-1, ТКМ015-1, ТКМ017-1 и др.	Железо, никель, хром, кобальт
Пермаллои *	—	Никель, железо
Дльсиферы	—	Железо, кремний, алюминий. Опти- мальный состав, %: Si 9,5, Al 5,6, остальное Fe
Магнитомягкне ферри- ты	Марганеццннковые, ни- кельцинковые, литийцин- ковые ферриты	Системы из окис- лов железа и окис- лов соответствую- щего металла AkO.Fe,O,
Сплавы для нагрева- тельных приборов	0Х23Ю5А, 0Х27Ю5А ни- хромы или ферроиихромы Фехрали или хромали	Железо,	хром, алюминий, цирко- ний; железо, ни- кель, хром Железо,	хром, алюминий
* См. в разделе «Никель».
Продолжение табл. 2.26
Уровень определяющих	Назначение
свойств	(область применения)
Сильная температурная зави- симость магнитной индукции в определенном интервале тем- ператур; полная обратимость свойств в диапазоне измене-	Используют для изготовления компенсаторов, датчиков тем- ператур
ння температуры от —70 до
+ 70 °C для Fe—Ni—Со спла-
вов
Сплавы с высокой магнитной проницаемостью и малой ко- эрцитивной силой	Широко применяют в различ- ных областях электротехники, радиотехники, приборостроения
Начальная магнитная прони- цаемость 35 500, максималь- ная магнитная проницаемость 120 000, электросопротивле- ние 0,8 мкОм.м	Используют для изготовления магнитных экранов^ корпусов приборов и т. д.
Высокое удельное сопротив- ление (в 10е—10й раз боль- ше, чем у железа) наряду с достаточно высокими ма- гнитными свойствами	Широко применяют для изго- товления магиитомягких' изде- лий, работающих при повышен- ных и высоких частотах. При- менение ограничивают механи- ческие свойства (твердость и хрупкость) и низкая^индукция насыщения
Высокое удельное электросо- противление, достаточно ма- лый температурный коэффи- циент электросопротивления;	Используют для изготовления нагревателей, резисторов, тен- зодатчиков
жаростойкость
нерастворим в кобальте. Кобальт не взаимодействует с Ag, Hg, In, Pb и Tl. Об-
разует непрерывные ряды твердых растворов с Fe, Ir, Мп, Ni, Pd, Pt, Rh; обра-
зует обширные, но ограниченные области твердых растворов с Au, Сг, Os, Re,
Ru. Многие металлы образуют с кобальтом интерметаллические соединения, на-
пример СоМо, Со2Мо3, СоМо3. Ксбальт сплавляется с В, Si, С, образуя бориды,
силициды, карбиды.
Компактный кобальт только выше 300 °C начинает покрываться тонкой
пленкой окиси, но восстановленные водородом кобальтовые порошки пирофорны
и воспламеняются на воздухе самопроизвольно. Кобальт медленно растворяется
в разбавленных НС1, H2SO4 и HNO3, но быстро пассивируется концентрирован-
ной HNO3. Плавиковая кислота HF не действует на кобальт даже при нагрева-
нии; «царская водка» и щавелевая кислота (СООН)2 растворяют кобальт при ком-
натной температуре; щелочи реагируют с ним при температуре красного каления.
Cl, Br, I взаимодействуют с кобальтом при комнатной температуре, S, Se, Р, As
и Sb— при нагревании.
Порошкообразный кобальт под давлением До 25 МПа при 150—220 °C сое-
диняется с СО, образуя карбонил [Со (СО4) 12. При термическом разложении этого
соединения получают тонкие ферромагнитные пленки, которые используют в вы-
числительной технике для записи информации с наибольшей плотностью.
В Советском Союзе металлический кобальт получают электролитическим или
огневым рафинированием.
Химический состав промышленных марок кобальта, выпускаемых по ГОСТ
123—78, приведен в табл. 2.27. Ксбальт поставляют в виде слитков, катодных
листов или пластин, нарезанных из катодов. Максимальный размер пластин
500X500 мм, минимальный 20X20 мм; масса слитка не более 25 кг. Марку ко-
бальта выдавливают на слитке. Гарантийный срок хранения 20 лет.
Определение химического состава кобальта всех марок производят по ГОСТ
741.0—69— ГОСТ 741—18—69 и ГОСТ 8776—71.
ТАБЛИЦА 2.27
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОБАЛЬТА РАЗЛИЧНЫХ МАРОК
(ГОСТ 123—78)
Марка	Содержание, % (по массе)											
	Со, ие меиее	А1	Bi	Fe	Si	Cd		Mn		Cu	As	
		не более										
ко К1Ау К1А К1 К2	99,98 99,35 99,30 99,25 98,30	0,001	0,0003 0,0004 0,0005	0,003 0,2 0,2 0,2 0,5	0,001	0,0003 0,001 0,001		0,0005 0,03 0,07 0,07 0,1		0,001 0,02 0,03 0,03 0,08	0,0005 0,001 0,002 0,002 0,005	
Марка	Содержание, % (по массе)											
	Mg	Ni	Sn	s	Sb		Pb		c	p		Zn
	не более											
ко К1Ау К1А К1 К2	0,001	0,005 0,3 0,3 0,3 0,5	0,0003 0,0004 0,001	0,001 0,004 0,004 0,004 0,01	0,0003 0,0006 0,001		0,0003 0,0005 0,0005		0,005 0,02 0,02 0,03 0,1	0,0005 0,002 0,003		0,001 0,002 0,003
105
В Советском Союзе кобальтовый порошок для производства спеченных изде-
лий и постоянных магнитов получают электролитическим методом. Химический
состав промышленных марок кобальтовых порошков, выпускаемых по ГОСТ
9721—71, приведен в табл. 2.28.
ТАБЛИЦА 2.28
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ КОБАЛЬТОВЫХ ПОРОШКОВ
(ГОСТ 9721 — 71)
Марка порошка	Содержание, % (по массе)						Потери при прокаливании в водороде, %
	Со, не меиее	Fe	Si	Ni	с	Си	
		не более					
ПК-1 ПК-2	99,2 98,2	0,2 0,5	0,03 0,05	0,4 1,0	0,02 0,05	• 0,05 0,10	0,1 0,1
Фирма «Hamilton technology, inc» (США) выпускает продукт (99,9% Со),
близкий по чистоте к кобальту марки КО по ГОСТ 123—78 (99,98% Со).
Гранулометрический состав кобальтового порошка должен соответствовать
нормам, установленным ГОСТ 9721—71: через сито с сеткой № 0045 (ГОСТ
3584 53) должно проходить не менее 30% порошка, а остаток на сите с сеткой
№ 0071 должен составлять не более 4%.
Порошок поставляют в герметичных металлических банках, полиэтиленовых
бутылях или пластмассовых мешках. Гарантийный срок хранения кобальтового
порошка 4 мес с момента его изготовления.
Ниже приведены марки, химический состав и физические свойства порошков
кобальта, выпускаемых фирмой «Eurotungstcne S. А»:
	СоС	CoF	CoUF
Химический состав*1, %:			
Со, не менее			99,9/99,8	
примеси, не более:			
Ni	 Fe 	 SiO2 	 CaO 	 О 		0,6/0,8	0,02/0,04 0,01/0,04 0,01/0,03 0,02/0,06 0,7/0,9	0,8/1,0
Плотность после утряски, 103 кг/м3 (±15%)	2,1	1,7	1,65
Насыпная плотность, 103 кг/м3 (±15%) . . .	1,15	1	0,85
Удельная поверхность по воздухопроницаемо- сти, 10е м2/м3 (±15%):			
по Ридгену 		4,4	6,0	7,7
по Фишеру 		3,5	4,8	6,2
Удельная поверхность по БЭТ X 10е, м2/м3 . .	7,0	14,0	20,0
Диаметр частиц, мкм (±15%):			
по Ридгену 		1,36	1	0,78
по Фишеру 		1,71	1,25	0,96
Размер кристаллитов по данным рентгенов-			
ского анализа, нм (±15%)		—	65	50
Содержание гексагональной фазы, % (±15%) Содержание кубической фазы, % (±15%)	5 *2	10	15 *3
	95 *2	90	85 *3
Коэрцитивная сила, кА/м (±15%)			7,2	7,2	8,8
** В числителе — наиболее вероятное содержание, в знаменателе — гарантиро-
ванное.
*2 ±20%.
•» ±10%.
106
Рис. 11, Гранулометрические кри-
вые порошков кобальта [47]:
1 — СоС; 2 — CoF; 3 — CoUF
Гранулометрический состав по-
рошков приведен на рис. 11.
Порошки упаковывают в ме-
таллические 30-, 50- и 60-л бочки,
причем бочку с порошком марки
CoUF дополнительно помещают
в двойной пластиковый мешок.
Порошки фирмы «Eurotungs-
tene S. А» используют в производ-
стве литых и спеченных магнитных
сплавов (альнико), твердых спла-
вов на основе карбидов металлов,
для пайки алмазных буровых ко-
ронок, приготовления кобальтовых
солей.
Мировое потребление кобальта (тыс. т) составило в 1940 г. 3, в 1965 15,
в 1975 г. 20.
Потребление кобальта (%) при производстве различных материалов в про-
мышленно развитых странах Запада в начале 70-х годов представлено ниже:
Группа материалов
Потребление, %
Магнитные сплавы ...................................... 27
Жаропрочные сплавы......................................... 21,5
Краски и лаки.......................................... 13
Износо- и коррозионностойкие сплавы для химической и ме
таллургической промышленности.......................... 8,5
Керамики и эмали ...................................... 7
Сплавы с низким коэффициентом расширения для контрольно-
измерительных приборов, с низким модулем упругости для
пружин и т. п. ........................................ 7
Стали с высоким пределом текучести (в самолето- и ракето-
строении) ............................................. 6,5
Порошок металлического кобальта для изготовления твердых
сплавов................................................ 4
Катализаторы в химических производствах и микроэлементы
в сельском хозяйстве (в животноводстве)................ 3
Быстрорежущие стали.................................... 2,5
В конце 70-х годов потребление кобальта значительно возросло в связи с рас-
ширением производства РЗМ кобальтовых постоянных магнитов с рекордными
значениями магнитной энергии.
Радиоактивный изотоп кобальта 60Со с периодом полураспада 5,24 года при-
меняют как источник у-излучения в технике и медицине.
2.2.3.	НИКЕЛЬ
Никель широко применяют при производстве сплавов электротехнического
назначения, в частности магнитомягких и магнитотвердых материалов, кон-
тактов, нагревателей и сплавов высокого сопротивления, электродов термо-
пар и др.
Физические свойства никеля и их зависимость от температуры приведены
в разделе 2.2.
107
Металлический никель представляет собой блестящий белый металл
с серебристым оттенком, хорошо полируется, легко куется и прокаты-
вается.
По химическим свойствам никель является металлом средней активности:
медленно растворяется в разбавленной соляной и серной кислотах, в концентри-
рованной азотной кислоте не растворяется, с сильными щелочами не реагирует.
Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью, что объясняется
его склонностью к пассивированию— образованию на поверхности окисных пле-
нок, обладающих защитным Действием.
Продольная магнитострикция монокристаллов никеля во всех направлениях
отрицательна. Абсолютное значение уменьшения длины—наибольшее в на-
правлении [100] и наименьшее в направлении [111]: ^-[iOoj'10e = —46;
X 10е = •—25. Поперечная магнитострикция во всех направлениях кристалла
положительна. Константа магнитострикции насыщения Xs-10e=34.
Магнитокристаллическая анизотропия, Дж/м3-102:	= (—34)-=-(—50);
К2= 50 [25].
Сплавы железа с никелем обладают при определенных составах исключитель-
но высокой магнитной проницаемостью, недостижимой в других промышленных
сплавах. Высокая проницаемость этих сплавов связана с тем, что при определен-
ных соотношениях компонентов энергии магнитной анизотропии и магнитострик-
ции минимальны.
Технология изготовления железоникелевых сплавов с высокой проницаемо
стью (пермаллоев) заключается в выплавке в электрических печах небольшой ем-
кости, ковке и горячей прокатке до 2—4 мм, холодной прокатке с одним или не-
сколькими промежуточными отжигами и окончательном высокотемпературном
отжиге. На всех этапах принимают меры для предохранения от попадания в спла-
вы С, S, Р, О, N и других элементов или их удаляют. Для защиты от окисления, а
также для рафинирования металла термообработка осуществляется в вакууме
или водороде.
Химический состав и магнитные свойства железоникелевых сплавов, выпу-
скаемых промышленностью СССР, представлены в табл. 2.29 и 2.30 [ГОСТ
9849—74].
Для придания пермаллоям необходимых свойств в их состав вводят добавки.
Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную
проницаемость пермаллоев и уменьшают чувствительность к механическим де-
формациям.
Добавки меди делают более постоянной магнитную проницаемость в узких
интервалах напряженности магнитного поля, повышают температурную стабиль-
ность и удельное сопротивление, а также улучшают склонность сплавов к меха-
нической обработке.
Кремний и марганец увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.
Пермаллой применяют для изготовления сердечников малогабаритных транс-
форматоров, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных экранов, сердечников
магнитных усилителей, вычислительных машин, счетно-решающих устройств,
сердечников головок магнитных записывающих устройств и др.
Промышленность выпускает никелевые порошки, которые находят широкое
применение для изготовления фильтровых материалов, магнитных сплавов,
проката и других спеченных изделий.
Порошки никеля получают восстановлением, карбонильным и электролити-
ческим методами.
Получение порошка никеля восстановлением
Сырьем для получения восстановленного никелевого порошка являются
углекислые и щавелевокислые соли никеля, которые при нагреве в результате
разложения дают закись никеля, которую затем восстанавливают водородом,
аммиаком, конвертированным газом при 700—750 °C в течение 1—2 ч. После
восстановления никелевая губка легко дробится и поступает на рассев. Ниже
108
ТАБЛИЦА 2.29
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Марка сплава	С	Si	Mn	s	P	Cr	Ni	Mo	Cu	ГОСТ, ТУ
79НМ,	<0,03	0,3—0,5	0,6—1,1	<0,02	<0,02		78,5—80,0	3,8—4,1	<0,2	ГОСТ 10994—64
79НМ-У 80НХС,	=$0,03	1,1—1,5	0,6—1,1	<0,02	8=0,02	2,6—3,0	79,0—81,0			<0,2	ГОСТ 10994—64
80НХС-ВИ 76НХД,	<0,03	0,15—0,30 ,	0,3—0,6	<0,02	s=0,02	1,8—2,2	75—76,5			4,8—5,2	ГОСТ 10994—64
76НХД-ВИ										
80НМ	<0,03	<0,25	0,4—0,6	8=0,006	<0,02	—	79,4—80,6	5,0—5,4	—	ЧМТУ 1-842—69
77НМД	<0,03	0,2—0,3	0,9—1,4	<0,01	<0,02	—	75,5—78,0	3,9—4,5	4,8—6,0	ЧМТУ 1-842—69
80НХ	<0,05	0,15—0,30	0,3—0,6	<0,02	s=0,02	2,8—3,2	79,5—81,0	—	—	ВТУ/ЦНИИЧМ 140—56
83НФ **	<0,01	<0,05	<0,1	<0,01	<0,01	—	83—84,5	—.	—.	ЧМТУ/ЦНИИЧМ
78Н	===0,03	0,15—0,30	0,5—1,0	<0,02	<0,02			78—79,5					1511—71 ЧМТУ 5829—55
50НХС,	<0,03	1,1—1,4	0,6—1,1	<0,02	<0,02	3,8—4,2	49,5—51,0	—	s=0,2	ГОСТ 10994—64
50НХС-ВИ										
38НС	<0,03	2,8—3,2	0,3—0,6	<0,02	<0,02	—	37—38,5	—	<0,2	ГОСТ 10994—64
45Н	<0,03	0,15—0,30	0,6—1,1	<0,02	<0,02	—	45—46,5	—	<0,2	ГОСТ 10994—64
50Н,	<0,03	0,15—0,30	0,3—0,6	<0,02	<0,02	—	49—50,5	—	<0,2	ГОСТ 10994—64
50Н-У, 50НП, 50НП-У, 50НП-ВИ, 50НП-ЭЛ										
65НП	;g=0,03	0,15—0,30	0,3—0,6	<0,02	<0,02		64,5—66,0	—	<0,2	ГОСТ 10994—64
* Остальное Fe.
V 4,8—5,1%.
©
© ______________________________________________________________________________________________________________________
ТАБЛИЦА 2.30
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Марка сплава, вид продукции	Толщина или диаметр, мм	Проницаемость, не менее		Коэрцитив- ная сила Нс, А/м, не более	Индук- ция на- сыще- ния, В, Тл	ГОСТ, ТУ
		начальная Нн	максималь- ная Нтах			
79НМ: холо нокатаные ленты г ря екатаные листы прутки 80НХС хото нокатаные ленты горячекатаные листы 80НМ, холоднокатаные ленты 80НХ, холоднокатаные ленты 83НФ, холоднокатаные ленты 78Н, холоднокатаные ленты	0,005 0,01 3—22 8—100 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 3—22 8—100 0,05 0,10 0,15 0,20 0,35 0,1 0,02 0,05 0,1 0,05 0,10 0,25	10 000 14 000 20 000 20 000 18 000 20 000 22 000 28 000 35 000 30 000 25 000 20 000 20 000 40 000 50 000 60 000 80 000 100 000 18 000 35 000 40 000 50 000	35 000 60 000 80 000 80 000 70 000 90 000 120 000 130 000 150 000 170 000 150 000 70 000 70 000 140 000 160 000 200 000 250 000 300 000 100 000	6,4 5,6 3,2 3,2 4,0 3,2 2,4 1,6 1,2 1,0 1,2 •3,2 3,2 2,4 1,6 1,2 0,8 0,8 3,2	>0,75 >0,65 >0,70 >0,75	ЧМТУ 975—63 ГОСТ 10160—62 ГОСТ 10160—62 ЧМТУ 1-842 69 ВТУ ЦНИИЧМ 140 56 ЧМТУ/ЦНИИЧМ 1511—71 ЧМТУ 5329—55 и ЧМТУ 5329-1—56
Марка сплава, вид продукции	Толщина илн диаметр, мм
50НХС, холоднокатаные ленты 45Н:	0,02—0,04 0,05—0,08 0,10—0,18 0,20—0,30 0,35—0,50 0,55—1,0
холоднокатаные ле	0,02—0,04 0,05—0,08 0,10—0,18 0,20—0,30 0,35—2,50
горячекатаные лис	3—22
прутки 50Н:	8—100
холоднокатаные ле ть	0,02—0,04
	0,05—0,08
горячекатаные лнс ы	3—22
прутки	8—100
50НП, холоднокатань е те ты	0,02 0,05 0,10
65НП, холоднокатан е л нты	0,02—0,04 0,05—0,08 0,10—0,18 0,20—0,30 0,35—0,50
79НМ, холоднокатан ie тенты	0,01 0,02
Продолжение табл. 2.30
Проницаемость, не менее		Коэрцитив- ная сила Нс> А/А*, не более	Индук- ция насыще- ния, В, Тл	ГОСТ, ТУ
начальная Ни	максималь- ная ^шах			
1 500	15 000	20	1,0	ГОСТ 10160—62
2 000	20 000	16		
2 500	25 000	13		
3 000	28 000	10		
3 200	30 000	8		
3 000	20 000	10		
1 700	16 000	32	1,5	ГОСТ 10160 62
1 800	18 000	24		
2 000	20 000	24		
2 500	23 000	20		
2 800	25 000	16		
2 000	18 000	24		
2 000	18 000	24		
1 800	20 000	24			ГОСТ 10160—62
2 000	20 000	20		
2 500	20 000	24		
2 500	20 000	24		
500—1 000	35 000	20	1,5	ГОСТ 10160—62
500—1 000	35 000	18		
300—1 500	70 000	6,4	1,3	ГОСТ 10160 62
500—2 000	100 000	3,2		
500—2 000	200 000	2,8		
500—2 000	250 000	2,4		
500—2 000	300 000	2,4		
				3,2—6,4	—	ВТУ 4 70
	—	2,4—4,0	—	
представлен химический состав порошка никеля, полученного восстановлением
(по ВТУ ГКБ 5—48).
Марка....................................НП
Содержание, °о (по массе):
Ni + Со..............................99,5
из них:
Ni, не менее........................99,1
Со, не более ....................... 0,5
примеси, не более:
С.................................. 0,06
Си................................. 0,0
Si ................................ 0,03
Fe................................. 0,2
О .............................'	. . 0,10
влага.............................. 0,20
Получение порошка никеля электролизом
Электролиз осуществляется из раствора сернокислой никелевой соли. Со-
став ванны (в г/л): Ni от 15 до 25 (NiSO4-7H2O); NH4C1 40; NaCl от 50 до 80.
ТАБЛИЦА 2.31
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОШКА НИКЕЛЯ ПО ГОСТ 9722 — 71
[ Группа по хими- ческому составу	Группа по насыпной плотности *	Подгруппа по насыпной плотности **
0	т, п	1, 2, 3, 4
1	Л, ЛА, ВЛ	5, 6, 7
2	Т, П, Л, ЛА	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
3	ВЛ, ЛА	7
* Т — тяжелый; П — промежуточный; Л — легкий; ЛА — леткий для аккуму-
ляторной промышленности; ВЛ — весьма легкий.
** Данные по ГОСТ 9722—71.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Марка порошка	Группа по хими- ческому составу	Co+Ni, не менее	С	Fe	Содержание Со	—
ПНК0Т1, ПНК0Т2, пнкотз, ПНК0П4	0	99,85	0,15	0,002	0,001	
ПНК1Л5, ПНК1Л6, ПНК1ЛА10, ПНК1ЛА11, ПНК1ВЛ7	1	99,70	0,30	0,002	0,001	
ПНК2Т1, ПНК2Т2, ПНК2ТЗ, ПНК2П4, ПНК2Л5, ПНК2Л6, ПНК2ЛА10, ПНК2К8, ПНК2К9	2	99,70	0,30	0 ПО	0,001	
ПНКЗВЛ7, ПНКЗЛА4	3	99,50	0,50	0,010	0,001	
Примечание.
Порошки группы 0 содержат также S, Zn и Р
(по 0,001%)-
112
Условия процесса: pH — от 6,5 до 7,2, температура 20—30 °C, плотность
тока 1000—5000 А/м2, напряжение на ванне 7—12 В, анод— графит, катоды —
охлаждаемые.
Получение порошка никеля карбонильным методом осуществляется при нор-
мальном давлении и комнатной температуре.
В табл. 2.31 и 2.32 приведены данные для порошков никеля, изготовленных
карбонильным или электролитическим способом и предназначенных для изготов-
ления спеченных изделий и для других целей согласно ГОСТ 9722—71.
Фирма «INCO Europe Ltd» производит порошок никеля с помощью процесса
«Mond». Он состоит в следующем: концентрат никеля реагирует с окисью угле-
рода с образованием карбонилов никеля. При термической диссоциации карбо-
нила получают тонкий никелевый порошок. Модификации процесса позволяют
получать порошки никеля разных марок.
Химический состав полученного по этой технологии порошка никеля марки
123, % (по массе): С 0,03—0,08; О 0,15; S 0,001; Fe 0,01; прочие 0,01 (каждого);
остальное Ni. Характеристика порошка:
Средний размер частиц (по Фишеру), мкм ................ 4—7
Насыпная плотность, 108 кг/м3..........................1,8—2,5
Удельная поверхность, м2/г................................ 0,34
Угол естественного откоса, град........................... 62
В порошковой металлургии часто осуществляют совместное восстановление
окислов как метод получения легированных порошков. Так, сплавы Fe—Ni,
Fe Ni Mo, применяющиеся для производства магнитомягких спеченных мате-
риалов, получают восстановлением смеси соответствующих окислов водородом
при 800 900 °C в течение нескольких часов.
Порошки никеля и никелевых сплавов, выпускаемых промышленностью,
используют для изготовления магнитомягких и магнитотвердых материалов,
фильтровых материалов, сплавов специального назначения.
Около половины добываемого никеля применяют для производства сплавов
с низким содержанием Ni, которые находят применение как конструкционные,
антикоррозионные и сплавы со специальными свойствами:
Манганин (Си 85, Мп 11—13,5, Ni 2,5— 3,5%)—наиболее типичный ши-
роко применяемый сплав для резисторов.
ПОРОШКА НИКЕЛЯ
ТАБЛИЦА 2.32
примесей (не более)
	S1	Си	Mg	As	Мп	Sn	Pb	Sb
	0,001	0,001	0,001	0,001	0,0005	0,0003	0,0003	0,0003
	—	0,001	0,001	0,001	0,0010	0,0003	0,0003	0,0003
	0,002	0,003	0,001	0,001	0,001	0,0005	0,0010	0,0010
	0,003	0 003	0 001	0,001	0 001	0 0005	0,001	0,001
Cd и Bi (по 0,0003% каждого).
113
Константан (Си 60, Ni 40%) применяют для изготовления электронагре-
вательных элементов, реостатов, с успехом используют при изготовлении термо-
пар.
Нихромы (Ni 55 78, Сг 15 23, Мп 1,5%) — весьма технологичные сплавы,
легко протягиваются в тонкую проволоку или ленту. Широко используются для
электронагревательных элементов.
Инвар— сплав железа и никеля (36% Ni), имеет очень малый коэффициент
термического расширения.
Элинвар (Ni 36, Сг 12%) имеет низкий температурный коэффициент модуля
упругости.
Ковар и фернико (Ni 28, Со 18%) используют для спаев со стеклом.
Около 5% всего производимого никеля используют для магнитных сплавов.
Материалы с высокой проницаемостью, такие как пермаллой, гиперник и муме-
талл, содержат 40—80% Ni, сплавы для постоянных магнитов (типа альнико)
До 30%.
Чистый никель применяют в магнитострикционных преобразователях и
микрофонах. Магнитные Си—Ni сплавы, содержащие 10—30% Си, используют
для термомагнитных компенсаторов.
В небольших количествах никель расходуется для покрытия других металлов.
Мелкораздробленный никель применяют в качестве катализатора во многих
химических процессах.
2.2.4.	АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Ферромагнитные металлы являются основным компонентом аморфных маг-
нитных материалов. Аморфные материалы, получаемые быстрым (со скоростью
106—10е К/с) охлаждением расплавов, являются новым весьма перспективным
классом магнитных материалов [37].
Состав аморфного материала можно выразить формулой
Т75_83М26_17,
где Т— Fe, Со, Ni (в отдельных случаях с малыми добавками других металлов,
например Mo); М — Р, С, В, Si, Al.
Такие материалы не имеют границ зерен, определяющих коэрцитивную
силу. В аморфных материалах коэрцитивная сила вызывается искривлением 180°-
ных доменных границ при их смещении. Поэтому ее величина может быть исче-
зающе малой, порядка 0,5 А/м.
Остаточная намагниченность аморфных материалов может принимать зна-
чения 0,3—0,5Js. Магнитная анизотропия в аморфных материалах также ничтожно
мала.
В материалах с кубической структурой магнитострикция насыщения доста-
точно велика; однако имеются сплавы, например Co74FeeB2o, в которых эта
величина равна нулю, хотя индукция насыщения имеет значение 1,1 Тл. Низкое
значение коэрцитивной силы определяет рекордные значения начальной магнит-
ной проницаемости (10е).
Сопротивление аморфных сплавов более чем в 5 раз превосходит сопротивле-
ние электротехнических сталей, что обеспечивает низкие электрические потери
в диапазоне звуковых частот.
Так, тороидальные сердечники из ленты сплава Fe40Ni3SMo4B18 имеют сле-
дующие характеристики:
Индукция, Тл:
максимальная ...................................0,88
остаточная......................................0,75
Коэрцитивная сила, А/м............................0,56
Начальная магнитная проницаемость...............45-108
Точка Кюри, К .................................... 626
Удельные магнитные потери на частоте 10 кГц при
индукции 0,1 Тл, Вт кг ......................... 1,3
114
Фирма «Allied Chemical Corp.» выпускает аморфные
щими свойствами:
Марка .............................. А	2615
Химический состав ...............Ре^Р^С-Д
Магнитная индукция Bs, Тл, при тем
пературе, К:
77	................... 1,78
300 ........................... 1,64
материалы со следую-
В 2826
Fe40Ni40PuBe
1,01
0,86
В Советском Союзе аморфные материалы марок 45НПР-А, 81КСР-А, 84КСР-А,
85КСР-А выпускают в виде литой ленты толщиной 20—40 мкм, шириной 1—30 мм,
длиной 3—30 м. Ленту получают в результате резкого охлаждения жидкого ме-
талла в центрифуге. Последующая термическая обработка улучшает магнитные
свойства ленты (табл. 2.33).
ТАБЛИЦА 2.33
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АМОРФНЫХ СПЛАВОВ,
РАЗРАБОТАННЫХ ИНС ЦНИИЧМ
Марка сплава	Термическая обработка	Магнитная проницае- мость, Х10”4		Коэрци- тивная сила, А/м	Индук- ция на- сыщения, Тл	Коэффициент прямоугольности в поле напряженно- стью, А/м	
		на- чаль- ная Ио	мак- си- маль.- ная М'шах				
						8	800
45НПР-А	—	—	4—7	3,2—6,4	0,4— 0,78	0,90— 0,96	0,45— 0,70
	Отпуск * Отпуск в магнит- ном поле **		6,5 31,4	3,2 1,6	0,71 0,78	0,88 0,93	0,62 0,75
81 КСР-А	—	0,6— 0,7	28—30	1,2—2	0,6—0,7	0,80— 0,82	0,45- 0,50
	Отпуск	3	37	0,4	0,56	0,65	0,50
84КСР-А	—	0,5- 1,0	10—50	0,8—2,4	0,6— 0,75	0,5—0,8	—
85 КСР-А	—	—	10—15	2,4—4,0	0,8—1	0,95— 0,97	0,60— 0,90
	Отпуск	—	18—20	2—3,2	0,8—0,9	0,85— 0,95	0,50— 0,80
	Отпуск в магнит- ном поле	—	30—37	3,2—5,6	0,85— 1,0	0,98— 0,99	0,90— 0,95
* Отпуск проводят в вакууме в течение 1,5 ч при 300 °C.
** Напряженность продольного магнитного поля 1,5 кА/м.
Электрические и механические свойства сплавов до термической обработки
приведены ниже:
45НПР-А	85 КСР-А
Удельное электрическое сопротивление, мкОм-м . . .
Коэффициент линейного расширения, 10-6 К . . . .
Твердость, HV....................................
Прочность на разрыв, ГПа.........................
1,3—1,5
10 11
600 900
2
1,3
800—90
3,2
115
Относительное удлинение, %..........................   0,08	0,05
Модуль упругости, ГПа ............................... 105	128
Максимальная рабочая температура, °C................. 150	150
Аморфные магнитные материалы применяют для изготовления магнитных
экранов, головок магнитозаписывающих устройств, сердечников реле, трансфор-
маторов, магнитных усилителей. Их использование в электронных приборах
снижает стоимость последних и обеспечивает уменьшение потерь в трансформато-
рах. Аморфные материалы не могут быть использованы для работы при повы-
шенных температурах, разрушающих аморфное состояние в результате кристал-
лизации.
2.3.	Палладий и платина
Палладий и платина относятся к VIII группе Периодической системы Мен-
делеева, к которой также принадлежат Ru, Rh, Os, Ir.
Общими свойствами элементов VIII группы является их способность прояв-
лять в соединениях различные валентности и легко переходить из одного валент-
ного состояния в другое. Все они склонны к образованию комплексных соедине-
ний. Им свойственны тугоплавкие, чрезвычайно высокие температуры кипения,
незначительный атомный объем; они отличаются значительной каталитической
активностью, сильным сродством к сере и слабым сродством к кислороду.
Физические свойства палладия и платины приведены ниже [1].
Атомный номер ..................................
Молярная масса..................................
Молярный объем, КГ6 м3/моль.....................
Структура электронных оболочек..................
Потенциал ионизации атомов, эВ..................
Кристаллическая структура.......................
Период решетки, А...............................
Плотность, 103 кг/м3............................
Удельная теплоемкость при 298 К, Дж/(кг-К) . . .
Температура, К:
плавления ......................................
кипения ......................................
Теплота плавления при 298 К, Дж/кг..............
Теплота сублимации при 298 К, Дж/кг.............
Теплопроводность, Вт/(м-К) .....................
Коэффициент термического расширения при 283 К,
IO"’ К-1........................................
Характеристическая температура, К:
по упругим постоянным ..........................
Коэффициент поверхностного натяжения в жидком
состоянии, 10~8 Н/м.............................
Удельное электросопротивление, мкОм-м ..........
Термический коэффициент электросопротивления при
273 К, К'1......................................
Магнитная восприимчивость при 290 К ............
Работа выхода электронов, эВ ...................
Временное сопротивление в отожженном состоянии
при 293 К, МПа..................................
Относительное удлинение в отожженном состоянии
при 293 К, % ...................................
Относительное сужение в отожженном состоянии при
273 К, % . . J..................................
Твердость в отожженном состоянии при 293 К, НВ
Pd	Pt
46	78
106,4	195,09
8,84	9,09
4dl°	5<№
8,33	8,96
Кубическая	Кубическая
3,8902	3,9233
12,038	21,470
0,243	0,132
1827	2045,0
3150,0	4100,0
157,52	100,94
3504	2895
72,1	74,0
12,5	8,92
275	—
1600	1740
0,13	0,11
0,00368	0,00392
5,33	1,035
4,8	5,32
138	125 147
40	41
		95
373	392
Зависимость свойств палладия и платины от температуры приведена
в табл. 2.34 и 2.35.
116
ТАБЛИЦА 2.34
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ ПАЛЛАДИЯ
И ПЛАТИНЫ [1]
Температура, К	Удельное электросопротив- ление, мкОм-м	Коэффициент термического расширения, 10-6. к-1	Теплопро- водность, ВтДм.К)	Давление пара, Па
Палладий
4 10 30	—	—	765,0 . 1130,0 293,4	—1
60	—	—	83,6	—
73	0,02	—	—	—
75	—	6,21	—	—
90	—	—	76,1	—
100	—	—	73,7	—
125	—	—	71,2	—
130	—	9,5	—	—
150—175	—	—	70,5 .	•—
200	—	10,0	70,7	—
250	—	—	71,4	—
293	0,13	—	—	—
300	—	12,5	72,1	—
311	—	—	—	—
323	—	—	—	—
373	—	—	—	—
400	—	—	74,1	—
414	—	—	—	—
473	0,20	—	—	—
493			—	—	—
500	—	—	76,6	—
600	—	—	79,7	—
700	—	—	83,2	—
723	0,275	—	—	—
800	—	—	87,0	—
900	—	—	91,0	—
1000	—	—	94,9	—
1100	—	—	98,6	—
1200	—	—	102,0	—
1300	—	—	104,8	—
1400—1425					107,5	—
1500			—	—	0,24
1600			—	—	1,48
1700			—	—	7,32
1800	—	—	—	30,41
1850	—	—	—	58,27
Платина
3 4		0,007	418,7	—
5			0,0155	—	—
8			—	1318,0	—
10			0,071	—	—
12	—			1004,0	—
20	—	0,51	—	—
117
Продолжение табл. 2.34
Температура, К	Удельное электросопротив- ление, мкОм, м	Коэффициент термического расширения, ю-«. к 1	Теплопро- водность, Вт/(м.К)	Давление пара, Па
30		1,43		—
53	0,005		—	—
60	—	—	100,5	—
65	—	5,01	—	—
85	—	6,09	—	—
100	0,034	—	85,0	—
200	0,070	—	79,0	—
283	—	8,92	—	—
300	0,110	—	74,0	—
400	—	—	73,0	—
473	—	9,09	—	—
500	0,180	—	73,0	—
573	—	9,30	—	—
600	—	—	72,1	—
673	—	9,42	—	—
700	0,250	—	72,9	—
773	—	9,53	—	—
800	—			74,0	—
900	0,320	—	75,6	—
1000	—	—	78,1	—
1100	0,380	—	—	—
1250	—	—	70,3	—
1300	0,440	—	—	—
1393	—	14,2		
1450	—	—	75,7	
1500	0,494	—	—	—
1550	—	—	80,0	—
1650	—	—	86,4	—
1700	—	—	—	—.
1750	—			92,0	2,65-ИГ5
1800	0,570					1,66-Ю-з
1900	—	—	—	2,35 -Ю’4
1973			14,2	—	—
2000	—	—	—	9,63-Ю-з
ТАБЛИЦА 2.35
ПРОЧНОСТЬ ПАЛЛАДИЯ И ПЛАТИНЫ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ [1]
	Палладий		Платина	
Температу- ра, к	временное	длительная	временное	длительная
	сопротивление, МПа	прочность (100 ч), МПа	сопротивление, МПа	прочность (100 ч), МПа
293	188	170	135	124
573	165	125	101	81
773	65,5	24	76,5	47
973	35,0	10	64,7	23
1173	25,8	8,5	33,5	12
1373	18,1	2,9	18	5,1
1523	9,1	1,2	14	3,9
118
Палладий
Чистый металлический палладий встречается в виде отдельных зерен в пла-
тиновых рудах, а также в некоторых золотых песках. Иногда он встречается в виде
естественных сплавов с золотом, серебром или с обоими металлами. Его содержа-
ние в земной коре составляет 0,005 г/т 138].
Основными промышленными источниками палладия являются сульфидные
медно-никелевые руды и сырая платина.
Компактный палладий может быть получен методом порошковой металлур-
гии и плавкой.
Метод порошковой металлургии заключается в прессовании палладиевой
губки, спекании в вакууме или в инертном газе при температуре не ниже 1573 К,
последующей прокатке или воло-
чении.
Плавкой палладий получают
в индукционных печах в инертной
атмосфере или в вакууме, либо ва-
куумной дуговой плавкой.
Легирующие добавки повы-
шают удельное электросопротивле-
ние палладия (рис. 12).
Палладий, как и все металлы
платиновой группы, парамагнитен.
Добавки к палладию переход-
ных металлов IV—VI групп (W,
Ti, Re, Mo, Nb и др.) снижают
магнитную восприимчивость палла-
дия. Легирование палладия Ni, Gd,
Fe, Со и Мп сопровождается появ-
лением ферромагнетизма в сплавах.
При холодной деформации
твердость палладия резко возра-
стает (табл. 2.36).
В ряду платиновых металлов
палладий обладает самым низким
временным сопротивлением, боль-
шими значениями поперечного су-
жения и относительного удли-
нения.
Холодная деформация пал-
ладия сопровождается увеличением
временного сопротивления и рез-
ким снижением величины относи-
Рис. 12. Влияние легирующих добавок
на электросопротивление палладия [49]
тельного удлинения.
Палладий хорошо растворяется в царской водке и азотной кислоте, устойчив
в холодной серной и соляной кислотах.
При нагревании палладия на воздухе или в кислороде в интервале 673—
1023 К образуется плотная пленка окиси PdO.
При нагреве в интервале 1023—1043 К наблюдается диссоциация окислов.
Палладий и водород образуют два ограниченных твердых раствора: «-твер-
дый раствор, содержащий при комнатной температуре 30 объемов водорода на 1
объем палладия, и ^-твердый раствор, содержащий при комнатной температуре
1023—1300 объемов водорода на 1 объем палладия. Плотность насыщенного
водородом палладия снижается, электропроводность, временное сопротивление
и относительное удлинение уменьшаются по сравнению с теми же параметрами
чистого палладия.
В определенном интервале температур палладий способен растворить 800—
900 объемов водорода. С повышением температуры растворимость водорода в пал-
ладии в отличие от растворимости в других металлах быстро понижается, в то
время как скорость диффузии водорода в нагретом палладии значительно воз-
119
ТАБЛИЦА 2.36
ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ
ДЕФОРМИРОВАННЫХ ПАЛЛАДИЕВЫХ ОБРАЗЦОВ [49]
ции, %	Твердость (НВ) в зависимости от температуры отжига *, °C										
деформа	де- фор- миро-										
Степень	ван- ное состо- яние	100	200	300	350	400	450	500	600	700	800
5	57,7	53,9	53,0	51,0	51,0	50,0	49,0	47,1	46,1	44,1	37,3
10	59,8	58,9	56,9	61,8	59,8	56,9	53,9	53,0	44,1	37,3	36,3
20	63,8	63,8	63,8	62,8	61,8	59,8	58,9	57,9	48,1	35,3	37,3
30	67,7	68,7	69,6	65,7	65,7	62,8	60,8	58,9	52,0	38,2	36,3
40	69,6	71,6	73,6	72,6	72,6	71,6	55,9	45,1	37,3	37,3	37,5
50	72,6	73,6	74,5	73,6	73,6	69,6	44,1	39,2	37,3	35,3	36,8
60	73,3	73,6	74,5	75,0	69,6	68,7	42,2	38,2	36,3	37,3	36,3
70	74,5	75,5	76,5	74,5	64,7	61,8	37,3	37,3	37,3	37,3	37,3
80	75,5	75,5	75,5	79,5	75,5	76,5	39,2	36,0	36,3	37,3	36,3
90	77,3	74,5	73,6	71,6	71,6	69,6	37,3	37,3	36,3	36,3	37,9
* Продолжительность отжига 1 ч.
растает. На этом свойстве основано широкое применение палладия в качестве
барьеров для очистки водорода. Легирующие добавки других металлов, как пра-
вило, повышают прочность палладия, но значительно снижают проницаемость
водорода.
Растворимость элементов в палладии:
Плохо растворимы: Be [0,6—1,0 (% ат.)] Се, Р, Bi
Хорошо растворимы: Mo, W, Мп, Re
Неограниченно растворимы: Си, Ag, Au, Fe, Со, Ni, Rh, Ir, Pt
При нагревании в атмосфере углерода палладий становится серым, мато-
вым и хрупким за счет растворения углерода.
Палладий поглощает азот (280 об. N на 1 об. Pd). Многократное нагревание
и охлаждение в атмосфере азота повышает удельное электросопротивление пал-
ладия.
Основными потребителями палладия являются электротехническая, хими-
ческая и другие отрасли помышленности.
В приборостроении палладий используют для изготовления контактов и тер
мопар, а также для покрытий технических зеркал и ответственных деталей радио-
электронных устройств. Палладий входит в состав припоев для пайки палладие-
вых и платиновых деталей, работающих при высоких температурах.
В химии, а также для изготовления спеченных изделий, содержащих пал-
ладий, его используют в виде мелкодисперсного порошка палладиевой черни.
Порошок палладия (палладиевую чернь) квалификации <чистый» производят
по отраслевым ТУ 6 09-05-694—77.
Палладиевую чернь получают растворением палладия в азотной кислоте,
последующим осаждением и промывкой. Содержание Pd в порошке не менее 98,0%
(по массе). В табл. 2.37 приведены свойства порошков палладия, выпускаемых
в США.
120
ТАБЛИЦА 2.37
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ ПАЛЛАДИЯ,
ВЫПУСКАЕМЫХ В США («COLONIAL METALS INC»)
Марка	Содержание, %		Насыпная плотность, 103 кг/м3	Плотность после ут- ряски, 103 кг/м3	Размер частиц, мкм	Удельная поверхность, м2/г
	Pd	H2O				
405 Pd	—99,0	0,5	0,5—0,6	0,7—1,5	0,40—0,60	3,0—4,0
406 Pd	—99,0	0,5	0,5—0,9	0,8—2,0	0,40—0,70	3,0—4,5
407 Pd	—97,5	0,5	0,4—0,6	0,5—0,85	0,10—0,20	28,0—33,0
402 Pd	—98,8	0,5	0,4—0,6	0,5—0,8	0,23—0,29	8—12
401 Pd	—98,5	0,5	0,4—0,6	0,5—0,9	0,20—0,35	6,0—8,0
403 Pd	—98,8	0,5	0,6—1,0	1,0—2,5	0,50—0,8	1,5 3,0
Платина
Платина почти всегда встречается в самородном состоянии главным образом
вместе с другими металлами платиновой группы и, кроме того, с железом, свин-
цом, медью, а нередко с золотом и серебром. В природе встречается соединение
сперрилит PtAsj.
Платина поддается ковке и в горячем состоянии—прокатке и сварке. В элек-
трической дуге она испаряется.
Платина может абсорбировать значительное количество водорода, особенно
в тонкораздробленном состоянии (платиновая чернь). В таком виде 1 объем пла-
тины поглощает более 100 объемов водорода (при прокаливании в вакууме водо-
род полностью удаляется из платины). Так же хорошо платиновая чернь погло-
щает кислород. При растворении в платине водород и кислород значительно
активизируются. На этом основано применение платины в качестве переносчика
водорода и кислорода. Особенно активна коллоидная платина.
Платина практически не соединяется с кислородом; на нее не действуют
сильные кислоты, за исключением царской водки, в которой она растворяется,
образуя гексахлорплатиновую кислоту H2PtCle.
Сильное действие при высокой температуре оказывают на платину перекиси
щелочных металлов.
Выше 250 °C платина соединяется с сухим хлором, образуя дихлорид РЮ,.
Хлористый водород уже при комнатной температуре медленно взаимодействует
с платиной.
В сплавах с другими металлами платину применяют в электропромышлен-
ности для изготовления контактов, вакуумных приборов, электропечей сопро-
тивления, предохранителей в точных электроприборах, ламп накаливания ит.д.,
ТАБЛИЦА 2.38
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ ПЛАТИНЫ,
ВЫПУСКАЕМЫХ В США («COLONIAL METALS. INC»)
Марка	Содержание, %		Насыпная плотность, Ю3 кг/м3	Плотность после утряски, 103 кг/м3	Размер частиц, мкм	Удельная поверхность, м2/г
	Pt	HjO				
704 Pt 705 Pt 706 Pt	—99,0 —99,0 —99,9	<0,5 <0,5 <0,1	0,8—1,2 0,7-1,1 1,5-1,9	1,2—1,7 1,10—1,60 2,0—3,2	0,25 0,40 0,25—0,40 0,7—1,1	6,5 8,0 9,0 12,0 0,5 2,0
121
а также для изготовления методами порошковой металлургии материалов электро-
технического назначения.
Порошок платины (платиновая чернь) квалификации «чистый» производится
по отраслевым ТУ 6-09-05-896—78. Платиновую чернь получают растворением
гексахлорплатиновой кислоты Н2Р1С1в в воде, восстановлением платины до ме
талла и промывкой от посторонних примесей. Содержание в порошке платины не
менее 98,0% (по массе), потери при высушивании не более 0,5%.
В табл. 2.38 приведены характеристики порошков платины, выпускаемых
в США.
2.4.	Вольфрам и молибден
Для современной электротехнической промышленности, в частности, для
коммутационных аппаратов различного назначения, электроосветительных и элек-
тровакуумных приборов, необходимы материалы, способные длительно работать
при температурах более 1000 °C. Удовлетворить эти требования могут только ма-
териалы на основе тугоплавких металлрв, с температурой плавления выше, чем
у железа (1812 К).
Вольфрам и молибден относятся к редким химическим'элементам: содержание
молибдена в земной коре 0,0025%, вольфрама 0,0055%. Из минералов вольфрама
наибольшее практическое значение имеют вольфрамит «FeWO4-nMnWO4 и шеелит
CaWO4, из минералов молибдена—молибденит MoS2 и вульфенит РЬМоО4.
Среднее содержание WO3 в эксплуатируемых рудах обычно колеблется от 0,2
до 2%, содержание молибдена редко превышает 0,6%.
Вольфрам, молибден характеризуются повышенной прочностью межатомных
связей, на что указывают высокие значения их температур плавления и кийения,
теплот сублимации, модулей упругости и низкие значения сжимаемости, коэф-
фициентов термического расширения.
Основные свойства вольфрама и молибдена приведены ниже [39, 40].
W	Мо
Атомный номер	. . . .	74	42
Молярная масса		183,85	95,94
Молярный объем, 10“в м3/моль		9,48	9,38
Конфигурация внешних электронов . . Радиусы, нм:	5d46s2	4d45s1
атомный 		0,137	0,136
ионный: 					
ме*+ 		0,068	0,068
Мев+ 		0,065	0,062
Валентность		0—6	2—6
Электроотрицательность	 Потенциал ионизации, эВ: Л4е°	2,0	2,1
Л4е+1	7,98	7,10
4 Ме*2	17,7	16,15
Ме+3	24	27,13
Me+i	35	40,53
Л4е+5	48	55,6
Ме+в	61	71,6
Работа выхода электронов, эВ		4,55	4,15
Кристаллическая структура		.	a-W ОЦК	ОЦК
122
Температура полиморфнрго превраще-
ния *, К................................
Параметр решетки при 293 К, нм . . . .
Плотность рентгеновская при 293 К,
103, кг м3 .............................
Температура плавления, К ...............
Теплота плавления, кДж/кг...............
Температура кипения, К .................
Теплота сублимации, МДж/кг..............
Коэффициент термического расширения при
293 К, Ю'6 К’1..........................
Твердость HV............................
а -» Р
713—903
0,3158 (a-W)
19,23 (a-W)
3653±10
256
4,95
4,1
392—479
(кованые прутки)
250
(спеченные
штабики)
Временное сопротивление, ГПа.............. 0,48—1,37
(кованые прутки
0 1—6 мм)
1,54—4,12
(проволока
0 0,635—
0,013 мм)
Модуль упругости, ГПа..................... 343—373
(проволока)
383—402
0,3140
10,23
2895+ 10
288
5163
6,79
4,9
156
(отожженный
поликристал-
лический
молибден)
0,51
(пруток 0 6,2)
2,45
(проволока
0 0,02 мм)
312
(порошковый)
317
(плавленный)
0,052
0,9—0,98
(монокристалли-
ческая нить)
Электросопротивление при 293 К-, мкОм-м 0,055
Температура перехода в состояние сверх-
проводимости, К .............................. 0,05
* При восстановлении тонкого слоя WOS в сухом водороде.
Указанные выше свойства обусловили применение этих металлов в электро-
осветительной и электровакуумной промышленности. Эти же свойства вольфрама
и молибдена и отсутствие взаимодействия в системах W(Mo) — Си, W(Mo) — Ag
определили возможность создания гетерогенных контактных материалов для
сильноточной и высоковольтной коммутационной аппаратуры.
В настоящее время вольфрам получают переработкой шеелита и вольфрамита.
Современный технологический цикл производства вольфрама: получение основ-
ных химических соединений из рудного сырья и полупродуктов; различные про-
цессы восстановления вольфрама и его соединений; получение компактного метал-
ла методом порошковой металлургии, а также способы изготовления сплавов на
основе вольфрама приведены в монографии [39]. Особенности технЪлогии изготов-
ления из вольфрама различных изделий для электроосветительной^электрова-
куумной промышленности даны в [40].
Температурные зависимости основных свойств вольфрама приведены в табл.
2.39. Предельное содержание О, N, С в вольфраме равно соответственно 1,0- jО-4;
1,0-10"6; 1,0-10“6% (по массе) [41]. Вольфрам обычной (технической) чистоты
представляет собой пересыщенный твердый раствор примесей внедрения. Сегре-
рация примесей элементов внедрения по границам и связанное с ней межзеренное
газрушение определяют низкотемпературную хрупкость вольфрама. Температура
вязко-хрупкого перехода повышается с увеличением содержания примесей внедре-
ния в вольфраме (табл. 2.40).
Снижению температуры перехода вольфрама из пластического состояния
вхрупкое способствует глубокая очистка металла. Повышения пластичности до-
123
ТАБЛИЦА 2.39
ЗАВИСИМОСТЬ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ ВОЛЬФРАМА
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ [39, 42]
Свойство	Значение при температуре, К								
	293	373	673		1273		1473		1673
Коэффициент термического рас ширения (отожженная прово- лока), 10“ 6/К	 Теплоемкость Ср, кДж/(кг-К) Теплопроводность, Вт/(м-К) Удельное электросопротивле- ние, мкОм-м 		4,1 23,8 153 0,055	24,1 122	4,4 25,4 2 0,155		27,0 112		27,6 109 0,39		5,7 28,3 107
Свойство	Значение при температуре, К								
	2073	2273		2473		2673		2873	3073
Коэффициент термического рас- ширения (отожженная прово- лока), 10-6/К	 Теплоемкость Ср, кДж/(кг-К) Теплопроводность, Вт/(м • К) Удельное электросопротивле- ние, мкОм-м 		6,2 29,5 102 0,59	6,5 30,2 100 0,66		6,8 30,8 98 0,73		7,1 31,5 96 0,80		7,4 32,1 95 0,88	32,7 2 0,95
ТАБЛИЦА 2.40
ВЛИЯНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ ВНЕДРЕНИЯ
НА ТЕМПЕРАТУРУ ПЕРЕХОДА ВОЛЬФРАМА
В ХРУПКОЕ СОСТОЯНИЕ [43]
Способ получения вольфрама	Содержание, % (по массе)				Темпера- тура перехода, к
	с	О	N	н	
Спеченный в вакууме шта- бик		0,04	0,023	0,002	0,0003	773
Дуговая вакуумная плавка Зонная плавка:	0,03	0,004	0,001	0,0002	473
один проход 		0,024	0,001	0,001	0,0001	373
два прохода , 		0,02	0,001	0,001	0,0001	293
Зонная плавка *		0,001	0,001	0,001	0,0001	77
* Исходная заготовка была предварительно обезуглерожена.
124
стигают также пластической деформацией и легированием в результате перерас-
пределения примесей и образования новых фаз [44].
Ниже приведены особенности взаимодействия вольфрама.
Не взаимодействуют: Ag, Au, Си, Mg, Pb, Sn
Ограниченно растворимы: Ni, Fe, Со, Ir, Os, Pd, Pt, Rh, Ru, Th, 1 i, Zr, Al
Образуют широкую область твердых растворов: Re,”Cr
Образуют соединения: Al, Fe, Ni, Pt, Hf, As, Os, В, C, N, P, Cl, F, [, Br, Si
Hеограниченно растворимы: Mo, Nb, Ta
Повышению пластичности вольфрама способствует легирование Ni, Ti, Zr,
РЗМ; наибольший эффект достигается при введении Re [46], который не только
повышает технологическую пластичность (температура вязко-хрупкого перехода
снижается до 173 К), но и улучшает свариваемость и жаропрочность.
Повышению жаропрочности способствуют также Та, Mo, Ni, Fe, окислы, кар-
биды.
Вольфрам и жаропрочные сплавы на его основе не могут быть использованы
при температуре выше 1000 К из-за интенсивного взаимодействия с кислородом
воздуха.
Окисление вольфрама до 600—750 К протекает медленно вследствие образова-
ния тонкой защитной пленки низшего окисла, предположительно WO2. В этом
интервале окисление подчиняется параболическому закону, в интервале темпера-
тур 750—1300 К — паралинейному (внутренний плотный слой растет с параболи-
ческой скоростью и одновременно окисляется до высшего окисла с линейной ско-
ростью). При температурах выше 1300 К характер окисления вольфрама опреде-
ляется испарением WO3. В области температур 1600—2000 К и давления кислоро-
рода 1,3—53,2 гПа скорость окисления сильно зависит от давления. С ростом
температуры до 2300 К скорость окисления снижается из-за усиления влияния
диссоциации WO3 [39, 47].
Наиболее перспективным защитным покрытием для вольфрама является ди-
силипид вольфрама WSi2 [48].
Вольфрам интенсивно окисляется парами воды при 850—1000 К с образова-
нием на поверхности WO3 и промежуточных окислов и WO3, которые при
1050—1300 К испаряются, образуя соединения WO3-nH2O, WXO^-пН2О,
WO2-nH2O. Процессы образования и разложения этих соединений, известные
как «водородно-водяной цикл Ленгмюра», неизбежно приводят к выходу из строя
осветительных или электронных приборов.
Окислы азота также окисляют вольфрам. Под воздействием N2O, NO, NO2
при температуре выше 850 К образуется WOa.
С водородом вольфрам не взаимодействует вплоть до температуры плавления.
При спекании вольфрама в водороде последний окклюдируется металлом
и удаляется при обработке в вакууме [49].
С азотом и аммиаком тонкодисперсный порошок вольфрама образует нитриды
при 850—1100 К. Установлена возможность образования следующих нитридов:
W2N, WN, WN2, W3N и W2N3. Компактный вольфрам взаимодействует с азотом
при температуре выше 1750 К. Растворимость азота в вольфраме возрастает с по-
вышением температуры [39, 50].
Температура, К . . . •............. 1473	1273 2273 2673
Растворимость азота, см3/100 г W	0,001 0,015 0,088 0,304
С кремнием и бором при температуре выше 165С К вольфрам образует сили-
циды V^Si, W6Si(W3Si), WSi2 и бориды W2B, WB, 'WBa, V^Bs— тугоплавкие
твердые соединения с преимущественно ковалентным типом межатомных связей
[51].
Со многими металлами вольфрам образует интерметаллиды.
В растворах и расплавах вольфрам обладает достаточной коррозионной стой-
костью. Так, вольфрам не корродирует в холодной и нагретой до 373 К воде; на
холоде устойчив против действия соляной, серной, азотной и плавиковой кислот
любой концентрации, растворов щелочей и аммиака.
При нагревании до 363 373 К вольфрам устойчив в плавиковой кислоте,
но корродирует в соляной, серной, заметнее в азотной, «царской водке» и в ще-
лочах в присутствии кислорода.
125
Вольфрам быстро окисляется в расплавах NaOH или КОН при доступе воз
духа (или в присутствии окислителей NaNO3, NaNO2, КС1О3), но обладает высо
кой стойкостью против коррозии в ряде расплавленных металлов (Са, Си, Bi,
Sn, Hg, Na, К, Ga, эвтектическом расплаве Na—К) [39—42].
В современной технике широко применяют как чистый вольфрам (компакт-
ный и порошкообразный), так и его сплавы, наиболее важными из которых яв
ляются легированные стали, жаропрочные сплавы и получаемые методом порошко-
вой металлургии твердые сплавы, «тяжелые» сплавы и «псевдосплавы».
Доля каждого из этих видов потребления в общем потреблении вольфрама
зависит от его ресурсов в стране, развития соответствуюших отраслей промышлен-
ности и других факторов. Структура потребления вольфрама (%) в некоторых
зарубежных странах приведена ниже [39].
ФРГ
(1968 г.)
Канада
(1971 г.)
Япония
(1972 г.)
США
(1974 г.)
В сталях 		41	29	36	14,1
В твердых сплавах		35,6	66	—	59,6
В полуфабрикатах		12,6	2,3	59	13
В жаропрочных и в псевдосплавах	4,1	—	—	11,0
В химических соединениях . . .	1,6	—	5	0,8
Прочие 		5,1	2,7	—	1,3
В СССР вольфрам используют для изготовления чистого металла, нержавею-
щих и легированных, быстрорежущих и инструментальных сталей, жаропрочных,
твердых сплавов, псевдосплавов и др.
Чистый вольфрам в виде порошка изготавливают главным образом восста-
новлением вольфрамового ангидрида в водороде при 850—1200 °C (в зависимости
от необходимых гранулометрического состава, среднего размера частиц, величины
удельной поверхности).
Выпускают порошки марок ПВН (порошок вольфрамовый низкоактивный),
ПВВ (порошок вольфрамовый высокоактивный), ПВТ (порошок вольфрамовый
технический) и др.
Содержание примесей в вольфрамовых порошках, % (по массе), не более.
	ПВН	ПВВ	ПВГ
Fe . . .	0,008	0,006	0,02
Al . . .	0,001	0,001	0,01
Si . . .	0,003	0,002	0,005
Са . . .	0,005	0,002	0,005
Ni . . .	0,005	0,005	0,008
Р . . .	0,005	0,004	0,005
S . . .	0,004	0,004	0,004
Mo . . ,	0,04	0,02	0,3
As . . .	0,005	0,003	—
O+H2O	0,25	0,35	0,25
Удельная поверхность, определяемая по адсорбции метанола, для порошка
ПВН составляет 0,025—0,045 м2/г; ПВВ 0,14—0,20 м2/г; ПВГ 0,03—0,07 м2/г.
Марки и свойства порошков вольфрама, выпускаемых некоторыми зару
бежными фирмами, приведены в табл. 2.41.
Компактный металл получают главным образом методом порошковой метал-
лургии (прессованием, спеканием заготовок из вольфрамового порошка в среде
водорода) с последующей обработкой давлением (ковкой, волочением, прокаткой)
при температуре ниже температуры рекристаллизации вольфрама.
Основные марки компактного вольфрама и полуфабрикатов из него в соот-
ветствии с действующими техническими условиями приведены в [52].
Вольфрамовые жаропрочные сплавы получают главным образом методом
Порошковой металлургии. Марки и химические составы некоторых отечественных
вольфрамовых сплавов приведены в табл 2.42.
126
ТАБЛИЦА 2.41
МАРКИ И СВОЙСТВА ВОЛЬФРАМОВЫХ ПОРОШКОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ ЗА РУБЕЖОМ
Марка	Содержание примесей ♦*,	% (по массе)													О2	Размер частиц (по Фишеру), мкм
	А1	Са	Сг	Си	Fe	Ag	Мп	Мо	Ni	к	Si	Na	Sn		
«Sylvania» (США)
(М-5)—	0,001	I 0,005			I 0,006	I 0,005	I 0,001	1 0,07					1 0,002	1 0,5—	1 0,5 (M-5)
(М-70) Поро-	0,006	1 0,006	| 0,0025	| 0,001 «Lon	1 don Sea 0,01	1 ndlnavic	1 in Meta	1 turgical 0,02	| 0,01 Co Ltd-»	| 0,015 (А нглг	| 0,05 M) 0,06	[0,01 0,003	1	0,1 *4 0,06 *4	7,0 (M-60) 0,5—1,5
шок воль- фрама (грубый и тон- кий) W—Н;		0,001			0,004	«Japa	n New	Metals 0,006	Co Ltd-»		0,002	0,003		0,5—	тонкий) 1,6—15 (гру- бый) 0,4—0,6
(W-1)- (W— 5) WF		0,004 *2			0,008	«Euro	tungsten	e S. А» 0,04	(Франц	ия)	0,005 *3	0,001		0,0031 0,5—0,15	0,6—1,0 4,0—8,0 0,37—
WP			0,005					0,008					0,04			.		0,004	0,001			0,3—0,02	0,85 0,92—5,0
WD	—	0,006			—	0,01	—	——	0,04			—	0,004	0,001			0,02	9,2
WHD	—	0,005	—	—	0,015	—	—	0,06	—	—	0,004	0,005		0,02	1—5,5
Ф1 As, Р, S — следы.
*2 СаО (для всех марок).
•8 SiO2 (для всех марок).
*4 Н2О + о2.
Т А Б,Л ИЦА 2.42
СОДЕРЖАНИЕ ДОБАВОК В НЕКОТОРЫХ СПЛАВАХ
ВОЛЬФРАМА, ВЫПУСКАЕМЫХ В СССР [421
Марка сплава	Содержание, % (по массе)					Другие добавки, % (по массе)
	Re	Ni	SiO2	К2О	ThO2	
ВА					0,05	0,01		.	0,03 А12О3
ВМ	—	—	0,05	0,01	0,17—0,25		
ВР-27	27	—	—	—	—		
ВР-10	—	—	—		—	0,15-0,2 ZrC, 0,2 Та, 0,2 Па
ВТ-7	—	—	——	—	0,7—1,0		
ВТ-50	—	—	—	—	5,0		
ВЛ	—	—.	—	—	—	0,9—1,1 La2O3
ВР-5	5,0	—-	—	—	—	—
ВР20Т2	20	—	—	—	0,2	—
КМК-Б.21 *	—	3,0	—	—	—.	27,0 Си
КМК-А.61 *	—	3,2	—	—	—	27,0 Ag
В НМ	—	4	—	—	—	6 Си
ТС-5	—	7	—	—	—	3 Fe
* ПО ГОСТ 13333 — 75.
Области применения чистого вольфрама (порошка и изделий) сплавов на
его основе, выпускаемых отечественной промышленностью, согласно действую-
щим нормативным документам приведены в табл. 2.43.
Молибден получают в результате переработки его минералов: молибденита,
вульфенита, повеллита. Основные свойства молибдена приведены ниже [53—55],
температурная зависимость ряда этих свойств приведена в табл. 2.44.
Механические свойства молибдена, как и вольфрама, в большой мере за-
висят от предшествующей механической и термической обработки и чистоты ме-
талла. Особенно сильно влияют на механические свойства примеси внедрения
(кислород, углерод, азот). При наличии примесей температура перехода рекри-
сталлизованного молибдена из вязкого состояния в хрупкое на 100—200 К выше,
чем деформированного молибдена. Предельное содержание примесей, % (по массе),
составляет: Н 0,1-10-4; С 0,1—1,0-10-4; N 1,0-10“4; О 1,0-10-4 [41]. Уменьше-
ние содержания примесей внедрения способствует повышению пластичности
при комнатной температуре молибдена и в литом, и в рекристаллизованном со-
стояниях в результате смещения порога хладноломкости в область отрицатель-
ных температур (табл. 2.45).
Временное сопротивление молибдена увеличивается с возрастанием степени
деформации от 0,5 ГПа для прутка диаметром 6,2 мм до 2,5 ГПа для проволоки
диаметром 0,02 мм. Механические свойства деформированного молибдена изме-
няются при отжиге: твердость и прочность снижаются, удлинение увеличивается
(табл. 2.46).
Низкая прочность рекристаллизованного молибдена, а также меньшая, чем
у вольфрама, чувствительность механических свойств к примесям внедрения тре-
буют легирования элементами, повышающими температуру рекристаллизации,
снижающими температуру перехода в хрупкое состояние.
Ниже приведены данные об особенностях взаимодействия молибдена с раз
личными химическими элементами [45, 55].
Не взаимодействуют: Си, Ag, Mg.
Ограниченно растворимы: Al, As, Au, Be, Со, ре, Ni, 1г, Мп, Si, Zr.
128
ТАБЛИЦА 2.45
Гнесин
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВОЛЬФРАМА И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ [39, 42]
СП ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Характеристика материала	Вид продукции	Область применения
ПВН, ПВГ, ПВГ-W чистый без присадок BA.W с кремнещелочной и алюминиевой присад- ками, повышающими Трекр, прочность и формо- устойчивость при высоких температурах BM.W с кремнещелочной и ториевой присадкой, повышающими Трекр и прочность при высоких тем-	Порошок Пруток, проволока То же	Производство твердых сплавов, тяжелых спла- вов, псевдосплавов Спирали, биспирали ламп накаливания, ка- тоды, подогреватели мощных электронных приборов и радиоламп и др. Детали, работающие при температуре не выше 2100 °C в условиях динамических нагрузок
BP-5, BP-10, ВР-20 и др. W -f- Re, обеспечиваю- щий повышение технологической пластичности, Урекр прочности при высоких температурах Тэ. д. с (в паре с W) ВТ-7—ВТ-50. W с присадкой ThO2, повышающей эмиссионные свойства вольфрама ВЛ. W с присадкой La для повышения эмиссион- ных свойств ВР20Т2. W + Re и присадка ThO2 для повышения эмиссионных свойств ВР20	Проволока, фольга, лист Проволока, пруток Пруток Проволока	Нагреватели, тепловые экраны, высокотемпе- ратурная арматура, применяемая в изделиях электронной и электротехнической промыш- ленности, высокотемпературные термопары и др. Катоды электронных ламп и газоразрядных приборов, крючки, пружины генераторных ламп, термокатоды, нерасходуемые сварочные электроды Нерасходуемые сварочные электроды Катоды электронных приборов
КМК-Б20; КМК-Б21; КМК-А60; КМК-А61. Псевдо- сплавы W—Си, W—Ag с добавкой Ni, способствую- щей улучшению условий растекания, снижению краевого угла, смачиванию в этих системах, повы- шающей коррозионную стойкость композиций	Изделия формы, соот- ветствующей ГОСТ 13333—75	Контакты коммутационных аппаратов, нерас* ходуемые электроды контактных сварочных машин
ВНМ. Тяжелые сплавы W с добавками Ni и Си, обеспечивающими низкотемпературное уплотнение	Форма изделий в соот- ветствии с ТУ	Экраны для проникающей радиации, формы для литья под давлением М, статические про- тивовесы, электрические контакты
ТАБЛИЦА 2.44
ЗАВИСИМОСТЬ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МОЛИБДЕНА
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ, К [56]
Свойство	298—373	873	1273	1773	2273
Коэффициент термического расширения (неотожженная проволока), 10“6 К'1 . . .	4,9	5,1	5,5	6,2	7,2
Теплоемкость Ср, кДж/(кг-К) 		23,2	25,7	28,4 •	31,1	33,8
Теплопроводность, Вт (м  К)	144	—	103	74	45
Удельное электросопротив- ление, мкОм-м-		0,052	0,186	0,323	0,473	0,636
ТАБЛИЦА 2.45
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОЛИБДЕНА РАЗНОЙ ЧИСТОТЫ [56]
Материал	Примеси, % (по массе)			Механические свойства при растяжении			Твер- дость НВ	Т’рек- К	Температура пе- рехода в хруп- кое состояние, К
	О	н	N	<ТВ, ГПа	в, %	Ф, %			
Спечен- ный штабик	0,02	—	0,04	0,49— 0,98	—	—	150— 200	1520— 1600	570
Слиток дуговой плавки (2 пере- плава)	0,003	0,0003	0,001	0,56	28,96	0,1	170 — 200	1220— 1320	300
Моно- кристал- личе- ский слиток	0,0008	0,0004	0,0006	0,30	10—15	100	160— 170	920	77
ТАБЛИЦА 2.46
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРЯЧЕКАТАНОГО МОЛИБДЕНА
ДУГОВОЙ ПЛАВКИ (ПРУТОК ДИАМЕТРОМ 12,7 мм)
Термообработка	Времен- ное сопро- тивление, ГПа	ао,2> ГПа	Относи- тельное удлине- ние, %	Относи- тельное сужение, %	Твер- дость НВ
Исходное состояние ....	0,69	0,59	32	60	245
Отжиг при температуре, °C' 925 		0,64			39	59,2		
1050 		0,5	0,37	53	64,2	183
1200 		0,5	0,34	55	55,6	183
130
Образуют широкую область твердых растворов-. Re, Ru, Rh, Os, Pd.
Вступают в реакцию-. Al, As, В, Be, C, Co, Fe, Ge, Hf, Ir, Mn, N, O^,
P, S, Si, Se.
Неограниченно растворимы-. W, Cr, Nb, Pt, Ta, Ti, V.
При легировании деформируемыми оказываются лишь те сплавы, которые
представляют собой твердые растворы. В связи с этим для сплавов, полученных
методом порошковой металлургии, приводятся следующие предельные содержа-
ния легирующих добавок, %: Be 0,025—0,5; Ti > 4; Zr> 1,5; Th 0,25—0,5;
Nb 1—3; Ta 1—10; Cr > 1,5; W < 100; Mn 0,5—2; Al 1—2; Co 0,3; Fe 0,4; Ni 0,4
[54].
Легирование молибдена элементами, образующими твердые растворы, при-
водит к росту температуры рекристаллизации, что позволяет повысить рабочие
температуры эксплуатации изделий. Наиболее эффективными добавками являются
Ti, Zr, Nb, Ti, Се, V, В, Y, Al, Zr (в небольшом количестве); Re и Th способствуют
снижению температуры вязко-хрупкого перехода молибдена.
Возможности применения молибдена и его сплавов ограничены их легкой окис-
ляемостью [47, 53, 56]. Окисление молибдена на воздухе начинается при 570 К;
до 1000 К скорость процесса подчиняется параболическому закону. При темпера-
турах <670 К основной составляющей окисленного слоя является МоО3; при
670—900 К окалина состоит из двух слоев: внутреннего, прилегающего к металлу
слоя Мо02, и наружного, состоящего из МоО3.
При температурах 1000 К и выше окисление протекает по линейному за-
кону. При температурах выше 1000 К окисление сопровождается образованием
жидкой фазы (МоО3 плавится при 1068 К, эвтектика МоО3—МоО2 — при 1051 К),
что ускоряет процесс. При 1100—1200 К и выше скорость окисления постоянна и
мало зависит от температуры вследствие интенсивного испарения окислов с по-
верхности.
Окисление молибдена происходит под влиянием СО2, SO2, окислов азота.
Пары воды также интенсивно окисляют молибден и при 870—1000 К быстро взаимо-
действуют с ним с образованием МоО2 и МоОа.
Молибден устойчив против действия неокисляющих минеральных кислот на
холоде и при нагревании в соляной и серной (до 50%-ной концентрации), фосфор-
ной и плавиковой, но растворяется в азотной кислоте, «царской водке», смеси
азотной и серной кислот, в перекиси водорода, щелочных растворах и расплавах
щелочей в присутствии окислителей.
Данные о коррозии молибдена в расплавах металлов недостаточны.
Для защиты молибдена от коррозии используют два пути:
1. Легирование элементами, повышающими жаростойкость и не снижающими
жаропрочность.
2. Нанесение жаростойких покрытий путем диффузионного насыщения, пла-
кирования, осаждения из электролитов, напыления.
Перспективными являются покрытия из сплавов А1—Сг—Si, Ni—Сг—В,
Ni—Si—В, нанесенные напылением и погружением в расплав с последующим
окислением [57]. Тип покрытия выбирают в соответствии с условиями эксплуата-
ции.
Молибден не взаимодействует С водородом вплоть до температуры плавления.
Однако содержание водорода в молибдене растет с температурой от 0,185 см3/100 г
при 670 К до 0,50см3/100г при 1270 К и при нагревании в вакууме при температуре
выше 1270 К практически полностью удаляется [49, 53].
При взаимодействии молибдена с углеродом образуются карбиды Мо2С
и МоС. •
Молибден интенсивно поглощает азот и при температуре выше 1770 К обра-
зует с ним нитридные фазы. Порошок молибдена взаимодействует с азотом только
в присутствии водорода. Азотирование молибдена аммиаком начинается с 620 К.
В системе Мо—N установлено существование трех нитридных фаз: fJ-фазы MoN0 4
(Mo5N2); у-фазы MoN0>5(Mo2N); 6-фазы MoN [50].
Галогены активно действуют на молибден при разных температурах: фтор
при комнатной с образованием MoF2; хлор при температуре выше 770 К; бром
при 970—1100 К с образованием МоВг4; иод реагирует с молибденом при 570 К
и избыточном давлении паров с образованием MoJ8.
5*	131

ТАБЛИЦА 2.47
МАРКИ И СВОЙСТВА МОЛИБДЕНОВЫХ ПОРОШКОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ ЗА РУБЕЖОМ
Марка	Содержание примесей, % (по массе)														Размер частиц по Фишеру, мкм
	А1	Са	Сг	Си	Fe	Pb	Mg	Мп	Ni	Si	Sn	Ti	С	Mo	
«АМАХ Speciality Metalls Division» (США)
CMX-WMP . .1 — I — I — I — I 0,1 I — ' I 0,1 1 — 1 — 10,1 1 — I — I — I 99,81	—
CMX-OMP . . | 0,004 | 0,004 | 0,008 [ 0,002 | 0,010 | 0,002 | 0,002 | 0,001 | 0,004 | 0,025 | 0,008 | 0,002 | 0,005 | 99,8 |	3—7
<Metallwerk Plansee» (Австрия)
AG 		0,002	0,002	0,002	0,002	0,01	0,001	0,001	0,0005	0,001	0,003	—	0,001	0,003	—	—
ТАБЛИЦА 2.48
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МОЛИБДЕНА И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ £52]
Марка	Характеристика	Вид продукции	Области применения
мпч мч	Молибден высокой чистоты (без присадок) Молибден чистый (без присадок)	Порошок Прутки, полосы, ленты, проволока	Производство сплавов, штабиков Детали электровакуумных приборов, на- греватели электропечей, детали различ- ных конструкций
Марка	Характеристика
МШЧ-1 МШЧ-2	Молибден высокой чистоты (без присадок)
МС	Молибден с присадкой кобальта, железа, никеля для повышения пластичности в ото- жженном состоянии по сравнению с МЧ
мк	Молибден с кремнещелочной присадкой для повышения температуры рекристалли- зации и прочности при изгибе в отожжен- ном состоянии по сравнению с МЧ
МРН	Молибден чистый без присадок с более вы- сокой, чем у МЧ, температурой рекристал- лизации из-за большего содержания при- месей
МВ	Молибден с вольфрамом, повышающим тем- пературу рекристаллизации и пластичность в рекристаллизованном состоянии
Продолжение табл. 2.48
Вид продукции	Области применения
Пруток	Производство сплавов электродов
Проволока	Сетки электронных приборов
	Детали электровакуумных приборов, ка тоды -газоразрядных ламп и другие де- тали, которые должны обладать повы- шенной прочностью после высокотемпера- турной обработки
Проволока, листы, прутки	Детали электровакуумных приборов
Проволока	Сетки радиоламп, подогреватели
Молибден, его сплавы и соединения широко применяют в современной тех-
нике. Структура потребления молибдена в США приведена ниже, % (по массе)
[53]:
Для легирования стали всех видов........................73
Для легирования чугуна и проката ........................9
В коррозионностойких сплавах на никелевой основе .... 4
В жаропрочных сплавах на основе молибдена ...............6
Металлический молибден (нелегированный)..................1
Химикаты и смазки........................................7
В СССР молибден используют в виде чистого металла (компактного и порошко-
образного) для легирования сталей и чугунов, жаропрочных и кислотостойких
сплавов на основе никеля, кобальта, хрома, для изготовления жаропрочных спла-
вов на основе молибдена, химических соединений молибдена, псевдосплавов и
т. д. Молибденовый порошок изготавливают главным образом путем восстановле-
ния чистой MoOs водородом. Возможно также восстановление МоО3 углеродом
или металлами (Са, Mg); термическая диссоциация сульфида молибдена и др.,
однако эти метрды еще не находят широкого применения.
Молибден металлический (порошок) изготавливают по ТУ 48-69—73 (марка
МПЧ). Максимальное содержание примесей, % (по массе):
Al, Mg, As, Си, Zr . . . 0,001
Sn, Pd, Cd, Bi ... .	0,001
S, P .......................0,004
Fe........................0,005
Si .......................0,003
C.........................0,012
Размер зерен порошка, определяемый с помощью оптической микроскопии
(в отраженном свете): 32% диаметром 5 мкм.
Составы порошков различных марок, выпускаемых некоторыми зарубеж-
ными фирмами, приведены в табл. 2.47.
Компактные изделия из порошков получают прессованием, спеканием и по-
следующей горячей пластической деформацией (ковкой, прокаткой, волочением).
Основные марки, химический состав, свойства прутков, листов, фольги, прово-
локи из чистого молибдена, выпускаемых промышленностью нашей страны в со-
ответствии с действующими техническими условиями, приведены в [52].
Большинство жаропрочных сплавов на основе молибдена с добавками Ti,
Zr, Ni, Nb, W, Re, С, В получают методами дуговой и электронно-лучевой плав-
ки [55].
Методом порошковой металлургии промышленность изготавливает сплавы
марок ВМ, МС, МК, ЦСМД с добавками W, Ni, Fe, Со, кремнещелочными присад-
ками, повышающими пластичность и температуру рекристаллизации [52].
Области применения чистого молибдена (порошка и изделий) и сплавов на
его основе, изготавливаемых отечественной промышленностью методом порошко-
вой металлургии, приведены в табл. 2.48.
2.5. Редкоземельные металлы
В соответствии с рекомендациями Международного союза по обшей и при-
кладной химии понятие «Редкоземельные металлы» объединяет элементы, отно-
сящиеся к III А подгруппе Периодической системы элементов Д. И. Менделеева
(скандий, иттрий, лантан и лантаноиды — элементы от церия до лютеция). Сход-
ное строение внешних электронных оболочек их атомов обусловливает близость
их химических свойств и, как правило, совместное нахождение в природных
минералах.
Редкоземельные металлы (РЗМ) обычно разделяют на две подгруппы; церие-
вую (церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий) и иттриевую (гадо-
линий, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций). К по-
следней вследствие подобия химических свойств относят также и иттрий, что и
определило ее название.
134
Установлено, что как сами редкоземельные металлы, так, особенно, сплавы и
соединения на их основе обладают специфическими магнитными свойствами (на-
пример, сплавы самарий—кобальт), являются магнитными полупроводниками
(окислы и халькогениды РЗМ), эффективными термоэмиссионными материалами
(бориды РЗМ), обладают сверхпроводимостью (сплавы и соединения лантана),
имеют высокое значение захвата тепловых нейтронов (Sm, Eu, Gd) и ряд других
специфических характеристик, представляющих интерес для современной тех-
ники. ’
В табл. 2.49 приведены электронные конфигурации изолированных атомов
редкоземельных металлов и значение их ионизационных потенциалов.
ТАБЛИЦА 2.49
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ РЗМ
Электронные состояния
Ионизационные потенциалы, эВ
Эле- мент	nf	+ a.	(n+l) p	+ g	1 (n+2) s	J,	J,	Л	Ji
Sc			2	6	1	2	6,56	12,89	24,75	73,9
Y	—	2	6	1	2	6,38	12,23	20,5	61,8
La	—	2	6	1	2	5,614	11,433	19,166	(52)
Се	2	2	6		2	6,54	12,31	19,870	36,714
Рг	3	2	6	—	2	5,76	11,54	20,96			
Nd	• 4	2	6	—	2	6,31	12,09	20,51		
Pm	5	2	6	—	2	5,9	11,7	22,0		
Sm	6	2	6	~~ 	2	5,6	11,4	24,0	
Eu	7	2	6	-—	2	5,67	11,24	24,56		-
Gd	7	2	6	1	2	6,16	12	21,3		
Tb	8	2	6	1	2	6,74	12,52	21,02		
Dy	10	2	6	—	2	6,82	12,60	21,83		
Ho	11	2	6	—	2	6,9	12,7	23,2	—
Er	12	2	6	—	2	6,7	12,5	22,4		
Tm	13	2	6	—	2	6,6	12,4	23,9		
Yb	14	2	6	—	2	6,22	12,10	25,61	—
Lu	14	2	6	1	2	6,15	12,0	23,7	—
Все редкоземельные металлы являются переходными металлами, имеющими
глубоколежащие недостроенные или полностью вакантные электронные оболочки.
Скандий и иттрий имеют достраивающиеся d-оболочки, в то время как для лан-
таноидов характерно частичное заполнение как d-, так и /-оболочек. Хотя элек-
троны /-оболочек непосредственно не принимают участия в образовании химиче-
ской связи, при возбуждении атсмов наблюдается переход /-электронов в d-
состояние. Этот эффект во многом и определяет специфичность свойств РЗМ.
Для всей группы РЗМ в кристаллах, сплавах и соединениях характерно
трехвалентное состояние, основанное на возбужденных состояниях ба’бэ2 или
Sd'^s1, возникающих в результате перехода одного электрона из 4/- в 5</-состоя-
ние. Вероятность такого перехода зависит от степени заполненности 4/-оболочки и
минимальна для полузаполнснного (у европия) и полностью заполненного (у ит-
тербия) состояния, следствием чего является преимущественно двухвалентное
состояние этих атомов в их соединениях. Такая особенность несколько выделяет
эти металлы из группы РЗМ и делает ряд их свойств подобными характеристикам
Щелочноземельных металлов Са, Sr и Ва. Энергетически это проявляется в более
высоких значениях величины третьего ионизационного потенциала (см. табл. 2.49).
Двухвалентное состояние по этой же причине проявляется и у самария, при-
чем вследствие близости энергий возбужденных электронных состояний специфи-
135
ческой особенностью этого элемента является возможность реализаций смешанных
валентных состояний в его соединениях. Вследствие этого эффекта в ряде соеди-
нений самария проявляются электронные фазовые переходы, наблюдающиеся под
влиянием внешних воздействий — температуры, давления, электрических и маг-
нитных полей, легирования ионами определенной валентности. Схожесть степени
заполненности /-состояний показывает, что подобные эффекты можно ожидать
также и у соединений тулия.
Церий, празеодим и тербий, у которых в /-состоянии находится всего один-два
электрона сверх энергетически устойчивых конфигураций, проявляют способ-
ность к возбуждению двух электронов из /-состояния и перехода вследствие этого
в четырехвалентное или промежуточное между тремя и четырьмя возбужденное
состояние.
Такая особенность атомов редкоземельных металлов играет важную роль
в формировании физических характеристик как самих металлов, так и их соеди-
нений и позволяет создавать на их основе материалы с определенными,в тем числе
управляемыми, электрофизическими характеристиками.
В нормальных условиях редкоземельные металлы имеют в основном гексаго-
нальную плотноупакованную структуру. Металлы цериевой группы имеют двой-
ную гексагональную структуру с удвоенным значением периода по оси с. Самарий
имеет своеобразную ромбоэдрическую структуру. Для двухвалентных европия
и иттербия характерна кубическая структура.
Основные данные о структурах РЗМ приведены в литературе [1, 77, 78].
В ряду РЗМ наблюдается монотонное уменьшение атомного радиуса от ланта-
на до лютеция, что связано с влиянием возрастающего заряда ядра при сохра-
нении строения внешних электронных оболочек атомов. Этот эффект обычно на-
зывают лантаноидным сжатием. Наблюдаемые отклонения (увеличение для евро-
пия и иттербия и уменьшение для церия) определяются описанными выше соот-
ветствующими изменениями эффективной валентности атомов РЗМ в кристалли-
ческой решетке металла.
Температуры плавления редкоземельных металлов монотонно возрастают
с увеличением атомного номера, образуя минимумы для Ен и Yb, что связано
с эффектом лантаноидного сжатия. С другой стороны, температуры кипения имеют
тенденцию к снижению, что, по-видимому, является следствием изменения элек-
тронного состояния атомов РЗМ при переходе от жидкого состояния к парообраз-
ному и уменьшением энергетической разности между возбужденными электрон-
ными состояниями (/—d-переход) с увеличением атомного номера РЗМ.
Относительно высокие значения.упругости пара позволяют использовать
этот эффект при очистке редкоземельных металлов методом вакуумной дистил-
ляции. В табл. 2.50 приведены некоторые термические характеристики РЗМ при
комнатной температуре.
Удельное электрическое сопротивление редкоземельных металлов значитель-
но выше, чем других металлов. Природа этого эффекта заключается в сложной
структуре зоны проводимости этих металлов и дополнительном рассеянии носи-
телей за счет магнитного вклада в электросопротивление, а также связана с боль-
шим рассеянием на тепловых колебаниях решетки.
В сплавах редкоземельных металлов, как правило, наблюдается уменьшение
электросопротивления, вследствие увеличения степени заполнения недостроен-
ных электронных состояний и, как следствие, с уменьшением электрон-электрон-
ного рассеяния. Это явление отличает РЗМ от других известных металлов.
Значения коэффициентов т. э. д. с. и Холла у РЗМ имеют ряд аномалий, свя-
занных со сложностью зоны проводимости, формирующейся перекрывающимися
/-, d- и р-электронными состояниями.
Эффект сверхпроводимости установлен только для лантана. Температура пере
хода составляет 4,90 К для а-лантана и 5,85 К для Р-лантана.
Значения работы выхода электронов для редкоземельных металлов сравни
тельно невысоки. Хотя сами РЗМ вследствие относительно низких значений тем-
ператур плавления и высокой упругости паров не могут служить эффективными
эмиттерами, их используют в качестве эмиссионных добавок в металлических
сплавах.
Некоторые электрические свойства РЗМ приведены в табл. 2.51.
136
ТАБЛИЦА 2.50
ТЕРМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЗМ [1, 77, 78]
Металл	Температура плавления, К	Теплота плав- ления, кДж/моль	Температура кипения, К	1 Теплота субли- : мации, кДж/моль	Давление параДпри1ГПд, Па 1 1	1 Теплоемкость при 20 °C, ДжДмоль • К)	Теплопровод- | ность, Вт/(м-К)	з S | «Т я в S я' ® И К о s У о Яд.» а? «о
Sc	1812	14,10	3104	378,7	10,5	25,52	15,5	10,0
Y	1799	11,40	3611	422,8	0,29	26,53	15,8	12,0
La	1193	6,20	3730	431,0	3,2-10~8	27,11	20,95	10,4
Се	1071	5,46	3700	466,9	1,1 - IO"10	26,94	11,2	8,5
Рг	1204	6,89	3785	372,8	1,5-IO"»	27,45	13,2	6,8
Nd	1289	7,14	3340	327,6	3,6- IO"3	27,41	16,6	10,0
Pm	1300	—	3473	330,5		27,20	—	9,0
Sm	1345	8,62	2064	206,7	0,22	29,54	13,3	10,4
Eu	1090	9,21	1870	175,3	111,5	27,11	—_	33,1
Gd	1585	10,05	3540	397,5	9,3-10-3	37,07	10,4 « 10,0 *2	8,28
Tb	1630	10,80	3500	388,7	0,11	28,91	10,2	10,3
Dy	1682	11,06	2835	298,7	94,3	28,12	10,3 11,5 *2	10,0
Ho	1743	12,18	2970	300,8	73,6	27,15	14,0 *х 22,0 *2	10,7
Er	1795	19,90	3130	317,1	49,8	28,07	11,5 « 18,4 *2	12,3
Tm 	1818	16,84	2220	247,2	22,7-103	27,11	14,0 *х 24,0 *2	13,3
Yb	1097	7,66	1466	151,9	25,4-102	26,74	—	25,0
Lu	1936	18,65	3670	427,6	1,41	26,78	12,8 *х 23,5 *2	8,12
** Монокристалл, по осн а.
*2 Монокристалл, по оси с.
*3 Оценка, расчет по данным [58].
Лг
Практически всем редкоземельным металлам присуще магнитное упорядоче-
ние при низких температурах — ферромагнитное или антиферромагнитное. В не-
упорядоченном состоянии они обладают сильным парамагнетизмом. Абсолютная
намагниченность насыщения ряда РЗМ значительно превышает насыщение чи-
стого железа; в ряде случаев наблюдаются высокие магнитно-кристаллическая
анизотропия и магнитострикция.
Парамагнетизм редкоземельных металлов определяется наличием локализо-
ванных 4/-электронов. Магнитные моменты металлов близки к значениям для
трехвалентных ионов соответствующих атомов.
Весьма важным фактором является неизменность глубоколежащих ^-элек-
тронов атомов РЗМ при образовании их сплавов и соединений, в связи с чем такие
материалы также обладают специфическими магнитными свойствами. К числу
наиболее интересных следует отнести сплавы РЗМ — Со, а также более сложные
многокомпонентные системы на их основе, во многих из которых достигнуты наи-
более высокие из известных в настоящее время магнитных характеристик, с мак-
симальной магнитной энергией до 120 кДж/м3.
Некоторые данные о магнитных свойствах РЗМ приведены в табл. 2.52.
137
ТАБЛИЦА 2.5П
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЗМ [1, 77, 79]
Металл	Удельное электросо противление, мкОм.м	Термический коэффициент электросо- противления, а • 10s К"1	Коэффициент т. э. д. с., мкВ/К	Коэффициент Холла R. 1010, м3/Кл	Работа выхода электронов, эВ
Sc	0,64	4,25	—3,6	—0,67	3,3
Y	0,65	3,6	+ 2,2	— 1,25	3,3
La *	0,56	2,2	+ 4,39	—0,8	3,3
Се	0,75	0,9	4 4,39	+ 1,92	2,7
Рг	0,70	1,71	—	+ 0,71	2,7
Nd	0,64	1,64	—	+ 0,97	3,2
Sm	0,105	1,7	—	—0,2	2,7
Eu	0,813	4,80	—	—	2,5
Gd	0,143 .	1,76	—	—0,95	3,1
Tb	0,116	—	—	—4,3	3,15
Dy	0,090	1,19	—	—2,7	3,25
Ho	0,90	1,71	—	— 1,5	3,22
Er	0,85	2,01	+ 0,96	—0,34	3,25
Tm	0,90	1,95	—	— 1,8	3,19
Yb	0,27	1,30		+3,77	2,6
Lp	0,68	2,40		—0,54	3,14
Температура перехода
в сверхпроводящее состояние 4,88 К.
ТАБЛИЦА 2.52
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РЗМ [1, 79]
Ме- талл	Удельная магнитная воспри- имч и- вость, 10”® м8/кг	U, маг- нетон Бора,	Температура магнитных переходов, К		Ме- талл	Удельная магнитная воспри- имчи- вость, 10”* м8/кг	ц, маг- нетон Бора,	Температура магнитных переходов, К	
			Кюри	Нееля				Кюри	. Нееля
Sc	+0,177	0,14			—	Gd	+2270	7,95	299,2	—
Y	+2,15	0,67	—	—	Tb	+ 1210	9,7	221	229
La	+0,729	0,49	—	—	Dy	+613	10,64	85	178,5
Се	+ 17,30	2,51	—	12,5	Но	+ 420	10,89	19,4	132
Рг	+37,80	3,56	—	—	Er	+262	9,5	19,6	85
Nd	+39,20	3,3	—	20,0	Tm	+ 154	7,62	22	57,2
Sm	+ 8,47	1,74	.—	14	Yb	+ 0,41	0,41	—	—
Eu	+220	7,12	108	—	Lu	+ 0,102	0,21	—-	—
Механические свойства металлов очень тесно зависят от степени их чистоты,
от способов получения металлов, их термической обработки и т, п., в связи с чем
имеющиеся в -литературе данные по РЗМ резко отличаются друг от друга. В
табл. 2.53 приведены данные, полученные на наиболее чистых технических об’
разцах металлов.
138
ТАБЛИЦА 2.S3
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РЗМ [1, 59]
Металл	Твердость HV	Мнкро- твердость, МПа	Предел текучести о0 2, МПа	Временное сопротивле- ние <jb, МПа	Модуль упругости Е, ГПа	Относитель- ное удлине- ние гр, %
Sc	950—1200	1670	230	392	77,0	12,7
Y	350	1100	173	129	63,3	10,0
La	350—400	630	126	130	37,5	8,0
Се	250—300	380	91,2	103	30,0	24,0
Рг	350— 500	—	101	НО	35,2	10,0
Nd	350—450	730	165	171	37,9	11,0
Sm	450—600	—	112	125	34,1	3,0
Eu	100—150	—	—	—	15,0	—
Gd	400—500	1050	182	190	56,2	8,0
Tb	900—1200	—	—	165	57,5	—
Dy	550—1050	—	225	246	63,1	6,0
Ho	500—1250	—	222	259	68,0	5,0
Er	600—950	1430	291	292	73,3	4,0
Tm	550—900	—	—	540	74,0	—
Yb	340	—	65,7	72	24,1	6,0
Lu	1200—1300	—	—	1000	68,5	—
Редкоземельные металлы обладают большой химической активностью, в част-
ности быстро окисляются на воздухе. Наименее стойкими являются лантан и осо-
бенно церий, в связи с чем церий является основой ряда пирофорных сплавов.
Все редкоземельные металлы мало устойчивы по отношению к минеральным
кислотам и достаточно инертны к действию щелочей. Интенсивно взаимодействуют
с галогенами, водородом, азотом, что позволяет использовать их в качестве гетте-
ров и рафинирующих элементов в сплавах на основе тугоплавких металлов.
Природа физико-химического взаимодействия и, следовательно, вид диа-
граммы состояния двойных систем РЗМ с другими химическими элементами в пер-
вую очередь зависят от положения этих элементов в Периодической системе,
структуры их внешних валентных оболочек, типа кристаллической структуры,
атомных размеров. Установлено, что РЗМ могут образовывать с другими эле-
ментами непрерывные твердые растворы, эвтектики с ограниченными твердыми
растворами, монотектические системы, а также большое количество систем с про-
межуточными химическими соединениями.
Неограниченная растворимость наблюдается в пределах взаимных систем
редкоземельных металлов цериевой, а также иттриевой групп, а для высокотем-
пературных модификаций— и между ними. Для низкотемпературных модифика-
ций металлов цериевой и иттриевой групп характерно образование либо двух-
фазных областей, либо соединений со структурой типа Sm.
С металлами других групп Периодической системы образование непрерыв-
ных твердых растворов наблюдалось в системах Ен—Са и Sc—Hf.
Очень малая растворимость и практически несмешиваемость как в твердом,
так и в жидком состоянии установлены в системах РЗМ с металлами II и V групп:
Са, V, Та, Nb, а также Мп.
Сплавы РЗМ образуют эвтектические системы с металлами IV и VI групп:
Ti, Zr, Hf, Сг, Mo, W.
Практически co всеми элементами В-подгрупп Периодической системы эле-
ментов, а также с элементами VII и VIII групп РЗМ образуют двойные системы
с промежуточными химическими соединениями. Как правило, в каждой бинарной
системе имеется несколько химических соединений, причем в системах, образован-
ных иттриевой подгруппой, их число больше, чем цериевой. Структура и свой-
ства соединений в основном определяются валентным состоянием атома редко-
139
Земельного металла. Свойства этих соединений изменяются в очень широких
пределах.
Для технических целей наиболее перспективны соединения с полупроводнико-
выми характеристиками (халькогениды, силициды, германиды, пниктиды),
соединения со специальными магнитными свойствами (РЗМ — Со и другие ме-
таллы VIII группы), соединения с высокими эмиссионными свойствами (бориды).
Все материалы, в состав которых входят редкоземельные металлы, могут
быть разделены на две основные группы:
1. Материалы, в которых РЗМ являются (^главным компонентом. В этих
материалах наиболее полно проявляются приведенные выше особенности физи-
ческих и химических свойств РЗМ; именно на базе этих веществ возможно созда-
ние материалов с принципиально новыми свойствами.
2. Материалы, в которых РЗМ присутствуют в виде небольших легирующих
добавок. В этих случаях используют либо химические свойства РЗМ (например,
рафинирование и модифицирование различных металлов и сплавов), либо особен-
ности их электронного строения, связанные в основном с определенными энергети-
ческими переходами в возбужденных состояниях (например, лазерные материалы,
люминофоры).
Производство и потребление РЗМ в настоящее время резко возрастают. В раз-
витых капиталистических странах (в расчете на окислы РЗМ) объем продукции
составил, тыс. т: 1950 г. 4,5; 1960 г. 15; 1975 г.-— более 50 [61].
Если ранее главным потребителем РЗМ была металлургия, то в настоящее вре-
мя в связи с созданием и использованием новых материалов, в которых РЗМ яв-
ляется основным компонентом, и перспективностью их непосредственного исполь-
зования обнаруживается тенденция к замене РЗМ в металлургических процессах
другими металлами и использованию их в основном в электронике, радиотех-
нике, радиоэлектронике, оптике.
В качестве некоторых примеров использования РЗМ в электротехнике и
электронике можно привести следующие.
Магнитные материалы на основе сплавов РЗМ — Со. Методы порошковой
металлургии позволили создать ряд специальных технологических процессов,
в результате которых получены материалы с магнитной энергией >120 кДж/м3.
В развитых капиталистических странах в 1976 г. более 25 различных фирм
осуществили промышленный выпуск таких магнитов для обеспечения нужд са-
мых различных областей техники: приборостроения, криогенной техники, косми-
ческой техники, ядерной энергетики и др. [63].
Эмиссионные материалы на основе окислов РЗМ в качестве активаторов оксид-
ных катодов, используемых для мощных импульсных магнетронов.
Эмиссионные материалы на основе гексаборидов РЗМ, в основном гексаборида
лантана, отличающиеся возможностью получения больших эмиссионных токов —
более 100 А/см2 и их стойкостью в условиях интенсивной ионной бомбардировки.
Такие катоды успешно используют в установках электронно-лучевой сварки, плав-
ки, резки металлов, в системах электронных микроскопов и записи информации.
Небольшие добавки эмиссионно-активных соединений РЗМ могут быть ис-
пользованы в электроконтактных материалах с целью уменьшения их эрозион-
ного износа при дуговом разряде.
Г ампоглотители — геттеры на основе сплавов РЗМ — алюминий исполь-
зуют в различных электронных вакуумных системах.
Керамика на основе титанатов и станнатов РЗМ обладает высокой темпера-
турной стабильностью диэлектрических характеристик, что позволило создать
новые материалы для различных видов электрических конденсаторов.
Полу проводниковые материалы на основе халькогенидов и некоторых боридов
РЗМ характеризуются высокой температурной устойчивостью и весьма перспек-
тивны для использования в различных полупроводниковых приборах, в частности
в условиях прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
РЗМ широко используются в новых лазерных материалах, в люминофорах,
в ядерной энергетике.
Следует отметить, что большинство материалов на основе РЗМ получают
в виде порошков. Поэтому производство изделий из них и с их участием нераз-
рывно связано с методами и процессами порошковой металлургии.
140
2.6. Металлоподобные тугоплавкие соединения
К классу тугоплавких соединений относят обычно химические соединения
металлов с неметаллами, а также взаимные соединения неметаллов с температу-
рами плавления выше 1500 °C.
К этому классу веществ относятся соединения, состоящие из атомов по мень-
шей мере двух сортов, среди которых один должен быть атомом переходного или
редкоземельного металла (или металла, у которого при образовании кристалла
возможно возбуждение до начала заполнения d- или /-состояния), а второй —
атомом р-элемента.
Структура этих соединений характеризуется наличием двух подрешеток —
атомов металла и неметалла либо двух неметаллов, внедренных друг в друга.
Такая структура определяет гетеродесмичность этих соединений: они имеют ме-
таллическую связь между атомами металлов, ковалентную—между атомами
неметаллов и обычно ионно-металлическую или ковалентно-металлическую между
атомами металла и неметалла. Характер межатомной связи определяет их основ-
ные физические свойства. Так, эти материалы не только тугоплавки, но и обладают
высокой твердостью, хрупкостью, малыми значениями коэффициентов термиче-
ского расширения, малой упругостью паров, т. е. свойствами, характерными для
кристаллов ковалентных соединений. Наличие металлической составляющей
связи в этих веществах приводит к высокой электропроводности и теплопровод-
ности. Кроме того, некоторые материалы этой группы соединений характеризуются
высокими значениями температуры перехода в состояние сверхпроводимости,
высокими термоэмиссионными характеристиками, наличием полупроводниковых
свойств, сохраняющихся до весьма высоких температур, и магнитных пере-
ходов.
Все тугоплавкие соединения можно разделить на два класса: металлоподоб-
ные и неметаллические.
Металлоподобные соединения обычно образуются d- и /-переходными метал-
лами с неметаллическими sp-элементами.
К их числу относятся соединения металлов с В, С, N, Si, Ge, Р, S и другими
халькогенами [82, 84].
Неметаллические тугоплавкие соединения образуются в основном взаимным
сочетанием неметаллов с характерной для них ковалентной связью, иногда с неко-
торой долей ионнссти.
К числу наиболее технически важных соединений этого класса относятся
SiC, В4С, Si3N4, BN, AIN, ВР и некоторые другие. Все соединения этого типа
являются диэлектриками или широкозонными полупроводниками.
Большинство тугоплавких соединений (за исключением неметаллических)
обладает достаточно широкой областью гомогенности в пределах существования
фазы; свойства их в пределах существования области гомогенности могут весьма
сильно изменяться. Наиболее широкими областями гомогенности характеризу-
ются типичные фазы внедрения — карбиды и нитриды тугоплавких металлов.
Отличительной чертой электронного строения тугоплавких соединений яв-
ляется несоблюдение правил валентности, характерных для обычных химических
соединений. Следствием этого является возможность образования нескольких
соединений разного состава в пределах данной двойной системы, а также сложная
структура энергетических зон, что приводит к немонотонным температурным
зависимостям свойств переноса (электро- и теплопроводности, термо-э. д. с.,
эффекта Холла и др.).
Образующиеся в пределах данной двойной системы соединения разного со-
става отличаются друг от друга структурой, физическими свойствами, обладают
различной термодинамической устойчивостью. Как правило, с увеличением от-
носительного содержания неметалла увеличивается ковалентная составляющая
межатомной связи, что повышает твердость, температуру плавления фаз, тепло-
и электропроводность. Одновременно возрастает термодинамическая стабиль-
ность, а также химическая стойкость по отношению к действию активных сред
и контактирующих твердых материалов. Именно эти соединения наиболее важны
для практического использования.
141
Йили
1	I	II	III	IV	V	
						
2	Li	Be	в	c	N	
3	Na	Mg Mg2Si	Al	Si	p	
4	к	Ca Ca2Si CaSi CaSi2	Sc Sc6Siз ScSi ScSi2	Ti T i gSi TiBSis TiBSi4 TiSi TiSi2	V V3Si V3Si3 VSi2	
	Си	Zn	Ga	Ge	As	
5	РЬ	Sr Sr2Si SrSi Sr2Si з SrSi2	Y Y 3SI3 Y3Si4 YSi YSi3	Zr Zr3Si Zr2Si ZrBSi з Zr3Si2 Zr6Si 4	Nb Nb3Si Nb5Si2 NbSi2	
	Ag	Cd	In	Sn	Sb	
ft	Cs	Ba BaSi BaSi2	La LaftSi з La3Si2 La6Si4 LaSi LaSi2	Hf Hf2Si Hf3Si3 Hf3Si2 Hf3Si4 HfSi HfSi2	Ta TaSi Ta2Si T a5Si3 TaSi2	
	Аи	Ilg	Tl	Pb	Bi	
7	Fr	Ra	Ac	Ku		
Ce CegSig CeSi2 Ce5Si4 CeSi CeSi2	Pr PfftSi3 PfaSi2 Pr5Si4 PrSi PrSi2	Nd NdBSi3 NdsSi4 NdSi NdSi2	Pm	Sm Sm6Si3 SmBSi4 SmSi SmSi2	Eu EuSi EuSia	Gd GdjSis Gd3Si4 GdSi GdSi2	
Th Th 3Si2 ThSi ThSI2	Pa	U U3Si USi3 U3Si2 USi USi3	Np NpSi2	Pu PusSia Pu 8Si2 PuSi PuSi2	Am	Cm	
142
ТАБЛИЦА 2.54
ЦИДЫ
	VI	VII		VIII	
		H	He		
	о	F	Ne		
	S	Cl	Ar		
	Сг Cr3Si Cr6Si з CrSi CrSi2	Mn MnaSi MnftSi2 Mn6Si3 MnSi MnSi2	Fe Fe3Si FenSi5 Fe6Si3 FeSi FeSi2	Co Co2Si CoSi CoSi2	Ni Ni3Si Ni 6Si2 Ni2Si Ni 3Si2 NiSi NiSi2
	Se	Br	Kr		
	Mo Mo8Si MosSi3 MoSi2	To Tc4Si TC3Si Tc„Si„ TcSi TcSi2	Ru Ru2Si Ru„Si2 RuSi	Rh Rh2Si Rh6Si3 R h2(jSii3 Rh з Si a RhSi	Pd Pd3Si .PdjSi PdSi
	Те	J			Xe
	W W6Si3 WSia	Re Re6Si3 ReSi ReSi2	Os OsSi Os2Si $ OsSi2	Ir Ir3Si Ir2Si Ir3Si2 IrSi IrSi3	Pt Pt3Si Pti2Si3 Pt2Si PteSi5 PtSi
	Po	At			Rn
					
Tb		Dy Dy3Si3 Dy,Si4 DySi DySi3	Ho Ho6Si a HoSi HoSi2	Er ErsSi3 ErBSi4 ErSi ErSi3	Tm Tm5Si3 TmSi TmSi2	Yb YbsSi3 YbSi YbSi2	Lu Lu &Si a Lu5Si4 LuSt LuSi2
	1 bgSlз Tb6Si4 TbSi TbSi2						
	Bk	Cf	Es	Fm	Md	(No)	(Lr)
143
БОРИ
1	I	11	III	IV	V	
						
2	Li	Be BesB Be2B BcB2 BeB4 BeB, BeB, BeB12	В	c	N	
3	Na	Mg MgB2 MgB4 MgB, MgB12	Al A1B2 aib4 A1B1O A1B12	Si	p	
4	К	Ca Са В о	Sc ScB2 ScB4 ScB, ScBt2	Ti Ti2B TIB Ti3B 4 TiB2 TUB, TiB12 '	V VB V.B, V3B4 V2B з VB2	
	Си	Zn	Ga	Ge	As	
5	Rb	sfr SrB,	Y yb2 yb4 YB« IBs YBI2 yb70	Zr ZrB Zr B2 ZrBi2	Nb Nb2B Nb,Ba NbB Nb,B4 NbB2	
	Ag	Cd	In	Sn	Sb	
6	Cs	Ba BaBe	La L а В з LaB4 LaB,	Hf HfB HfB2	Ta Ta2B T SgBg TaB Ta3B 4 TaB2	
	Au	Hg	T1	Pb	Bi	
7	Fr	Ra	Ac	Ku		
Ce CeB4 CeB,	Pr PrB, ' PrB4 PrB,	Nd NdB4 NdB,	Pm PmBe	Sm SmB4 SmB, Sm Blo,	Eu EuB,	Gd GdB, GdB, GdB, GdB10,	
Th ThB2 ThB4 ThB, ThB„	Pa	U UB UB2 UB4 UB12	Np	Pu PuB PuB2 PuB4 PuB, Pu B,„	Am	Cm	
144
ТАБЛИЦА 2.55
ДЫ
	VI	VII		VIII	
		H	He		
	о	F	Ne		
	S	Ce	Ar		
	Сг	СГ3В4 Сг4В СгВ2 Сг2В Сг3В6 Сг5В з СгВ 4 СгВ СгВв	Mn Mn4B MnB2 Mn,B MnB4 Mn В Mn,B4	Fe Fe3B Fe3B FeB	Co Co3B Co2B CoB CoB2	Ni Ni3B NIB Ni2B N1B2 Ni3B2 nib12 Ni 4B 3
	Se	Br	Kr		
	Мо Мо2В Мо2Вб Мо3В2 МоВ4 МоВ МоВХ2 МоВ2	Tc Tc3B Tc?B 3 TcB2	Ru RU7B3 RuB2 Ri 1Б8 R u2B 5 RuB Ru2B3	Rh R h7 В 3 Rh2B RhB	Pd PdaB Pd5B2 PdaB2
	Те	I			Xe
	W	W2BS W2B WB. WB	WB12 WB,	Re Re3B Re,B3 ReB2 Re2B 5	Os OsB OsB2 Os2B 5	Ir IrB	Pt Pt3B PtB
	Po	At			Rn
					
	Tb TbB4 TbB„ TbB12 TbB100	Dy DyB2 DyB4 DyB, DyBl2 Dy B100	Ho H0B1 HoB„ HoB12 H0B100	Er ErB4 ErBe ErB12 ErBx oq	Tin TmB, 1 mBe TmB12 TmB10l)	Yb YbB3 YbB4 YbB„ YbB13 YbBjoo	Lu LuB2 LuB4 LuBe Lu В x2 LuBxoq
	BK	Cf	Es	Fm	Md	(No)	(Lr)
145
КАРБИДЫ
1	I	II	III	IV	V	
						
2	Li	Be Be2C Be3N2 BeC	в	C	N	
3	Na	Mg MgaCa MgaNa MgC2	Al	Si	p	
4	к	Ca CaC2 Ca3N2	Sc ScC ScN SclsC10	Ti TiC TiaN TiN	V VaC V aN VC	VN	
	Си	Zn	Ga	Ge	As	
5	Rb	Sr SrCa SraNa	Y YaC YaC, YN Y2C yc3 YC YaC„ YlaCla	Zr ZrC ZrN	Nb NbaC NbaN NbC NbN	
	Ag	Cd	In	Sn	Sb	
6	Cs	Ba BaC2 Ba3N2	La La2C3 LaN LaC2	Hf HfC HfN	Ta Ta2C Ta2N TaC TaN	
	Au	Hg	T1	Pb	Bi	
7	Fr	Ra	Ac			
Ce CeC CeCa CeCa CeN	Pr PrC Pr2Ca PrCa PrN	Nd Nd2Ca NdC2 NdN	Pm	Sm Sm3C Sm2Cs SmCj SmN	Eu EuaC EuC2 EuN	Gd GdaC GdaCa GdCa GdN	
Th ThC ThCa ThN ThaN4 ThaNa	Pa	U UC U2Ca UC2 UN UaNa UN,	Np NpCa NpN	Pu PuC Pu2Ca PuCa PuN	Am	Cm	
J46
ТАБЛИЦА 2.56
И НИТРИДЫ
	VI	VII		VIII	
		H	He		
	о	F	Ne		
	S	Cl	Ar		*
	Сг Сг23Св Cr2N £r,C3 CrN Сг 3С2	Mn Mn23Ce Mn4N Mn4C Mn2N Mn,C3 Mn3N2 Mn5C2 Mn,Ns	Fe Fe4C Fe4N Fe3C Fe3N Fe2C Fe2N	Co C03C CO3N Co2C Co2N	Ni Ni3C Ni3N
	Se	Br	Kr		
	Мо Mo2C Mo3N МоС Mo2N MoN	To TaN	Ru	Rh	Pd
	Те	J			Xe
	W W2C W2N WC WN	Re Re3N Re2N	Os	In	Pt
	Po	At			Rn
					
*	Tb Tb3C Tb2C Tb2C3 TbC2 TbN	Dy Dy3C Dy2C3 DyC2 DyN	Ho Ho3C Ho3C Ho2Cg HoC2 HoN	) Er Er3C ErC2 ErN	Tm Tm,C TmC2 TmN	Yb Yb3C YbC2 YbN	Lu Lu 3C LuC2 LuN
	Bk	Cf	Es	Fm	Md	(No)	(Lr:
147
ТаёЛица 2.57
СОСТАВЫ И СТРУКТУРА ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
[50, 63, 64, 67]
Соеди- нение	Содержание неметалла, % (по массе)	Область го- могенности, % (по массе)	Синго- ния	Тип струк- туры	Период О решетки, A			Плотность, 108 кг/м3
					a	b	c	
Т1В2	31,12	31,0—31,3	Гекс.	А1В2	3,026		3,213	4,53
	19,25	19,1 19,25		А1В2	3,168	—	3,528	6,09
HfB2	10,81	10,8—10,9	»	А1В2	3,141	—	3,470	11,20
VB2	29,8	29,2 31,1	»	А1В2	3,001	.—	3,061	5,06
NbB2	18,89	18,7—19,0	»	А1В2	3,089	—	3,303	7,00
	10,68	10,4—10,75	»	А1В2	3,078	—	3,265	12,62
СгВ2	29,38	28,8—32,7	»	А1В2	2,970	—	3,074	5,60
Мо2Вв	21,99	19,5—20,8	Ромб.	М02В5	3,011	—	20,93	7,48
W2B6	12,83	11,2—12,8	Гекс.	w2B5	2,982	—	13,87	13,11
СаВе	61,83	—	Куб.	СаВв	4,144	—	—	2,44
YBe	42,19	—	»	СаВ6	4,102	—	—	3,72
LaBe	31,80	31,8—33,6	»	СаВв	4,156	—	—	4,72
SmB6	30,16	Узкая	»	СаВ6	4,133	—	—	5,09
TiC	20,05	11,0—20,0	»	NaCl	4,318					4,92
ZrC	11,64	6,62—11,6	»	NaCl	4,683	—	—	6,66
HfC	6,31	3,88—6,3	»	NaCl	4,640	—	—	12,67
VC	19,08	14,7—17,0	»	NaCl	4,118	—	—	5,48
NbC	11,45	8,6—11,5	»	NaCl	4,433	—	—	7,82
TaC	6,22	4,62—6,22	»	NaCl	4,410	—	—	14,4
Сг3с2	13,34	—	Ромб.	—	5,533	2,829	11,472	6,74
Mo2C	5,89	5,4—5,9	Гекс.	Mo2C	2,997	—	4,727	9,18
WC	6,13	3,68 5,69	»	WC	2,906	—	2,837	15,77
TiN	22,63	14,9 22,6	Куб.	NaCl	4,249			—	5,44
ZrN	13,31	7,6—13,3	»	NaCl	4,537		—	7,35
HfN	7,28	5,40 7,85	»	NaCl	4,50	—	—	13,38
VN	21,56	16,0—21,6	»	NaCl	4,136	—	—	6,10
NbN	13,10	12,75	»	NaCl	4,392		—	8,30
		12,85						
TaN	7,19	5,8 6,5	»	NaCl	4,344	—	—	14,36
CrN	21,21		»	NaCl	4,148	—	—	6,14
TiSi2	53,98			Ромб.	TiSi2	8,279	4,819	8,568	4,04
ZrSi2	38,11			»	ZrSi2	3,72	14,76	3,67	4,86
HfSi2	23,93			»	ZrSi2	3,69	14,46	3,64	7,98
VSi2	52,44	—	Гекс.	CrSi2	4,572				6,374	4,62
NbSi2	37,68	35,8—40,0	»	CrSi2	4,809			6,604	5,65
TaSi2	23,69			»	CrSi2	4.778	—	6,558	9,10
CrSi2	51,93	51,7—52,4	Гекс.	CrSi2	4,431	—-	6,364	4,97
_MoSi2	36,93	36,0 36,9	Тетр.	MoSi2	3,203	—	7,855	6,24
WSi2	23,40		»	MoSi2	3,212	—	7,835	9,85
LaSi2	28,79	—	»	ThSi2	4,322		13,86	5,14
148
ТАБЛИЦА 2.58
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
[50, 63-65]
Соеди- нение	Временное сопротивле- ние, МПа	Предел прочности при изгибе, МПа	Предел прочности при сжатии, МПа	Ударная вязкость, кДж/м8	Модуль упруго- сти, ГПа	Микро- твер- дость, ГПа
TiB2			128—235	1323	29,4	530	34,1
ZrB2	1790	88—196	1556	58,8	343	21,5
HfB2			—	—	—	—	28,4
VB2	—			—	—	268	27,5
NbB2	—				—	—.	637	25,5
TaB2				—		257	25,5
CrB2		588—725	1254	—	211	24,2
Mo2B5				172—344			—	672	25,2
W2B5	,					  --	775	25,3
CaBe			130	—	—	451	37,3
YBe				26	—	—	451	—
LaBe	—	127	—	—	479	27,2
SmBe	—	148	—	—	—	—
TiC	550—1030	275—390	1304—3824	9,8	451	29,4
ZrC	75—112	73,5	813—1638	19,6	348	28,7
HfC	240	—			—	352	28,4
VC	14—28	69	608	—	269	20,5
NbC	84	—	1373—2373		338	19,2
TaC	205—245	275	—		285	15,7
	50	—	1028		373	13,2
Mo2C	—	49	—		533	14,7
wc	340	340	2668		696	9,0
TiN		234	1273	—	251	19,6
ZrN		—	980	—	500	14,9
HfN	—	—	—	—	__	16,1
VN			—	—	—	—	14,9
NbN		—			—	483	13,7
TaN			—			—	576	10,4
CrN	—	—	—	—	—	10,6
TiSi2	147	206	1156	259	—	8,7
SrSi2	—		—	263	—	10,4
HfSi2	—	—	—		—	9,1
VSi2	—	—	—		—	8,7
NbSi2		—	—		—	10,3
TaSi2	—-	294	—	—	100	13,7
CrSi2	—	241	—	—	—	11,1
MoSi2	118—275	245—392	1108—2400	422	но	7,2
WSi2	—	165—290	1240	—	250	10,5
LaSi2	—	257	—	—	—	4,7
Типы структур, в которых кристаллизуются тугоплавкие соединения, весьма
разнообразны и определяются как отмеченным выше характером межатомного
взаимодействия, так и соотношением атомных радиусов металла и неметалла.
В соответствии с принципом Хэгга, согласно которому атомы неметалла
внедряются в междоузлия простейшей кристаллической решетки металла, при-
условии 0,41 < ГуИме <С 0,59 (где гх и гме —радиусы атомов неметалла и металла
соответственно) формируются структуры с кубической или простой гексагональ-
ной симметрией. Такие структуры характерны для большинства гидридов, кар-
бидов и нитридов переходных металлов, ряда их моноокислов, а также для борид-
ных и силицидных фаз с малым содержанием неметаллических компонентов.
149
Фазы этого типа объединяются понятием (фазы внедрения», так как их можно
рассматривать как металлические твердые растворы внедрения неметаллических
атомов. Такое внедрение совершенствует основную решетку металла, создавая
в ней наиболее плотную упаковку атомов. При этом решетка основного металла
упрочняется вследствие усиления межатомной связи и появления дополнительной
составляющей связи металл—неметалл, а внедренные атомы затрудняют про-
цессы пластической деформации, что резко повышает твердость, прочность и хруп-
кость соединений.
При отклонении от хэгговского соотношения атомных радиусов, а также при
увеличении относительного содержания неметалла в тугоплавких соединениях
образуются более сложные структуры, характеризующиеся образованием ко-
валентных связей между неметаллическими атомами. Наиболее свойственны струк-
туры такого типа боридам и силицидам переходных металлов, в которых форми-
руются цепочки, сетки и каркасы неметаллических атомов. В предельном случае
каркасные структуры, формирующиеся, например, в высших боридах металлов,
могут рассматриваться как результат внедрения атомов металла в междоузлия
каркасной подрешетки бора. Такие структуры также способствуют повышению
твердости, прочности и хрупкости соединений.
В табл. 2.54—2.56 приведены установленные в настояшее время тугоплавкие
фазы в системах переходных металлов с неметаллами. Практически все оии имеют
ряд общих свойств:
высокие температуры плавления;
высокую твердость;
высокие значения модуля упругости и соответственно низкие значения коэф-
фициентов термического расширения;
высокую жаропрочность;
высокую химическую стойкость, в частности к действию расплавленных ме-
таллов;
высокую износостойкость и стойкость к эрозионному износу.
Данные о свойствах тугоплавких соединений, имеющиеся в литературе,
колеблются в очень широких пределах, так как пака не разработаны стандартные
способы изготовления как самих тугоплавких соединений, так и образцов из них.
Основные свойства наиболее часто встречающихся металлоподобных туго-
плавких соединений приведены в табл. .2.57 и 2.58. Как правило, эти данные по-
лучены на образцах, изготовленных методом горячего прессования.
Специфика свойств отдельных тугоплавких соединений проявляется в основ-
ном в их электрофизических характеристиках, связанных с особенностями элек-
тронного строения атомов компонент.
В настояшее время наиболее полно излучены четыре группы тугоплавких
соединений: бориды, карбиды, нитриды и силициды переходных металлов.
Бориды
Бориды образуются практически всеми металлами Периодической системы;
в каждом периоде число возможных боридных фаз возрастает к концу периода.
Значения теплот образования боридных фаз в этом же направлении уменьшаются,
что сопровождается уменьшением их температур плавления и термической ста-
бильности.
В системах d-переходных металлов с бором наибольшей устойчивостью обла-
дают фазы состава УИ«В2, которые образуются элементами IV—VI групп Периоди-
ческой системы. Все они имеют высокую электрическую проводимость (большую,
чем соответствующие металлы); наличие ковалентной подрешетки атомов бора
способствует сохранению их высоких прочностных свойств при повышенных тем-
пературах. Бориды обладают сравнительно высокой коррозионной стойкостью,
что связано с образованием в процессе окисления поверхностных пленок боратов
металлов, препятствующих дальнейшему окислению.
Бориды металлов IV группы, наиболее стабильные в термодинамическом
отношении, практически не взаимодействуют с другими металлами ни в твердом,
ни в жидком состоянии.
150
Температурные зависимости электрофизических характеристик боридных фаз
подобны таким же зависимостям для типичных металлов, однако высокие зна-
чения характеристических температур (600—800 К) приводят к меньшему эф-
фекту рассеяния на тепловых колебаниях решетки.
Карбиды
Наиболее устойчивые карбидные фазы карбиды металлов IV и V групп со-
става Л4сС, являющиеся типичными фазами внедрения. Специфической особен-
ностью этих фаз является очень широкая область гомогенности в сторону дефи-
цита атомов углерода, вследствие чего получение карбидов стехиометрического
состава на практике почти невозможно. Этим также определяется большой раз-
брос приведенных в литературе их физических характеристик.
Подобно боридам, число возможных карбидных фаз возрастает при переходе
от металла IV группы к металлам VII группы, однако уменьшается для металлов
группы железа. Стойкие карбидные фазы рения и платиновых металлов не по
лучены.
Монокарбиды металлов IV и V групп являются наиболее высокотемператур
ными из всех известных материалов; сплавы карбидов Та и Hf имеют максималь-
ную из известных температур плавления около 4000 °C.
Карбиды металлов V группы отличаются весьма высокой стойкостью в ва-
кууме при температурах до 2500—3000 °C. Их стойкость к окислению значительно
ниже, чем боридных фаз. По электрофизическим свойствам карбиды являются
типичными металлоподобными соединениями, однако их сопротивление несколько
выше, чем соответствующих металлов.
Специфичны сравнительно небольшие значения работы выхода электронов
некоторых карбидных фаз, в частности ZrC.
Нитриды
Нитриды переходных металлов по структуре и электронному строению
близки к карбидам. Онитакже являются типичными фазами внедрения, гомогенны
в широкой области составов. По сравнению с другими тугоплавкими соединениями
несколько более пластичны. При нагревании в вакууме диссоциируют с выделени-
ем ааота, в связи с чем все технологические процессы при высоких температурах
с этими материалами необходимо проводить в азотсодержащих средах.
Нитриды обладают типичными металлоподобными свойствами. Некоторые
из них (нитриды ниобия, молибдена) имеют высокие температуры перехода в
сверхпроводящее состояние (до 15 К).
Силициды
Силициды переходных металлов как по структуре, так и по свойствам можно
рассматривать как промежуточные соединения между фазами внедрения и интер-
металлидами. Практически все металлы образуют силициды, причем число фаз
в каждой бинарной системе весьма велико. Кристаллические структуры этих
фаз весьма сложны; многие из них претерпевают полиморфные превращения.
Большинство силицидов d-переходных металлов металлоподобно, однако
имеется ряд силицидных фаз с типично выраженными полупроводниковыми свой-
ствами Представляют интерес соединения Mg2Si и Ca2Si полупроводники
с широкой запрещенной зоной (0,7 и 1,9 эВ соответственно), FeSi2, CiSi2, ReSi2
(с шириной запрещенной зоны 0,1—0,2 эВ).
Температурные зависимости электрофизических свойств силицидов имеют,
как правило, сложный характер; у большого числа фаз в интервале 400—800 °C
наблюдается переход к полупроводниковому типу проводимости.
Силипиды V3Si и NbaSi отличаются высокими температурами перехода
к сверхпроводимости; так, для V3Si 7К = 17,1 К; -- 235 кЭ.
Благодаря образованию на поверхности защитного слоя окиси кремния сили-
циды весьма устойчивы к окислению; наиболее устойчив дисилицид молибдена,
который практически не окисляется до 1800 °C.
15J
ТАБЛИЦА 2.59
ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ [64-71]
		tu		S —			CO	CD		S^-ч	
	4 c	x X	2?		н a?		re 4 X	C X X	2	о 4 '	a s
«и	re a	СЧ a		5	h re14- x a®		re a	re a		5*.	x a*
X X	gk	re	aGQ	K Д re	x о о	X X				К Д	soo Я Си
к X	a - о x C x	X - S Я	c § Й	X		X X	<u к	c -	X	X ч £	•s- x * Xu K
	s x		C О		2 x s	tu	Ж X	Ж W	cB		8!?,
О	H 4	H X	A x	>5 Jfj	S a	о	E- 4	H X	A x		S.
TiB2 ZrB2 HfB2 VB2 NbB2 TaB2 CrB2 Mo2B5 W2B5- CaB6 YB6 LaB6 SmB6 TiC ZrC HfC VC NbC TaC Cr3C2	3063 3473 3523 2673 3273 3310 2473 2473 2643 2500 2873 2803 2813 3530 3803 4163 2920 3886 4258 2168	4573 5373 5673 4173 4773 5773 4073	64,5 58,2 51,1 42,3 23,9 15,9 31,8 26,8 31,8 23,0 29,3 47,7 13,8 36,0 20,5 6,3 24,7 14,2 21,8 19,3	636 445 249 417 289 696 572 439 562 367 287 509 352 191 547	5,2 5,9 6,3 7,6 8,0 8,2 10,5 8,6 7,8 6,5 7,6 6,4 6,8 8,0 7,0 6,8 7,3 7,2 7,1 H,7	Mo2C WC TIN ZrN HfN VN NbN TaN CrN TiSi2 ZrSi2 HfSi2 VSi2 NbSi2 TaSi2 CrSi2 MoSi2 WSi2 LaSi2	2795 3058 3223 3253 3273 2323 2573 3360 1773 1793 2173 1953 2203 2473 1748 2293 2433 1793	6273 5620	31,8 29,3 19,3 20,1 21,8 13,4 15,9 8,8 11,7 46,5 15,5 25,1 15,9 15,8 21,8 10,8 48,6 47,7	299 182 599 433 228 505 408 208 696 518 469 230 434 365 489 421 268	7,8 3,9 9,4 7,2 6,9 9,2 10,1 3,6 2,3 12,5 8,3 11,2 8,4 9,5 10,0 8,3 6,3 7,8
Следует выделить в особую группу тугоплавкие соединения редкоземельных
металлов (табл. 2.59 и 2.60).
 Карбиды и нитриды этих металлов, хотя и имеют высокие температуры плав-
ления, отличаются весьма низкой химической устойчивостью в окислительной
среде, особенно в присутствии влаги, и по своим свойствам близки к соединениям
класса солей.
Бориды редкоземельных металлов наиболее тугоплавки — их температуры
плавления превышают 2500 °C. Вследствие специфики электронного строения
РЗМ составы и структуры их боридных фаз отличаются от таковых для d-пере-
ходных металлов. Свойства боридных фаз зависят от эффективной валентности
образующих их металлов. Так, бориды трехвалентных РЗМ являются типичными
металлоподобными соединениями, в то время как бориды двухвалентных ме-
таллов проявляют полупроводниковые свойства.
Характерной особенностью боридов РЗМ, в частности гексаборида лантана,
являются низкие значения эффективной работы выхода электронов. Сочетание
этого свойства с высокой температурой плавления, твердостью, износостойкостью,
низкой скоростью испарения важно для создания на их основе новых термоэмис-
сиониых материалов.
Свойства полупроводниковых боридов РЗМ практически еше не изучены,
но есть основания предполагать возможность создания на их основе новых вы-
сокотемпературных полупроводниковых материалов.
В гексабориде самария, например, установлено наличие фазового перехода
типа металл—полупроводник, который может быть использован при создании
управляемых полупроводниковых приборов
15?
1 Л Ь Л И Ц A 2.60
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ [63-70]
Соединение	Удельное электросо- противление, мкОм.м	Термический коэффициент электросо- противления, Ю-з K-i	Т. э. д. с., мкВ/К	Температура перехода в сверхпро- водящее состояние, К	Работа вы- хода элек- тронов, эВ
Т1В2	0,900	2,0	—2,9	<1,28	3,88
ZrBg	0,970	2,3	1,2	<1,80	3,60
HfB2	1,060	3,3	— 1,0	3,1	3,85
VB2	2,270	2,1	—5,8	<1.20	3,95
NbB2	2,570	1,0	—3,4	<1,0	3,65
TaB2	3,250	1,2	—2,8	<1,28	3,66
СГВ2	3000	1,2	—3,0	<1,28	3,36
Мо2в5	1800	3,3	—9,4	5,2—8,1	3,95
w2B5	43,0	4,3	—6,6	—	2,95
CaBg	п/п	1,16	—32,0			2,86
YB6	4,0	1,24	—0,5	6,5—7,1	2,52
LaBfi	10,0	2,68	+0,1	5,7	2,66
SmBe	207	—0,42	+ 7,6			4,40
TiC	52,5	1,8	— 13	<1,20	3,35
ZrC	50,0	1,6	— 11,5	<1,20	3,10
HfC	45,0	1,4	— 10,5	<1,23	3,60
VC	65,0	1,4	—0,5	<1,20	4,08
NbC	51,1	1,4	—6,5	П,1	3,83
TaC	42,1	1,1	— 11,5	10,1	3,14
СГ0С2	75	2,3	—6,7	<1,20		
Mo2C	71	3,8	—2,0	4,0	4,74
WC	19,2	0,5	—25,5	10,0	3,60
TiN	26 •	2,5	—7,7	5,6	3,45
ZrN	28	2,0	—5,9	9,8	3,92
HfN	33	1,5	—2,9	6,2	3,90
VN	85	1,7	—5,0	8,2		
NbN	78	3,1	—2,2	16,3	3,92
TaN	128	0,1	— 1,0	6,5	
CrN	640	—	-92	<1,28		
TiSi2	16,9	6,3	Н 5,2	<1,20	3,95
ZrSi2	75,8	1,3	+ 14,7	<1,02	3,95
HfSi2	—	—-			<1,02		
VSi2	64,0	3,5	+ 10,5	<1,20	3,20
NbSi2	52,6	—	Н4,4	<1,20		
TaSi2	41,0	3,3	+ 14,0	<1,20	4,71
CrSi2	915	2,9	4 86,0	<1,20		
MoSi2	21,6	6,4	-3,0	1,34	4,73
WSi2	12,5	2,9	+ 0,2	<1,20	4,62
LaSi2	350	—	—5,0	2,3	—
Силициды редкоземельных металлов также изменяют характер проводимости
от металлического к полупроводииковому в интервале 400 600 °C.
К тугоплавким соединениям, представляющим интерес для электротехники
и электроники, следует отнести также группу халькогенидов редкоземельных
металлов — их соединения с серой, селеном, теллуром. Подобно боридам, халько
геииды двухвалентных редкоземельных металлов являются полупроводниками
с высокими температурами плавления (EuS 1940 К, SmS 2213 К).
В связи с тем что магнитные свойства РЗМ определяются глубоколежащей
4/-электронной оболочкой, которая практически не принимает участия в химиче-
ской связи при образовании фаз, эти свойства сохраняются и в соответствующих
тугоплавких соединениях.
153
Таким образом, Эти фазы являются магнитными полупроводниками, В ко-
торых магнитные моменты 4/-оболочек взаимодействуют с носителями тока. Это
в свою очередь дает возможность влиять на характер магнитного упорядочения
материалов.
Тугоплавкие соединения могут быть использованы как в виде отдельных
элементов конструкций и изделий, так и в виде толстых и тонких пленок на других
материалах. Технология изготовления тугоплавких соединений обычно связана
с процессами химического синтеза, осуществляемого либо в смесях порошков
исходных материалов, либо проведением синтеза непосредственно на поверх-
ности покрываемых изделий.
Основными способами изготовления тугоплавких соединений являются
следующие.
Непосредственный синтез материалов из элементов обычно применяют при
получении карбидов, силицидов, нитридов переходных металлов. Синтез осуще-
ствляют нагреванием смесей соответствующих порошков металла и неметалла
в инертной среде или в вакууме. Способ позволяет получать соединения, близкие
к заданному составу, однако вследствие необходимости использования в качестве
исходных веществ чистых металлов его практически используют для получения
сравнительно небольшого числа соединений: карбидов вольфрама, молибдена,
циркония, тантала, нитридов металлов силицидов молибдена, вольфрама.
Восстановление окислов металлов углеродом, бором, кремнием. Способ более
экономичен, применяется для получения карбидов, нитридов и боридов метал-
лов; осуществляется нагреванием смесей порошков окислов металлов с неметал-
лами или их соединениями в вакууме или инертной среде. В качестве восста-
новителя используют сажу; при получении боридов повышенной чистоты в каче-
стве восстановителя применяют карбид бора или элементарный бор.
Непосредственное сплавление компонент. Этот способ используется для
получения небольших количеств материалов и осуществляется обычно в дуговой
печи в инертной среде.
Осаждение из газовой среды используется в основном при получении покрытий
из тугоплавких соединений на других материалах и осуществляется при взаимо-
действии галоидных соединений металлов и неметаллов на нагретых подложках
в среде водорода или нейтрального газа.
Тугоплавкие соединения практически всегда получают в виде дисперсных
порошков, в связи с чем изделия из них изготавливают традиционными способами
порошковой металлургии — прессованием с последующим спеканием, спеканием
при горячем прессовании, спеканием с использованием жидкой фазы и др.
Тугоплавкие соединения могут быть использованы как самостоятельно,
так и в различных металлокерамических композициях, в которых оии являются
упрочняющей фазой.
Проводятся интенсивные исследования по созданию тонкопленочных покры-
тий из тугоплавких соединений. Тонкие покрытия получают способом электронно-
лучевого, лазерного, катодного, плазменного распыления тугоплавких соединений
либо их синтезом из газовой фазы непосредственно на подложках. Такие покры-
тия позволяют использовать ценные свойства тугоплавких соединений в изде-
лиях сложной формы.
Тугоплавкие соединения широко используют в следующих элементах и кон-
струкциях:
в нагревательных элементах из дисилицида молибдена, стабильно работа-
ющих в окислительной среде при нагревании до 1800 °C;
в нагревательных элементах на основе карбида ниобия, стабильно работа-
ющих в вакууме до 2500 °C;
в различных электронных устройствах повышенной мощности, в частности
в установках для электронно-лучевой сварки и плавки металлов, в ускорителях
заряженных частиц, в электронных микроскопах и других системах, применяют
катодные элементы из гексаборида лантана;
в качестве токопроводящего элемента объемных и толстопленочных резисто-
ров (бориды кальция, самария, карбиды хрома, молибдена и др.);
в качестве эффективных антиэмиссиониых покрытий (силициды ряда метал-
лов, в частности силициды циркония и титана);
154
в качестве высокотемпературного припоя для пайки тугоплавких металлов
и этих металлов с тугоплавкими соединениями (некоторые силициды, в частно-
сти дисилицид молибдена);
для изготовления лодочек испарительных установок для распыления легких
металлов, в частности алюминия (карбиды тантала и ниобия, борид циркония);
в качестве элементов высокотемпературных термопар для измерения тем-
ператур расплавленных металлов (карбиды тантала и ниобия, борид циркония,
силицид молибдена).
Порошки металлоподобиых тугоплавких соединений электротехнического
назначения выпускают в СССР Донецкий завод химреактивов, а за рубежом
фирмы «Ventron Corp.» (ФРГ), «Atomergic Chemetals» (США), «Furunchi Chemical
Co Ltd» (Япония), «Bureau of Mines» (США), «DF Goldsmidt chemical and Metal
Corp.» (США), «German C. Stark» (Зап. Берлин), «Сегас Hot—Pressing Inc.»
(США).
2.7.	Неметаллические тугоплавкие соединения
Неметаллические тугоплавкие соединения образуются легкими элементами
III—V групп Периодической системы Д. И. Менделеева в бинарных системах,
содержащих В, С, N, А1 и Si. Эти элементы дают друг с другом соединения
(В4С, BN, BSi3, BSi4, BSie, А1В2, А1В12, А14С3, AIN,, SiC, Si3N4), термодинамически
стабильные и находящиеся в твердом состоянии в нормальных условиях (за
исключением газообразного циана C2N3 и системы А1—Si, образующей эвтекти-
ческие сплавы).
Неметаллические тугоплавкие соединения отличаются преимущественным
ковалентным типом химической связи и обусловленными им специфическими
физическими свойствами. Для таких соединений характерны следующие особен-
ности:
полупроводниковые или диэлектрические свойства;
высокие твердость и модуль упругости;
хрупкость в широком интервале температур;
низкий коэффициент термического расширения;
высокая теплопроводность.
Среди указанных выше соединений для использования в материалах элек-
тротехнического назначения наиболее пригодны карбид кремния SiC, являю-
щийся полупроводником, нитрид кремния Si8N4 и нитрид бора BN, обладающие
ярко выраженными диэлектрическими свойствами.
Карбид кремния SiC служит основой наиболее широко распространенных
в промышленности электронагревателей. Это соединение является высокотем-
пературным полупроводником, в нем удачно сочетаются большая ширина запре-
щенной зоны и высокая подвижность носителей тока с термической и химической
устойчивостью. Так как SiC является широкозонным полупроводником, то соб-
ственная его проводимость наступает при весьма высоких температурах (1200—
1400 °C). В области примесной проводимости при более низких температурах
электросопротивление SiC определяется концентрацией и природой присутству-
ющих в нем примесей. По этой причине сопротивление SiC может меняться от
10 до 1014 Ом-м для кристаллов n-типа и от 10 до 104 Ом-м для кристаллов р-типа
[73]. Однако среднее значение электросопротивления кристаллов n-типа техни-
ческой чистоты в среднем составляет 30 Ом-м [74].
Основные структурные характеристики и физические свойства SiC пред-
ставлены ниже [72].
Молекулярная масса .......................... 40,1
Содержание С;
% (ат.).................................... 50
% (по массе)............................... 29,95
Кристаллическая структура:
p-SiC......................................... ГЦК,	пространственная
группа ТМ—F43m
ос-SiC *.................... .	Гексагональная, ромбоэдри-
ческая
.155
Плотность рентгеновская при 300 К, Ю3 кг/м3
Параметры решетки при 300 К, нм...........
Работа выхода электронов при 300 К, эВ , .
Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ. .
Температурный коэффициент ширины запрещен-
ной зоны, 10~4 эВ/K, в интервале, К:
295—700...................................
300—700...................................
Подвижность носителей тока, при 300 К, см2/(В-с)
Удельное сопротивление* **, при 300 К, Ом-м
Температурный коэффициент сопротивления (в ин-
тервале 1173—1773 К), 103 К-1 ..............
Т. э. д. с. при 300 К, мкВ/К................
Коэффициент излучения при X = 9 мкм ....
Температура Дебая, К .......................
Температура сублимации при 3,5 МПа, К. . . .
Коэффициент термического расширения, 10"° К-1
Удельная теплоемкость, 103 Дж/кг .......
Теплопроводность** при 293 К, Вт/(м-К) . . .
Микротвердость, ГПа ........................
Модуль упругости, ГПа.......................
3,210 (P-S1C)
3,214 (a-SiC) (2Н)
3,211 (a-SiC) (6Н)
а = 0,43596 (P-S1C)
а = 0,307631 a-SiC (2Н)
с = 0,50480/
4,6 (a-SiC)
2,2—2,6 (p-SiC)
3,30 (a-SiC) (2Н)
2,86 (a-SiC) (6Н)
—5,8 (₽-SiC)
—3,3 (a-SiC) (6H)
1000 ф-SiC)
264 (a-SiC) (6H)
101—105 (P-SiC)
101—Ю14 (a-SiC)
+0,264
—70 (a-SiC)
0,94
1430 (p-SiC)
1200 (a-SiC)
2880—3100
3,8 (P-SiC) (473 K)
5,12 (a-SiC) (300—1300 K)
0,668 (P-SiC)
0,665 (a-SiC)
400—500 (a-SiC)
20,9—28,9 (a-SiC)
25,6—27,6 (P-SiC)
384—446 (a-SiC)
* Образует большое число политипов.
** Зависит от содержания примесей и других дефектов структуры.
Карбид кремния обладает высокой химической стойкостью по отношению
к большинству кислот и разбавленных щелочей. В кислородсодержащих газовых
средах стабильность SiC определяется образованием на его поверхности пленки
SiO2, являющейся диффузионным барьером по отношению к кислороду. Защит-
ная пленка SiO2 сохраняется на SiC при нагревании до 1650—1700 °C. При более
высоких температурах становится термодинамически возможным взаимодействие
между SiC и SiO2 с образованием газообразных СО и SiO. При этом скорость
окисления карбида кремния катастрофически возрастает. В среде инертных
газов SiC стабилен до 2200—2300 °C, а при более высоких температурах это со-
единение диссоциирует и испаряется.
В промышленных масштабах SiC производят методом электротермического
восстановления кварцевого песка углеродом (коксом) в керновых электриче-
ских печах сопротивления. Готовый продукт цолучают в виде крупнокристал-
лических сростков, подвергаемых затем дроблению и классификации.
Характеристики получаемых таким методом порошков в СССР регламенти-
рованы отраслевым стандартом Министерства станкостроительной и инстру-
ментальной промышленности СССР ОСТ 2-144—71.
В соответствии с этим стандартом для электротехнических целей (производ-
ство электронагревателей) выпускают две марки карбида кремния: 63С и 64С.
В табл. 2.61 приведены зернистость, химический состав и насыпная масса порош-
ков этих марок.
Как следует из данных, представленных в табл. 2.62, порошки SiC, произво-
димые во ВНИИАШе, по содержанию примесей имеют существенное преимуще-
ТАБЛИЦА 2.61
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ
ПО ОСТ 2-144—71, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ
Зернистость (по ГОСТ 3647—71)	Размер частиц, мкм	Содержание, %			Насыпная плотность, 108 кг/мэ
		SiC (не менее)	Fe GCBo6 Al не более	магнит- ных примесей	
Порошок марки 63 С
80—16	160—1000	98,5	0,25	0,20	0,10	0,15	1,42—1,54
12—10	100—160	98,0	0,40	0,20	0,10	0,15	1,36—1,38
8—6	63—100	97,5	0,60	0,20	0,10	0,15	1,32—1,34
5—4	40—63	98,0	0,40	0,20	0,10	0,15	1,28—1,30
М63—М50	40-63	98,0	0,40	0,20	0,10	0,15	1,28—1,30
М40—Ml 4	10—40	97,0	0,50	0,40	0,10	0,15	—
М10—М5	3-10	96,0	0,50	0,50	0,10	0,15	—
		Порошок марки 64 С					
80—16	160—1000	99,0	0,10	0,15	0,08	0,05	1,42—1,54
12—10	100—160	99,0	0,15	0,15	0,08	0,05	1,36—1,38
8—6	63—100	98,5	0,20	0,15	0,08	0,05	1,32—1,34
5-4	40—63	99,0	0,15	0,15	0,08	0,05	1,28—1,30
М63—М50	40—63	99,0	0,15	0,20	0,08	0,05	1,28—1,30
М40—М14	10—40	98,0	0,20	0,20	0,08	0,05	
М10—М5	3—10	97,0	0,30	0,30	0,08	0,05	—
ство по сравнению с другими марками порошков SiC, выпускаемых как в СССР,
так и за рубежом.
Карбид кремния нашел широкое применение в электротехнике и электро-
нике, где используют как монокристаллы [72], так и поликристаллические
спеченные материалы, отличающиеся различными свойствами и предназначен-
ные для различных условий эксплуатации. В табл. 2.63 представлены области
применения некоторых карбидкремниевых спеченных материалов со специаль-
ными электрофизическими свойствами.
Нитрид кремния Si3<V4. Это соединение обладает диэлектрическими свойства-
ми, сохраняющимися в широком диапазоне температур благодаря наличию
направленных ковалентных связей, обусловливающих высокую энергетиче-
скую прочность его кристаллической решетки. В Si3N4 насыщенные ковалент-
ные связи образуются перекрытием зр3-орбит атома Si гибридной зр2-орбитой
атома N. В решетке Si8N4 ковалентные связи ориентированы тетраэдрически
так же, как у алмаза, SiC и кубического BN.
Нитрид кремния термодинамически устойчив до —2000 К, а при более вы-
соких температурах он диссоциирует. При комнатной температуре Si3N4. отли-
чается высокой, химической стабильностью по отношению к концентрированным
соляной, азотной, серной, плавиковой и ортофосфорным кислотам и 20%-ному
раствору NaOH. При температурах до 900—1000 °C Si8N4 не взаимодействует
с О2, парами Н2О, С12 и H2S. Ниже представлены основные структурные
характеристики й физические ствойства Si8N4 [76].
Молекулярная масса.........................
Содержание N:
% (ат.)........... ......................
% (по массе).............................
Кристаллическая структура..................
140,30
57,14
39,94
Гексагональная
157
Пространственная группа:
a-Si3N4 ................................. С^—рЗ/с
P-Si3N4 ............................... D^~p63lm
Плотность рентгеновская при 300 К, Ю3 кг м3	3,184 a-Si3N4
3,187 P-Si3N4
Параметры решетки при 300 К, нм............а = 0,7765, с = 0,5622 (a-Si3N4)
а = 0,7606, с = 0,2909 (₽-Si3Nt)
Ширина запрещенной зоны, эВ................ 3,9
Удельное сопротивление при 300 К, 1016 Ом-м	1—10
Температурный коэффициент сопротивления
в интервале 973—1273 К, 103 К-1 ..................... —22	670/Т2
Диэлектрическая постоянная при частоте 9,ЗХ
ХЮ9 Гц.............................................. 7,4—12,1
Коэффициент	излучения	при 1073—1873 К	0,77
Температура	диссоциации,	К............... —2000
Температура полиморфного превращения a ->
->₽, К............................................. 1570—1720
Коэффициент термического расширения в ин-
тервале 293—1273 К, IO-9 К-1 .	....... 2,75
Удельная теплоемкость при	293 К, кДж/кг	0,922
Теплопроводность при 293 К, Вт/(м-К), . . .	~20
Микротвердость, ГПа................................... 32,7
Твердость по Роквеллу.................................... 99
ТАБЛИЦА 2.63
ПРИМЕНЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАРБИДА КРЕМНИЯ
В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ [75]
Область применения	Наименование изделия	Характеристика материала	Определяющие свойства 
Электротермия
Электрические	Электронагре-	Самосвязанный	Электропроводность,
печи сопротив- ления	ватели 3	SiC лектротехника	стойкость против окисле- ния, термостойкость, со- противление ползучести
Коммутирую- щие устройства	Варисторы	SiC на глинозем- ной связке (ти- рит); SiC на связ- ке из жидкого стекла (вилит)	Электропроводность, ее нелинейная зависимость от напряжения, термо- стойкость
Ртутные вы- прямители	Поджигатели	Вилит, SiC на бакелитовой об- угленной связке Энергетика	Электропроводность, ду- гостойкость, термостой- кость
МГД-генерато- ры	Электроды Радиоте	Самосвязанный SiC хника, СВЧ-энергет	Эл ек тр опр овод иос ть, эмиссионная способность, тер мостойкость, химиче- ская стойкость по отно- шению к низкотемпера- турной плазме ика
Волноводные	Аттенюаторы	SiC на керамиче-	Электропроводность, ди-
линии	(поглотители)	ской или стек- лянной связке	электрические потери, теплопроводность
158
ТАБЛИЦА 2.62
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРОШКОВ КАРБИДА КРЕМНИЯ
Предприятие-изготовитель	Тип или марка	Зернистость (по ГОСТ 3647—71)	Размер частиц, мкм	Содержание, % (по массе)							
				SiC	Si-f- +SiO2	Ссвоб	^еобщ	Fe2O3	А^общ	А12Оз	СаО
Требования ОСТ 2-144—71	63С	10—12	100—160	98,0					0,20	0,40			0,10				
	64С	10—12	100—160	99,0	—	0,15	0,15	—	0,08	—	—г
Всесоюзный институт абразивов и	64С	80	800—1000	99,19	0,3	0,6	—	0,12	—	0,14	0,05
шлифования (ВНИИАШ)		50	500—630	99,29	0,1	0,7	—	0,08	—	0,12	0,06
		12	125—160	99,75	Нет	0,2		0,08	—	0,16	0,07
Запорожский абразивный комбинат	63С	10	100—125	97,96	1,15	—	0,35	—	—	0,29	—
Волжский абразивный завод	63С	10	10—125	97,25	1,62	—	0,60	—	—	0,20	—
«Nisso Steel Mfg Со Ltd», Япония	NC	16—200	160—2500	98,0			0,3	0,10	—					—
		6—12	63—160	98,0			0,3	0,15	—	—	—	—
			63	97,87		0,32	0,18	—	0,03	—	—
«Carborundum Plastics Со», США	С-5	—	—	99,0	—	0,30	0,04	—	0,05	—	—
«Sicedisson», Италия			800—2000	800—2500	98,0			0,10	0,10			0,20			—
		16—63	160—800	98,5	—	0,15	0,15	—	0,15	—	—
		6—12	630—160	97,5	—	0,20	0,20	—	0,30	—	—
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРОШКОВ
Предприятие- изготовитель	Марка порошка, способ получения	Удельная поверх- ность, м2/г	Содержа				
			$*общ	$*своб	^общ	собщ	
Запорожский абра зивный комбинат	Азотирование кремния	1,3	58,2	0,7	35,5	1,2	
Институт химической физики АН СССР	свс		59,3	1,0	37,5	0,2	
Институт неорганиче- ской химии АН Лат ССР	пхс	59,0	59,4	3,8	34,4	—	
«Advanced Materials Engineering Со Ltd», Великобритания	АМЕ, азоти- рование кремния	1,8 *	58,8	—	37,15'	__	
«Atomergic Chemetals Co Ltd. Div. of Gail- lard — Schlesinger Chem. MfgCorp.», США	АС, азотиро- вание кремния	2,3 *	58,5	—	37,9	—	
«Silvania Chemical and Metallurgical Di- vision», США	SN-502 SN-402	4,0 11,0	>99,98 ** >99,98 **		39,95 39,95	—	
* Средний размер частиц, мкм.
** Si3N4.
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВ НИТРИДА КРЕМНИЯ,
Метод получения порошка	Содержание, %		
	$1общ	^’своб	
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез . .	59,1	0,4	
Азотирование кремния в печи 		59,5	1,5	
Плазмохимический синтез		56,5	2,5	
Примечание. Значения е и tg в, измеренные для неуплотненных порошков,
160
ТАБЛИЦА 2.64
НИТРИДА КРЕМНИЙ
нне, %
	О	в	А1	Са	Mg	Ti	Mo	Мп	Fe	Ni
	4,5	—	0,5	1,5	0,43	0,02	0,11	0,13	0,7	0,009
	0,1	—	0,14	0,2	0,03	—	—	—	0,6	0,001
	5,3	—	0,43	0,13	—	0,13	—	0,027	0,43	0,018
	2,8	—	0,55	—	—	—	—	—	0,78	0,15
	0,83	—	0,4	0,1	—	—	—		0,1	0,01
		<0,001	<0,002	<0,0006	<0,002	<0,008	0,01			
	—	<0,001	<0,002	<0,0006	<0,002	<0,008	0,01			
ПОЛУЧЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ
ТАБЛИЦА 2.65
(по массе)								е	tg 6
	N	Fe	А1	Са	Mg	Ti	^общ		
	37,4	0,45	0,55	0,4	0,35	—	0,3	8,0	5,310“3
	36,0	0,5	0,35	0,4	0,5	—	1,7	12,1	2,2 -10*«
	33,3	0,4	0,5	2,4	0,4	0,8	о,3	7,4	4,8-10“2
	экстрапол	ированы н	а нулевук	пористое	ть.				
	6	". Г. Гнесин							161
Как следует из представленных выше данных, нитрид кремния может быть
использован в качестве основы для создания электроизоляционных и диэлектри-
ческих материалов, сохраняющих свои свойства при высоких температурах.
Свойства и технологические характеристики порошка нитрида кремния во
многом зависят от метода их получения. Наиболее простым и поэтому получив-
шим наибольшее распространение является метод непосредственного азотирова- -
ния порошков элементарного кремния при 1350—1550 °C [76]. Однако этот метод
не позволяет получить продукт стехиометрического состава, лишенный приме-
сей, так как в процессе синтеза имеет место загрязнение Si3N4 примесями кисло-
рода и углерода, находящимися в атмосфере печи, а также металлическими
элементами, присутствующими в кремнии технической чистоты. Известны также
методы азотирования элементарного кремния аммиаком при 1350—1500 °C и
совместного восстановления кремнезема SiO2 углеродом и азотом в присутствии
катализатора (окислы железа) при 1250 1300 С.
Описанные методы получения Si3N4 осуществляются в высокотемпературных
печах. Однако при печном синтезе, как правило, не удается провести до конца 
реакцию образования нитрида кремния и поэтому готовый продукт загрязнен
остатками непрореагировавшего кремния, а также примесями, поступающими
из печной атмосферы и футеровки. Следует отметить также большую энергоемкость
и низкую производительность процессов печного синтеза.
Поэтому в последние годы для повышения чистоты продукта и увеличения
производительности процесса развиваются методы синтеза с формированными
температурно-кинетическими параметрами, которые реализуются в ударной
волне, при «химическом» горении, в низкотемпературной плазме, при гомоген-
ных реакциях в газовой фазе.
Одним из наиболее универсальных является процесс самораспространяю-
щегося высокотемпературного синтеза (СВС) [77], представляющий собой экзо-
термическое взаимодействие химических элементов или соединений, протека-
ющее в режиме горения. Методом СВС синтезированы порошки нитридов бора,
алюминия и кремния, карбидов бора и кремния, а также ряда металлоподобных
тугоплавких соединений. Благодаря простоте аппаратурного оформления и уни-
версальности метод СВС становится основой промышленного производства по-
рошков тугоплавких соединений.
Весьма перспективен для получения ультрадисперсных высокоактивных
порошков метод плазмохимического синтеза (ПХС). Нитрид кремния может
быть получен методом ПХС азотированием порошка кремния, вводимого в струю
азотсодержащей плазмы, или в результате взаимодействия в плазме паров че-
тыреххлористого кремния SiCl4 с аммиаком NH3. Методом ПХС также получены
порошки нитрида бора.
В табл. 2.64 приведены характеристики порошков нитрида кремния, по-
лученных различными методами. При оценке качества этих продуктов следует
особое внимание обратить на вид и содержание примесей, поскольку от этого
фактора зависят многие физические свойства спеченных изделий и в первую оче-
редь диэлектрические характеристики. В табл. 2.65 показано, что примеси
в порошках нитрида кремния, полученных различными способами, существенно
влияют на диэлектрическую проницаемость в и тангенс угла диэлектрических
потерь tg б.
Материалы на основе Si3N4 еще не получили широкого распространения
в электротехнике и электронике из-за отсутствия массового производства порош-
ков этого соединения высокой чистоты. Но преимущества Si3N4, заключающиеся
в благоприятном сочетании высоких электроизоляционных и термомеханических
свойств, несомненны.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Свойства элементов Под ред. Г. В. Самсонова. — М.: Металлургиздат,
1976. 600 с.
2.	Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. —Электротехнические
материалы./Изд. 6-е, перераб.—Л.: Энергия, 1977. 352 с.
162
3.	Справочник по электротехническим материалам — Под ред. Ю. В. Кориц-
кого и др. Т. 3. Изд. 2-е, перераб. — Л.: Энергия, 1976. 896 с.
4.	Некрасов Б. В. —Основы общей химии. В 2-х т.—М.: Химия, 1973, т. 2.
687 с.
5.	Малышев В. М., Румянцев Д. В.—Серебро.—М.: Металлургия, 1976,
309 с.
6.	Реми Г.—Курс неорганической химии./В 2-х тт.—М.: Мир, 1966, т. 2,
836 с.
7.	Металлохимические свойства элементов Периодической системы. И. И. Кор-
нилов, Н. М. Матвеева, Л. И. Пряхина, Р. С. Полякова. — М.: Наука,
1966. 352 с.
8.	Кобальт — Краткая химическая энциклопедия./Т. 2.—М.: Советская эн-
циклопедия, 1963, с. 611—616 (1088 с.).
9.	Гордон А., Форд Р.—Спутник химика./М.: Мир, 1976. 541 с.
10.	Химия. Справочное руководство. Пер. с нем./Под ред. Ф. Г. Гаврюченкова
и др.—Л.: Химия, 1975. 576 с.
11.	Таблицы физических величин. Справочник./Под ред. И. К. Кикоина. — М.:
Атомиздат, 1976. 1008 с.
12.	Перельман Ф. М., Зворыкин А. Д. — Кобальт и никель.—М.; Наука,
1975. 215 с.
13.	Краткий справочник физико-химических величин. Под ред. К. П. Мищенко,
А. А. Равделя./Изд. 7-е, испр.—Л.: Химия, 1974. 200 с.
14.	Кэй Д., Лэби Т. Справочник физика-экспериментатора.—М.: ИЛ, 1949.
299 с.
15.	Еременко В. Н. — Укр. хим. журнал, 1962, т. 28, № 4, с. 427—440.
16.	Еременко В. Н., Иващенко Ю. Н., Богатыренко Б. Б. — Поверхностные
явления в расплавах и их роль в продессах порошковой металлургии. —
Киев.: изд. АН УССР, 1961. 216 с.
17.	Еременко В. Н., Ниженко В. Н. — Укр. хим. журн., 1960, т. 26, № 4,
с. 423.
18.	Taylor Y. W. — Philos. Mag., 1955, v. 46, p. 867.
19.	Kozakevitch P., Urrain G.—Compt. rend. Acad. Sci, 1961, v. 20, p. 253.
20.	Danan H., Herr A., Meyer A. J. P. —J. Appl.Phys., 1968, v. 39, № 2,
pt. 1, p. 669—670.
21.	Физические свойства сталей и сплавов, применяемых в энергетике. Под
ред Б. Е. Неймарк. — М.—Л.: Энергия, 1967. 239 с.
22.	Weis R. Y. — Phil. Mag., 1964, v. 9, p. 361—365.
23.	Полинг Л. —Общая химия. —М.: Мир., 1964. 438 с.
24.	Бозорт Р. — Ферромагнетизм.—М.: ИЛ, 1956. 699 с.
25.	Хек К. — Магнитные материалы и их техническое применение. — М.:
Энергия, 1973 . 285 с.
26.	Бережной А. С. — Кремний и его бинарные соединения. — Киев.: изд.
АН СССР. 1958. 247 с.
27.	Найда Ю. И., Кильдий А. И., Ничипоренко О. С. — В кн.: Получение,
свойства и применение распыленных металлических порошков. — Киев,
1976, с. 5—10.
28.	Путимцев Б. Н., Секачев М. А., Князев В. Ф., там же, с. 11 17.
29.	Путимцев Б. Н. — Порошковая металлургия, 1968, № 11, с. 1—7.
30.	Свойства порошков металлов тугоплавких соединений и спеченных матери
алов. Информационный справочиик./Под ред. И. М. Федорченко. Изд
3-е, испр.- и доп. —Киев.: Наукова думка, 1978. 184 с.
31.	Волков В. Л., Сыркин В. Г., Толмасский И. С. — Карбонильное железо. —
М.: Металлургия, 1969. 256 с.
32.	Толмасский И. С.—Карбонильные ферромагнетики.—М.: Металлургия,
1976. 240 с.
33.	Пейн Т. — В кн.: Магнитные свойства металлов и сплавов. — М.: ИЛ,
1961, с. 198—225.
34.	Yacobs Y. S., Bean С. Р. — Phys. Rew., 1955, v. 100, р. 1060.
35.	Натансон Э. М. — Коллоидные металлы. — Киев: Изд. АН УССР, 1959.
345 с.
6*	163
36.	Наливка Г. Д., Степанчук А. Н., Тульчинский Л. Н. —Порошковая
металлургия, 1976, № 12, с. 63—69.
37.	Fahlenbrach Н. — Elektromeister Dtsch ' Elektrohandwerk, 1977, № 16,
S. 1108—1110.
38.	Савицкий E. M., Полякова В. П., Тылкин М. А. —Сплавы палладия. —
М.: Наука, 1967. 214 с.
39.	Зеликман А. Н., Никитина Л. С. —Вольфрам. —М.: Металлургия,
1973. 272 с.
40.	Амосов В. М., Карелин Б. А., КубышкинВ. В. —Электродные материалы
на основе тугоплавких металлов.—М.: Металлургия, 1976. 223 с.
41.	Конецкий Ч. В., Пановко В. М., Гиршов В. Л. — В кн.: Металлургия,
вольфрама, молибдена и ниобия.—М.: Наука, 1967, с. 79—91.
42.	Энциклопедия неорганических материалов. Т. 1.—Киев: Главная редакция
УСЭ, 1977. 840 с.
43.	Савицкий Е. М., Бурханов Г. С. — Металловедение сплавов тугоплавких
и редких металлов./Изд. 2-е.—М.: Металлургия, 1971. 345 с.
44.	Минаков В. Н. — В кн.: Физика хрупкого разрушения. Ч. II. — Киев:
изд. ИПМ АН УССР, с. 133—147.
45.	Хансен М., Андерко К. —Структуры двойных сплавов. В 2-х тт.—М.:
Металлургиздат, 1962. Т. 1—608 с., т. 2: 613—1488 с.
46.	Захаров М. В., Захаров А. М. —Жаропрочные сплавы. —М.: Металлур-
гия, 1972 . 384 с.
47.	Окисление металлов. В 2-х тт. Т. 2. Пер. с франц./Под ред. Ж. Бенара. —
М.: Металлургия, 1969. 448 с.
48.	Титц Т., Уилсон Дж. Тугоплавкие металлы и сплавы. — М.: Металлургия,
1969. 351 с.
49.	Галактионова Н. А. Водород в металлах. — М.: Металлургия, 1967. 303 с.
50.	Самсонов Г. В. Нитриды. — Киев: Наукова думка, 1969. 378 с.
51.	Тугоплавкие бориды и силициды./Под ред. Самсонова Г. В. —Киев: Нау-
кова думка, 1977. 164 с.
.52	. Тугоплавкие редкие металлы и сплавы. Справочник. — М.: Металлургия,
1977. 289 с.
53.	Зеликман А. Н. Молибден.—М.: Металлургия, 1970. 440 с.
54.	Энциклопедия неорганических метериалов. Т. 2. Киев.: Главная редакция
Украинской советской энциклопедии, 1977. 813 с.
55.	Сплавы молибдена. Авт.: Н. Н. Моргунова, Б. А. Клыпин, В. А. Бояр-
шиков и др,—М.: Металлургия, 1975. 391 с.
56.	Савицкий Е. М., Бурханов Г. С. Металловедение тугоплавких металлов
и сплавов. — М.: Наука, 1967. 323 с.
57.	Борисенко А. М. Защита молибдена от высокотемпературной газовой кор-
розии. — М.—Л.: изд. АН УССР, 1960. 84 с.
58.	Савицкий Е. М., Терехова В. Д. Металловедение редкоземельных металлов.—
М.: Наука, 1975. 271 с.
59.	Гшейднер К. А. — Сплавы редкоземельных металлов. — М.: Мир, 1965. 426 с.
60.	Тейлор К., Дарби М. — Физика редкоземельных соединений. — М.: Мир,
1974. 374 с.
61.	Коган Б. И. — Редкие металлы. М.: Наука, 1978. 348 с.
62.	Магниты из сплавов редкоземельных металлов с кобальтом. Материалы
II Международного семинара./Под ред. К. Стрната. — М.: Металлургия,
1978. 255 с. с ил.
63.	Самсонов Г. В., Винницкий М, И.Тугоплавкие соединения. — М.: Метал-
лургия, 1976. 558 с.
64.	Елютин В. П., Павлов Ю. А. Высокотемпературные материалы.—М.:
Металлургия, 1972. 265 с.
65.	Гольдшмидт X. Дж. Сплавы внедрения. Т. I.—М.: Мир., 1971. 424 с.
66.	Жураковский Е. А. Электронная структура тугоплавких соединений. —
Киев.: Наукова думка, 1976. 383 с.
67.	Тот Л. Карбиды и нитриды переходных металлов. — М.: Мир, 1974. 290 с.
68.	Самсонов Г. В., Серебрякова Т. И., Неронов В. А. Бориды. — М.: Атом-
издат, 1975. 375 с.
164
69.	Самсонов Г. В., Упадхая Г. Ш., Нешпор В. С.Физическое материаловеде-
ние карбидов. — Киев.: Наукова думка, 1974. 456 с.
70.	Гельд П. В., Сидоренко Ф. А. Силициды переходных металлов четвертого
периода.—М.: Металлургия, 1971. 582 с.
71.	Фоменко В. С., Подчерняева И. А. Эмиссионные и адсорбционные свойства
веществ и материалов. — М.: Атомиздат, 1975. 320 с.
72.	Карбид кремния./Под ред. Г. Хениша и Р. Роя. Пер. с англ. —М.: Мир,
1972. 386 с.
73.	Карбид кремния. Авт.: С. А. Добролеж, С. М. Зубкова, В. А. Кравец
и др —Киев: изд-во технической литературы УССР, 1963. 315 t.
74.	Гнесин Г. Г., Шипилова Л. А., Дыбань Ю. П. н др. —Порошковая метал-
лургия, 1977, № 1, с. 61—66.
75.	Гнесин Г. Г. Карбидокремниевые материалы. — М.: Металлургия, 1977.
215 с.
76.	Самсонов Г. В. Неметаллические нитриды. — М.: Металлургия, 1969.
264 с.
77.	Мержанов А. Г. — Вестник АН СССР, 1976, № 10, с. 67—84.
3.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ
3.1.	Основные понятия
Термин «электрический контакт» в соответствии с ГОСТ 14312-—69 опре-
деляется как место перехода тока из одной токоведущей детали в другую». Кон-
такт электрической цепи — это элемент электрической цепи, замыкающий или
размыкающий цепь, в которой течет или может протекать ток.
Контакты электрической цепи делят на подвижные и неподвижные. Подвиж-
ный контакт — деталь, жестко или упруго связанная с подвижной частью ус-
тройства или контактного, узла и перемещающаяся вместе с ним. Неподвижный
контакт — деталь, жестко или упруго связанная с неподвижной частью устрой-
ства.
В свою очередь в соответствии с ГОСТ 14312—69 подвижные контакты по
условиям работы делят на коммутирующие и скользящие. Коммутирующими
называют контакты, осуществляющие прерывистое управление электрической
цепью. Их применяют для замыкания и размыкания электрических цепей в аппа-
ратах управления электроэнергией и защиты цепей от перегрузок. Электрическое
контактирование возникает при скольжении одного контакта по другому. Сколь-
зящие контакты применяют в различного рода датчиках и электрических ма-
шинах.
3.2.	Электрические коммутационные
аппараты с контактными соединениями
Электрические коммутационные аппараты предназначены для коммутация
электрического тока в схемах автоматического и неавтоматического управлении
электрическими машинами и различного рода электрооборудованием, в схемах
распределения электроэнергии и установках, управляющих различными произ-
водственными процессами, системах энергоснабжения, в схемах вычислительных
устройств, в системах автоматического следящего привода и измерительных
мостовых схемах. Ниже приведена классификация электрических коммутацион-
ных аппаратов с контактными соединениями по применению.
165
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КОНТАКТАМ
Наименование аппарата, прибора	Назначение аппарата	Режим работы аппарата	
Высоковольтные выклю- чатели (воздушные, газо- вые, масляные)	Коммутация постоянного и пере- менного тока в номинальном ре- жиме и в режиме короткого за- мыкания	1000 в /н> 1000 А	
Высоковольтные вакуум- ные выключатели	Коммутация постоянного и пере- менного тока в номинальном ре- жиме и в режиме короткого за- мыкания	ин = 20+35 кВ /н 2000 А	
Разъединители	Пропускание номинального тока в момент ремонта или ревизии выключателя в бездуговом ре- жиме	иа < 1000 В Ю00 А	
Короткозамыкатели	Коммутация электрического тока в условиях короткого замыкания	/н < 1000 А / к.з = 15-4-20/и	
Автоматические и пакет- ные замыкатели	Коммутация электрического по- стоянного и переменного тока	1000 в /н^ 1000 А	
Переключатели	То же	ин < 1000 в	
Рубильники	>	ин С 1000 в	
Контроллеры, командоап- параты, контакторы, пу- скатели, кнопочные стан- ции		U„^ 1000 в /и^ 3000 А	
166
ЗЛЕкТРО КОММУ ТАЦИОННЫк АППАРАТОВ
Таблица з. i
	Основные требования, предъяв- ляемые к электрическим контактам	Материалы, используемые для контактов	Литературный источник
	Для дугогасительных контак- тов — высокая стойкость про- тив электрической эрозии; для главных — высокая электро- проводность и теплопровод- ность, отсутствие склонности к свариванию, низкое пере- ходное сопротивление	Серебро (медь) — вольфрам; серебро (медь) — молибден; серебро (медь) — карбид воль- фрама	(1-19)
1_	Низкая склонность к сварива- нию, высокое сопротивление электрическому износу, высо- кая тепло- и электропровод- ность материала и низкая уп- ругость пара	Медь—вольфрам; медь—железо	[5, 10, 20—25]
	Высокая тепло- и электропро- водность, отсутствие склон- ности к свариванию, низкое переходное сопротивление	Серебро (медь) — вольфрам; серебро (медь)— молибден	,1,3—5. 7, 10, 26,27]
	Высокая эрозионная стойкость	Медь—вольфрам; медь—карбид вольфрама; медь—молибден	[1,4,5]
	Высокая тепло- и электропро- водность, отсутствие склон- ности к свариванию, высокая коррозионная стойкость, высо- кая износостойкость	Серебро (медь) — вольфрам; серебро (медь) — молибден; се- ребро—никель; серебро— ш- кель—графят; серебро — окис- лы металлов	[6—8; 29—32, 34, 35]
	То же	То же	[8, 29—32]
	»	»	[8, 29, 30, 32]
	Высокая эрозионная стойкость, высокая тепло- и электропро- водность, высокая коррозион- ная стойкость, высокая изно- состойкость	Серебро; серебро—никель; се- ребро—никель—графит; сереб- ро — окислы металлов; сереб- ро—молибден; серебро—воль- фрам	[8, 7, 25, 29—33]
167
Наименование аппарата, прибора	Назначение аппарата	Режим работы аппарата	
Реле	»	10~еВ <g uhSz -г; 300 в 10’6А^ /H=g -с 10 А	
Датчики	Выдача электрического сигнала, функционально зависящего от ме- ханического перемещения кон- такта	10"«В -С 5g 360 в 10 eA5g/„t 10А	
Аппараты распределительных устройств
Высоковольтные
Высоковольтные выключатели
Разрядники
Разъединители
Короткозамыкатели
Отделители
Низковольтные
Рубильники
Переключатели
Пакетные выключатели
Автоматические выключатели
Аппараты управления низковольтные
Контроллеры	Кнопочные станции
Командоаппараты	Автоматические	выключатели
Контакторы	Реле
Пускатели	Датчики
По виду коммутирующего тока аппараты классифицируют на коммутиру-
ющие переменный и постоянный ток, а также по величине тока или напряжения.
Условно аппараты делят на сильноточные, коммутирующие токи от 1000 А и
выше; средненагруженные от 1000 до единиц ампер; слабонагруженные от еди-
ниц ампер и ниже. По напряжению аппараты подразделяются на аппараты вы-
сокого напряжения и аппараты низкого напряжения.
В табл. 3.1 приведены основные характеристики работы аппаратов и прибо-
ров и требования, предъявляемые к контактным узлам и к электрическим кон-
тактам, применяемым в этих аппаратах.
Наиболее ответственными деталями в аппаратах этого типа являются кон-
тактные детали. Относительно небольшие по весу, габаритам и стоимости они
определяют параметры электрокоммутирующих аппаратов.
Для улучшения работы электрических контактов используют различные
конструктивные решения. В некоторые конструкции тяжелонагруженных ком-
мутирующих электрический ток аппаратов вводят две пары контактов: главные
и дугогасительные. Главные контакты пропускают электрический ток в замкнутом
состоянии и размыкают электрическую цепь; дугогасительные принимают на
себя воздействие электрической дуги размыкания и замыкания [5]. При токах
168
Продолжение табл. 3.1
	Основные требования, предъяв- ляемые к электрическим контактам	Материалы, используемые для контактов	Литературный источник
	То же	Серебро—никель; серебро—ни- кель—графит; серебро—окис- лы металлов; серебро—молиб- ден; серебро—вольфрам; спла- вы на основе золота, платины, палладия (серебро—палладий, серебро—палладий—никель)	[8, 29—32, 33, 35—41]
	Высокая механическая износо- стойкость, высокая эрозион- ная стойкость, высокая кор- розионная стойкость, высокая тепло- и электропроводность	Серебро—никель—графит; се- ребро—нйкель; серебро—пал- ладий; серебро—палладий—ни- кель и другие сплавы ня основе серебра, золота, платины и палладия	[6, 25, 29, 38, 42—47]
размыкания > 100 А и напряжениях > 100 В в тяжелонагруженных сильноточ-
ных низковольтных аппаратах применяют различные дугогасительные устрой-
ства. Контактные узлы помещают в разные среды (масло, элегаз SFe, вакуум).
Используют системы автономного охлаждения, магнитное дутье и др. [78, 34—
36].
3.3.	Физико-химические процессы,
протекающие на рабочих поверхностях
электрических контактов
Физико-химические процессы, протекающие на рабочих поверхностях кон-
тактных деталей электрокоммутирующих аппаратов при замыкании-размыкании
электрических цепей и при прохождении электрического тока через контактные
детали в замкнутом состоянии, вызывают необратимые изменения материала на
рабочих поверхностях контактов и в нх объеме. Характер изменений, величина
охваченной ими площади и глубина их распространения определяются количе-
ством энергии, выделяющейся на этих поверхностях [12, 29, 45, 50]. Количество
энергии в виде джоулева тепла, выделяющегося в объеме контактных деталей
и на их рабочих поверхностях в замкнутом состоянии, зависит от величины тока,
удельного сопротивления материала контактов, величины их переходного сопро-
тивления и времени прохождения тока. Под действием этого тепла происходят
рекристаллизация и разупрочнение материала выступов на контактных поверх-
ностях, их пластическая деформация под контактным нажатием. Значительней
разогрев материала в отдельных точках поверхности контактов способствует не
только сглаживанию неровностей, но и их залипанию. Нагрев способствует также
появлению пленок — продуктов взаимодействия материала поверхности контак-
тов с окружающей средой.
Количество энергии, выделяющейся на рабочих поверхностях контактов при
замыкании и размыкании электрической цепи, зависит от ее параметров: силы
тока, напряжения и мощности источника тока. Эти факторы определяют форму
и длительность электрического разряда. Если параметры электрической цепи
обеспечивают возможность возникновения и горения электрической дуги, то
Л зоне ее непосредственного воздействия на рабочую поверхность контактов —
169
под опорным пятном — развиваются чрезвычайно высокая температура (15 000—
20 000 С) и давление до 1,01 кПа. Такой мгновенно появившийся локально дей-
ствующий источник тепла расплавляет и испаряет небольшой, ограниченный
вследствие погасания дуги или ее перемещения по поверхности контакта объем
материала. Сопровождающие электрическую дугу термические напряжения,
термоупругая волна, электродинамические усилия, взрывообразные выделения
адсорбированных на поверхности контактов и растворенных в металле газов н
давление в столбе дуги, направленное радиально к ее центру, приводят к интен-
сивному испарению и разбрызгиванию расплавившегося материала, механиче-
скому отторжению и выбросу отдельных частиц нерасплавившегося, деформиро-
ванного и охрупченного металла [35, 52—54]. В результате сдвиговых усилий,
направленных радиально от центра кратера к периферии, размягченный металл
перемещается и образует валик кратера. Поверхность контакта вокруг кратера
покрывается застывшими и закристаллизовавшимися брызгами, каплями конден-
сата металлических паров и отторгнутых твердых частиц [37]. В результате пере-
мещения дуги при последующих коммутациях электрического тока на поверх-
ности контактов появляются новые кратеры или их комплексы, трещины и от-
колы как следствие усталостных явлений, связанных с термическими и другой
природы напряжениями на поверхности контактов [6, 29, 55].
В процессе работы в аппарате на контакты действуют три группы факторов,
оказывающих влияние на разрушение контактов, что в конечном итоге приводит
к нарушениям работы коммутирующего аппарата в целом.
Электрические факторы', электрический ток, напряжение, вид тока; мощ-
ность источника тока; нагрузка цепи (омическая, емкостная или индуктивная).
Механические и конструкционные факторы-.
1.	Рабочие характеристики аппарата: количество и частота срабатывания;
контактное давление; межконтактное расстояние; скорость перемещения кон-
тактов; способ дугогашения.
2.	Геометрические размеры контактов.
Физико-химические факторы: состав, давление, температура окружающей
среды.
В результате воздействия указанных выше факторов контакты могут не
замкнуть в нужный момент электрическую цепь из-за нарушения проводимости
между контактами или не разомкнуть цепь в связи с их свариванием. Из-за по-
вышенного переходного сопротивления между контактами в замкнутом состоя-
нии может произойти перегрев их и окружающей среды, что вызовет аварийную
ситуацию [8, 29, 36, 56, 63]. Могут возникнуть перенапряжения, которые приводят
к разрушению токопроводящих элементов и самого аппарата [24]. Каждый из
указанных выше факторов способен при отклонении от заданных значений при-
вести аппарат к отказам.
3.4.	Принципы выбора материалов
для электрических контактов
Выбор материала для контактов затруднен тем, что необходимо в одном
материале реализовать многообразный и противоречивый комплекс свойств, дик-
туемых службой контактов.
Частично удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам для
электрических контактов, вольфрам, молибден, рений, тантал и графит. Они
имеют наиболее высокие теплофизические свойства и значения критической силы
тока и напряжения, весьма’высокую работу выхода электронов и потенциал
ионизации. Коррозионная стойкость их невелика, но окислы летучи и не отла-
гаются на контактных поверхностях. Однако эти материалы обладают существен-
ными недостатками: они недостаточно электро- и теплопроводны, отличаются не-
высокой термостойкостью и пластичностью. Поэтому под действием механических
и термических усилий контакты из этих металлов склонны к усталостному раз-
рушению. Серебро, медь, золото, платина, палладий обладают хорошими электро-
и теплопроводностью, пластичностью и высокой коррозионной стойкостью (кроме
170
ТАБЛИЦА 3.2
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Фактор, вызывающий разрушение контакта	Процессы, протекающие иа контактах	Результат воздействия на контакт	Физико-химические свойства материала контактов
Высокая электроэрозионная стойкость
Электрическая дуга
или искра, или термо-
электрические эффек-
ты
Газодинамические на-
пряжения, предше-
ствующие разряду; вы-
деление тепловой энер-
гии в опорном пятне
дуги или канала искры
давление в столбе ду-
ги или в канале искры;
термоупругая волна и
электродинамические
усилия; термические
напряжения; электро-
перенос материалов с
контакта на контакт;
взаимодействие мате-
риала контактов с ок-
ружающей средой
Расплавление материала контакта, вы-
давливание размягченного материала
и образование кратеров; испарение и
конденсация паров, выделение адсор-
бированных и растворенных газов, вы-
брос расплава в виде брызг; упругая
и пластическая деформация; образо-
вание трещин, отколов и выброс их;
образование раковин, мостиков; оса-
ждение на поверхности контактов ка-
пель и кристаллов из конденсирующих
паров, брызг и твердых частиц; обра-
зование пленок из продуктов взаимо-
действия материала с окружающей сре-
дой
Высокие температуры плавления, ки-
пения и размягчения, теплота плавле-
ния ц сублимации, теплоемкость, теп-
лопроводность, высокотемпературная
прочность, термостойкость; низкая уп-
ругость паров и растворимость газов;
высокие поверхностное натяжение на
границе фаз твердая—жидкая, жид-
кая—газ, работа выхода электронов,
критическая сила тока и напряжение
дугообразования, потенциал иониза-
ции, коррозионная стойкость, лету-
честь продуктов коррозии, сопротив-
ление разрыву и сжатию, напряжение
размягчения, плавления и кипения,
ударная вязкость, усталостная проч-
ность, твердость
Продолжение табл. 3.2
Ь5 	 Фактор, вызывающий разрушение контакта	Процессы, протекающие на контактах	Результат воздействия на контакт	Физико-химические свойства материала контактов
	Низкая склонность	к динамическому и статическому свариванию	
Электрическая дуга, контактное нажатие, ударные нагрузки, трение, протекание тока через контакты	Расплавление, раз- брызгивание, испаре- ние н конденсация па- ров; выделение джоу- лева тепла; холодная сварка; образование адгезионных связей	Образование сплошного сварного сое- динения контактов или отдельных уча- стков, бугров, вмятин, вырывов основ- ного материала контактов со следами хрупкой или пластической деформа- ции, трещин, оплавления поверхности	Высокие, температуры размягчения и плавления, хорошая теплопроводность; минимальная склонность к взаимному растворению и взаимодействию мате- риалов обоих контактов; высокая твер- дость и большое поверхностное натяже- ние на границе фаз жидкость—жид- кость, жидкость—твердое; низкое удельное электрическое сопротивление; высокие предел упругости и пластич- ность; высокая прочность и пластич- ность коррозионных пленок; низкая коррозионная стойкость в различных средах и при различных температурах; большие работа выхода электронов и критическая сила тока и напряжения дугообразования
	Низкая прочность сварного соединения		
То же	То же	То же	Низкие сопротивление разрыву свар- ного шва, ударная вязкость, высоко- температурная прочность и пластич- ность
Продолжение табл. 3-2
Фактор, вызывающий разрушение контакта	Процессы, протекающие на контактах	Результат воздействия на контакт	Физико-химические свойства материала контактов
	Хорошая прирабатываемость		
Ударные нагрузки с проскальзыванием кон- тактов, контактное на- жатие	Пластическая дефор- мация	Сглаживание поверхностей контактов, улучшение прилегания их поверхно- стей, снижение контактного сопротив- ления	Низкая твердость; высокие ударная вязкость и пластичность
	Высокая износостойкость против механических воздействий		
Ударные нагрузки, трение	Резание; пластическая деформация; холодная сварка; образование адгезионных связей; перенос материала с контакта на контакт	Задиры, вырывы; усталостные трещи- ны, выкрашивание, срез'неровностей, вмятины; образование бугров и впадин	Высокие твердость, прочность, пластич* ность, ударная вязкость, усталостная прочность
	Низкое переходное сопротивление		
Прохождение элек- трического тока через контакты W 		Выделение джоулева тепла на рабочих по- верхностях контактов; взаимодействие мате- риала контактов с внешней средой	Образование коррозионных и поли- мерных пленок;перегрев поверхностей в зоне точек истинного контакта и сва- ривание поверхностей контактов	Высокие коррозионная стойкость и электропроводность материала контак- тов; низкие твердость и модуль упру- гости; высокие летучесть продуктов коррозии и теплопроводность; низкая склонность к образованию плотно при- легающих пленок продуктов коррозии
ТАБЛИЦА 3.3
СПЕЧЕННЫЕ СПЛАВЫ И ПСЕВДОСПЛАВЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Система	Основа компо- зиции	Добавляемый материал	Влияние добавляемого материала на электрокон- тактные характеристики	Тип образую- щейся микро- структуры
Двух- компо нентная	Ag	М W, Мо. Ni, Fe, Со	еталл — металл Повышает электроэрозионную стойкость и износостойкость, снижает склонность к схваты- ванию, повышает удельное элек- тросопротивление	Гетерогенная двухфазная
		Cd, Pd	Повышает	износостойкость, эрозионную н коррозионную стойкость, удельное электросо- противление	Гомогенная
	Си	W, Mo, Fe	Повышает электроэрозионную стойкость и износостойкость, снижаетстойкостьк свариванию	Гетерогенная двухфазная
Трех- компо- нентная	Ag W Ag—Мо Си —W Си —Мо	Ni, Co, Cu	Улучшает технологические свойства, повышает электроэро- знонную п коррозионную стой- кость, износостойкость, удель- ное электросопротивление	Гетерогенная' трехфазная
	Ag Pd	Ni	Повышает эрозионную стой- кость, износостойкость, корро- зионную стойкость, сопротивле- ние свариванию	Г етерогенная двухфазная
Металл — окись металла
Двух- компо-	Ag	CdO, ZnO, MgO, СиО, PbO, SnO2, In2O3, NiO	Повышает эрозионную стойкость и износостойкость, склонность к свариванию	То же
нентная	Си	A12O3 CdO, TiO2 ZrO2	То же	»
Металл — бескислородные тугоплавкие соединения
Двух- компо- нентная	Ag	WC, МоС	Повышает эрозионную стойкость и износостойкость, склонность к свариванию	Гетерогенная двухфазная
	Си	WC, МоС | То же		То же
Металл — антифрикционный наполнитель
Двух- компо- нентная	Си, Ag, Си	BN, графит	Повышает эрозионную стойкость и износостойкость, снижает склонность к свариванию, сни- жают коэффициент трения	Гетерогенная двухфазная
Трех- компо- иентная	Ag—Ni	Графит	То же	Гетерогенная трехфазная
	Ag—Pd	CaF2	»	Гетерогенная двухфазная
Двух- компо- нентная	Ag Си	MoS2, MoS2		То же
174
меди); однако их теплофизические свойства невысоки, поэтому они не отличаются
хорошей электроэрозионной стойкостью [65—67].
Используя методы порошковой металлургии, можно получить такой псевдо
сплав, который будет обладать совокупностью свойств, казалось бы, несовмести-
мых в одном материале.
Псевдосплавы можно определить как гетерогенную систему, представленную
компонентами, не растворяющимися ни в жидком, ни в твердом состоянии. К этим
материалам могут быть отнесены неравновесные системы, фазовые составляющие
которых не взаимодействуют или слабо взаимодействуют друг с другом в широ-
ком интервале температур, сохраняя в смеси свои индивидуальные свойства.
Такой псевдосплав может иметь требуемый набор свойств вследствие аддитивности
свойств отдельных фазовых составляющих [14]. Преимущество порошкового псев-
досплава заключается в том, что только такой материал может расходовать избы-
ток тепла, выделяемого в опорных пятнах электрической дуги, на плавление
и испарение легкоплавкого компонента.
Эффективность процесса обусловлена тем, что плавящаяся фазовая состав-
ляющая удерживается в порах тугоплавкой матрицы благодаря капиллярному
давлению. Это свойство определяется состоянием границ раздела "фаз; его можно
регулировать небольшими добавками легирующих примесей, а также изменением
микроструктуры псевдосплава [12, 29]. Увеличение содержания одного из компо-
нентов псевдосплава [например, более тугоплавкого до 50% (объемн.) и более]
создает условия для формирования из него каркаса. Поры и капилляры этого
каркаса могут заполняться легкоплавким и легкоиспаряющимся компонентом
[7, 47, 57, 68]. Варьируя при прессовании содержание компонентов в смесях
в отдельных частях объема прессуемой детали, можно получить изделия, комби-
нированные из разных материалов.
В табл. 3.2 приведен перечень основных электроконтактных характеристик
и физико-химических свойств, которые должен иметь материал для электриче-
ских контактов, их желаемый качественный уровень, факторы, вызывающие
разрушение контактов в процессе их эксплуатации, и виды этих разрушений [19].
.В табл. 3.3 приведен перечень наиболее широко применяемых в СССР и за
рубежом электроконтактных материалов и легирующих добавок, улучшающих
некоторые электроконтактные свойства [58, 59].
3.5.	Материалы для контактов
высоковольтных сильноточных аппаратов
Для контактов высоковольтных выключателей и других аппаратов, комму-
тирующих токи высокого напряжения, используют псевдосплавы на основе
вольфрама, молибдена, карбидов вольфрама и молибдена с серебром или медью
в широком диапазоне составов. Реже используют псевдосплавы, содержащие
карбид титана. В качестве компонента, улучшающего смачивание жидкой медью
или серебром поверхности тугоплавкой составляющей, вводят элементы VIII
группы Периодической системы элементов: никель или кобальт. С этой же целью
вводят небольшие добавки титана или циркония [60, 61].
Учитывая процессы, протекающие при коммутации электрического тока
в аппаратах высокого напряжения, особенно на дугогасительных контактах,
применяют контактные материалы каркасного строения с высоким содержанием
тугоплавкой составляющей. Для улучшения теплоотвода от нагретой зоны рабо
чей поверхности контактных деталей их тело выполняют из меди, а рабочие по
верхности облицовывают дугостойким псевдосплавом; толщина покрытия 4—5 мм.
Такая комбинированная контактная деталь обладает в 5—6 раз большим сроком
службы, чем изготовленная полностью из порошкового псевдосплава [13].
Материал контактов для вакуумных выключателей в первую очередь не
должен содержать растворенных и адсорбированных на поверхности газов.
Чтобы исключить возможность возникновения перенапряжений, в состав мате-
риала контактов вводят наполнители из легколетучих элементов (Sb, Bi). Для
этого типа выключателей при коммутации токов высокого напряжения исполь-
зуют материалы на основе меди и железа с добавками Bi и Sb. Применяют также
175
и комбинированные контакты из тугоплавких материалов с расположенным
в определенной зоне контактной детали участком Bi или Sb [23].
Для тяжело нагруженных аппаратов оптимальным технологическим вариан-
том производства контактных деталей является пропитка пористого предвари.-
тельно спеченного прочного каркаса из тугоплавкого компонента расплавой
серебра, меди или их сплавов. Этот метод позволяет получить изделия практи-
чески без пор и с равномерным распределением компонентов псевдосплава в объеме
детали. Для обеспечения приварки или припайки к контактодержателям иа
поверхности контактов, подлежащей креплению, оставляют подслой серебра
или меди [13].
3.6.	Материалы для контактов
низковольтных аппаратов
Для контактов этих аппаратов используют серебро, серебросодержащие
сплавы и широкий класс псевдосплавов на основе серебра.
Контакты из чистого серебра обладают низким переходным сопротивлением.
В то же время серебро обладает низкой электроэрозионной стойкостью и склон-
ностью к сульфидной коррозии, имеет низкие прочностные характеристики и
низкую износостойкость при трении [65]. 
Наиболее распространенными электроконтактными материалами для
низковольтных сильно- и среднеточных аппаратов являются псевдосплавы на
основе серебра с добавками Ni, Со, Fe, W, Мо, окислов CdO, ZnO, CuO, PbO,
тугоплавких соединений (карбидов вольфрама или молибдена) и графит [8,
62, 69].
Во всех случаях для получения материала с высокими тепло- и электропро-
водностью и хорошей пластичностью, для контактов сильно-, средне- и слабо-
точных низковольтных аппаратов используется серебро как основа материала.
Серебро в них должно играть роль матрицы, в которой в виде отдельных дис-
персных включений или цепочек располагается второй компонент.
Кроме бинарных псевдосплавов, в качестве материала для электрических
контактов используют и тройные системы, в которых третий компонент вводится
для улучшения адгезии на межфазных границах и смачивания (Ni, Со, В и Др.)
[60], создания отдувного эффекта при воздействии дугового разряда (CdO,
РЬО2, МоО3) [70, 71], повышения стойкости против сваривания и истирания
(графит, дисульфид молибдена и др.) или для дисперсно-упрочняющего эффекта
(A12Os, MgO, ZrO2, CdO, TiO2).
В слабонагруженных цепях для электрических контактов используют се-
ребро, золото, платину, палладий и сплавы на их основе. Эрозионную стойкость
и сопротивление механическому износу этих металлов повышают либо путем ле-
гирования и последующего выделения остаривающих примесей, либо деформа-
цией изделий в условиях глубокой вытяжки при температурных режимах, исклю-
чающих рекристаллизацию. Для повышения температуры рекристаллизации
в материал вводят различные добавки или дисперсные фазы, обладающие более
высокими теплофизическими и прочностными свойствами, чем основа, и не
взаимодействующими с ней [72]. Термообработка контактов, приводящая к вы-
делению фаз остаривающего действия или к упорядочению структуры, повышает
их эрозионную и механическую износостойкость. Одиако в процессе работы кон-
тактов под действием тепла, генерирующегося в результате стягивания линий
тока, нагревания, возникающего при трении или при искрообразовании и дуго-
образовании, выделившиеся остаривающие фазы вновь переходят в раствор —
исчезает упорядочение в системе и износостойкость'материала при этом снижается.
Под действием тепловых процессов на поверхности контактов ликвидируется
анизотропная структура, вызванная деформацией [72]. При введении дисперсных
фаз, не взаимодействующих с основой материала, его гетерофазное строение сохра-
няется в процессе работы контакта.
Методы порошковой металлургии дают возможность (путем твердофазного
спекания с последующей деформацией) получить проволочные и ленточные ма-
176
териалы любого диаметра и любой толщины с гетерогенной структурой. Улучше-
ние электроконтактных свойств спеченных материалов по сравнению с литыми
одного и того же состава было отмечено рядом исследователей [55, 73, 74].
3.7.	Спеченные псевдосплавы
типа металл—металл
Изделия из псевдосплавов этого типа изготавливают из двух, трех и более
компонентов. В процессе высокотемпературных операций в результате само-
и гетеродиффузии на межфазных и межзеренных границах образуются достаточно
прочные металлические связи, ликвидируется пористость и формируется изделие
из псевдосплава с гетерофазной структурой.
Спеченные псевдосплавы в системах W(M.o') — AglCu}
В практике приборо- и аппаратостроительной промышленности широко
используются контактные детали из группы псевдосплавов на основе вольфрама
и серебра или вольфрама и меди; молибдена и серебра или молибдена и меди
[74]. Содержание тугоплавкого компонента в этих материалах варьируется от
10 до 90% (по массе) в зависимости от требуемых свойств изделий.
Свойства псевдосплавов определяются их составом (содержанием меди или
серебра, легирующими примесями и их содержанием) и микроструктурой.
С повышением содержания W(Mo) в псевдосплаве его прочностные харак-
теристики (твердость, сопротивление разрыву, изгибу и сжатию, предел теку-
чести) возрастают, а характеристики пластичности (удлинение, сжатие, ударная
вязкость) снижаются. Повышаются хрупкость материала и его удельное электро-
сопротивление, износостойкость, электроэрозионная стойкость и плотность.
С повышением удельного электросопротивления и прочностных характеристик,
особенно твердости и прочности на сжатие, со снижением пластичности материала,
а с ними и прирабатываемости возрастает переходное сопротивление. При сниже-
нии содержания W(Mo) и соответственно повышении содержания Ag(Cu) усили-
ваются свойства, за которые ответственно Ag(Cu) в порошковом псевдосплаве.
При эксплуатации контактов в условиях воздействия электрических дуг
весьма существенным является способность расплава легкоплавкого компонента
удерживаться за счет капиллярного давления в порах тугоплавкого каркаса.
Эта способность характеризуется величиной краевого угла смачивания 0, коли-
чеством жидкой фазы, формой и размером частиц твердой фазы [75].
В табл. 3.4 приведены значения краевого угла смачивания расплавами се-
ребра и меди вольфрама и молибдена при разных температурах.
ТАБЛИЦА 3.4
ЗНАЧЕНИЕ КРАЕВОГО УГЛА СМАЧИВАНИЯ ВОЛЬФРАМА
И МОЛИБДЕНА РАСПЛАВАМИ СЕРЕБРА И МЕДИ [76]
Смачиваемый металл	Расплав	Краевой угол смачивания прн температуре, °C		
		1000	1100	1250
Вольфрам	Серебро	50	—	30
»	Медь	—	50	12
Молибден	»	—	18	4—5
С целью снижения 0 в состав порошкового псевдосплава вводят небольшие
легирующие добавки элементов VIII группы Периодической системы элементов.
177
ТАБЛИЦА 3.5
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА И СЕРЕБРА
Марка	Содержание, % (по массе)	Технологические особенности производства	Плот- ность, I О8 кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм.м	Твердость в состоянии	
					отожженном	накле- пан- ном
	Ag	W				МПа HR В HV10	HRB
СССР
ХМК-А60 *« КМК-А61 *г	I 48,0 I 1 27,0 1	50,0 70,0	I Пропитка расплавом серебра пористой 1 1 спеченной прессовки из W—Ni сплава | Болгария	13,5 15,5	I 0,040 |	0,045	I 1200 1 1 2000 |			
ВС-50 *>	I 50,0 1	48,0	I То же	I	12,5	I 0,041	I 1100 I			1	.
ВС-75 «	1 25,0 1	73,0	1	1	14,6	|	0,045	| 2000 |			1	—
Англия, «Johnson Matthey Metals, Ltd
Matthey 20S	27,0	73,0	Пропитка пористых прессовок из воль-	15,6	0,030	—	—	220	—
Matthey 35S	35,0	65,0	фрама жидким серебром	14,8	0,030	—	—	185	—
Matthey 50S	50,0	50,0		13,6 14,9	0,020	—	—	126	—
Matthey 2373	27,0	73,0	Спекание прессовок из порошков W		0,040	—	—	180	—-
Matthey 2365	35,0	65,0	и Ag и допрессовка илн Деформация	14,0	0,030	—	—	170	—
Matthey 2355	45,0	55,0	США, «Р. R. Mallory L. Со., 1пс»	13,4	0,030			140	
Elkonite 20S	27,5	72,5	Пропитка расплавом серебра пористой	15,5	0,030	__	90		.	
Elkonite 35S	35,0	65,0	прессовки из W	14,7	0,030		85	—	—
Elkonite SOS	49,0	51,0		13,4	0,020			55	——	—
Elkonite 4050 *•	50,0	50,0		13,4	0,020	—	65					
Elkonite 2052 “	48,0	51,75		12,9	0,030	—	85			
Elkonite 2173	27,0	73,0	Спекание прессовки из смеси порош-	15,4	0,040	—	58			68
Elkonite 2165	35,0	65,0	ков W и Ag и допрессовка	14,6	0,030		55	——	65
Elkonite 2150	50,0	50,0		13,1	0,020г	—	25	—	50
Elkonite 2110	90,0	10,0	США, «Р. R. Mallory, L. Со, Inc»	11,0	0,010	—	50 *s	—	41
Elkonite 2650	50,0	50,0	Спекание прессовок из смеси порошка	13,4	0,023		46 *•		55
Elkonite 2665	35,0	65,0	W и Ag, горячая экструзия и штампов-	14,7	0,028		67 »•		70
Elkonite 2673	27,0	73,0	ка контактов	15,5	0,032		70 *•		74
ФРГ, «Dr. Е. Durrwachter Doduco R. G.»
Siwodur 80	20,0	80,0	Производятся методами порошковой	16,1	0,055	“к	—	180	—.
Siwodur 70	30,0	70,0	металлургии	15,0	0,050	——	—•	160	—
Siwodur 50	50,0	50.0		13,2	0,038	—	—	120	—
Triconstant W Ag	35,0	65,0		14,5	0,040	—	—	140	—
Triconstant W	0	99,5	ФРГ, «G. Rau»	19,3	0,062	—	—	300	
AgW —30	70,0	30,0	Твердофазное спекание прессовок из	12,0	0,026 !	бЬо	—	—-	—
AgW —60	40,0	60,0	смеси порошков W и Ag с последующей	14,0	0,036	1100	—		—	
AgW —90	10,0	90,0	деформацией	17,0	0,055	1800	——	-—		
AgW —80	20,0	80,0	Пропитка жидким Ag прессовок из W	16,5	0,040	2300	—	—-	—
AgW—90	10,0	90,0		17,6	0,047	2600	—	—	—
			США, «Gibson Electric Inc»						
Gibsiloy W —15	25,0	75,0	Производятся методами порошковой	15,4 13,1	0, 042	—	85	—'	—
Gibsiloy W— 10	50,0	50,0	металлургии		0,027 ,	—	60	—	—
Gibsiloy W —2	90,0	10,0		11,2 12,6	0,018	—	23	——	—.
Gibsiloy W — 6	30,0	70,0			0,042	—	40	—	—
Gibsiloy W — 16	20,0	80,0		16,8	0,047 0,042	—	91	—		
Gibsiloy W—14	30,0	70,0		15,03		—	86	—	——-
Gibsiloy W—18	10,0	90,0		18,25	0, 058	—	95	——	—.
Gibsiloy T— 100	0	100,0		19,3	0,054	—	35 *’	—•	—
ГДР, «VEB Keramische Werke, Hermsdorf»
Hermet	wosil	100	—	—	Спеченные псевдосплавы иа основе W	16,8	0,093	1750	—	—	—
Hermet	wosil	400				и Ag	13,5	0,060	1100	—	—	—
Hermet	wosil	700	—	—		11,5	0,043	700	—		
Hermet	wosil	250	—	—	Пропитка пористой прессовки из воль- фрама жидким серебром	15,3	0,108	1900	—	—	—
Hermet	wosil	100	—	—	Спеченные прессовки из смеси на осно-	17,0	0,079	2600	—	—	—.
Hermet	wosil	200	—	—	ве W с добавками Ni н Ag	16,0	0,073	2300	——	,—	—
Hermet	wolfram		—	100	Методом порошковой металлургии	19,3	0,099	3270	—	•—	—
*	» 2,0% Ni.
*	2 3,0% Ni.
*	3 1,0% C.
*	4 0,25% C.
*	ft HR15T.
*« HR30.
*’ HRC.
Примечания; 1. Для образцов KMK-A60 и КМК-А61 сопротивление разрыву в отожженном состоянии составляет 350 и 450 МПа,
удлинение 3,0 и 1,0% соответственно.
2. Для образцов Elkonite 2650, Elkonite 2665 и Elconite 2673 сопротивление разрыву в отожжеииом состоянии составляет 208,3;
347,2; 341,0 МПа, удлинение 3,5; 1,8; 0,6%. Сопротивление разрыву в наклепанном состоянии 297,6; 372,8; 396,8 МПа, удлинение 1,2;
“	0,5; 0,9% соответственно.
СО -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------—---------
ТАБЛИЦА 3.6-
оо
°	СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ВОЛЬФРАМА И МЕДИ
Марка материала	Содержание, % (по массе)			Технологические особенности производства	Плот- ность, 103 кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм.м	Твердость в отожженном состоянии		Сопротивление раз- рыву в отожжен- ном состоянии, МПа
	Cu	Ni	w				МПа	HRB	
КМК-Б20	48,0	2,0	50,0	СССР Пропитка пористой прессовки	12,0	0,070	1400			510
КМК-Б21	27,0	3,0	70,0	из W—Ni сплава жидкой Си	14,0	0,08	2100	—	600
КМК-Б23	17,0	3,0	80,0		15,5	0,100	2400	—	680
МСВ «	28,0	—	70,0	Пропитка расплавом Си и Ag	14,3	0,048	1850	—	—’
ВМ-70	30,0	3,0	67,0	пористой прессовки из W Болгария Пропитка пористой прессовки	13,5	0,070	1600		
ВМ-80	15,0	5,0	80,0	из W—Ni сплава жидкой Си	15,1	0,080	2000	—	—
ВМ-90	6,0	4,0	90,0	Жидкофазное спекание	16,1	0,090	2800	—	—
ВМ-99	1,0	—	99,0	Спеченная прессовка из смеси	18,1	0,070	3800	—	—
Matthey 30W3	22,0		нглия, 78,0	порошков «Johnson. Matthey Metals, Ltd» Производятся методами порош-	15,2	0,060	2400 *2		
Matthey 3W3	32,0	—	68,0	ковой металлургии	13,8	0,051	1000 *2	—	—
Matthey IW3	40,0	—	60,0		12,8	0,041	1400 *2	—	—
Gibsiloy UW-4	20,0			C 80,0	ША, «.Gibson Electric, Inc» Производятся методами порош-	15,2	0,035			95		
Gidsiloy UW-6	30,0	—	70,0	ковой металлургии	13,8	0,032	—	86	-—
Gibsiloy UW-10	50,0	—	50,0		11,9	0,026	—	73	—
Gibsiloy UW-14	70,0	—	30,0		10,4	0,022	—	59	—
ГДР, «VEB Keramische Werke, Hermsdorf»
Hermet wocum 100	—	—		—	Твердофазное спекание прес-	14,0	0,120	1400		—	—
Hermet wocum 300	—	—		—	совок из смеси порошков W и	13,0 .	0,089	1200		—	—
Hermet wocum 700	—	—		—	Си	10,5	0,056	900		—	—
Hermet wocut 200	—	—		—	Пропитка пористой прессовки	15,0	0,105	2200		—	—
Hermet wocut 300	—	—		—	из W жидкой Си	14,0	0,098	2000		—	—
Hermet wocut 400	—	—		—		13,0	0,093	1800		—	—
Hermet wonicum 0604	—	—		—	Спеченные материалы иа ос-	16,5	0,182	2300		—	—
Hermet wonicum 1005	—	—		—	нове Си, W, Ni	15,0	0,186	2100		—	—
Hermet wonicum 1208	—	—		—		14,9	0,190	2000		—	—
					ФРГ, «G. Rau»						
CuW—40	60,0	—		40,0	Твердофазное спекание прес-	10,8	0,026	900	*3	—	—
CuW—60	40,0	-—		60,0	совок из смеси порошков Си	12,5	0,038	1100		—	—
CuW—80	20,0	—		80,0	и W	13,6	0,053	1200		—	—
CuW—90T	10,0	—		90,0		15,5	0,043	2200		—	—
CuW—80T	20,0	—		80,0	Пропитка пористой прессовки	14,2	0,071	1300		—	—
CjW—90T	10,0	—		90,0	из вольфрама жидкой медью	16,2	0,050	3300		—	—
				США	, «Р. R. Mallory L. Со, 1пс»						
Elkonite 1W3	44,0	—		56,0	Пропитка пористой прессовки	12,6	0,032	—		79	—
Elkonite 3W3	32,0	—		68,0	из W жидкой Си	14,0	0,034	——		92	465
Elkonite 5W3	30,0	—		70,0		14,2	0,035	—		95	—
Alkonite 10W3	25,0	—		75,0		14,9	0,036			98	558
Elkonite 2125C	75,0	—		25,0	Твердофазное спекание из сме-	10,0	0,033	—		10	—
Elkonite 50W3	10,0	—		90,0	си порошков Си и W	17,2	0,056	30	*4	—	682
Elkonite 50W53	25,0	—		75,0		14,38	0,060	—		109	992
			ФРГ, «Dr. E. Dwrwachter Doduko K. G.»								
Cuwodur 80	20,0	—		80,0	Пропитка пористой прессовки	15,6	0,062	250	*2	—	—
Cuwodur 70	30,0	. —		70,0	из W жидкой Си	14,3	0,055	200	*2	—	—
Cuwodur 50	50,0	—		50,0		12,2	0,045	140	*2	—	—
2% Alg.
HV.
HRB.
ИКС.
oo
ТАБЛИЦА 3.7
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ МОЛИБДЕНА И СЕРЕБРА
Марка	Содержание, % (по массе)		Технологические особенности производства	Плот- ность, 103 кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм- м	Твердость в состоянии			Сопро- тивление разрыву в отож- женном состоя- нии, МПа
	Ag	Mo				отожженном		накле- пан- ном HRB	
						HV10	HRB		
			СССР						
КМК-АМо50	50,0	50,0	Пропитка пористой прессовки из Мо жид-	10,2	0,038	1200 *		-	-
КМК-АМ080	20,0	80,0	ким Ag	10,2	0, 057	1700 *	-	-	-
			ФРГ, «G. Rau*						
Ag—Мо50	50,0	50,0	Производится методом порошковой метал-	10,2	0,032	100		140 "	
Ag—М06О	40,0	60,0	лургин	10,3	0,036	140			3500
			ФРГ, «Dr. Е. Durrwachter, Dodnco R. С.»						
Silmodur 65	35,0	65,0	Пропитка жидким Ag пористой прессовки	10,0	0,055	170	—		
Silmodur 50	50,0	50,0	из Мо	10,1	0,051	160	—		
Triconctant-Mo		99,5	Спекание прессовки из Мо н деформация	10,2	0,053	160			
			США, «Р. R. Mallory and Со, Inc»						
Elkonite G-17	40,0	60,0	Пропитка жидким Ag пористых прессовок	10,2	0, 035	—	82	—	3720
Elkonite G-18	50,0	50,0 50,0	нз Мо	10,3	0,034	——	75	—	2760
Elkonite 7150	50,0		Спекание прессовок из смеси порошков	10,2	0,033	—	45	65	—
Elkonite 7160	40,0	60,0	компонентов, допрессовка	10,1	0,037	—	50	68	—
			США, «Gibson Electric, Inc»						
Gibsiloy M-2	90,0	10,0	Твердофазное спекание прессовок из смеси	10,4	0,026	—	40	—	—
Gibsiloy M-10	50,0	50,0	порошков компонентов н последующая де- формация	10,2	0,037	—	80	—	—
Gibsiloy M-14	30,0	70,0	Пропитка пористых заготовок нз Мо порн-	10,2	0,048	—	94	—-	—
Gibsiloy M-16	20,0	80,0	стым Ag	10,2	0,057	—	98	—	—
Gibsiloy M-18	10,0	90,0	Жидкофазное спекание прессовок из смеси	10,1	0,062	—	102	——	—
			компонентов						
» МПа. ** HV10.
ТАБЛИЦА 3.8
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ МЕДИ С РАЗНЫМИ МЕТАЛЛАМИ [62]
Марка материала	Содержание, % (по массе)			Технологические особенности производства	Плот- ность, 103 кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм.м	Твердость в отож- женном состоя- нии, МПа
	Си	Мо	прочие				
СССР
КМК-БМо50 КМК-БМ08О	50 20	50 80	—	Пропитка жидкой медью пористой прессовки из молибдена	9,5 10,1	0,028 0,047	1300 2200
кмк-жмзо	30	—	Fe70	Пропитка жидкой медью пористой прессовки из железа	7,8	0,045	1230
ммк	99	—	Cdl	Твердофазное спекание прессовок из смеси порошков меди и кадмия ФРГ, «G. Ram	8,7	0,023	1000
СпМобО	50	50	США	, «Р. R. Mallory and Со, Inc»	9,5	0,026	1300
Mallory D-157	25	—	Ag25 Fe50	Производится методом порошковой метал- лургии	7,8	0,080	84
* HRF-
Наиболее распространено легирование псевдосплавов на основе вольфрама или
молибдена с серебром или медью никелем до 3% (по массе) (ГОСТ 13333—75).
Из псевдосплавов, содержащих 50% (объемн.) и более Ag(Cu), можно полу-
чить изделия в виде прутков, проволоки, лент и полос. При содержании туго-
плавкого компонента 50% (объемн.) и более из него формируется каркас мате-
риала, а поры и капилляры в нем заполняет легкоплавкий компонент.
В табл. 3.5—3.8 приведены составы и некоторые свойства псевдосплавов на
основе W(Mo) и Ag(Cu), наиболее широко используемых в СССР и за рубежом.
Псевдосплавы в системах. Fe—Си, Fe—Си—Ag, Си—Cd
Железо—медь представляет собой систему с ограниченной взаимной раство-
римостью компонентов. В y-Fe растворяется до 8,8% (по массе) Си, а в Си — до
5,2% y-Fe. В a-Fe Си почти не растворяется, a-Fe в Си тоже мало растворимо.
Таким образом, оба компонента в псевдосплаве при охлаждении от 1000 °C до
комнатной температуры подвергаются дисперсионному твердению [77]. Форми-
рование изделий из такого материала методами порошковой металлургии весьма
перспективно, особенно при применении пропитки пористой прессовки из железа,
так как при 1100 °C угол смачивания твердого железа жидкой медью 9 = 0°.
Полученные таким образом контактные детали обладают практически беспори-
стой двухфазной структурой с равномерным распределением фазовых состав-
ляющих. Такие контакты отличаются высокой пластичностью, термостойкостью,
хорошими тепло- и электропроводностью, прирабатываемостью и твердостью.
Электроэрозионная стойкость их невелика, низкая прочность сварившихся мо-
стиков исключает затруднения при размыкании контактов.
Коррозионная стойкость этого материала низкая, поэтому использование
контактов из него целесообразно в аппаратах, коммутация электрического тока
в которых осуществляется в вакууме или в защитной атмосфере.
Контакты из спеченного сплава Си—Cd отличаются в 2—5 раз более высокой
электроэрозионной стойкостью по сравнению с контактами из меди.
Контакты из тройного сплава Си—Fe—Ag отличаются малой склонностью
к свариванию, особенно при работе в паре с контактами из спеченного материала
серебро—графит. Состав, свойства, технологические особенности производства
этих материалов приведены в табл. 3.8.
Псевдосплавы в системах Ag—Ni и Ag—-Fe
Электроконтактные материалы на основе серебра и никеля широко исполь-
зуются в практике аппаратостроения. Удачное сочетание свойств серебра и ни-
келя, отсутствие взаимодействия их в широком интервале температур и концен-
траций обеспечивают возможность получения из них псевдосплавов [74]. Варьи-
руя содежание компонентов и технологию производства из них изделий, можно
получать контакты, обладающие различными наборами свойств благодаря раз-
личному содержанию компонентов, величине и взаимному распределению струк-
турных составляющих в объеме изделий.
Контактные детали из этого типа псевдосплавов получают методом твердо-
фазного спекания с последующей деформацией. Используя различные способы
глубокой деформации спеченных заготовок (экструзию, прокатку, волочение),
можно получать беспористые текстурированные материалы с мелкодисперсной
структурой [78, 33, 42].
Ag—Ni псевдосплавы отличаются высокой пластичностью. Из них можно
изготавливать проволоку, прутки, ленты, полосы, из которых высадкой или
штамповкой изготавливают миниатюрные контактные детали, необходимые для
приборов в слаботочной технике. Эти сплавы отличаются высокой тепло- и элек-
тропроводностью, высокой коррозионной стойкостью (кроме стойкости к суль-
фидиой’коррозии), высокой эрозионной стойкостью. Контакты из этого материала
обладают низким и стабильным переходным сопротивлением.
Сочетание свойств в Ag—Ni псевдосплавах различного состава обеспечивает
универсальность их применения [7, 37, 38, 44]. Контакты из этих псевдосплавов
184
ТАБЛИЦА 3.0
СОСТАВ И СВОЙСТВА ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Ag И Ni
Марка материала	Содерж (по Ag	анне, % яассе) Ni	Плот- ность, 10s кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм, м	Твердость
СССР **
КМК-АЗО	70	30	9,6	0,030	550—750
КМК-А31	60	40	9,5	0,032	600 — 800
КМК-АЗОМ *2	70	30	9,7	0,030	750—1050
КМК-А31М *2	60	40	9,5	0,035	800—1 150
СрН-70 прокат	70	30	9,8	0,025	800 — 1100
США, «Р. R. Mallory and Со Inc».*3					
Mallory D505F	95	5	10,4	0,018	84
Mallory D510F	90	10	10,3	0,019	89
Mallory D50F	85	15	10,0	0,020	93
Mallory D50	85	15	10,0	0,030	85
Mallory D56	70	30	9,6	0,039	87
Mallory D51	60	40	9,5	—	92
Mallory D511	40	60	8,9	0,039	97
ФРГ, «Degussa» *4
Sintram	90	10	10,1	0,018	90
	80	20	9,9	0,021	95
	70	30	9,7	0,024	105
	60	40	9,5	0,027	115
Болгар ия
CH-30	70	1	30	1	9,6	1	0,030	1	890
CH-40	60 I	40	|	9,5	1	0,035	|	870
		Польша			
SN10	90	10	9,6	—	500
SNIOd «	90	10	10,0	—•	700
SN20	80	20	9,5	—	600
SN20d *2	80	20	9,8	—	800
SN30	70	30	9,4	—	700
SN30d *2	70	30	9,6	—	900
SN40	60	40	9,3	—	800
SN40d *2	60	40	9,4	—	1000
США, «.Fansteel Inc»*4
Fasaloy 136	90	10			0,018	56
Fasaloy 137	85	15	—	0,020	60
Fasaloy 138	80	20	—	0, 021	61
Fasaloy 139	60	40	—	0,026	75
США, «Gibson Electric, 1пс»*ь
ag-ni-Con2	90	10	10,2	0,0185	38 — 40
ag-ni-Con3	85	15	10,1	0,020	40 — 48
ag-nl-Con4	80	20	10,0	0,021	45 — 52
ag-ni-Con6	70	30	9,5	0,023	60—63
ag-ni-Con8	60	40	9,0	0,026	70 — 78
ФРГ, «Dr. Е. Durwachter Doduco К. G.» *4
Sinidur 10	90	10	10,2	0,020	110
Sinidur 20	80	20	10,0	0,022	120
Sinidur 30	70	30	9,8	0,024	135
Sinidur 40	60	40	9,7	0,027	150
ГДР, «Keramische Werke			Hermsdorf»		
Hermet Sinil 100					10,0	0,019	700
Hermet Sinil 200					9,8	0,022	900
Hermet Sinil 300				9,7	0, 027	1000
Hermet Sinil 400	—	—	9,6	0,029	1100
** Твердость в мегапаскалях.*2 Контакты изготовлены нз мелкодисперсной шихты.
*а Твердость HRF. *4 Твердость HV10. *ь Твердость Н^15Т.
185
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
Наименование, тип контактного материала	Содержание, "о		(пр массе) прочие	ТУ, гост	
	Ag	Pd			
ПдСр-70	70	30	__	ТУ 48-1 76-74	
ПдСрН-70-5	70	.	25	Ni 5	ТУ 48-1-76—74; ТУ 48-1-132-76	
КМ К-А 50	76,5	—	Ni 0,8 Cd 22,3 Fe 0,4	ГОСТ 19725—74	
Примечание. Режим эксплуатации контактов ПдСр-70 и ПдСрН-70-5: диапазон
успешно заменяют контакты из чистого серебра. При этом их эрозионная стойкость
выше серебряных контактов в 1,5—5 раз.
Использование контактов из Ag—Ni псевдосплавов вместо контактов из
чистого серебра или серебросодержащих материалов с большим количеством Ag
открывает возможность существенной экономии серебра.
Эти контактные материалы широко используют как в СССР, так и за рубежом.
В табл. 3.9 приведены данные о составе, свойствах и технологии производства
наиболее распространенных Ag—Ni псевдосплавов.
Псевдосплавы на основе Ag и Fe обладают свойствами, аналогичными свой-
ствам Ag—Ni псевдосплавов. Однако они обладают низкой коррозионной стой-
костью, поэтому их использование ограниченно. Применяют контакты, содержа-
щие до 10% (по массе).
Спеченные сплавы в системах Ag—Pd, Ag—Pd—Ni, Ag—Cd—Ni
Ag—Pd сплав марки ПдСр-70 изготавливают методом твердофазного спека-
ния из смеси порошков Ag и Pd. Этот сплав обладает высокой пластичностью,
его производят в виде прутков, проволоки или ленты, из которых штамповкой
и высадкой получают контакты любых форм и размеров.
Серебро и палладий неограниченно растворяются друг в друге [74]. Микро-
структура этого сплава представлена зернами твердого раствора, вытянутыми
в направлении прокатки. Материал с соотношением Ag : Pd = 70 : 30 обладает
повышенной стойкостью к сульфидной коррозии [67]. При коммутации электри-
ческого тока у этого сплава наблюдается склонность к образованию мостиков,
однако в значительно меньшей степени, чем у литого сплава того же состава
[55, 73]. В табл. 3.10 приведены основные характеристики и области применения
этого сплава.
Спеченный сплав Ag—Pd—Ni обладает высокой коррозионной стойкостью
и высоким сопротивлением механическому и электрическому износу. Сплав
изготавливают методом твердофазного спекания заготовок из смеси порошков Ag,
Pd и Ni с последующей глубокой деформацией ее в проволоку или ленту. Микро-
структура сплава гетерогенная, представлена двумя тройными твердыми раство-
рами, один из которых на основе Ag, другой — на основе Ni *. После глубокой
деформации зерна на основе этого тройного раствора приобретают вид волокон,
* Гордиенко Г. Н., Теодорович О. N., Францевич И. Н. Авт. свид.
133957. — Бюл. изобр., 1960, № 23.
186
ТАБЛИЦА 3.10
ПРОИЗВОДСТВА, КОНТАКТОВ НА ОСНОВЕ Ag и Pd
	Свойства порошковых сплавов			Тип контакта	Материал, марка рекомендуемого коитртела
	плот- ность, Ю8 к Г/м3	твердость НВ	удельное электросо- противление, мкОм, м		
					
	10—11 10—11	90—100 100—110	0,14—0,16 0,14—0,16	Скользящий, коммутирую- щий То же	ПлН-4,5, ПдСрН-70, ПдВ-20, ЗлХ-2,8, ПлИ-10, ПлМ-8, ла- тунь Л-68, нихром, нейзильбер То же, но латунь Л-62
	9,4—9,8	50—70	0,07	Коммутирую- щий	—
токов 1 • 10"® — 2 А, диапазон напряжений 1 • 10"® — 360 В.
вытянутых в направлении прокатки, окруженных матрицей, состоящей из твер-
дого раствора Ag—Pd.
По мере износа как электрического, так и механического за счет пластиче-
ской деформации матрицы и ее частичного износа поверхностный слой контакта
упрочняется в результате увеличения содержания на поверхности зерен более
твердой фазы на основе и за счет упрочнения пластичной матрицы. Материал на
поверхности контактов становится более износостойким. Кроме того, образование
вторичных структур на рабочих поверхностях контактов также способствует повы-
шению их износостойкости [80].
При правильном выборе контртела и режима работы применение сплава
ПдСрН-70-5 для контактов скольжения обеспечивает низкий и стабильный уро-
вень коммутационных шумов. Высокая эрозионная стойкость объясняется нали-
чием второй тугоплавкой структурной составляющей на основе Ni—Pd. Поверх-
ность контактов изнашивается равномерно, без образования ярко выраженных
наростов и кратеров.
В табл. 3.10 приведены основные характеристики этого сплава.
Порошковый сплав на основе серебра марки КМК-А50, легированный с целью
дисперсионного упрочнения Ni и Cd, отличается высокой износостойкостью про-
тив механических воздействий и высокой электроэрозионной стойкостью.
В табл. 3.10 приведены свойства этого материала и технология его производства.
3.8.	Спеченные псевдосплавы
на основе металлов, упрочненных
тугоплавкими соединениями и окислами
Группа материалов на основе Ag и CdO наиболее широко используется для
низковольтного аппаратостроения благодаря их высоким электроконтактным
свойствам. Они обладают высокими электро- и теплопроводностью, электро-
эрозионной и коррозионной стойкостью, малой склонностью к свариванию кон-
тактов и низким контактным сопротивлением.
Система Ag—CdO отличается отсутствием взаимодействия компонентов вплоть
ДО температуры диссоциации CdO [70]. К положительным свойствам CdO следует
отнести ее относительно высокую электропроводность, интенсивное разложение
при температуре > 1000 °C с выделением значительного объема газообразного
кислорода и паров кадмия. Объем паро-газовой смеси превышает объем CdO
187
ТАБЛИЦА З.П
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
ИЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА И ОКИСИ КАДМИЯ
Марка материала	Содержание, % (по массе)		Технологические особенности производства	Плот- ность, 10s кг/м8	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм.м	Твердость в состоянии		Сопро- тивление разрыву в отож- женном состоя- нии, МПа
	Ag	CdO				отожжен- ном, МПа	накле- панном	
СССР
КМК-А10	85,0	15,0	Приготовление механической смеси порошков Ag и CdO, прессование контактов с подслоем из серебра, твердофазное спекание, допрессовка и отжиг	9,7	0,030	450		140,0
КМК-АЮМ	85,0	15,0	Приготовление химическим спосо- бом смеси порошков Ag и CdO, прес- сование контактов с подслоем из серебра, твердофазное спекание, до- прессовка и отжиг	9,7	0,028	800		290,0
КМК.-А00	99,9		Прессование контактов, твердофаз- ное спекание, допрессовка или де- формация и штамповка контактов и отжиг Болгария	10,1	0,019	300		250,0
СО к-ю	90,0	10,0	Смешивание порошков Ag и CdO,	9,7	0,026	830				
СОК-15	85,0	15,0	прессование контактов, твердофаз- ное спекание, допрессовка и отжиг	9,5	0,031	870	—	—
Англия, «Johnson Matthey Metals, Ltd»
Matthey	D-54	—	—	Производятся методом порошковой	9,8	0,021	50	—	—
Matthey	D-55	—	—	металлургии	9,6	0,023	55	—	—
Matthey	D-54x	—	—	Внутреннее окисление сплава	10,0	0,020	58	—	—
Matthey	D-55x	—	—		10,0	0,022	60	—	—
Matthey	D-54L			Приготовление химическим спосо- бом смеси порошков Ag и CdO, прес- сование с подслоем серебра и твер- дофазное спекание контактов	9,8	0,021	60		
				США, «Р. R. Mallory and Со,	Ina				
Mallory	D-54	90,0	10,0	Приготовление смеси порошков Ag	8,9	0,021	42	—	93,0
Mallory Mallory	D-55	85,0	15,0	и CdO, прессование контактов с под- слоем из серебра, твердофазное спе- кание, допрессовка и отжиг	8,7	0,022	35	—	70,2
	D-54W	90,0	10,0	Приготовление механической смеси	9,2	0,019	46	80	155,0
Mallory	D-55W	85,0	15,0	серебра и окиси кадмия, прессо- вание заготовок с подслоем из се-	9,1	0,021	57	80	173,6
				ребра, твердофазное спекание, де- формация, штамповка контактов					
Mallory	D-54F	90,0	10,0	Внутреннее окисление заготовок из	9,27	0,020	71	90	241,8
Mallory	D-55F	85,0	15,0	сплава серебра и кадмия, их после- дующая деформация и штамповка	9,13	0,023	70	90	248,0
				контактов					
Mallory	D-54x	90,0	10,0	Заготовки из сплава Ag—Cd экстру-	9,27	0,022	45	81	167,4
Mallory Mallory	D-55x	85,0	15,0	дируют, затем из прутка или по- лосы штампуют контакты, которые подвергают внутреннему окислению	9,13	0,026	56	85	186,0 152,5
	D-64F	'99,9	—	Из смеси порошков CdO + Ag и из Ag прессуют крупные двухслой-	9,51	0,017	14 *	82	
									
				ные заготовки, спекают, экструди- руют в полосы, из которых штам-					
00 co ,				пуют контакты					
Продолжение табл. 3.11
Марка материала
Содержание,
% (по массе)
Технологические особенности
производства
Ag CdO
Плот- ность, 103 кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм > м	Твердость в состоянии		Сопро- тивление разрыву в отож - женном состоя- нии, МПа
		отожжен- ном, МПа	накле- панном	
К G.».
ФРГ, «Dr. Е. Durrwachter Doduco
Dodurit CDO ЮР Dodurit CD015P	90,0 85,0	10,0 15,0	Двухслойные прессовки из смеси порошков Ag + CdO и Ag спекают, экструдируют, затем из полос штам- пуют контакты с серебряным под- слоем
Dodurit CDOlOPz	90,0	10,0	Из смеси Ag + CdO, полученной
Dodurit CD015Pz	85,0	15,0	совместным химическим осажде- нием, прессуют двухслойные заго- товки, из которых после спекания и экструзии штампуют контакты с серебряным подслоем
Dodurit CD010	90,0	10,0	Внутреннее окисление заготовок из
Dodurit CD015	85,0	15,0	сплава Ag + Cd, нанесение слоя Ag, экструзия или прокатка и после- дующая штамповка контактов
CDOlOzH	90,0	10,0	Прокатка двухслойного слитка из
CD015zH	85,0	15,0	сплава Ag + Cd и Ag, разрезка прокатанной полосы на контакты и последующее внутреннее окисление
Sicadox N	87,0	13,0	То же, но на слиток гальваниче- ским способом наносят слой Ag для подслоя
10,2 10,1	0,020 0,022	. 60 70		—
10,3	0,020	60	—	—
10,2	0,020	70	—	—
10,3	0,020	60	—		
10,2	0,020	70	—	—
10,2	0,020	65	—	—
10,1	0,023	75	—	—
10,0	0,036	130	—	—
США, «Gibson Electric, Inc» *2
Ag—Ni stik 210 Ag—Ni stik 215			90,0 85,0	10,0 15,0	Производятся из поковок, изготов- ленных методами порошковой ме- таллургии	10,2 9,9	0,018 0,018	57 59,5	—
Gibson	KA 2		90,0	10,0	Спекание прессовок из смеси по-	9,8	0,023	45	—
Gibson	KA3		85,0	15,0	рошков Ag + CdO с последующей допрессовкой	9,7	0,025	50	—
Gibson	KB2		90,0	10,0	Производится методом внутреннего	10,2	0,020	71	—
Gibson	KB3		85,0	15,0	окисления проката из сплава се- ребра с кадмием	10,0	0,023	70	—
Sy lead	10		90,0	10,0	Производится методами порошко-	10,1	0,023	60	—
Sy lead	15		.85,0	15,0	вой металлургии	10,0	0,023	65	—
				1	ГДР, «УЕВ Eeramische Werke, Hermsdorf»				
Hermet	sicad	030	—	—	Производится методом спекания	10,2	0,019	530	740
Hermet	sicad	080	—	, —	прессовок из смеси порошков се- ребра и окиси кадмия	10,0	0,021	580	790
Hermet	sicad	120	—	—		9,8	0,023	730	920
Hermet	sicad	200	—	—	ФРГ, «G. Rau»	9,6	0,027	900	1040
Ag CdOlO			90,0	10,0	Заготовка из сплава Ag—Cd де-	;-|ю,1	0,022	1000	—
Др CdO15			85,0	15,0	формируется, окисляется при вы-	9,9	0,026	1150		
					сокой температуре. Из нее штам- пуют контакты любой формы				
									
*’ Твердость в отожженном состоянии-
** То же, HRF (для марок Gibson КА2 и КАЗ
ТАБЛИЦА 3.12
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА И ОКИСЛОВ МЕТАЛЛОВ
Марка материала	Содержание, % (по массе)			Технологические особенности производства	Плот- ность, 10s кг/м8	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм* м	Твердость (МПа) в состоянии		Сопро- тнвление разрыву в накле- панном состоя- нии, МПа
	Ag	CuO	прочие				отож- женном	наклепан- ном	
КМК-А20	90	10		СССР Твердофазное спекание прессов-	9,5	0,025	450	600	
КМК-А20М	90	10			ки из смеси порошков компонен- тов и последующая деформация Твердофазное спекание прессов-	9,6	0,024	550	650		
СОМ-8	92	8		ки из смеси порошков, получен- ных совместным осаждением, и последующая деформация Высокотемпературная термооб-	9,8		550	650	
Mallory D-63X	99,34		CL MgO 0,41,	работка изделий излитого спла- ва Ag—Си в окислительной среде НА, «Р. R. Mallory and Со, Inc» Высокотемпературное окисле-	9,463	0,023		97	434,0
Sistadox J	88,8		NiO 0,25 ФРГ SnO2 +	ние изделий из литого сплава серебра, содержащего магний и никель, и последующая дефор- мация «Dr. Е. Durrwachter, Doduco К. Высокотемпературное окисле-	G.» 10,2	0,020	600		
			+ In2O3 12,5	ние изделий из сплава Ag—Sn— In и деформация					
в 104 раза. В процессе коммутации бурное выделение газов механически сдувает
дугу, заставляя ее перемещаться по поверхности контактов, деионизирует плазму
и сокращает время ее существования [78, 79]. Конденсирующиеся пары кадмия
окисляются и осаждаются на поверхности контактов. Образовавшийся слой окис-
лов препятствует свариванию контактов и не снижает при этом их переходного со-
противления. Содержание CdO в составе материала для контактов в зависимости
от требований, предъявляемых к контактным аппаратам, изменяют от 5 до 30%
(по массе). Наиболее часто используют материалы с 10—15% CdO. Контакты
из этого материала производят методами порошковой металлургии или отливкой
сплава Ag—Cd с последующим внутренним окислением Cd [71, 59].
Изменяя технологию производства, можно получить контакты с весьма разно-
образной микроструктурой. Размеры включений CdO могут изменяться от деся
тых долей микрона до 30 50 мкм. Износостойкость, равномерный износ поверх
пости контактов, низкая прочность перемычек, образовавшихся при сваривании
контактов, характерны для мелкозернистых материалов [29, 25, 33, 80].
В табл. 3.11 приведены составы, свойства и особенности технологии произ-
водства контактов на основе Ag—CdO, выпускаемых в СССР и зарубежными
фирмами.
Менее распространены в промышленности материалы на основе Ag и СиО
[36, 44], Ag и ZnO. Технология их производства практически сходна с техноло-
гией производства материалов на основе Ag и CdO. В табл. 3.12 приведены состав,
свойства и технологические особенности производства контактов из этих ма-
териалов.
Сплав на основе Ag, упрочненный MgO и N1O, получают методом внутреннего
окисления предварительно спеченного из порошков сплава на основе серебра
Elkonium-63, содержащего Mg 0,25 и Ni 0,2% (по массе). При внутреннем окисле-
нии этих примесей происходит дисперсное упрочнение серебра. Этот материал
обладает высокими электропроводностью, твердостью и пределом упругости, что
позволяет использовать его в миниатюрных приборах одновременно в качестве
контактов и пружин (см. табл. 3.12).
Спеченный из порошков материал, содержащий в серебре окислы индия
и олова, отличается высоким сопротивлением свариванию благодаря равномер-
ному распределению мелкодисперсных окислов олова и индия, образовавшихся
в процессе внутреннего окисления сплава серебра с оловом и индием. В табл. 3.12
приведены его состав, свойства и технологическая схема производства.
Псевдосплавы на основе бескислородных тугоплавких соединений
и серебра
Из большого количества тугоплавких бескислородных соединений, облада-
ющих металлической проводимостью, в качестве компонента в псевдосплавах
с серебром широкое распространение получил карбид вольфрама. Отсутствие
взаимодействия с жидким серебром и хорошее смачивание им при 1200 °C, вы-
сокая температура разложения карбида (2720 С) позволяют создавать на его
основе псевдосплавы каркасного строения.
Карбид вольфрама обладает некоторыми преимуществами по сравнению
с вольфрамом. Он более коррозионностоек при низкой и повышенной темпера-
турах, обладает более высокой твердостью и прочностью, хорошо сопротивляется
механическому износу, отличается высокой электроэрозионной стойкостью.
Однако при этом он обладает и многими отрицательными свойствами (хрупкость,
отсутствие прирабатываемости, низкие электро- и теплопроводность).
Контакты из композиций на основе карбида вольфрама с серебром отличаются
высокой стойкостью против сваривания и залипания. Благодаря высокой твер-
дости карбида вольфрама и его электрическому сопротивлению их контактное
сопротивление велико.
Наличие твердого и хрупкого WC в матрице из серебра в псевдосплавах
WC Ag даже при относительно небольших количествах [15 30% (по массе)]
крайне затрудняет пластическую деформацию материала. При содержании WC
в большем количестве полностью исключается возможность пластической дефор
мации и механической обработки изделий.
7 гг. Гнесин	193
ТАБЛИЦА 3.13
СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ПСЕВДОСПЛАВОВ
НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА
Марка материала	Содержание, % (по массе)			Технологические особенности производства	Плот- ность, 103 кг/м3	Удельное электро- сопротив- ление мкОм* м	Твердость (HRB) в состоянии	
	WC	Ag	Си				отож- женном	накле- панном
США, «Р. R. Mallory and Со., Inc*
Elkonite G-12	35,0 50,0	65,0 50,0	—	Пропитка пористой прессовки из WC жид-	11,8 12,9	0,029 0,035	57 91	
Elkonite G-13				ким Ag				
Elkonite G-14	60,0	40,0	—		12,9	0,045	100		
Elkonite 3042	42,0	58,0	—		11,9	0,034	80		
Elkonite 3135	35,0	65,0	—	Спекание прессовок контактов из смесн по-	11,2	0,030	40	62
Elkonite 3150	50,0	50,0	——	рошков Ag и WC и допрессовка	11,9	0,037	60	82
Elkonite 3165	35,0	65,0	—		13,1	0,048	62	85
Elkonite TC—C	50,0	—	50,0	Пропитка пористой прессовки контакта из	11,2	0,035	94	
Elkonite TC—10	56,0	—	44,0 An	WC жидкой Си глия, «.Johnson Matthey Metals Ltd-»*	11,6	0,039	99	—
Matthey G-14	60,0	40,0	—	—	13,2	0,046	200		
Matthey G-13	50,0	50,0	—	—	12,5	0,029	160		
Matthey 3045	45,0	55,0	—	—	12,2	0,026	95		
Matthey G-12	40,0	60,0	—	США, «Gibson Electric Inc»	11,9	0,024	95	—
Gibsiloy WC-7	35,0	65,0	—	Пропитка пористой прессовки из WC жид-	11,8 11,9	0,033	50 — 60		
Gibsiloy WC-8	40,0	60,0	—	ким Ag		0,035	60—64		
Gibsiloy WC-10	50,0	50,0	—		12,1	0,037	71-86		
Gibsiloy WC-12	60,0	40,0	—		12,8	0,041	90 — 95		
Gibsiloy WC-13	65,0 *	35,0	ФР1	«Dr. E. Durrwachter Doduco К.. G.»*	13,2	0,053	95—105	—
Siwodur C-65	65,0	35,0		Методом порошковой металлургии	11,’64	0, 051	160—190		
Siwodur C-50	50,0	50,0				0,045	140—170		
Siwodur C-40	60,0	40,0		ФР Г, «G. Raw» *	12,1	0,042	130—160	—
AgWC-20	2 0,0	80,0			Методом порошковой металлургии	11,2	0,026	80	100
AgWC-50	50,0	50,0	—		12,5	0,045	100	——
AgWC-80	80,0	20,0	—		13,5	0,071	160		
AgWC-80T	80,0	20,0	—	Пропитка пористой прессовки из карбида вольфрама жидким серебром	14,0	0,055	270	—
* Твердость HV10.
Изделия из композиций этого типа изготавливают методами порошковой
металлургии. Наиболее распространены контакты, содержащие от 35 до 60%
WC. В табл. 3.13 приведены состав, свойства и особенности технологии произ-
водства контактов из материалов, выпускаемых рядом зарубежных фирм.
3.9.	Спеченные псевдосплавы типа
металл—антифрикционный наполнитель
Группа электроконтактных материалов, обладающих, помимо электрокон-
тактных, также антифрикционными свойствами, широко используется в аппарато-
строении как для токопроводящих узлов трения, так и для коммутирующих
электрических контактов. В последнем случае они обычно применяются в паре
с контактом из другого материала.
Микроструктура псевдосплавов этого типа представляет собой металличе-
скую однофазную или двухфазную матрицу, в которой равномерно распределены
отдельные частицы твердого смазочного наполнителя. Наиболее распространен-
ным наполнителем является чешуйчатый графит, обладающий специфическим
кристаллическим строением, обусловливающим его способность легко расслаи-
ваться на отдельные пластинки или блоки пластин. Располагаясь на рабочих
поверхностях контактов, пластинки прилипают к ним и препятствуют схватыва-
нию этих поверхностей при скольжении или свариванию их при прохождении
через них электрического тока [82, 83].
Графит практически не взаимодействует с металлической составляющей
материала и не образует с ней прочных связей. При формировании этих мате-
риалов стремятся к созданию непрерывной матрицы, в которой должны равно-
мерно распределяться мелкие включения наполнителя. Поэтому объемное содер-
жание наполнителя ограниченно. •
Двухкомпонентные псевдосплавы на основе Ag(Cti) с графитовым наполни-
телем производят в СССР и рядом зарубежных фирм. Содержание наполнителя
варьируется от 0,25 до 10% (по массе). Наиболее распространены материалы,
содержащие 3,0—5,0% (по массе) графита. Ag(Cu)—С материалы обладают вы-
сокой стойкостью против сваривания и износостойкостью при трении скольже-
ния. Они хорошо прирабатываются. Методы порошковой металлургии позволяют
получать изделия с переменным содержанием графита в объеме детали, что обес-
печивает возможность получения изделий, обладающих достаточной прочностью,
с высоким содержанием графита в поверхностном слое.
Трехкомпонентные материалы с антифрикционными наполнителями произ-
водятся с матрицей из Ag—Ni псевдосплава и графитовым наполнителем [37].
Этот материал отличается более высокими прочностными характеристиками, чем
Ag — графитовый материал, с тем же содержанием наполнителя из-за присут-
ствия в структуре частиц Ni. Этим объясняется и его более высокая электро-
эрозионная стойкость и стойкость против истирания.
В табл. 3.14 приведены состав, свойства и технологические особенности про-
изводства материалов, содержащих в качестве наполнителя графит.
3.10.	Биметаллические контакты
Биметаллические контакты являются новыми промышленными электрокон-
тактными изделиями, позволяющими эффективно экономить дефицитные благо-
родные материалы. Выпускают биметаллические контакты различных форм и
размеров; толщина рабочего слоя обычно составляет 50% от общей толщины
контакта.
Для рабочего слоя биметаллических контактов заклепочного типа реко-
мендуют материалы с временным сопротивлением 21—42 кг/мм2. Описано много
методов получения биметаллических контактов, однако наиболее широко рас-
7*	195
S	ТАБЛИЦА 3.14
®	СОСТАВ, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА КОНТАКТОВ
НА ОСНОВЕ СЕРЕБРА (МЕДИ) — ГРАФИТА
Марка материала	Содержание, % (по массе)			Схема производства	Плотность, 103 кг/м3	Удельное электричес- кое сопро- тивление, мкОм* м	Твердость в отожжен- ном состоя- нии, МПа
	Ag	С	про- чие				
СССР
КМК-А40	95	5	—	Твердофазное спекание прессовок из смеси порошков серебра и графи- та	8,3—8,7	0,03	250—240
КМК-А32	68	3	Ni 29	То же	8,5—8,9	0,035	450—650
КМК-А32М	68	3	Ni 29	Твердофазное спекание прессовок из мелкодисперсной смеси серебра и графита	8,5—8,9	0,04	650—850
КМК-Б10	—	5	Cu 95	Твердофазное спекание прессовок из смеси порошков меди и графита	6,7—7,3	0,04	200—350
КМК-Б11	—	5	Cu 95 P, «V.	То же Е. В. Keramlsche Werke, Hermsdorf»	6,2—6,8	0,05	150—300
Hermet Sigram 050	-			Твердофазное спекание Болгария	8,8	0,025	570
СГ2-5	98—95	2-5	США,	Твердофазное спекание «Р. Р. Mallory and Со, Inc» *	8,77—7,42	0,019	283—242
Mallory D-58	'Ьб	5	—	Твердофазное спекание	7,9	0,03	25
Mallory D-58	95	5	—	То же	8,06	0,022	40
Mallory D-59	88	2	Ni 10 Англи	Твердофазное спекание ч, «.Johnson Matthey Metals Ltd»	8,55	0,024	64 '
Matthey D-58 2 %	98	2		Твердофазное спекание	9,7	0,02	400
Matthey D-58 1 %	99	1		То же	9,9	0,018	400
Твердость HRF.
ТАБЛИЦА 3.15
НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Наименование сплава
Состав биметаллического контакта
рабочий слой	основа
СССР
КМК-АЮм
КМК-А20м
КМКА-32
КМК-А40
КМК-А50
Ag—CdO
Ag—CuO
Ag—Ni—С (графит)
Ag—С (графит)
Ag—Ni—Cd
Болгария
Ag, Ni, Fe
I Серебряная бронза; Ag— I Си, медные сплавы
I Cd, Ag—CdO, Ag—Ni	|
США, «Gibson Elektric, Inc»
Серебро
Gibsok KB-2
Gibsok KB-270
Ag
Ag—CdO
Ag—CdO
Cu
США, «Р. R. Mallory and Co., Inc»
Elkonite Mallory Mallory	Ag—W Ag—Ni Ag—С (графит)	Cu, сплавы на основе меди
	США, «.Fansteel, Inc»	
Fasaloy 136	Ag—Ni	Cu
Fasaloy 137	Ag-F	
Fasaloy 138	Ag—CdO	Сплавы на основе ме-
Fasaloy 139	Ag—W	ди, сталь
Fasaloy 142	Ag—Mo	
Fasaloy KJC	Cu-W	
Fasaloy KO A	c Cu—С (графит)	
ФРГ, «Dr. E. Dilrwachter, Doduco K. G.»
Dodurit	Ag—CdO	Сплавы на основе меди
Sinidur Siwodur Simodur	Ag—Ni Ag—W Ag—Mo	
Cuwodur	Cu—W	
197
пространены методы холодной сварки, при которой два разнородных металла
соединяют сжатием.
В табл. 3.15 приведены данные зарубежных фирм о материалах рабочего
слоя и основы детали1 [84].
3.11	Методы крепления контактов
Размеры, форма контактов и качество их крепления к контактодержателям
существенно влияют на работу контактной пары. Контакты из спеченных псевдо-
сплавов крепят на конта кто держателях пайкой, сваркой, клепкой, с помощью
резьбовых или болтовых соединений, в результате чего создается неразъемное
соединение.
Для обеспечения прочности крепления контактов из некоторых псевдоспла-
вов к контактодержателю на поверхности крепления в процессе формирования
контактных деталей создают тонкий металлический подслой из серебра, никеля,
железа или меди, который образует с контактом одно целое.
Метод пропитки пористых прессовок из тугоплавких материалов дает воз-
можность формировать контактные детали, особенно массивные и сложной формы,
вместе с контактодержателем. При этом композиционный материал может распо-
лагаться в виде тонких (4—5 мм) покрытий на участках поверхности, больше
других разрушающихся при воздействии электрической дуги [15].
Иногда для улучшения смачивания пропитывающим расплавом и равно-
мерного распределения его остатка на крепежной поверхности контактной де-
тали в процессе прессовки выполняют специальное рифление. Расплав затекает
в углубления, а остаток его равномерно распределяется по всей поверхности
крепления.
Чтобы облегчить центровку контактов на контактодержателях, на поверх-
ности крепления контактов выполняют специальный конический шип из мате-
риала контакта или подслоя, как указано в ГОСТ 19725—74 «Аппараты электри-
ческие, коммутационные контакты на основе серебра».
При креплении контактов малых форм и размеров наиболее производитель-
ным методом является точечная сварка. В этом случае при креплении к пружи-
нам последние сохраняют свои пружинящие свойства [85].
В табл. 3.16 приведены данные о наиболее распространенных методах креп-
ления электрических контактов из спеченных материалов [86—88].
3.12.	Области применения спеченных
электроконтактных материалов
Для применения электроконтактного материала в конкретных условиях
необходимо знать ряд факторов, влияющих на работоспособность электрических
контактов.
Электрические характеристики цепи: род тока (постоянный, переменный);
нагрузка цепи (омическая, емкостная или индуктивная); характеристика цепи
(напряжение, ток, мощность); характер нагрузок (номинальные, при перегрузках
или коротком замыкании).
Эксплуатационные характеристики аппарата: метод дугогашения (без
дугогашения, магнитное, воздушное дутье и т. п.); контактное нажатие; наличие
вибрации, скорость замыкания (размыкания) контактов; число срабатываний
в единицу времени, длительность пропускания тока; срок службы контактов.
1 Пат. 540387 (США), 1976; пат. 530518 (США), 1976; пат. 3720805 (США),
1973; пат. 3797108 (США}, 1974; пат. 49—12948 и 49—12949 (Япония), 1974;
пат. 4879566 (Япония), 1976; пат. 7533922 (Япония), 1975; пат. 815136 (Анг-
лия), 1959; пат. 434706 (Нидерланды), 1972.
198
Характеристики окружающей среды (масло, элегаз, вакуум, воздух и Т. ft.,
различные атмосферные условия, наличие аэрозолей и химических агентов).
Конструктивные характеристики контактных деталей', тип контактного
соединения (коммутирующий, скользящий), размеры и форма контактов и кон-
тактодержателей; метод крепления контактов.
Зная эти факторы и возможные результаты их воздействия на контакты,
можно рекомендовать тот или иной электроконтактный материал с известными
физико-химическими свойствами.
Выбор оптимального материала для электрических контактов производится
после опробования нескольких материалов в качестве контактов в условиях
эксплуатационных режимов для каждого данного типа электрокоммутирующего
аппарата. Такая система выбора материала контактов объясняется наличием
большого количества неучитываемых факторов, оказывающих влияние на износ
контактов в каждом типе аппаратов. Эта рекомендация приводится на оснований”—'
опыта наших предприятий и ряда зарубежных фирм. В табл. 3.17 дан перечень
различных электрокоммутирующих аппаратов и электроконтактных материалов,
наиболее часто используемых для контактов в этих аппаратах. Их физико-хими-
ческие свойства отвечают перечисленным в этой таблице требованиям для каждого
типа аппаратов. Формы контактов указаны с учетом характеристик аппаратов
[4, 30] и соответственно ГОСТ 19725—74 и ГОСТ 1333—75.
Комбинируя материалы контактов в контактной паре, можно до некоторой
степени управлять такими характеристиками пары, как склонность к свариванию,
прирабатываемость. Можно также снижать переходное сопротивление, электро-
перенос с контакта на контакт и таким образом существенно повышать срок службы
контактного узла и надежность работы аппарата. Ниже приведены диапазоны
токовых нагрузок и применяемых для них пары контактов из материалов разных
марок:
Токовая нагрузка >1000 А
Фирмы США:
Контактные пары ..................
Ag-W (Мо)—Ag-W (Мо)...............
Ag-WC, Ag-WC или Ag-W ............
Содержание Ag,
% (по массе)
<35 и <59
65; 50; <50
Токовая нагрузка 10—1000 А
СССР
Ag-Ag—графит.....................
Ag-Ni—Ag-Ni—графит...............
Ag-CdO—Ag-Ni-графит..............
W-Cu—Cu-графит...................
Фирмы США
Ag-CdO-Ag-WC.....................
Ag-Ni—Ag-графит .................
Ag-CdO—Ag-графит.................
Ag-Fe-Cu—Ag-графит..........;	. .
Ag-CdO—Ag........................
95
79 и 65
85 и 68
50 * и 95 *
90 и 50
70 (60; 40) и 90
90 (85) и до 90
95
90
Токозая нагрузка от 1 • 10 ° до 10 А
СССР	1
Ag-Ni—Ag.................................. 70
Ag-Ag—графит............................... До	95
Ag-Pd-Ni—Pt-Ni....................
(Pt—Ir)
или Pt, Cu, Au Cr
или Pd—W,
или Ag—Ni—Cu)............................. 70
199
методы Крепления Электрических контактов
Наименование .материала	Марка	Форма контактов
W—Ag Мо—Ag	KMK-A60 KMK-A61 KMK-AMOM50 KMK-AMOM80	Диски, пластины,, сложные формы
W—Си Мо—Си	КМК-Б20 КМК-Б21 КМК-БМОМ50 КМК-БМОМ80	То же
Ag—Ni	KMK-A30, KMK-A30M CpH-70 KMK-A31, KMK-A31A	Диски, пластины Диски, заклепки, пластины Диски, пластины
Ag—Cd—Ni	KMK-A50	Диски, пластины, заклепки
Fe—Cu	КМК-ЖМ	Сложная
Ag—Pd Ag—Pd—Ni	ПдСр-70 ПдСрН-70-5	Диски, заклепки, пластины
Ag—CdO	KMK-A10M	Диски, пластины
Ag—CuO	KMK-A20M	
Ag—Ni—С (графит)	KMK-A32	То же
Ag—С (графит)	KMK-A40	»
Cu—С (графит)	КМК-Б10, КМК-Б11	»
Ag	KMK-A00	Диски, пластины, заклепки, сложные формы
200
ТАБЛИЦА 3.16
И3 СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
	Метод крепления	Материал подслоя	Материал контактодержателя	Припои
	Пайка, сварка	Ag	Прокат и литье (медь, латунь)	ПСр-72, ПСр-70, ПСр-50
	Пайка, сварка, резьбовое соеди- нение	Си		То же
	Пайка, сварка Пайка, сварка, клепка Пайка, сварка	Без подслоя То же »	Прокат (медь, кадмиевая медь, хромистая медь, латунь, брон- за, нержавеющая сталь, низко- углеродистая сталь, никель)	»
	Пайка, сварка, клепка	»	Прокат (медь, кадмиевая медь, хромистая медь, латунь, бронза, нержавеющая сталь, низкоугле- родистая сталь, никель)	»
	Пайка, сварка, резьбовое соеди- нение	»	Прокат и литье (медь, латунь)	»
	Пайка, сварка, клепка	»	Прокат (медь, кадмиевая медь, хромистая медь, латунь, брон- за)	ПСр-72, ПСр-70
	Пайка, сварка	Ag, Ni, Fe	Прокат (медь, кадмиевая медь, хромистая медь, латунь, брон- за, нержавеющая сталь, низко- углеродистая сталь, никель)	ПСр-70, ПСр-72, ПСр-50
	То же	Ag, Ni	То же	То же
	» 	Ag, Ni	»	»
	»		»	ПМЦ36, ПМЦ48, ПМЦ54
	»	Без подслоя	»	ПСр-70, ПСр-72, ПСр-50
201
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
Наименование электроном мута- ционных аппаратов и их номиналь- ные характеристики	Основные электроконтактные свойства материалов контактов	Марки материа аппаратах
		СССР
Высоковольтные выключатели, дугогасительные контакты; UH 1000 В, /н > 1000 А	Высокая дугостойкость, износо- стойкость при механических воз- действиях, отсутствие склонно- сти к свариванию, низкая проч- ность сварившихся мостиков, высокая теплопроводность	КМК-А61, КМК-Б21, КМК-Б23, ЕМК-АМ08О, КМК-БМ08О
Главные контакты	Низкое переходное сопротивле- ние высокие электро- и тепло- проводность, высокая износо- стойкость при механических воз- действиях, хорошая прирабаты- ваемость, низкая склонность к свариванию контактов	КМК-А60, КМК-Б20, КМК-АМо50, КМК-БМо50
Высоковольтные вакуумные вы- ключатели; 1/и = 20-?35 кВ, /„ « 2000 А	Низкая склонность к сварива- нию и схватыванию, низкое пе- реходное сопротивление и низ- кая газонасыщенность, высокие электроэрозионная стойкость, тепло- и электропроводность, низкая упругость паров	КМК-БЖМ, КМК-Б23
Переключатели ступеней обмо- ток мощных трансформаторов; U„^ 1000 В, /„Sa 1000 А	Высокая электроэрозионная стойкость, износостойкость про- тив механического воздействия, тепло- и электропроводность, низкая склонность к схватыва- нию	КМК-Б20, КМК-Б21
Разъединители, отделители	Высокие электро- и теплопро- водность, малая склонность к свариванию, низкое переходное сопротивление	КМК-А60, КМК-А30М, КМК-Б20
Низковольтные тяжело- и сред- ненагруженные аппараты, ру- бильники, переключатели, па- кетные выключатели, автомати- ческие выключатели, контакто- ры, контроллеры, пускатели; UH < 1000 В, /„ < 3000 А	Высокие тепло- и электропро- водность, низкое переходное со- противление, высокая коррози- онная и электроэрозионная стой- кость, малая склонность к сва- риванию, хорошая прирабаты- ваемость и износостойкость про- тив механических воздействий	КМК-А60, КМК-АЗОМ, КМК-А31М, КМК-А20М, КМК-АЮМ, КМК-А32, СН-70, КМК-БМо50, КМК-АМобО, ММК
			*
202
ТАБЛ И Ц А 3.17
ЛЗ ПСЕВДОСПЛАВОВ В ЭЛЕДТРОКОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТАХ
дов, используемых в электрокоммутациоииых в разных странах				
	<р. R. Mallory and Со., Inc», США	«Gibson Electric, Inc», США	• «Johnson Matthey Metals, Ltd», Англия	Исполнение контактных деталей
	Elkonite 20-S, 35-S, 1W3, 3W3, 5W3, 10W3, G-17, G-18	Gibsiloy W-12, W-15, W-16, WC-12, UW-4, UW-5, UW-6, UW-8, M-16, M-17, M-14, M-15	Matthey 20-S, 35-S, 30W3, 3W3, G-14, G-13	Массивные контактные детали в виде пластин с подслоем из Си или Ag, наконечников или дру- гих сложных форм, укрепляемых сваркой или пайкой к массив- ным контактодержателям из ме- ди, массивные комбинированные детали с облицовкой из псевдо- сплавов
	Elkonite 50-S, 2110, Mallory D-55x, Elkonite 2125c	Gibsiloy W-6, W-8, W-10, UW-13, UW-14, UW-15, M-12, M-10, M-8	Matthey 50-S, 1W3, G-12	Массивные детали в виде пла- стин, колец с подслоем из Си или Ag, укрепляемые на медные кон- такте держатели
	—	—	—	Массивные детали, комбиниро- ванные с облицовкой из псевдо- сплавов. Массивные фасонные детали
	Elkonite TC-5, T-10, 1W3, 3W3, 5W3, 10W3	Gibsiloy UW-6, UW-7, UW-8	Matthey 1W3, 3W3	Массивные пластины с подслоем меди для припайки или привар- ки к контактодержателям. Фа- сонные комбинированные детали
	Elkonite 20-S, 35-S, 50-S, G-17, G-18 Mallory D-54x, 0-54, D-55x, D-56, D-511, D-58F, D-258F	Gibsiloy UW-6, UW-7, UW-8, W-8, W-10, W-13, W-14, W-16, WC-7, WC-10, M-6, M-10, M-ll, Ag-Ni—con 8, Ag-Ni—con 6, KB-2, KB-270	Matthey D-54x, D-55x, D-54, D-55, D-54L, D-55L, G-12	Массивные'пластины и диски с подслоем Ag или Си для крепле- ния к контактодержателям с ци- линдрической, плоской или сфе- рической рабочей поверхностью. Диметаллические контакты с од- ним из слоев из псевдосплавов
203
Наименование электрокоммута- циоиных аппаратов н нх номиналь- ные характеристики	Основные электроконтактиые свойства материалов контактов	Марки материа аппаратах
		СССР
Нерасходуемые электроды для точечной шовной и стыковой сварки стали и цветных метал- лов, электроискровой обработки	Высокие тепло- и электропро- водность, высокотемператур- ная твердость и прочность на сжатие, низкая склонность к ползучести и свариванию, вы- сокая термостойкость, окалино- стой кость	КМК-Б20, КМК-Б21, КМК-Б23, МСВ
Низковольтные средне- и слабо- нагруженные аппараты: кон- троллеры, командоаппараты, контакторы, пускатели, кнопоч- ные станции, автоматические вы- ключатели; реле различного ти- па t/H< 1000 В, /н < 1000 А	Низкое и стабильное переход- ное сопротивление, высокая кор- розионная и электроэрозионная стойкость, тепло- и электропро- водность, хорошая прирабаты- ваемость, высокая износостой- кость против механических воз- действий	КМК-А30М, КМК-А31М, СН-70, КМК-АЮМ, КМК-А20М, КМК-А60 КМК-А32, КМК-А40, КМК-Б20, КМК-АМо50
Низковольтные слабоиагружен- ные аппараты: реле, датчики, электроизмерительные приборы; 1/н = 1О-в-5-36О В, /н = Ю-в-5- 4-10 А		ПдСр-70 ПдСрН-70Б КМК-А40 КМК-А32М
Примечание. Составы перечисленных в графах 4, 5, 6 н 7 марок материалов
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Taee И. С, Электрические аппараты.—М.: Энергия, 1977. 272 с.
2.	Кукеков Г. А. Выключатели переменного тока высокого напряжения. —
М.—Л.: Энергия, 1972. 336 с.
3.	Брон 0. Б. — Электричество, 1979, № 10, с. 39^-44.
4.	Залесский А. М. Электрические аппараты высокого напряжения.—М.:
Госэнергоиздат, 1957. 540 с.
5.	Чунихин А. А. Электрические аппараты.—М.: Энергия, 1967. 534 с.
6.	Электрические контакты и электроды. — Киев: Наукова думка, 1977. 220 с.
7.	Сильноточные электрические контакты и электроды. (Канев, 17—22 мая
1971 г.). — Киев: изд. ИПМ АН УССР, 1972. 363 с.
8.	Электрические контакты. Тр. совещания (Москва, 26—28 ноября 1956 г.). —
М.—Л.: Госэнергоиздат, 1958. 304 с.
9.	Schreiner Н. Sitnens A. G. — Zeitschrift fiir Werkstofftechnik, 1975, № 7,
S. 217—221.
10.	Левченко Г, В., Ваковский В., И., Теодорович О. К. Разрывные контакты
электрических аппаратов. — М.: Энергия, 1966. 295 с.
И.	Власенко 0. Л., Левченко Г. В., Марек Б. А., Теодорович 0. К. —Поро-
шковая металлургия, 1965, № 6, с. 94—104.
12.	Теодорович 0. К., Минакова Р. В., Лемешко В. Г. — Порошковая метал
лургия, 1974, № 3, с. 70—73.
204
Продолжение табл. 3.17
лов, используемых в электрокоммутациониых 0 разных странах			Исполнение контактных деталей
«Р. R. Mallory and Со., Inc», США	«Gibson Electric, Inc*, США	«Johnson Matthey Metals, Lt 1», Англия	
Elkonite 3W3, 1W3, 5W3, 10W3, Tl-5, ТС-10		—	Наконечники цилиндрической, призматической, конической формы
Mallory D-54, D-54x, D-55, D-55x, D-57F, D-510F, D-56, D-511, D-158x, D-258F, D-58F, D-64	Gibsiloy М-2, М-4, М-5, М-6, WC-7, WC-8, W-2, W-3, W-5	Matthey D-54x, D-55x, D-54L, D-55L, D-510, D-520, D-56, D-58 2, D 58 1	Пластины, диски с плоской сфе- рической и цилиндрической ра- бочей поверхностью, с подслоем Ag, Си или Ni для крепления к контактным пружинам или контактодержателем. С винто- выми или цилиндрическими хво- стовиками
Серебро или литые сплавы на основе пла- тины, золота, палладия			Пластины, диски, контакты в виде заклепок, цилиндров, про- волок
приведены в табл. 3.7 3.12, 3.14	3.16.
13.	Теодорович О. К., Левченко Г. В. — Электричество, 1962, № 2, с. 64 68.
14.	Францевич И. Н. Материалы электрических контактов. — В кн.: Лекции
Всесоюзной школы по электрическим контактам и электродам (Севастополь,
20 июня — 4 июля 1968 г.). Ч. 1. — Киев: изд. ИПМ АН УССР, 1969,
с. 1—37.
15.	Францевич И. И., Ягу польская Л. Н., Чеховский А. А. и др. — Порошковая
металлургия, 1977, № 2, с. 41 43.
16,	Erk A., Schmalzle М. —Grundlagen der Schaltgeratetechnik. Berlin.—
N.-Y., 1971. 333 S.
17.	Schreiner H. Pulver metallurgieelektrischer Kontakte. Springer—Verlag,
Berlin, 1964. 278. S.
18.	Stevens. A. Y. — Powder Metallurgy, 1974, № 17, p. 331—346.
19.	Dolezal M. — Energetika rac, 1974, v. 24, № 8, c. 318—322.
20.	Горбач P. П., Левченко Г. В., Теодорович О. К. и др. —Электричество,
1973, № 6, с. 77—78.
21.	Попов Н. А. Вакуумные выключатели. — М.: Энергия, 1965. 112 с.
22.	Сливков И. Я., Михайлов В. И., Сидоров Н. И., Настюха А. И. Электри-
ческий пробой и разряд в вакууме. Под ред. Гохберга Б. М. —М.: Атом-
издат, 1-966. 298 с.
23.	Потокин В. С. — Электричество, 1973, № 6, с. 74—77.
24.	Раховский В. И. Физические основы коммутации электрического тока в ва-
кууме. М.: Наука, 1970. 535 с.
205
25.	Электрические металлокерамические изделия/Труды совещания (Рига, июль
1964 г.). — М.: изд. ВНИИЭМ, Отделение научно-технической информации,
стандартизации и нормализации в электротехнике, 1965.
26.	Афанасьев В. В. Разъединители переменного тока высокого напряжения. —
Л.—М.: Госэнергоиздат, 1963. 223 с.
27.	Лазин А. М. Короткозамыкатели и отделители. — М.—Л.: Госэнергоиздат,
1963. 40 с.
28.	Wilson R. Higt— current arc erosion of elektrical contact material. Transa-
ction of A. I. E. E. Power Apparatus and Sistems, 1955, p. 657.
29.	Электрические контакты.—M.: Наука, 1973. 208 с.
30.	Кузнецов Р. С. Аппараты распределения электрической энергии на напря-
жение до 1000 В. —М.: Энергия, 1970. 547 с.
31.	Таев И. С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппара-
тов низкого напряжения,.—М.: Энергия, 1973. 423 с.
32.	Таев И. С. Электрическая дуга в аппаратах низого напряжения. — М.:.
Энергия, 1965. 222 с.
33.	Электрические контакты. Труды совещания (Москва, 29 марта — 1 апреля
1965 г.) — М.: Энергия, 1967. 680 с.
34.	Буткевич Г. В. Дуговые процессы при коммутации электрических цепей. —
М.: Высшая школа, 1967. 195 с.
35.	Электрические контакты/Труды совещания (Москва, 11—14 декабря 1962 г.)—
М.—Л.: Энергия, 1964. 503 с.
36.	Электрические контакты.—М.: Наука, 1975. 139 с.
37.	Сильноточные электрические контакты. — Киев: Наукова думка, 1970.
160 с.
38.	Благородные металлы и их применение. Вып. 28. — Свердловск: изд. Ин-
ститута физики металлов УНЦ АН СССР, 1971, с. 214—217.
39.	Arthur J. Roda. — Electron World, 1967, № 4, p. 49.
40.	Белоусов А. К., Савченко В. С. Электрические разъемные контакты в радио-
электронной аппаратуре.—М.: Энергия, 1975. 319 с.
41.	Смирнов В. И., Матта Ф. Ю. Теория конструкций контактов в электронной
аппаратуре.—М.: Советское радио, 1974. 173 с.
42.	Белевцев А. Т. Потенциометры. М.: Машиностроение, 1969. 328 с.
43.	Чеботарева И. И., Щербина Ю. Д., Кузнецов Е. А. Надежность потенцио-
метрических датчиков и ее технологическое обеспечение. М.: Машинострое-
ние, 1966. 116 с.
44.	Электрические контакты/Труды совещания (Москва, 1—6 июня 1959 г.) —
М.—Л.: Госэнергоиздат, 1960. 424 с.
45.	Четвертков И. И., Коросько Н. М. Потенциометры. — М.: Советское радио,
1978. 64 с.
46.	Левин А. П. Контакты электрических соединителей радиоэлектронной ап-
паратуры.— М.: Советское радио, 1972 . 215 с.
47.	Электрические контакты/Труды совещания (Москва, ноябрь, 1972 г.) —
М.: Наука, 1972. 537 с.
48.	Сплавы благородных металлов. — М.: Наука, 1977. 292 с.
49.	Золотых Б. Й. О природе передачи энергии электродам в импульсном
разряде при малых промежутках.—М.: Энергия, 1964, с. 5—21.
50.	Анисимов С. И., Имас Д. А., Романов Г. С., Ходыко Ю. В. Действие из-
лучения большой мощности на металлы. — М.: Наука, 1970. 426 с.
51.	Костецкий Б. И. Трение, смазка и износ в машинах. —-Киев: 1970. 396 с.
52.	Игнатко В. П., Кресанова А. П., Кухтиков В. А. и др. — А II Int. Symp.
on Switching Arc Phenomena, Lodz, 1973, p. 234—236.
53.	Лазаренко Б. P., Городецкий Д. H., Краснолоб В. Д, Электронная обработка,
1969, № 2, с. 18—23.
54.	Намитоков К. К. Электроэрозионные явления. — М.: Энергия, 1978.
455 с.
55.	Ш. Международная конференция по'порошковой металлургии. Т. 4 (Кар-
ловы Вары, 29 сентября—2 октября 1970 г.). Карловы Вары ЧССР, 1970,
с. 119—129.
56.	Хольм Р. Электрические контакты. М.: ИЛ, 1961. 462 с.
206
57.	Белянкина А. В., Братерская Г. Н., Котенецкая Л. И., Теодорович О.К. —
Порошковая металлургия, 1972, № 21, с. 69—74.
58.	Schreiner Н. Sinterkontaktwerkstoffe, ihre strukturellen Eigensehaften und
beziehungen zur Verbindungstechik. Ill Internationale Tagung uber Pul-
vermetallurgie. Karlovy Vary, CSSR, 1970, s. 102—118.
59.	Sehreiner H. Kontaktwerkstoffe der Gruppe Ag—MeO, Moglichkeit der Werk-
stoffen entwicklung, Messung und Bewertung der Eigensehaften Konferencia
metallurgie. Proszkow w Polsce, 1975, Bd. IV., st. 143—156.
60.	Горский В. В., Лесник Н. Д., Минакова Р. В. и др, — Порошковая метал-
лургия, 1975, №, 5, с. 53—60.
61.	Теодорович О. К., Левченко Г. В. — Порошковая металлургия, 1964, № 6,
с. 43—47.
62.	Свойства порошков металлов, тугоплавких соединений и спеченных мате-
риалов. Информационный справочник/Изд. 3-е, испр.-и доп. — Киев:
Наукова думка, 1978. 182 с.
63.	Мерл В. Электрический контакт.—М,—Л.: Госэнергоиздат, 1962. 80 с.
64.	Агте К., Вацек И. Вольфрам и молибден. —М.—Л.: Энергия, 1964. 443 с.
65.	Малышев В. М., Румянцев Д. В. Серебро. — М.: Металлургия, 1976.
310 с.
66.	Савицкий Е. М., Полякова В. П., Тылкин М. А. Сплавы палладия. —М.:
Наука, 1967. 213 с.
67.	Бойцов А. В., Бойцова Г. Ф., Авдонина Н. А. Благородные металлы. —
М.: Металлургиздат, 1946. 387 с.
68.	Левченко Г. В., Марек Б. А., Теодорович О. К. —Порошковая металлур
гия, 1968, Ns 10, с. 61—62.
69.	Огава Хирадзи. —Суматомо дэнки, 1963, Ns 80, с. 89—105.
70.	Усов В. В. Металловедение электрических контактов.—М.: Госэнерго-
издат, 1963. 208 с.
71.	Morimoto К., Sato М., Hijikata М. — J. of the Japan. Inst, of Metals, 1968,
v. 32, Ns 7, p. 597—601.
72.	IV Международная конференция по порошковой металлургии в Польше
(Закопане, 7—10 сентября 1975). Polska Akademia nauk, 1975, т. IV.434 с.
73.	Blum G. Pulvermetallurgische herstellte Kontaktwerkstoff. Akademie Ver-
lag—Berlin, 1962, s. 142—153.
74.	Хансен M., Андерко К. Структура двойных сплавов. — М.: Научно-тех-
ническое издательство литературы по черной и цветной металлургии,- 1962
т. I. 607 с.
75.	Смачиваемость и поверхностные свойства расплавов и твердых тел. — Киев:
Наукова думка. 1972. 347 с.
76.	Найдич Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах. — Киев:
Наукова думка, 1972. 196 с.
77.	Францевич И. Н., Теодорович О. К. Металловедение и обработка металлов,
1958, Ns 9, с. 20—23.
78.	Sato М., Hijikata М., Morimoto—Trans, of the Japan Inst, of Metals, 1974,
v. 15, Ns 6. p. 399—407.
79.	Harmsen U., Merl IV. Meyer C.. Vinaricky E. —Z. Metallkunde, 1967,
Bd. 58, Ns 11, S. 752—757.
80.	Heil A. Werkschtoffe fiir elektrische Kontakte. Berlin, Springer—Verlag,
1960, S. 347.
81.	Особо тугоплавкие элементы и соединения. Справочник. Р. Б. Котельников,
С. Н. Башлыков, 3. Г. Галиакбаров, А. И. Каштанов.—М.: Металлур-
гия, 1969. 372 с.
82.	Брайтуэйт Е. Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покры-
тия.— М.: Химия, 1967. 319 с.
83.	Шулепов С. В. Физика углеграфитовых материалов.—М.: Металлургия,
1972. 253 С.
84.	Тодоров Р. П. Развитие работ в области порошковой металлургии в НРБ.—
В кн.: Порошковая металлургия. Киев, Наукова думка, 1977, с. 29—31.
85.	Братерская Г. Н., Непряхин В. Н. —Автоматическая сварка, 1965,
Ns 5, с. 53—54.
207
86.	Хряпин В. Е., Лакедемонский А. В. Справочник паяльщика. Изд. 4 е,
перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1974. 325 с.
87.	Лашко Н. Ф., Лашко С. В. Пайка металлов. Изд. 3 е, перераб. — М.: Ма-
шиностроение, 1977. 323 с.
88.	Справочник по электротехническим материалам. Под ред.' Корицкого Ю. В.,
Пасынкова В. В., Тареева Б. М./Изд. 2-е, перераб.—Л: Энергия, 1976.
896 с.
4.	ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
В настоящее время не существует установленного четкого разграничения
материалов на высокотемпературные и прочие диэлектрические материалы, при-
чем, как следует из главы 1, свойства диэлектрических материалов весьма разно-
образны и корреляции этих свойств не всегда однозначны.
Исходя из многочисленных применений электротехнических материалов,
целесообразно в качестве определяющего свойства выбрать электрическую про-
водимость и отнести к высокотемпературным диэлектрикам материалы, имеющие
при 1000 °C удельную электрическую проводимость не более 100 мкСм/м.
Если диэлектрические потери материала обусловлены только его электри-
ческой проводимостью и диэлектрическая проницаемость е = 10, то выбранный
критерий соответствует следующему максимальному тангенсу угла диэлектриче-
ских потерь tg б на различных частотах:
Частота, Гц . . .	.	104	106	108	1010
tg б (при е 10)........ 18	1,8-IO'1 1,8-10~3 1,8-10^
Другие виды диэлектрических потерь, если они имеют место в материале,
могут значительно превысить потери проводимости. В частности, в диапазоне
сверхвысоких частот СВЧ (> 1 ГГц) для некоторых случаев применимы материалы
с диэлектрическими потерями, на 2—3 порядка более высокими. Однако на
СВЧ обычно проявляются резонансные диэлектрические потери, обусловленные
сближением частот электромагнитного поля и низкочастотных мод собственных
колебаний решетки [1|.
Материал данной главы содержит в основном сведения об электрофизиче-
ских свойствах высокотемпературных диэлектриков: электрической проводи-
мости, диэлектрической проницаемости и потерях при различных частотах и тем-
пературах, электрической прочности, а также некоторые другие данные, необ-
ходимые для выбора материала: теплопроводность, прочность модуль упругости,
пропускание в ИК-области спектра. Чтобы представить возможность изготовле-
ния конструкций из тех или иных материалов, приведены также краткие сведе-
ния о методах получения изделий из исходных порошков.
4.1.	Диэлектрики на основе
бескислородных тугоплавких соединений
Из известных в настоящее время тугоплавких бескислородных соединений
требованиям, предъявляемым к высокотемпературным диэлектрикам, соответ-
ствуют только два: нитрид бора BN и нитрид кремния Si3N4, а также многочис-
ленные материалы на основе этих соединений, представляющие собой как одно-
фазные твердые растворы, так и многофазные композиции, формируемые с целью
улучшения некоторых физико-химических и технологических характеристик
материалаЛТакие хорошо известные тугоплавкие соединения, как нитрид алю-
миния, сульфиды переходных металлов и лантаноидов, некоторые фосфиды и др.,
обладающие прекрасными диэлектрическими характеристиками при комнатной
и повышенной температуре, при 1000 °C имеют электрическую проводимость
208
>100 мкСм/м. Кроме того, при этой температуре их электрическая проводимость
возрастает с нагревом быстрее, чем проводимость нитридов бора и кремния.
Предельная рабочая температура тугоплавких бескислородных соединений
в среде инертного газа или в вакууме ограничена термической диссоциацией со-
единения, поэтому она зависит от давления и состава газа. В вакууме интенсив-
ная термическая диссоциация BN наблюдается при 1900 °C, a Si3N4 — при
1700 °C. Плавление BN и Si3N4 удается наблюдать только под значительным
избыточным давлением азота.
В газовых средах, содержащих даже следы кислорода, все материалы на
основе бескислородных соединений необратимо изменяют свои характеристики
вследствие окисления начиная от 700—900 °C. Скорость окисления и его началь-
ная температура зависят как от химической природы, так и от структуры ма-
териала. Максимальная температура кратковременной эксплуатации в воздухе
из изделий наиболее стойкого из материалов этого класса — беспористого ни-
трида бора — не превышает 1300 °C.
4.1.1.	НИТРИД БОРА.
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Нитрид бора BN существует в нескольких кристаллических модификациях
основными из которых являются:
a-BN — гексагональная форма, имеющая кристаллическую структуру, по-
добную структуре графита.В отличие от графита в a-BN графитоподобные сетки
расположены точно одна под другой с чередованием атомов В и N в направле-
нии, перпендикулярном плоскости сеток. Пространственная группа C6m2 X
[2|:
P-BN — кубическая форма, кристаллизующаяся в структуре типа цинковой
обманки (сфалерита), подобной структуре алмаза. Пространственная группа
сфалерита F43m;
кристаллическая модификация, имеющая гексагональную плотно упакован-
ную кристаллическую структуру типа вюртцита (пространственная группа
Р63тс) [3].
Две последние модификации образуются при высоких давлениях — выше
10 ГПа (без участия катализаторов). При 2300 К образуется сфалеритная форма,
при более низких температурах—вюртцитная [2J. По последним данным [4],
вюртцитная модификация является не низкотемпературной фазой высокого
давления, а промежуточной дефектной структурой, которая при достаточно вы-
соких температурах превращается в сфалерит.
Диэлектрическими характеристиками при высоких' температурах обладает
только графитоподобная модификация BN.
Электропроводность различных образцов кубического BN составляет от
0,5 до 10~2 См/м, что объясняется как меньшим расстоянием между атомами
в Р-BN (что приводит к большему взаимодействию валентных электронов и умень-
шению ширины запрещенной зоны соединения), так и загрязнением образцов
в процессе синтеза. Поэтому свойства сфалеритного и вюртцитного нитрида бора
далее не рассматриваются.
Ниже приведены основные физико-химические свойства гексагонального
a-BN, существенно-не зависящие от структурного совершенства вещества [3, 4]:
Периоды решетки, нм:
а............................................... 0,2504
с .................................................. 0,6614
cla ................................................ 0,2662
Плотность, кг/м3-103:
рентгеновская...................................... 2,29±0,03
пикнометрическая ............................... 2,20—2,35
Теплота образования из элементов, кДж/моль . , ,	254,9
209
Теплота сгорания, кДж моль........................
Температура плавления под давлением азота 15 МПа,
С.................................................
Энтропия, Дж (моль-К) ............................
Твердость по Моосу *	...........................
Модуль упругости, ГПа *...........................
Коэффициент термического расширения, К-1,Юв *
Показатель преломления............................
Двойное лучепреломление ..........................
Полосы интенсивного поглощения в ИК-области **,
мкм...............................................
377,7
3000
86,96
1—2
34,4—86,5
0,5—1,7
1,74
0,3
7,28) 12,3
* Разброс обусловлен, в основном, анизотропией кристаллов.
** Отвечают колебаниям в разных кристаллографических направ-
лениях.
4.1.1.1.	МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
И СТРУКТУРНО-ЗАВИСИМЫЕ СВОЙСТВА a-BN
Влияние структуры на свойства a-BN проявляется при сопоставлении ха-
рактеристик образцов и изделий, получаемых различными методами.
Наиболее совершенным из всех доступных материалов на основе BN яв-
ляется пиролитический BN.
Изделия из BN готовят также методами порошковой металлургии — горя-
чим прессованием и спеканием. Этими способами-получают преобладающее коли-
чество всех изделий; однако они, как правило, имеют значительно более высокую
пористость, чем пиролитический нитрид, большее содержание примесей, боль-
шие размеры отдельных кристаллов, на границах которых располагаются как
примесные включения, так и продукты термической диссоциации и частичного
окисления BN. Основные характеристики методов получения и свойств изделий
из нитрида бора представлены в табл. 4.1.
Примечания:
1.	Пиролитический нитрид бора содержит 99,99% BN и является вакуум-
плотным 1 * в широком интервале плотности (1,7—2,2)-103 кг/м3. Материал со-
храняет высокие физико-технические характеристики даже при наличии отчет-
ливо выраженных дефектов расслоения. Склонность к расслаиванию из-за высо-
ких внутренних напряжений возрастает с увеличением толщины и объемной
массы изделий. Максимальная толщина монолитных изделий — около 3,5 мм при
плотности 2,3-103 кг/м3.
2.	Измерения е и tg 6 стержней при частоте 5- 10е Гц выполнены в цилин-
дрическом резонаторе с типом волны либо Н®пт [7].
Авторы [5] указывают на «исключительную стабильность значений е в ин-
тервале объемной массы (1,85—2,15)-103 кг/м3. Среднее значение е в этом интер-
вале по результатам измерений, проведенных на 40 образцах, составляет 4 ±
± 0,1». Этот результат не согласуется с расчетами изменения е под влиянием
пористости: при расчетах по различным известным формулам [8] изменение
пористости на 14% должно соответствовать изменению е не менее чем на 30%.
Теплопроводность пиролитического BN в направлении,'параллельном пло-
скости осаждения, при 20 °C в три раза превосходит теплопроводность высоко-
чистой корундовой керамики, а при 400—500 °C достигает теплопроводности ВеО.
При более высоких температурах ориентированный таким образом пиролитиче-
ский BN является самым теплопроводным диэлектрическим материалом. По
температуропроводности (из-за меньшей плотности) преимущество BN над ВеО
достигается при 300 °C.
1 Вакуумплотный материал — материал, способный служить эле-
ментом стенки в вакуумной системе и не причинять заметного натекания при
давлении в системе 10-3—10“ Па.5
210
ТАБЛИЦА 4.1
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ a-BN,
ПОЛУЧАЕМЫХ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ [5, 6]
Нитрид бора	Основные особенно- сти технологии	Пори- стость изделия, %	Содержа- ние основ- ного ве- щества, %	Примечание
Пиролити- ческий	Осаждение на горя- чей подложке из ле- тучих соединений бо- ра и азота при фик- сированных техноло гических параметрах процесса	0,1 — 10	99,99	Материал полупро- зрачен в слоях до не- скольких ' миллиме- тров; свойства суще- ственно анизотропны
Спеченный	Прессование порошка с пластификатором при давлении 0,5— 1 ГПа, спекание при 1800—1900 °C в среде азота	25	97—99	Для активирования спекания используют засыпку из размоло- того спека В2О3 + С
Горячепрес- сованный	Температура прессо- вания 1800 °C, давле- ние 20 МПа, с после- дующим спеканием при 1900 °C в азоте	20	97—99	Повышение темпера- туры спекания и го- рячего прессования выше 1900 °C возмож- но только при значи-
То же	Температура прессо- вания 1900 °C, давле- ние прессования 60 МПа	6		тельном избыточном давлении азота из-за термической диссоци- ации нитрида
ТАБЛИЦА 4.2
СВОЙСТВА ПИРОЛИТИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА [5]
Свойства	Направ- ление измерения	Температура, °C	Значение
Плотность, кг/м3-103	—	20	1,9—2,2
Размер кристаллитов, нм	—	20	10—15
Предел прочности при изгибе, МПа		20	100—160
Модуль сдвига, ГПа	±	20	5,0
Модуль упругости, ГПа		20	12
Скорость испарения [г/(м2 -с) ] в ва- кууме 100 мкПа	—	1500 1800	4-10“4 2-Ю-3
211
Продолжение табл. 4.2
Свойства	Направ- ление измерения	' Температура, °C	Значение
Коэффициент термического линей-	II	20—800	2,0—3,5
ного- расширения а -106, К-1 *	±	20—800	23
Коэффициент. теплопроводности,	II	20	71
Вт/(м • К)		200	79
		 400	79
		800	71
	1	20	1,2
		200	1,6
		400	1,6
		800	1,6
Коэффициент температуропровод- ности, м2/с	II'	100	3,2-10-5
Термостойкость (число термоцик- лов без появления трещин и рас- слоений):		20— 800—20	
при охлаждении на воздухе			50
»	»	в воде		20— 600—20	20
Удельное объемное электросопро-	±	‘	20	1013
тивление, Ом-м		500	7- 10й
		800	9-10°
		1000	5-10°
Диэлектрическая проницаемость е при частоте, Гц:			
10е	1 *	20	4,0
5-Ю9 стержни	II *	20—800	4,2—4,4
диски	± *	20—400	4,6—4,9
Тангенс угла диэлектрических по- терь tg 6 при частоте, Гц:			
10е	J. *	20	1-Ю" 4
5-Ю9 стержни	II *	20—800	(0,5—1,0) 10-4
диски	± *	20—400	(1—3) ю-4
Электрическая прочность, МВ м		20	50—60
Коэффициент вторичной электрон- ной эмиссии	±	20	2,3
Температура начала окисления, °C	—	1200	—
Обозначения: ± — свойство измерено в направлении, перпендикулярном плоскости
осаждения пиролитического нитрида бора; || — то же, но в направлении, параллельном
этой плоскости; — ось образца перпендикулярна плоскости осаждения; || * — па-
раллельна этой плоскости.
212
ТАБЛИЦА 4.3
РАСЧЕТНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КРИТЕРИЕВ ТЕРМОСТОЙКОСТИ [3]
Материал	°раст, МПа	а. 10»//? С-1 (20—200 °C)	Е, ГПа	А, Вт/(м.К) 	-		а -10», м!/с		R'	R"
AI2O3	130	6,3	380	21	7,2	1	1	1
Пиролитический BN	54	1,8	12	71	40	46	160	253
ВеО	100	6,1	310	210	72	1	10	10
Примечание. Коэффициент Пуассона ц для всех материалов принят равным
0,25.
ТАБЛИЦА 4.4
СВОЙСТВА СПЕЧЕННОГО BN [9, 31
Свойства	Темпера- тура, °C	Значение	Свойства	Темпера- тура, °C	Значение
			Предел прочности	20	7
Удельное электро-	20	>10и	при сжатии, МПа	1050	9 ,
сопротивление,	500	2-10»		1440	13
Ом-м	1060	1 • 104		1650	16
	1120 129) 1370 1440	7  103 2-Ю3	Диэлектрическая	1850	19
		1 • 10° 5-Ю2	проницаемость на различных часто-		
	1700	3	тах, кГц:		
	1850	2-10“1	100	20	3,2
	1900	1,5-IO"1	300		3,3
			500		3,7
Коэффициент теп-	350	1,1	700 900		3,4 3,3
лопроводности,	520	1,1			
Вт/(м • К)	730	1,1	1000		3,2
	1030	0,92	Тангенс угла ди-		
	1300	0,84	электрических по-		
	1500	0,92	терь tg 6 на часто- тах, кГц: 100		
Коэффициент ли-	20—200	9,2—10		20	2-10-4
нейного термиче- ского расширения а-106, К-1			300 500 700		6-10 4 2-Ю-3 2-Ю-4
			900		2-10-4
Скорость испаре-	1600	1,4	То же, на частоте	20	3-Ю’4
иия в вакууме	1700	3,3	1 кГц при темпера-	200	3-10 4
<0,01 Па), мг/м2с	1800	24	туре, °C	400	2-10 3
	1900	ПО		600	9-Ю-3
	2000	3000		800	2-Ю'2
				900	4-10-2
	—						
213
Вторично-эмиссионные свойства пиролитического нитрида бора характери-
зуются самым низким значением коэффициента вторичной электронной эмиссии
по сравнению с известными электровакуумными диэлектрическими материа-
лами — максимальное значение коэффициента эмиссии BN в 2—3 раза ниже,
чем корундовой керамики, и в 1,5—2 раза ниже, чем керамики из ВеО.
Экспериментальные данные о термостойкости пиролитического BN подтверж-
дают расчетные значения различных критериев термостойкости:
R — в условиях мгновенного охлаждения поверхности
р _ gpaCT (1 В) .
аЕ
R’ — в условиях стационарного перепада температур на изделии
р/____Рраст (I р) А, .
аЕ
R" — в нестационарных тепловых режимах
п’> _ Ораст (1 р) а
аЕ ’
где ®раст — предел прочности материала на разрыв; а — коэффициент терми-
ческого расширения; Е — модуль упругости; А — коэффициент теплопровод-
ности; а — коэффициент температуропроводности.
В табл. 4.3 приведены значения этих критериев для пиролитического BN
и керамических материалов: А12О3 и ВеО, причем критерии термостойкости А12О3
приняты за единицу.
Спеченные и горячепрессованные изделия из BN (см. табл. 4.1) существенно
отличаются от пиролитического BN по пористости, структуре, содержанию при-
месей. Эти различия приводят к значительному изменению структурно-чувстви-
тельных свойств — электропроводности, диэлектрических характеристик, проч-
ностных свойств. В табл. 4.4 собраны некоторые зависящие от структуры свой-
ства спеченного нитрида бора, полученного по технологии, описанной в табл. 4.1,
и имеющего пористость —25%, содержание основного вещества 97%.
4.1.1.2.	СТОЙКОСТЬ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ
И ПРИМЕНЕНИЕ НИТРИДА БОРА
Нитрид бора устойчив в вакууме в нейтральной и восстановительной среде
до 2500 °C, под давлением азота — до 3000 °C. Устойчивость нитрида бора в воз-
духе зависит от его пористости — если полупрозрачный пиролитический BN
может длительно работать при 1100—1200 °C, то спеченный материал начинает
окисляться при 800—900 °C. Нитрид бора не смачивается расплавленным
стеклом, кремнием, бронзой, алюминием, криолитом [3].
При 1400—2000 °C нитрид бора реагирует с окислами алюминия, титана,
циркония, вольфрама, ванадия, хрома, никеля, молибдена, тантала, лантано-
идов с образованием чистых металлов либо соответствующих боридов или
нитридов [11].
Диэлектрические свойства нитрида бора чрезвычайно высоки — высоко-
чистый пиролитический BN является наилучшим из известных высокотемпера-
турных диэлектриков. Электропроводность и диэлектрические потери, наблюдае-
мые в нитриде бора, практически всегда связаны с включениями окиси бора и
примесями. В сочетании с высокой теплопроводностью, термостойкостью, малой
испаряемостью, относительно высокой прочностью прекрасные диэлектрические
характеристики делают нитрид бора незаменимым материалом для наиболее
электрически нагруженных узлов высокотемпературных установок, работающих
в вакууме либо нейтральных газах. Основной недостаток этого материала заклю-
чается в трудности получения из него малопористых прочных изделий. Поэтому
большинство используемых в технике в настоящее время изделий изготавливают
из нитрида бора, содержащего различные добавки, улучшающие технологические
свойства этого материала.
214
ТАБЛИЦА 4.5
СВОЙСТВА НИТРИДА БОРА, ПОЛУЧЕННОГО
ГОРЯЧИМ ПРЕССОВАНИЕМ
Свойство	BN из высО' кочистого порошка вы- сокой актив- ности	BN из про- мышленного порошка [3 1	Материал Carborun- dum Со [3 ]	Материал с содержа- нием BN 98—99% [10]
Кажущаяся плотность d-103, кг,'м3	1,4—1,5	1,2—1,4	1,2—1,4	1,25
Предел прочности на из- гиб, МПа Коэффициент линейного термического расширения	30—40	10—20	10—20	105
а-10-6, К-1, при 20— 1000 °C:			7,5	
параллельно направле- нию прессования	7—8	6—8		—
перпендикулярно на- правлению прессова- ния Теплопроводность, Вт/(м- К): параллельно направле- нию прессования при температуре, °C:	0,2—0,3	0,5—2	0,8	1,72
300	—		15	19
700	—		13,5	—
1000 перпендикулярно на- правлению прессова- ния:			12	
300	—		29	—
700	—		27,4	—
1000	—		26,8	—
Электрическая прочность, МВ/м Диэлектрическая прони- цаемость при частоте Ю ГГц и температуре, °C:			2—4	
20	3,2	4	4	4.1
500	3,2			—	4,2
1000	3,3			—	4,2
1500 Тангенс угла диэлектриче- ских потерь tg 6-10* при частоте 10 ГГц и темпера- туре, °C:	3,3			4,3
20	2	3	3	1
500	2			5	2
1000	3			—	3
1500	10	—		10
215
4.1.2.	НИТРИД КРЕМНИЯ
4.1.2.1.	ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Нитрид кремния Si3N4 — единственное стабильное соединение в системе
Si—N — кристаллизуется в двух близких по структуре гексагональных кристал-
лических модификациях: a-Si3N4 (низкотемпературная) и P-Si3N4 (высокотемпе-
ратурная). При низкой температуре (700—900 °C) синтез из газовых смесей при-
водит к образованию аморфного нитрида кремния [12].
На переход a-Si3N4 в p-форму в большой степени влияют примеси различных
металлов, кислорода, окислов, а также стехиометрический состав, предыстория
a-Si3N4 и кристаллическая структура материала, который контактирует с нитри-
дом кремния. Поэтому условия (температура и время) а—[5-перехода для разных
продуктов могут значительно различаться (табл. 4.6).
ТАБЛИЦА 4.6
ЗАВИСИМОСТЬ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ
a - (3-ПЕРЕХОДА S13N4 ОТ ХАРАКТЕРИСТИК ИСХОДНОГО
ПОРОШКА [13, 14]
Исходный продукт	Примеси и фазовый состав	Условия перехода			po£, Па	Состав конечного продукта
		тем- пера- тура, °C	про- до л- жн- тель- ность, Ч	среда		
Аморфный Si3N4, полу- ченный при 920 °C реак- цией между сухим NH3 и SiH4	Аморфный кремний «10%, q2 0,85%, дру- гие примеси 0,01%	1300	1,5	90% N2 + + ю% Н2	10"12	90% a-Si3N4 10% Si
Тот же	То же	1360	1,5	То же	—	70% a-Si3N4 30% p-Si3N4
»	»	1360	1,5	n2	1	65% a-Si3N4 35% P-Si3N4
»	»	1600	v3	90% N2 + + 10% Н2	10-12	40% a-Si3N4 60% P-Si3N4
Промышлен- ный a-Si3N -{- + (0-Ю) % (мол.) MgO	a-Si3N4 85%	1600	6	N2	—	0—10%a-Si3N4 100—90% P-S3N4
Высокочистый SisN4	a-Si3N4 100%	1600	6	n2	—	100% a-Si3N4
В работе [13] использованием печей с разными нагревателями и различных
труб из А12О3 установлено, что примеси, содержащиеся в печи или реакторе,
могут тормозить a—p-превращенне. Если в реакционное пространство попадает
воздух и примеси окисляются (например, образуются летучие окислы щелочных
металлов), превращение ускоряется.-
216
Добавление окиси магния ускоряет а—p-переход из-за образования жидкой
фазы в системе MgO—SiO2 (Л>вт = 1543 °C) и процессов растворения-осаждения.
Подобным же образом действуют примеси, образующие жидкую фазу в техни-
ческом Si3N4 [14].
4.1.2.2.	МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ
И СТРУКТУРНО-ЗАВИСИМЫЕ СВОЙСТВА Si3N4
Примеси, частичная диссоциация, растворение кислорода в Si3N4, а также
сосуществование а- и p-фаз оказывают значительное влияние на структурные
характеристики Si3N4, скорость диффузии и пластической деформации, т. е. на
технологические и электрофизические свойства этого материала.
При увеличении содержания кислорода и количества примесей элементарная
структурная ячейка a-Si3N4 деформируется, сжимаясь вдоль оси с и расширяясь
в направлении оси а. Так, в монокристаллах a-Si3N4, полученных химическим
осаждением из газовой фазы, содержание кислорода в которых, определенное
методом нейтронного активационного анализа, составляло 0,05 ± 0,03%, пре-
цизионное определение параметров решетки дало следующие результаты: а =
— 0,781? ± 0,0003, с = 0,5591 ± 0,0004 нм [15]. Интерпретация структуры
производилась в этом случае по 1143 наблюдениям. В высокочистом беспористом
пиролитическом массивном a-Si3N4, содержавшем существенно меньшее количе-
ство кислорода, получены следующие значения параметров решетки: а = 0,7752±
± 0,0002, с= 0,5622 ± 0,0002 [16]. С увеличением давления и температуры
газовой смеси, применявшейся для пиролиза, параметр решетки с увеличивается
[17]. Искажения кристаллической структуры и примеси существенно изменяют
также оптические спектры поглощения и отражения нитрида кремния. В зави-
симости от методики получения химически осажденных либо плазмохимических
аморфных слоев нитрида кремния оптическая ширина запрещенной зоны Ео
изменяется от 4,55 до 5,3 эВ. С повышением температуры ширина запрещенной
dE
зоны убывает:-----= (3,1 ± 0,6) 10 4 эВ/K. Плавный спад поглощения
вблизи краев зон указывает на существование локализованных состояний в за-
прещенной зоне [18].
Характерной особенностью нитрида кремния, определяющей технологиче-
ские приемы получения изделий из него, является малая диффузионная подвиж-
ность атомов в кристаллической решетке. Так, измерение коэффициента само-
диффузии азота в монокристаллических зернах а- и p-Si3N4, выращенных химиче-
ским осаждением из газовой фазы с использованием методики обмена изотопа
16N между газом и твердым телом в интервале 1200—1400 °C, дало следующие
результаты (см2/с):
С - КТ П 1 О 10-19 I 55 700 \
для a-Si3N4 Dn = 1,2-10 12 exp ---—— ) ,
□ с- к, п =о I 185700 \
для P-Si3N4 DjV = 58 exp f — ———\.
Отмечается, что диффузия по границам зерен более интенсивна, чем объем-
ная диффузия. Описанные особенности кристаллической структуры и диффузии
в Si3N4 объясняют невозможность получения изделий из этого вещества методом
обычного спекания при использовании даже весьма активных порошков. Плот-
ность сформованных заготовок не возрастает при всех допустимых температурах
спекания вплоть до температур диссоциации Si3N4 при 1700—1800 °C, а прочность
изделий остается крайне низкой. Поэтому в настоящее время оформились три
основные методики получения изделий из нитрида кремния: пиролизом газовых
чмесей, реакционным спеканием и горячим прессованием.
Пиролитический Si3N4 получают на графитовых подложках в виде слоев
толщиной до нескольких миллиметров пиролизом газовых смесей, состоящих
обычно из SiCl4, NH3 и На, используемого в качестве газа-носителя. Типичные
параметры процесса: температура подложки 1400 °C, давление газовой смеси
217
T A fc Л1Й Ц A 4.7
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Si3N„
ПОЛУЧЕННЫХ РЕАКЦИОННЫМ СПЕКАНИЕМ
Свойство	Материал синтезирован нз сырья вы- сокой чистоты	Материал сннтезнрован нз сырья технической чистоты	Материал получен ре- акционным спеканием нзостатнче- скн спрессо- ванного кремния [IQ]
Содержание основного вещества, %	98—99	92—96	—
Кажущаяся плотность, 103 кг/м3 Предел прочности при изгибе, МПа	2,21	2,09 ,	2,5
	89	31 2,4	150
Коэффициент линейного термического расширения а-106, К'1, в интервале температур, °C:			
30—300	2,4		—
30—900	3,0	3,0	2,5
Диэлектрические характеристики при частоте 10 ГГц, 20 °C:	4,2		5,6
диэлектрическая проницаемость 8		4,9	
тангенс угла диэлектрических потерь tg 6•104	55	140	20
ТАБЛИЦА 4.8
СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ,
ПОЛУЧЕННЫХ ГОРЯЧИМ ПРЕССОВАНИЕМ ПРИ 1700 °C
В ТЕЧЕНИЕ 1 ч
Свойства	Состав			
	95% Si3N4 + + 5% MgO	Si,N4, отмытый NaOH 125]	SisN44- + 5% MgO [251	сиалон Sia .Al O—z z
Плотность, 103 кг/м3	3,10—3,18					—
Предел прочности МПа: при сжатии	1800—2000			—	—
при изгибе	330—500	—	—	—
Коэффициент линейного термине-	2,75	—	—	—
ского расширения в интервале тем- ператур 20—1200 °C а-10й, К-1 Коэффициент теплопроводности [Вт/(м-К)1 при температуре, °C: 20	5—10		•	
1200	50—60	—	—	•—
Удельное электросопротивление (Ом-м) при температуре, °C: 20	ю14—10JG	6-1016	8-101’	1,4 1018
500			3-1011	5-1013	7-1012
1000	101»	—	—	—
1700	106	—	—	—
218
Продолжение табл. 4.8
Свойства	Состав			
	95% Si3N4 + + 5% MgO	Si3N4, отмытый NaOH 125]	Si3N4+ + 5% MgO [25]	сиалон Si6-2A12 °Л-г
Диэлектрическая проницаемость е: при частоте 100 кГц и при темпе-				
ратуре, °C:		7,98	9,58 15	
20 500 при частоте 10 ГГц и при темпе-	—			8,2 10
ратуре, °C:			5,65	
20	14	3,2		5,1
500	14	—	—	—
1400 Тангенс угла диэлектрических по- терь tg 6: при частоте 100 кГц и температу-	15			
ре, °C:				
20			6-10“3	5-10“3	4-Ю-3
500 при частоте 10 ГГц и температуре,	—	—	3-Ю’2	2-IO’2
20	1 -10-2	1 -10“2	5-Ю-3	3,7-10-2
1000	2-Ю-2			—	—
1500	3-Ю'2	—	—	—
ТАБЛИЦА 4.9
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ
ТЕМПЕРАТУРАХ И ЧАСТОТЕ 10 ГГц НИТРИДА КРЕМНИЯ,
ПОЛУЧЕННОГО РЕАКЦИОННЫМ СПЕКАНИЕМ [10]
Свойство	Реакционное спекание заготовок, полученных шликерным литьем порошка кремния	Реакционное спекание после пламенного напыления порошка кремния
Кажущаяся плотность, 103 кг/м3	2,35	2,45
Диэлектрическая проницаемость е при температуре, °C: 20	5,1	5,6
500	5,2	5,6
1000	5,5	5,7
Тангенс угла диэлектрических потерь tg6-lo4 при температуре, °C:	20	35
500	13	47
1000	12	56
219
5—8 кПа, расход аммиака 60 см3/мин, отношение расходов SiCl4 и 0,26,
расход SiCl4 — от 100 до 260 см3/мин. При этом скорость наращивания беспори-
стого слоя пиролитического a-Si3N4 составляет 0,73—1,2 мм/ч, содержание кис-
лорода в слое Si3N4 (5—9)' 10"2 %. При снижении температуры подложки полу-
чают аморфный продукт [15].
Реакционно-спеченный Si3N4 получают, выдерживая пористую заготовку
из кремния, сформованную прессованием либо шликерным литьем в течение
нескольких часов в газовой смеси N2—Н2 при 1200—1500 °C. Ценной особен-
ностью технологии реакционного спекания является то, что размеры полу-
ченного изделия из Si3N4 отличаются от размеров исходной заготовки из крем-
ния не более чем на несколько десятых процента, что объясняется малой вели-
чиной коэффициента диффузии атомов азота и кремния в Si3N4. Та же при-
чина обусловливает неполное протекание реакции нитрирования: содер-
жание азота в продукте, полученном реакционным спеканием, на 5—10%
меньше, чем в Si3N4. Пористость изделий, полученных этим методом, со-
ставляет обычно 20—30%. Технология реакционного спекания широко исполь-
зуется в технике, так как позволяет получать конструкционные изделия сложной
формы с достаточно точным воспроизведением заданных размеров.
Горячее прессование Si3N4 проводят в графитовых прессформах при 1700—
1900 °C и 20—30 МПа. Если использовать нелегированные исходные порошки,
пористость полученных изделий составляет не менее 40% и прочность их совер-
шенно неудовлетворительна. Для- получения плотных и высокопрочных изделий
в порошок Si3N4 вводят либо уплотняющие добавки — 5—10% (по массе) MgO,
либо 5% Y2O3 +2% А12О3. При нагревании выше 1550—1600 °C вследствие обра-
зования жидкой фазы эти добавки способствуют быстрому перераспределению
и упаковке частиц Si3N4, в результате чего относительная плотность изделия до-
стигает 0,65—0,7 от- теоретической. При дальнейшем подъеме температуры и
выдержке происходит значительно более медленный процесс — растворение
Si3N4 в жидкой фазе, диффузия и осаждение Si3N4 (как правило, в виде 0-модифи-
кации). Горячим прессованием можно получить изделия с пористостью менее
десятых долей процента. Такие изделия всегда содержат примеси SiO2, MgO
и др. как в виде твердого раствора в Si3N4, так и в виде включений. Вследствие
частичной диссоциации Si3N4 в процессе горячего прессования содержание азота
в материале обычно меньше стехиометрического. Поэтому диэлектрические-ха-
рактеристики материалов, полученных горячим прессованием и реакционным
спеканием, существенно ниже, чем пиролитического Si3N4 (табл. 4.7—4.9).
Приведенные в табл. 4.7 значения диэлектрической проницаемости отно-
сятся к образцам с разным содержанием примесей и с различной пористостью,
поэтому разделить влияние этих факторов нельзя. Для определения влияния
только пористости из одного исходного порошка методом реакционного спекания
получены образцы с плотностью 2,5; 2,25 и 2,14- 10s кг/м3 и диэлектрическая про-
ницаемость этих материалов проэкстраполирована к нулевой пористости по фор-
муле е — е,ц~р (р — объемная доля пор). Определенная таким образом величина е0
беспористого реакционноспеченного Si3N4 составляет при 20 °C 9,5 ± 0,2 [10].
Для получения материалов, свойства которых приведены в табл. 4.9, исполь-
зован порошок, содержавший 98% кремния и —1% примесей железа. Порошок
подвергали помолу в барабане с керамическими шарами в течение 96 ч, после
чего размеры частиц порошка имели бимодальное распределение с максимумами
5—10 и 20—30 мкм. Реакционное спекание проводили в токе сухого азота при
1300 °C в течение 50 ч, а затем при 1470 °C в течение 10 ч.
4.1.2.3.	СТОЙКОСТЬ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ
И ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Si3N4
При обычных давлениях Si3N4 устойчив в неокислительных атмосферах до
1800—1900 °C; выше этой температуры он заметно диссоциирует. В воздухе и
в кислороде материалы на основе Si3N4 окисляются при температурах выше
1100—1200 °C; устойчивость этих материалов обеспечивается образованием на по-
верхности пленки SiO2 и медленным проникновением кислорода через эту пленку.
220
На поверхности сиалонов образуются частично кристаллизованные стекла, ско-
рость диффузии кислорода через которые еще меньше [25].
Одно из важнейших свойств Si3N4 — его исключительная химическая стой-
кость: ои не взаимодействует практически со всеми кислотами, многими металли-
ческими, солевыми и силикатными расплавами. Особенно мало взаимодействие
с расплавленным алюминием, после выдержки в котором в течение 3000 ч не
наблюдается следов коррозии Si3N4 [3]. Взаимодействие Si3N4 с хромом и крем-
нием начинается при 900, с молибденом — при 1000, с вольфрамом — при 1300 °C
[26].
Уникальной является механическая прочность материалов на основе Si3N4
и способность сохранять эту прочность практически неизменной до 1450—1550 °C.
Так, прочность горячепрессованного Si3N4 достигает 930 МПа, а реакционно-
спеченного 205 МПа, что в сочетании с малой плотностью, высокой теплопровод-
ностью, стойкостью к тепловым ударам, износостойкостью и другими ценными
характеристиками делает материалы их Si3N4 очень перспективными для изго-
товления как режущих инструментов, так и различных механических устройств
(подшипников, деталей насосов для перекачки агрессивных жидкостей и метал-
лических расплавов и особенно газовых турбин и цилиндров двигателей внутрен-
него сгорания) [27].
Применение Si3N4 позволяет поднять рабочую температуру двигателей до
1450—1500°C, к. п. д. двигателя повышается при этом на 40—50% [28].
Диэлектрическая проницаемость и потери материалов на основе нитрида
кремния обладают, как правило, замечательной стабильностью в широком ди-
апазоне температур, диэлектрические потери могут быть весьма малыми, что
в сочетании с высокими термомеханическими свойствами и малой плотностью
крайне необходимо для изготовления обтекателей антенн высокоскоростных
летательных аппаратов. Параметры Si3N4 по оценке удовлетворяют условиям
работы обтекателей антенн при скоростях до 7 м на уровне моря [10].
В то же время разброс данных о диэлектрических свойствах различных
материалов на основе Si3N4 (см. табл. 4.7—4.9) свидетельствует о том, что изме-
ряемые на опыте величины отражают прежде всего влияние примесей и фазовых
неоднородностей и требуются еще значительные усилия для уяснения механизмов
диэлектрических потерь и освоения методов управления диэлектрическими ха-
рактеристиками этих материалов.
4.2.	Высокотемпературные
окисные диэлектрики
Электрической проводимостью, меньшей 10~4 См/м, при 1000 °C обладают
несколько простых окислов: SiO2, А12О3, MgO, ВеО, Sc2O3, Y2O3, некоторые со-
единения с участием перечисленных окислов, а также многочисленные материалы
иа основе этих окислов, полученные путем легирования, и отдельные многофаз-
ные композиции.
Основная особенность окисных диэлектриков — их термодинамическая устой-
чивость при высоких температурах как в кислородсодержащих газовых средах,
так и в вакууме, в нейтральных и в большинстве случаев в восстановительных
газовых средах. Если эксплуатация бескислородных материалов при высоких
температурах в средах, содержащих хотя бы малые примеси кислорода, паров
воды, углекислого и других кислородсодержащих газов, возможна только бла-
годаря образованию на поверхности материала защитных окисных пленок,а время
службы материала зависит от скорости проникновения кислорода через эту
пленку, то все окисные материалы полностью лишены этого недостатка. Уста-
новление термодинамического равновесия окисных диэлектриков с нейтральной
либо восстановительной газовой средой при высоких температурах приводит
к небольшим изменениям стехиометрического состава окисла (иногда менее ты-
сячных долей процента), что сопровождается всегда ростом электронной (п-типа)
компоненты проводимости. Однако в воздухе у многих окисных диэлектриков
преобладает дырочная проводимость (А12О3, MgO, Sc2O3, Y2O3), поэтому в резуль-
тате компенсации электронной и дырочной компонент общая электрическая
221
проводимость диэлектрика в нейтральной и восстановительной среде может
оказаться даже меньше, чем в воздухе.
Характерной особенностью окисных диэлектриков как химических соедине-
ний является преимущественно ионный тип химической связи. Ионная связь
обеспечивает, как правило, меньшую (по сравнению с ковалентной) энергию
образования дефектов кристаллической решетки вакансий, дислокаций и др.
и более высокую растворимость иновалентных примесей, избыточный заряд
которых также компенсируется образованием заряженных дефектов кристалла.
Поэтому в окисных диэлектриках необходимо учитывать возможность участия
ионов в электропереносе, происходящем путем эстафетного движения ионов через
вакансии в кристаллической решетке окисла, а также участие подвижных ионов
в процессах диэлектрической релаксации.
Заметный вклад в электропроводность и релаксационные процессы в окисной
керамике могут вносить границы зерен, где концентрация дефектов и примесей
намного больше, чем в объеме кристаллитов.
4.2.1.	ДВУОКИСЬ КРЕМНИЯ
4.2.1.1.	ПОЛИМОРФНЫЕ МОДИФИКАЦИИ КРЕМНЕЗЕМА
Двуокись кремния, кремнезем SiO2 — единственный окисел кремния, термо-
динамически стабильный в твердом состоянии. Двуокись кремния — самый
распространенный окисел в природе, содержание его в земной коре ~60%. Чаще
всего кремнезем встречается в виде кристаллического кварца. Кристаллы кварца
относятся к тригональной сингонии, плотность кварца 2,65-103 кг/м3, средний
коэффициент термического расширения 12,3-10~6 К"1.
При нагреве кварц обычно сохраняется до 1150—1200 °C, после чего необ-
ратимо переходит в а-кристобалит — кубическую кристаллическую форму плот-
ностью 2,22-103 кг/м3. Во время охлаждения а-кристобалит при 218 °C обратимо
превращается в тетрагональный ^-кристобалит плотностью 2,34-103 кг/м3.
Медленный нагрев природного кварца, содержащего небольшие количества
различных примесей, приводит к превращениям в другие полиморфные формы
(возможно, стабилизируемые этими примесями) — гексагональный кварц (тем-
пературный интервал стабильности 573—870 °C, плотность 2,52-103 кг/м3), три-
димит (интервал стабильности 870—1470 °C, плотность 2,31 • 103 кг/м3), кристо-
балит (интервал стабильности 1470—1710 °C). При нагревании выше 1710 °C
образуется расплавленное стекло.
Три модификации кремнезема получены с использованием высоких давле-
ний: китит (плотность 2,50-103 кг/м3, переход происходит при температуре 380—
580 °C, давлении 40—100 МПа, в присутствии щелочей), куосит (плотность 2,9 X
X 103 кг/м3, образуется при 1000 °C, давлении 3 ГПа). При дальнейшем повыше-
нии давления до 12 ГПа при 1000 °C образуется наиболее плотная из известных
форм кремнезема — стишовит (плотность 4,28-103 кг/м3).
Расплав кварцевого стекла нетрудно перевести в твердое состояние, минуя
кристаллизацию, если достаточно быстро пройти интервал температур 1600—
1640 °C, где скорость кристаллизации — образования а-кристобалита — макси-
мальна. При длительных выдержках (сотни и тысячи часов) кристаллизацию
можно заметить с температур 1100—1200 С.
Все модификации кварца обладают превосходными электроизоляционными
свойствами и широко используются в технике как диэлектрические, пьезоэлек-
трические, оптические, огнеупорные, конструкционные и другие материалы.
Как высокотемпературный диэлектрик используются кварцевое стекло и различ-
ные виды материалов на его основе — оптические кварцевые стекла, непрозрач
ное кварцевое стекло, кварцевая керамика пеиокварц и т. д.
4.2.1.2.	ПОЛУЧЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Обычная технология получения кварцевого стекла состоит в обогащении
кварцевого песка или жильного кварца, дроблении и плавке его в пламени кис-
лородно-водородной горелки. Полученное стекло содержит в себе как природные
222
примеси, так и гидроксильные радикалы (несколько сотых процента), внедря-
ющиеся в его состав в процессе плавки. Гидроксильные радикалы обусловливают
появление дополнительной полосы поглощения кварца в ПК-области спектра
вблизи- X = 2-,73 мкм; примеси способствуют появлению полосы поглощения
в УФ-области спектра и общему снижению светопропускания. И гидроксильные
группы, и примеси приводят также к увеличению диэлектрических потерь квар-
цевого стекла, что особенно заметно при высоких температурах.
Количество гидроксильных радикалов минимально в так называемом «сухом
кварце» (марка КП), получаемом плавлением исходного обогащенного сырья
в графитовом тигле, нагреваемом в индукторе вакуумнокомпрессионной печи.
Первоначально плавление ведут в вакууме, что предотвращает захват газовых
пузырьков расплавом, а затем давление инертного газа в печи поднимают до одного
либо нескольких мегапаскалей. Эта технология обеспечивает отсутствие полосы
поглощения при X = 2,73 мкм, однако такое кварцевое стекло обычно содержит
микровключения графита.
Наилучшими оптическими и диэлектрическими характеристиками обладает
стекло из синтетического кремнезема, получаемого в результате реакции высоко-
температурного гидролиза летучих соединений кремния (тетрахлорида, тетрахлор-
силана, тетраэтоксилана и др.) в факеле кислородно-водородного пламени, а также
в результате прямого окисления этих соединений в низкотемпературной плазме.
В наиболее чистых стеклах из синтетического кремнезема суммарное количество
примесей не превышает 10"6—10'6%.
Непрозрачное кварцевое стекло отличается от оптического присутствием до
10% (объемн.) газовых микровключений.
При производстве крупногабаритных изделий сложной формы из кварцевого
стекла широкое распространение получили керамические методы, включающие,
например, тонкий помол стеклообразного кварца, приготовление водного шли-
кера, литье шликера в гипсовые формы, сушку и обжиг сформированных загото-
вок изделий при 1250—1350 °C. Подобная технология позволяет в широких пре-
делах регулировать пористость изделий и, следовательно, их тепло- и электро-
физические характеристики. Одна из разновидностей кварцевой керамики (пено-
кварц) имеет пористость до 85%. Его получение основано на приготовлении спе-
циальных вспенивающихся высоковязких клеящих суспензий, вспенивании
и литье таких суспензий, сушке и обжиге изделий.
Особенности технологии синтеза, свойства и применение перечисленных
разнообразных материалов на основе кварцевого стекла связаны с физико-хими-
ческими свойствами кремнезема, в частности с тем, что кварцевое стекло не имеет
определенной температуры плавления. Его вязкость уменьшается по экспонен-
циальному закону в очень широком интервале температур от 900—1000 °C и до
2300 °C и более. При 2200 °C вязкость кварцевого стекла составляет 0,01 МПа- с,
при 1790 °C ~1 МПа-c, при 1180 °C 100 ГПа-c. За условную температуру начала
размягчения кварцевого стекла принимают температуру, при которой его вяз-
кость составляет 300 ГПа-с: 1120 °C. Температура начала деформации стекла под
нагрузкой 0,2 МПа — около 1200 °C, без нагрузки 1550—1600 С. Другие физико-
химические свойства кварцевого стекла приведены в табл. 4.10.
Электрофизические свойства кварцевого стекла
В кремнеземе наиболее ярко выражены свойства ковалентной химической
связи по сравнению со всеми другими окисными диэлектриками. Это выражается
в том, что различные модификации кремнезема (кроме фаз, образующихся при
высоком давлении) можно рассматривать как различные способы упаковки весьма
Жестких кремнекислородных тетраэдров S1O) -. В кварцевом стекле, где сохра-
няется ближний порядок в расположении тетраэдров, подобный а-кристобалиту,
тетраэдры упакованы наименее плотно, что создает возможность перемещения
ионов в пространстве между тетраэдрами. Поэтому наряду с электронной прово-
димостью в кварцевом стекле возможен перенос щелочных ионов и протонов
Гидроксильных групп, а величина электрической проводимости и диэлектриче-
ские потери в кварцевом стекле пропорциональны концентрации подвижных
ионов. Наименьшими диэлектрическими потерями и электрической проводимостью
223
ТАБЛИЦА 4.10
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
Свойство	Оптически прозрачный кварц	Непрозрач- ный кварц	Кварцевая керамика	Пенокварц
Плотность при 20 °C, 103 кг/м3	2,203	2,02—2,08	1,9—2,1	0,4—0,8
Пористость, %	0	5—7,5	—	60—85
Модуль Юнга *, ГПа	74,5	—	30—50	—
Модуль сдвига *, ГПа	32	—	—	—
Предельная прочность * при 20 °C, МПа:				
на сжатие	650	310	300—470	2—8
на изгиб	ПО	45	18—50	—
на растяжение	6	23	—	—
Средний линейный коэф- фициент термического рас- ширения а • 107, К-1, при температурах, °C:				
(-60) - (-20)	2	—	—• -	—
20—50	4	—	6—7 **	—
50—120	5	—	—.	—
120—420	6	—	—	—
420—600	5	—	—.	—
600—1200	5	—	—	—
Максимальная рабочая температура, °C:			1000—1100	
при длительной работе	1000—1100	1000—1100		—
кратковременно	1400	1400	1400	—
Теплопроводность (Вт/мХ X К) при температуре, °C:				
—200	0,64	1,16	—	——
20	1,4	1,55	0,7—1,4	0,16—0,35
200	1,55	1,63	— 	(50—700 °C)
600	2,05	1,97	0,9—2,1	—
1000	2,43	2,4	1,4—2,2	—
Показатель преломления по	1,458	1,458	1,458	1,458
Средняя дисперсия пр— —пс	0,00675	0,00675	0,00675	0,00675
Примечание. Для непрозрачного кварца, кварцевой керамики и пенокварца
приведена кажущаяся плотность.
* При 20 °C.
*• В интервале температур 20—900 °C.
224
ТАБЛИЦА 4.11
ОБЪЕМНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
ПРОЧНОСТЬ КВАРЦЕВЫХ СТЕКОЛ
Свойство	Оптическое кварцевое стекло		Непрозрачное кварцевое стекло из природного кварца
	из природного кварца [31]	из синтетиче- ского кремне- зема	
Содержание SiO2, % Удельное электросопротивление (Ом-м) при температуре, °C:	99,7	99,97	99,8
20	1,8-101’	1014	1013
200	—	1012	101»
400	1,3-10’	—	—
600	—	108	104
800	1,6-104	—	—
1000	—.	106	103
1200 Электрическая прочность, МВ/м, при температуре, °C:	5-Ю3—3-102	—	—
20	40	44	32
200	—.	32	21
600	—	6,0	3,0
ТАБЛИЦА 4.12
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ Е И tg 6
КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА И КЕРАМИКИ НА ЕГО ОСНОВЕ
ПРИ ЧАСТОТЕ 10 ГГц
Температура, °C	Оптическое кварцевое «сухое» стекло * марки КИ (SiO2 99,98%)		Кварцевая керамика * (SiO2 99,95%, пори- стость 6—10%)		Кварцевая керамика ** (SiO2 99,8%, пористость 8-12%)		Пенокварцевая керами- ка ** (SiO2 99,7%, пористость 60—85%)	
	8	о «о Ъс	8	«О ър	8	О «о ьр	8	О «о ър
—60 +20 100 200 400 600 800 1000 1100	3,81 3,82 3,83 3,85 3,88 3,92 3,94	<1 1 2 2,5 2,9 3,4 4,2	3,3 3,32 3,36 3,38 3,40 3,44 3,48 3,52	2,0 2,3 2,6 3,0 3,6 4,6 5,8 6,6	3,1—3,7 3,1—3,7 3,2—3,8 3,2—3,8 3,2—3,9 3,3—4,0 3,4—4,1	7 9 15 23 31 40	1,4—1,8 1,4—1,8 1,4—1,9 1,4—1,9 1,5—1,9 1,6—2,0	3-5 5-8 7—12 11—16 15—20 20—26
* Из синтетического кремнезема.
** Из природного кварца.
® Г. Г. Гнесин
225
характеризуется высокочистое кварцевое Стекло, прозрачное в ИК-области,
т. е. не содержащее гидроксильных групп. Отсутствие существенных структур-
ных изменений при размягчении кварцевого стекла (что проявляется, например,
в постоянстве закона изменения вязкости при температурах от 1000 до 2200 °C
и более) обусловливает также постепенное увеличение и относительно невысокие
диэлектрические потери кварца до температур порядка 2500 °C. Этим кварцевое
стекло существенно отличается от других окисных диэлектриков с ионной связью,
где при температуре плавления электрическая проводимость и диэлектрические
потери скачкообразно возрастают в 102—103 раз.
Электропроводность и диэлектрические характеристики нескольких видов
кварцевого стекла и кварцевой керамики приведены в табл. 4,11 и 4.12.
4.2.2.	ОКИСЬ АЛЮМИНИЯ
В системе А1—О в твердой фазе доказано существование только одного
окисла А12О3 (глинозема). Другие степени окисления алюминия — АЮ, А12О
найдены только масс-спектрометрически в газовой фазе [34].
Кристаллические модификации окиси алюминия весьма многочисленны—
в различных условиях получаются а-, Р-, у-, 6-, Х-, г]-, %-, 0- и другие кри-
сталлические формы. Из них единственно стабильной является самая высоко-
температурная: а-А12О3 (корунд); в эту кристаллическую форму переходят все
другие при достаточном нагреве. Стабилизация низкотемпературных форм обу-
словлена как влиянием кристаллической структуры того соединения, из кото-
рого получен окисел, так и примесями воды, щелочных и щелочноземельных
металлов и др.
Поэтому порядок изменения фазового состава окиси алюминия, температура
и кинетика превращения в высокотемпературную форму не постоянны. Напри-
мер, предполагаемая схема фазовых переходов при прокаливании гидроокиси
алюминия (бёлита) такова:
250°С	. „ 850°С	.	П50°С
А1 (ОН)3(бёлит)-----> у = А12О3-------> 0 = А12О3------= А12О3.
При большей степени кристалличности бёлита либо ином содержании при-
месей эти же превращения происходили при 450, 900 и 1100 °C соответственно [35].
Хорошо кристаллизованный у-глинозем устойчив до 1600 °C и лишь при бо-
лее высокой температуре переходит в а-форму [35], хотя в обычном промышлен-
ном сырье 100%-ное содержание a-фазы достигается после обжига в течение
2—3 ч при 1400—1450 °C [36]. Температура превращения в a-фазу снижается
до ~1000 °C в присутствии фторидов, а в условиях ударного сжатия при давле-
нии 35 ГПа и 500 °C такой переход полностью происходит за время порядка
10~6 с [36].
В табл. 4.13 приведены некоторые физико-химические свойства различных
кристаллических модификаций глинозема, необходимые для их идентификации.
Содержание воды либо других примесей, стабилизирующих низкотемператур-
ные формы глинозема (кроме Р-А12О3), обычно невелико — от десятых долей до
нескольких единиц процентов. Р-А12О3 представляет собой не чистую модифика-
цию окиси алюминия, а является условным обозначением группы алюминатов
типа Ме2О- 11А12О3 и А4еО-8А12О3, где ТИе2О — окислы щелочных, а МеО — ще-
лочноземельных металлов [35]. Все эти алюминаты обладают сходной кристалли-
ческой структурой, а по электрическим свойствам представляют собой суперион-
ные проводники (твердые электролиты) со значительной катионной проводи-
мостью — порядка сотен сименсов на местр при 200—300°C [40]. Поэтому при-
сутствие щелочных или щелочноземельных металлов резко ухудшает электроизо-
ляционные свойства корунда.
Глинозем, содержащий смеси различных кристаллических модификаций,
мало пригоден для изготовления высококачественных керамических изделий,
так как их усадка при спекании достигает 30%, а остаточная пористость 10—
20% [36]. Поэтому исходный промышленный глинозем подвергают предвари-
226
ТАБЛИЦА 4.13
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
РАЗЛИЧНЫХ МОДИФИКАЦИЙ ГЛИНОЗЕМА [35, 36, 38, 39]
——— Модифи- кация глинозема	Кристалли- ческая сингония	Простран- ственная группа	Показатель преломления		Плот- иость, кг/м8.103	Параметры решетки, нм
			пд	пР		
а-А12О3	Гексаго-	74-7?3~с	1,768	1,760	3,99	а = 0,4758,
(корунд) fJ-AlgOg	нальная То же	D^h-P6x/mmc	1,660—	1,630—	3,30—	с= 1,299 а = 0,564,
у-А12О3	Кубическая	O7h—Fd3m	1,680 .1,73	1,650	3,40 3,65	с = 2,265 0,790
6-A12O3 е-А12о3	(шпинель) Гексаго- нальная Моноклин-	с2/т 			3,7	а = 0,796, с= 0,117 а = 0,592,
%-А12О3	ная Гексаго-					b = 0,286, с = 0,1174, а = 103° 20' а = 0,557,
	нальная					с 0,864
тельному обжигу для перевода в a-фазу, а затем измельчают в порошок необхо-
димой крупности.
Технологические процессы подготовки порошка, формования и спекания,
а также типы вводимых добавок отличаются большим разнообразием, что позво-
ляет в значительных пределах управлять структурой, плотностью керамики,
величиной и расположением пор и, следовательно, всеми структурно-зависимыми
свойствами — прочностью, термостойкостью, электропроводностью и т. и.
Основные физико-химические свойства а-А12О3, не зависящие существенно
от структуры материала [35, 36, 38, 41, 42]:
Твердость по шкале Мооса............................... 9
Температура плавления, °C.......................... 2050
Температура кипения, °C ........................... 2707
Энтальпия Я2М, кДж/моль.............................. 1676
Теплоемкость Ср [Дж/(моль- К)] при температуре, °C:
20 .	.	.	.................'	79,05
500 .............................................. 118,7
1000 .............................................. 127,9
1500 ..........................................	134,4
2000 .............................................. 140,3
Коэффициент линейного термического расширения
К-1-10'6 при температуре, °C:
0—400........................................... 6,3
400—800.	.	................. 7,1
800—1200 .......................................... 8,2
1200—1600 ......................................... 10,9
20—1600 .......................................... 9,5
Диапазон оптического пропускания, мкм (для чистых
монокристаллов)	0,145—6,5
8*	227
Диэлектрическая проницаемость при 20 °C в диапа-
зоне частот 102—1010 Гц:
для монокристалла ± оси с............................. 8,6
»	»	|| оси с....................... 10,5
для беспористой керамики ........................... 9,8
Механические, теплофизические и в особенности электрофизические свой-
ства окиси алюминия значительно изменяются в зависимости от типа и концен-
трации структурных дефектов в изучаемом образце. На эти свойства влияют как
точечные дефекты — типа дефектов по Шоттки, примесей, нарушений стехио-
метрии, так и более протяженные — ассоциации дефектов, дислокации, границы
блоков и зерен.
Механическая прочность корундовой керамики, как и многих других мате-
риалов, возрастает с уменьшением размера зерна, однако вследствие кристалло-
химических особенностей (отсутствия совершенной спайности) прочность моно-
кристаллов выше, чем поликристаллов и керамики. Значения прочности наиболее
качественных типов корундовой керамики приведены ниже [36, 38].
Температура, °C......................... 20	700	1600	1800
Предел прочности, МПа:
при статическом изгибе ......... 250—450	270—320	10—25	—
при сжатии...................... 700—3000	—	50—250	15—23
Коэффициент теплопроводности корундовой керамики с близкой к нулю
пористостью [36, 38, 42]:
Температура, °C......................... 20	400	1000	1600
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К) 30—58	12—17	6—11	5—6
Диэлектрическая проницаемость корунда практически не зависит от размера
зерен в образце и при пористости, не превышающей 10—15%, пересчитывается
к значению для беспористого материала по известным формулам обобщенной
проводимости [43], учитывающим только объемный вклад пустот. Диэлектриче-
ская проницаемость достаточно чистых образцов постоянна в диапазоне частот
102—IO10 Гц и при комнатной температуре для монокристаллов в направлении,
параллельном оси с, составляет 10,5, в направлении, перпендикулярном оси с,
8,6 [42], для беспористой керамики 9,8.
Диэлектрические потери в корундовой керамике весьма чувствительны как
к структуре и пористости образцов (вероятно, вследствие сорбционных процессов),
так и к содержанию примесей: доли процента примеси изменяют диэлектрические
потери в 102—103 раз (табл. 4.14).
Наиболее чувствительным к совершенству структуры и содержанию приме-
сей свойством коруида является величина электрической проводимости. Корунд
обладает электроизоляционными свойствами и изделия из него широко применяют
в качестве электроизоляторов. Значения электрической проводимости только
монокристаллов сапфира, измеренные различными авторами, отличаются на
5 порядков [44].
Критическое рассмотрение известных данных показывает, что это различие
объясняется как методическими ошибками при измерениях (контактным сопро-
тивлением электродов и утечками тока по поверхности образца и через газовую
фазу), так и значительным влиянием примесей и структурных дефектов в ма-
териале. Проводимость керамических образцов всегда превышает проводимость
монокристаллов вследствие влияния границ зерен.
Наиболее достоверные данные об электрической проводимости корунда при
высоких температурах получают трехзоидовым методом измерения на постоянном
токе с использованием объемного экранирования потенциального электрода, что
устраняет утечку тока через газовую фазу и по поверхности образца.
Для этого применяют охранный цилиндр из платиновой фольги, прижимае-
мый к поверхности образца вокруг потенциального электрода с помощью алун-
228
ТАБЛИЦА 4.14
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ КОРУНДА ПРИ ЧАСТОТЕ 10 '“Гц
Темпера- тура, °C	Керамика с добавками, %						Монокристалл с центрами диффузного рассеяния . света параллельно оси с		1 Оптически совершенный монокристалл	
	Y2O31,5; MgOO,5 (пористость < 1 %)		TiO2l,5 (по- ристость 4%)		0,5 MgO поликор (по- ристость <1%)					
	СО	tg б • 104	со	tgfi. 10* j 1	со	tg б. 1 о4	со	1 tg 6.10*	со	tg б. 1 о4
20	9,8	5	9,1	10	9,8	1	10,5	1	10,5	1
400	10,2	10	9,6	30	10,0	2	10,6	1	10,6	1
800	10,8	17	10,0	90	10,2	15	10,8	8	10,8	3
1200	—	—	10,5	150	10,5	30	11,0	40	10,9	6
1400	—	—	—	—	10,8	80	П,4	800	П>2	20
довой трубки. Потенциалы охранного кольца и потенциального электрода под-
держиваются равными, что контролируется с помощью включенного между ними
электрометра.
Расхождение между данными, полученными по этой методике различными
авторами на достаточно совершенных монокристаллах, не превышает одного
порядка. Результаты подобных измерений, которые можно отнести к наиболее
достоверным, приведены в табл. 4.15 [46].
Близкие величины электропроводности монокристаллов получены в работе
[47], где для электропроводности монокристаллов сапфира в интервале 1400—
1650 °C предлагается выражение
о=3- 103ехр (—80 ккал/RT) Ом‘‘1см“1,
а в интервале 1000—1400 °C энергия активации электрической проводимости
уменьшается до 57 ккал. В монокристаллах сапфира наблюдается существенная
анизотропия электропроводности — при 1000 °C о ц с= 15о±с, при 900 °C отно-
шение проводимостей возрастает до 25.
Вопрос о природе проводимости корунда остается в значительной степени
открытым. Отклонение от стехиометрического состава корунда, если оно вообще
имеет место, незначительно, и известные в настоящее время методы не позволяют
его измерить. Судя по эмпирическим соотношениям между термодинамическими
свойствами окислов и параметрами образования дефектов, концентрация дефектов
в корунде мала. Из этого следует, что даже малое количество примесей может
существенно влиять на электрическую проводимость образца. Изменение прово-
димости под влиянием изменения парциального давления кислорода в окружа-
ющей среде относительно невелико и может быть обусловлено влиянием приме-
сей [48]. Измерение чисел переноса в монокристаллах корунда методом концен-
трационной кислородной э. д. с. показывает, что ниже 1400 °C при парциальных
Давлениях кислорода от 0,2 до 1 ат носителями тока являются межузельные ионы
* [46, 49]. В интервале 1400—1650 °C проводимость монокристаллов электрои-
229
ТАБЛИЦА 4.15
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
А1.О3 [46]
Количество примеси, %	Направле- ние электри- ческого поля	Средний размер зерен, мкм	Удельное сопротивление (Ом-м) при температуре, °C					
			500	700	800	1000	1200	1400
Монокристалл
2-Ю"3	Парал-	—	—	—	1,5-Ю13	3-109	1,5-Ю7	5-Ю8
	лельно							
	оси с							
ЗЮ-3	То же	—	—	—	3-1010	4 • 107	2-106	1,5-104
Поликристалл
<1 • ю-3			12	1,3-108	1-10’	1,2-10®	9-Ю6	3-104	6-Ю3
<Ы0-2	—	20	9-Ю8	5-Ю7	3-10®	1-10®	3-104	6-Ю3
В поликристаллических образцах существует значительная дополнительная
электронная проводимость вдоль границ зерен [47]. В то же время измерения
чисел переноса на промышленных керамических образцах, содержащих ~1%
примесей, также показывают, что электропроводность такой керамики ионная
в значительном диапазоне парциальных давлений кислорода. Электронный
параметр переноса ре (минимальное парциальное давление кислорода, при кото-
ром электронная проводимость, возникающая при нарушении стехиометрии,
равна ионной проводимости) в поликристаллических образцах выражается фор-
мулой [49]
175-Ю3 ,
Ре =-------7р----И Ю6,36.
Ячейки с твердоэлектролитными датчиками из корунда применяют для изме-
рения окисленности стали, однако по стабильности и воспроизводимости эти дат-
чики уступают датчикам из ZrO2 и НЮ2. Вероятно, наблюдаемая ионная проводи-
мость промышленной керамики — результат сложных приэлектродных и меж-
зерновых процессов с участием примесных фаз.
Электрическая прочность плотной корундовой керамики составляет при ком-
натной температуре ~5-104 кВ/м [36]. Электрическая прочность монокристаллов
и тонких монокристаллических слоев значительно выше. Так, например, пробив-
ное напряжение монокристаллических пластинок толщиной 70 мкм при прило-
жении одиночных электрических импульсов длительностью 10”®—10-4 с состав-
ляет '-—1,5-103 кВ, что соответствует электрической прочности 2-107 кВ/м. Дли-
тельная выдержка под напряжением в течение —1000 с приводит к снижению
электрической прочности на порядок. Электрическая прочность экспоненциально
уменьшается с ростом температуры, но в импульсных полях прочность не зависит
от температуры до ~1300 °C [50].
4.2.3.	ОКИСЬ МАГНИЯ
Окись магния MgO — единственный стабильный окисел в системе магний—
кислород. MgO имеет единственную кубическую кристаллическую модификацию
типа NaCl (периклаз) и не обнаруживает полиморфных превращений как при
нагреве до температуры плавления, так и при воздействии высоких давлений
230
Г38]. Основные физико-химические свойства окиси магния приведены ниже
[35, 36, 38, 41, 42, 44].
Температура плавления, °C .......................... 2800
Кристаллическая сингония............................Кубическая,	тип NaCl
Пространственная группа кристалла................... 0g—FmAm
Параметр кристаллической	решетки, нм ...................... 0,420
Плотность, кг/м3 ................................... 3,58-103
Твердость по шкале Мооса ........................... 5,5 6
Показатель преломления...................................... 1,736
Энтальпия кДж/моль' ................................ 601,7
Теплоемкость Ср, Дж/(моль-К), при температуре, °C:
20...................................................... 37,53
500.......................................... . . .	49,43
1000..................................................... 52,73
1500..................................................... 55,33
2000..................................................... 59,11
Коэффициент линейного термического расширения, 10"6Х
X К-1, в интервале температур, °C:
0—400 .............................................. 12,5
400—800 ............................. ...	14,5
800—1200................................................. 16,5
1200—1600................................................ 17,0
0—1800................................................. 15,2
Диапазон оптического пропускания чистых монокри-
сталлов, мкм........................................ 0,15—9,5
Диэлектрическая проницаемость............................... 9,65
При получении керамических материалов из чистой окиси магния используют
сырье, получаемое термическим разложением различных солей (карбонатов,
нитратов, оксалатов), гидроокиси и др. Порошки, полученные разложением
солей' при 600—900 °C, характеризуются большой удельной поверхностью (до
50 м2/г), очень плохой прессуемостью, и при спекании дают большую усадку,
сопровождающуюся растрескиванием изделий. После прокаливания при 1200—•
1300 °C плотность прессовок из порошков составляет около 50% теоретической
(давление прессования 800 МПа), а после прокаливания при 1600 °C и последу-
ющего помола порошка возможно получение прессовок из него с плотностью до
70% теоретической. После спекания при 1750 °C из таких прессовок удается по-
лучить керамику с плотностью 96—97% от теоретической при линейной усадке
изделий во время спекания 12—15% [36, 38].
Керамику из окиси магния с пористостью 0,5—0,05% получают путем горя-
чего прессования активных порошков MgO с добавкой 2% (по массе) LiF при
1150—1250 °C под давлением 20—30 МПа. Такая керамика прозрачна либо полу-
прозрачна в видимой области, а также в ИК-области спектра до 8—9 мкм [51].
Замена LiF фторидом натрия также позволяет получить полупрозрачную кера-
мику, однако температура горячего прессования при этом должна быть на 100°
выше. Размер зерен в керамике с добавкой NaF меньше, а следовательно, проч-
ность выше, чем в керамике с добавкой LiF [52].
По сравнению с материалами на основе окиси алюминия материалы на основе
окиси магния характеризуются более высокой рабочей температурой (кратко-
временно до 2400 °C), меньшими диэлектрическими потерями и несколько мень-
шей электрической проводимостью при высоких температурах; однако механи-
ческая прочность и стойкость к термоударам таких материалов существенно
ниже. Керамика из окиси магния имеет также значительно большую ползучесть
пРи высокой температуре, а монокристаллы окиси магния — совершенную спай-
ность по плоскости | 1001, что характерно для всех соединений со структурой
каменной соли. Прочность керамики из таких веществ всегда выше прочности
монокристаллов.
Прочность, теплофизические, а также электрофизические свойства изделий
На основе окиси магния существенно зависят от пористости, структуры керамики
231
и содержания примеси. Зависимость прочность при изгибе аизг от температуры для
керамики из окиси магния с различным
[36]:
Температура, °C.......... 20
аизг (МПа) кристаллов раз-
мером 10—15 мкм.......... 128
То же, 25—40 мкм .... НО
размером кристаллов приведена ниже
1000	1200	1400	1500	1600
120	100	75	58	42
100	90	70	60	40
Теплопроводность керамики из окиси магния, как правило, уменьшается
при нагреве до 1200—1400 °C, а при более высоких температурах возрастает вслед-
ствие передачи тепла ИК-излучением:
Температура, °C. . . 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Т епл опроводность,
Вт/(м-°С), при пори-
стости:
5%................ 27,8	15,5	11	8,1	6,7	5,8	5,8	6,5	9,0
0%................ 28,4	16,5	11,8	8,5	7,0	6,0	6,0	6,9	9,4
Электропроводность керамики из окиси магния при высоких температурах
меньше, чем электропроводность газового промежутка, поэтому, как и для ма-
териалов на основе окиси алюминия, достоверные данные можно получать только
при использовании объемного экранирования одного из электродов [53]. Темпе-
ратурная зависимость электропроводности керамики из окиси магния с наимень-
шим содержанием примеси приведена ниже:
Температура, °C................... 1700	1400	1160	980
Удельная электрическая проводи-
мость, См/см ..................... 8-Ю*5	МО*»	1,2-10*8	7-Ю*10
Электропроводность окиси магния в воздухе и в газовых средах с парциаль-
ным давлением кислорода > 10 мкПа при температурах ниже 1200 °C имеет пре-
ТАБЛИЦА 4.16
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КЕРАМИКИ
ИЗ ОКИСИ МАГНИЯ
Темпе- ратура, °C	Керамика пористостью 12%		Керамика пористостью 0,2%, оста- точное со- держание Li F= 0,2 %		Темпера- тура, °C	Керамика пористостью 12%		Керамика пористостью 0,2%, оста- точное со- держание LiF=0,2%	
	СО	1 о-* tg б	со	О ъд		со	«О ЬД	со	j 10-‘ tg б
20	9,0	6	10,0	6	800	9,7	5	11,5	30
200	9,1	5	10,1	6	1000	9,9	7	13,2	120
400	9,2	5	10,2	7	1200	10,3	11	—	—
600	9,5	5	10,7	12	1400	10,8	16	—	—
Примечание. Суммарное содержание примесей в керамике 0,4%.
232
имущественно ионный характер: число переноса ионов 1,0—0,8. Доля электрон-
ной проводимости возрастает при увеличении температуры и уменьшении
парциального давления кислорода [54]. Объемная и поверхностная электриче-
ская проводимость окиси магния значительно возрастает при добавлении некото-
рых примесей; например, смачивание поверхности 10%-ным раствором ортофос-
форной кислоты увеличивает поверхностную проводимость керамики и монокри-
сталлов окиси магния в 103 раз.
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса
угла диэлектрических потерь tg 6 некоторых видов керамики из окиси магния
на частоте 1010 Гц приведена в табл. 4.16.
На звуковых частотах дисперсия е керамики из MgO существенно больше,
особенно при повышенном содержании примесей: на частоте 103 Гц диэлектриче-
ская проницаемость керамики, содержащей 0,7% примесей, при 1200 °C дости-
гает 140.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Машкевич М. Д. Электрические свойства неорганических диэлектриков в ди-
апазоне СВЧ. —М.: Советское радио, 1969. 238 с.
2.	Бокий Г. Б. Введение в кристаллохимию. — М.: изд. МГУ, 1954. 490 с.
3.	Самсонов Г. В. Неметаллические нитриды. — М.; Металлургия, 1969. 264 с.
4.	Курдюмов А. В., Пилянкевич А. Н. Фазовые превращения в углероде и ни-
триде бора. — Киев: Наукова думка, 1979. 188 с.
5.	Бершадская М. Д., Аветинов В. Г., Шарупин Б. Н. — Электронная техника,
сер. 6. Материалы. 1978, вып. 6, с. 60—66.
6.	Самсонов Г. В., Дубовик Т. В., Казаков В. К- —«Konferencia Metallurgia
Proszkow», Krakow, 1967, t. 2, S. 460—464.
7.	Пояркова В. E., Зальцман E. Б.—Измерительная техника, 1976, № 8,
с. 66—69.
8.	Вейнберг В. К. —ДАН СССР, сер. Физика, 1966, т. 169, № 3, с. 543—
545.
9.	Андреева Т. В., Дубовик Т. В., Рогозинская А. Н. —Изв. АН СССР,
сер. Неорганические материалы, 1968, т. 4, № 1, с. 54—58.
10.	Walton J. D.—Amer. Ceram. Soc. Bull., 1974, v. 53, № 3, p. 255—258.
11.	Дубовик В. T. Неметаллические нитриды. — В кн.: Методы получения свой-
сва и применения нитридов. — Киев: изд. ИПМ АН УССР, 1972. 381 с.
12.	Niihara К., Hirai Т. Chemical Vapour—Deposited Silicon Nitride. — Repr.
J. Mater. Sci., 1977, v. 1, № 10, p. 1233—1247.
13.	Greskovich C., Prochazka S. —J. Amer. Ceram. Soc., 1977, v. 60, № 9—10,
p. 471—474.
14.	Messier D. R., Rilly F. L.—Adv. Study Inst. Canterbury, 1976.—Noord-
holf—Leyden, 1977, p. 141—148.
15.	KatoK., JnoueZ. et al. — Repr. Journ. Amer. Ceram, Soc., 1975, v. 58, № 3—4,
p. 90—91.
16.	Ihrai T., Niihara K-, Goto T. — Repr. from. J., Material Science, 1977, v. 12,
№ 3, p. 631—632.
17.	Niihara K-, Hirai T. — Repr. J. Mater. Sci., 1977, v. 1, № 6, p. 1233—
1247.
18.	Bauer J. — Phys. Status Solidi (a), 1977, v. 39, № 2, p. 411—418.
19.	Линдлей M. В., Катц P. H. Свойства нитрида кремния, полученного реакци-
онным спеканием. — В кн.: Порошковая металлургия. —М.: изд. ВНИТИ,
1977, 436 стр.
20.	Akihito Т., Katsutoshi'rN. —Amer. Ceram. Soc. Bull.,”'1978, v. 57, № 4,
p. 424—426.
21.	Haag H., Gilasser W. D., Krismer B. — Nitrogen Ceram. Proc. NATO Adv.
Study Inst., Canterbury, 1976—Noordhoff—Leyden, 1977, p. 315—316.
22.	Bowen L. I. et oth. —J. Mater. Sci., 1978, v. 13, № 2, p. 341—350.
233
23.	Kijima K-, Shirasaki S. —J. Chem. Phys., 1976, v. 65, № 7, p. 2668—
2671.
24.	Thorp. J. S„ Sharif R. I. — J. Mater. Sci., 1977, v. 12, № 10, p. 2274—
2280.
25.	Schlichling J., Gauckler L. J. — Powder Met. Inst., 1977, v. 9, № 1, p. 36—
39.
26.	Халепа А. П. — В кн.: Исследования в области новых материалов. — Киев:
Наукова думка, 1977, с. 128—131.
27.	Taylor D. IT.—Konstruk. Elem. Met., 1978, v. 15, № 8, p. 13—15.
28.	NRL Improves Ceramics for Ship Propulsion.—Amer. Ceram. Soc. Bull.,
1976, v. 55, № 12, p. 1080.
29.	Бережной A. C.—Геологический журнал, 1970, № 2, с. 213—218.
30.	Прянишников В. П. Система кремнезема.—Л.: Наука, 1971. 383 с.
31.	Ботвинкин О. К-, Запорожский А. И. Кварцевое стекло.—М.: Строй-
издат, 1965. 328 с.
32.	Демидович Б. К, Производство и применение пеностекла. —Минск: 1972.
215 с.
33.	Справочник по электротехническим материалам/В 2-х тт. Изд. 2-е, пере-
раб. и доп. М.: Энергия, 1974. Т. 1. 583 с.; т. 2, 615 с.
34.	Казенас Е. К., Чижиков Д. М. Давление и состав пара над окислами хими-
ческих элементов. — М.: Наука, 1976. 342 с.
35.	Диаграммы состояния силикатных систем. Авт.: Н. А. Торопов, В. П, Бар-
заковский, И. А. Бондарь, Ю. П. Удалов.—Л.: Наука, 1970. 822 с.
36.	Керамика из высокоогнеупорных окислов/Под ред. Д. Н. Полубояринова
и Р. Я. Попильского.—М.: Металлургия, 1977. 304 с.
37.	Алексеевский В. П., Дубок В. А., Денбновецкая Е. И., В. В. Ярош. —По-
рошковая металлургия, 1976, № 2(158), с. 22—25.
38.	Физико-химические свойства окислов/Под ред. Г. В. Самсонова. Изд. 2-е,
перераб. и доп. М.: Металлургия, 1978. 471 с.
39.	Бондарь И. А., Глушкова В. Б. и др. — Неорганические материалы, 1971,
т. 7, № 8, с. 1367—1371.
40.	Чеботин В. Н., Перфильев В. М. Электрохимия твердых электролитов. —
М.: Химия, 1978. 312 с.
41.	Кржижановский Р. Е., Штерн 3. Ю. Теплофизические свойства неметалли-
ческих материалов.—Л.: Энергия, 1973. 333 с.
42.	Оптические материалы для инфракрасной техники. Е. М. Воронкова,
Б. Н. Гречушников, Г. И. Дистлер, И. П. Петрой.—М.: Наука, 1965.
335 с.
43.	Вейнберг В. К.—ДАН СССР. Физика, 1966, т. 169, № 3, с. 543—545.
44.	Кофстад П. Отклонение от стехиометрии, диффузия и электропроводность
в простых окислах металлов.—М.: Мир, 1975. 396 с.
45.	UzkanO. Т., MoulsonA. J.—Journ. of Phys. D., 1970, v. 3, № 6,
p. 983—987.
46.	Brook R. J., Lee J., Kroger F. A.—J. Amer. Ceram. Soc., 1971, v. 54,
№ 9, p. 444—448.
47.	Kitazawa K-, Coble R. L. — J. Am. Ceram. Soc., 1974, v. 57, № 6, p. 245—
248.
48.	Pappls J., Kingery W. D. —J. Amer. Cer. Soc., 1961, v. 44, № 9,
p. 459—464.
49.	Савицкий А. А., Самохвал В. В., Вечер А. А.Поляризационные измерения
параметров твердых электролитов. 6-я Всесоюзная конференция по физи-
ческой химии ионных расплавов и твердых электролитов. 4.2. — Киев:
Наукова думка, 1976, с. 142—143.
50.	Борисова М. Э., Койков С. Н. Физика диэлектриков. — Л.: изд. ЛГУ, 1979.
240 с.
51.	Benecke М. W., Obson N. Е., Pask J. А. —Am. Ceram. Soc., 1967, v. 50,
№ 7, р. 365—368.
52.	Rice R„ R. — J. Am. Ceram. Soc., 1971, v. 54, № 4, p, 205—207.
53.	Osburn С. M„ Vest R. W. — J. Am. Ceram. Soc., 1971, № 9, p. 428—435.
54.	Alcock С. B., Stavropoalos — J. Am. Ceram. Soc., 1971, № 9, p. 436—443.
234
5. КАТОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Одним из основных элементов вакуумных электронных приборов, исполь-
зующих явление эмиссии электронов в вакууме, является катод. Основное тре-
бование к материалу катода заключается в обеспечении необходимой для данного
прибора плотнйсти эмиссионного тока.
До последнего времени самым распространенным типом является оксидный
катод, в котором в качестве эмиссионно-активного вещества использовались окислы
щелочноземельных или редкоземельных металлов. Вследствие процессов терми-
ческой диссоциации или химического восстановления окислов на поверхности
и в объеме катода появляется избыток атомов металла, обеспечивающий необхо-
димую электропроводность и термоэлектронную эмиссию катода.
Основные рабочие параметры оксидных катодов приведены в табл. 5.1.
ТАБЛИЦА 5.1
РАБОЧИЕ ПАРАМЕТРЫ ОКСИДНЫХ КАТОДОВ
Режим работы	Плотность тока, А/см2	Температура, К	Срок службы, ч
Непрерывный » Импульсный »	0,4—0,7 0,05—0,15 10—15 3—5	1070—1100 990—1030 1070—1100 990 1030	2000—3000 10 000—20 000 2000 3000 10 000—20 000
Ограничение плотности эмиссионного тока оксидных катодов в непрерывном
режиме связано с перегревом оксидного покрытия и интенсивным испарением
активного слоя.
Основным недостатком оксидных катодов, является невозможность их ис
пользования в разборных электронных приборах, так как при взаимодействии
с кислородом и влагой воздуха происходит необратимая дезактивация катода.
Катоды этого типа в основном используют в отпаянных электронных приборах
небольшой мощности.
К катодным элементам электронных устройств повышенной мощности,
особенно разборных, предъявляется ряд дополнительных требований, основными
из которых являются высокие электропроводность, теплопроводность, темпера-
туры плавления, малая упругость паров при рабочих температурах, высокая
механическая прочность при высоких температурах и термоциклических нагруз-
ках, высокая эрозионная стойкость по отношению к ионной бомбардировке.
Этим требованиям в определенной степени удовлетворяют тугоплавкие ме-
таллы: W, Та, сплавы и композиции на их основе, а также некоторые бескисло-
родные тугоплавкие соединения, в частности бориды и карбиды редких и редко-
земельных металлов.
Как правило, эти материалы получают в виде порошков и формируют в изде-
лия требуемых размеров и формы методами порошковой металлургии, которые
обеспечивают однородную структуру материала изделия и значительно упрощают
технологию их изготовления.
Кроме того, методы порошковой металлургии позволяют создавать катодные
элементы из сложных композиционных материалов, в которых наиболее полно
Реализуются полезные свойства составляющих компонент.
Катоды электронных систем повышенной мощности могут быть классифи-
цированы по следующим основным типам:
1.	Металлические.
2.	Композиционные.
3.	На основе тугоплавких соединений.
235
5.1.	Металлические термокатоды
Металлические термокатоды изготовляют из тугоплавких металлов, которые
характеризуются малой скоростью испарения при рабочих температурах. Ориен-
тировочную оценку эффективности металлических термокатодов часто произ-
водят по соотношению между работой выхода электронов и абсолютной темпера-
турой, при которой испарение остается еще достаточно слабым и давление пара
не превышает 1333 мкПа.
В табл. 5.2 приведены эти характеристики для ряда тугоплавких металлов.
ТАБЛИЦА 5.2
ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУГОПЛАВКИХ
МЕТАЛЛОВ [2 — 4]
Металл	Температура плавления, К	| Работа выхода । электронов, эВ	Постоянная Ричардсона, А/см2 (К)2	Температура *, К	Отношение Ф/ Г. 1 о-8	Металл	Температура плавления, К	Работа выхода электронов, эВ	Постоянная Ричардсона, А/см2 (К)2	1 Температура *, Г.	Отношение | Ф/Г.10"3
Ti	1941	3,95	44	1609	2,45	Мо	2890	4,30	38	2228	1,93
Zr	2128	4,12	330	2109	1,97	W	3660	4,54	60	2837	1,60
Hf	2222	3,53	14,5	2160	1,64	Re	3450	5,00	150	2649	1,88
Th	1968	3,30	60	1959	1,68	Ru	2523	4,60	—	2180	2,11
V	2190	4,12	50	1708	2,41	Rh	2236	4,75	33	1847	2,57
Nb _	2742	3,99	29	2403	1,67	Os	3320	4,70	—	2375	1,98
Ta	3270	4,12	37	2675	1,54	Ir	2720	4,70	100	2071	2,27
Cr	2176	4,58	60	1311	3,49	Pt	2045	5,32	130	1868	2,85
Температура, при которой упругость паров
металла составляет 133,3 мкПа.
Наиболее эффективными терм’оэмиттерами являются Та, W, Nb, Hf, Re.
Наиболее распространенным катодным материалом является W, обладающий
наименьшей упругостью паров. Рабочие температуры вольфрамового катода
составляют обычно 2200—2400 °C, при этом плотность эмиссионного тока 0,25—
1,0 А/см2 при сроке службы в условиях высокого вакуума —10 тыс. ч.
Металлические катоды изготавливают в виде нитей, прутков, лент, спиралей
в системах прямого накала и используют в мощных высоковольтных электрон-
ных системах — генераторных лампах, рентгеновских трубках, электронно-
лучевых установках. Технология изготовления этих катодных элементов опре-
деляется технологическими процессами металлургии тугоплавких металлов.
5.2.	Композиционные термокатоды
Более специфичными являются так называемые металлопористые камерные
катоды (Z, — катоды). Принцип работы этих катодов заключается в том, что актив-
ная в эмиссионном отношении пленка бария, аналогичная пленке на обычных
катодах, разрушающаяся во время работы катода вследствие испарения и ионной
бомбардировки, непрерывно возобновляется за счет поступления бария из вну-
тренних полостей катодного элемента через пористую стенку, изготовленную из
спеченного порошка тугоплавкого металла. Путем регулирования проницаемости
пористой стенки можно управлять плотностью эмиссонного тока и долговечностью
катода.
Основной составной частью катода является пористая перегородка, изготав
ливаемая обычно из вольфрамового порошка определенной зернистости. Оптималь
236
ный размер пор 0,8—1,2 мкм, что обеспечивается сферическим вольфрамовым
порошком зернистостью 1,5—2,5 мкм. Как правило, в качестве исходного сырья
используется порошок вольфрама, получаемый восстановлением паравольфрамата
аммония.
Кроме вольфрама, для изготовления пористой перегородки иногда исполь-
зуют порошки молибдена, рения, а также сплавы рения с вольфрамом или сплавы
благородных металлов с вольфрамом.
Процесс изготовления пористых перегородок в виде дисков или колпачков
включает несколько операций: прессование и спекание пористой заготовки
в виде штабика, пропитка штабика медью, механическая обработка для придания
необходимой формы, удаление меди из пор и, наконец, герметизация боковой
поверхности перегородки.
Формование заготовок осуществляется гидростатическим прессованием
порошка вольфрама с добавкой 2% парафина при давлении 1500—1800 кг/см3.
Полученные заготовки помещают в водородную печь и медленно нагревают до
400—500 °C для удаления парафина, затем прогревают до 1700 °C и выдерживают
в течение 2 ч, после чего осуществляют заключительный этап спекания при
2000—2100 °C в течение 20—40 мин.
Пористость заготовок 17—20%; пропитку их медью осуществляют при 1300—
1400 °C в течение 10—20 мин, после чего подвергают механической обработке для
придания требуемой формы. Медь из пор удаляют с помощью разбавленной азот-
ной кислоты с последующим прогреванием в вакууме при 1600—1700 °C.
Под пористой перегородкой помещается активное вещество — карбонат ба-
рия, который в процессе обезгаживания при 800—850 °C разлагается с образова-
нием ВаО. В процессе активирования катода, которое осуществляется его про-
гревом в вакууме при 1150—1200 °G, ВаО взаимодействует с W с образованием
металлического Ва, который перемещается иа рабочую поверхность катода как
вследствие процессов испарения — конденсации, так и путем миграции по стен-
кам пор пористой перегородки. Эмиссия катода остается постоянной до полного
истощения запаса ВаО в камере.
Значения работы выхода камерного катода находятся в пределах 1,48—
1,70 эВ. При рабочей температуре 1150—1200 °C катоды этого типа позволяют
получать плотность эмиссионного тока порядка 10 А/см3.
Основная область применения камерных катодов — электровакуумные
приборы СВЧ — диапазона. Так, в клистронах при плотности эмиссионного
тока 2—5 А/см3 долговечность их составляет более 1000 ч, а при плотности тока
0,4—2 А/см3 3000—5000 ч.
Одним из типов композиционных катодов являются металлопористые прес-
сованные и пропитанные вольфрамо-бариевые катоды. При сохранении многих
общих черт с камерными катодами они позволяют получать несколько большие
плотности эмиссионного тока, что важно для СВЧ-приборов, работающих в ста-
ционарном режиме.
Прессованные и пропитанные катоды представляют собой пористое тело
из тугоплавкого металла, поры которого заполняют активным эмитирующим
материалом.
В случае пропитанных катодов технология изготовления пористой заготовки
полностью аналогична технологии изготовления пористых перегородок камерных
катодов.
В качестве эмиссионно активных материалов используют обычно сплавы
на основе окиси бария, смесей окислов бария и алюминия, бария и титана, ба-
рия и тория, бария и хрома. Наиболее распространены алюминаты и вольфра-
маты бария и кальция. Пропитка пористого тела катода активным веществом
осуществляется в среде водорода при 1700—1800 °C.
При изготовлении прессованных катодов порошки тугоплавкого металла
и активного вещества тщательно перемешивают, прессуют на холоду для при-
дания необходимой формы и затем спекают в восстановительной или инертной
сРеде при температуре, превышающей температуру плавления активного веще-
ства.
Количество активного вещества составляет —10% (по массе); давление прес-
сования 1,5 2,0 ГПа; температура спекания 1700—1900 °C.
237
Прессованные и пропитанные катоды подвергают активированию, в про
цессе которого происходит химическое взаимодействие между активным веще-
ством и восстановителем, и образующийся при этом свободный барий, подобно
камерному катоду, мигрирует на эмигрирующую поверхность.
Работа выхода электронов в катодах этого типа зависит от вида активного
вещества и составляет обычно 1,7—2,4 эВ. В статическом режиме эти катоды
позволяют получать плотность эмиссионного тока порядка 5—40 А/см2, а в им-
пульсном — несколько десятков ампер на 1 см3, т. е. их параметры несколько
выше, чем камерных катодов. Долговечность пропитанных катодов с активным
веществом из алюминатов бария и кальция при плотности тока 0,5—1 А/см2
и 1000—1050 °C составляет 5000—10 000 ч, при плотности тока 4—6 А/см2 и 1150—
1180 °C 500—2000 ч.
В отличие от оксидных пропитанные катоды могут быть использованы в раз-
борных электронных системах, так как они почти не изменяют свои эмиссионные
характеристики после экспонирования на воздухе.
Прессованные и пропитанные катоды используют в лампах бегущей волны,
в магнетронах, клистронах и других системах СВЧ — электроники.
Следующим типом композиционных катодов являются так называемые метал-
локерамические катоды. В принципе они близки к описанным выше прессован-
ным композиционным катодам, однако в качестве активного вещества в них
используются окислы тория или редкоземельных металлов.
Преимущества этих катодов заключаются в высокой устойчивости к электрон-
ной бомбардировке и испарению.
Технология изготовления металлокерамических катодов определяется про-
цессами порошковой металлургии.
Смесь порошков тугоплавкого металла зернистостью 5—10 мкм [65—75%
(по массе)] и окисла тщательно перемешивают, прессуют и спекают при 1500—
2200 °C. С целью облегчения процесса восстановления окислов в состав смесей
обычно вводят восстановитель — бор, углерод, кремний, гексаборид лантана.
Оптимальные результаты были получены при добавлении в смесь ~1% бора.
Активирование катодов осуществляется их прогревом до температуры 1400—
1900 °C в условиях отбора эмиссионного тока.
Рабочие температуры составляют обычно 1300—1500 °C, при этом эмиссион-
ный ток 0,5—1,5 А/см2.
Катоды этого типа используют обычно в магнетронах, в частности работающих
в импульсном режиме.
5.3.	Катоды из материалов
на основе тугоплавких соединений
Особую группу катодных материалов представляют тугоплавкие соединения
переходных и редкоземельных металлов с неметаллами — бором и углеродом.
Эти материалы характеризуются высокими температурами плавления,
высокой твердостью и износостойкостью, малыми скоростями испарения, высокой
электро- и теплопроводностью, сравнительно высокой стойкостью к окислению,
что в сочетании с относительно невысокими значениями работы выхода электро-
нов позволяет использовать их в разборных электроннолучевых системах повы-
шенной мощности.
Применение их наиболее целесообразно в тех случаях, когда либо допустимы,
либо необходимы высокие рабочие температуры катодов при необходимости
получения высоких плотностей эмиссионного тока, а также в условиях интенсив-
ной ионной бомбаридировки.
В табл. 5.3 приведены сравнительные термоэмиссионные характеристики
некоторых высокотемпературных катодов.
Из приведенных данных видно, что LaBe по своим характеристикам значи
тельно превосходит металлические катодные материалы.
В табл. 5.4 приведены эмиссионные характеристики ряда тугоплавких соеди-
нений, наиболее часто применяемых в катодной электронике.
238
ТАБЛИЦА 5.3
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КАТОДОВ [5]
Материал катода	Эмиссионные постоянные		Темпе- ратура, К	Плотность тока эмиссии, А/см2	Мощность накала, Вт/см2	Срок службы, ч
	<р, эВ	постоянная Ричардсона, А/(см2«К2)				
W	4,54	60	2400	0,12	57,7		
			2500	0,30	69,8	
			2600	0,70	83,8	10 000
			2700	1,60	99,6	—
W—Th	2,63	3	1700	0,287	10,62	—.
			1800	0,772	14,19	1000
			1900	1,59	18,64	—
			2000	2,89	24,04	—
			2100	3,43	30,5	—
Та	4,12	37	2300	0,25	42,23	—
			2400	0,65	51,27	10 000
			2500	1,40	62,38	—•
Nb	3,99	29	2200	0,19	31,6	—
			2400	1,33	44,3	—
LaB6	2,6	29	1700	1,0	30	70 000
			1800	3,0	40	7000
			1900	8,5	—	800
			2000	25,2	—	100
ТАБЛИЦА 5.4
ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ
ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ [4]
Соединение	Работа выхода электронов		Постоянная Ричардсона, А/(см2.К2)
	То, эВ	1	5<₽ т ч>7’-<₽о+_аГ' т	
СаВв	2,86			2,6
SrB6	2,67	2,67+ 2,5-10- 4 Т	0,14
BaBfi	3,45	3,45+ 7,5-10-4 Т	16
YB66	3,45	3,58+ 1,8-10-4 Т	1,77
LaBfi	2,68	2,68+ 1,4-Ю'4 Г	29
СеВ»	2,93	3,05+ 6,46-10-6 Т	3,6
PrB 6	3,46	3,46+ 2,5-10”4 Т	300
NdB6	3,97'	3,97+ 1,6 -10- 4 Т	420
SmBfi	4,4	—	—•
EuBg	4,9	—	—
GdBg	2,58	2,59-- 2,15-10'4Т	10
TiC	3,6	3,6-- 1 • 10-4 Т	—.
ZrC	3,2	3,24— 2-10-4 Т	8
HfC	3,0	2,98-- 5-10-4 Т	1,8
NbC	4,1	4,1 — 2,5-Ю"4 Т	—
ZrB2	3,67	3,67+ 2 • 10-4 Т	0,5
—			
239
ТАБЛИЦА 5.5
СКОРОСТЬ ИСПАРЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Соединение	Температура, К	Скорость испаре- ния, кг/(м2-с)	Давление пара, Па 	
			металла	неметалла
TiC	2773	1,0 • ю-3	1,3	1,3
ZrC	2773	2,5-10-5	2,7-10“2	7,0-10-2
	2873	6,7-10~5	6,6-ю-2	2,0-10_ 1
	2973	3,5-10"4	3,4-10-1	3,0-ю-1
	3073	6,4-10-4	6,3-10-1	7,0 -10"1
	3173	1,9 • 10-3	2,0	6,0
HfC	2773	1,0-10“5	1,0-10-’	2,0-10-2
	2873	2,7-10"5	2,3- IO'2	4,0-IO’2
	2973	7,7-10-6	6,7-10-2	1,8-Ю-1
	3073	3,3-10’4	3,0-ю-1	6,0-Ю-1
	3173	6,7-10-1	6,0-10’1	1,1
NbC	2773	6,5-10"6	7,0-10-3	1,3-10-2
	2873	2,0-10~5	4,0-10-2	5,0-10-2
	2973	6,0-10-5	7,0 • 10“2	1,4-10-1
	3073	2,0-10-4	2,5-10-1	4,9-10“1
	3173	5,9-IO’4	7,0-10-1	1,4
TaC	2973	1,2-10-6	1,0-ю-2	1,0-10-2
	3073	4,0-10-6	3,0-ю-2	2,5-10-2
	3173	7,4-10-6	5,0-10-2	4,8-10-2
	3273	2,2-10-4	2,0-10"1	2,0-10-1
	3373	1,2-Ю-3	1,0	1,0
LaB6	1893	2,6-10-е	2,5-IO'3	1,5-10-®
	1993	1,5-10-в	1,5-10-’	9,0-10-3
	2083	1,1 -10"4	1,1 -10"1	6,6-10-2
	2193	1.6-10"4	1,6-Ю’1	9,8-10-2
LaB6	2083	1,11-10-6	1,1 -10“4	6,6-ю-4
	2153	1,06-10-4	7,4-10-3' •	—
	2208	2,12  10-4	2,4-10-2	—
Несмотря на сравнительно высокие значения работы выхода электронов,
тугоплавкие соединения могут работать при весьма высоких температурах, обес-
печивая необходимые плотности эмиссионного тока.
В табл. 5.5 приведены данные о скорости испарения ряда тугоплавких соеди-
нений.
Катодные элементы на основе тугоплавких соединений в настоящее время
успешно испытаны и используются в установках для электроннолучевой сварки
и плавки металлов, в ускорителях заряженных частиц, в электронных микроско-
пах различных систем, в устройствах для непосредственного преобразования
тепловой энергии в электрическую, в газоразрядных приборах.
Из всех тугоплавких соединений в качестве материала термокатодов в настоя-
щее время наибольшее распространение и применение нашел^гексаборид лан-
тана LaBe.	"	|
Порошок LaB„ обычно получают восстановлением окиси лантана бором или
углеродом в присутствии борсодержащих веществ в соответствии с реакциями
2La2O3 J 3OB->4LaBo ЗВаО2
240
или
La2O3 3B4C->2LaB5 -j- ЗСО.
Процесс проводят в вакууме при 1600—1700 °C,
Первый процесс является предпочтительным, так как позволяет избежать
загрязнения продуктов углем. Углерод является одной из наиболее вредных
примесей в гексабориде лантана, так как при высоких температурах в присутствии
угля может происходить образование карбида лантана ЬаС2, который разлагается
во влажном воздухе. Вследствие того что молекулярный объем продуктов его раз-
ложения выше, чем исходного карбида лантана, этот процесс приводит к растре-
скиванию и рассыпанию изделий из гексаборида лантана.
Эмиссионные характеристики LaBe весьма сильно зависят от состава и сте-
пени чистоты полученного материала. Чем чище материал и чем ближе его состав
к стехиометрическому, тем выше термоэмиссионные характеристики.
В качестве катодного материала гексаборид лантана используется в виде
порошка, компактных изделий и покрытий.
При использовании гексаборида лантана в виде порошка последний наносят
на металлический (обычно молибденовый или танталовый) керн с помощью
связки — раствора нитроклетчатки в амилацетате. При рабочих температурах
катода (1600—1700 °C) происходит припекание порошка. Срок службы таких
катодов обычно определяется взаимодействием гексаборида лантана с металличе-
ской подложкой и составляет 500—1000 ч. Однако вследствие невысокой механи-
ческой прочности припеченного к подложке покрытия в таких конструкциях ка-
тодов не реализуется основное достоинство гексаборида лантана — его устой-
чивость к воздействию ионной бомбардировки.
Большое распространение получили катодные элементы из компактного
гексаборида лантана. Существует два основных способа их изготовления — с ис-
пользованием процессов порошковой металлургии и с использованием процес-
сов плавки.
Изделия из порошка могут быть изготовлены следующими основными ме-
тодами:
1.	Холодное прессование порошка под давлением 0,4—0,7 ГПа с последу-
ющим спеканием при 1900—2100 °C в вакууме или в защитной среде. Этот процесс
позволяет получать изделия с пористостью до 10—15%.
2.	Горячее прессование порошка под давлением 0,02—0,04 ГПа при 2000—
2200 °C в графитовых прессформах. Пористость изделий при этом обычно состав-
ляет 0—5%.
Чем меньше пористость материала, чем он чище, чем выше прочность меж-
частичныХ контактов и чем совершеннее структура границ зерен, тем больше
срок службы катодов и тем стабильнее их характеристики. С этой точки зре-
ния наибольший интерес представляют катодные элементы из LaBe, изготовлен-
ные методом плавления.
3.	Плавление LaBe. Основной особенностью процесса плавки LaBe является
недопущение загрязнения его материалом тигля. При температуре плавления
(~2800 °C) LaB6 взаимодействует практически со всеми огнеупорными материа-
лами, вследствие чего метод плавки в горячем тигле для него неприемлем.
Плавку LaB6 осуществляют либо в дуге в холодном охлаждаемом тигле, либо
бестигельным методом с использованием индукционного или лучистого нагрева.
Наиболее целесообразным является метод индукционного нагрева, так как в этом
случае исключается локальный перегрев поверхностного слоя материала, который
может привести к’интенсивной диссоциации и испарению LaBe. Кроме того,
использование индукционного нагрева для'бестигельной зонной плавки позво-
ляет очищать материал от вредных примесей. Этот метод применяют также и для
выращивания монокристаллов LaBe, которые пока не нашли широкого примене-
ния, но весьма перспективны для использования в точечных электроннолучевых
источниках повышенной яркости [до 10е А/(см2-с)], в частности в системах рас-
тровых электронных микроскопов.
Данные скорости распыления катодов из LaB6 под действием бомбардировки
ионами Аг’ в зависимости ог пористости материала катода приведены в табл. 5.6.
241
ТАБЛИЦА 5.6
РАСПЫЛЕНИЕ LaBe ПОД ДЕЙСТВИЕМ БОМБАРДИРОВКИ
ИОНАМИ АРГОНА [1]
Материал	Пори- стость, %	Потеря массы, мг/см2, за время, ч			
		40	80	120	160
Прессованный и спеченный	15	8,5 ’	8,7	8,8	9,0
Горячепрессованный	4	7,0	7,2	7,3	7,5
Плавленый	0	2,8	3,0	3,0	3,1
Вследствие того что LaBe является хрупким и непластичным материалом, ка-
тодные элементы требуемой формы изготавливают обычно с использованием спо-
собов электроэрозионной и алмазной обработки. По этой же причине катодные
узлы с эмиттирующими элементами из LaBe конструируются обычно примени-
тельно к простейшим формам этих элементов в виде плоских дисков, стержней,
цилиндров.
Наибольшее распространение катоды из LaBe нашли в установках для элек-
троннолучевой сварки металлов.
К катоду сварочной пушки предъявляются чрезвычайно высокие требования,
определяемые неблагоприятными условиями его работы.
Процесс сварки сопровождается интенсивным испарением свариваемого
металла, который при попадании на разогретый катод может образовывать с ма-
териалом катода легкоплавкие эвтектики. Это приводит к нарушению поверхности
катода и искажению фокусировки электронного луча. Кроме того, вследствие
сравнительно невысокого вакуума (порядка 100 мПа) катод подвергается интен-
сивной ионной бомбардировке.
Во избежание загрязнения поверхности катода свариваемыми металлами тем-
пература катода обычно поддерживается на уровне 1900—2000 °C. Срок службы
металлических катодов в этих условиях составляет менее одного часа, в то время
как катоды из LaBe работают в течение десятков часов. Стабильность работы этих
катодов, как это отмечалось выше, очень сильно зависит от способа их изготов-
ления. Так, величина спадания тока пучка за первый час работы пушки состав-
ляет для спеченных катодов 13—14%, для горячепрессованных 4,5—5%_и для
плавленых <3,5%.
Катодные элементы, используемые в серийных электроннолучевых свароч-
ных пушках типа У-250 [5], имеют обычно форму диска толщиной 1—1,5 мм
и диаметром от 4,7 до 8 мм. Разогрев катода до рабочей температуры осуществ-
ляют электронным лучом.
В электроннооптических системах обычно используют стержневые катоды
из гексаборида лантана с радиусом закругления при вершине порядка 10 мкм.
Разогрев их осуществляют либо электронной бомбардировкой, либо с по-
мощью контактного нагревателя из пиролитического графита. Эти катоды пре-
восходят шпилькообразные вольфрамовые катоды по яркости и стабильности
электронного луча, а также по сроку службы. Так, при средней плотности тока
эмиссии 1,6 А/см2 в вакууме 1 мПа катод из LaBe не изменяет своих рабочих пара-
метров в течение 900 ч [6].
Катоды из LaBe используют в ускорителях заряженных частиц, в которых
требуются высокая устойчивость катода к воздействию ионной бомбардировки
И высокая электрическая прочность материала катода; срок службы их возра-
стает в десятки раз по сравнению с металлическими.
Развитие промышленной технологии изготовления катодных элементов из
LaBe обусловливает расширение их применения в самых различных областях
электронной техники.
242
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Термоэлектрические катоды. Г. А. Кудинцева, А. И. Мельников, А. В. Мо-
розов, Б. Н. Никонов. — М.: Энергия, 1966. 366 с ил.
2.	Амосов В. М., Карелин Б. А., Кубышкин В. В. Электродные материалы на
основе тугоплавких металлов. — М.: Металлургия, 1976. 223 с.
3.	Свойства элементов. Справочник. Ч. 1. Физические свойства. —М.: Метал-
лургия, 1976. 599 с.
4.	Фоменко В. С., Подчерняева И. А. Эмиссионные и адсорбционные свойства
веществ и материалов. —М.: Атомиздат, 1975. 320 с.
5.	Чвертко А. И., Назаренко О. К., Свитский А- Й4., Некрасов А. И. Обору-
дование -для электронно-лучевой сварки. — Киев: Наукова думка, 1973.
165 с.
6.	Кунацкий Ю. А., Морозов В. В., Шлюко В. К- Высокотемпературные элек-
тродные материалы. — Киев: Вища школа, 1977. 261 с.
6.	РЕЗИСТОРЫ
Резисторы являются наиболее широко используемыми элементами электрон-
ной техники. Они представляют собой широкий класс дискретных элементов,
принцип действия которых основан на способности токопроводящих материалов
сохранять неизменным или незначительно изменять свое электросопротивление
под действием различных внешних факторов — температуры, среды, приложен-
ного напряжения.
По конструкции и используемым материалам резисторы могут быть разделены
на следующие группы:
1.	Углеродистые, проводящий элемент которых представляет собой пленку
пиролитического углерода, нанесенную на диэлектрическую основу.
2.	Металлопленочные и металлоокисные с проводящим элементом из
сплавов или окислов металлов.
3.	Проволочные.
4.	Полупроводниковые.
5.	Композиционные, состоящие из гетерогенной системы, один из компонентов
которой является проводящим.
Последняя группа представляет наибольший интерес, так как именно в таких
системах имеется возможность изменением состава композиций и технологии их
изготовления получать очень широкий спектр электрических характеристик.
Основными параметрами резисторов являются следующие:
1.	Номинальное значение электросопротивления. Для непроволочных рези-
сторов установлен ряд значений сопротивления от 1 Ом до 1 ТОм.
2.	Номинальная мощность рассеяния — допустимая мощность,которую ре-
зистор может рассеивать при непрерывной электрической нагрузке и при опре-
деленной температуре окружающей среды без изменения своих характеристик.
3.	Температурный коэффициент сопротивления (ТКС)— один из важней-
ших параметров оценки температурной стабильности резистора, определяющий
его работоспособность в определенном интервале температур, так как от значения
ТКС зависит допустимый предел нагрева резистора.
4.	Коэффициент электростарения —относительное изменение характеристик
резистора в процессе его работы.
5.	Коэффициент напряжения — относительное изменения характеристик
резистора в зависимости от приложенного напряжения.
6.	Влагостойкость — относительное изменение характеристик резистора
после длительного пребывания в среде с высокой влажностью. Это одна из важ-
нейших эксплуатационных характеристик.
7.	Шумы резисторов. В композиционных резисторах вследствие непостоян-
ства точечных контактов между проводящими частицами возможны колебания
сопротивления, приводящие к возникновению переменной э. д. с., называемой
э- Д. с. шумов.
243
Все указанные параметры, а следовательно, и стабильность резисторов
в значительной степени определяются свойствами токопроводящей фазы —
значениями удельного сопротивления, ТКС, коэффициента термического расши-
рения, теплопроводности, механической прочности частиц, химической устой-
чивостью по отношению к окружающей среде, термодинамической устойчивостью
по отношению к другим материалам — компонентам резистора.
Кроме токопроводящей фазы, в состав композиционных резисторов входят
органический или неорганический связывающий компонент, наполнители, пла-
стификатор и отвердитель. Свойства этих материалов также влияют на рабочие
характеристики резисторов. Одним из важных параметров является соотношение
между коэффициентами термического расширения компонентов резистора, так
как даже при незначительных нагревах резистора происходит относительное
изменение объема его составляющих и, как следствие, изменение числа и харак-
тера токовых контактов токопроводящей фазы. Это в свою очередь влияет на
значение и стабильность ТКС всего резистора, а также создает флуктуации
контактных сопротивлений, т. е. является причиной возникновения э. д. с.
шумов.
На свойства резисторов влияет также ряд технологических факторов —
форма и размеры частиц компонентов, соотношение между количеством компо-
нентов, степень равномерности их распределения по объему резистора. Чем
меньше размер частиц, чем ближе их форма К сферической, чем равномернее
состав смеси, тем выше эксплуатационные характеристики резисторов.
До последнего времени наиболее распространенным материалом проводя-
щего компонента резистора являлись графит или сажа, а связующих — стекло-
эмалевые флюсы, фенольные, алкидные и силиконовые смолы. Для повышения
теплопроводности, механической прочности, термостойкости, влагостойкости
в состав композиций вводят наполнители — корундовые микропорошки, окись
хрома, двуокись титана, двуокись циркония, сернокислый барий, тальк, слюдя-
ную или фарфоровую муку.
Технологический процесс изготовления терморезисторов состоит из сле-
дующих этапов:	.
подготовка порошков исходных компонентов, создание необходимых форм
и дискретности частиц;
смешивание шихты в пропорциях, требующихся для получения необходимых
параметров резистора, с одновременным дополнительным измельчением порошков;
спекание резисторов, которое обычно осуществляется способом горячего
прессования при изготовлении объемных резисторов, или нанесение смесей на
диэлектрические подложки с последующим спеканием при изготовлении толсто-
пленочных композиционных резисторов.
Основные характеристики композиционных объемных резисторов, выпускае-
мых в СССР и в США, приведены в табл. 6.1.
Однако резисторы на сажевой основе не удовлетворяют всем требованиям,
предъявляемым к ним современной техникой. Эти резисторы, особенно низкоом-
ные, обладают невысокими термостойкостью (до 160 °C) и влагостойкостью (коэф-
фициент увлажнения достигает 7% вследствие высокой сорбционной способности
сажи), высоким значением ТКС (до 15 X 10"4 К-1), заметным старением при дли-
тельной нагрузке; кроме того, малейшие отклонения в технологическом процессе
их изготовления приводят к невоспроизводимости их характеристик.
В связи с этим все большее применение находят спеченные резистивные ком-
позиции, в качестве проводящих компонентов которых используют металлы, их
сплавы и соединения.
Физические принципы выбора материалов для использования в качестве про-
водящей фазы резисторов обобщены в монографии [1].
Основное требование к резисторам (термостабильность) может быть обеспе-
чено в том случае, когда проводящая фаза представляет собой материал с боль-
шой долей ковалентной составляющей межатомной связи, высоким значением
модуля жесткости, высокой концентрацией носителей тока и малой их эффектив-
ной массой. Кроме того, материал должен иметь по возможности меньшее коли-
чество микро- и макронеоднородностей, макродефектов — вакансий, дислокаций,
нарушений межзеренных границ, микротрещин.
244
ТАБЛИЦА 6.1
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ И ПАРАМЕТРЫ ОБЪЕМНЫХ РЕЗИСТОРОВ [1-3]
Тип	Назначение	Номинальные значения		ТКС, i о—4 к-1	Максимальная рабочая тем- пература, °C	Уровень шу- мов, мкВ/В	Коэффициент старения, %
		сопротивле- ния, Ом _	МОЩНОСТИ, Вт				
тво *	Теплостой- кие	3—1 - 10е	0,125— 60	6-12	80	10	3
СПО *	Переменные	17—4  102	0,15—2,0	8-12	80	5-25	6
Дефар *	Высоко- вольтные	Ю—6-10е	0,2—1,0	15	120	—	3,3
СП4 *	—	47—4,7- 10е	0,25—0,5	6,4	—	3—6	—
Объемные постоян- ные **	—	2,7—100-10°	0,1—4,0	6,3—19	70	—	—
Объемные перемен- ные **	—	50—5-10°	0,2-3,0	2—12	—	—	—
* Производятся в СССР.
•• Производятся в США.
ТАБЛИЦА 6.2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУГОПЛАВКИХ МАТЕРИАЛОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ РЕЗИСТОРОВ [41
Фаза	Удельное сопротивле- ние, кОм-м	Коэффициент термического расширения, Ю-e K-i	Термический коэффициент сопротивления	
			10-», к-1	интервал температур, °C
TiC	467	8,5	1,75	20—1000
ZrC	436	7,0	1,58	20—1000
HfC	359	6,6	1,4	20—1000
VC	657	6,2	0,5	20—600
NbC	400	6,5	1,32	20—400
TaC	300 ’	6,5	1,23	20—400
Cr3C2	942	И,7	0,47	20—700
Mo2C	626	6,4	0,23	150—1000
WC —	175		4,4	20—400
245
Продолжение табл. 6.2
Фаза	Удельное сопротивле- ние, кОм.м	Коэффициент термического расширения, Ю-е к-1	Термический коэффициент сопротивления	
			to-®, К-1	интервал температур, °C
TiBa	166	5,5	2,0	20—400
ZrBg	147	6,9	2,4	20—250
HfB2	124	5,7	1,8	20—1000
VB2	176	7,5	2,2	20—1000
NbBa	400	7,9	1,97	20—300
TaB2	374	5,1	1,4	20—300
СгВа	270	И,1	1,75	20—300
МоаВБ	232	—	1,7	20—300
W2B6	456	—	1,6	20—150
FeaB	240	—	2,7	20—600
Со2В	170	—	0,9	20—200
NiaB	120	—	0,9	20—1000
VSi2	640	12,0	2,2	20—300
NbSi2	525	10,6	3,4	20—200
TaSi2	410	10,2	0,5	300—1000
MoSi2	216	8,3	3,3	20т—200
WSi2	167	7,3	1,87	20—400
TiC015	1430	—	2,48	20—1000
TiCo.es	966	—	4,2	20—1000
NbC0>74	1000	—	1,8	20—1000
NbC0,gl	510	—	8,0	20—1000
Zro.gWo, 1C	850		8,1	20 1000
	1650	—	3,0	20 1000
^0,7 Wo.3^	1750	—	2,0	20—1000
v0,8w0.2c	750	—	2,6	20—1000
V0,8W0,4C	850	—.	1,2	20—1000
Vo,4Wo,eC	900			0,9	20—1000
T’o.aWo.iG	900	—.	0,75	20—1000
Vo»2^0f8^	650	—	2,5	20—1000
^10,8^0.2^	2000	—	1,1	20—1000
	3000	—	—0,59	20—1000
Hfo.sWo.^C	3150	—	—1,2	20—1000
Hfo,4Wo,eC	3200	—	1,0	20—1000
Hfo.aWo.gC	300	—	14	20—1000
1 а0.8^0,2^-	700	—	5,5	20—1000
1 аО«6^о»4(-*	1000	—	3,0	20—1000
Ta014W0)6C	1450	—	1,2	20—1000
1 ao,sWo.7C	1500	—	—0,54	20—1000
1 ao.aWo.gC	500			5,0	20—1000
^bo,4 W0,6C	.				4,7	20—1000
Tio.sMoo.jC	—			7,7	20—1000
^°0.8^0,2^			7,0	20—1000
246
Этим требованиям в достаточно большой степени удовлетворяют тугоплавкие
соединения переходных металлов с В, С, N, Si, а также их псевдобинарные твер-
дые растворы.
В табл. 6.2 приведены основные характеристики ряда тугоплавких соедине-
ний, представляющих интерес с точки зрения их использования в качестве про-
водящей фазы резисторов.
Так как в процессе изготовления токопроводящих слоев резисторов мате-
риалы подвергаются воздействию высокой температуры, они должны быть устой-
чивы на воздухе при температурах спекания (300—900 °C). Наиболее устойчи-
выми в этих условиях являются силициды молибдена и хрома, борид вольфрама,
карбид хрома, а также сложные сплавы карбидов на границе и вблизи границы
существования однофазных твердых растворов.
Второй важной составляющей композиционных резисторов является связка.
К материалам связки предъявляют следующие требования:
соответствие коэффициента термического расширения, что определяет проч-
ность и целостность резистивного слоя и обеспечивает стойкость к воздействию
термоциклов;
температура размягчения связки должна быть ниже температуры разложе-
ния проводящей фазы;
связка не должна взаимодействовать с проводящей фазой при температурах
изготовления резисторов;
связка должна быть влагостойкой.
В качестве связки могут быть использованы различные органические ма-
териалы — смолы, пластмассы. Их недостаток — низкая теплостойкость и термо-
стабильность, в связи с чем в последние годы они все чаще заменяются неоргани-
ческими связками на основе легкоплавких боросиликатных стекол. Типичные
составы неорганических связок и некоторые их характеристики приведены
в табл. 6.3.
ТАБЛИЦА 6.3
СОСТАВ И СВОЙСТВА СТЕКОЛ, ПРИМЕНЯЮЩИХСЯ
В качестве СВЯЗОК
Марка	Состав, % (по массе)						Температура размягче- ния, °C	коэффициент грмическо- э расши- еиия, 0-е к-1		Плотность, 10е кг/ма
	SiO2	B2O3	А1аОа	ВаО	MgO	СаО				
									И Ьи а.-1	
с	4,3	18,5			77,1					580		9,8	4,46
С-2	15,0	10,0	10,0	65,0	—	— ’	620		8,2	4,22
С-3	20,0	8,0	12,0	60,0	—	—	650		7,3	4,01
С-4	24,0	7,0	14,0	55,0	—	—	680		6,8	—
«Min»	24,8	16,0				—.	59,2	700		5,9	2,6
В а—Mg	42,8	9,0	13,2	29,8	5,2	—	—		—	—
Cd *1	40,1	8,5	12,4	—.	—							—-
Mg-Са	52,5	П,1	16,2	—	5,2	15,1	—		—	—
Sr—Mg *2	46,6	9,8	14,4	—	4,5	—				—	—.
Пирекс *3	81,0	12,0	2,0	—	—	0,5				—	—
Са—Ba	41,9	8,8	12,9	29,2	—	7,1	650		9,0	3,7
39% Cd. *2 24,7% SrO. *3 4,5% Na2O.
Третьей составляющей композиционных резисторов является наполнитель.
исновная роль наполнителя — «разбавление» токопроводящей фазы для полу-
чения смесей с требуемыми значениями электрического сопротивления. Кроме
247
того, наполнитель играет роль упрочняющего элемента в композициях, а также
в ряде случаев участвует в физико-химических процессах, проходящих при спе-
кании резистивных смесей.
Основные требования к материалу наполнителя — высокое значение элек-
трического сопротивления, термодинамическая стабильность, отсутствие взаимо-
действия с материалами токопроводящей фазы и связки, возможность получения
в виде мелкодисперсного порошка с большой удельной поверхностью.
Экспериментально установлено, что размер частиц упрочняющей фазы дол-
жен быть в 20—250 раз меньше размера частиц проводящей фазы. Обычно исполь-
зуют порошки крупностью 0,01—1,0 мкм.
В качестве наполнителя обычно используют окислы металлов, а также ни-
триды бора и алюминия.
Основные характеристики наполнителей приведены в табл. 6.4.
ТАБЛИЦА 6.4
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ-НАПОЛНИТЕЛЕЙ
Материал	Удельное сопротивление, Ом. м	ТКС, !0'К_*	Плотность, 103 кг/м®	Теплопровод- ность, Вт/(м- К)
А120з	3,2- 1012	8,0	3,97	30,14
Сг20з	13	9,6	5,5	—
тю2	3-105	8,19	4,2	6,53
BN	1015	0,5—1,7	2,3	10,0
A1N	1016	4,03	3,27	15 8
Основные характеристики композиционных резисторов — их сопротивле,
ние, стабильность и линейность — определяются не только свойствами состав-
ляющих их фаз, а зависят также от монолитности и плотности проводящего слоя,
от характера межчастичных контактов, от толщины диэлектрических прослоек
между проводящими частицами, от наличия пор и микротрещин. Эти факторы
определяются технологией изготовления резисторов.
Наиболее распространен метод изготовления резисторов, базирующийся на
основных процессах порошковой металлургии — прессовании и спекании порош-
ковых смесей.
Свойства резисторов сильно зависят от дисперсности порошков. Чем меньше
размер частиц, тем равномернее распределение фаз в объеме резистора, тем ста-
бильнее его характеристики, тем легче обеспечить воспроизводимость свойств.
Для измельчения используют шаровые или вихровые мельницы. Перспективным
является использование порошков, полученных методом плазмохимического
синтеза; в этом случае средний размер частиц составляет 0,01—0,1 мкм.
Равномерность механического смешивания зависит от размера и формы ча-
стиц составляющих фаз, их плотности, твердости, характера среды, в которой
осуществляется перемешивание, длительности процесса.
Спекание резистивных композиций осуществляется в присутствии жидкой
фазы, образующейся при нагреве вследствие размягчения и расплавления свя-
зующей составляющей. Для лучшего уплотнения смеси обычно применяют спе-
кание горячим прессованием.
Одним из резисторов на основе тугоплавких соединений является резистор
типа СЧ-1. Исходная смесь состоит из 28—40% Сг23Св, 40—50% борносвинцового
стекла и 10—32% электрокорунда. Номинальное сопротивление этих резисто-
ров 10 Ом, стабильно работают при температурах от —65 до + 350 °C, а также
в условиях относительной влажности до 98% при 40 °C. В интервале температур
20—350 °C ТКС = 2,7-10~4 К"1 коэффициент старения за 400 ч работы при
+ 300 °C не превышает 5,8%.
248
Использование Мо2С в качестве токопроводящей фазы позволяет получать
переменные резисторы объемного типа с эксплуатационными характеристиками,
значительно превосходящими характеристики резисторов СПО на сажевой
основе.
В табл. 6.5 приведены некоторые характеристики резисторов этого типа.
ТАБЛИЦА 6.5
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА МОЛИБДЕЙА
Содержание Мо2С, % (по массе)	Номинальное сопротивление, Ом	ткс, io-* К"1	Коэффициент увлажнения, %	Коэффициент электрической стабильности, %
60	235	—0,4	1,02	—5,6
65	15,2	— 10,9	2,3	—0,13
70	1,4	—6,4	6,6	— 1,82
75	0,27	—8,95	1,45	—10,9
80	0,25	— 1,2	2,8	—7,9
ТАБЛИЦА 6.6
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ
БОРИДОВ МЕТАЛЛОВ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА
Проводящая фаза	Содержание борида, % (по массе)	Номиналь- ное сопро- тивление, Ом	ткс, Ю-4 K-i	Коэффициент увлажнения, %	Коэффициент электриче- ской ста- бильности, %
Fe2B	45	Н,5	26,1	1,1	
Fe2B	55	0,67	38,6	1,4		
Со2В	45	4,57	3,8	7,6	66,7
Со2В	55	0,63	0,1	7,1	6,7
Со2В	85	0,02	1,0	1,0	3,0
Ni2B	45	0,86	20,7	1,1	27,5
Ni2B	60	0,74	8,05	2,5	—4,9
Ni2B	75	0,55	6,11	—2,2	—4,6
ТАБЛИЦА 6.7
ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДОВ
И СИЛИЦИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ
Проводящая фаза	Содержа- ние, % (по массе)	Номинальное сопротивле- ние, Ом	ткс, ю-‘ к-1	Коэффициент увлажнения, %	Коэффициент электрической стабильности, %
Т1Со,5	—37	50	5,0	1,0	2,2
NbC0j74	37	1	5,0	1,0	1,3
1 а0,4^0,8^	84—78	1—10	(-3,9) - (+2,5)	(-3,1)- (+4,4)	6,8—4,5
Vo,4WMC	45—55	15	(-1,8)- (+2,2)	( 0,4)- (20,9)	(-2,4) ( 6,1)
^00,8^0,2^2	—37	(5—6) 10е	7,0	(-0,2) - (-0,7)	—
249
Подобного типа низкоомные резисторы созданы на основе боридов металлов
группы железа (табл. 6.6).
Резисторы этого типа устойчиво работают вплоть до 300 °C.
Высокими техническими характеристиками обладают резисторы, содержа-
щие в качестве проводящей фазы карбиды и силициды тугоплавких металлов
и их взаимные твердые растворы. В табл. 6.7 приведены некоторые их свойства.
В табл. 6.8 приведены сравнительные характеристики резисторов, в которых
использованы порошки проводящей фазы и наполнителей, полученные как тра-
диционным способом (крупность частиц 5—10 мкм), так и плазмохимическим (круп-
ность частиц 0,04—0,1 мкм).
ТАБЛИЦА 6.8
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЗИСТОРОВ *
Способ измельчения порошков проводящей фазы	Номинальное сопротивле- ние, Ом	ткс, ю-« к-1	Коэффициент увлажнения, %	Коэффицие ит электриче- ской стабиль- ности, %
Традиционный (механи- ческий) 	 Плазмохимический . .	428 37,3	— 10,9 —9,2	35,8 3,33	4,85 2,2
* Состав резисторов, %: VN 45; A1SOS 12, стекло С-343.
Эти данные показывают перспективность создания новых типов резисторов
на основе тонкодисперсных материалов.
Практически все резисторы на основе тугоплавких соединений относятся
к низкоомной группе, т. е. к резисторам тех типов, стабильность и воспроизво-
димость которых на сажевой основе весьма невысока.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Гребенкина В. Г., Юсов Ю. П., Сорокин В. Н, Объемные резисторы. — Киев:
Паукова думка, 1976. 210 с.
2.	Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В. Технология производства резисторов. —
М.: Высшая школа. 1972. 312 с.
3.	Мартюшов К. И., Зайцев Ю. В. Резисторы — М.: Энергия, 1966. 216 с.
4.	Самсонов Г. В., Винницкий И. М. Тугоплавкие соединения. — М.: Металлур-
гия, 1976. 558 с.
7. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ
В ряде отраслей промышленности для термической обработки металлов и
сплавов, спекания и обжига керамики, варки и отжига стекла, пайки металличе-
ских и неметаллических материалов используют электрические печи сопротив-
ления. По сравнению с промышленными печами, работающими на газообразном,
жидком или твердом топливе, электрические печи сопротивления обеспечивают
более равномерное распределение температур в рабочей зоне, большую точность
регулирования температуры, а также контролируемый состав газовой среды.
Материалы для электронагревателей должны обладать комплексом свойств,
обеспечивающих стабильную эксплуатацию печей сопротивления в заданном
250
ТАБЛИЦА 7.1
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ [11
Наименование материала	Химический состав, % (по массе)		Удельное электриче- ское сопротивление, Ом. см	Макси- мальная рабочая темпера- тура, °C	Рабочая среда
Сталь 20Х25Н20С2	23—27 Сг; 17—20 Ni; 2—3 Si; 50—53 Fe		92-10-®+ 38-10- Ч	800	Воздух
Сталь 20Х23Н18	22—25 Сг; 17—20 Ni; 53—57 Fe		90-10-6 + 40-10-	800	»
Сталь ЭИ595 Сталь ЭИ626	‘ 21,2— 23,5 Сг; 4,3—4,8 Al; С < 0,05		140-10-6+ 5-10-8/ 140-10-6+ 5-Ю-8/	1150 1250	» »
Нихром Х15Н60	15—18 Сг; 55—61 Ni; 22—27 Fe; С <0,15		110-10-®+ 14-Ю-9/	950	»
Нихром Х20Н80	20—23 Сг; 75—78 Al; Fe < 1,5; С <0,15		110-10-®+ 8-Ю-9/	1100	»
Нихром Х20Н80ТЗ	19—23 Сг; 69—75 Ni; 2,0—2,9 Ti; 0,4—1,1 Al; Fe < 2,5; 0,5 Mn		127-10-6+ 4-Ю-»/	1150	»
Фехраль Х13Ю4	12—15 Cr; 3,5—5,5 Al; 80—83 Fe; C<0,15		126-10-6+ 6-Ю-9/	700	»
Платина	Pt:	> 99,9	П-10-8 (20 °C)	1500	»
Тантал	Ta:	> 99,9	33-IO'6 (200 °C)	2500	Вакуум
Вольфрам	w:	> 99,9	5,0-10-® (20 °C) 33-10-® (1000 °C) 50-Ю-6 (1500 °C)	3000 2000	» Водород
Молибден	Mo;	> 99,9	5,0-10-6 (20ос) 34-10-® (1000 оС) 50-10-«(1500 °C)	1650 2000	Вакуум Водород
Карбид кремния Дисилицид молибдена	SiC > 97,0 MoSi2 > 95,0		(8—19)-10-2 (20 °C) 0,3-10-6 (20 °с) (2,4—2,5)-10-6 (1100 °C)	1600 1800	Воздух »
Графит	C >	99,9	(8—13)-10- « (20 °C)	2000— 3000	Вакуум
251
интервале температур, как правило, без использования защитных газовых сред
или со строго контролируемым их составом.
Основные из свойств:
1.	Заданное значение электрической проводимости, определяемое параме-
трами источника питания электропечи.
2.	Низкий температурный коэффициент электросопротивления.
3.	Отсутствие фазовых превращений в ходе эксплуатации.
4.	Химическая стойкость по отношению к окружающей среде.
Для работы в восстановительных и нейтральных газовых средах, а также
в вакууме используют нагреватели из тугоплавких металлов (W, Мо, Та) и из
графита. В этих условиях они могут эксплуатироваться до 2500—3000 °C. В окис-
лительных средах и на воздухе в качестве электронагревательных элементов могут
работать платина (до 1500 °C), а также некоторые жаростойкие стали и сплавы.
Однако максимальная рабочая температура последних не превышает 1250 °C.
Для работы в окислительных средах при более высоких температурах метал-
лические материалы (за исключением платины) непригодны из-за катастрофически
быстрого окисления их в этих условиях и вследствие высокой ползучести.
Поэтому наиболее перспективны нагреватели из спеченных материалов на
основе некоторых электропроводных тугоплавких соединений, обладающих вы-
сокой стойкостью против окисления. Среди такого рода соединений в первую
очередь следует отметить карбид кремния (SiC) и дисилицид молибдена (MoSi2).
В табл. 7.1 даны некоторые характеристики, которые позволяют оценить
специфические области применения как металлических, так и спеченных из туго-
плавких соединений материалов для электронагревателей. .
Как следует из данных, приведенных в табл. 7.1, максимальную температуру
эксплуатации на воздухе имеют нагреватели из карбида кремния и дисилицида
молибдена. Высокая стабильность этих нагревателей определяется тем, что при
работе в кислородсодержащих газовых средах на их поверхности образуется
защитный слой кремнезема SiO2, препятствующий диффузии кислорода в ма-
териал.
В настоящее время в СССР и за рубежом серийно выпускают нагреватели
различной конфигурации и габаритов из SiC и MoSi2. Следует отметить, что кар-
бидкремние.вые нагреватели применяют более широко из-за их относительно
невысокой стоимости и высокой стабильности при рабочих температурах (1200—
1500 °C). Как полупроводник SiC обладает достаточной электрической прово-
димостью и низким температурным коэффициентом электросопротивления.
Дисилицидмолибденовые нагреватели используются для работы в окислительной
атмосфере при более высоких температурах (до 1800 °C), однако стоимость их
значительно выше и эксплуатация существенно сложнее из-за большей чувстви-
тельности дисилицида молибдена к колебаниям температуры.
7.1. Карбидкремниевые нагреватели
Карбидкремниевые нагреватели в СССР серийно выпускают Подольский
и Запорожский заводы огнеупорных изделий и завод «Магнезит». Типы, конструк-
тивные особенности, габариты, свойства, методы контроля и испытаний регламен-
тированы ГОСТ 16139—76 «Электронагреватели карбидкремниевые для печей
сопротивления».
Производят карбидкремниевые электронагреватели (КЭН) следующих типов:
КЭН А — трубчатые с утолщенными выводами (рис. 13);
КЭН Б — сплошные с выводами, пропитанными металлическими сплавами
для снижения электросопротивления (рис. 14);
КЭН БС — сплошные с приставными выводами, пропитанными металличе-
скими сплавами (рис. 15);
КЭН^ВП — трубчатые с выводами, пропитанными легированным кремнием
(рис. 16).
Нагреватели делят на две группы — с более низким (Н) и более высоким
(В) электросопротивлением.
252
L
Рис. 13. Электронагреватель типа КЭН А:
1 — активная часть; 2 — вывод; 3 — пробка
1 — активная часть; 2 — вывод
Рис. 15. Электронагреватель типа КЭН БС:
1 — активная часть; 2 — вывод; 3 — приставная часть вывода
075±7
Рис. 16. Электронагреватель типа КЭН ВП:
1 -*• активная часть; 2 — вывод; 3 — застывший металл
253
Карбидкремниевые нагреватели изготавливают способом мундштучного
формования или вибротрамбовки шихты, состоящей из карбида кремния зеленого
(КЗ), небольших добавок (до 1,5%) ламповой сажи и связующего (жидкоестекло
или бакелит), с последующим силицирующим обжигом в печах сопротивления,
в засыпках, содержащих карбид кремния, кварцевый песок, нефтяной кокс и
разрыхлители.
В процессе силицирующего обжига происходит восстановление кремнезема
углеродом, диссоциативное испарение карбида кремния из засыпки, взаимодей-
ствие сажи, находящейся в заготовке нагревателя, с кремнийсодержащими компо-
нентами газовой фазы с образованием вторичного карбида кремния, цементиру-
ющего зерна первичного в непрерывный электропроводный карбидный каркас.
Материал электронагревателей после силицирующего обжига должен удовлетво-
рять следующим требованиям:
Содержание SiC %, не менее...........................97
Пористость открытая активной части, %, не более, для типов:
КЭН А (£> =	8,	12	мм).............................24
КЭН A (D =	14	мм	и	более) .......................29
КЭН Б..............................................25
КЭН БС.............................................28
КЭН ВП.............................................23
Электрические свойства нагревателей характеризуются номинальными зна-
чениями электросопротивления и пределами его отклонения при испытании под
напряжением в открытом пространстве при температуре активной части 1000 ±
± 15 °C. Электрические параметры и поверхность излучения нагревателей при-
ведены в табл. 7.2.
Стойкость нагревателей зависит от условий их эксплуатации (температуры,
состава газовой среды, режима работы).
При работе нагревателя в результате взаимодействия карбида кремния со
средой в порах материала образуется кремнезем, что приводит к росту электросо-
противления. Скорость окисления материала нагревателя при данной темпера-
туре зависит от его пористости и наличия примесей в карбиде кремния, а также
от состава газовой среды; ниже приведены максимально допустимые рабочие тем-
пературы на поверхности нагревателей отечественного производства [2].
Атмосфера в электропечи:
инертные газы (Не, Аг и др.).................
азот ........................................
воздух.......................................
углекислый газ...............................
кислород.....................................
окись углерода ..............................
водород влажный (точка росы 4-10 °C) . . . .
водород сухой (точка росы —50 °C)	........
вакуум, 0,13 Па..............................
вакуум, 67 мкПа .............................
Максимально
допустимая
температура, °C
1500
1470
1450
1450
1400
1300
1300
1250
1200
1100
Поскольку материал нагревателей имеет значительную пористость, эти
температуры существенно ниже термодинамически допустимого предела работо-
способности карбида кремния. Этот предел соответствует температуре начала
взаимодействия кремнезема с карбидом кремния до реакции
SiC 4- 2SiOa = 3S1O 4- СО
(с образованием летучей моноокиси кремния и газообразной окиси углерода)
которая равна 1630—1650 °C.
Рекомендуется эксплуатировать нагреватели в определенном температурно-
временном режиме-до повышения электросопротивления не более чем на 300%
254
ТАБЛИЦА 7.2
ВНУТРЕННИЙ ДИАМЕТР, ПОВЕРХНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ
АКТИВНОЙ ЧАСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ
ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ (ГОСТ 16139 — 76)
Условные обозначения электронагревателей	Внутрен- ний диаметр активной части, мм	Поверх- ность из- лучения активной части, см2	Сопротивление электро- нагревателей, Ом, группы	
			н	в
КЭН А 8/100/130 КЭН А 8/150/180 КЭН А 8/180/150 КЭН А 8/200/150 КЭН А 8/250/150 КЭН А 8/300/1500 КЭН А 12/250/250 КЭН А 14/200/350 КЭН А 14/250/350 КЭН А 14/300/350 КЭН А 14/400/350 КЭН А 18/250/350 КЭН А 18/250/400 КЭН А 18/300/350 КЭН А 18/350/400 КЭН А 18/400/350 КЭН А 18/500/350 КЭН А 18/600/250 КЭН А 25/400/400 КЭН Б 32/560/75 КЭН БС 25/300/70 + 230 КЭН БС 25/400/70+ 340 КЭН ВП 18/800/500 КЭН ВП 25/800/400 КЭН ВП 30/1200/400	3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5 5,0 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 11 7 12 12	25 38 4,5 50 63 75 94 88 ПО 132 176 141 141 170 198 226 283 339 314 563 235 314 452 628 ИЗО	1,20—1,80 1,65—2,65 2,10—3,30 2,25—3,65 2,90—4,65 3,60—5,80 1,50—2,40 0,70—1,10 0,75—1,25 0,90—1,50 4,80—2,90 0,70—1,10 0,70—1,10 1,00—1,60 1,10—1,80 1,25—2,05 1,60—2,60 1,95—3,05 0,80—1,30 1,30—2,00 0,85—1,15 1,25—1,55 2,70—3,30 0,95—1,15 1,10—1,30	1,85—2,25 2,70 3,30 3,35—4,05 3,70—4,50 4,70—5,70 5,85—7,15 2,45—3,00 1,15—1,45 1,30—1,60 1,55—1,90 2,95—3,65 1,15—1,45 1,15—1,45 1,65—2,05 1,85—2,25 2,10—2,60 2,65—3,25 3,10—3,80 1,35—1,65 2,05—2,55 1,20—1,50 1,60—2,00 3,35—4,05 1,20—1,45 1,35—1,65
по сравнению с начальной паспортной характеристикой ГОСТ 16139—76. По-
этому срок службы нагревателей определяется скоростью их окисления и количе
ством образовавшегося в процессе эксплуатации кремнезема.
При указанных выше температурах гарантируются следующие ресурсы
работы нагревателей, ч:
КЭН А	900	КЭН БС	1000
КЭН Б	500	КЭН ВП	1300
За рубежом выпускают карбидкремниевые нагреватели как аналогичные
отечественным, так и с существенно более высокими параметрами и более широкой
Номенклатурой изделий.
По данным фирменных проспектов и каталогов в табл. 7.3 представлены
основные характеристики отечественных и зарубежных нагревателей.
Как следует из данных, приведенных в табл. 7.3, наиболее высокие харак-
тсристики имеют нагреватели типа «Globar-SG», производимые фирмой «Carbo-
rundum» (США). Эти нагреватели сохраняют исходные электрические параметры
н течение длительной эксплуатации при рабочих температурах до 1650 °C, что
оо'ьясняется их низкой пористостью и высокой чистотой исходных материалов,
используемых при их производстве.
255
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
Марка нагревателя	Конструктивные особеииостн нагревателя	Количество выпускаемых типоразме- ров
СССР, Подольский, Запорожский з-ды огнеупорных
КЭН А	Трубчатые с утолщенными выводами	39
КЭН Б	Сплошные с выводами, пропитанными металлом	4
КЭН БС	Сплошные составные с выводами, про- питанными металлом	4
КЭН ВП	Трубчатые с выводами, заполненными металлом	40
КЭН Q EKL	Трубчатые спиральные С утолщенными выводами С лобовыми контактами Трубчатые спиральные	3 ГДР, «УЕВ 30 10 11
ФРГ, «.Sigri Elektrographit
Трехфазные элементы	Три параллельных стержня соединены	6
Silit	с одной стороны мостиком из силита. Противоположные концы утолщены	
Silit-ED	Стержни постоянного диаметра с метал- лизированными концами	54
Silit-VE	Сплошные с утолщенными металлизи- рованными концами	36
Silit-HR	Трубчатые с утолщенными металлизи- рованными концами	7
Silit-ED—U	Два параллельных стержня соединены с одной стороны мостиком из силита. Свободные концы стержней металли- зированы	24
США, «.Carborundum Plastics
Globar-LL	Трубчатые с приваренными пропитан-	552
Globar-HRL	ными металлом выводами, металлизи- рованными на концах алюминием	
Globar-UX	Два параллельных стержня соединены между собой мостиком из того же ма- териала. Свободные концы стержней металлизированы	3
Globar-DT	Сплошные с утолщенными концами	—
Globar-T	Трубчатые	24
Globar-SG	Спиральные, однозаходные, токопод- воды с обоих концов	352
Globar-SGR	Спиральные, двухзаходные, токопод- воды с одной стороны	—
256
ТАБЛИЦА 7.3
ЗАРУБЕЖНЫХ карбидкремниевых нагревателей
Размеры, мм			Удель- ное элек- тросопро- тивление, Ом • см	Гаранти- руемый разброс сопротив- лений, %, ие более	Максимальная рабочая температу- ра, °C	
диаметр рабочей части	длина - рабочей части	общая длина			нагрева- теля	в печи
изделий, з-д- «Магнезит»
8-25	100—400	270—1200	0,06	±23	1450	1400
12-32	190—560	280—710	0,15.	±20	1500	1450
25	300—400	900 1220	0,15	±15	1500	1450
18—30	200—1200	1000—2000	0,09	±10	1450	1400
55/40	200—400	350-650	0,08	±50	1450	1400
Elektrokohle»						
6—30	100—1000	250—2000	0,09	±10	1450	1400
• 22—30	300—1200	450—1320	0,09	±10	1450	1400
30/22—60/50	100—500	150—700	0,09	±10	1450	1400
GmbH Abteilung V-24»						
18	175— 600	555—980	0,11	±10	1500	1450
7,9—31,7	—	102—1500	o,u	±10	1400	1450
4—30	30—1500	90—2300	0,11	±10	1500	1450
30/22—50/40	200— 500	400—700	0,11	+ 10	1500	1450
19—25,4	254 813	538—1254	0,11	+ 15	1500	1450
Inc., Ekkel E	[vision»					
7,9—54,0	102—2540	280—330	0,12	±15	1550	1500
19-31,7	610—787	1220—1565	0,12	±15	1550	1500
			0,12	±15	1500	1500
54 28-76/51	300—1500	500—1800	0,1	±10	1550	1500
12,7—54,0	127—1320	305 2160	0,016	± 10	1700	1600
12,7—54,0	76 610	228—1040	0,016	±10	1650	1600
9
Г. Г. Гнесии
257
Марка нагревателя	Конструктивные особенности нагревателя	Количество выпускаемых ткпоразме ров
США, «Norton
Crystolon-XL	| Сплошные с пропитанными металлом I 460
| выводами	I
Великобритания,
Crusilite-X	Спиральные с защитным покрытием од- нозаходные, токоподвод с обоих концов	8
Crusilite-DS	Спиральные двухзаходные с защитным покрытием, токоподводы с одной сто- роны	8
Morganite-U Crusilite-MF	U-образные, сплошные с соединитель- ной втулкой Спиральные трубы, однозаходные (печь — нагреватель) с защитным по- крытием	36 5
		Швейцария,
Silibor-S	Спиральные с защитным покрытием, токоподводы с двух сторон	20 -
Silibor-SS	Спиральные с защитным покрытием, двухзаходные, токоподводы с одной стороны	10
		Швейцария,
Quarzilit	Сплошные с пропитанными выводами	60
Silicarbon	С утолщенными выводами	33
258
Продолжение табл. 7.3
Размеры, мм			У дель ное элек- тросопро- тивление, Ом • см	Гаранти- руемый разброс сопротив- лений, %, не более	Максимальная рабочая температу- ра, °C	
диаметр рабочей части	длина рабочей части	общая длина			нагрева теля	в печи
Со»
10-44	102—1652	300—2400	о."	±20	1600	1540
Morgan Со» 10—35	180—10C0	490—1600	Ha	±10	1575	1500
18-35	250—400	450—750	100 мм рабочей части 7?=0,12± 4-0,4 Ом На	±15	1575	1500
19	254—813	540—1200	100 мм рабочей части /?=0,15ч- 4-0,2750м 0,11	±20	1600	1550
33,5-67	600	1000	0,11	±15	1575	1500
"Borell AG» 10—70	60— 500	210—1100	Общее	±15	1550	1500
18—30	100—400	220—630	сопро- тивление 1,5- 3,0 Ом Общее	±15	1550	1500
*Elcalor AG» 7—46	110—1900	125—2000	сопро- тивление 1,5— 4,5 Ом 0,11—0,15	±10	1500	1450
8—18	160—800	300—1500	0,10	±10	1500	1450
9*
259
ПАРАМЕТРЫ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
Размеры, мм
Допустимые значения параме
актив-
ная
часть
вывод
И 00
Условное
обозначение
DL (/)
D, I
4X70 (25)
6X 100 (75)
8X 180 (85)
12X250 (200)
14X400 (350)
18X800 (350)
25X400 (400)
30 X 1000 (500)
4-
6
8
12
14
18
25
30
70
100
180
250
400
800
400
1000
12
12
14
18
22
28
38
45
25
75
85
200
350
350
400
500
12
25
40
38
45
120
250
350
650
1100
1500
1200
2000
5,5
3,5
4,4
2,8
3,5
4,6
1,34
2,1
120	96	4,7
450	40	п,з
1 080	69	15,7
2 250	74	30,5
4 200	121	34,7
10 830	222	48,8
7 520	99	76,0
22 040	214	103,0
ПО	24	4,5
390	35	9,7
960	65	14,7
1 974	70	28,2
3 670	113	32,5
9 510	208	45,7
6 940	95	73,0
19 790	204	97,0
D L
В СССР наряду с отечественными нагревателями наиболее широко распро-
странены нагреватели, импортируемые из ГДР. Поэтому в табл. 7.4 приведены
их основные технические данные, а также электрические параметры при рабочих
температурах.
7.2. Дисилицидмолибденовые нагреватели
Нагреватели из дисилицида молибдена MoSi2 рассчитаны на более высокие
рабочие температуры, чем карбидкремниевые, что связано с большей термоста-
бильностью защитного слоя кремнезема SiO2, образующегося на поверхности
MoSi2 при высокотемпературном (> 1000 °C) окислении. Однако MoSi2 по сравне-
нию с карбидом кремния имеет ряд недостатков: более высокую электропровод-
ность, чувствительность к тепловым ударам, низкий уровень механических свойств,
склонность к ползучести при рабочих температурах. Эти особенности MoSi2
затрудняли разработку стабильных нагревателей.
В 1949—1954 гг. в Швеции, ФРГ и СССР с использованием методов порош-
ковой металлургии были отработаны и внедрены в промышленное производство
процессы получения разнообразных нагревателей из MoSi2. При этом были ре-
шены вопросы увеличения электросопротивления и некоторого уменьшения пол-
зучести материала нагревателей за счет введения в его состав кремнезема или
стекол. Кроме того, были разработаны оптимальные конструкции нагревателей,
обеспечивающие их целостность и стабильность конфигурации в процессе дли
тельной эксплуатации.
Дисилицид молибдена отличается чрезвычайно высокой стойкостью против
окисления благодаря защитной пленке SiO2, образующейся при температурах
выше 1000 °C в результате протекания следующей реакции.
2MoSi2 + 14О2 — 4SiO2 4“ 2МоО3.
При температурах > 1000 °C МоО3 испаряется, a SiO2 образует на поверх-
ности нагревателя беспористый стекловидный слой, препятствующий диффузии
кислорода. При малых концентрациях кислорода в окружающей среде защитный
слой нагревателя диссоциирует с образованием летучей моноокиси кремния по
реакции
2SiO2 = 2SiO + О2.
260
ТАБЛИЦА 7.4
Т0ПА EKL, VEB ELEKTROKOHLE (ГДР)
температуре электропечи, °C
	1250			1300			1350			1400			1500		
		ф*	<	£	ф	<	га	ф’			ф X		га	ф X	
			rr.	*					го		X	<я	*	X	<я
			X		ф			ф	X		ф				X
	н	*	о			О		*	О	CJ		о		*	о
		к			X		О		н		X		о	X	
		1*1				СО	X		го		.	го			«1
	sj	С	ч	Н"	с	ч	S’		ч	Н”	с	Ч	Н"		Ч
	о S	SCQ	X о	о S	gffl	X	о S	gta	X	sra	Sea	X	о S	«и	
	95	23	4,2												
	340	35	9,7	265	30	8,8	190	26	7,3	95	18	5,2	57	15	3,8
	830	60	13,8	635	53	12,0	450	45	10,2	230	32	7,2	135	25	5,4
	1 692	66	25,6	1 316	60	21,9	540	51	18,4	470	36	13,1	282	29	9,7
	3 150	105	30,0	2 455	93	26,4	1755	78	22,5	875	55	15,9	528	44	12,0
	8 130	193	42,1	6 340	171	37,1	4540	144	31,5	2250	102	22,1	1356	82	16,5
	5 680	86	66,0	4 410	76	58,0	3140	64	49,0	1750	48	36,5	942	37	25,5
	17 010	189	90,0	13 ПО	166	79,0	9380	140	67,0	4700	100	47,0	2826	80	35,3
В свою очередь MoSi2 при отсутствии защитного слоя также подвергается
диссоциации по схеме
15MoSi2-> 3Mo5Sis + 21 Si	5Mo3Si + 25Si^ 15Мо-ф 30Si.
При высоких температурах (> 1500 °C) кремний испаряется и на поверхности
нагревателя формируется пористая зона, состоящая из нестойких против окис-
ления фаз (Mo5Si3, Mo3Si, Мо). Поскольку в вакууме скорость испарения продук-
тов окисления и диссоциации возрастает, стойкость нагревателей с повышением
степени разрежения падает [3].
Ниже приведены значения предельно допустимых рабочих температур для
дисилицидмолибденовых нагревателей в зависимости от давления окружающей
среды.
Давление, Па ........... 1,3-10~2
Максимальная температу-
ра нагревателя, °C ... .	1200
1,3	66	266 1300 IO’5
1300 1400 1500 1600 1700
В окислительных и нейтральных газовых средах нагреватели на основе
MoSi2 отличаются высокой стойкостью.
Водород агрессивен по отношению к MoSi2, так как при высоких температу-
рах возможно образование летучих силанов.
Ниже приведены максимальные температуры (°C) эксплуатации дисилицид-
молибденовых нагревателей в различных газовых средах.
Благородные газы (Не, Аг
И др.) ......................1650
Кислород.....................1700
Дзот..........................1500
Дкись азота...................1650
Двуокись азота ............. 1700
Дернистый ангидрид..........1600
икись углерода...............1500
Углекислый газ...............1700
Водород сухой .............. 1350
Водород влажный, точка ро-
сы, °C:
10.........................1400
20........................ 1500
35........................ 1600
Проводимость дисилицидмолибдена имеет металлический характер и, сле-
довательно, положительный коэффициент электросопротивления, среднее значе-
ние которого в интервале 20—1700 °C равно 0,0048 Ом/°С.
261
Удельное электросопротивление, а также сопротивление нагревателей раз-
личного диаметра, отнесенное к 1 м их длины, в интервале 0—1800 °C представ-
лены в табл. 7.5.
В СССР нагреватели из дисилицида молибдена выпускаются Московским
комбинатом твердых сплавов Минцветмета СССР и Кироваканским заводом высо-
котемпературных нагревателей Минэлектротехпрома СССР [3].
Поскольку MoSi2 при температурах > 1300 °C становится пластичным и из-
делия нз него могут деформироваться даже под действием собственной массы,
оптимальными эксплуатационными характеристиками обладают U- или W-
образные нагреватели, располагаемые в печи вертикально (рис. 17 и 18).
В СССР U-образные нагреватели выпускают с рабочей зоной диаметром 6,
расстоянием между параллельными ветвями 50 и диаметром выводов 12 мм.
Для улучшения электрического контакта между токоподводом и выводом
нагревателя выводы заливают расплавленным алюминием с последующей механи-
ческой обработкой металлизированного слоя.
На основании результатов промышленных испытаний сделано заключение
о стойкости нагревателей. При температуре эксплуатации 1650—1680 °C и охлаж-
дении раз в неделю срок их службы составляет ~250 ч [3].
Уменьшение числа отключений и снижение рабочей температуры увеличи-
вает время нормальной эксплуатации нагревателей.
В табл. 7.8 представлены основные характеристики выпускаемых в СССР
U-образных дисилицидмолибденовых нагревателей.
За рубежом нагреватели из MoSi2 производят фирмы «Sigri Elektrographit»
(ФРГ) и «Bulten Kanthal» (Швеция). Они выпускают как U-образные нагреватели
(в том числе аналогичные по типоразмерам отечественным, табл. 7.6), так и W-
образные (см. рис. 17 и 18).
Рис. 18. Дисилицидмо-
либденовый W-образ-
ный электронагрева-
тель:
а = 40; 45; 50; 60 мм;
b = 13,5; 18,5 мм; с —
= 12; 18,3 мм; d = 6;
9 мм; f = 35; 75 мм; g =
= 20; 30 мм
Рнс. 17. Дисилицидмо-
либденовый U-образ-
ный электронагрева-
таль:
а — 40; 45; 50; 60 мм;
b = 13; 5; 18,5 мм; с =
= 12; 18,3 мм; d = 6;
9 мм; f = 35; 75 мм; g ==
= 20; 30 мм
262
ТАБЛИЦА 75
Электрические свойства нагревателей фирмы
«ВШ-TEN KANTHAL»
" о 0 «я а	Удельное сопротивле		Сопротивление нагревателя, О м/м, при диаметре, мм							
	ние, м	кОм. м								
св р< <И	hal г N.	, со -а	6	9	12	18	6	9	12	18
										
н	* дЬ *	«о д	, Kanthal Super ST			N	Kanthal Super 33			
0	0,25	0,20	0,010	0,005	0,0025	0,0010	0,008	0,003	0,0020	0,0008
100	0,4!	0,39	0,015	0,007	0,004	0,0015	0,012	0,006	0,0030	0,0012
200	0,60	0,58	0,022	0,010	0,006	0,0022	0,018	0,008	0,005	0,0020
300	0,80	0,75	0,030	0,012	0,008	0,0030	0,025	0,010	0,007	0,0025
400	1,00	0,95	0,038	0,015	0,009	0,0038	0,030	0,012	0,008	0,0032
500	1,20	1,10	0,042	0,020	0,011	0,0045	0,038	0,015	0,009	0,0040
600	1,40	1,25	0,050	0,022	0,013	0,0055	0,044	0,019	0,011	0,0045
700	1,60	1,45	0,058	0,025	0,015	0,0065	0,050	0,022	0,013	0,0055
800	1,80	1,65	0,065	0,028	0,017	0,0070	0,058	0,026	0,014	0,0065
900	2,00	1,95	0,070	0,031	0,018	0,0080	0,065	0,029	0,016	0,0070
1000	2,25	2,10	0,080	0,035	0,020	0,0085	0,075	0,033	0,018	0,0080
1100	2,45'	2,35	0,088	0,039	0,022	0,0095	0,082	0,037	0,021	0,0090
1200	2,70	2,60	0,095	0,042	0,024	0,0105	0,091	0,041	0,023	0,0100
1300	2,95	2,80	0,105	0,048	0,027	0,0115	0,100	0,045	0,025	0,0110
1400	3,20	3,05	0,115	0,050	0,029	0,0125	0,108	0,047	0,026	0,0118
1500	3,45	3,30	0,120	0,055	0,031	0,0135	0,115	0,050	0,028	0,0125
1600	3,65	3,50	0,130	0,058	0,033	0,0145	0,125	0,055	0,031	0,0135
1700	3,90	3,85	0,138	0,061	0,035	0,0152	0,135	0,059	0,033	0,0145
1800	—	3,90	—	—	—	—	0,143	0,064	0,036	0,0155
ТАБЛИЦА 7.6
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ U-ОБРАЗНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА ИЗ MoSi2 [31
Тип нагревателя	Длина рабочей части, мм	Общая Длина, мм	Развер- нутая длина рабочей части, мм	Поверх- ность рабочей части, см2	Общее сопротивле- ние нагревателя (Ом) при температуре, °C	
					20	1700
ДМ-180/250	180	430	390	72,4	0,0058	0,0612
ДМ-180/400	180	580	390	72,4	0,0060	0,0652
ДМ-250/250	250	500	530	99,4	0,0067	0,0808
ДМ-250/400	250	653	530	99,4	0,0075	0,0848
ДМ-315/250	315	565	660	124,2	0,081	0,0990
ДМ-315/400	315	715	660	124,2	0,0088	0,1030
ДМ-315 500	315	815	660	124,2	0,0094	0,1080
ДМ-400/250	400	650	830	156,0	0,0098	0,1226
ДМ-400/400	400	800	830	156,0	0,106	0,1266
ДМ-400/500	400	900	830	156,0	0,0111	0,1293
ДМ-500/250 .	500	750	1030	194,0	0,0119	0,1508
ДМ-500/400	500	900	1030	194,0	0,0127	0,1548
ДМ-500 500	500	1000	1030	194,0	0,0134	0,1575
ДМ-630 250	630	880	1290	243,0	0,0145	0,1888
ДМ-630 400	630	1030	1290	243,0	0,0153	0,1910
ДМ-630/500	630	1100	1290	243,0	0,0138	0,1935
ДМ-800/700	890	1500	1630	307,0	0,0270	0,2700
263
ТАБЛИЦА 7.7
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ U-ОБРАЗНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
МАРОК MOSILIT И KANTHAL SUPER (ДИАМЕТР
РАБОЧЕЙ ЧАСТИ 6, ДИАМЕТР ВЫВОДОВ 12 мм)
Количе- ство типораз- меров	Длина рабочей части, мм	Пределы изменения общей длины, мм	Пределы изменения электрических характеристик		
			мощность, Вт	сопротивление при 1500 °C, Ом	напряжение, В
11	125	250—525	700—920	0,036—0,047	5,0—6,6
11	160	285—560	860—1060	0,044—0,054	6,2—7,6
12	180	305—630	960—1190	0,049—0,061	6,9—8,5
12	200	325—650	1060—1270	0,054—0,065	7,6—9,1
14	225	350—785	1180—1470	0,060—0,075	8,4—10,5
14	250	375—810	1300—1590	0,066—0,081	9,3—11,3
16	280	405—950	1430—1800	0,073—0,092	10,2—12,9
16	315	440—985	1600—1960	0,082—0,100	11,4—14,0
16	355	480—1025	1810—2150	0,092—0,110	12,9—15,4
16	400	540—1200	2000—2450	0,102— 0,125	14,3—17,5
16	450	610—1250	2250—2680	0,115—0,137	16,1—19,2
15	500	680—1300	2500—2920	0,128—0,149	17,9—20,8
14	560	760—1460	2770—3250	0,142—0,116	19,8—23,2
15	630	830—1530	3100—3580	0,159—0,183	22,3—25,6
15	670	870—1570	3330—3780	0,170—0,193	23,8—27,0
14	710	935—1610	3500—3940	0,180—0,202	25,0—28,2
13	800	1050—1700	3950—4390	0,202—0,224	28,2—31,4
13	900	1150—1800	4420—4860	0,226—0,248	31,6—34,7
Примечание. Рабочие параметры нагревателей получены в следующих усло-
виях: температура на поверхности нагревателя 1500 °C, поверхностная нагрузка
12,5 Вт/см2, сила тока 140 А.
ТАБЛИЦА 7.8
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ U-ОБРАЗНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
MOSILIT И KANTHAL SUPER (ДИАМЕТР
РАБОЧЕЙ ЧАСТИ 9, ВЫВОДОВ 18 мм)
Количе- ство типораз- меров	Длина рабочей части, мм	Пределы изменения общей длины, мм	Пределы изменения электрических		характеристик
			мощность, Вт	сопротивление при 1500 °C, Ом	напряжение, В
5	125	375—525	1190—1310	0,0185—0,0206	4,7—5,2
5	160	410—560	1400—1525	0,0224—0,0244	5,6—6,1
6	180	430—630	1560—1700	0,0246—0,0273	6,2—6,8
6	200	450—650	1680—1850	0,0268—0,0295	6,7—7,4
8	225	475—785	1850—2110	0,0295—0,0338	7,4—8,5
8	250	500—810	2030—2270	0,0323—0,0365	8,1—9,1
10	280	530—950	2230—2570	0,0356—0,0413	8,9—10,3
10	315	565—985	2490—2830	0,0394—0,0451	9,9—11,3
11	355	635—1055	2765—3210	0,0442—0,0513	11,1—12,8
264
Продолжение табл. 7.8
Количе- ство типораз- меров	Длина рабочей части, мм	Пределы изменения общей Длины, мм	Пределы изменения электрических характеристик		
			мощность, Вт	сопротивление при 1500 °C, Ом	напряжение, В
13	400	650—1300	3500—3600	0,0488—0,0576	12,2—14,4
13	450	700—1350	3400—3950	0,0543—0,0631	13,6—15,8
13	500	750—1400	3740—4290	0,0590—0,0686	15,0—17,1
13	560	810—1460	4150—4700	0,0664—0,0752	16,6—18,8
13	630	880—1530	4630—5180	0,0741—0,0829	18,5—20,7
13	670	920—1570	4910—5460	0,0785—0,0873	19,6—21,8
13	710	960—1610	5180—5730	0,0829—0,0917	20,7—22,9
13	800	1050—1700	5800—6350	0,0928—0,1016	23,2—25,4
12	900	1180—1800	6510—7040	0,1042—0,1126	26,1—28,2
11	1000	1315—1900	7230—7730	0,1157—0,1236	28,9—30,9
10	1120	1475—2020	8090—8550	0,1294—0,1368	32,4—34,2
9	1250	1650—2150	9020—9440	0,1443—0,1511	36,1—37,8
Примечание. Рабочие параметры нагревателей определены в следующих
условиях: температура на поверхности нагревателя 1500 °C, поверхностная нагрузка
12,2 Вт/см2; сила тока 140 А.
ТАБЛИЦА 7.9
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ W-ОБРАЗНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
MOSILIT И KANTHAL SUPER
(ДИАМЕТР РАБОЧЕЙ ЧАСТИ 6, ВЫВОДОВ 12 мм)
Количе- ство типораз- меров	Длина рабочей части, мм	Пределы изменения общей длины, мм	Пределы изменения электрических		характеристик
			мощность, Вт	сопротивление при 1500 °C, Ом	напряжение. В
13	200	325—700	2120—2350	0,108—0,120	15,1—16,5
15	225	350—855	2350—2670	0,120—1,136	16,8—19,1
15	250	375—880	2590—2910	0,132—0,148	18,5—20,8
18	310	435—1110	3290—3720	0,168—0,190	23,5—26,6
18	355	480—1155	3580—4000	0,181—0,204	25,6—28,6
18	400	525—1200	4000—4430	0,204—0,226	28,6—31,6
18	450	575—1250	4470—4890	0,226—0,250	31,6—35,0
Примечание. Рабочие параметры нагревателей определены в следующих ус-
ловиях: температура на поверхности нагревателя 1500 °C, поверхностная нагрузка
12,5 Вт/см3, сила тока 140 А.
265
В табл. 7.7 7.9 представлены характеристики дисилицидмолибденовых натре
вателей, выпускаемых фирмой «Sigri Elektrographit» под торговой маркой Мо
silit и фирмой «Bulten Kanthal» под торговой маркой Kanthal super ST, Kanthal
super Si и Kanthal super 33.
По данным фирмы «Bulten Kanthal», нагреватели Kanthal super ST и Kanthal
super N рассчитаны на максимальную рабочую температуру 1700 С, a Kanthal
super 33 — на 1800 С. Долговечность нагревателей при этих температурах со-
ставляет не менее 1500 ч.
Геометрические размеры и электрические характеристики U- и W-образных
нагревателей, производимых этими фирмами, унифицированы. Методы порошковой
металлургии позволяют также получать электронагреватели из некоторых метал-
лоподобных тугоплавких соединений, пригодные для эксплуатации в вакууме
при температуре >2200—2300 С. Среди наиболее тугоплавких материалов, от-
личающихся высокой стабильностью термомеханических и электрических свойств
при указанных температурах, следует выделить спеченный карбид ниобия NbC,
имеющий температуру плавления 3500 ± 150 С.
В табл. 7.10 приведены некоторые свойства нагревателей из NbC, разрабо-
танных в Институте проблем материаловедения АН УССР.
Г Л Б Л И Ц А 7.10
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРУБЧАТЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ
ИЗ КАРБИДА НИОБИЯ [14]
Марка нагревателя	Состав материала, °0	Предел прочности при изгибе, м2	Максимальная рабочая температура
НКН 400 60 НКН 600 60 НКН 800 60	NbC 100	157	2600
НКНВ 400 60 НКНВ 600/60 НКНВ 800 60	NbC 97; W 3	197	2700
Примечание. В обозначении марки нагревателя цифра в числителе соответ
ствует длине рабочей части, мм; знаменатель длина ввода, мм. Наружный диаметр
рабочей части II, внутренний 9 мм; рабочая среда вакуум. Допустимое время эксплуатг
ции 350 ч.
Эти нагреватели применяют для работы в вакуумных печах. Они отличаются
высокой стабильностью электрических характеристик и малой упругостью пара
при рабочих температурах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Донской А. В., Куляшов С. М. Электротермия. —М.: Госэнергоиздат, 1961
312 с.
2.	Рубинчик Л. Е. Электропечи с нагревателями из карбида кремния. —М..
Энергия, 1975. 96 с.
3.	Рубин Г. К., Слободской А. П., Тимофеева Т. Д. Электропечи с нагревате-
лями из дисилицида молибдена. — М.: Энергия, 1964. 66 с.
4,	Свойства порошков металлов, тугоплавких соединений и спеченных матери-
алов/Информационный справочник под ред. Федорченко И. М. — Киев:
Наукова думка, 1978. 182 с.
266
8.	МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Несмотря на то что в производстве магнитных материалов первое место
принадлежит электротехническим сталям р-95%), которые используют при из-
готовлении мощных электрических генераторов, трансформаторов и электро-
двигателей, магнитные материалы из порошков, обеспечивающие накопление,
передачу и обработку информации, изготовление измерительной аппаратуры
и приборов регулирования и управления, акустических, магнитомеханических
преобразователей, электродвигателей малой и средней мощности, по своей потре-
бительской ценности в 1,5 раза превышают ценность остальных магнитных ма
териалов [1].
Из порошков пол) чают такие важные для современной техники материалы,
как магнитодиэлектрики, магнитомягкие и магнитотвердые ферриты, различные
сплавы для постоянных магнитов, магнитомягкие материалы с повышенным элек-
тросопротивлением для цельнопрессованных магнитопроводов и др.
Удельный объем производства этих материалов по мере распределения и со-
вершенствования методов порошковой металлургии непрерывно увеличивается.
Так, общее производство постоянных магнитов из порошков значительно пре-
восходит производство литых магнитов (табл. 8.1). Резко увеличился за послед-
ние годы выпуск цельнопрессованных магнитопроводов из порошков сплавов
железо кремний, железо фосфор и др
ТАБЛИЦА 8.1
ОБЪЕМ ПРОИЗВОДСТВА МАГНИТОТВЕРДЫХ
МАТЕРИАЛОВ В 1970 г. [21
Страна	Общее произ- водство, тыс. т	По группам материалов, %			Ферритовые магниты, тыс. т
		альнико, литые и спеченные	ферриты	прочие	
ФРГ		6	20	79	1	4,75
Франция		6	24	74	2	4,44
Англия		3	45	46	9	1,38
США		13,2	36	50	14	6,6
Япония	,	.	12	60	40		4,8
Италия		4,8	25	74	1	3,55
Порошковую технологию в производстве изделий из магнитных материалов
применяют с целью получения особых структур или для улучшения технико-
экономических характеристик. Композиционные магнитные материалы — ма-
гнитодиэлектрики, микропорошковые магниты, магнитопласты и магнито-
эласты — отличаются тем, что частицы материала отделены друг от друга
органической или неорганической связкой, позволяющей уменьшить или иск-
лючить взаимодействие между частицами, локализовать вихревые токи в отдель-
ных частицах (магнитодиэлектрики), сохранить одноименную структуру (микро-
порошковые магниты).
Массовое изготовление небольших по размерам деталей сложной конфигу-
рации, предназначенных для работы в постоянных и низкочастотных переменных
магнитных полях (магнитопроводов реле, микродвигателей, полюсных наконеч-
ников и т. п.), можно значительно удешевить, заменив механическую обработку
Прессованием и спеканием [1].
Этими же методами изготавливают детали из материалов с высокой механи-
ческой твердостью, с трудом поддающихся обработке резанием (магнитомягких
сплавов типа альсифер, магнитотвердых сплавов типа алнико, ферритов).
Формирование изделий из порошков проводят в основном прессованием
в прессформах. Используют также прессование горячее, динамическое (ударное),
267
мундштучное, прессование в магнитном поле, литье шликера под давлением,
прокатку порошков.
Изделия с органической связкой прессуют под давлением до 2 ГПа и затем
выдерживают при 100—200 °C для отвердения связующего вещества. Детали из
металлических порошков и ферритов прессуют под давлением 0,4—0,6 ГПа и
затем спекают. Ферриты спекают на воздухе, металлические детали — в защитной
атмосфере или в вакууме.
Прессование деталей под давлением 0,6 ГПа обеспечивает после спекания
плотность >7-103 кг/м3.
Спеченные детали имеют однородную и мелкозернистую структуру, что
особенно важно при изготовлении постоянных магнитов.
Технология порошковой металлургии обеспечивает возможность прессова
ния в одной прессформе постоянных магнитов с полюсными наконечниками.
После спекания образуется деталь, соединение элементов которой отличается
высокой механической прочностью.
Термическая обработка (ТО) спеченных материалов обеспечивает создание
определенной структуры и, как следствие этого, — получение определенных
магнитных свойств. Длительный отжиг магнитомягких материалов в защитной
атмосфере при температуре >1000 °C создает условия для рекристаллизаци,
сопровождаемой ростом зерен, и дополнительной очистки материала от примесей.
Термомагнитная обработка (ТМО) обеспечивает определенную ориентацию кри-
сталлов в направлении легкого намагничивания.
В магнитотвердых материалах при помощи быстрого охлаждения от задан-
ной температуры можно повысить внутренние напряжения, ответственные за
коэрцитивную силу. Быстрое охлаждение с последующим отпуском обеспечивает
распад вторичной фазы, приводящий к уменьшению размеров зерен и повышению
напряжений.
Магнитомягкие материалы обычно охлаждают медленно (например, со ско-
ростью 100°С/ч до температуры не выше 500°C, чтобы избежать перехода в раствор
остаточного углерода).
Охлаждение некоторых классов магнитомягких ферритов после спекания
проводятся в атмосфере с регулируемым по определенной программе давлением
кислорода, что обеспечивает заданное состояние ионов с переменной валент-
ностью.
8.1.	Магнитомягкие материалы
При создании прецизионных сплавов, к которым относится большинство
магнитных материалов, метод порошковой металлургии имеет большие преиму
щества, так как позволяет воспроизводить химический состав в очень узких
пределах (что особенно важно для железоникелевых сплавов), дает возможность
вводить в материал наполнители, изолирующие прослойки и т. п. Стоимость
магнитомягких спеченных деталей на 30—60% ниже себестоимости тех же дета-
лей, изготовленных путем обработки из компактного материала. Известно, что
изготовление магнитомягких изделий трудоемко и связано с большими поте-
рями (до 60%) материала, требует большого станочного парка и производствен-
ных площадей, привлечения рабочих высокой квалификации для операции сборки
и механической обработки. Использование методов порошковой металлургии для
изготовления магнитомягких деталей позволяет резко (до 50%) снизить потери
материала, исключить многие трудоемкие и ручные операции, повысить куль
туру производства.
Магнитомягкие материалы классифицируют по физическим характеристикам
и областям применения:
1.	Магнитомягкие материалы для постоянных полей.
2.	Магнитомягкие материалы для переменных полей.
3.	Магнитомягкие материалы со специальными свойствами.
Все спеченные магнитомягкие материалы можно разделить на две группы:
первая — материалы на основе железного порошка, вторая — на основе железо-
никелевых сплавов разных марок.
Каждую из групп может классифицировать по указанным выше признакам-
268
8.1.1.	СПЕЧЕННЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА
Спеченные изделия из железных порошков разных марок нашли лишь огра-
ниченное применение в промышленности. Вопрос получения спеченных магнито-
мягких изделий из железного порошка исследован мало [3—7]. Показано, что
на характер кривой намагничивания и петли гистерезиса влияют способ полу-
чения железного порошка, пористость образцов и условия спекания.
Экономические и технологические требования, предъявляемые промышлен-
ностью к спеченным изделиям из железного порошка, приводят к необходимости
сравнительного изучения различных сортов железного порошка для выбора наи-
более дешевого и высококачественного сырья.
Для получения спеченных магнитомягких материалов в качестве исходных
материалов используют порошки, получаемые различными методами: восстанов-
лением, электролизом, вихревым размолом, распылением.
Поскольку магнитные характеристики материалов в сильной степени зависят
от присутствия вредных примесей, состояния границ зерен, концентрации напря-
жений в материале, при выборе технологического режима изготовления необхо-
димо исходить из того, что в сердечниках должно быть минимальное количество
вредных примесей и структурное состояние, обеспечивающее максимальные
магнитные свойства. Технология изготовления изделий из железного порошка,
позволяющая получать требуемые магнитные характеристики, сводится к сле-
дующему: прессование изделий под давлением 0,4—0,5 ГПа, спекание в защитной
среде при 1150 °C, повторное прессование под давлением 1,0—1,5 ГПа и высоко-
температурный отжиг при 1150—1300 °C в восстановительной среде или вакууме.
В табл. 8.2 представлены магнитные характеристики образцов из различных
сортов железного порошка.
ТАБЛИЦА 8.2
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ ИЗ РАЗНЫХ
СОРТОВ ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА
Сорт, марка порошка	Магнитные характеристики		
	В800, Тл	А/м	^тах
Электролитическое железо	 Восстановленное железо марки	1,55	64	6500
АПЖМ-А	 Порошок, восстановленный из марта-	1,45	80	6000
товой руды 		1,3	104	3500
Восстановленное железо марки А . .	1,35	108	3500
Вихревое железо 		1,4	100	3800
Электротехническая сталь марки Э	—	96	3500
Примечание. Технологический
режим получения образцов: двойное прессо-
вание, отжиг при 1300 °C в течение 20 ч в водороде.
Магнитные свойства спеченного железа в сильной степени зависят от коли-
чества пор в материале: максимальная магнитная проницаемость резко падает,
коэрцитивная сила возрастает. При малых значениях пористости действительно
Уравнение, позволяющее рассчитать коэрцитивную силу пористого материала:
Нс — НС9 + о-П,
где НСй — коэрцитивная сила материала в состоянии без пор; П — пористость
“атериала; а — коэффициент, равный для электролитического железа 0,0167,
Для железного порошка марки АПЖМ-А 0,0162.
‘Ж
Для материала из порошка восстановленного железа марки АПЖМ-А най-
дена экспериментальная зависимость удельных потерь от пористости. Ниже
представлена зависимость удельных магнитных потерь для образцов из восста-
новленного порошка после отжига в водороде при 1150 °C.
Пористость, ои........... 10	16	18	24	27	43	44	49,5
Удельные магнитные поте-
ри, Вт/кг:
Pso/оз................. 4,35 4,8	5,0 5,2	5,2	6,4 6,16 7,4
Рг0/1’0 ............... 23,8 30,5 31,1	— 32,0 35,7 34,0 40,0
Наиболее высокими значениями магнитных свойств обладают порошки, по-
лученные распылением расплавов азотом, в которых окислы концентрируются
на поверхности частиц. Магнитные свойства порошков существенно снижаются
с уменьшением их насыпной массы, которая зависит от строения и формы частиц.
В табл. 8.3 представлены магнитные свойства распыленного порошка.
ТАБЛИЦА 8.3
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РАСПЫЛЕННОГО ПОРОШКА
ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОГО ЖЕЛЕЗА
Состояние порошка	Намагниченность в-н в поле 200 кА/м, Тл	Магнитная проницаемость в поле напряженностью, кА/м	
		6,4	200
Среда распыления воздух
После распыления............I	0,735
После отжига в водороде	. . |	0,85
3,94
4,43
Среда распыления азот
После распыления		0,98	—	4,92
После отжига в водороде . .	1,15	12,0	5,60
В настоящее время магнитомягкие спеченные изделия из железных порошков
применяют в основном в статических полях в качестве магнитопроводов, реле,
статоров и роторов, деталей электромагнитных измерительных приборов, полюсов
электрических машин и т. п.
Применение спеченных изделий из железного порошка в устройствах пере-
менного тока затруднено в связи с большими удельными потерями при работе
в переменных полях. Перспективными для применения в переменных полях
являются чешуйчатые порошки железа и его сплавов, представляющие конгло-
мераты из спрессованных плоских частиц металла.
Чешуйчатые материалы были разработаны Для применения вместо транс-
форматорных сталей, так как известные порошковые магнитодиэлектрики в этих
случаях непригодны главным образом из-за низкой магнитной проницаемости.
В отличие от обычных магнитодиэлектриков, чешуйчатые материалы в случае
ориентации частиц в них вдоль действующего магнитного поля имеют небольшой
размагничивающий фактор и более высокую проницаемость в предпочтительном
направлении [1].
Удельные потери при частоте 50 Гц чешуек железа и его некоторых сплавов
толщиной порядка 25 мкм, спрессованных с применением связующего и уложен-
ных с учетом обеспечения минимального размагничивающего фактора в направ-
лении, перпендикулярном приложению давления прессования, лишь 'немного
270
выше; чем для шихтованных сердечников из кремнистой стали при сохранении
довольно высокого значения проницаемости *.
Технологический процесс получения магнитопроводов для маломощных
трансформаторов и дросселей разработан на основании исследований А. Ригсо,
А. Лаансоо и др. ** [10, 11], показавших, что оптимальное содержание свя-
зующего и изолирующего вещества в чешуйчатом материале 0,5—0,6%. При
большем содержании связующего и изолирующего вещества полные потери на
перемагничивание при частоте 50 Гц растут за счет увеличения потерь на гисте-
резис. В чешуйчатом железном порошке и спрессованных из него образцах струк-
тура не установлена, поэтому улучшение магнитных свойств при применении
чешуйчатого железного порошка объясняют меньшим размагничивающим полем
вытянутых чешуйчатых частиц по сравнению с равноосными частицами.
Улучшить свойства изделий из чешуйчатого порошка можно определением
оптимальной геометрии чешуек, уменьшением количества наполнителя — свя-
зующего, а также более совершенной ориентацией чешуек в готовом изделии —
вдоль направления силовых линий действующего магнитного поля [1]. В табл. 8.4
приведено удельное электросопротивление чешуйчатых магнитодиэлектрических
материалов [11].
ТАБЛИЦА 8.4
УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ ЧЕШУЙЧАТЫХ
МАГНИТОДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 1111
Марка железного порошка	Связующее		Удельное электросопротив- ление, мкОм- м	
	наименование	количество, %	вдоль слоев чешуек	поперек слоев
ПЖ1К	Этилсиликат	0,5	0,4—0,5	'8-9
	Смола ЭД-5	0,6	12	370
ПЖ4	Этилсиликат	0,5	0,8—0,9	16—20
	Смола ЭД-5	0,6	25	750
Снизить потери в цельнопрессованных материалах можно созданием слоистых
материалов, в которых для увеличения электросопротивления слои ферромагнит-
ного слоя чередуются с изолирующими слоями. Толщина изолирующего слоя дол-
жна быть в пределах 0,01—0,1 мм. В качестве изолирующей прослойки можно
использовать окись алюминия, ферриты, стекло разных марок и другие окисные
материалы [12],
8.1.2.	МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА, ЛЕГИРОВАННОГО
КРЕМНИЕМ И АЛЮМИНИЕМ
Требования, предъявляемые промышленностью к магнитомягким материя
лам, очень разнообразны, в связи с чем для создания определенного комплекса
магнитных свойств в железный порошок добавляют легирующие элементы (Si,
Al, Р, В).
Одним из наиболее перспективных материалов, сочетающим комплекс не-
обходимых свойств для использования в устройствах переменного тока, является
* Пат. (США) № 3255052, 1966.
.	** Альтман А. Б., Лаансоо А. А., Растанаев Н. Д. и др. Авт. свид.
462665. Бюл. изобр., 1965, № 9, с. 24.
271
сплав Fe—Si. Введение Si увеличивает электросопротивление и уменьшает коэр
цитивную силу сплава; при этом потери на гистерезис и вихревые токи умень-
шаются. С повышением количества Si до 4% потери на гистерезис уменьшаются
в несколько раз; одновременно увеличивается начальная проницаемость. Железо-
кремниевые сплавы магнитны при содержании до 33% Si. Самыми распространен-
ными магнитомягкими материалами являются трансформаторные и динамные
стали, представляющие собой Fe—Si сплавы с содержанием Si до 4,0—4,5%.
Кремний — сильный раскислитель и графитизатор —• оказывает влияние на
структуру и магнитные свойства, повышает предел текучести, временное сопро-
тивление и твердость, однако с повышением твердости сильно увеличивается
хрупкость, что затрудняет холодную прокатку и обработку стали. Поэтому сплавы,
содержащие Si > 4-н6%, не имеют практического применения, несмотря на то,
что удельные потери уменьшаются с увеличением содержания Si. Уменьшается
также индукция насыщения Bs (Тл) — примерно на 0,05 Тл/% Si [13]:
Bs = 2,160 — 0,048/?,
где р — содержание Эц %.
Температура Кюри, так же как и индукция насыщения, падает с увеличе-
нием содержания Si: до 4% Si она снижается с 1053 до 1013 К.
Добавки кремния сильно увеличивают электросопротивление, причем макси-
мальное значение его наблюдается при 11—12% Si, затем электросопротивление
снижается до минимума.
Удельное электрическое сопротивление и плотность железокремнистых
сплавов в зависимости от содержания в сплаве Si [13]:
Содержание Si, % .... 0,25
у, 103 кг/м3...........7,85
р, мкОм-м..............0,16
1,05	1,75	2,55	3,35	4,15	4,85
7,80	7,75	7,70	7,65	7,60	7,55
0,25	0,33	0,42	0,51	0,60	0,68
При увеличении содержания кремния до 4% удельное электросопротивление
возрастает в 2,5 раза, что приводит к соответствующему уменьшению потерь на
вихревые токи.
Спеченные Fe—Si сплавы в настоящее время используют в промышленности
как материалы для систем переменного тока. Эти сплавы обладают достаточно
высокими магнитными свойствами и значительным удельным электросопротив-
лением (1—2 мкОм-м) [15].
Спеченные Fe—Si изделия получают спеканием прессовок из шихты, в ко-
торую вводят кремний двумя способами: в виде железокремнистой лигатуры,
полученной выплавкой, или химико-термическим насыщением порошка крем-
нием [16, 17].
По первому способу для легирования железа кремнием используют ферро-
силиций различных марок (СИ-45, СИ-60, СИ-75, СИ-90) в виде порошка с разме-
рами частиц -<0,04 мм. Этот метод имеет ряд существенных недостатков: чем
больше Si в применяемом ферросилиции, тем меньше его вводят в шихту. При
малых добавках ферросилиция к железному порошку ввиду большой разницы
их плотностей очень трудно получить материал с равномерной концентрацией Si
по всему объему. Места соприкосновения частиц железного порошка с частицами
ферросилиция имеют более высокую концентрацию кремния, чем места соприкос
новения частиц железа.
Для получения гомогенных твердых растворов Si в а железе этим методом
требуются длительные отжиги при 1250—1300 °C. В значительной степени равно
мерность состава сплава зависит от качества смешивания порошков железа и фер
росилиция. Последние содержат большое количество вредных примесей, которые
загрязняют железный порошок.
С целью активации спекания и получения сплавов с низкой пористостью
в работе [18] исследовалось жидкофазное спекание железокремнистых сплавов
с 6,5% кремния при различном количестве жидкой фазы. Наиболее сильно выра-
женным проявлением положительного влияния жидкой фазы является повыше-
ние концентрации твердого раствора кремния в a-Fe и снижение коэрцитивной
силы при увеличении количества жидкой фазы свыше 15%.
27?
Образцы, изготовляемые методом порошковой металлургии, отличаются
от литых пористостью, несколько другой зернистостью, определенным распреде-
лением включений и примесей. Однако магнитные свойства как спеченных, так
и литых материалов одинаково зависят от химического состава и условий терми-
ческой обработки. Ввиду положительного влияния термомагнитной обработки
(ТМО) на свойства магнитомягких материалов представляют интерес работы по
применению ТМО к спеченным магнитомягким материалам с целью повышения
их магнитных характеристик [15, 18]. ТМО в магнитном поле 400 А/м при 710 °C
с выдержкой 10 мин и последующим охлаждением со скоростью —20°С/мин
целесообразна для изделий, работающих в постоянных полях и имеющих Цтах>.
> 7,6 Гн/м. При более низком значении проницаемости эффект ТМО незначи-
телен. На переменном токе магнитные свойства и удельные потери мало зависят
от ТМО; при этом уровень магнитных характеристик образцов в переменном поле
значительно ниже (табл. 8.5 и 8.6).
ТАБЛИЦА 8.5
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗОКРЕМНИСТЫХ ОБРАЗЦОВ,
ПОДВЕРГНУТЫХ ТМО
Напря- женность, А/м	| Индукция в постоянном поле, Тл		Индукция в переменном поле 50 Гц, - Тл		Напря- женность, А/м	Индукция в постоянном поле, Тл		Индукция в переменном поле 50 Гц, Тл	
	До ТМО	после ТМО	До ТМО	после ТМО		до ТМО	после ТМО	ДО ТМО	после ТМО
40	0,57	0,79	0,18	0,18	160	1,04	1,05	0,59	0,59
61	0,84	0,95	0,29	0,31	400	1,12	1,11	0,91	0,89
68	0,88	0,98	0,31	0,33	800	1,18	1,17	1,17	1,15
80	0,96	1,00	0,36	0,38	1200	l^O	1,19	1,22	1,18
ТАБЛИЦА 8.6
МАГНИТНЫЕ ПОТЕРИ ЖЕЛЕЗОКРЕМНИСТЫХ ОБРАЗЦОВ,
ПОДВЕРГНУТЫХ ТМО
Индукция, Тл	Полные удельные потери, Вт/кг		Иидукция, Тл	Полные удельные потери, Вт/кг	
	до ТМО	после ТМО		до ТМО	после ТМО
0,4 0,5 0,8	0,7 1,2 4,65	0,5 1,0 5,0	0,9 1,0	6,4 8,6	7,1 9,5
Введение Si в железный порошок путем химико термического насыщения
железа имеет некоторое преимущество, так как лигатура с 15—20% Si, полу-
чаемая химико-термическим путем, по сравнению с промышленными марками
ферросилиция содержит меньше Si, а следовательно, имеет большую плотность.
Последнее обеспечивает более равномерное распределение небольших добавок
Si в железном порошке. Порошок лигатуры получают химико-термическим на-
сыщением восстановленного порошка из засыпок, содержащих Si, NH4C1 и А12О3.
За счет образования и дальнейшего разложения хлоридов кремния в желез-
ный порошок вводят 15—20% Si, полученную «губку», насыщенную Si, разма-
лывают в шаровой мельнице и отжигают при 800 °C для удаления хлоридов и
рафинирования. Этот метод легирования железного порошка Si имеет недостаток:
при насыщении порошка содержание Si в поверхностных слоях больше, чем
273
в середине, так что лигатура имеет переменный состав по сечению. При введении
ее в железный порошок для равномерного распределения Si в сплаве требуется
длительный отжиг в течение 10—20 ч.
Ввиду большой химической активности Si при изготовлении спеченных
изделий из железо-кремниевого порошка необходима тщательная очистка его от
примесей. Затем следует не допускать окисления спрессованных образцов в про-
цессе спекания и последующей термической обработки.
При спекании сплавов Fe—Si в присутствии малых количеств влаги при
температуре до 1300 °C протекают следующие реакции [19]:
Fe + Н2О = FeO + Н2;
2Fe + Si + 4Н2О = Fe2SiO4 + 4Н2;
Si + 2Н2О = SiO2 + 2Н2,
Таким образом, продукты окисления могут представлять собой смесь Fe2SiO4,
SiO2 и FeO.
Наилучшие результаты по защите железокремнистого сплава от окисления
получены при спекании в вакууме (1,3 мкПа), в засыпке из сплава Fe—Si, а также
при спекании в растолченном стекле. Наличие в порошке некоторого количества
окислов приводит к резкому повышению электросопротивления, что облегчает
задачу снижения потерь на вихревые токи в спеченных материалах, но при одно-
временном снижении магнитных свойств.
Предложен способ получения магнитомягких спеченных изделий с большой
проницаемостью и малыми потерями на вихревые токи г: железный порошок,
содержащий Si, окисляют во влажном водороде при 700—950 °C до образования
поверхностной пленки SiO2. Предполагают, что процесс окисления протекает
следующим образом:
3Fe + 4Н2О *=► Fe3O4 + 4Н2;
Si -|- 2Н2О SЮа.
К окисленному порошку добавляют 0,5—10% тончайшего порошка MgO.
Изделия прессуют под давлением 0,6—0,8 МПа с пластификатором и спекают при
1050—1250 °C в вакууме или водороде. При спекании происходит процесс взаимо-
действия окислов с образованием стекловидной магнийсиликатной пленки. Из
железного порошка, содержащего 4% Si, с добавкой 3% MgO таким методом были
получены образцы, в которых потери на вихревые токи составляют 10 Вт/кг при
индукции 1 Тл.
Для получения железо-кремнистого гомогенного порошка с заданным содер-
жанием Si предложен метод диффузионного насыщения железного порошка крем-
нием из точечных источников. Принципиальной особенностью метода является
совмещение источников насыщения и насыщенного порошка в одном объеме.
Технологическое решение метода состоит в приготовлении смеси порошков метал-
лов и NH4C1 в определенном соотношении, засыпке ее в стальной контейнер и
выдержке контейнера в печи при температуре диффузионного насыщения в течение
определенного времени.
При 340 °C происходит разложение NH4C1:
NH4C1 -> NH3 + НС1.
Затем
4Si + HC1 =₽* SiCl4 + 2Ha.
Образующийся SiCl4 разлагается на поверхности частиц железного порошка и
атомы Si диффундируют в глубь железа:
4Fe + 3SiCl4 = 4FeCl3 + 3Si;
2Fe+ SiCl4= 2FeCla + Si.
1 Пат. (ФРГ), № 1173196, 1965,
274
ТАБЛИЦА 8.7
СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ ЖЕЛЕЗОКРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ,
ПОЛУЧЕННЫХ ПО РАЗНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ РЕЖИМАМ
Содер- жание Si, 0 0	Метод легирования кремнием	Дав- ление прес- сова- ния, ГПа	Режим спекания				Плот- ность, 103 кг/м3	Магнитные свойства				
			темпера- тура, °C	среда	про- должи- тель- ность, ч	СКО" рость охла- жде- ния		в постоянных полях			в переменных полях	
								^800’ Тл	"max	Нс А/м	•^8 00 Тл	Р1,0'5,0 Вт/кг
4	Введение лигатуры с содер- жанием Si до 20% в восста- новленный железный поро- шок	0,7	1250	Водород	4	0,1	7,2	1,1	2500— 3100	90— 120	1,2	—
6,5	Введение лигатуры в желез- ный порошок вихревого раз- мола	__	1250	Водород		0,1	—	1,6	__	—	1,1	9,5
6,5	Введение лигатуры с добав- ками 0,06% В	0,8	1250— 1280	Защитная среда		0,03	—	1,18	—-	—	—	8,6
6,5	Введение лигатуры марки СИ75	1,5	1300	Водород или вакуум	20	0,1	7,1— 7,2	1,5 *	11 400	33,6	—	7
4	Диффузионное насыщение из точечных источников	0,8	1300	Вакуум	2	0,1	7,0	1,2	3 500	80— 120	1,1	5—7
Сплавы **. Технологические режимы не указаны HDM 5010 HDM 5020 HDM 5030 HDM 5030 HDM 5040 HDM 5050							7,2 7,1 6,8 7,4 7,3 7,2	1,36 1,32 1,17 1,44 1,42 1,37	3 450 5 850 6 400	120 96 104 80 80 68		—
* Индукция в поле 4000 А/м. ** Сплавы выпускает фирма Remington Arens Со, США; индукция в постоянных полях, близких
к насыщению.
275
ТАБЛИЦА 8.8
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ Fe—AI
И Fe — Si — Al СПЛАВОВ
Состав сплава, %	Технологический режим (прессование и спекание)	Кажущаяся плотность, 103 кг/м8
Fe—Al (12) *	В водороде при 1350 °C, 4 ч	Ь,0—6,1
Fe—Al (6,4) — Si (11,7)	В вакууме при 1150 °C, 3 ч	6,49
Fe—Al (11,8—12,4) — Si (1,2—1,8) В (0,01—0,05)	При 1200—1300 °C в течение 1—2 ч	—
Магнитные свойства
Состав сплава, %
в постоянном поле
в переменном поле
Fe— Al (12) *
Fe—Al (6,4) — Si (11,7)
Fe—Al (11,8—12,4) —
Si (1,2—1,8) В (0,01—0,05)
* Порошок получен введением лигатуры.
Метод позволяет регулировать в широких пределах количество Si в Fe—Si
порошке. Магнитные свойства спеченных образцов из Fe—Si порошков, получен-
ных разными технологическими режимами, сведены в табл. 8.7.
Для работы в переменных полях можно использовать Fe—Al сплавы и Fe—Si
сплавы с добавками А1. Эти сплавы обладают достаточно высокими магнитными
свойствами и значительным удельным электросопротивлением (порядка 1—
2 кОм-м). Удельное электросопротивление заметно возрастает с увеличением
содержания алюминия. Затем электросопротивление снижается (минимум при
А1 = 13%). Величина снижения зависит от скорости охлаждения материала, что
связывают с процессами упорядочения структуры. В табл. 8.8 приведены свойства
Fe—Al и Fe—Si—Al сплавов, полученных в разных условиях.
8.1.3.	МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ
ЖЕЛЕЗНОГО ПОРОШКА, ЛЕГИРОВАННОГО ФОСФОРОМ
Добавка к железному порошку такого легкоплавкого элемента, как Р, обра
зующего твердый раствор при невысоких температурах, рассматривается обычно
как средство интенсификации процесса спекания. Однако добавка Р к железному
порошку позволяет снизить магнитные потери в материале и повысить его электро-
сопротивление.
Образование жидкой фазы при температуре выше 1050 °C существенно улуч-
шает спекание частиц; при достаточно длительном времени спекания Р диффунди-
рует в глубь частиц, образуя однородный сплав, легированный фосфором.
На свойства спеченных сплавов в сильной степени влияет способ легирования
их фосфором и особенно равномерность его распределения.
276
Для равномерного введения Р железный порошок тщательно перемешивают
в соответствующих количествах с водным раствором (NH4)2 НРО4, а затем высуши-
вают при 90—110 °C на воздухе. При последующем отжиге в водороде при 800 °C
происходит полное разложение (NH4)2 НРО4, причем образовавшийся Р распреде-
ляется в объеме железного порошка.
Сравнительные свойства железофосфорных сплавов, полученных при разных
способах легирования железного порошка фосфором, приведены в табл. 8.9.
ТАБЛИЦА 8.9
МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕЧЕННЫХ
ЖЕЛЕЗОФОСФОРНЫХ СПЛАВОВ
Исходный порошок	Со- дер- жание Р. %	Технологи- ческий режим получения образцов	Магнитные характеристики				
			в постоянном поле			в переменном поле	
			Ввоо' Тл	Н	А/м	^800’ Тл	Р10/15, Вт/кг
Fe электро- литическое с добавлением лигатуры Fe—Р	0,7	Смешивание 8 ч, спека- ние при 1200 С, 4 ч	1,36	4 600	120	—	—
Порошок Fe марки МН300 с добавлением лигатуры Fe—Р	0,7	То же, но спекание Зч	1,14	1 900	240	—	—
Fe электро- литическое с добавлением красного фосфора	0,7	То же, спекание 4 ч	1,42	4900	120		
Порошок Fe марки МН300 с добавлением красного фосфора	0,7	То же	1,17	19 500	200		
Fe—Р порошок, полученный разложением (NH4)2HPO?	1,5	Отжиг при 900 °C 2 ч, последую- щее спека- ние при 1250 °C 4 ч	1,25— 1,30	7500— 7800	40	1,15— 1,20	7—10
Спеченные железофосфорные сплавы находят применение для реле, статоров
электродвигателей, полюсных наконечников, магнитопроводов и других уст-
ройств, где требуются высокие значения магнитных характеристик. Изделия из
материала Fe—Р можно использовать для работы в переменных полях.
В связи с тем что в спрессованных изделиях потери на вихревые токи зависят
также от формы и размеров изделия, следует в каждом отдельном случае решать
вопрос о возможности использования материала для переменных полей.
Для того чтобы цельно прессованные магнитомягкие материалы могли рабо-
тать в переменном поле, необходимо выдерживать условие, при котором высота
277
изделия h была меньше удвоенной глубины проникновения переменного магнит-
ного поля Z : h <: 2Z.
Выполнение этого требования облегчается, если исходный материал имеет
высокое удельное электросопротивление, что достигается введением в железный
порошок легирующих добавок Si, Al, Р для образования тончайших изолирующих
прослоек. Другим решением задачи снижения потерь в цельнопрессованных мате-
риалах является создание слоистых структур, представляющих собой чередую-
щиеся ферромагнитные и электроизолирующие слои. При этом необходимо, чтобы
изолирующие прослойки и слои не снижали магнитные характеристики^материала
(индукцию, проницаемость).
8.1.4.	СПЕЧЕННЫЕ ЖЕЛЕЗОНИКЕЛЕВЫЕ СПЛАВЫ
Среди магнитомягких материалов важную роль играют железоникелевые
сплавы. В тех случаях, когда необходимы магнитные материалы, обладающие
максимальной проницаемостью в слабых полях, эти сплавы незаменимы.
Изучение магнитных свойств железоникелевых сплавов показало, что значе-
ния начальной и максимальной проницаемости в 10—12 раз превосходит значения
для технически чистого железа, потери на гистерезис приблизительно во столько
же раз меньше.
Производство порошкового пермаллоя развито гораздо в меньшей степени,
чем литого, несмотря на то, что преимущества метода порошковой металлургии
при изготовлении пермаллойных изделий очевидны. Только методом порошковой
металлургии можно получить материалы точно заданного состава, который обеспе-
чивает пиковые значения проницаемости.
Оказалось, что начальная магнитная проницаемость спеченного пермаллоя
почти не зависит от толщины ленты, чего не наблюдается на литом и катаном
пермаллое.
Порошковый пермаллой марки 50Н [82, 83], полученный восстановлением
смеси хлоридных солей железа и никеля, имеет следующие свойства:
Химический состав, %
Ni С S
51,0	0,010	0,002
Магнитные свойства
Яе, А/М В, Т
7,95 398	1,5
ТАБЛИЦА 8.10
СВОЙСТВА ПОРОШКОВОГО СПЛАВА 79Н ПОСЛЕ СПЕКАНИЯ
Способ получения сплава	Пори- стость образцов, %	Содержа- ние леги- рующих добавок, %	Магнитные свойства		
			Ин 105	^тах Ю 4	Нс’ А/м
Смешивание карбонильных по- рошков железа и никеля . . Смешивание карбонильных по-	2,3—3,1		125,60	785,00 *	1 4,37
рошков железа, никеля и по- рошка молибдена	 Смешивание порошков железа,	2,5	4 (Мо)	251,2	728,48	2,78
никеля, молибдена и марганца	4,5-5	5 (Мо), 3 (Мп)	628,0	238,6	3,18
* После закалки на медной плите.
278
Свойства пермаллоя, полученного из смеси карбонильных порошков железа
и никеля (50% Ni), регламентированы ГОСТ 10160—62.
Порошковые пермаллои марки 79Н и с добавками молибдена, марганца также
не нашли широкого применения в промышленности.
В табл. 8.10 приведены свойства этих сплавов [81, 85].
Введение легирующих добавок в сплав 79Н позволяет повысить электросопро-
тивление с 0,2 до 0,55—0;60 мкОм-м.
Указанные сплавы пермаллоя рекомендуются для изготовления магнито-
провода измерительных трансформаторов в цепях управления и регулирования,
а также для изготовления магнитопроводов быстродействующих реле высокой
чувствительности.
8.1.5.	МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ И МАГНИТОМЯГКИЕ
ФЕРРИТЫ
В радиотехнике широко применяют композиционные материалы па основе
ферри- или ферромагнитного порошка и органической или неорганической связки.
Сердечники из этих материалов используют в катушках индуктивности, ферро-
вариометрах и других элементах.
В магнитодиэлектриках каждая ферромагнитная частица окружена оболоч-
кой из диэлектрика, ограничивающей вихревые токи в частицах и создающей
между ними немагнитный зазор. Снижение потерь на вихревые токи позволяет
использовать магнито диэлектрики на частотах до сотен мегагерц. Разомкнутая
магнитная цепь не позволяет получить высоких значений индукции в материале и
ограничивает область применения слабыми полями. Для работы в области высоких
частот используют материалы из магнитных частиц размером в несколько микро-
метров (альсифер, карбонильное железо, магнетит); для низких частот применяют
порошки с крупными частицами размером в десятки и сотни микрон на основе
пермаллоя, пермендюра. В последнем случае объемное содержание порошка
достигает 95%.
Основные преимущества магнитодиэлектриков: возможность получения
изделий сложной формы с однородными свойствами и точными размерами, высокая
температурная и временная стабильность. На основе магнитодиэлектриков выпу-
ТАБЛИЦА 8.12
МАГНИТНАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ КАРБОНИЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ПОРОШКОВ
Материал	Эффектив- ная прони- цаемость	Рекомендуе- мая область частот, МГц	Материал	Эффектив- ная прони- цаемость	Рекомендуе- мая область частот, МГц
Регтасог			Pyroferric-	-New-York	
			Carbonyl Е . . .	8-10	0,1—40
Carbonyl HP . . .	5,42	0,2—1,5	Carbonyl TH . . .	6—10	1—60
Carbonyl-E . . .	3,72	1—40	Carbonyl SF . . .	5-8	10—200
Carbonyl С ...	5,32	0,5—10	Carbonyl W . . .	2—6	40—250
Carbonyl GS-6 . .	5,20	0,2—1,5	P4-11B		2—5	60—250
MP-39 		5,10	0,5—1,5	Carbonyl 1GS6 . .	15—20	0,1—10
MP-36 		5,60	0,1—1	Carbonyl C ...	20—30	0,05—10
MP-34 		5,69	0,1—0,5	Carbonyl GQ4 . .	20—30	0,05—2
MH-100		5,81	0,01—0,1	MP-34 		35—45	0,001—10
IRN-8 		2,05	50—150	MP-36 		30—35	0,05—10
IRN-9 		1,77	100—200	MH-100		55—65	0,001—0,05
Magnetite ....	3,34	0,05—5	Magnetite . . . .'	4—8	0,05—10
279
ПАРАМЕТРЫ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКОВ НА ОСНОВЕ
	МОЛИБДЕНОВОГО ПЕРМАЛЛОЯ МП И КАРБОНИЛЬНОГ0					
Параметры	ТЧ90	ТЧ60	ТЧК55	ВЧ32	ВЧ22	ВЧК22 "
Максимальная ин- дукция Вт, Тл . .	0,48—	0,42	0,42	0,27	0,20	0,20
Остаточная индук- ция Вг, Тл	 Коэрцитивная сила Нс, А/м	 Начальная магнит- ная проницаемость цн	0,50 0,055	0,05	0,05	0,025	/ 0,015	0,015
	390	400	400	400	500	500
	79—91	53—63	48—58	28—33	19—24	19—24
Эффективная магнит- ная проницаемость Р-зф 										
Действительная со- ставляющая относи- тельной комплексной магнитной проницае- мости р/							
Тангенс угла магнит- ных потерь, не более: при На — 4,8 А/м и f = 100 кГц . .	83,5	27,4	27,4	9,9	4,6	4,6
при На = 72 А/м и f, кГц: 10										
30		—	—	—	—	—	—
100		—			—						
при На — 24 А/м и /, кГц: 30						
100			—	—						
Температурный коэф- фициент начальной магнитной проницае- мости р, 10-в к-1	—600	—400	(-150) -	—250	—200	(-50) -
Коэффициент потерь на гистерезис + , 10"4 м/А, не более	1,1	0,81	(+150) 0,81	0,38	0,25	(+50) 0,25
Коэффициент потерь на вихревые токи 6/, 10~в Гц-1 не более					25	25
Коэффициент потерь на последействие 6ПХ X 103, не более . . . Относительная до бротность Q0TH, не ме- нее 			—	—	—	—	—
Критическая частота МГц	 Рабочая частота f, МГц	0,02	0,07	0,07	0,20	0,70	0,70
	—	—	—	—	—	—
Примечания: 1. Величина |3 для альсифера марок ТЧ90, ТЧ60, ТЧК55,
МП250 — в интервале от—60 до + 85 QC, марки МП60 от — 60 до +155 °C, для карбониль
2. Величины Вт, ВГ1 Нс даны в полях Ид = 8 кА/м.
3. Величины d/р д^, дп для магнитодиэлектриков марок МП250, РЮ, Р20, PI00,
4. Величина &п для пермаллоев марок МП60, МП100, МП140 дана на f = 204-50 кГц»
28Q
ТАБЛИЦА 8.11
ПОРОШКОВ АЛЬСИФЕРА МАРОК ТЧ, ТЧК, ВЧ, ВЧК
ЖЕЛЕЗА МАРОК Р И Пс
	МП60	МП100	МП 140	МП250	РЮ	Р20	РЮО	Пс
	0,52	0,65	0,7	0,75	—	—	—	—
	0,005	0,007	0,02	0,25	—	—	—	—
	100	100	100	100	—	—	—	- ,
	60±10%	100±10°о	140±10°о	230+10%	—	—	__	—
	—	—	—	—	2,90	2,95	1,60	2,90
	—	—	—	—	13—15	12—14	10—12	11—13
	5,9 12,9	10,3 24,3	20,0 51,5	40,2	—	—	—	—
	12,0	22,8	48,5	35,4		—		
	+ 100	F юо	+ 120	+200	80—180	50 150	15 80	25 НО
	0,187	0,313	0,625	0,820	0,03— 0,05	0,015— 0,025	0,006— 0,012	0,015
	100	200	450	800—1000	2 3,5	2 3	1,0 2,8	3,5
	1,5	2,0	2,0	3,0	0,15— 0,25	0,05— 0,10	0,05— , 0,10	0,2
	—	—	—	—	1,85	2,00	1,10	2,00
	—	—			—	5	5	50	5
ВЧ32, ВЧ22, ВЧК22данав интервале 20 —70 °C, для пермаллоев марок МП100, МП140, кого железа марок Р10 Р20, РЮО, Пс в интервале от ( — 60) до 100 °C.								
Пс даны для справок.
Чарки МП250 на f = 10-5-30 кГц.
281
Ска (от кольцевые, стержневые, Пластинчатые, трубчатые, Ш-образные и броневые
се рдечники, а также сердечники сложной конфигурации.
Свойства магнитодиэлектриков подробно приведены в монографиях и спра-
вочниках [1, 13, 23—25, 78], в настоящем издании приведена только табл. 8.11
свойств основных марок сердечников на основе карбонильного железа, альсифера
и молибденового пермаллоя; в табл. 8.12 приведены характеристики карбонильных
сердечников фирм «Регтасог» и «Pyroferric—New York».
Магнитомягкие ферриты — соединения окислов с общей формулой [26]:
К+0Г)т/2(РеГ0Г)п,
где Me характеризующий металл (Ni, Mn, Mg и др.) с валентностью k; т и п —
целые числа.
ПАРАМЕТРЫ ФЕРРИТОВЫХ СЕРДЕЧНИКОВ
Параметр	100 НН	400 НН	600 НН	1000 НН	
Начальная магнитная проницаемость рн	100+200	400±igo	600+jgo	1000±200	
Максимальная индукция Втах, Тл . .	0,44	0,25	0,31	0,27	
Остаточная индукция Вг, Тл	 Коэрцитивная сила Нс, А/м 	 Критическая частота, МГц, при tg 6 = 0,1	0,29	0,12	0,14	0,15	
	56	64	32	20	
	—	—	—	—	
Частота f (МГц) при р = 0,7рн .... Относительный тангенс угла магнитных	—	—	—	—	
потерь (tg 6/рн) • 10е, не более		125	18	22	50	
Удельное объемное сопротивление р, Ом • м	108	104	104	104	
Точка Кюри, К 		570	570	380	380	
Плотность d/г, 103 кг/м3		4,7—5,0	4,7—4,9	4,8—5,0	4,8—5,1	
Параметр	700 НМ	1000 НМЗ	1500 НМ1	1500 НМЗ	
Начальная магнитная проницаемость рн Максимальная индукция ВШах, Тл, не ме-	700+200	1000 ±200	1500±300	1500 ±300	
нее 		0,38	0,33	0,35	0,38	
Остаточная индукция Вг, Тл		0,05	0,10	0,10	0,08	
Коэрцитивная сила Нс, А/м	 Критическая частота, МГц:	140	28	16	16	
при tg 6 = 0,1	 Относительный температурный коэффи-	—	—	—	—	
циент магнитной проницаемости «м . . . Относительный тангенс угла магнитных	(-0,2)- (+1.2)	(-0,2)- (+1.2)	(-0,1)- (+0,8)	(-0,2)- (+1,5)	
потерь (tg 6/ри) • 10е, не более	 Удельные потери Р, Вт/м3Гц, не более:	80	5	15	5	
при 20 °C		—	—	—	—	
при 120 °C		—	—	—	—	
Удельное объемное сопротивление р, Ом - м	20	10	5	20	
Точка Кюри, К, не менее 	 Плотность dk, 103 кг/м3 		510	470	470	470	
	4,3—4,7	4,3—4,7	4,3—4,7	4,3—4,7	
Примечания: 1. Для сердечников марок 3000 НМС, 2500 НМС1, 2000 НМС,
НМС1 — температура 100 °C).
2. Для сердечников марок НН, НМ, НТ1 параметры петли гистерезиса сняты в поле
3. Величина Р дана при индукции В = 0,1 Тл (для феррита марки 2500 НМС1 при
4. Величина tg 8/|1н дана при И ~ 0,8 А/м и f — 0,1 МГц (для ферритов марки
f = 7 МГц).
282
Магнитомягкие ферриты кристаллизуются в решетке, изоморфной решетке
минерала шпинеля MgO-Al2O3. Характеризующими ионами в таких шпинелях,
содержащих ион Fe3+ (феррошпинелях), могут быть Ni2+ , Mn2+ , Cu2+ , Со2+ , Mg2+,
Fe2+, Zn2+, Cd2+. Ионы Zn2+ и Cd2+, снижая точку Кюри, повышают начальную
магнитную проницаемость.
Наиболее широко распространены марганеццинковые (МН), никельцинковые
(НН) и литиевые ферриты. На основе ферритов выпускают сердечники:кольцевые,
О-образные, стержневые, дисковые, подстроечные, пластинчатые, трубчатые,
Ш-образные, П-образные, броневые, сердечники для отклоняющих систем теле-
визоров и сердечники сложной конфигурации.Параметры ферритовых сердечников
основных марок приведены в табл. 8.13.
Эти сердечники используют для работы в сильных полях в радиотелевизион-
ной аппаратуре (3000 НМС, 2500 НМС1, 2000 НМС, 2000 НМС1), в термостабиль
ТАБЛИЦА 8.13
ПРОМЫШЛЕННЫХ МАРОК
	2000 НН	1000 нм	1500 НМ	2000 НМ	3000 НМ	500 НТ1	1000 НТ1
	2000i«o 0,25 0,12 8	1000 ±200 0,35 о,п 28	1500 ±300 0,35 0,11 24	2000±з’88 0,38 0,13 24	3000 ±500 0,35 0,12 12	5ОО+28§ 0,35 0,21 48 2 7—9	1000«ооо 0,32 0,15 32 0,80 2—3
	85 10 343 4,8—5,1	15 0,5 470 4,4—4,6	15 0,5 470 4,4—4,6	15 0,5 470 4,4—4,6	35 0,5 410 4,6—4,8	103 420 5,3	103 410 5,3
	2000 НМ1	30 ВН	150 ВН	3000 НМС	2500	2000	2000
	2000^88	30±5	150±20	2000 ±400	НМС1 1700 ±500	НМС	НМС1
	0,38 0,12 16	0,26 0,07 520	0,35 0,15 520	0,25	0,29	0,24	0,22
	—	—	—	0,36	0,40	0,33	0,34
	(-0,1)- (+1,0)	(-35)- (+35)	(-4)-(+4)	—	—	—	—
	15	170	136	. —	—	—	—
	5 470 4,3—4,7	106 720 4,5—4,8	104 670 4,5—4,8	2,5 2,5 1 470 4,7—4,9	10,5 8,7 1 470 4,7—4,9	4,2 4,6 1 470 4,6—4,8	3,2 3,2 1 470 4,7—4,9
2000 НМС1 величина Втах дана при Нтах = 240 А/м и температуре 120 °C (для марки
Нтах = °-8 кА/ы-
В — 0,2 Тл и t = 100 °C).
'00 НМ f = 3 МГц; марки ЗОВН f = 30 МГц; марки 150ВН f = 12 МГц; марки 1000 НН
283
пых узлах аппаратуры проводной и радиосвязи (700 НМ, 1000 НМЗ, 1500 НМ1,
1500 НМЗ, 2000 НМ1, 30 ВН, 150 ВН), для магнитофонных головок >(500 НТ1,
1000 НТ1), а также в узлах общего применения (100 НН, 400 НН, 600 НН,
1009 НН, 2000 НН, 1000 НМ, 1500 НМ, 2000 НМ, 3000 НМ).
Технология и свойства магнитомягких ферритов и элементов на их основе
освещены в работах [1, 13, 24—28, 78], что исключает необходимость приведения
подробных сведений об этих материалах и изделиях на их основе в настоящем
издании.
8.2.	Магнитотвердые материалы
Потребности современной техники стимулируют ежегодный прирост произвол-
ства спеченных магнитов нв уровне 25% с заметной тенденцией к повышению1
Страна	Средний ежегодный прирост за 10 лет, %
Франция . . . Англия . . . . США	 Япония . . . .	27,6 24,8 25,9 26,5
В 1970 г. в США производилось 6600 т ферритовых магнитов, а в 1972 г.
почти в 3,5 раза больше.
Потребность промышленности в постоянных магнитах удовлетворяется
не полностью [2],
В 1975—1980 гг. производство постоянных магнитов на основе сплавов редко-
земельных металлов с кобальтом (РЗМ—Со), выпуском которых в 1976 г. зани-
мались 22 зарубежные фирмы, резко возросло.
Магнитотвердые порошки являются основой для производства магнитопластов
(магнитов с пластмассовой связкой) и магнитоэластов (магнитов с резиновой
связкой), выпуск которых в 1972 г. составил в США 7, в Японии 5 тыс. т. Освоен
выпуск магнитопластов на основе РЗМ—Со порошков [29] и высоко дисперсных
порошков железа и сплава Fe—Со [30, 31].
Классификация магнитотвердых материалов из порошков приведена
в табл. 8.14.
Так как из порошков получают не материалы, нуждающиеся в дальнейшей
обработке, а готовые изделия — постоянные магниты, ниже приведены не только
свойства Материалов, но и технологические и магнитные характеристики различ-
ных групп магнитов.
8.2.1.	МАГНИТЫ ИЗ СПЛАВОВ РЗМ—Со
Интерметаллические соединения РЗМ—Со обладают наибольшей из всех
известных материалов кристаллографической магнитной анизотропией (табл. 8.15),
что в сочетании с высокой намагниченностью и высокой точкой Кюри обеспечивает
возможность получения из них магнитов с рекордными значениями коэрцитивной
силы по намагниченности и удельной магнитной энергии.
При значениях HCJ Js, что имеет место в сплавах РЗМ—Со, в области
кривой размагничивания по индукции J = Jr = Js = const (рис. 19).
Кривая размагничивания по индукции, определяемая выражением
В s Но I Н Ь
вырождается в прямую линию:
= 1
Вг + НсВ
284
ТАБЛИЦА 8.14
КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПОРОШКОВ
Системы
(основные компоненты)
Технология получения
Свойства
Применение
Интерметаллические соединения с высокой кристаллографической магнитной анизотропией (сплавы РЗМ—Со)
РЗМ — Со5, РЗМ2-Со17, РЗМ2(Со, Fe)17, РЗМ—Go— Си—Fe (Sm, La, Се, Рг, Y, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Co,	а. Кальциетермическое восста- новление окислов РЗМ и Со, тонкий помол в инертной среде, прессование в магнитном поле,	Наиболее высокие значения магнитной энергии 1Ушах = = 120 кДж/м3. Величина коэр- цитивной силы до 25 МА/м.	Миниатюрные магниты для ча- сов, микродвигателей. Магни- ты приборов, генераторов, маг- нитных муфт и подшипников,
Fe, Cu, Al, Mn, Cr)	спекание, термообработка. б. Сплавление металлов; далее, как в п. а Дисперсионно-пгвердеющие л	Высокая индукция насыщения Bs—до 1,55 Тл. Хрупкость сеталлокерамические сплавы	роторов гироскопов, накопи- телей энергии и др.
Al—Ni—Fe, Al—Ni—Co—Fe	Смешивание порошков ч истых	Высокая однородность магнит-	Мелкие магниты всех назначе-
(Al, Ni, Co, Fe, Cu, Ti, Zr)	металлов и лигатур, прессова- ние, спекание, допрессовка, спе- кание, термообработка (термо- магнитная обработка), доводка размеров	ных свойств, высокая механи- ческая прочность IFШах = = 20 кДж/м3	ний, подвижные магниты, маг- нитные муфты, роторы и ста- торы небольших двигателей, магниты сложной формы
Fe—Cr—Co (Fe, Cr, Co, Mo,	Смешивание порошков чистых	Пластичность при высоких маг-	Мелкие магниты сложной фор-
Si, Al, Nb, V, Ti)	металлов, прессование, спека- ние, закалка, отпуск в магнит- ном поле, термообработка	нитных свойствах 1Утах = = 20 кДж/м3. Допускает слож- ную .механическую обработку (нарезание резьбы и др.)	мы для микромашин, приборов, подвижные магниты
Pt—Co, Pt—Pd—Co (Pt, Pd,	Смешивание порошков метал-	Хорошие механические и маг-	Миниатюрные магниты, магни-
Co)	। лов, прессование, спекание, за- калка, спекание, допрессовка, термообработка, механическая обработка	нитные свойства, lFmax — = 40 кДж/м3, высокая корро- зионная стойкость	ты из тонкой проволоки
Mn—Al (Mn, Al)	Плавка сплава, гомогенизация, закалка, распыление, спекание	Устойчивость против коррозии, IFmax = 4 кДж/м3, низкая стоимость	Недорогие магниты для сило- вых устройств, бытовой техни- ки
286
Продолжение табл. 8.14
Системы (основные компоненты)	Технология получения	Свойства	Применение
Микропорошковые композиции
Fe, Fe—Со (Fe, Со)	а. Электролиз на ртутном катоде, б. Электролиз в двухслойной ванне на вращающемся катоде	Малые допуски на размеры, низкие температурные коэф- фициенты, U’"’max = 26 кДж/м8	Подвижные магниты компасов, измерительных приборов, ро- торы микродвигателей
	Магнитотвердые ферриты		
BaFe12O19 (ВаСО3, Fe2O3), SrFe120i9 [SrCo3, Fe3O3, као- лин (A12O3 2SiO2-2H2O), Bi2O3], CoO-Fe2O3 (Co2O3, Fe2O3)	Смешивание окислов и углекис- лых солей, отжиг (ферритиза- ция), тонкий помол, прессова- ние, спекание либо прессование в магнитном поле, спекание, шлифовка (спекание может быть заменено горячим прессованием)	Хорошие магнитные свойства за счет высокого значения Hcj (300 кА/м), Гтах = 16 кДж/м3. Низкая стоимость. Высокая твердость, хрупкость. Высо- кий температурный коэффи- циент Вг (0,2% К’1)	Превосходят все остальные маг- ниты по объему выпуска. Элек- трические машины, электрон- ные приборы, динамические громкоговорители, магнитные системы ламп бегущей волны, магнетронов, магнитные лин- зы, генераторы, магнитные се- параторы, муфты, редукторы, подшипники, бытовая техника
	Магнитопласты и магнитоэласты		
Наполнители: альни, алнико, бариевые ферриты, высокодисперсные порошки Fe, Fe—Со, порошки соеди- нений РЗМ — Со. Связующее: полимеры (эпоксидные смолы, бакелит), эластомеры (каучук и пр.)	а.	Смешивание связки с напол- нителем, прессование (в магнит- ном поле), полимеризация (вул- канизация), отверждение. б.	Смешивание наполнителя с жидкой связкой, центробежное литье в магнитном поле, отвер- ждение.	Высокая однородность магнит- ных свойств: IFmax- 50 кДж/м8 (для наполнителей РЗМ — Со), IFniax = 8 кДж/м8 (для ориен- тированных бариевых ферри- тов). Возможность получения в виде листов, лент, профиль- ных лент. Низкая стоимость, легкая обрабатываемость	Магнитные системы геркопов, электродвигателей, акустиче- ских приборов, магнитная ос- настка, магнитные подшипни- ки, уплотнители в холодильник ках, магнитофоры (многопо- люсные эластичные магниты) для медицинских целей, маг- нитные ткани, транспортерные ленты, крепежные ленты, дета- ли полиграфических машин и автомобилей
• Точка на кривой размагничивания, в которой удельная магнитная энергия
(В н \
’ —<7— ) ’
Гтах 1 2 ( 2 • 2СВ ) “ 8(.1„ В^’
В
так как Br = Bs; Нсв = —— •
Ио
Для расчетов удобна формула
^тах - 10Ч
где Bs — индукция технического насыщения, Тл.
Формула справедлива только при условии H,j > Js.
В табл. 8.15 приведены значения И-'шах = '4 (8//)тах, вычисленные по этой
формуле.
Сплавы РЗМ—Со разделяют на 2 группы: типа АВ6 и А2В17 (В — переходный,
А — редкоземельный металл). Для первой группы характерны наиболее высокая
О 1	3	5	7	9
Рис. 19. Кривая размагничивания
высококоэрцитивных материалов
0,1х~—
Рис. 20. Магнитная симметрия тройных
систем (Coj„A-FeA-)17 (заштрихован-
ный прямоугольник соответствует зна-
чению х, до которого сохраняется одно-
осная анизотропия)
кристаллографическая анизотропия, но меньшие по сравнению с группой А2В17
значения индукции насыщения и точки Кюри (см. табл. 8.15).
Высокие магнитные свойства легче реализовать для группы АВ5 благодаря
весьма высоким значениям Hcj.
Но материалы А2В17 (второе поколение сплавов РЗМ—Со) обладают более
высоким теоретическим пределом магнитной энергии (до 190 кДж/м3 для бинарных
соединений), что делает разработку магнитов на их основе весьма перспективной.
Исследование тройных соединений R2 (Coj.^FeJj, (R — редкоземельный металл)
показало, что в системах сплавов Sm2 (Co1_xFex)17 и Рг2 (Со!_гРеА)17 имеются
соединения с одноосной анизотропией и значением Bs = 1,55 Тл [29], что указы-
вает на теоретическую возможность получения материалов с IFmax 240 кДж/м3
[(ВЯ)тах = 60 МГс-Э].
Введение железа повышает намагниченность насыщения, но снижает точку
Кюри и кристаллографическую анизотропию. При х > 0,6 полностью разрушается
одноосная анизотропия (рис. 20).
При х = 0,5 в сплаве Sm-CO-Fe сохраняется Hcj «г 1,5 МА/м, что
теоретически позволяет обеспечить 1Ртах ~ 228 кДж/м3. Указанные вели-
287
МАГНИТНЫЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Свойство	¥Со„	LaCo5	СеСо6	РгСоБ
Точка Кюри, К		921	840	647	885
Индукция насыщения Bs, Тл ... Поле анизотропии Нд, МА/м . . .	1,06	0,909	0,770	1,20
	10,4	14	13,6—17	11,6—17
Константа анизотропии К, МДж/м3 Теоретический предел максимальной удельной магнитной энергии1 2(ВН)тах,	5,5	6,3	5,2—6,4	6,9—10
кДж/м3		108,0	82,6	59,3	144
(£#)тах» МГс-Э	  .	27	20,65	14,8	36
Рентгеновская плотность dt, 103 кг/м3	7,60	8,03	8,55	8,34
Примечание. ММ (мишметалл) — смесь редкоземельных металлов; значения
цераллой). Константа анизотропии К вычислена по формуле Ид = 2 K/(n0 Д.
чины lFmax реализованы на 50% [37]. Полученные магниты имеют следующие
свойства:
Плотность, 103 кг/м3.................................
Остаточная индукция, Тл..............................
Коэрцитивная сила, МА м:
по намагниченности ..................................
по индукции .......................................
Напряженность критического поля *, МА м..............
Проницаемость линии размагничивания (обратная прони-
цаемость) ,иобр
Температура Кюри, К..................................
Магнитная энергия IFmax, кДж м3 .....................
(5W)max, МГс-Э.......................................
TKHcJ, %/к ..........................................
тквг, %/к............................................
8,3
1,1
0,6
0,56
0,52
РоД#
1
1000
120
30
0,6
0,05
* Напряженность магнитного поля, др значения которой сохраняется
линейность кривой размагничивания.
После нагревания в течение 24 ч при 250 °C и последующем намагничивании
первичная кривая намагниченности практически восстанавливается.
Эти магниты обладают максимальным среди всех известных магнитотвердых
материалов значением И''’1Пах.
Свойства, важные для постоянных магнитов, получены у дисперсионно-
твердеющих сплавов на основе твердых растворов RCo6—RCu6 [33]. Однако
литые сплавы типа R (СоСи)6 не нашли широкого промышленного применения
из-за высокой хрупкости и сравнительно низкой величины Bs (0,65 Тл). При
добавлении железа к сплавам R—Со—Си получают Bs = 0,69 Тл (R-Sm). На
основе сплавов Се (Со0,72?ео,14^0,14)5 фирма «Shinetsu Chemical Ind (SCI)» выпу-
скает сравнительно недорогие магниты марки RARENET—В (50 кДж/м3).
На основе многокомпонентных сплавов (Sm, Ce)(CoCu)6 и (Sm, Се)(Со, Си,
Fe, Мп)7, близким по составу к фазам А2В17, разработаны спеченные магниты,
обладающие магнитной энергией соответственно 48 и 104 кДж/м3. Промышленность
выпускает такие магниты с магнитной энергией от 72 до 100 кДж,'м3(18—
25 МГс-Э).
На основе сплавов РЗМ—Со разработаны магниты с органической полимерной
связкой, которые допускают механическую обработку, сравнительно дешевы и
288
ТАБЛИЦА 8.15
СОЕДИНЕНИЙ РЗМ — Со [32 — 361
SmCo6	(ММ) Со6	YgCOiч	Се2Со,,	Рг2Со,,	Sm2Cou	Тш2СО)7
997	768/814	1213	1073	1163	1193	1193
0,965	0,89	1,25	1,15	1,38	1,2	1,13
17—23	14,4—15,6	1,2—1,45	1,2	1,6	8,5	3
8,1—11,2	6,4—6,9	0,5—0,6	0,5	0,6	• 3,5	1,3
93,1	79,2	156	132	190	144	128
23,3	19,8	39	33	47,5	36	32
8,60	8,35		8,73	8,56	8,72	9,24
приведены для технического ММ, содержащего 54,5% Се, 26% La, 13% Nd, 5% Рг (сплав
ТАБЛИЦА 8.16
МАГНИТНАЯ ЭНЕРГИЯ И ОСТАТОЧНАЯ ИНДУКЦИЯ
МАГНИТОВ РАЗЛИЧНЫХ СПЛАВОВ РЗМ — Со [39]
Состав	Метод получения	вг Тл	МА/м	^тах- кДж/м’
(SmPr) Со5	Спекание в жидкой фазе	1,03	1,32	104
Sm (Со, Cu, Fe)7	Спекание, отжиг, старение	1,04	0,49	104
SmCo5	Уплотнение с полимерной связ- кой	0,71	0,48	48
Sm2(CO()i9Fe0il)17	Травление порошка, уплотнение взрывом	0,9	0,52	80
Sm2(Co, Fe, Tm)17	Спекание, отжиг, старение	1,1	0,56	120
однородны в больших объемах. В качестве связки может быть также использован
пластичный металл [38]. Лучшие сорта магнитопластов и магнитоэластов на
основе сплавов РЗМ—Со превосходят по всем магнитным параметрам известные
сплавы Pt—Со.
Для сплавов ММСо6 и дисперсионно-твердеющих магнитов типа
(SmCe)(CoFeCu)5_- величина Hcj невелика, но более стабильна в узком интервале
значений. Практическое достоинство этих магнитов — использование низких
полей (1 МА/м) для намагничивания до насыщения и размагничивания до жела-
тельного уровня магнитного потока. Для магнитов из сплава SmCo6 для этих
Целей используют поля 2,5—4 МА/м.
В табл. 8.16 представлены свойства магнитов различных групп сплавов
РЗМ—Со.
Намагничивание в достаточно сильном магнитном поле может привести к одно-
Доменному состоянию массивных монокристаллических образцов соединений
SmCo6 и GdCo6. Перемагничивание таких образцов осуществляется скачком в до-
статочно большом отрицательном внешнем поле. Монокристаллические магниты из
сплава SmCo6 имеют lFnlax = 128 кДж/м3 [33, 40, 41 ].
Va Ю Г. Г. Гнесин	289
Получение сплавов РЗМ.—Со
Чистота компонентов сплава (РЗМ, Со, Fe, Си) должна быть 99,99% [33 J.
Порошки сплавов, содержащих медь и железо, получают методом направлен-
ного литья или направленного охлаждения. Используют метод дуговой плавки,
направленное затвердевание в тиглях из окиси алюминия (метод Бриджмена).
Сплавы подвергают измельчению в шаровых или струйных мельницах.
Наиболее производительный и дешевый метод получения порошков сплавов
РЗМ—Со заключается в прямом восстановлении при 1000 °C парами кальция
окислов РЗМ (фирмы «Hitachi Magnetics Corp.» по лицензии «General Electric»,
США; «Th. Goldschrqidt», ФРГ; «General Electric», Канада).
Метод основан на том, что при 1000°С свободные энергии образования окислов
РЗМ изменяются приблизительно от 0,8 до —1,03 МДж/моль О2: для окиси ко-
бальта эта величина равна —0,7 МДж/моль О2, для окиси кальция —1,02
МДж/моль О2. Почти все окислы РЗМ имеют более низкую свободную энергию;
толькр свободная энергия окиси иттрия выше (—-1,035 МДж/моль О2), что затруд-
няет его восстановление кальцийтермическим методом. При 1700 °C для окислов
РЗМ характерны большие по сравнению с СаО отрицательные значения удельной
свободной энергии, т. е. возможно обратное восстановление СаО редкоземельными
металлами. При строгом контроле хода экзотермического процесса во времени,
исключающем перегрев в реакционной камере, достигается необходимый выход
порошков заданного состава [42].
При получении сплава RCoB используют порошки окислов РЗМ со средним
размером частиц, не превышающим 10 мкм, порошки металлического кобальта и
окиси кобальта. Средний размер полученных частиц составляет 10—20 мкм.
Порошки домалывают до размера частиц 6—8 мкм в шаровой мельнице в камере,
наполненной толуолом и стальными шарами диаметром 5 и 3 мм в соотношении по
массе шаров 1 : 2. Примерный режим помола: 0,8 л толуола; 2,5 кг шаров; ско-
рость вращения 400 об/мин; продолжительность помола 10—20 мин.
Измельчение порошка может быть также проведено в газовой дробилке
с азотом в качестве рабочего газа.
Сплавы РЗМ—Со получают также в индукционных печах в инертной атмо-
сфере (Не, Аг). Используются корундовые тигли с графитовым нагревателем.
Для многократных переплавов применяют также аргонно-дуговые печи
с водоохлаждаемой медной плитой.
При получении сплавов RCoB процесс ведут таким образом, чтобы исключить
образование фаз R2Co17 и R2Co7. Это достигается режимом охлаждения и гомогени-
зирующего отжига. При охлаждении, например, сплава SmCo8 со скоростью
2 К/с содержание фазы Sm2Co17 составляет не более 5%, что не вызывает суще-
ственного ухудшения свойств. Гомогенизирующий отжиг проводят в нейтральной
среде при 1200 °C в течение 4 ч.
В производстве магнитов из сплавов РЗМ—Со, кроме Со, в основном исполь-
зуют Sm, La, Се, Рг и добавки других РЗМ, которые улучшают свойства магнитов
Основные компоненты:
Sm
La *
Се *
Рг
Малые добавки:
Y, Nd
(Gd, Tb, Dy, Ho, Er) **
(Часть кобальта может быть
Повышает Нс
То же
Понижает Bs, Тс
Повышает Bs, Тс
Повышают Bs, Тс
Понижают Bs, повышают Тс, улуч-
шают температурный коэффициент
замещена Fe, Мп, Сг, V, Си или А1.)
* Стоимость компонента низкая.
** Стоимость добавок высокая.
Созданы сплавы, содержащие в редкоземельном компоненте только 70% Sm,
но эквивалентные по свойствам спеченным магнитам из «чистого» SmCo5 [42].
290
Для изготовления сплавов РЗМ—Со применяют смеси РЗМ: обогащенный Се
мишметалл (самый дешевый), обогащенный La мишметалл, обогащенный Sm
мишметалл, Sm—Се, Sm—Pr, Sm—Pr—Nd, Sm—ММ, Sm—Gd, RE(70Sm +
+ Nd, La, Pr, Gd, Y). В связи с внедрением процесса прямого восстановления
окислов на международном рынке были резко снижены цены на сырье, порошки
сплавов и готовые магниты.
Получение спеченных магнитов из сплавов РЗМ—Со
Спеченные магниты из сплавов РЗМ—Со обладают прочностью на сжатие
620 МПа, что в 10 раз больше, чем прочность на сжатие литых магнитов. Техноло-
гические схемы получения спеченных магнитов представлены на рис. 21 и 22.
В производстве магнитов РЗМ—Со применяют как горячее прессование, так
и жидкофазное спекание. Во втором случае в качестве легкоплавкого компонента
выбирают сплав, близкий по составу к основному компоненту, но содержащий из-
быток РЗМ, смещающий точку плавления ниже температуры спекания.
Рис. 21. Технологическая
схема получения спеченных
магнитов, содержащих медь
Рис. 22. Технологическая схема получения спе-
ченных РЗМ—Со магнитов
При изготовлении магнитов из сплавов SmCo5 [43] в качестве основного
компонента используют порошок сплава SmCo с содержанием 66,7% Со, в качестве
легкоплавкого компонента — с содержанием 40% Со (точка плавления 1100 °C).
Смесь порошков содержит 62,6% Со. Порошок, набитый в резиновую трубку,
ориентируют в магнитном поле напряженностью 5—8 МА/м, после чего подвергают
гидростатическому прессованию под давлением 1350 МПа до плотности 6,9 X
X 103 кг/м3. Спекание в аргоне при 1100 °C в течение 0,5 ч увеличивает плотность
до 7,7-103 кг/м3 (закрытая пористость 10%). Магниты, полученные этим способом,
имеют №шах=б0 кДж/м3. При усовершенствовании ориентации и плотности
упаковки этот способ позволяет получить магниты с 1Етах> 80 кДж/м5
(табл. 8.17).
291
292
ТАБЛИЦА 8.17
СВОЙСТВА МАГНИТОВ ИЗ СПЛАВА StnCo5, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ЖИДКОФАЗНОГО СПЕКАНИЯ [44]
Сплав	Содержание Co, % (по массе)	Условия спекания		Bs, Тл	Вг, Тл	нсВ- МА/м	^тах. кДж/м3	«'max	Плот- ность, 103 кг/м3	Порис- тость, %
								. 102, %		
		продолжи- тельность, ч	темпера- тура, °C							
Co5Pr0,5Sm0,5	62	0,5	1100	0,999	0,890	0,60	75	75	8,00	6
	63	0,5	1105	1,008	0,920	0,65	80	80	8,15	4
	63	0,5	1100	1,002	0,893	0,705	80	80	8,04	5
	63	0,5	1100	1,030	0,950	0,665	89	84	8,22	3
	63	0,5	1100	1,013	0,908	0,696	80	78	8,09	5
	64	0,5	1100	1,052	0,949	0,553	78	70	8,11	5
	64	0,5	1100	1,062	0,950	0,505	60	53	7,91	7
	65	0,5	1100	1,091	0,955	0,312	58	48	7,85	8
	63	1,0	1115	1,069	0,996	0,545	92	80	8,16	4
CosPr	62	1,0	1110	1,091	0,936	0,416	56	47	8,11	5
CojSm	63	0,5	1125	0,933	0,845	0,60	70	81	8,12	6
Co5Pr0,5Sm0,5	Твердофаз- ное спекание	0,5	1100	1,205	0,890	0,124	21	15	7,85	8
Co5La0>5Sm0,5	64,5	0,5	1105	0,857	0,727	0,57	33	72	7,91	6
Co5Ce0,5Sm0,5	62	0,5	1100	0,834	0,766	0,305	54	78	8,24	3
CojMMo.gSmo.j	63	1,0	1070	0,863	0,788	0,536	61	81	7,99	5
ТАБЛИЦА 8.18
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СВЯЗКАМИ ПРИ РАЗЛИЧНОМ ИХ СОДЕРЖАНИИ [38]
Содержание связки, % (по массе)	Массовое соотношение а : Ъ : с	После прессования					После пропитки (280 °C, 10 мин, в вакууме)				
		вг, Тл	»CJ	НсВ		l^max’ кДж/м3	Вг, Тл		НсВ	нк	max* кДж/м3
			МА/м					МА/м			
9 16 20	7:3:1 7:3:2 7 : 3 : 2,5	0,58 0,59 0,60	0,61 0,60 0,62	0,376 0,392 0,400	0,296 0,320 0,338	29,6 32,0 32,8	0,55 0,57 С	0,61 0,6 бразец не	0,376 0,376 пропитан	0,296 0,32	29,2 31,2
Примечание. Прессование в магнитном поле 2,88 МА/м под давлением 0,83 ГПа. Давление приложено перпендикулярно
направлению напряженности магнитного поля.
Другой метод [45] состоит в дроблении слитков сплава SmCo6 до частиц
размером <25 мкм, покрытии их методом химического осаждения пленкой олова,
ориентации в магнитном поле и прессовании под давлением 670 МПа до холодной
сварки частиц. Спекание в атмосфере инертного газа обеспечивает нулевую по-
ристость при W'max = 65-7-80 кДж/м3.
Лучшая ориентация частиц в магните достигается при приложении магнитного
поля в направлении, перпендикулярном усилию прессования.
Уплотнение ориентированной в магнитном поле заготовки из порошка сплава
SmCoj может быть проведено на обычном прессе с помощью твердой среды (стеарата
цинка или кальция), передающей давление до 3 ГПа (пористость уплотненной
заготовки 13%).
Для стабилизации свойств РЗМ—Со магнитов во времени используют малые
добавки углерода 1 (0,01—1%). После размола порошка в органическом раствори-
теле и последующей сушки в вакуумном термостате на поверхности частиц образу-
ется углеродистый слой, предохраняющий сплав от окисления. При спекании
в инертной атмосфере углерод взаимодействует с кислородом, проникшим при
прессовании во внутренние объемы заготовки; образующийся СО удаляется.
Кроме защиты от окисления, этот процесс способствует интенсификации усадки
и получению спеченного материала с высокой плотностью и с заданным содержа-
нием РЗМ.
Защита частиц сплава от окисления обеспечивается также электролитическим
покрытием порошков соединениями Ni—Р, Ni—В, Ni—Со—Р, Со—Р, Sn и Си 2 3.
Для этой же цели порошок сплава РЗМ—Со смешивают с жидким немагнит-
ным сплавом (например, сплавом 58% Bi и 42% Sn), имеющим плотность 8,7 X
X 103 кг/м3, такую же, как сплав SmCo6. На суспензию накладывают магнитное
поле, после чего получают магниты распылением или литьем смеси 3. Температуру
плавления немагнитного сплава выбирают в пределах 150—200 °C.
Защиту частиц от окисления можно осуществить смешиванием с легкоплавкой
(/пл С 400 °C) порошковой металлической связкой на основе сплавов Sn—Pb,
Sn—Ag, Sn—Sb, Sn—In. После прессования в магнитном поле и спекании при
270 °C в течение 10 мии получают магниты с IF max — 12 кДж/м3, если в качестве
магнитного компонента берут сплав ММСо5 [38].
Магниты с высоким значением 1Гшах получают при подборе диаметров частиц
порошков в отношении 77 : 7 : 1 (первые два члена — компоненты магнитного
сплава, последний — связка). Отношение твердого вещества к объему должно
быть 66 : 25 : 9. В этом случае получают максимальный коэффициент заполнения.
Практически указанные соотношения выдерживают не всегда.
При использовании порошков состава Sm(Coo!8Fe0j06Cu0.14)7, фракция 105—
250 мкм; SmCo6, фракция <44 мкм; припой 60% Sri + *40% Pb, фракция <4 мкм
получены результаты, приведенные в табл. 8.18. В табл. 8.19 сравниваются
потери, характеристики стабильности и температурные коэффициенты РЗМ—Со
магнитов с пропиткой и различных магнитов других типов.
В табл. 8.20 и 8.21 приведены сравнительные данные ТКВГ и необратимых
потерь Вг для РЗМ—Со магнитов, бариевых ферритов, литых сплавов альнико и
Pt—Со.
Температурные коэффициенты определены по формулам
ТКВГ (при /,°С) = lim -d	+ А-Р ;
А/^0 Bd(l)Al
TKBr (25°С -> V) =
Bd (25°C) — Bd(t)
Bd (25°C) (t — 25°C) ’
где Bd — индукция в разомкнутой цепи в нейтральном сечении.
Положение рабочей точки магнита характеризуется отношением Bl\iaH. По
мере уменьшения отношения длины магнита к диаметру величина В/^Н падает.
1 Пат. (США), № 4043845, 1977.
2 Пат. (Нидерланды), № 154354, 1977.
3 Заявка патента (ФРГ), № 253390, 1977.
Ю Г. Г. Гнесин	293
ьа	ТАБЛИЦА 8.19
2 ПОТЕРИ МАГНИТНОГО ПОТОКА И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ РЗМ — Со МАГНИТОВ СО СВЯЗКОЙ
ИЗ ПРИПОЯ И МАГНИТОВ ДРУГИХ ТИПОВ [38]
Материал, обработка	Рабочая точка магнита	Температурный коэффи- циент обратимых потерь 1 о-з%/к		Потери, %		
				прн 25	— 150 °C	при 25 — 200 °C необратимые
		прн 25 °C	средний в интервале 25—150 °C			
				обратимые	необратимые	
Магниты после пропитки (280 °C, 10 мин, припой Sn —РЬ) 	 Магниты прессованные 		3	— 28	— 32	4,0	3,5	6,7 13,1
Спеченные SmCo5 (после предварительной стабнлн-	3	— 33	— 43	4,3	5,0	
зацин в течение 2 ч при 250 °C)	 Магниты марки Rarenet-S состава	1	— 39	— (40—42)	4,9—5,3	0,8 1,4	0,9 —5,7
Sm(Co0>gFe0>0eCu0 14)? фирмы «Shinetsu Chemical Ind» 		1,7	— 31	— 31	3,9	9,1		
Магниты SmCo5 с полимерной связкой *		1,1—6,2	— (32 — 36)	— (33 — 38)	2,8	0,2 2,9	—
* Значения для интервала температур 25—100 °C.
ТАБЛИЦА 8.20
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ОБРАТИМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ИНДУКЦИИ [46]
Состав	В/\>.0Н	Темпера- тура, °C	тквг, ю~а%/к	Состав	В/ЦОН	Темпера- тура, °C	ТКВГ, 10-3%/К
СеММ Со6 SmPr—Со6 Се(Со0,72Feo, 14 Cuq, 14)5 R— Со, магнитоэласт	„1 — 3 — 1,7 — 0,8	25 200 25 — 200 25 200 25 — 200 25 150 25—150 25 50 25 — 50	49 — 54 89—101 66—68 57 82 62 75 140 100 25—32 45 — 50 37 — 38	Бариевый феррит Indox V Литой альиико 8Е Pt —Со	— 2,2 — 4,8 — 2,0	25 100 25—100 25 100 25 100 25 200 25 200	188 219 188 0,3 5,9 3,6 30 73 48
ТАБЛИЦА 8.21
НАЧАЛЬНЫЕ НЕОБРАТИМЫЕ ПОТЕРИ ИНДУКЦИИ
МАГНИТОВ ПОСЛЕ НАГРЕВА [46]
Состав	•B/HoH	Температура, °C	Продол- житель- ность вы- держки, ч	Начальные или необратимые потери нндук- цни, %
SmCo5	—0,6	215	0,25	1,0—9,0
	—1,0	250	0,25	3,8—19
	—1,0	250	2	3,0—19
	—0,6	316	2	7,5—19,1 *2
	—0,6	316	2	3,3—4,5 *4
CeMMCo5	—1,0	100	0,25	0,2—0,6
		150	0,25	0,4—1,4
		200	0,25	0,6—2,1
		200	5	0,6—2,2
SmPrCo5	—3,0	200	2	5,6
Ce (Co0j072Fe0(i4Cu0,14)s	—1,7	100	0,25	0,76—0,82
	—3,3	—	0,25	0,18—0,23
	—1,7	150	0,25	1,55—1,96
	—3,3	—	0,25	0,56—0,61
	— 1,7	—	2	2,14—2,58
	—3,3	—	2	0,60—0,99
	— 1,7	200	2	3,32—3,47
	—3,3	—	2	1,00—1,23
-R—Co, магнитоэласт	0,8	50	Без	0,9—2,4
			выдерж-	
			ки	
Бариевый феррит Indox V	—2,2	100	То же	0,05
Литой альнико 8Е	—4,8	100	»	0,46
Pt—Со	—2,0	200	2	10,7
SmCoj*1	—1,2*3	215	0,25	2,3—7,3 *2
		215	0,25	1,0—1,1 *‘
		316	2	1,7—11,0*‘
		316	2	0,6—4,1 *4
(10,2% Gd; 6,1% Ho, Sm)	—	(_50)_(+200)			2 *5
•63,5% Co				
*’ Нагрев в не полностью замкнутом контуре.
*2 Магнит марки REECo-16 («Raytheon Со»).
*3 Измерение при	= —0,6.
*4 Магнит марки REMCo-16 («Electron Energy Corp.»).
*5 Hitachi Metals Ltd [Пат. (США), № 3997371, 1976].
10*
295
ТАБЛИЦА 8.22
МАГНИТЫ РЗМ — Со С МАЛЫМ TKBf » [47]
Состав	Диапазон температуры,	TKBr,	Магнитная энергия W+ax- кДж/м1
Snio^Dyo^CoB	—50+100 0—100	—6,2 —2	44
Sl^,68^1*0,0 8^°0,0 8^Уо,О eGdfl }о gCOg	—50+100	—4,5	49,2'
Gd 5—9% ; Er 4,4—6,4% ; Sm 22,6—26,6% ; Co — ост.	—50+50 —100+150	2 5	60
Gd 14,6%; Y 13,5%; Co 71,9%	—	5	66
* Шур Я. С., Майков В. Г., Ширяева О. И. Awt. свид. № 514029. — Откры-
тия, изобретения, пром, образцы и тов. знаки, 1976, № 18, с. 83; Дерягин А. В. и др_
Авт. свид. № 569635. — Изобретения, открытия, пром, образцы н тов. знаки, 1977-
№ 31, с. 76.
Перед измерением магниты намагничивали в импульсном магнитном поле-
напряженностью 4,8 МА/м.
Повышение температурной стабильности сплавов РЗМ—Со при замещении
части (до 40%) легкого РЗМ тяжелым представлено в табл. 8.22.
В процессе помола на поверхности частиц порошка образуется дефектный
слой, в котором облегчено образование зародышей перемагничивания.
Удаление этого слоя травлением в растворах кислот повышает свойства
постоянных магнитов; свойства РЗМ—Со магнитов, изготовленных из химически
обработанного порошка, приведены ниже х.
Состав сплава
Вг, Тл.........................
Нсв, МА/м.......................
В7шах, кДж/м3 .................
SmC°5	Smo,es+),35<‘:os,3
1,01—1,04	1,05—1,08
0,75—0,77	0,73—0,75
100—104	105,6—108
Термическая обработка РЗМ—Со магнитов
Термическая обработка имеет определяющее значение при получении высоких
магнитных свойств.
Для получения однофазной структуры, например для фиксации в сплавах
фазы А2В17, проводят гомогенизацию при температурах на 0—50 °C выше темпе-
ратуры солидус.
Спекание проводят в атмосфере Аг, Не или Н2 [48] при температурах на
20 °C ниже температуры солидус. Изменение параметров образцов при спекании
в водороде при температурах 1110, 1120, ИЗО, 1140 °C приведено ниже:
Атмосфера спекания.............
Пористость, %..................
Вс, Тл.........................
HCJ, МА/м......................
Нсв, МА/м......................
И7 max, кДж/м3.................
Аг	Н2
7,7—2,2	1,4—1,2
0,805—0,936	0,937—0,963
2,4—1,34	2,4—1,0
0,63—0,64	0,725—0,675
63,6—84,4	85,6—86,4
* Брянцев Б. %., Сергеев В. В. Авт. свид. 547290. —Открытия, изобре-
тения, пром, образцы и тов. знаки, 1977, № 7, с. 33.
296
Приве денные данные показывают преимущество водородной атмосферы.
После спекания происходит значительное уменьшение коэрцитивной силы,
которое уст раняют с помощью специальной термической обработки или процесса
термического старения.
На коэрцитивную силу Hcj значительное влияние оказывает и скорость
охлаждения сплава после отжига. При быстром охлаждении зависимость Hcj от
температуры отжига сплава SmCo5 имеет два минимума: при 700 °C (Hcj =
= 0,16 МА/м) и 1150 °C (Hcj= 0,244-0,56 МА/м) и два максимума: при 1080
и 1190 °C (Hcj = 2,254-2,4 МА/м). Медленное охлаждение от 1150 °C со скоростью
4—5 “С/мин приводит к уменьшению Hcj образцов [49].
Хорошие результаты дают повторные отжиги. Спрессованный магнит спекают
яри 1200 °C в атмосфере Аг, охлаждают до комнатной температуры со скоростью
10 °С/с, затем вновь отжигают в течение 30 мин при 800 °C и охлаждают с печью.
Сплавы A2Bi7, содержащие Sm, Y, Со, Fe, Си, Мп, спекают в вакууме при
1200 °C в течение 1 ч, охлаждают до комнатной температуры со скоростью 20 °С/с,
отжигают при 850 °C в течение 30 мин и охлаждают с печью до комнатной темпе-
ратуры.
Промышленные магниты из сплавов РЗМ—Со
Марки, химический состав РЗМ—Со и магнитные свойства ^магнитов, выпу-
скаемых в Советском Союзе по ГОСТ 21559—76, приведены в табл. 8.23.
ТАБЛИЦА 8.23
МАРКИ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РЗМ — Со МАГНИТОВ
(ГОСТ 21559 — 76)
Ma рки матер из лов	Химический состав *		Магнитные свойства			
	Sm	Sm + Рг	вг, Тл	Нсг, МА/м	МА/м	W, кДж/м3
КС37	36,0—38,5			0,77	1,3	0,54	55
КС37А	36,0—38,5	—	0,82	1,0	0,56	65
КСП37	—	36,0—38,5	0,85	0,8	0,52	65
КСП37А	—	36,0—38,5	0,90	0,64	0,50	72,5
Примечание. К — кобальт, С — самарий, П — празеодим, А — улучшенная
текстура; цифры соответствуют среднему содержанию РЗМ.
* Остальное Со.
Кривые размагничивания приведены на рис. 23—26.
Измерение магнитных параметров проводят в электромагните с номинальным
значением напряженности поля в рабочем зазоре не менее 4 МА/м или после
намагничивания в импульсном соленоиде с максимальным значением напряжен-
ности поля в рабочем объеме не менее 5,6 МА/м в измерительном электромагните
со значением напряженности поля в рабочем зазоре не менее 1,3 МА/м.
Магниты, выпускаемые зарубежными фирмами, приведены в табл. 8.24.
В Западной Европе самыми крупными производителями РЗМ—Со магнитов явля-
ются фирмы «Brown, Bovery and Cie (ВВС)», Швейцария и «Vacuumschmelze
GmbH (VAC)», ФРГ.
297
Фирма ВВС получает магниты из порошков, как выплавленных из чистых
компонентов, так и кальциетермически восстановленных из окислов. Фирма VAC
получает магниты из выплавленного с последующим измельчением порошка.
Для изготовления магнитов марки RECOMA14 используют цериевый миш-
металл состава, %: 45—50 Се, 23—25 La, 9—20 Nd, 3—7 Pr, получаемый из
природной руды без разделения на отдельные РЗМ, что во много раз дешевле
получения чистого Sm.
Характеристики магнитов представлены в табл. 8.25.
Рис. 24. Кривая раз-
магничивания маг-
нита КС37А
(ГОСТ 21559—76)
Для намагничивания магнитов необходимо создание поля напряженностью
0,800—1,2 МА/м.
Магниты доводят до нужного размера шлифованием; механическую обработку
проводят алмазным инструментом (резка алмазным кругом), сверление — на
ультразвуковых и электроэрозионных станках, что дает точность ~10 мкм.
Допуски для заготовок магнитов VACOMAX (фирма VAC) приведены в табл. 8.26.
По договоренности допуски могут быть ужесточены.
После механической обработки магниты намагничивают и подвергают терми-
ческому старению.
Магниты выпускают массой от 0,f до нескольких сотен граммов. Магниты
большой массы и сложных форм изготавливают из нескольких частей. Кроме
того, изготавливают магнитные системы со стальным ярмом и арматурой. Методы
крепления: склейка (в том числе эпоксидным клеем), пайка, механическая фикса-
ция. Применяют заливку смолами и компаундами.
Свойства РЗМ—Со магнитов, выпускаемых промышленностью Японии,
приведены в табл. 8.27. В табл. 8.28 приведены физические (в том числе механи-
ческие) свойства промышленных магнитов из сплавов РЗМ—Со.
298
ТАБЛИЦА 8.24
МАГНИТЫ ИЗ СПЛАВОВ РЗМ — Со,
ВЫПУСКАЕМЫЕ ЗАРУБЕЖНЫМИ ФИРМАМИ [39]
Фирма	Торговая марка	Типы магнитов
	США	
«Colt Industries, Crucible Magnetics Div.» «Electron Energy Corp.» «HamiltonTechnology Inc.» (Hitachi Magnetics Corp.» (Indiana General Div. of EMM Corp.» «Magnetics Polymers Inc.» «Raytheone Co» «Spectra—Flux Inc.» «Varian Associates TW-T Div.»	CRUCORE-IO, -12, -15 REMCo-16 TREVAR-S, -PS HICo-REX-90 INCOR-16 HERA RAECo-15, -16 SPECTRA-8	Спеченные MM-Со, Sm-Со Спеченные Sm-Со То же Sm-Pr-Co Спеченные Sm-Co То же Sm-Co магниты с поли- мерными связками Спеченные Sm-Co То же »
	Швейцария	
«Brown, В over i and Cie»	RECOMA-14, -16, -20	|	Спеченные MM-Со, Sm-Co
	Франция	
«Aimants Ugimag»	CORAMAG	Спеченные Sm-Co
	ФРГ	
«Vacuumschmelze GmbH»	VACOMAX	То же
«Magnetics Develop. Ltd» «Magnetics Polymers Ltd»	Великобритания SAMCoMAG HERA-Alpha HERA-Omicron	» Sm—Со магнитопласты Sm—Со магнитоэласты
«Hitachi Metals Ltd» «Mitsubishi Steel Mfg. Co Ltd» «Namiki Precision Jewel Co Ltd» «Shinetsu Chemical In- dustry Co Ltd» «Sumitomo Special Me- tals» «Suwa Seikosha Co Ltd (Seiko)» «Tohoku Metals Indust- ries» «TDK, Electronics Co Ltd»	Япония HICo-REX 13-S, 16, 18, 26 MRC-1, -2, -3 MP-5, -7, -9 NAMINET RARENET-H, -В, -I, -S RARENET-S Co-RMAX-1300, 1800-2300 SAM-D-1, -2, -3 LANTHANET-LW-10 LM-14E, LM-18 REC-16, -20, -24	Спеченные Sm-Gd-Co, Sm-Co, Sm-Pr-Co Спеченные Sm-Co Sm-Co магнитоэласты Спеченные Sm-Co Спеченные Ce-Co-Cu-Fe Sm-Co-Cu-Fe Спеченные Sm-Co Sm-Co магнитопласты To же Спеченные MM-Со, Sm-Co То же
299
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РЗМ — Со МАГНИТОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ
Марка магнита	Состав	Магнитные			
		Тл	Hcj	HcB	
				МА/м	
RECOMA 14	ММсео, 8^т0,2^О5	0,70/0,75	0,56/0,72	0,49/0,56	0,48/0,58
RECOMA 16	SmCo6	oS	1,2	0,595	—
RECOMA 20	SmCo6	0,85/0,90	1,2/2,0	0,64/0,70	0,80/1,00
VACOMAX 135	SmCo5	0,76/0,86	2,0	5,4/6,4	—
VACOMAX 145	SmCo5	0,78/0,92	1,5	5,3/7,0	—
VACOMAX 155	SmCo5	0,86/0,95	1,5	6,3/7,2	—
VACOMAX 160R	SmCo6	0,84/0,98	1,0	5,4/7,2	—
Примечания: 1.	— напряженность критического поля, прн которой значение
2. В числителе указаны гарантированные, в знаменателе — максимальные значения.
* В диапазоне 25—250 °C.
ТАБЛИЦА 8.26
ДОПУСКИ НА ОБРАБОТКУ РЗМ — Со МАГНИТОВ [54]
Размер,	ММ	Допуск, мм		
		для прессованных магнитов из VACOMAX 135		для параллелепи- педов, колец из VACOMAX 145, VACOMAX 155, VACOMAX 160R
		перпендикулярно направлению прессования	в направлении прессования	
<8		±0,25	±0,3	±0,05
От 8 до	25	±0,3	±0,4	±0,10
От 25 до	30	±0,35	±0,45	±0,15
От 30 до	35	±0,4	±0,5	±0,15
От 35 до	40	±0,45	±0,55	±0,15
300
ТАБЛИЦА 8.25
ОСНОВНЫМИ ЕВРОПЕЙСКИМИ ФИРМАМИ (ПРИ 293 К) [50—54]
свойства				тквг в диапа- зоне (-35)- ( + 75) °C, 10-’%/К	Максималь- ная рабочая температура /	°C ‘max»	Уменьшение Вг после 5-летней выдержки при ^тах» %
шах» кДж/м8	(ВН)№, МГс-Э	точка Кюри, К	Пл			
48/56	12/14	773	1,0/1,05	60	200	1-2
63,5	16	997	1,0	40	250	1—2
71,5/79,5	18/20	997	1,0/1,02	40	250	—
58/72,5	14,5/18	990	1,05	40—50 *	—	—
60/80	15/20	990	1,05	40—50	—	—
72,5/88	18/22	990	1,05	40—50	—	—
70/90	17,5/22,5	990	1,05	40—50	250	3—15
намагниченности J сохраняется на уровне 0,9Jr.
Намагничивание РЗМ—Со магнитов
и обращение с ними
Для намагничивания спеченных РЗМ—Со магнитов достаточны поля, напря-
женность которых > 3,5 МА/м. Такне поля получают в электромагнитах, импульс-
ных установках.
Системы намагничивающих катушек позволяют обеспечить многополюсное
намагничивание.
Намагниченный РЗМ—Со магнит на расстоянии 1,25 см создает магнитное
поле В = 0,025 Тл, достаточное для намагничивания стальных предметов. При
транспортировке поля рассеяния сводят до минимума, замыкая полюса стальными
листами или специальными приспособлениями.
Магниты не изменяют магнитных свойств при контакте с одноименными
полюсами других магнитов.
Размагничивание РЗМ—Со магнитов осуществляют приложением затухаю-
щих по амплитуде импульсов переменного магнитного поля при помощи специаль-
но сконструированных катушек.
Импульсные поля могут сочетаться с повышенными температурами.
Частичное размагничивание проводят для уменьшения магнитного потока
До заданного уровня или устранения необратимых потерь индукции под действием
температуры и других потерь.
301
ТАБЛИЦА 8. т
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА РЗМ — Со МАГНИТОВ,
ВЫПУСКАЕМЫХ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ ЯПОНИИ [46, 55]
			e—			—
Марка магнита			Магнитные свойства		
		Br Тл	НсВ- МА м	^тах* кДж/м3	(В#)тах МГс.Э
Rarenet I	Ce—Co— Cu—Fe	0,36	0,24	8—10	2—2,5
Rarenet Н	Ce—Co— Cu—Fe	0,65	0,44	40—44	10,0—11,0
Hicorex 10	Gd— Sm—Co	0,6—0,65	0,48—0,53	36—44	9,0—11,0
Hicorex 12	Gd—Sm—Co	0,66—0,72	0,53—0,58	44—52	11,0—13,0
Hicorex 14	Gd—Sm—Co	0,72—0,77	0,58—0,62	52—60	13,0—15,0
Rarenet В	Ce (Co0j72 F e0,14^-U0j]4)5	0,68—0,73	0,36—0,40	44—50	11,0—12,5
Cormax 1300	Sm—Co	0,7—0,8	0,44—0,60	40—60	10,0—15,0
MRC—1	Sm—Co	0,67—0,90	0,4—0,54	48—60	12,0—15,0
REC—16	Sm—Co	0,78—0,84	0,6—0,64	60—68	15,0—17,0
Hicorex 18	Sm—Co	0,82—0,89	0,64—0,68	68—76	17,0—19,0
LM 18	Sm—Co	0,88—0,94	0,60—0,67	70—80	17,5—20,0
Cormax 1800	Sm—Co	0,80—0,90	0,56—0,68	60—80	15,0—20,0
Rarenet 18	Sm—Co— Cu—Fe	0,87—0,91	0,48—0,54	68—80	17,0—20,0
Hicorex 20	Sm—Co	0,87—0,94	0,68—0,72	76—80	19,0—20,0
REC—20	Sm—Co	0,88—0,92	0,68—0,72	76-84	19,0—21,0
LM—20	Sm—Co	0,88—0,94	0,67—0,72	76—88	19,0—22,0
MRC—3	Sm—Co	0,87—0,99	0,496—0,60	72—84	18,0—21,0
Rarenet-S 22	Sm—Co— Cu—Fe	0,90—0,97	0,44—0,52	72—92	18,0—23,0
Hicorex 23	Sm—Pr—Co	0,94—0,99	0,70—0,78	88—96	22,0—24,0
Cormax 2300	Sm—Co	0,90—1,05	0,56—0,68	88—100	22,0—25,0
Hicorex 26	Sm—Pr—Co	1,0—1,05	0,72—0,80	100—108	25,0 27,0
REC-24	Sm—Co	0,97—1,02	0,72—0,80	92—100	23,0—25,0
LM-24	Sm—Co	0,94—1,02	0,70—0,80	88—104	22,0—26,0
302
ТАБЛИЦА 8.28
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ МАГНИТОВ ИЗ РЗМ — Со [39]
Свойство	ММ —Со	(SmPr)Co	Ce(CuFeCo)5	Sm(CuFeCo)ft	Sm—Co	Sm—Co с полимерными связками	
						магнитопласт	магиитоэласт
Плотность, [О3 кг/м3	 Прочность при изгибе, МПа	8,0	8,03	8,3	8,6	8—8,2	5,2—6,8	4,5 6,4
	160	93,0	140	120	93,0	55—140	
Прочность при сжатии, МПа	—	294	450—500	510—530	294	31	
Временное сопротивление, МПа	—	—	—	—	34,5	17,3	0,28 2,1
Модуль упругости, ГПа . . . Твердость:	180	165	117	151	165	1	—
HRC		52	54,5	—	—	52,9	—	—
HV		550	513	530	550	510	—	—
HCh * 	 Удельная теплоемкость,	—	—	—	—	—	Д/85 93	Д/50—60
Лж/(кг-К) 	 Теплопроводность, Вт/(м-К):	380	—	363	362	373	—	—
направление не дано . . .	11,0	12,14	25	9,2	9,63	0,42—0,84	—
параллельно оси с 		10,47	11,3	—	—	11,3	—	—
перпендикулярно оси с . . Коэффициент термического рас- ширения, 10~6/К:	—	10,0	—		0,0		
направление не дано . t . параллельно оси с 	 перпендикулярно оси с . . Удельное электросопротивле- ние, мкОм-м:	3,9 12,2	7,8 6,1 12,5	5,6 14,0	12,7	8,43 5,6 12,8	47	
направление не дано . . . параллельно оси с 	 перпендикулярно оси с . .	0,65	0,55 0,49	1,2 1,12 1,40	0,84	0,488 0,49	0,25	
Примечание. Более подробную информацию можно найти в [58].
* По Шору.
80S
Ниже приведены значения напряженности поля, необходимые для уменьше-
ния рабочей индукции Bd на 15% после намагничивания магнитов в относительно
невысоких полях:
Исходное поле при намагничивании,
кА/м	............................ 400	600 1000 6400
Размагничивающее поле, уменьшающее
Bd на 15°о, кА/м .................. 880 1060 1160 1280
Применение РЗМ.—Со магнитов
Стоимость РЗМ—Со магнитов в 4—10 раз выше стоимости магнитов альнико,
поэтому их применение зачастую ограничивается малыми объемами и приборами,
где требования к характеристикам высоки. Так, РЗМ—Со магниты целесообразно
использовать в миниатюрных устройствах: ручных электронных часах, мини- и
микродвигателях, где масса магнита составляет доли грамма.
Магниты больших размеров используют в лампах бегущей волны, фокуси-
рующих системах телевизионных трубок, используемых на космических летатель-
ных аппаратах, магнитных подшипниках, магнитных системах ядерной физики
(масс-спектрометры), системах коммутации с магнитным управлением.
В сильноточной технике с применением РЗМ—Со магнитов разработан много-
фазный генератор переменного тока мощностью 100 кВ-A, используемый в авиа-
ционно-космической технике, генераторы постоянного тока мощностью до 200 кВт.
С помощью радиальной и торцовых муфт, выполненных на магнитах РЗМ—Со,
может быть передан максимальный крутящий момент [56]. Разработана муфта,
помещаемая в цилиндре 160Х 400 мм, передающая момент 1000 Н-м через воздуш-
ный зазор 1 мм. Муфта обеспечивает защиту от перегрузки чувствительного
механизма при частоте 1500 об/мин.
Для работы на космических аппаратах сконструирован моментный маховик
на магнитных подшипниках, исключающий физический контакт между статором
и ротором, так как ротор полностью поддерживается магнитными полями [57].
Маховик обеспечивает скорость вращения 24-103 об/мин при моменте вращения
5-10"? Н-м; срок службы 10 лет. Общая масса маховика составляет 11 кг (7,5 кг
ротор и 3,5 статор), момент инерции составил 40-10'3 кг/м2 для кинетического
момента 100 Н-м при 24-103 об/мин. Потребление мощности при этой частоте
составляет 13 Вт.
Маховики на магнитных подвесах могут быть использованы для обеспечения
энергией космических спутников на теневом участке синхронной орбиты. Два
маховика массой 30 кг, вращающихся со скоростью 3-104 об/мин, могут обеспечить
спутник энергией 500 Вт и создавать постоянный кинетический момент (например,
100 Н- м-с) для контроля за его положением в пространстве.
8.2.2. ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЕ
МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ (СПЕЧЕННЫЕ) СПЛАВЫ
Дисперсионно-твердеющие сплавы могут быть получены как методом литья,
так и спеканием порошков. Высококоэрцитивным состоянием эти материалы
обязаны высокодисперсным в большинстве случаев анизотропным выделениям
сильномагнитной фазы в слабомагнитной матрице.
8.2.2.1. СПЛАВЫ СИСТЕМ Al— Ni — Fe и Al—Ni—Со —Fe
Эти сплавы, величина Wтах которых достигает 50 кДж/м3 (лабораторные
образцы), являются одними из наиболее широко распространенных (после магнито-
твердых ферритов) материалов для постоянных магнитов.
Высококоэрцитивные выделения в сплавах систем А1—Ni—Fe, Al—Ni—Co—
Fe (с добавками Cu, Ti, Nb, Si, S и др.) возникают при охлаждении от состо-
-яния твердого раствора (1250 °C). При прохождении через ряд критических точек
ав сплаве образуются фазы, количество и состав которых изменяются в зависимости
-304
от содержания компонентов и вида термической обработки. При комнатной темпе-
ратуре в сплаве могут присутствовать следующие фазы:
а — со структурой гранецентрированного куба;
— такая же решетка со сверхструктурой типа Ni3Al;
3	— со структурой объемноцентрированного куба;
31	— такая же решетка со сверхструктурой типа Fe3Al;
Зг — такая же решетка со сверхструктурой типа FeAl или NiAl.
В сплавах типа магнико (24% Со) и тикональ (35% Со) обнаружены и другие-
фазы как с кубической, так и с тетрагональной кристаллической структурой
[59—61 [.Фазы имеют различные магнитные свойства: основной вклад в намагни-
ченность вносит 3-фаза, близкая по составу железу (система А1—Ni—Fe) или
сплаву железо—кобальт (система А1—Ni—Со—Fe). Выделения этой фазы имеют
стержневидную или пластинчатоячеистую структуру. Фаза Зг близка по составу
слабомагнитному интерметаллическому соединению А1—Ni.
Получение оптимальных магнитных свойств определяется режимом термо-
обработки, в частности соблюдением критической скорости охлаждения.
При охлаждении сплавов, содержащих Со, от 1250 °C в магнитном поле
(термомагиитная обработка) возникает магнитная текстура, которая проявляется*
в анизотропном росте высокодисперсных включений в направлении напряженности-
поля. В этом же направлении улучшаются магнитные характеристики. Влияние-
Со сказывается в том, что дисперсный распад при 800 °C начинается ниже точки
Кюрн (850 °C), т. е. образование высокодисперсной фазы происходит в материале,,
ставшем магнитным.
Добавки титана приводят к образованию на начальной стадии термомагнит-
ной обработки модулированной структуры, представляющей чередующиеся об-
ласти с концентрационной неоднородностью (главным образом железа). Формиро-
вание текстуры начинается с образования параллельных цепочек из нескольких
равновесных элементов.
Благодаря упругим взаимодействиям между элементами, возникают направ-
ленные тетрагональные искажения в кристаллической решетке. В дальнейшем
элементы цепочки срастаются, образуя выделения в форме стержня, однородно-
деформированного вдоль длинной оси, ориентированной в направлении (100)
Образования, имеющие форму стержней, ведут к уменьшению магнитостати-
ческой энергии, что также способствует появлению выделений с анизотропией
формы.
Добавки меди обеспечивают независимость магнитных характеристик от
небольших изменений состава и нарушений режима термической обработки.
Недостатком сплавов с большим содержанием меди является высокая критическая1
скорость охлаждения, что не позволяет их использовать в магнитах сложных
форм.
Структура спеченных магнитов в основном та же, что и литых сплавов анало-
гичного химического состава. Спеченные магниты отличаются мелкозернистостью»
и повышенной пористостью. Прочность спеченных магнитов значительно превы-
шает прочность литых; они хорошо шлифуются без выкрашивания, в них обеспе-
чивается высокая однородность магнитных свойств, что существенно улучшает
параметры электронных устройств, в которых эти магниты используются. Хими-
ческий состав спеченных магнитов точно соответствует заданному, поэтому разброс
магнитных характеристик невелик.
К недостаткам спеченных магнитов относятся повышенная стоимость исходных
порошков, невозможность создания структуры, образующейся при направленной1
кристаллизации, обеспечивающей наиболее высокие магнитные параметры.
Снижение магнитных свойств происходит также из-за пористости (3—7%),.
обусловливающей уменьшение остаточной индукции и соответственно максималь-
ной удельной магнитной энергии. Коэрцитивная сила при этом не меняется.
По указанным выше причинам рекордные значения магнитной энергии lFmax
для спеченных магнитов системы А1—Ni—Со—Fe составляют немногим более
половины (28 кДж/м3) этой величины для литых магнитов.
Выбор метода изготовления магнита зависит от многих конкретных факторов-
и определяется по сопоставлению технических и экономических показателей.
305»
В настоящее время благодаря совершенствованию технологии литья и ее
автоматизации наблюдается смещение «границы экономической целесообразности»
в сторону литья, позволяющего обеспечить выпуск магнитов любых, в том числе и
небольших размеров с незначительным разбросом характеристик [1].
Спеченные магниты обеспечивают высокую однородность магнитного поля.
Например, в кольцевых спеченных магнитах, намагниченных по оси, используе-
мых в фокусирующих системах, обеспечивается азимутальная асимметрия в пре-
делах 1—2% против 6—8% для литых магнитов [62]. Применение спеченных
магнитов существенно улучшает параметры электроннооптических устройств.
Технологический процесс
Технологический процесс производства магнитов систем А1—Ni—Fe и
Al—Ni—Со—Fe состоит из следующих операций: смешивание порошков чистых
металлов Fe, Со, Ni, Си, лигатур [50% (ат.) А1, 50% (ат.) Fe], ферротитана,
ферроциркония и др. с размером частиц <70 мкм, прессование, спекание и спе-
циальная термообработка. В зависимости от состава и требуемых свойств воз-
можны изменения как основных операций, так и самой схемы.
Применяют также многократное прессование, спекание с промежуточной
механической обработкой, термомагнитную обработку.
Существенное влияние на магнитные свойства оказывают немагнитные вклю-
чения, возникающие под влиянием примесей: углерода, азота, кислорода и др.
Поэтому используют исходные материалы высокой чистоты с содержанием угле-
рода не более 0,05%; спекание производят в остро осушенном водороде (точка
росы не выше —45 °C) или в вакууме (остаточное давление не более 0,1 Па).
Исходные порошки получают также размолом отходов производства литых
магнитов (стружки, литников и др.).
Остаточная индукция магнитов заметно возрастает при повышении чистоты
исходного порошка. Изменение магнитных свойств при переходе от химически
восстановленного (содового) порошка железа марки ПЖО-2 (ТУ 14-127-35—73)
к карбонильному класса 6—2 (ТУ 6-09-3000—73) приведено в табл. 8.29.
Порошок железоалюминиевой лигатуры получают размолом литого сплава
Fe—Al. Введение алюминия в виде лигатуры предохраняет его от окисления и
улучшает качество смешивания, так как плотности компонентов смеси становятся
близкими по величине. Порошок развешивают с точностью 0,1—0,3% (в зависи-
мости от концентрации компонента в сплаве), добавляют к ним в качестве пласти-
фикатора стеарат цинка или лития и производят сухое смешивание в барабанных
смесителях. Использование мелких порошков позволяет получить однородную
смесь и обеспечивает высокую активность при спекании.
Прессование магнитов осуществляют при двустороннем приложении нагрузки
в стальных или твердосплавных прессформах под давлением 0,6—1 ГПа. При
использовании технологии с двойным прессованием и спеканием первое прессова-
ние осуществляют при пониженном давлении 0,4—0,6 ГПа, затем после первого
спекания и, если необходимо, механической обработки проводят допрессовку под
давлением до 1 ГПа. С учетом линейной усадки 3—5% соответствующие размеры
деталей прессформы увеличивают.
Спекание в защитной атмосфере проводят в специальных печах с двойным
кожухом [64]. Между внутренним и внешним кожухами пропускают водород;
изделия находятся в водороде острой осушки в специальной засыпке (15% окиси
титана; порошок, по составу близкий к спекаемому). Сплавы с высоким содержа-
нием титана спекают только в вакууме. Спекание проводят при ^спек = 1200-г-
•4- 1300 °C в течение 1—5 ч.
Термообработка заключается в подогреве до 800 °C в течение 4—8 ч, нагреве
до 1200—1280 °C с выдержкой 15—45 мин и охлаждении на спокойном воздухе
до комнатной температуры.
Магниты с содержанием Со < 15% не подвергают термомагнитной обработке.
Магниты, содержащие 15% Со, подвергают отпуску при 580 °C с выдержкой 4—
6 ч, после чего охлаждают на спокойном воздухе. Магниты этой группы изотропны
по магнитным свойствам.
.306
ТАБЛИЦА 8.29
СВОЙСТВА ЛИТЫХ И СПЕЧЕННЫХ ИЗ РАЗНЫХ
ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗА МАГНИТНЫХ СПЛАВОВ [63]
Марка, способ получения	Химический состав, %	Метод получения порошка	вг Тл	нсВ< к А/м	^тах’ кДж м3
ММК-4,	10 А1, 17 Ni, 12,5 Со, 6 Си	Карбонильный	0,76	52	7,5
спекание		Химико-метал- лургический	0,61	48	5,5
ЮНДК 15, литье	8,5—9,5 А1, 19—20 Ni, 3—4 Си, 14—15 Со, 0,2—0,3 Ti	—	>0,75	>48	>6,0
ММК-7,	8 Al, 15 Ni, 24 Со,	Карбонильный	1,2	54	14
спекание	3 Си, 1 Ti	Химико-метал- лургический	1,09	53	10
юндк 24Т1, литье		—	1,15	52	18
ММК-9,	7,5 Al, 14 Ni, 34Co, 3,5Cu,5,5Ti	Карбонильный	0,9	100	18,5
спекание		Химико-метал- лургический	0,78	90	11,5
юндк 34Т5, литье	6,8—7,2 Al, 14—14,5 Ni, 3,0—4,0 Cu, 34—35 Co, 5-5,5 Ti		0,75	92	14,0
В магнитах, содержащих Со> 18%, распад Ра -* Р + Ра начинается ниже
точки Кюри, что позволяет при помощи магнитного поля создать магнитную
текстуру.
Сплавы этой группы, содержащие не более 2% Ti, охлаждают с критической
скоростью из состояния однофазного Р2-твердого раствора в интервале 900—
700 °C. После охлаждения проводят отпуск. Кроме Ра -* Р + Ра распада, в этих
сплавах в интервале 1200—850 °C происходит распад (32 -> Р2 + у, в результате
которого образуется немагнитная у-фаза, что отрицательно сказывается на
магнитных свойствах. Определенная скорость охлаждения в интервале 1200—
850 °C обеспечивает подавление у-распада.
Для сплава с содержанием 24% Со оптимальным является следующий режим
термообработки: подогрев до 800 °C в течение 6—8 ч, нагрев до 1280 °C выдержкой
при этой температуре 15—45 мин, охлаждение в магнитном поле электромагнита
15—20 мин, отпуск 630 °C 2 ч, 580 °C 8 ч, охлаждение с печью до 100 °C в течение
10 ч. Режим охлаждения: до 900 °C на воздухе со скоростью 150—200 °С/мин, от
900 до 650 °C со скоростью 15—25 °С/мин в магнитном поле напряженностью до
350 кА/м.
Сплавы, содержащие не менее 5% Ti, подвергают изотермической магнитной
обработке по режиму: подогрев до 800 °C в течение 6—8 ч, нагрев до 1250—1260 °C
с выдержкой 30—40 мин, охлаждение до 900 °C на воздухе со скоростью
200 °С/мин, изотермическая выдержка в расплаве металла или соли при 800 °C
в течение 10 мин в магнитном поле напряженностью 160 кА/м, отпуск 640 °C
в течение 2 ч, выдержка при 560 °C в течение 8 ч, охлаждение с печью до 100 °C
в течение 10 ч.
Магниты, используемые в узлах, вращающихся с большими скоростями
(роторы электрических машин), работающие при ударных и вибрационных
307
нагрузках, получают на основе спеченных сплавов МИК 10 и ММК 11
(ГОСТ 13596—68) по следующей технологии: порошки металлов и лигатур с ча-
стицами размером <40 мкм смешивают в барабанах, формуют, спекают в вакууме
(остаточное давление 0,1 Па), нагревают до 1240 °C с выдержкой 20 мин, подвер-
гают закалке с выдержкой в свинцовой ванне при 820 °C в течение 10 мни, в магнит-
ном поле напряженностью 160 кА/м, после чего охлаждают на воздухе [65].
Отпуск проводят при 640 °C в течение 6 ч + 550 °C в течение 6 ч с последующим
охлаждением на воздухе. Усложнение технологии, включающее двукратное прес-
сование и спекание (1-е спекание при температуре, равной 0,5—0,6/сп), позволяет
повысить Вг и W'max на 10%, механическую прочность на 10—20% [65] (рис. 27).
Полуспеченные заготовки обрабатывают резанием при помощи твердосплав-
ного инструмента. Если после этого провести спекание без допрессовки, то свой-
ства не улучшаются.
КА/м	КА/М '	кА/м
Рис. 27. Кривые размагничивания дисперсионно-твердеющих спеченных спла-
вов (ГОСТ 13596—68):
а — ММК2; б — ММК8; в — ММК10
Сплавы, полученные по усложненной технологии, имеют следующие механи-
ческие свойства:
Марка сплава
1СНДК34Т5,5мк . .
ЮНДКЭ8Т7,5мк . .
Предел прочности, МПа
на сжатие на изгиб
1275	186
1670	176
Магнитные свойства приведены в табл. 8.30, сравнительные результаты
испытаний на разгон — в табл. 8.31.
Спеченные магниты, изготовленные по технологии, описанной в [65], целесо-
образно использовать в устройствах, где нужны высокие механическая проч-
ность, коэрцитивная сила и магнитная энергия.
Составы спеченных магнитов требуют некоторой модификации по сравнению
с литыми. Присадка 0,5—2% ниобия к литому сплаву ЮНДК24 улучшает магнит-
ные свойства; присадка ниобия к спеченному сплаву ие должна превышать 0,9% .
Впротивном случае возрастают пористость, размер зерна и снижается прочность.
Влияние пористости на свойства спеченных магнитов можно учесть по эмпири-
ческим формулам А. Б. Альтмана [67]:
Вг = Вго - (2ОВго - 2,5) 77-10'»,
IF max = Fmax» - (43,5FmaX<, — 85) П-IO-3,
где Br — остаточная индукция пористого магнита, Тл; Вг0 — остаточная индук-
ция магнита при отсутствии пор (литого или прокатанного), Тл; 1Гшах — макси-
308
ТАБЛИЦА 8.30
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОВ С ВЫСОКИМ
СОДЕРЖАНИЕМ КОБАЛЬТА [65]
•* По упрощенной технологии.
*2 По ГОСТ 17809 — 72.
*а По [66].
ТАБЛИЦА 8.31
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ НА РАЗГОН МАГНИТОВ
ИЗ СПЛАВА ТИПА ЮНДК34 Т5,5 [65]
Технология получения магнита	Условия испытания		Результат
	тыс. об/мин	м/с	
Спекание		0 56Х 32	020X45 92	Признаков разрушений
Литье 			28—30	81—87	нет Разрушился
Ротор и? двух спеченных магнитов		30	87	Через 2 мин разрушений
Ротор из двух литых магнитов		30	87	нет Разрушился через 30 с
Спекание 		0 53X1 51	3 16X25 141	Признаков разрушений
» 		52	142	нет Разрушился
мальная удельная магнитная энергия пористого магнита, кДж/м3; 1^тах0—макси-
мальная удельная магнитная энергия магнита при отсутствии пор, кДж/м3;
П — пористость, % (объемы.).
Приведенные выше формулы применимы к магнитам с П 20%; они позво-
ляют оценить свойства спеченных магнитов по свойствам литых магнитов того же
химического состава, подвергнутых такой же термической или термомагнитной
обработке.
309
ТАБЛИЦА 8.32
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СПЕЧЕННЫХ МАГНИТОВ
Марка магнита		Химический состав ♦, % (по массе)				
спеченного	литого	А1	N1	Со	Си	Ti
ммк-1	юн	12	23						
ММК-2	ЮНД4	13	25	—	4	—
ммк-з	юндкз	13	24	3	4	—
ММ К-4	ЮНДК12А	10	17	12,5	6	—
ММ к-5	ЮНДК12Б	10	17	12,5	6	—
ММ к-6	ЮНДК15	9	19	15	4	
ММК-7 **	ЮНДК24Т1	8	15	24	3	. ,1
ММК-8 **	ЮНДК23	8	13,5	23	4	—
ММК-9 *»	ЮНДК34Т5А	7,5	14	34	3,5	 : 5,5
ммк-ю ••	ЮНДК34Т5Б	7,5	14	34	3,5		5,5
ммк-11 ’•	ЮНДК38Т7	7,5	14	38	4	7,5
Примечание. В обозначении марок литых сплавов буквы означают: Ю —
алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий. Буква А,
стоящая в конце обозначения марки, означает улучшенные магнитные свойства за счет
образования текстуры. Цифры показывают содержание (округленное) того элемента, за
обозначением которого они следуют.
*	Остальное Fe.
*	С магнитной текстурой.
ТАБЛИЦА 8.33
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ МАГНИТОВ
(ГОСТ 13596 — 68)
Марка магнита	Магнитные свойства, не меиее			Параметры в рабочей точке		Плотность, 108 кг/м3
	Вг, Тл	НсВ’ кА/м	W'max' кДж/м1	Bd-Тл	Hd- кА/м	
ММК-1	0,60	24	3	0,35	17	6,7—7,0
ММК-2	0,48	39	3,5	0,30	23	6,7—7,0
ммк-з	0,52	44	4,0	0,30	27	6,7—7,0
ММК-4	0,55	40	4,5	0,30	30	6,8—7,1
ММ К-5	0,60	44	4,7	0,35	27	6,8—7,1
ММК-6	0,65	44	5,0	0,40	25	6,8— 7,1
ММК-7	0,95	44	10,5	0,60	35	6,9—7,2
ММК-8	1,10	40	14,0	0,80	35	6,9—7,2
ММК-9	0,75	80	12,0	0,45	54	6,9—7,2
ммк-ю	0,80	100	15,0	0,53	57	6,9—7,2
ММК-11	0,70	128	16,0	0,40	80	6,9-7,2
ТАБЛ И.Ц А 8.34
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ МАГНИТОВ
(ГОСТ 13596 — 68)
Марки магнитов		Временное сопротивление, МПа, ие менее	
		при сжатии	при изгибе
ммк-1,	ММК-2	2000	400
ммк-з.	ММК-4, ММК-5, ММК-6	1700	300
ММК-7,	ММК-8	1200	250
ММК-9,	ммк-п	1000	200
310
ТАБЛИЦА 8.35
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МАГНИТОВ ФИРМЫ «ВОС MAGNETS»
Марка сплава	Химический состав *, % (по массе)						Марка сплава	. Химический состав *, % /по массе)					
	А1	Ni	Со	Си	Ti	Nb		М	Ni	Со	Си_	... Ti _	Nb
Альни 		11	21									Алькомакс 4 . .	8,5	14,5	24	3	0,3	0,3
Альнико ....	10	18	12	—	—	0,3	Гайкомакс 1	. .	10	21	20	1,5	0,3	0,3
Гайнико ....	7	14	34	4,5	5,5	—	Гайкомакс 2 . .	7	14	-34	3,5	5,0	1
Алькомакс 3 . .	8	13,5	24	3	0,3	0,3	Гайкомакс 3 . .	7	14 .	34	4,5	5,5	—
Алькомакс ЗА . .	8	13,5	24	3	0,15	—	Гайкомакс 4 . .	8	14	40	3	7,5	—
* Остальное Fe.
ТАБЛИЦА 8.36
МАГНИТНЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТОВ ФИРМЫ «ВОС MAGNETS»
Марка магнита	Магнитные свойства			Мини- мальное намагни- чивающее поле, кА/м	Параметры в рабочей точке		Плот- ность, 10s кг/м3	Макси- мальная рабочая темпе- ратура, °C	Точка Кюри, К	Удельное электро- сопротив- ление, мкОм.м	HV20	Коэффи- циент тер- мического расшире- ния, 10“вК-1
	вг- Тл	НсВ- кА/м	max» кДж/мв		Bd’ Тл	Hd- к А/м						
Изотропные магниты
Альни 		0,68	20	3,2	200	0,445	14,5	7,0	400	1033	0,65	380	12
Альнико 		0,63	48,5	5,6	200	0,380	29,5	—	450		0,65	540	12
Гайнико 		0,67	87,5	10,4	400	0,400	51,5	6,7	450	1083	0,58	600	11,5
				Анизотропные магниты								
Алькомакс 3 		1,165	54	17,6	160	'0,870	41	7	550	1088	0,50	530	11,2
Алькомакс ЗА 		1,230	51	19,2	160	0,950	40	7	550	1088	0,50	530	11,4
Алькомакс 4 		1,125	57	16,4	200	0,700	48	7	550	1088	0,50	530	11,5
Гайкомакс 1			0,825	67,5	10	200	0,500	40	7	550	1073	0,58	530	11,5
Гайкомакс 2 		0,815	103,5	15,6	400	0,480	64	7	550	1083	0,58	600	11,5
Гайкомакс 3			0,825	118,5	18,4	400	0,500	73	6,97	550	1083	0,58	600	11,5 ’
оэ Гайкомакс 4			0,705	155	18,4	560	0,400	95	6,97	' 550	1083	0,58	600	11,5
312
ТАБЛИЦА 8.37
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОВ ФИРМЫ <KRUPP WIDIA-FABRIK»
Марка магнита	Магнитные свойства			Минимальное намагничи- вающее поле, кА/м
	Вг, Тл	кА/м	^тах’ кДж/м3	
Параметры в рабочей точке	
Тл	НкА/м
Плотность»
10® кг/м3
Оптимальное
отношение
длины
к диаметру
Изотропные магниты
Коэрцит 50 . . .	0,85	10—7	2		—	—	6,7	—
Коэрцит 120	. .	0,53—0,65	56—44	4,4—5,55	200	0,28—0,38	33—25	6,8	2,4
Коэрцит 130К . .	0,46—0,55	60—52	4,0—5,15	240	0,25—0,34	37—27	6,8	2,2
Коэрцит 160	0,60—0,70	61—51	5,95—7,55	240	0,34—0,43	40—32	7,1	2,3
Анизотропные магниты
Коэрцит 190	0,70—0,80	64—52	7,15—9,55	240	0,43—0,55	38—29	7,1	2,5
Коэрцит 400К . .	0,90—1,05	65—57	13,15—15,9	320	0,60—0,72	48—38	7,2	2,8
Коэрцит 450 . .	0,75—0,92	111—80	13,95—19,1	480	0,46—0,59	69—54	7,2	1,8
Коэрцит 500 . .	1,15—1,27	56—46	17,5—21,9	240	0,85—1,0	44—38	7,2	4,0
ТАБЛИЦА 8.38
ДОПУСКИ НА РАЗМЕРЫ СПЕЧЕННЫХ МАГНИТОВ ФИРМЫ «KRUPP WIDIA-FABRIK»
Размер, мм	Допуск, мм		Допуск, мм	
	в направлении прессования	Размер, мм перпендикулярно направлению	II прессования	в направлении прессования	перпендикулярно направлению прессования
ю 2 § V/V/V/	±0,20 ±0,25 ±0,30	±0,15	|	<40 ±0,20 ±0,25	<75	±0,45 ±0,70	±0,40 ±0,60
Гиесин
ТАБЛИЦА 8.39
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ МАГНИТОВ СИСТЕМЫ Al —Ni—Со ЗАРУБЕЖНЫХ Т ФИРМ [1, 631
	Магнитные свойства			Параметры в рабочей точке		
Марка магнита 1	Вг, Тл	НсВ, кА/м	шах* кДж/м® '	Bd, Тл	Н^, кА/м	Фирма, страна
Тикональ S .......	1,11	49,5	16,8	0,89	37,7	«Mullard Ltd», Великобритания
Альни	’ . . . Альнико	i .. . Гайкомакс 	 Алькомакс II Алькомакс III . , * . . . Алькомакс IV ......	0,56 0,70 0,81 1,1 1,13 0,95	41,6 44 65 44 49,6 58	4,4 6,4 10,4 14,4 16,8 14	0,34 0,36 0,51 0,85 0,88 0,68	23,5 35,6 41 34 38,4 41,2	«Darwins Magnetics Products Ltd», Ве- ликобритания
Альнико II (160)	. . . Альнико V (400) , , . . . Альиико .УШ (350) : . . . Альнико VI (400)	.	0,75 . 1,16 0,82 1,04	49,6 49,6 92 60,8	7 18 14,5 15,5	—	—	Япония >
Сура 500А		 Сура 300А . 	 Сура 250 . '	 Сура 160 	 Сура 120 		1,20 0,85 0,60 0,64 0,68	52 64 79 52 40	20 10 8,5 6,5 5	—	—	<Surahammars Bruks АВ», Швеция
Альнико 11	 Альнико 13 	 Альнико 46	 Альиико 28	 Альнико 32			0,50—0,70 0,65—0,82 0,58 — 0,70 0,74—0,94 1,0—1,25	58—42 54 — 42 90—64 72 — 98 40—56	5 — 6,5 6—7,8 1 7,5—10 13,1 — 17,5 15,1 — 18,2	0,40 0, 35 0,35 0,50 0,85	—	«VEB Immelborn», ГДР
Альнико 160		 Альнико 400			0,73 1,05	37,6 44	2,88 15	0,336 0,846	35,6	«VEB Hartmetallwerke», ГДР
Эрстит 120R	 Эрстит 120К	 Эрстит 160		 Эрстит 220		 Эрстит 190		 Эрстит 300		 Эрстит 350		 Эрстит 400		 Эрстит 400К		0,78—0,68 0,64 — 0,53 0,70—0,60 0,66—0,56 0,80—0,70 0,98—0,85 0,88—0,77 1,2—1,1 1,04 — 0,92	31,2 — 38,4 46,4—56 51 — 61,5 88—100 61—70,5 61—70,5 84—96 45,6—52 56 — 64	5,2—6,0 4,4—5,6 6,0—7,6 8,0—10,4 9,6—11,2 10,4—14,4 12,8—16,8 15,2—18 13,2—16	0,54—0,46 0,38—0,28 0,43—0,36 0,39 — 0,32 0,48 — 0,40 0,66 — 0,54 0,56 — 0,46 0,94—0,84 0,74—0,64	20—24 27,2 — 33,6 32 — 35,8 48 — 56 33,6 — 44 36,8—45,6 53—61,6 34,4—41,6 38,4—46,4	«Deutsche Edelstahlwerke AG, Mag- netfabrik Dortmund», ФРГ
Продолжение табл. 8,39
Марка магнита	Магнитные свойства			Параметры в рабочей точке		Фирма, страна
	вг, Тл	НсВ, к А/м	^тах’ кДж/м3	Bd’ Тл	Н^, кА/м	
Альнико П 		0,69	41,6	5,8	0,43	27,2	«Indiana General Corp.», США
Альиико IV 		0,52	56	4,8	0,30	32	
Альиико V 		1, 05	48	14	0,78	32	
Альиико VI		0,88	64	11	0,55	40	
Иидаллой		0,90	19,2	3,6	0,60	12	
Альиико II 		0,72	44	6	0,44	27,2	«Crucible Steel Со», США
Альиико IV 		0,55	58,4	5	0,31	32	
Альнико V 		1,05	48	15,2	0,82	37,2	
ТАБЛИЦА 8.40
СОСТАВ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА Fe-Cr-Co СПЛАВОВ [69—71]
Состав, % (по массе} •	Метод получения	Вид термообработки и ее параметры	Отпуск		Магнитные свойства		
					вг. Тл	НсВ, кА/м	max* кДж/м3
Сг 35; Со 23	Спекание 3 ч при 1300 °C	ИТМО 0,8 ч при 640 °C	4 ч при 600 и 580 °C	при	1,0	56	13
Сг 23; Со 15; V 3; Ti 2	Литье	Гомогенизация 1 ч при 1000 °C; ИТМО 1 ч при 660 °C	В течение 1 ч 620, 600, 580, 540 °C	при 56С,	1,35	44	22
Сг 30; Со 23; Si 1	Выращивание мо- нокристалла	Гомогенизация 30 ч при 1300 °C	—		1,3	48,5	32
* Остальное Fe.
Получение магнитов с низкой пористостью обеспечивается при помощи дина-
мического горячего прессования (ДГП), в процессе которого к предварительно
спрессованной нагретой заготовке магнита прикладывают ударную нагрузку. При
нагревании выше 1200 °C, обеспечивающем достаточную для исключения трещин
пластичность, из сплава ЮНДК24 получают магниты со следующими параме-
трами [68]:
Вг = 1,12-5-1,18 Тл; Гшах= 14-5-16 кДж/м8;
Нсв — 44-5-48 кА/м; у = 7,14-5-7,16-103 кг/м8.
В Советском Союзе спеченные магниты на основе систем А1—Ni—Fe и
Al—Ni—Со—Fe выпускают по ГОСТ 13596—68 (табл. 8.32—8.34).
Химический состав спеченных магнитов английской фирмы «ВОС Magnets»
приведен в табл. 8.35, их магнитные и механические свойства — в табл. 8.36.
Временная стабильность не менее 1% после длительного применения. Маг-
ниты могут быть использованы до 500 °C. При этом происходит необратимое умень-
шение магнитного потока на 12% для изотропных и на 2% для анизотропных
магнитов. При повторном намагничивании при комнатной температуре магнитный
поток полностью восстанавливается.
Средний температурный коэффициент остаточной индукции в диапазоне
(—40)—(+400) °C составляет —0,02%/°С.
Допуски на размеры спеченных магнитов фирмы «ВОС Magnets»:
Размер,	ММ . . .	1,5—3,175	3,176—9,50	9,51—12,70
Допуск,	мм . . ,	±0,08	±0,13	±0,19
Размер,	мм . . ,	12,71-25,40	25,41—38,0	38,1—44,50
Допуск,	ММ . . .	±0,25	±0,38	±0,51
Размер,	мм . .	44,51-50,80	50,81—63,5	63,51—76
Допуск,	ММ . , ,	±0,76	±1,02	±1,26
Фирма «Krupp Widia—Fabric» выпускает спеченные магниты марки Koerzit,
магнитные характеристики которых приведены в табл. 8.37, допуски на раз-
меры — в табл. 8.38. Допуски для литых магнитов этих марок обычно больше
на 50%.
Магнитные параметры спеченных магнитов, выпускаемых зарубежными
фирмами (кроме приведенных в табл. 8.37), даны в табл. 8.39.
8.2.2.2.	СПЛАВЫ][СИСТЕМЫ Fe—Сг-Со
Железохромокобальтовые сплавы по магнитным свойствам, температурной и
временной стабильности близки к сплавам системы А1—Ni—Со—Fe, но выгодно
отличаются от них высокими механическими свойствами. При повышенных темпе-
ратурах сплавы поддаются ковке и прокатке; после закалки пластины при комнат-
ной температуре допускают обработку резанием, штамповку, что позволяет про-
изводить магниты практически всех желаемых форм.
Высококоэрцитивное состояние Fe—Сг—Со сплавов возникает в результате
образования высокодисперсных анизотропных по форме включений сильно-
магнитиой фазы FeCo в слабомагнитной матрице FeCr. Это состояние обеспечива-
ется специальной термической обработкой, включающей гомогенизацию при
1300 °C, закалку в воде, термомагнитную обработку и ступенчатый отпуск.
Обработку осуществляют путем изотермической выдержки в магнитном поле
напряженностью 200—300 кА/м при 360—640 °C [69].
Спеченные Fe—Сг—Со магниты состава, %: Fe 42, Сг 35, Со 23 получают
прессованием под давлением 1 ГПа. Спекание проводят в сухом водороде при
1300 °C в течение 3 ч, изотермическую термомагнитную обработку — в свинцовой
ванне при 640 °C в течение 50 мин, затем выдерживают на воздухе в отсутствие
поля, поме чего проводят двухступенчатый отпуск при 600 °C (4 ч) и 580 °C
Оптимальные значения магнитных параметров, полученные на литых магни-
тах (табл. 8.40), на спеченных магнитах еще не достигнуты.
11*	315
8.2.2.3.	СПЛАВЫ СИСТЕМ Pt—Со, Pt—Pd —Со
Спеченные магниты на основе систем Pt—Со и Pt—Pd—Со отличаются высо-
кими значениями пластичности, коэрцитивной силы (НсВ = 320 кА/м) и магнит-
ной энергии (32 кДж/м3). Используются в виде тонких пластин весом несколько
миллиграммов для вибрационных гальванометров и других точных приборов.
Применение ограничено высокой стоимостью платины и палладия.
Типовой технологический процесс предусматривает смешивание порошков
платины (99,9% Pt) и кобальта (ПК-1 по ГОСТ 9721—71) с частицами размером
не более 60 мкм в количестве Pt 76,8 ± 0,5, Со 23,2 ± 0,5% (по массе).
После вибросмешивания в течение 1,5 ч заготовки магнитов прессуют под
давлением 0,8 ГПа, спекают при 1350 °C (20 мин) в вакууме 0,1 мПа, проводят
1-ю допрессовку под давлением 0,8 ГПа, затем 2-е спекание в вакууме при 1400 °C
(15 мин), 2-ю допрессовку под давлением 1,0—1,1 ГПа; 3-е спекание в вакууме
при 1400 °C (15 мин), затем заготовку выдерживают при 1000 °C в аргоне в течение
2—3 ч, производят изотермическую закалку в соляной ванне при 660 °C (выдержка
45 мин) и охлаждение на воздухе до комнатной температуры [72, 73]. Состав
ванны, %: NaCl 21, ВаС12 31, СаС12 48.
До закалки спеченный сплав Pt—Со легко поддается холодной прокатке,
после закалки легко обрабатывается резанием. Без ухудшения магнитных свойств
платину можно частично (до 5%) заменить палладием; однако сплав, содержащий
10% Ра, является магнитомягким [72]. Примеси Fe, Ni, Ir снижают магнитные
свойства.
Изготовленные по оптимальному режиму магниты имеют следующие свойства:
Вг . . ,..................... 0,7 Тл
Нсд ......................... 280 кА/м
^шах......................... 32 кДж/м3
у............................(14,8—15,2) 10s кг/м3
Для литых магнитов: у ... . (15,0—16,0) 103 кг/м3
0 ................................  790—800	К
Для литых магнитов достигнуто значение и7тах = 38 кДж/м3.
8.2.2.4.	МАГНИТЫ НА ОСНОВЕ СПЛАВА Мп—А1
Спеченные Мп—А1 магниты могут быть использованы в тех случаях, когда
требуется обеспечить невысокую стоимость изделия. Магниты устойчивы против
коррозии, не содержат дефицитных материалов.
Исходные материалы: марганец марки Мп-0 и алюминий марки А1-00, содер-
жащие не более: С 0,5, Fe 0,2, Si 0,2% .
Сплав, состоящий из 71,4% Мп и 28,6% А1, гомогенизируют при .1100 °C
(2—3 ч), после чего производят закалку в масле, отпуск при 500 °C (3 ч), дробят до
кусков 2—3 мм, которые размалывают в порошок дисперсностью 5—10 мкм [74].
Магниты прессуют при 500 °C с выдержкой под давлением 15 мин. Для повы-
шения прочности в исходный порошок можно добавить А1 (при этом возрастает
НсВ, но уменьшается Вг) или Fe (в этом случае возрастает Вг, уменьшается НсВ).
Добавка 15% смешанного железо-алюминиевого порошка не ухудшает магнитных
свойств и повышает механические. '	.
Свойства спеченных Мп—А1 магнитов [74]:
Вг ......... .	- 0,27 Тл
Hcj  .................. 104	кА/м
НсВ..................... 80	кА м
IFmax........•..•••  4 кДж/м3.
у. : . г'.1 .	- 5;Ь 10s кг/м® 
316
По свойствам эти магниты соответствуют изотропным бариевым ферритам, но
обладают большей температурной стабильностью, так как температурный коэффи-
циент остаточной индукции и коэрцитивной силы в два раза меньше, чем бариевого
феррита.
8.2.3.	МИКРОПОРОШКОВЫЕ КОМПОЗИЦИИ
Микропорошковые магниты получают на основе композиций высокодисперс-
ных порошков железа или сплава железо—кобальт с немагнитной связкой,
в качестве которой используют легкоплавкие металлы и сплавы (например, сви-
нец) или полимеры.
Изготовление магнитов включает прессование под давлением 1 ГПа и термо-
обработку на воздухе, обеспечивающую образование компактного тела магнита,
в частности полимеризацию связки. При использовании органических связок
термообработку проводят при 180—200 °C в течение 0,5—1 ч. Прессование анизо-
тропных магнитов проводят при наложении магнитного поля напряженностью
до 2000 кА/м (обычно для ориентации частиц достаточно 400 кА/м).
Высокая плотность прессовок приводит к возникновению контактов между
отдельными частицами порошка, нарушению однодоменности и снижению коэрци-
тивной силы (табл. 8.41). Максимальные значения магнитной энергии получают
при степени уплотнения —45%.
ТАБЛИЦА 8.41
СВОЙСТВА ПРЕССОВОК ИЗ УДЛИНЕННЫХ ОДНОДОМЕННЫХ
ЧАСТИЦ ЖЕЛЕЗОКОБАЛЬТОВОГО СПЛАВА ПРИ РАЗНЫХ
СТЕПЕНЯХ УПЛОТНЕНИЯ •
Степень уплотнения, %	Jrl Js	вг, Тл	hcj. кА/м	 кА/м	"(7тах, кДж/м3
“36	0,895	0,765 .	89	86	17,4
42	0,880	0,905	..	67	65	20,16
. 48	0,895	1,02	... 63	_ 62	18
51	0,900	1,08	52	51	15
Большая удельная поверхность порошка, связанная с высокой его дисперс-
ностью, обусловливает значительные силы поверхностного трения, что усили-
вается дендритностью частиц. Это затрудняет получение прессовок даже со сравни-
тельно невысокой степенью уплотнения (45%).
В высокодисперсных порошках, полученных в двухслойной ванне [27],
наличие поверхностно активного вещества (олеиновой кислоты) позволяет при
прессовании без смазки обеспечить необходимую плотность магнитов. Хорошая
прессуемость анизотропных по форме частиц позволяет без приложения магнитного
поля обеспечить их ориентацию в плоскости, перпендикулярной приложенному
давлению (табл. 8.42). Если при ориентации в цаправлении легкого намагничива-
ния теоретический предел Jr/Js = 1, то при ориентации в плоскости легкого
намагничивания JrlJs = 2/л = 0,64.
Как следует из табл. 8.42, для порошков с органическим покрытием достига-
ется предельное значение коэффициента прямоугольности Jr/Js для плоской
ориентации частиц.
При использовании полимерной связки возможны следующие разновидности
технологического процесса:
1.	Суспензию высокодисперсного порошка и полимера в растворителе поме-
щают в магнитное поле, растворитель удаляют нагреванием при одновременном
прессовании.
317
ТАБЛИЦА 8.42
ЗАВИСИМОСТЬ ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИИ В
И КОЭФФИЦИЕНТА ПРЯМОУГОЛЬНОСТИ JrfJs
ОТ КАЖУЩЕЙСЯ ПЛОТНОСТИ МАГНИТА ИЗ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО
ПОРОШКА ЖЕЛЕЗА
V, 103 кг/м3	Вг, Тл	V's	7, 103 кг/м3	вг, Тл	JrUs
1,4	0,10	0,43	3,5	0,37	0,64
3,0	0,29	0,59			
3,2	0,31	0,61	4,3 *	0,55	0,64
* Порошок термообработан.
2.	Смесь полимера и высокодисперсного порошка нагревают до плавления
полимера, накладывают магнитное поле и проводят горячее прессование.
Для микропорошковых магнитов характерны следующие положительные
особенности:
возможность получения различных кривых размагничивания на основе
различного расположения блоков однодоменных частиц и, следовательно, широкий
набор магнитных свойств в результате единого технологического процесса;
весьма узкие механические допуски (до 0,1% от размера), позволяющие точно
располагать выемки и отверстия и легко сопрягать магнит с другими элементами
магнитной системы. Магниты со свинцовой связкой выпускают с допусками
± 0,01 мм для деталей толщиной <12 мм, 0,02 мм для деталей толщиной > 12 мм;
высокая магнитная однородность, позволяющая в ряде устройств исключить
полюсные наконечники;
ТАБЛИЦА 8.43
ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПОРОЩКОВ ЫХ МАГНИТОВ ФИРМЫ
«HITACHI METALS LTD» (США)
У	LapKa	Br, Тл	HcB< кА/м	max» кДж/м	Плот- ность V, 10s кг/м3	Состав, %
Lodex	30	0,400	100	6,64		
Lodex	31	0,625	91	13,6	8,9*	Co 7,5; Fe 11; Pb 72
Lodex	32	0,730	75	13,6	9,5*	Co 10; Fe 15; Pb 66; Sb 9
Lodex	33	0,800	69	12,8		
Lodex	36	0,340	98	5,8		
Lodex	37	0,550	80	8,4		
Lodex	38	0,620	67	8,8		
Lodex	40	0,270	88	3,4		
Lodex	41	0,430	79 •	5,6		Co 7,5; Fe 11,5; Pb 72; Sb 9
Lodex	42	0,525	70	5,6	9,5*	Co 10; Fe 15; Pb 66; Sb 9
Lodex	43	0,600	57	5,2		
Lodex	55	0,620	124	16	3,6	Co 31; Fe 57; O2 12
* Со свинцовой связкой.
318
ТАБЛИЦА 8.44
ХАРАКТЕРИСТИКИ МИКРОПОРОШКОВЫХ МАГНИТОВ
Марка, название	Состав	вг, Тл	HcB. кА/м	max» кДж/м3	6, к	V, 1 О3 кг/м3
	Магниты из равноосных частиц					
Fe — равноосные частицы	Fe, Fe3O4	0,45—0,50	36—40	3—4,5	1040	4,1—4,4
Гекаллой		0,60	38	4	1040	4—5
Железо, PF1		0,7	26,5	4	1040	
FeCo — равноосные частицы	Со, Fe, Fe2O3	0,55—0,70	44—48	4—5,5	1250	4,3—4,6
То же		0,86	33	6,5	1250	
Железо—кобальт PF2		1,0	2,9	6,5	1250	
Пермет Р-2		0,60	50	6		
Гекаллой Н	Fe, Co	0,9	27	6	1250	
Магниты из удлиненных частиц
Fe (плоскость легкого намагничи- вания) (с органическим покрытием)	Fe, связка, олеаты	0,55 0,62	50	5,6	—	4,3
FeCo (плоскость легкого намагни-	FeCo, связка, олеаты		70	9,6	—	4,1 ‘
чивания) Fe (ось легкого намагничивания)	Fe, связка, олеаты	0,87	56	11,6		
FeCo (ось легкого намагничивания)	Fe, Со, связка, олеаты	0,98	77	20,4	—	
(лабораторные образцы) ESD-железо:	Fe (35), Hg (61), Sn (4)					
промышленные магниты		0,79	45	9	1040	
лучшие лабораторные образцы		0,91	61	17		
теоретический предел Е SD -железо—кобальт:	Со (14). Fe (22), Hg(60), Sn(4)	1,43	290	150		
промышленные магниты		0,9	68	14,5	1250	
лучшие лабораторные образцы		1,08	78	26		
теоретический предел		1,63	330	200		
малый разброс параметров в партии магнитов значительно облегчает под-
гонку свойств магнитных систем приборов;
весьма малые температурные коэффициенты остаточной индукции и коэрци-
тивной силы (0,008%/К), определяемые температурным коэффициентом индукции
технического насыщения железа;
низкая плотность [(3,5—5) 103 кг/м8] при использовании полимерной связки,
обусловливающая небольшую массу магнитных систем;
высокий выход годных магнитов (98—99,5%).
К недостаткам микропорошковых магнитов следует^отнести сравнительно
низкие магнитные свойства и механическую прочность для магнитов со свинцовой
связкой (предел прочности на растяжение составляет 10 МПа). Характеристики
промышленных магнитов фирмы «Hitachi Metals» приведены в табл. 8.43.
Свойства микропорошковых магнитов (кроме марок Lodex), выпускаемых
различными фирмами, приведены в табл. 8.44.
8.2.4.	МАГНИТОТВЕРДЫЕ ФЕРРИТЫ
Объем производства магнитотвердых ферритов значительно превосходит
выпуск всех других видов магнитов. Это связано с тем, что, обладая магнитной
энергией, такой же, как магниты альнико с высоким содержанием кобальта, маг-
нитотвердые ферриты значительно превосходят их по величине коэрцитивной
силы. Важными преимуществами являются также недефицитность и низкая стои-
мость исходного сырья. Так, 1 кг исходного сырья для производства ферритового
магнита в 4—6 раз дешевле, чем для производства магнита альннко. Более простой
является и технология, не связанная с использованием вакуумных высокотемпе-
ратурных печей.
Ферритовые магниты используют не только в традиционных областях, свя-
занных с электротехникой и радиоэлектроникой (см. ниже), но и в механизмах
с магнитной связью (тормоза, муфты, подъемные и удерживающие устройства),
в узлах автомобилей. Благодаря высокой коэрцитивной силе ферритовые магниты
простых форм (кольца, диски) допускают многополюсиое намагничивание, что
значительно расширяет возможности конструирования магнитных систем.
Примерное распределение ферритовых магнитов по областям применения
в СССР в 1974 г. [76]:
Громкоговорители...........57
Устройства связи........... 2,5
Двигатели ................. 2
Магнитные столы и сепараторы 21
Игрушки и пр............... 2,5
Экспорт....................15
В качестве магнитотвердых материалов широкое применение нашли бариевые
и стронциевые ферриты с кристаллической структурой магнетоплюмбита и ко-
бальтовые ферриты со структурой шпинели.
Благодаря высокому значению константы магнитокристаллической анизо-
тропии (табл. 8.45) эти ферримагнетики обладают высоким значением коэрцитив-
ной силы, определяющей их магнитную твердость. Так, для бариевого феррита
значение коэрцитивной силы, вычисленное по величине константы анизотропии,
составляет 1360 кА/м.
В постоянных магнитах реализуется значение Hcj, в 4—5 раз меньшее этой
величины. Это связано с тем, что перемагничивание происходит не в результате
вращения вектора намагниченности, а главным образом в результате зарождения
и роста зародышей обратной намагниченности. В спеченных из порошков с разме-
ром частиц ~t мкм постоянных-магиитах образуются зерна размером t—3 мкм,
что вызывает затруднения в процессе образования зародышей обратной намагни-
ченности и замедление процесса роста этих зародышей за счет смещения границ.
Наиболее Эффективная задержка границ происходит на различных дефектах
микроструктуры (поры, немагнитные включения и т. Д.), размеры которых соизме-
320
ТАБЛИЦА 8.45
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОТВЕРДЫХ ФЕРРИМАГНИТНЫХ
ОКИСЛОВ
			 Ферриты	Констан- та анизо- тропии к, МДж/м8	Параметры решетки, нм		Плотност£> рентге- новская Лд, 103 кг/м3	Тбчка Кюри 0, К	Индукция насыще- ния при 20 °C, Тл
		а	С			
Бариевый BaFe12O19 . .	. 0,3	0,5876	2,317	5,28	723 '	0,47
Стронциевый SrFe12O19	0,33	0,5864	2,303	5,12	733	0,50
Кобальтовый CoFe2O4	0,29	0,8395	—	5,27	793	0,53
римы с толщиной границы. Такой механизм перемагничивания определяет значе-
ния HCJ— 300-5-350 кА/м. В результате спекания возникает взаимодействие
между зернами, что нарушает их однодоменность и исключает возможность увели-
чения Hcj до значения напряженности поля анизотропии. Создание немагнитных
прослоек между однодоменными зернами приводит к значительному падению
остаточной индукции. Хотя величина Hcj значительно меньше напряженности
поля анизотропии, достигнутое значение Hcj является достаточным для достиже-
ния значений lFmax всего на 20—25% ниже теоретического (табл. 8.46).
ТАБЛИЦА 8.46
ПАРАМЕТРЫ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ НА ОСНОВЕ
МАГНИТОТВЕРДЫХ ФЕРРИТОВ
Материал	Вг Тл	Hcg, кА/м	W w max* кДж/м3
BaFe^O^: технический		0,40	184	15
лучшие лабораторные образцы . .	0,41	 184	16
теоретический предел 		0,47	380	22
SrFe12O19:			
технический .	,		0,41	240	16
лучшие лабораторные образцы . .	4,6	230	20
теоретический предел		0,50	400	25
CoO-Fe2O3: технический 		0,27	152	6,8
лучшие лабораторные образцы . .	0,40	160	12
теоретический предел 		0,53	420	28
Благодаря достигнутым свойствам ферритовые магниты широко применяют
в технике и бытовых приборах. Стоимость этих магнитов составила в 1960 г.
3,9 млн., в 1977 г. 70 млн., в 1985 г. оценивается в 115 млн. долл. Мировое про-
изводство ферритовых магнитов в 1976 г. составило ПО тыс. т [77]. Массовый
характер производства определил разделение технологического процесса на две
стадии: изготовление порошков и изготовление магнитов, каждая из которых
в настоящее время осуществляется на отдельных предприятиях. Магнитотвердые
ферритовые порошки получают из окалины (отходов прокатного производства)
321
или окислов железа заданной чистоты, углекислого бария или стронция и добавок,
улучшающих спекание порошка и способствующих сохранению мелкозернистой
структуры [SiO2, А12О3, каолин (Al2O3-2SiO2-2H2O), Bi2O3 и др.]. При использо-
вании порошков стехиометрического состава ие удается получить магниты с опти-
мальными магнитными свойствами. В гексагональных ферритах это связано с тем,
что часть окислов бария (стронция) связывается примесями. Присутствие моно-
феррита бария BaFe2O4 способствует образованию легкоплавкой фазы, препят-
ствующей росту зерен. Поэтому для производства порошков бариевого феррита
обычно используют шихту состава BaO-5,6Fe2O3, стронциевого феррита SrO-
•5Fe2O3. Наряду со стехиометрическим кобальтовым ферритом используют
материалы с избытком окиси железа, например Co0,8Fe2>2O4. При изготовлении
порошков стронциевого феррита используют также минерал целестит, содержащий
94% (мол) SrCO3, 4% (мол) щелочноземельных элементов и 1—2% (мол) тугоплав-
ких окислов, способствующих получению высоких магнитных свойств.
Технология получения порошка включает сушку исходных компонентов
(ВаСО3 при 400 °C в течение 5 ч) — развешивание, смешивание, обжиг, при кото-
ром в результате твердофазной реакции при 1000—1200 °C происходит образование
феррита (ферритизация), дробление агрегатов порошка, грубое измельчение,
сухой помол в вибромельнице, мокрый тонкий помол.
Ферритизацию проводят в камерных туннельных или вращающихся печах.
Последние обладают наибольшей производительностью.
В крупнотоннажном производстве мокрый помол проводят в барабанных
мельницах с загрузкой 1000—1500 кг сухого порошка. После помола водную
суспензию ферритового порошка отстаивают в течение 3—5 сут, после чего воду
сливают, а влажный порошок подсушивают в сушильных агрегатах. Для ускоре-
ния процесса отстоя в 3—4 раза суспензию омагничивают в поле 400—600 кА/м,
в результате чего ферритовые частицы коагулируют, притягиваясь друг к другу.
В производстве средних масштабов для помола порошка используют аттри-
торы (шаровые мельницы с вертикальной осью вращения). Так, поставщик высоко-
качественных ферритовых порошков фирма «Ferro-corp. Ottawa chemical Divi-
sion», Канада применяет аттриторы марки Szegvari IS, вращающиеся со скоростью
200 об/мин, со стальными шарами диаметром 1,5 мм. В аттритор загружают 2 кг
порошка феррита с добавками (А12О3 и др.), 2 кг воды и 18 кг шаров. После 8-ч
размола получают порошок, средний размер частиц которого (по Фишеру) 0,8—
0,85 мкм.
Свойства магнитов, получаемых из промышленных магнитотвердых порошков,
приведены в табл. 8.47.
Ферритовые порошки выпускают не только для изготовления из них спечен-
ных магнитов, но и для использования их в качестве наполнителей для магнито-
пластов и магнитоэластов. В процессе размола под действием ударных нагрузок
на поверхности частиц возникают многочисленные дефекты, напряжения (в ре-
зультате наклепа), что ведет к снижению магнитных свойств. При спекании про-
исходит отжиг дефектов и магнитные свойства восстанавливаются. Если же
порошок не спекают, а связывают органической связкой (магнитопласты и магни-
тоэласты), то дефекты должны быть устранены посредством отжига при темпера-
туре 700—800 °C. Чтобы не происходило припекания частиц порошка друг к другу,
их разделяют высокодисперсной окисью алюминия А12О3, которую после отжига
удаляют посредством магнитной сепарации.
Порошки бариевого феррита, предназначенные для использования в качестве
наполнителей, выпускает фирма «Ferro-corp. Ottawa chemical Division», Канада.
Свойства изотропных магнитоэластов из этих порошков приведены
в табл. 8.54 (см. раздел 8.2.5).
Ферритовые порошки-наполнители марки BG выпускает также фирма «Stac-
kpole Magnet Division».
Магнитные ферритовые порошки’можно вводить в каучук, резину, виниловые
и эпоксидные пластики, нейлон и т. д. Благодаря высокому электрическому
сопротивлению порошки не влияют на изолирующие’свойства резинового или
пластикового носителя и инертны по отношению к химическим продуктам. В маг-
нитоэласте после намагничивания порошки проявляют высокую стойкость к раз-
магничиванию.
322
ТАБЛИЦА МТ
СВОЙСТВА МАГНИТОВ ИЗ ПРОМЫШЛЕННЫХ МАГНИТОТВЕРДЫХ ФЕРРИТОВЫХ ПОРОШКОВ
Страна, фирма	Марка порошка	Состав	вг, Тл	HCJ. кА/м	НсВ- кА/м	^тах’ кДж/м’	Усадка, %
СССР	А (ТУ 6-09-1452—76) Б (ТУ 6-09-1452—76) В (ТУ 6-09-1452—76)	BaO„Fe2O3 (п = 5,5-т-5,8) каолин: для марок А, Б 1%, В 0,5%	6,330 0,365 0,395	—	188 216 192	8,8 12 14,4	15—17 17—19 17—19
Канада, «Ferro-corp. Ottawa Chemical Di- vision»	Порошок стронциевого феррита 201 (для магнитов ceramic 7) Порошок стронциевого феррита 201 (для магнитов ceramic 8)	SrFei/319 2% А12О3 SrFe12O19	0,343	336		10,8	15,5
			0,326 0,385	320 252		9,6 13,9	14—17 15,5
			0,367	240		12,8	14—17
	Порошок бариевого фер- рита 106 (для магнитов ceramic 5 и 6)	BaO-6Fe2O3 С/зВаСО* + А12О3) До 2%	0,385	206	200	13,6	15,8
			—				
Примечание. Для магнитов из порошков по ТУ 6-09-1452—76 даны минимальные значения; для магнитов из порошков марок 201.
106 в числителе указаны средние, в знаменателе — минимальные значения.
• ТУ 6-09-1452—76.
Высокое электрическое сопротивление порошков определяется малым содер-
жанием двухвалентного железа (0,2% по ТУ 6-09-1452—76).
Порошки марок А, Б и В по ТУ 6-09-1452—76 поставляют после сухого
помола (удельная поверхность соответственно 0,6—0,8; 0,8—0,9; 0,8—1,0 ма/г).
Перед прессованием анизотропных магнитов такой порошок должен быть подверг-
нут дополнительному мокрому помолу с целью получения частиц размером
порядка 0,5 мкм. Порошок поставляют в завальцованных стальных банках-
барабанах массой до 1500 кг или в бумажных мешках с полиэтиленовым вкла-
дышем.
Изотропные магниты прессуют из смешанных с пластификатором (обычно
10%-ный водный раствор поливинилового спирта в количестве 10% от массы
смеси) порошков феррита с частицами размером 1—2,5 мкм.
Анизотропные магниты прессуют из водной суспензии (30—35% влаги)
тонкого ферритового порошка в магнитном поле 500—600 кА/м под давлением
25—35 МПа. После загрузки влажной ферритовой массы в прессформу включают
магнитное поле, обеспечивающее ориентацию частиц (обычно в направлении
приложения давления), затем через специальные отверстия в пуансоне при помощи
форвакуумного насоса откачивают воду с одновременным приложением давления.
Время подъема давления в магнитном поле в зависимости от размера магнита
составляет 10—100 с. В полученных брикетах (заготовках) 60—70% частиц ориен-
тированы осью легкого намагничивания (кристаллографическая ось с) в направле-
нии приложения магнитного поля. Сырые брикеты (остаточная влажность до 10%)
сушат, спекают в туннельных печах при 1150—1250 °C в течение 1—3 ч. После
спекания в анизотропных брикетах вследствие преимущественного роста ориенти-
рованных зерен за счет неориентированных степень текстуры увеличивается до
90—-95%. В спеченном анизотропном феррите зерна имеют форму плоских чешуек,
причем гексагональная ось с направлена вдоль толщины чешуйки.
Ферриты кобальта прессуют без приложения магнитного поля под давлением
0,2—0,5 ГПа. После спекания при 1000 °C магниты охлаждают в магнитном поле
до комнатной температуры. При этом возникает наведенная магнитная анизотро-
пия в направлении поля.
В технологический процесс входят также шлифование рабочих поверхностей
(обычно торцов кольцевых магнитов), отбраковка по размерам и внешнему виду,
магнитным свойствам, размагничивание. Обычно магниты размагничивают
нагреванием до точки Кюри (450—460 °C для бариевых и стронциевых ферритов,
520 °C для кобальтовых ферритов).
Характеристики ферритовых постоянных магнитов, выпускаемых в СССР,
приведены в табл. 8.48. Для этих магнитов характерны следующие физические
свойства:
Плотность, 103 кг/м3............................ 4,5—5,1
Точка Кюри (К) ферритов:
бариевых ......................................... 723
стронциевых........................................ 733
кобальтовых........................................ 823
Обратимая проницаемость ферритов:
изотропных . . . . ,............................ 1,15—1,35
анизотропных .................................1,103—1,25
Удельное электросопротивление (Ом-м) ферритов:
бариевых ....................................... 10—103
кобальтовых................................... 10-1—10
Удельная теплопроводность,	Вт/(м-К)............. 1,9—3,2
Удельная теплоемкость, Дж	(кг-К).............. 600—700
Коэффициент линейного расширения, 10“6-К-1:
параллельно ориентации.......................... 13—15,5
перпендикулярно ориентации.................... 8—11
Твердость (по Моосу)............................ 6—7
Модуль сдвига *, ГПа ...........;............... 40—-70
Модуль упругости *, ГПа......................... 100—200
Коэффициент Пуассона............................ 0,2—0,4
324
Предел прочности, МПа:
на	сжатие ,	................................ 200
»	растяжение............................... 25—30
»	изгиб	.............. 70—90
»	крученые ................................ 40—50
Температурный - коэффициент магнитной индукции,
%/К:
бариевых ферритов в интервале (—70)—(+200) °C" —0,2
кобальтовых ферритов в интервале, °C:
(—100)—(+20) ................................ 0,05
(+20)— (+80)................................. 0,08
* Для бариевых и стронциевых ферритов.
На основе магнитотвердых ферритов в Советском Союзе изготавливают коль-
цевые, стержневые, дисковые, трубчатые, пластинчатые магниты, а также магниты
сложной конфигурации [78].
В табл. 8.49 приведены характеристики ферритовых магнитов, выпускаемых
зарубежными фирмами.
ТАБЛИЦА 8.48
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ПРОМЫШЛЕННЫХ
МАГНИТОТВЕРДЫХ ФЕРРИТОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ В СССР
Марка по ГОСТ 24063 — 80	Параметры			
	Тл	Hcj, кА/м	Нс£, к А/М	tt'max’ кДж/м3
6БИ240 (1БИ)	0,19	240	125	3
7БИ300 * (1БИ2)	0,20	300	135	3,5
16БА190 (2БА)	0,30	190	185	8
15БА300 * (2БА1)	0,30	300	200	7,5
18БА220 (2,ЗБА)	0,33	220	210	9
22БА220 (2,8БА)	0,36	220	215	11
25БА150 (ЗБА)	0,38	150	145	12,5
24БА210 (ЗБА1)	0,37 '	210	205	12
25БА170 (3,1БА)	0,38	170	Г65	12,5
21СА320 * (2,6СА)	0,34	320	240	10,5
10КА165* (1.5КА)	0,24	165	143	5
28БА190	0,39	190	185	14
Примечания: 1. В обозначении марки феррита цифры, стоящие перед бук-
вами, соответствуют значению произведения (£Н)тах = 2№тах, выраженному в кДж/м8.
Буквы Б, С или К, стоящие после цифр, обозначают бариевый, стронциевый илн кобаль-
товый феррит; буквы И или А означают изотропный нли анизотропный соответственно;
цифры, стоящие после этих букв, соответствуют значению кА/м.
2.	Магнитные параметры для изотропного бариевого феррита приведены в направ-
лении прессования. В направлении, перпендикулярном прессованию, значения магнит-
ных параметров ниже приведенных иа 5—15%.
3.	Магнитные параметры определены при температуре 22 ± 5 °C.
4.	В скобках указано старое обозначение марки.
* Марки ферритов, не включенные в ГОСТ 24063—80.
325
326
ТАБЛИЦА 8.49
СВ ОЙСТВА ФЕРРИТОВЫХ МАГНИТОВ, ВЫПУСКАЕМЫХ ЗАРУБЕЖНЫМИ ФИРМАМИ
Фирма, страна	Марка магнита, состав	Магнитные свойства				Параметры в рабочей точке		Насыщаю- щее поле Н_, кА/м 1 -Л 	 .	Плотность V, 10* кг/м*
		Br, Тл	HcJ- кА/м	HcB, кк/м	W max> кДж/м3	Тл	Н д, кА/м		
«N. V. Philips Gloei-	Изотропный FXD	0,22/0,21	220	135/130	3,8/3,6			800	
lampen fabriken», Нидерланды	100-22/22 BaFe12Olt Анизотропные:				10,75/9,95				
	FXD270-34/33	0,34/0,33	334/318	263/247		0,165	131	1114	
	SrFe12O12 FXD330-37/25		247/231	239/223	12,75/11,95	0,180	143	876		
		0,37/0,36							
	SrFe12Oi»								
	FXD360-39/21	0,39/0,38	207/191	199/183	14,35/13,55	0,200	143	716	
	SrFeuOn FXD380-39/28	0,39/0,38	279/263	263/247	13,9/13,1	0,188	148	955	
	SrFels.O19 FXD300-40/16 BaFe12Oie	0,40/0,39	163/147	159/143	14,75/13,9	0,240	123	557	—
«Thyssen Edelstahl-	Изотропный:								
werke AG>, ФРГ	OXIT 100 Анизотропные:	—/0,190	—	— /125	3,25	—	—	1000	4,9
	OXIT 300K	—/0,320	—	— /170	10	—	——	800	4,8
	OXIT 300R	— /0,380	—	— /130	12,5	—.	—	700	5,0
	OXIT 270	—/0,320	—	—/220	10	—	—	1500	4,6
	OXIT 330	—/0,350	—	—/215	12	—-	—	1000	4,8
	OXIT 350	—/0,370			—/230	12,5					1100	4,8
	OXIT 380	—/0,385	—	—/190	14,25	—	—	1000	4.9
«Krupp Widia—Fab-	Изотропный:								
rik», ФРГ	KOEROX-lOO Анизотропные:	0,190—0,230	—	151 — 127	3,2 — 4	0,09—0,12	80—64	960	4,9
	KOEROX-300	0,350 — 0,390	—	183—143	11,15—12,75 10,35 — 11,95	0,17—0,25	127 — 80	800	5,0
	KOEROX-300K	0,340—0,370			223 — 183		0,14 — 0,23	143—103	800	4,8
	KOEROX-330	0,350—0,380		225—223	11,55—13,55	0,15 — 0,22	159—119	960	4,8
	KOEROX-360	0,380 — 0,400	—	191 — 159	13,55 — 15,1	0,19—0,27	143—96	800	5,0
«Surah am mars Bruks АВ», Швеция	Изотропные: SURAOX 100	0,20
<VEB Keramische Werke», ГДР TGL 16541	MANIPERM 820 MANIPERM 825 Анизотропные; MANIPERM 830 MANIPERM 850 MANIPERM 860	0,18 — 0,23 0,17 0,22 — 0,26 0,32—0,37 0,37 — 0,-41
«Valvo», ФРГ	Изотропный: Ферроксдюр 100 Анизотропные: Ферроксдюр 250 Ферроксдюр 300 Ферроксдюр 330 Ферроксдюр 360	О,21-0’01 0,355"°115 0.385"0’015 0.37"0-01 0.39"0’01
«Mullard Overseas Ltd», Англия	Изотропный: Мангадур 1 Анизотропные: Мангадур 2 Мангадур 3	0,2 0,36 0,30
«Darwins Ltd», Ан- глия	Изотропный: FXD-1 Анизотропные: FXD-2 FXD-3	0,22 0,38 0,345
«Hitachi	Metal», Япония	JBM-1 JBM-2 Изотропные: JBM-3	0,37 — 0,40 0,32 — 0,35 0,21 — 0,24
—	135	4	—	—	—	—
		120—155	3,2—4,4							
—	> 113	> 2,4	—	—	—	—
		141 — 190	4,4—6,4					—	—
	123—200	io-12,8		—	—	—
—	150—240	12,8—16	—	—	—	—
—	132“*	3,6“°’2	—	—	—	—
		185“»	12-г	—	—	—	—
—	152“2*	12, в'0’8	—	—	—	—
		240“le	13,2-0'8	—	—	—	—
—	176-"«	14,4-°'8	—	—	—	—
—	140	3,8	0,095	80	—	—
	112	10	0,22	91	—	—
—	152	9	0,16	112	—	—
—	136	4	0,11	—	—	—
		240	12,8	0,18	—	—	—
—	256	10,4	0,17	—	—	—
		104 — 120	10—12	0,275	80	—		
—	144 — 160	8 — 10	0,19	88	—	—
—	120—144	3,6 —4,8	0,12	68	—	—
Продолжение табл. 8.49
Фирма, страна	Марка магнита, состав	• Магнитные свойства				Параметры в рабочей точке		Насыщаю- щее поле И , кА/м	Плотность у, 103 кг/м3
		вг, Тл	»CJ- кА/м	кА/м	W max* кДж/м3	Bd- Тл	Н д, кА/м		
«Sumitomo Special Metals», Япония	FXD-1 Анизотропные: FXD-2 FXD-3	0,20—0,22 0,35 — 0,40 0,30 — 0,35	—	120—136 136 — 160 176 — 208	сО О 1 1 1 сч оо со ©со	0,11 0,21 0,18	64 112 104	I ”	—
«Crucible Steel Со», США	Изотропный: ферримаг I Анизотропный: ферримаг V	0,21 0,39	—	132 160	4 14	0, и	71	' —	—
«Indiana	General Corp.», США	• Изотропный: индокс	0,20	1 —	144	3,2	0,1	64	- 1 —	4	
«Stackpol Carbon», США	кермагнет генокс I	0,22 0,22	t	—	135 148	4 4	0,12	66,4	\ —	4 1	—
«General Magnetic Corp.», США	Анизотропный: генокс V	0,39	—	160	12	0,20	120	 —	, —
«Arnold Engineering Со», США	арнокс V	0,385	—	160	14	—	—	 —	—
Примечание. Для величин, приведенных в виде дроби, числитель — среднее значение, знаменатель — минимальное значение.
Фирма «Thyssen Edelstahlwerke AG» выпускает магниты OXIT, предельные
торцовые площади и объемы которых приведены ниже.
Минимальный Максимальный
Поверхность торца, см2	0,03	120
Объем, см3...................  0,01	250
Действующий в ФРГ стандарт DIN 17410 устанавливает обозначения магнито-
твердых ферритов, приведенные ниже.
Обозначение по DIN 17410 Марка феррита
Hartferrit 7/21
Hartferrit 20/19
Hartferrit 25/14
Hartferrit 20/28
Hartferrit 24/23
Hartferrit 25/25
OXIT100
OXIT300K
OXIT300
OXIT270
OXIT330
OXIT350
В обозначении первая цифра соответствует величине	= 21Гп1ах
(кДж/м3), вторая цифра — значение Hcj (кА/м), деленное на 10.
Например, магнит марки ОХ1ТЗЗО соответствует стандартному магнитотвер-
дому ферриту Hartferrit 24/23 (1Гп1ах = 12 кДж/м3; Hcj = 230 кА/м).
Стандарт DIN 17410 устанавливает допуски на размеры магнитотвердых
ферритов.
8.2.5.	МАГНИТОПЛАСТЫ И МАГНИТОЭЛАСТЫ
Магнитопласты и магнитоэласты получают, наполняя полимер или эластомер
ферромагнитным порошком.
При использовании магнитотвердых порошков получают пластичные или
эластичные постоянные магниты. В качестве магнитотвердого компонента обычно
используют порошки бариевого феррита, сплавов А1—Ni—Со—Fe и РЗМ—Со.
Размер магнитотвердых частиц сплавов алнико 300—800 мкм, сплавов РЗМ—Со
5—20 мкм, бариевых ферритов 2—5 мкм.
Влияние удельной поверхности на свойства”неориентировапных порошков
бариевого феррита и магнитоэласта на его основе приведено в табл. 8.50.
Так как достаточную механическую прочность обеспечивает содержание
наполнителя не менее 25% (объемн.), то остаточная индукция и соответственно
магнитная энергия магнитопластов и магнитоэластов не менее чем на 25% ниже
этих величии для беспористых однородных магнитов. Характеристика магнито-
пластов на основе металлических магнитотвердых порошков дана в табл. 8.51.
Ниже приведены механические свойства магнитопластов на основе сплавов
альнико [13].
Предел прочности, МПа:
при изгибе................................................12
при сжатии.............................................120
Вибропрочность при циклическом нагружении при частоте
10 кГц, g *..............................................125
Температуростойкость, °C.................................160
Предельная окружная скорость,	м/с........................35
Температурный коэффициент линейного расширения, 10-в К-1 15
* g ~ 9,81 м/с2.
Магниты с такой же магнитной энергией получают на основе ориентированных
порошков бариевых ферритов, стоимость которых в 6—10 раз ниже стоимости
сплавов алнико. Этим определяется преимущественное использование бариевых
ферритов в производстве магнитопластов и магнитоэластов
329
ТАБЛИЦА 8.50
ЗАВИСИМОСТЬ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ПОРОШКОВ
БАРИЕВОГО ФЕРРИТА И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
МАГНИТОЭЛАСТА НА ЕГО ОСНОВЕ ОТ УДЕЛЬНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПОРОШКА [79]
Удельная поверх- ность, м2/г	Размер частиц (оценка), мкм	Магнитные свойства порошка			Механические свойства маг- нитотвердых резни на основе натурального каучука		
		Вг, Тл	”сВ- кА/м	W шах’ кДж/м8	пластичность по ГОСТ 415—53	временное со- противление, МПа	относительное удлинение при разрыве, %
0,33	3,8	0,150	86,4	2,05	0,40	3,2	30
0,37	3,4	0,148	89,6	2,15	0,34	3,0	28
0,49	2,5	0,150	85,6	2,0	0,37	3,7	30
0,54	2,3	0,150	96,0	2,3	0,20	4,3	32
0,62	2,0	0,128	80,0	1,6	0,19	4,4	30
0,79	1,6	0,124	72,0	1,45	0,12	4,7	30
1,14	1,1	0,100	56,0	0,9	0,09	4,8	32
ТАБЛИЦА 8.51
ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТОПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИТОТВЕРДЫХ ПОРОШКОВ [67]
Материал	Состав магннтотвердого компонента *						Вг, Тл	нсВ’ кА/м	^тах» кДж/м3	V, 10s кг/м3
	А1	Ni	Со	Си	Ti	Мп				
Алии	15	24	—	4	—	—	0,27— 0,34	36—40	1,6—2,0	5,0—5,2
Альнико	9	20	15	4	—	—	0,32— 0,40	40—44	2,2—2,6	5,3-5,1
»	7,5	14	38	4	7,5	—	0,30— 0,35	76—84	4,4—4,8	5,3-5,
Спл ав Мп—А1	28,7	—	—	—	—	71,3	0,19— 0,22	80—96	2,0—2,2	4,2—4,3
* Остальное Fe.
Свойства эластичных магнитов на основе бариевого феррита типа пластиформ:
	Пластиформ I	Пластиформ IH
Вг, Тл	 Нсв, кА/м		0,22	0,214
	118	155
W’' max		4,32	4,16
Bd 		0,120	0,116
Hr	 Максимальное намагничивающее	1,1	1,1
поле, кА/м		1000	1000
Плотность, 103 кг/м3		3,7	3,7
330
В качестве связки для магиитопластов используют пульвербакелит, эпоксид-
ные смолы, полистирол и другие полимеры, для магнитоэластов — натуральный и
синтетические (бутадиеинитрильные, стирольные) каучуки, полипропилен, поли-
винилхлорид, этилен-этил-акриловый сополимер и другие эластомеры. Магнито-
твердые резины на основе иитрильных каучуков применяют главным образом
в тех случаях, когда необходима стойкость эластичного магнита к маслам,
Свойства магнитопластов на основе порошков^бариевого феррита приведены
в табл. 8.52, магнитоэластов — в табл. 8.53.
ТАБЛИЦА 8.52
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТО ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ
ПОРОШКОВ БАРИЕВОГО ФЕРРИТА
(«N. V. PHILIPS GLOEILAMPENFABRIKEN», НИДЕРЛАНДЫ)
	Содержание магнитного наполнителя, % (по массе)	Тл	HCJ. кА/м	НСВ- к А/м	^тах> кДж/м3	кА/м
Марка материала						
Изотропные:		0,065 0,060 0,09 0,08	190	50	0,35	800
FXD SP5F-6,5/19	75		190	45 58	0,45 0,40	
FXD SP10-8/19 SP10F	75			54		800
FXD SP50-16/19	93	0,155 0,150	190	104 100	2,2 2,0	800
FXD D55-17/22	95	0,170 0,165	220	112 104	2,4 2,2	800
Анизотропный:						
FXD SP 130-24/24	90	0,240 0,230	240	175 167	5,5 5,0	800
Обозначения: FXD — Ferroxdure (ферроксдюр); SP — жесткий термопластичный;
D — жесткий термореактивиый; F — негорючий. SP5, SP10, SP50 н SP130 — изготовле-
ние инжекционным формованием; D55 — изготовление прессованием с последующей по-
лимеризацией.
Смесь феррит—связка (марки А и В, см. табл. 8.53) получают в роликовых
(0 150X300 мм) смесителях со скоростью вращения валков 25 об/мии, с отноше-
нием окружных скоростей 1 : 1,1. Валки нагревают до 50 °C, устанавливают зазар
0,5 мм, прокатывают в полосу 100 г связки, добавляют 900 г ферритового порошка,
увеличивают зазор до 1,8 мм и проводят повторную прокатку. Толщину ленты
доводят до 3 мм на каландрах.
Остаточная индукция Вг и IFmax композиций феррит—связка пропорциональ-
ны объему введенного феррита, а притягивающее усилие пропорционально квад-
рату содержания [% (объемн.)] феррита в композиции.
Эластичные ферритовые магниты применяют для герметизации холодильных
камер, в качестве роторов электрических двигателей, в магнитных масляных
насосах, в качестве корректирующих элементов отклоняющих систем и для ион-
ных ловушек телевизоров, в производстве детских игрушек, для магнитных инфор-
мационных панелей, транспортерных лент, крепежных полос в кондиционерах,
держателях бумаги в фотоувеличителях, в полиграфии, медицине и других обла-
стях [79].
Наиболее высокими магнитными свойствами обладают магиитопласты и
магнитоэласты на основе порошков сплавов РЗМ—Со табл. 8.54. Такие магниты
получают прессованием в магнитном поле в прессформе смеси магнитного порошка
331
СВОЙСТВА МАГНИТОЭЛАСТОВ НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ БАРИЕВОГО ФЕРРИТА
Фирма, страна	Марка наполни- теля (номер порошка)	Тип связки	Содержание наполнителя, %		Плот- ность, 103 кг/м3	Размер частиц феррита, мкм	Магнитные свойства ♦			
			(по массе)	(объемн.)			Вг, Тл	Hcj, кА/м	кА/м	Я\пах> кДж/м1
<Ferro-Corp Ottawa Chemical Division», Канада	№ 303	А * В *	90 90	67,5 63,5	3,83 3,65	1,6 1,6	0,18/0,17 0,17/0,16	148/128 136/128	108/100 104/96	2,96/2,60 2,66/1,92
	№ 334	А В	90 90	67,5 63,5	3,83 3,65	1,7 1,7	0,18/0,17 0,17/0,16	176/158 178/160	116/108 112/104	3,00/2,64 2,7/2,36
	№ 304	А В	90 90	67,5 63,5	3,83 3,65	1,8 1,8 •	0,18/0,17 0,17/0,16	144/136 136/128	124/116 120/112	3,04/2,68 2,74/2,4
«Krupp Widia Fabric», ФРГ	Коэрокс Р	—	—	—	2,3—3,9	—	0,063—0,160	—	107—49	0,4—2,4
	Оксилит	Резина	90	—	—	—	0,15	—	92	1,8
	Анизотропный оксилит	»	91	—	—	—	0,22	—	122	4,4
<N. V. Philips Gloei- lampen fabriken», Ни- дерланды Примечание. * Состав связки А, Хлорированный полиэтил Пластификатор — полнме Эпоксидированное соевое Ва—Cd стабилизатор Смазка (стеариновая кисл Плотность 		FXDSP30 13/19	Термо- пластик	85	—	—	—	0,125/0,115	190	88/84	1,4/1.2
	FXDP40 15/19 Р40 В числителе указе доли массы: ен 	 Р	 масло 	 ота)		То же 1иы средни 800 200 40 28 15 1,18- 10е кг	90 е, в зна /м3	менател Сое noj фои Под Бес Смг Пл	е — миним тав связки тиэтилен с илом . . 1иизобутнл( канифольн< 1зка (стеар? этность	альные зна В, доли м введенным . . . . 1я алкндна новая khcj	0,145/0,135 чения. ассы: слористым сул1 смола . . . юта) ....	190 64 з: . 1,03-10	96/88 10 >0 54 12 кг/м3	1,8/1,6
ео связкой е последующей ее полимеризацией. При необходимости магнит подвер-
гают механической обработке. В таких магнитопластах даже при больших объемах
магнита структура однородна.
Магнитоэласты получают в виде гибких листов или полос. Величина магнит-
ной энергии этих материалов достигает 50 кДж/м3. Их недостатком является низ-
кая температурная стабильность, что ограничивает их применение температурами
<100 °C.
Физические свойства магнитоэластов на основе порошков марки РЗМ—Со
RECOMA 2,5 и RECOMA 10 приведены ниже.
Предел прочности, МПа:
при сжатии .................................. 80
при изгибе........................... 440
Твердость HVia ............................... 190
Теплопроводность при	313	К,	Вт/(м-К).	...	5,8
Удельное электросопротивление,	мкОм-м.	.	.	1,4
Коэффициент теплового расширения, 10"e-K-1 Ю
Параметры применения магнитопластов на основе сплавов РЗМ—Со5 [80]:
Роторные двигатели (часы, спидо-
метры, двигатели: синхронные, шаго-
вые, со специальным полем, Холла)
Акустические системы (головные теле-
фоны, микрофоны, звукоснимающие
устройства, плоские громкоговори-
тели)
Прочие (затворы фотоаппаратов, двер-
ные замки, ключи, оборудование
станков)
Достоинства
Компактность, быстродействие, малая
масса, малая толщина, прекрасная об-
рабатываемость
Хорошая обрабатываемость, эластич-
ность, миниатюрность
Компактность, малая масса, лучшее
качество, хорошие обрабатываемость и
противоударные свойства
Для изготовления магнитов типа МР используют измельченные в струе азота
порошки сплава SmCo6 с частицами размером 4—5 мкм. В качестве связки исполь-
зуют этиленвинилацетатный сополимер (ЭВА) в количестве_3—10% (по^массе)
от массы магнита. Смешивание осуществляют под давлением на нагретом листе
полимера в поле напряженностью 1200 кА/м, после чего лист охлаждают в магнит-
ном поле до комнатной температуры. Лист магнитопласта обычно намагничивают
в направлении его толщины.
Магниты на связке ЭВА обладают высокой химической стойкостью (см.
ниже), хорошей стойкостью к выкрашиванию и растрескиванию под действием
удара или давления. С листами магнитоэластов можно легко обращаться без
применения специальных инструментов.
Химическая стойкость MP-магнитов на связках:
Среда:	Полиэти-	Полиэтиленвинил-
	ленхлорид	ацетат
H2SO4	Очень хорошая	
НС1	»	»
NaOH	»	»
СС14	Плохая	Хорошая
метилэтилкетон	Хорошая	Очень хорошая
метил ацетат	»	» »
Значительный интерес представляет метод получения кольцевых магнитов
в форме, вращающейся внутри соленоида, создающего аксиальное поле напряжен-
ностью 120 кА/м [81]. Полученные магниты размерами 0 100X0 84X6,
0 1'50X0 134X6, 0 200X0 184X6 однородны по магнитным свойствам (Вг=
= 0,25 Тл, Нсв =‘184 кА/м, l^max = 5,6 кДж/м3) с точностью до 1 % по всему
333
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОПЛАСТОВ И МАГНИТОЭЛАСТОВ
Фирма, страна	Марка магнита	Вг, Тл	Hcj. кА/м	kA/m	
«Mitsubishi Steel Mfg. Со Ltd», Япония	МР-5Н, MP-5L МР-7Н, MP-7L МР-9Н, MP-9L	0,44—0,57 0,51—0,66 0,57—0,75	—	216—344 264-415 288—480	
«Brown Boveri», Швей- цария	RECOMA 10 RECOMA 2,5	0,325	1500	250	
		j 0,300 0,640	1200 1500	220 480	
		0,600	1200	440	
Примечания: 1.	— напряженность критического поля, при которой намаг
2. Магниты L-типа характеризуются высоким значением Вг н низким Нс t магниты
3. В числителе приведены средние, в знаменателе минимальные значения.
объему, что весьма важно при создании фокусирующих систем и магнитных
подшипников.
В настоящее время стоимость единицы магнитной энергии магнитопласта на
основе порошка РЗМ—Со ниже, чем магнита алнико, что дает основание рекомен-
довать такие магнитопласты и магнитоэласты для применения в перспективных
конструкциях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.	Рейнбот Г. Магнитные материалы и их применение/Пер. с нем. Под ред.
А. А. Преображенского. — Л.: Энергия, 1974. 384 с.
2.	Schuler К. — Int. Y. Magn., 1973, v. 5, № 1—3, р. 249—250.
3.	Чехова О. О. Магн1том"як1 металлокерам1чн! материали. — Киев: Вид-во
АН УРСР, 1959. 32 с.
4.	Moyer Kenneth. The magnetic properties (ds) of atomized iron powder cores.
«Mod. Develop. Powd. Metall. Proc., 1976. Int. Powd.Met. conf.» Chicago,
1976, v. 11. Princeton, № 1, 1977, 379—384.
5.	Gardeta K., Weglinski B. — Pr. nauk. Inst, ukt, electromaszun. Pwr., 1975,
№ 18, S. 33—46.
6.	Гасанов Б. Г., Дорофеев Ю. Г., Литошенко В. И. и др. — Тр. ВНИИ электро-
измерительных приборов, 1974, № 23, с. 44—60.
7.	Панасюк О. А., Попов Б. И. Исследование магнитных и электрических об-
разцов их железного порошка с высокой плотностью. — В кн.: Спеченные
конструкционные материалы. —Киев: Изд. ИПМ АН УССР, 1976, с. 157—
162.
8.	Новый железный порошок для изготовления магнитных материалов, 1976,
т. 34, № 7, с. 30.
9.	Путимцев Б. Н.—Порошковая металлургия, 1968, № 11, с. 1—7.
10.	Ритсо А., Лаансоо А. Якоря микроэлектродвигателей постоянного тока,
спрессованные из железного порошка. — В кн.: Электротехническая про-
мышленность. Сер. Электрические материалы. 1971, вып. 6, с. 10—12.
11.	Ритсо А., Лаансоо А. Чешуйчатые магнитодиэлектрики для магнитопроводов
334
ТАБЛИЦА 8.54
НА ОСНОВЕ ПОРОШКОВ РЗМ — Со, [80, 821
	Hk, кА/м	max* кДж/м8	Иг	7КВГ	Максимальная рабочая темпе- ратура, °C	V, 1 О’ кг/м3
			16—20							
	—	24—28	1,05—1,2	—0,05	+ 85	4,5—6,4
	—	32—36	—	—	—	—
	480	10	1,05			6,5
	320	8	1,0	—0,04	+ 100	6
	1000 " '	40	1,05			6,5
	w	36	То-	—0,04	+ 100	6
ниченность /и,	0,97 .
tlk г
Н-типа — высоким значением ^cj'
электрических машин. — В кн.: Исследование, разработка и внедрение маг-
нитодиэлектриков в электропромышленность. — Харьков: 1974, с. 56—62.
12.	Орехов Ю. П., Маринин П. С. — Электротехника, 1965, № 9, с. 10—13.
13.	Хек К. Магнитные материалы и их техническое применение. — М.: Энергия,
1973. 299 с.
14.	Бозорт Р. Ферромагнетизм.—М.: ИЛ., 1956. 784 с.
15.	Альтман А. Б., Гладышев А. П., Растанаев Н. Д. — В'кн.: Электротехни-
ческие металлокерамические изделия. — М.: Информэлектро, 1965, с. 22—
31.
16.	Альтман А. Б., Гладышев П. А., Растанаев И. Д. — В кн.: Труды VIII
Всесоюзной конференции по прогрессивным методам производства деталей из
порошков. — Минск: Высшая школа, 1966, с. 299—305.
17.	Францевич И. И., Панасюк О. А., Гунченко А. И. Электротехнические
металлокерамические изделия.—М.: ЦИНТИЭ, 1962. 157 с.
18.	Аксенов Г. И., Орехов Ю. П. — В кн.: Электротехнические металлокерами-
ческие изделия. — М.: Информэлектро, 1965, с. 32—40. '
19.	Аксенов Г. И., Орехов Ю. П. — Труды КуАИ.
20.	Радомысельский И. Д., Панасюк 0. А. —Порошковая металлургия, 1973,
№ 3, с. 23—26.
21.	Радомысельский И. Д., Панасюк 0. А. —Порошковая металлургия, 1973,
№ 4, с. 29—32.
22.	Радомысельский И. Д., Панасюк О. А. —Порошковая металлургия, 1973,
№ 2, с. 93—96.
23.	ТолмасскийИ. С. Карбонильные ферромагнетики. —М.: Металлургия, 1976.
240 с.
24.	Справочник по электротехническим материалам/В 3-х томах. Под ред.
Ю. В. Корицкого и др. Т. 3. Изд. 2-е, перераб. —Л.: Энергия, 1976.
896 с. с ил.
25.	Ферриты и’магнитодиэлектрики. Справочник/Под ред. Н. Д.Торбунова
и'Г. А. Матвеева.—М.: Советское радио, 1968’ 176 с.
26.	Рабкин Л. И., Соскин С. А., Эпштейн Б. Ш. Ферриты. —Л.: Энергия,
1968. 384 с.
27,	Шольц Н. И.'Пискарев К. А. Ферриты для^радиочастот.— Л,: Энергия,
1966. 260 с.
335
28.	Левин Б. В., Третьяков Ю. Д., Летюк Л. М. Физико-химические основы
получения, свойства и применение ферритов.—М., Металлургия, 1979.
472 с.
29.	Магниты из сплавов редкоземельных металлов с кобальтом. Сб. под ред.
К. Стрната/Пер. с англ.—М.: Металлургия, 1978. 256 с.
30.	Parker К. У. — IEEE Trans, on Magn., 1970, № 2, p. 249.
31.	Францевич И. H., Тульчинский Л. Н., Швец Т. М., Непомнящий В. В. —
Материалы VI Международной конф. с. 32—1 — 32.9, Дрезден, ГДР,
1977.
32.	Strnat К. J. — IEEE Trans, on Magn., 1970, June, v. MAG. 6, № 2,
p. 182—190.
33.	Несбитт E., Верник Дж. Постоянные магниты на основе редкоземельных
элементов. — М.: Мир, 1977. 168 с.
34.	Ostertag W., Strnat К. J. —Acta Cryst., 1966, v. 21, p. 560—565.
35.	Strnat K. J., Ray A. E.—Goldschmidt iriformiert, Dec. 1975, Bd 4/75
35, S. 47—52.
36.	Ostertag W. Crystallographic data on YCO3, Y2CO17. Acta Cryst., 1965, v. 19,
July, p. 150—151.
37.	Бахман К., Нагель X. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных метал-
лов с кобальтом/Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1978, с. 198—209.
38.	Стрнат К. Дж., Клеман А. Д., Блетнер X. — В кн.: Магниты из сплавов
редкоземельных металлов с кобальтом/Пер. е англ.—М.: Металлургия,
1978, с. 238—245.
39.	Стрнат К. Дж. В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных металлов с ко-
бальтом. Пер. с англ.—М.: Металлургия, 1978, с. 11—33.
40.	Ермоленко А. С., Королев А. В. —ФММ 1973. т. 36., с. 552.
41.	Ермоленко А. С., Королев А. В., Шур Д. С. —Письма в ЖЭТФ, 1973,
т. 17, с. 499.
42.	Домазер X. Г., Стрнат К. Дж. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземель-
ных металлов с кобальтом/Пер, с англ. —М.: Металлургия, 1978, с. 210—
222.
43.	БенцМ. С., Мартин Д. Л. —В кн.: Интерметаллические соединения редко-
земельных металлов.—М.: Мир, 1974, с. 210—213.
44.	Martin D. L., Benz М. G. — Cobalt, 1971, Bd 50, № И.
45.	Das D7K. — IEEE Trans on Magn.," 1969, v. 5, p. 214.
46.	Милдрэм X. Ф„ Вонг К. M. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных
металлов с кобальтом/Пер. с англ..—М.: Металлургия, 1978, с. 36—50.
47.	Narasimhan К. S. V. L. et. al. — J. Appl. Phys., 1978, v. 49, № 3, pt 2,
p. 2072—2074.
48.	Jones F. G., Doser AL, Nezu T. Dig. Intermag. Cont. (Los Angeles, Calif.,
1977), N.-Y., 1977, № 14—2.
49.	Shibata T., Katayama T., Tsushima T. —J. Appl. Phys., 1978, v. 48,
№ 3, pt 2, p. 2075—2077.
50.	Bachmann K. —J. Magn. and Magn. Materiale, 1977, v. 4, № 1—4, p. 8—
12.
51.	Bachmann K.24d Cont. Adv. — Magn. Mater, and Appl., L., 1976, 1976,
p. 135—139.
52.	Dauermagnete auf der Basis Co+ SE — Technika (Snise), 1977, Bd 26,
№ 21, S. 1649—1650.
53.	Brown Boveri AG, RECOMA — Permanent magnete. Druckschrift N CH —
E5.0155.ID, NCH—E5.0230.1D, NCH—E5.0107. 2D. 5401. Baden/Schweiz.
54.	Vacuumschmelze GMBH, VACOMAX, Dauermagnete^auf der Basis CoSE,
Hanau, BRD, 7. Ausgabe, 1976.
55.	Нарита К. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных металлов с ко-
бальтом/Пео. с англ. — М.: Металлургия, 1978, с. 51—67.
56.	Бэрэн В., Кноор М. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных металлов
с кобальтом/Пео. с англ.—М.: Металлургия, 1978, с. 86—93.
57.	Пентлики С., Пубо П. Моментный маховик на магнитных подшипниках. —
В кн.: Магниты из редкоземельных металлов с кобальтом/Пер. с англ, г—
М.: Металлургия, 1978, с. 185—198.
336
58.	Mildrum H, F., Iden D, J. — Goldschmidt informiert, 1975, 4/75, № 35,
S. 54—62.
59.	Лившиц Б. Г., Липецкий Я, Л. — ФММ, 1966, т. 22, № 4, с. 627.
60.	Лившиц Б. Г., Липецкий Я- Л., Книжник Е. Г., Крапошин В. С, — ФММ,
1968, т. 25, № 3, с. 425.
61.	Фридман А. А., Грановский Е. Б., Пашков П. П. — ФММ, 1968, т. 25,
№ 1, с. 168.
62.	Альтман А. Б., Гарина Н. М., Гладышев П. А. — В кн.: Новое в металло-
керамике. Выл. I., с. — М.: Йнформэлектро, 1969. 72 с.
63.	Альтман А. Б., Водин А. И., Гладышев П. А. — Труды ВНИИЭМ, т. 56.
Электротехнические, металлокерамические материалы и изделия.—М.:
Йнформэлектро, 1978. 76 с.
64.	Альтман А. Б., Гладышев П. А. —Сб. докладов Всесоюзного совещания
по литым сплавам для постоянных магнитов. Саратов, 1964, с. 140.
65.	Альтман А. Б., Гарина Н. М., Гладышев П. А., Козлова Т. А.— Новое
в металлокерамике. Вып. 1. М.: Йнформэлектро, 1969, с. 31—35.
66.	Wyrwich. Z. angew. Phys., 1963, Bd 15, S. 256—263.
67.	Постоянные магниты. Справочник под ред. Ю. М. Пятина. — М.: Энергия,
1971. 376 с.
68.	Пересыпкин А. Н. — В кн.: Применение магнитотвердых материалов в
электроизмерительной технике. Л.: Изд. НТО Приборпром, 1975, с. 184—
188.
69.	Михеев Н. П. — Изв. вуз. Электромеханика, 1979, № 4, с. 362—364.
70.	Альтман А. Б., Гладышев П. А., Козлова Г. А. н др. —Электротехниче;
ская промышленность. Сер. Электротехнические материалы. Вып. 1 (66),
— М.: Йнформэлектро, 1976, 14 с.
71.	Kaneko Н. et al. Fe—Сг—Со Ductile. Magnet with (BHJmax-8MGOe Proc',
of AIP Conference «Magnetism and Magnetic Materials», 1975, v. 29, p. 620—
621.
72.	Альтман А. Б., Гусев В. Я-, Гладышев П. А.—Электротехническая
промышленность. Сер. Электротехнические материалы. Информ, научно-
технич. сборн. Вып. 12(41).—М.: Йнформэлектро, 1973, с. 11—12.
73.	Альтман А. Б., Гладышев П. А., Гусев В. Я. —Новое в электрометалло-
керамике. Вып. 1.—М.: Йнформэлектро, 1969, с. 22—27.
74.	Гусев В. Я., Гарина Н. М.—Новое в электрометаллокерамике. Вып. 1.
М.: Йнформэлектро, 1969, с. 39—41.
75.	Luborsky F. Е., Mendelson L. J., Paine Т. О.—J. Appl. Phys., 1957,
V. 28, р. 344, V. 28, 344/1957.
76.	Краутман В. Р., Левченко С. И., Литвинова И. В. Новые перспективные
области применения ферритовых постоянных магнитов. М.: изд. ЦНИИ
Электроника, 1975. 36 с.
77.	Fischer Е. — Powder Met. Int., 1978, v. 10, № 1, p. 30—32.
78.	Злобин В. А., Муромкина T. С., Поспелов П, В. Изделия из ферритов и
магнитодиэлектриков. Справочник/Под ред. Н. Д. Горбунова и Г. А. Мат-
веева. — М.: Советское радио, 1972. 240 с.
79.	Алексеев А. В., Корнев А. Е. Эластичные магнитные материалы.—М.:
Химия, 1976. 200 с.
80.	Камино К. Ямане Т. — В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных металлов
с кобальтом/Пер. с англ.. — М.: Металлургия, 1978, с. 230—235.
81.	Симпсон П. А.—В кн.: Магниты из сплавов редкоземельных металлов
с кобальтом/Пер. с англ. — М.: Металлургия, 1978, с. 225—230.
82.	Коробова Т. А., Рукин В. В., Дзнеладзе Г. И. и др. —Порошковая метал-
лургия, 1977, №7, с. 6—10.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аморфные материалы 114
Антиферромагнетики 32
Биметаллические изделия 195
Биметаллические электрические кон-
такты 195
Бориды 144—145, 150
Вольфрам 122, 251
Высокотемпературные нагреватели 250,
254, 256—266
Графит 251
Графитовые нагреватели 251
Двуокись кремния 222
Дисилицид молибдена 251
Дисилицидмолибденовые нагреватели
260—266
Диэлектрики 7, 208
Железо 87—88
Золото 83
Изделия:
из вольфрама 129
— молибдена 134
Импрегнированные катоды 237
Карбид кремния 155, 251—252
Карбидкремниевые нагреватели 252,
256—259
Карбиды 146—147, 151, 155, 251—252
Катоды 235, 236, 238, 240—242
— из гексаборида лантана 238, 240—
242
---- металлов 236
Классификация электротехнических и
магнитных материалов и изделий
6—9
Кобальт 88, 102
Композиционные катоды 236
Кубический нитрид бора 209
Магнитная анизотропия 35
Магнитно-абразивные порошки 101
Магнитно-мягкие материалы 8, 35, 268
---------.на основе железа 103—104, 269
---------железо-кремнистых спла-
вов 103, 271, 273, 275—276
---------железо-никелевых	спла-
вов 278—279
-----------------------------железо-фосфорных	спла-
вов 276—277
Магнитно-мягкие ферриты 282—283
Магнитно-твердые материалы 8, 35,
284
----из сплавов РЗМ—Со 284, 288—
289, 294
----на основе железа 307
—. — на основе системы алюминий—
никель 311—313
--алюминий—никель—же-
лезо 304
------------алюминий—никель—ко-
бальт 310—314
338
-------------алюминий—никель—ко-
бальт—железо 304
-------------железо — хром — ко-
бальт 314
------------ — самарий—кобальт 292,
295
-------------самарий—празеодим—
кобальт 295
-------------церий—медь—железо—
кобальт 294
Магнитно-твердые ферриты 295, 320—
321, 325
Магнитные материалы 8, 35, 268,
279, 284
Магнитные свойства 31, 35—36, 285—
286
----железоалюминиевых сплавов
276
— — железокремнистых сплавов 273,
275—276
------ железоникелевых сплавов ПО—
111, 278—279
— — железофосфорных сплавов 277
— — изделий из спеченного железа
269, 307
— — редкоземельных металлов 138
Магнитный гистерезис 35—36
Магнитодиэлектрики 279—281
Магнитопласты 329—331, 334—335
Магнитопроводы 270, 277
Магнитострикция 34
Магнитоэласты 329—330 , 332 , 334_
335
Материалы:
для нагревателей 7, 252, 260
— резисторов 245—246, 249
— электрических контактов 7, 170—
176
— электродов 235, 236—242
— электроизоляторов 7, 222, 226
— эмиттеров 236—242
Медь 68
Металлические материалы 67—140
Металлоподобные тугоплавкие соеди-
нения 141, 239—240, 245—246
Металлы 68, 74, 83, 87—88, 102, 107,
116, 122, 134
Методы измерения:
магнитных свойств 43
электрофизических свойств 14
Методы крепления контактов 198
Механические свойства:
молибдена 130
редкоземельных металлов 139
Молибден 122, 251
Нагреватели 7, 250, 252, 254, 256—
266
Неметаллические тугоплавкие соеди-
нения 155—162
Никель 88, 107
Нитрид:
бора 209
кремния 157, 216
Нитриды 146—147, 151, 157, 209, 216
Окись:
алюминия 226
магния 230
Оси легкого, среднего и трудного на-
магничивания 34
Палладий 116
Пироэлектрики 14
Платина 116, 251
Порошки:
вольфрама 126—127
железа 92
золота 86
карбида кремния 157, 159
кобальта 106—107
меди 73—78
молибдена 132—134
никеля 108
нитрида кремния 160—161
палладия 120
платины 122
серебра 84
Постоянные магниты 40, 297, 299—
303, 307, 310—314, 316—319, 323—
324, 326—329
-----из сплавов РЗМ—Со 297, 299—
303
-------ферритов 323—324
Применение:
вольфрама 129
изделий из карбида кремния 158,
252
-----магнитно-мягких материалов
270, 277, 279, 283
молибдена 134
нитрида кремния 220
редкоземельных металлов 140
спеченных электроконтактных мате-
риалов 198
тугоплавких соединений 154—155,
158
Псевдосплавы 174, 178—179, 177,180—
181, 182—185, 187—191, 193—196
— на основе тугоплавких соедине-
ний 194
— системы вольфрам—медь 177, 180—
181
-----вольфрам—серебро 178—179
-----железо—медь 184
-----железо—медь—серебро 184
-----медь—кадмий 184
-----металл — антифрикционный на-
полнитель 174, 195
----молибден—медь 183
----молибден—серебро 182
----серебро—графит 196
----серебро—железо 184
----серебро—никель 184—185
----серебро—окись кадмия 174,187—
191
---- серебро — тугоплавкие соеди-
нения 174, 193—194
Пьезоэлектрики 14
Работа выхода электронов 236, 239
Резистивные материалы 245—246, 249
Резисторы 243—250
Редкоземельные металлы 134
Свойства:
вольфрама 124
карбида кремния 155, 251
магнитные — см. Магнитные свой-
ства материалов для электрических
контактов 171—173
молибдена 130—131
нитрида бора 209, 211—213, 215
— кремния 216, 218—219
порошков железа 94—98
— кобальта 106—107
— меди 73—78
— никеля 112—113
— палладия 121
— платины 121
— серебра 84
серебра 83
спеченной меди 80
тугоплавких соединений 68, 148—149
физические — см. Физические свой-
ства
Сегнетоэлектрики 14
Серебро 80
Силициды 142—143, 151
Соединения:
вольфрама 125
молибдена 131
Сплавы:
вольфрама 125
меди 72, 197
молибдена 131
редкоземельные металлы — кобальт
284, 288—289, 294
— системы серебро—кадмий—никель
186
----серебро—палладий 186—187
----серебро—палладий—никель 186
Тантал 251
Температурная зависимость свойств:
вольфрама 124
золота 85
меди 70
молибдена 130
палладия 117— 118
платины 117—118
339
серебра 81
ферромагнитных металлов 88
Тугоплавкие соединения 141, 155, 174,
193—194, 239—240 , 245—246
Ферримагнетики 32
Ферромагнетики 32
Ферромагнитные металлы 86—114
Физические свойства:
двуокиси кремния 222—225
золота 83, 85
меди 69
окиси алюминия 227—230
окиси магния 231—232
палладия 116—118, 120
платины 116—118
редкоземельных металлов 135—138
резисторов 245—246, 249—250
серебра 74, 81, 83
тугоплавких соединений 152—153
Химический состав:
железоникелевых сплавов 109
порошков железа 94, 96—97, 100
— карбида кремния 159
— кобальта 106
— меди 74, 76, 78
— никеля 112
—	нитрида кремния 160—161
—	серебра 84
Электрическая прочность 11, 21
Электрические контакты 7, 165, 175
— для сильноточных аппаратов 7, 175
-----слаботочных аппаратов 7
Электроды 235
Электроизоляционные материалы
160—161, 209, 213, 215, 218, 221—222,
225, 228, 231
— из неметаллических нитридов 160—
161, 209, 213, 215, 218
-----окислов 221—222, 225, 228, 231
Электротехнические стали 251, 269
Эмиттеры 236—242
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.........................................................  3
1.	ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИ-
ЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЙ........................... 6
1.1.	КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ ПО СВОЙСТВАМ, ОПРЕДЕЛЯЮ-
ЩИМ ИХ НАЗНАЧЕНИЕ................................................. 6
1.2.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ................................. 9
1.2.1.	Удельная электрическая	проводимость ....................... 9
1.2.2.	Температурный коэффициент удельной электрической прово-
димости ......................................................... 9
1.2.3.	Поверхностная	электропроводность .......................... Н
1.2.4.	Электрическая	прочность.................................... П
1.2.5.	Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектриче-
ских потерь...................................'................. 12
1.3.	МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ..................... 14
1.3.1.	Электрическая проводимость металлических	материалов ....	14
1.3.2.	Электрическая проводимость неметаллических и композиционных
материалов...................................................... 15
1.3.3.	Однородность электрической проводимости................... 17
1.3.4.	Объемная и поверхностная электрическая проводимость диэлект-
риков ..............................\........................... 17
1.3.5.	Электроды для диэлектриков................................ 19
1.3.6.	Сопротивление изоляции и внутреннее	сопротивление......... 20
1.3.7.	Электродные блоки и аппаратура............................ 21
1.3.8.	Электрическая прочность................................... 21
1.3.9.	Измерение диэлектрических характеристик	мостовым методом	24
1.3.10.	Измерение диэлектрических характеристик резонансным ме-
тодом ........................................................... 25
1.3.11.	Измерения на высоких и сверхвысоких частотах............. 28
1.3.12.	Диэлектрическая спектроскопия во временной области. ...	30
1.4.	МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ .................•................. 31
1.5.	МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ......................... 43
1.5.1.	Общие положения........................................... 43
1.5.2.	Измерение магнитных характеристик в постоянных полях. ...	49
1.5.3.	Особенности испытаний магнитов из сплавов РЗМ—Со...........	55
1.5.4.	Коэрцитиметры............................................. 56
1.5.5.	Измерение магнитных характеристик в низкочастотных перемен-
ных полях....................................................... 57
1.5.6.	Испытания магнитных материалов на повышенных и высоких ча-
стотах ......................................................... 59
1.5.7.	Особенности магнитных испытаний порошков.................. 64
Библиографический список................................... 66
2.	СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ И ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИ-
НЕНИЙ ........................................................... 67
2.1.	МЕТАЛЛЫ ГРУППЫ МЕДИ .......................................  68
2.1.1.	Медь ..................................................... 68
2.1.2.	Серебро................................................... 80
2.1.3.	Золото.................................................... 83
2.2.	ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МЕТАЛЛЫ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА ....................... 86
2.2.1.	Железо ................................................... 87
2.2.2.	Кобальт.................................................... 102
2.2.3.	Никель .................................................... 107
2.2.4.	Аморфные материалы......................................... 114
2.3.	ПАЛЛАДИЙ И ПЛАТИНА .......................................... 116
2.4.	ВОЛЬФРАМ И МОЛИБДЕН ......................................... 122
341
2.5.	РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ........................................   134
2.6.	МЕТАЛЛОПОДОБНЫЕ ТУГОПЛАВКИЕ	СОЕДИНЕНИЯ ....................... 141
2.7.	НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТУГОПЛАВКИЕ	СОЕДИНЕНИЯ ....................... 155
Библиографический список ........................................ 162
3.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ .......................................... 165
3.1.	ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ............................................... 165
3.2.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ С КОНТАКТ-
НЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ ....................................... 165
3.3.	ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ НА РАБОЧИХ
ПОВЕРХНОСТЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ	КОНТАКТОВ ............... 169
3.4.	ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОН-
ТАКТОВ . . . ;........................................... 170
3.5.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНТАКТОВ ВЫСОКОВОЛЬТН ЫХ СИЛЬНОТОЧН ЫХ
АППАРАТОВ................................................ 175
3.6.	МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОНТАКТОВ НИЗКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ . .	176
3.7.	СПЕЧЕННЫЕ ПСЕВДОСПЛАВЫ ТИПА МЕТАЛЛ —МЕТАЛЛ ..................... 177
3.8.	СПЕЧЕННЫЕ ПСЕВДОСПЛАВЫ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛОВ, УПРОЧНЕН-
НЫХ ТУГОПЛАВКИМИ СОЕДИНЕНИЯМИ И ОКИСЛАМИ................. 187
3.9.	СПЕЧЕННЫЕ ПСЕВДОСПЛАВЫ ТИПА МЕТАЛЛ—АНТИФРИКЦИОН-
НЫЙ НАПОЛНИТЕЛЬ........................................   195
3.10.	БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ ...................................... 195
3.11.	МЕТОДЫ КРЕПЛЕНИЯ КОНТАКТОВ .................................... 198
3.12.	ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОКОНТАКТН ЫХ
МАТЕРИАЛОВ................................................ 198
Библиографический	список........................................ 204
4.	ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ	ДИЭЛЕКТРИКИ.................................. 208
4.1.	ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ БЕСКИСЛОРОДНЫХ ТУГОПЛАВКИХ СО-
ЕДИНЕНИЙ ................................................ 208
4.1.1.	Нитрид бора................................................... 209
4.1.1.1.	Основные физико-химические свойства........  .	.	209
4.1.1.2.	Методы получения изделий и структурно-зависимые свойства
a—BN...................................................... 210
4.1.1.3.	Стойкость в агрессивных средах и применение нитрида бора. .	214
4.1.2.	Нитрид кремния................................................ 216
4,1.2.1.	Основные физико-химические свойства ........................ 216
4.1.2.2.	Методы получения изделий и структурно-зависимые свойства
Si3N«..................................................... 217
4.1.2.3.	Стойкость в агрессивных средах и применение материалов на -
основе Si3N4.............................................. 220
4.2.	ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ОКИСНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ ............ 221
4.2.1.	Двуокись кремния.............................................. 222
4.2.1.1.	Полиморфные модификации кремнезема ......................... 222
4.2.1.2.	Получение и физико-химические свойства кварцевого стекла . .	222
4.2.2.	Окись алюминия................................................ 226
4.2.3.	Окись магния. ................................................ 230
5.	КАТОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ............................................... 235
5.1.	МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕРМОКАТОДЫ ...................................... 236
5.2.	КОМПОЗИЦИОННЫЕ ТЕРМОКАТОДЫ...................................... 236
5.3.	КАТОДЫ ИЗ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕ-
НИЙ ....................................................  238
Библиографический список ......................................... 243
6.	РЕЗИСТОРЫ ....................................................... 243
Библиографический список.............................."	250-
342
7.	ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ .................. 250
7.1.	карбидкремниевые нагреватели............................ 252
7.2.	ДИСИЛИЦИДМОЛИБДЕНОВЫЕ НАГРЕВАТЕЛИ....................... 260
Библиографический список................................... 266
8.	МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ...................................... 267
8.1.	МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ................................. 268
8.1.1.	Спеченные магнитомягкие материалы на основе железного поро-
шка ......................................................... 269
8.1.2.	Магнитомягкие материалы на основе железного порошка, леги-
рованного кремнием и алюминием............................... 271
8.1.3.	Магнитомягкие материалы иа основе железного порошка, леги-
рованного фосфором........................-.................. 276
8.1.4.	Спеченные железоникелевые сплавы ..................... 278
8.1.5.	Магнитодиэлектрики и магнитомягкие ферриты ........... 279
8.2.	МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ ............................... 284
8.2.1.	Магниты из сплавов РЗМ—Со............................. 284
8.2.2.	Дисперсионно-твердеющие металлокерамические (спеченные)
сплавы ....................................................   304
8.2.2.1.	Сплавы систем А1—Ni—Fe и Al—Ni—Со—Fe ............... 304
8.2.2.2.	Сплавы системы Fe—Сг—Со............................. 315
8.2.2.3.	Сплавы систем Pt—Со, Pt—Pd—Со....................... 316
8.2.2.4.	Магниты на основе сплава Мп—А1 ..................... 316
8.2.3.	Микропорошковые композиции ........................... 317
8.2.4.	Магнитотвердые ферриты................................ 320
8.2.5.	Магнитопласты и магнитоэласты ........................ 329
Библиографический список............................... 334
Предметный указатель................................... 338
ИБ № 1858
Георгий Гдалевич ГНЕСИН, Галина Николаевна БРАТЕРСКАЯ,
Виталий Андреевич ДУБОК, Илья Исаакович КОВЕНСКИЙ, Галина
Васильевна ЛЕВЧЕНКО, Римма Валентиновна МИНАКОВА, Юрий
Борисович ПАДЕРНО, Ольга Александровна ПАНАСЮК,
Оксана Константиновна ТЕОДОРОВИЧ, Леонид Наумович ТУЛЬЧИНСКИЙ
СПЕЧЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
И ЭЛЕКТРОНИКИ
СПРАВОЧНИК
Редактор издательства И. А. Соколовская
Художественный редактор А. И. Гофштейн
Технический редактор Н. А. Сперанская
Корректоры: Т. В. Морозова, г. А. Виноградова
Переплет художника В. Ю. Новикова
Сдано в набор 26.02.81. Подписано в печать 07.08.81. Т-23252.
Формат 60Х901/,,. Бумага типографская № 2 Гарнитура литературная
Печать высокая. Печ. л. 21,5 Кр.-отт. 21,5 Уч.-изд. л. 30,13 Тираж 4600 экз.
Заказ 483 Цена 1 р. 80 к. Изд. № 0215
Издательство «Металлургия», 119034, Москва, Г-34,
2-й Обыденский пер., д. 14
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой
Союзполиграфпрома прн Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко» 10.
Вниманию специалистов!
Издательство «МЕТАЛЛУРГИЯ» предлагает вашему вниманию
издания 1982 г., заказы на которые будут приниматься только
в самом издательстве по адресу: 119034, Москва, 2-й Обыденский
пер., 14, отдел распространения и рекламы.
В свободную продажу в книжные магазины эти книги не поступят.
По мере выхода книг из печати заказчики получают их наложен-
ным платежом через местное почтовое отделение.
Азиков Б. А., Зинуров И. Ю. МЕХАНИЗАЦИЯ РАБОТ В ЭЛЕКТРОСТА-
ЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ЦЕХАХ 11л. 55 к.£
Рассмотрены технология и оборудование электросталеплавильных цехов.
Изложена методика определения уровня механизации. Подробно описана меха-
низация работ в шихтовом, печном, разливочном пролетах цеха, в отделениях
подготовки составов и при ремонте дуговых электропечей.
Гудков А. А., Славский Ю. И. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 13 л. 60 к.
Рассмотрены теоретические основы измерения твердости при деформировании
металла при статических и динамических условиях нагружения. Изложены
различные методики измерения твердости металлопродукции для оценки ее
качества в производственных условиях.
Иванов И. И., Воробьева!!. Ф. ЭКОНОМИКА СПЕЦИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРО-
МЕТАЛЛУРГИИ ’12 л. 60 к.
Рассматривается народнохозяйственная эффективность прогрессивных тех-
нологических процессов, показаны пути улучшения технико-экономических
показателей вакуумной индукционной плавки, электронно-лучевого, плазменно-
дугового, электрошлакового и вакуумного дугового переплавов и плазменной
плавки.
Каримов С. К- ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ХАЛЬКОГЕНИТЫ ТАЛЛИЯ
12-л. 55 к.
Впервые обобщены и систематизированы результаты исследований зарубеж-
ных и отечественных ученых в области химии, физики и технологии синтеза полу-
проводниковых халькогенидов таллия. Рассмотрены кристаллическая структура,
методы синтеза и получения монокристаллов двойных и тройных халькогенидов
таллия.
Левинский Ю. В. Р—Т—Х-ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ ДВУХКОМПО-
НЕНТНЫХ СИСТЕМ 12 л. 1 р. 60 к.
Впервые систематизированы р—Т—х-диаграммы состояния двойных систем,
рассмотрены методические приемы расчета и построения таких диаграмм, их
изобарных и изотермических сечений.
ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛУПРОВОДНИКО-
ВЫХ МАТЕРИАЛОВ (германия и кремния) 3 л. 15 к.
Правила содержат требования к устройству и содержанию территории,
зданий и сооружений, вентиляции, отопления, кондиционирования воздуха,
обеспыливания, к размещению оборудования и рабочих мест.
Струнский Б. М. РАСЧЕТЫ РУДНОТЕРМИЧЕСКИХ ПЛАВИЛЬНЫХ
ПЕЧЕЙ 14 л. 65 к.
Рассмотрено строение различных плавильных ванн и свойства цх как прием-
ников электрической энергии. Освещены методы расчета печей. Проанализиро-
ваны характеристики действующих промышленных печей.
Установщиков Ю. И. ВТОРИЧНОЕ' ТВЕРДЕНИЕ КОНСТРУКЦИОН-
НЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 10 л. 1 р- 50 к.
Впервые рассмотрен механизм фазовых превращений, протекающих при
отпуске конструкционных легированных сталей, обусловливающий вторичную
твердость.