Text
                    СПРАВОЧНИК
ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ
МАТЕРИАЛАМ
В ТРЕХ ТОМАХ
ПОД РЕДАКЦИЕЙ
Ю. В. КОРИЦКОГО, В. В. ПАСЫНКОВА, Б. М. ТАРЕЕВА
Третье, переработанное издание
ТОМ 3
Согласовано с Государственной службой
стандартных справочных данных
Ленинград
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
Ленинградское отделение
1988-

ББК 31.23 С74 УДК 621.315.61(035.5) С 2302020000—119 051(01)—88 148—87 ISBN 5-283-04416-5 © Издательство «Энергия», 1976 © Энергоатомиздат, изменения и дополнения, 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ В третий том справочника включены све- дения о различных классах электротехничес- ких материалов, за исключением изоляцион- ных. В нем более полно по сравнению с преды- дущим изданием характеризуются разнообраз- ные магнитные материалы, металлические про- водники электрического тока, резистивные и контактные материалы, металлы и сплавы для электронно-вакуумных и полупроводниковых приборов, полупроводники и вещества, обла- дающие электролитическим типом электро- проводности. Из диэлектрических материалов рассматриваются только сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, «жидкие» кристал- лы и материалы, используемые в квантовой электронике. Приведенные в справочнике численные данные о свойствах рассматриваемых электро- технических материалов в соответствии с ГОСТ 8.310—78 относятся к категории инфор- мационных. Там, где в таблицах не указаны ссылки на стандарты и технические условия, приведены данные из литературных источни- ков или собственных исследований авторов. Основные трудности как при создании третьего тома (первое издание книги вышло в 1960 г., второе в 1976 г.) , так и при подготовке его к переизданию были обусловлены разно- образием рассматриваемых в нем материалов и изделий из них, быстрым изменением номенклатуры материалов и появлением совер- шенно новых, еще мало изученных материалов, а также специфическими требованиями, к ним предъявляемыми. При переработке предыдущего издания справочника за счет сокращения сведений о тестированных материалах были введены новые разделы и параграфы, включающие в себя сведения о новейших материалах. Сох- ранены только самые необходимые сведения об электролитах (растворах) и металлах и сплавах высокой проводимости. Некоторые сведения (например, сортамент, методы испы- таний, маркировка, упаковка) не приведены в справочнике, так как их можно получить из ГОСТ, нормалей, ТУ и другой литературы. Различные части и разделы справочника написаны специалистами соответствующих профилей, вследствие чего они являются как бы обособленными и самостоятельными рабо- тами. Поэтому при всем стремлении редакто- ров насколько возможно унифицировать изло- жение, в полной мере выполнить эту задачу не удалось по причинам, лежащим в самом суще-' стве содержания отдельных разделов и сло- жившихся традиций и в описании различных классов веществ, и в обозначениях величин и принятой терминологии. За истекшее десятилетие коллектив авто- ров (во втором издании 35 авторов, в третьем 38 авторов) понес тяжелые утраты — А. А. Преображенского, А. Ф. Алабышева, Н. Н. Созиной, Н. Н. Шольц, К. А. Пискарева, А. Л. Тюльпанова уже нет среди нас и состави- телями ряда разделов являются более молодые авторы, однако имеющие солидный опыт как научно-исследовательской работы, так н производственной деятельности. Научными редакторами первой части «Магнитные материалы» являются д-р физ.- матем. наук Ю. М. Яковлев и канд. физ.-матем. наук В. П. Мирошкин, второй части «Про- водниковые материалы» — д-р физ.-матем. наук М. В. Ведерников и канд. техн, наук Ю. Т. Окунев, третьей части «Полупроводни- ковые материалы» — д-р техн, наук Ю. М. Та- иров и д-р техн, наук Д. А. Яськов, четвертой части «Управляемые диэлектрики» и пятой
части «Электролиты» — д-р техн. наук В. В. Пасынков. Помощь в подготовке настоя- щего издания оказали сотрудники кафедры диэлектриков и полупроводников Ленинград- ского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина). По существу, каждая часть третьего тома справочника могла бы представлять собой отдельный том. Справочник предназначен для инженерно- технических работников организаций и пред- приятий электротехнической, электронной и радиотехнической промышленности и может служить учебным пособием для студентов вузов и техникумов при выполнении ими курсовых работ и дипломных проектов. Замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 191065, Ленинград, Марсово поле, д. 1. Ленинградское отделение Энергоатомиздата. В. В. Пасынков
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В — индукция магнитная Bi — то же внутренняя Bs — то же при техническом насыщении В, — то же остаточная D — дезаккомодация начальной магнит- ной проницаемости d — коэффициент потерь df — то же на вихревые токи du — то же на гистерезис dr — то же остаточных потерь е — заряд электрона f — частота Н — напряженность магнитного поля Нс — коэрцитивная сила по магнитной ин- дукции Но — напряженность магнитного поля подмагничивания, динамического по- рогового поля (поля старта), резо- нансного поля Hi — то же внутреннего Ну — то же трогания Яфн'—то же финиша /, i — ток Ка — константа магнитной анизотропии k — коэффициент магнитомеханической связи М — намагниченность Ms — то же насыщения т — момент магнитный, масса N — коэффициент размагничивания Р — удельные потери на перемагничива- ние, полные Sw — коэффициент переключения Т — период колебания, температура ТКр., — температурный коэффициент маг- нитной проницаемости (остаточной индукции и других величин) t— время U — напряжение электрическое V — объем Wa — энергия магнитная а — коэффициент прямоугольности пет- ли гистерезиса у — коэффициент выпуклости размагни- чивающего участка петли гистере- зиса, гиромагнитное отношение, удельная проводимость 6 — угол потерь е — проницаемость диэлектрическая от- носительная 6к — температура (точка) Кюри X — длина электромагнитной волны, К— коэффициент магнитострик- ции ре— магнетон Бора р.г — проницаемость магнитная относи- тельная * [х— то же комплексная р/ — то же упругая li" — то же вязкая (проницаемость по- терь) р,„ — то же импульсная р,„ — то же начальная Ртах — то же максимальная цо — постоянная магнитная Щ>бр '— проницаемость магнитная, обрати- мая р.д — коэффициент возврата р — сопротивление удельное электриче- ское <о — угловая частота с — напряжение механическое Q — добротность и — восприимчивость магнитная * Индекс «г», при обозначении магнитной проницаемости в тексте опущен, так как повсю- ду речь идет об относительной магнитной про- ницаемости.
РАЗДЕЛ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ Ю. М. Яковлев, В. П. Мирошкин Магнитными веществами или магнетика- ми называются вещества, обладающие маг- нитными свойствами. Под магнитными свой- ствами понимается способность вещества при- обретать магнитный момент, т. е. намагничи- ваться при воздействии на него магнитного по- ля. В этом смысле все вещества в природе яв- ляются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент. Этот результирующий мак- роскопический магнитный момент М представ- ляет собой сумму элементарных магнитных мо- ментов nt, атомов данного вещества N mi- (1.1) 1=1 Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения маг- нитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориен- тацию. Наведенные магнитные моменты всегда ориентируются в направлении, противополож- ном направлению внешнего магнитного поля, и своим действием ослабляют его; этот эффект называется диамагнетизмом. Диамагнетик ха- рактеризуется малой отрицательной намагни- ченностью. В парамагнетиках, ферро-, ферри- и анти- ферромагнетиках элементарные магнитные мо- менты существуют в веществе до наложения магнитного поля, магнитное поле лишь упоря- дочивает хаотически ориентированные момен- ты, в результате чего возникает суммарный магнитный момент вещества. Элементарными носителями магнетизма являются атомные яд- ра и электроны, образующие электронные обо- лочки атомов. Однако собственный магнитный момент электрона примерно на три порядка превышает магнитный момент ядра. Поэтому с достаточно высокой степенью точности при рассмотрении магнитных свойств вещества можно не учитывать ядерный магнетизм и толь- ко в особых случаях, при использовании явле- ния ядерного магнитного резонанса, необходи- мо учитывать ядерный магнетизм. Собственный или спиновый магнитный мо- мент электрона равен магнетону Бора цб = =9,27-10-24 А-м2. Наряду с собственным мо- ментом электрон при движении по орбите об- ладает угловым механическим моментом и свя- занным с ним орбитальным магнитным момен- том. Орбитальный щ и спиновый р,„ магнитные моменты электрона связаны аналогичными со- отношениями с механическими моментами I и s, но коэффициент пропорциональности для спи- нового момента в два раза больше: рг=—el/(2m); ps=—es/m, (1.2) где е, in — заряд и масса электрона соответ- ственно. Если атом обладает и орбитальным L, и спиновым S магнитными моментами, то сум- марный момент g P7 = p; + ps=—5— (E+2S), (1.3) где J — полный момент количества движения, не коллинеарный ц/. Отношение механического момента к маг- нитному называют гиромагнитным отноше- нием: Y = g7M'B//i=gye/(2m). (1.4) Здесь gj — величина, называемая g-фак- тором или фактором Ланде: „ , , /(/ + 1)+S(S+1)-A(Z,+ 1) ё' + 2/(/ + 1) (1.5) В частном случае S = 0, £#=0 (орбиталь- ный магнетизм) имеем gj=gi_=\. При S#=0, L = 0 (спиновый магнетизм) имеем g/ = gs = 2. Магнитные свойства веществ в основном определяются атомами переходных групп пе- риодической таблицы элементов. В элементах переходной группы, например в Fe, Ni, Со, обычный порядок заполнения электронных обо- лочек нарушен и поэтому внутренние оболочки оказываются недостроенными. Для элементов группы железа недостроена Зб1-оболочка: 2,Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn “Fe 3d '4s2 3d24s~ 3dJ4s2 3d44s' 3ds4s2 3dG4? 27CO28Ni 3d74s23d84s2. Закономерности заполнения электронных оболочек подчиняются известным правилам Хунда, эмпирическим правилам, следуя кото- рым можно предсказать основное состояние атома. Эти правила являются следствием кван- товой природы атома. Они гласят: 1. Основное состояние обладает наиболь- шим возможным значением полного спина S. 2. Из нескольких состояний, имеющих максимальное значение полного спина, реали-
[разд. 1] Общие сведения о магнитных материалах 7 Таблица 1.1. Результирующий магнитный момент (в магнетонах Бора) некоторых атомов переходной группы периодической системы элементов Элемент Валентность атома 4 + 3 + 2 + Сг 2 3 4 Мп 3 4 5 Fe 4 5 4 Со 5 4 3 Ni 4 3 2 зуется то, которому соответствует наибольшее значение орбитального момента L. 3. Для электронных оболочек, заполнен- ных менее чем наполовину, энергия возрастает с ростом 1 (нормальные мультиплеты), в то время как если оболочка заполнена более чем наполовину, наблюдается обратная зависи- мость (обращенные мультиплеты). Для пол- ностью заполненных электронных оболочек результирующий магнитный момент равен нулю. В таких веществах может наблюдаться только диамагнетизм. Поскольку «З^-слой груп- пы железа не заполнен (всего, как известно, в 3d-cnoe может быть десять электронов), атомы этих элементов обладают нескомпенси- рованным магнитным моментом. Например, в недостроенном ,'М-слос двухвалентного атома железа имеется шесть электронов (3d6). Маг- нитные моменты пяти электронов направлены параллельно друг другу, а одного — антипа- раллельно. В результате суммарный магнит- ный момент атома железа Fe2+ равен 4цб- Для атома трехвалентного железа Fe3+ ре- зультирующий момент равен 5ць. В табл. 1.1 приведены результирующие спиновые магнит- ные моменты (в магнетонах Бора) для атомов группы железа с незаполненным ЗсБслоем. Магнитные свойства вещества характери- зуют магнитной восприимчивостью и=М/Н, (1.6) где М — магнитный момент единицы объема вещества или намагниченность в магнитном по- ле напряженностью Н. По значению магнитной восприимчивости вещества делятся на группы (табл. 1.2). Кроме четырех групп магнитных веществ, указанных в табл. 1.2, имеется груп- па сверхпроводящих материалов, обладающих свойствами аномального диамагнетика. Харак- терной особенностью этой группы является стремление к сохранению внутри сверхпровод- ника нулевого значения магнитной индукции. Магнитная восприимчивость этих материалов отрицательна х<0, а по абсолютному значе- нию |х| «1. Дна-, пара- и антиферромагнетики обра- зуют группу слабом.агнитных веществ, так как их магнитная восприимчивость мала и состав- ляет 10~2...10-7. Для диамагнетиков харак- терна независимость или слабая зависимость восприимчивости от температуры. Для класси- ческих парамагнетиков температурная зависи- мость восприимчивости подчиняется закону Кюри: х„ = С/Г, (1.7) где С — постоянная Кюри; Т — температу- ра, К- Ферро- и ферримагнетики относятся к груп- пе сильномагнитных веществ. Магнитная вос- приимчивость этих веществ отличается боль- шими значениями (но менее 106) и нелинейно зависит от температуры и напряженности маг- нитного поля. Такие высокие значения хм обу- словлены спонтанной намагниченностью этих веществ, т. е. самопроизвольным упорядоче- нием элементарных магнитных моментов с об- разованием результирующего магнитного мо- мента даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Таблица 1.2. Классификация твердых тел по значению магнитной восприимчивости Вещество Магнитное состояние Магнитная восприимчивость Диамагнетик Магнитные моменты электронов скомпенсирова- ны, существуют только магнитные моменты, наведенные магнитным полем х<0; |х| « 10-6. . .10“7 Парамагнетик Атомы обладают собственными магнитными мо- ментами, расположенными беспорядочно х> 0; |х| а; 10-’... 10~6 Ферро-, ферри- магнетик Магнитные моменты атомов упорядочены; спон- танный магнитный момент отличен от нуля Упорядочение исчезает при температуре Кюри 6к х« 10°... 106 Антиферрома гне- -тик Магнитные моменты упорядочены, спонтанный магнитный момент равен нулю: M = Mt —М>—0. Упорядочение исчезает при температуре Нееля 6ц х> 0; |х| « 1О-2...1О-5
8 Общие сведения о магнитных материалах {разд. 1] Спонтанная намагниченность ферро- и ферримагнетика при возрастании температуры уменьшается до нуля, при этом вещество пере- ходит в парамагнитное состояние. Критическая температура, соответствующая фазовому пере- ходу II рода из ферромагнитного (ферримаг- нитного) в парамагнитное состояние, называ- ется температурой Кюри или точкой Кюри (0 к). Критическая температура фазового перехода II рода из антиферромагнитного состояния в парамагнитное называется температурой или точкой Нееля (0н)- Температурная зависимость намагничен- ности насыщения ферромагнетика определяет- ся соотношением M = MriBs(x), (1.8) где Alo = /VgS№ — намагниченность при абсо- лютном нуле температур, когда все спиновые магнитные моменты параллельны; Bs (х) — функция Бриллюэна аргумента х=р$щ,Н t/kT-, Pv,H t—магнитная энергия; kT — тепловая энергия. В достаточно узкой области температур вблизи точки Кюри намагниченность зависит от температуры: МкМ011-—\ (1.9) В области низких температур, близких к абсолютному нулю, изменение М описывается соотношением М( Т) = Мо( 1 - А । Ti/2-А.Г11'1 -...),(1.10) где Ai — постоянный коэффициент. Температурная зависимость магнитной восприимчивости ферро- и ферримагнетиков при температуре выше точки Кюри подчиняет- ся закону Кюри — Вейса: х„ = С/(7'-Д) , (1.11) где Д — постоянная Вейса. Переход из ферромагнитного (ферримаг- нитного) в парамагнитное состояние можно рассматривать как фазовый переход второго рода. При этом точка Кюри (точка Нееля) со- ответствует температуре фазового перехода из ферромагнитного (ферримагнитного) в пара- магнитное состояние. Ферро- и ферримагнетики вместе с анти- ферромагнетиками образуют группу магнито- упорядоченных веществ. Самопроизвольное магнитоупорядоченное состояние вещества обу- словлено сильным электростатическим (куло- новским) взаимодействием электронов атомов с незаполненными d или f-слоями. Это взаимо- действие имеет квантовую природу; оно связа- но с обменом электронами между атомами и поэтому называется обменным. В ферро- магнетиках оно приводит к упорядоченной ори- ентации собственных (спиновых) магнитных моментов атомов и, следовательно, к появле- нию макроскопической намагниченности веще- ства. В ферритах и других магнитных оксидах (ферримагнетиках) магнитоактивные ионы ме- таллов (3d и 4f) разделены большими по диа- метру анионами кислорода. Поскольку вероят- ность электронного обмена между катионами быстро убывает с расстоянием, а расстояние между ними велико, то для объяснения наблю- даемых высоких температур Кюри в оксидах предложена модель, в которой существенную роль играют промежуточные анионы, находя- щиеся в возбужденном состоянии. Этот меха- низм электронного взаимодействия получил название косвенный обмен или сверхобмен. Рассмотрим возможные типы взаимной ориентации магнитных моментов атомов (маг- нитоупорядоченные состояния). Ферромагнитное упорядочение. Магнит- ные моменты атомов ориентированы парал- лельно. При этом спонтанный магнитный мо- мент при температурах ниже точки Кюри мак- симален. Ферромагнитное упорядочение на- блюдается в большинстве ЗсРметаллов и неко- торых неметаллах (ЕпО и CdCr2Se.)). Веще- ства, в которых осуществляется ферромагнит- ное упорядочение, называются ферромагнети- ками. Примеры «классических» ферромагнети- ков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы. Ферримагнитным упорядочением магнит- ных моментов обладает большая группа мате- риалов — ферритов, которые являются соеди- нением оксида железа Ее20з с оксидами других металлов. Ионы кислорода создают остов крис- таллической решетки. Между ионами кислоро- да образуются пустоты или позиции, которые занимают катионы, входящие в состав феррита. Основы теории ферримагнетизма были за- ложены Л. Неелем. Одно из основных положе- ний теории состоит в том, что Л. Неель пред- ложил рассматривать структуру ферримагне- тика состоящей из нескольких (двух и более) магнитных подрешеток. Ионы металлов в ре- шетке ферримагнетика занимают неэквива- лентные кристаллографические положения и поэтому могут быть выделены подрешетки — подсистемы, объединяющие катионы, находя- щиеся в аналогичных кристаллографических позициях. Между катионами существуют об- менные взаимодействия через ионы кислорода (косвенный обмен), приводящие к антипарал- лельной ориентации магнитных моментов ионов соответствующих подрешеток. Результирую- щий магнитный момент представляет собой век- торную сумму парциальных магнитных момен-
[разд. 1 ] Общие сведения о магнитных материалах 9 тов подрешеток и может быть равен нулю (в «классических» антиферромагнетиках), и от- личен от нуля (в ферримагнетиках). Простейший случай двух неэквивалент- ных магнитных подрешеток можно рассматри- вать на примере феррита со структурой шпи- нели MeFesCU, где Me — двухвалентный ме- талл. Ионы кислорода формируют кубическую гранецентрированную решетку, и между ними возникает два типа позиций: тетраэдрические (окруженные четырьмя ионами О2-) и октаэд- рические (окруженные шестью ионами О2-). В этих позициях располагаются ионы метал- лов. Совокупности катионов в тетраэдрических и октаэдрических позициях рассматривают как магнитные подрешетки, обладающие парциаль- ными магнитными моментами М5Тетр и ЛГокт, ориентированными антипараллельно относи- тельно друг друга. Поскольку элементарная ячейка содержит 16 катионов в октаэдрических позициях и восемь в тетраэдрических, то, как правило, Ms окт> Ms тетр. Суммарный магнит- ный момент M,=A/SOKT — Ms тетр. (1.12) Намагниченность насыщения зависит от спинового магнитного момента катионов, их валентности, распределения по кристаллогра- фическим позициям и от некоторых других фак- торов. Ферримагнетики по сравнению с ферро- магнетиками, как правило, обладают более низ- кими значениями намагниченности насыще- ния Мх- •Наличие в некоторых ферритах как мини- мум двух магнитных подрешеток с антипарал- лельной ориентацией магнитных моментов при- водит к аномальной температурной зависимо- сти намагниченности насыщения и существо- ванию так называемой точки компенсации (тем- пературы 0КОМП, при которой парциальные маг- нитные моменты подрешеток равны между со- бой). Энергия косвенного обменного взаимодей- ствия обычно меньше энергии прямого обмена. Поэтому температура Кюри (0К) ферримагне- тиков, как правило, ниже чем 6к для ферро- магнетиков. Кроме ферритов со структурой шпи- нели, достаточно широкое применение нашли ферриты со структурами: граната — RsFesOis (R — редкоземельный металл); магнетоплюм- бита — MeFeisOie (гексаферриты), где Me — Ba, Sr; перовскита — RFeOs (ортоферриты). Кроме рассмотренных параллельной и ан- типараллельной ориентаций магнитных момен- тов, известны и другие ориентации. Так, напри- мер, магнитные моменты подрешеток могут ориентироваться не строго антипараллельно, а благодаря релятивистским взаимоотноше- ниям образовывать небольшие отклонения на угол 0,5... 1 °. Это приводит к появлению неском- пенсированного магнитного момента (прибли- зительно 0,1 % от намагниченности подрешет- ки) , направленного перпендикулярно оси анти- ферромагнитного упорядочения. Такое упоря- дочение существует в ортоферритах, МпСОз, гематите а-Бе20з. В веществах с тремя магнитными подре- шетками может существовать «треугольное» упорядочение при выполнении специальных со- отношений между обменными взаимодействия- ми спиновых моментов подрешеток. При этом возникают геликоидальные (спиральные, вин- товые, зонтичные) магнитные структуры, ко- торые наблюдаются в некоторых редкоземель- ных металлах. Ферро- и ферримагнитное упорядочение магнитных моментов существует не только в ве- ществах с кристаллической структурой. В 1960 г. А. И. Губановым была теоретически предска- зана возможность существования ферромаг- нетизма в аморфных веществах. В настоящее время известно большое количество аморфных материалов (металлов и сплавов), обладаю- щих свойствами ферро- и ферримагнетиков. Аморфные сплавы в виде пленок или тонких лент металлов переходной группы (Fe, Ni, Со) с неметаллами (В, Р, Si, С) являются ферро- магнетиками, а сплавы некоторых редкозе- мельных металлов с металлами Ag, Au, Си, Ga, In, как правило, ферримагнетиками. Аморфные вещества характеризуются от- сутствием дальнего порядка (отсутствием упо- рядоченности в расположении структурных частиц вещества). На больших расстояниях по- рядок «размывается» и переходит в «беспоря- док». Такой «беспорядок» приводит к флуктуа- ции межатомных расстояний. Упорядочен- ность в расположении атомов имеет место лишь на расстоянии около 1,5 нм. Отсюда следует, что для возникновения ферро- или ферримаг- нетизма необходимо лишь наличие ближнего порядка. Ферромагнетизм аморфных веществ в на- стоящее время объясняется на основе обмен- ного взаимодействия в модели плотной ста- тистической упаковки жестких шаров и флук- туирующих величин интегралов обменного взаимодействия. Основные технические характеристики маг- нетиков (начальная магнитная проницаемость р„, кривая намагничивания В (И), остаточная индукция Вг, коэрцитивная сила Нс, петля гис- терезиса) и их изменение под влиянием внеш- них воздействий тесно связаны с различными видами взаимодействий в веществе. При отсутствии внешнего магнитного поля вектор суммарной намагниченности в магнит- ном материале направлен не произвольным об- разом, а в определенных кристаллографиче-
10 Общие сведения о магнитных материалах [разд. 1] ских направлениях (в аморфном материале — в определенном направлении по отношению к плоскости пленки или ленты). Эти направле- ния называются направлениями (осями) лег- кого намагничивания. Направления, в которых необходимо приложить самое большое маг- нитное поле для намагничивания, называются направлениями (осями) трудного намагничи- вания. Таким образом, в магнитном отноше- нии магнетики являются анизотропными мате- риалами. Для поворота вектора намагничен- ности из легкого в трудное направление необ- ходимо затратить энергию, которая пропор- циональна энергии магнитной кристаллогра- фической анизотропии (для аморфных магне- тиков — энергия магнитной анизотропии), ха- рактеризуемой константами анизотропии Ki, К‘>, ... . Так, в железе и некоторых его сплавах, имеющих кубическую структуру, осями легкого намагничивания являются ребра куба, а само- го трудного — пространственные диагонали. Для Ni, имеющего также кубическую структу- ру, распределение осей — обратное. Всем маг- нитным материалам присуще явление магнито- стрикции — изменение формы и (или) разме- ров магнитного тела при изменении его маг- нитного состояния. Явление магнитострикции самопроизвольно возникает в ферро-, ферри- магнетиках при охлаждении их до температу- ры ниже точки Кюри 0К и характеризуется коэффициентом магнитострикции который для различных материалов изменяется в широ- ких пределах и может быть как положитель- ным, так и отрицательным. Приложение к маг- нитному телу внешних механических напряже- ний с приводит к возникновению магнитоупру- гой энергии, пропорциональной произведению ал,. Магнитоупругая энергия вносит вклад в энергию анизотропии. Около различных неод- нородностей магнетика (поры, дислокации, не- магнитные включения) возникают магнитные полюсы и связанная с ними магнитостатиче- ская энергия (энергия размагничивания), ко- торая является частью полной энергии магнит- ного тела. Несмотря на наличие в ферро-, ферримаг- нетике самопроизвольной намагниченности, опыт обычно показывает размагниченное со- стояние ферромагнитных тел. Для объяснения этого факта П. Вейс выдвинул гипотезу о су- ществовании доменов, намагниченных до со- стояния насыщения отдельных областей, рас- положение векторов магнитных моментов ко- торых равновероятно. Тогда внутри образца образуются замкнутые магнитные цепи и ре- зультирующий магнитный момент образца бу- дет равен нулю. В зависимости от размеров образца, его физических свойств кроме замк- нутых доменных структур существуют и дру- гие структуры: однодоменные, полосовые, лаби- ринтные, цилиндрические и т. д. Появление в магнитном теле той или иной доменной струк- туры отвечает минимуму полной суммарной энергии образца. Существование доменов под- тверждено экспериментально как прямыми маг- нитооптическими методами, наблюдениями с помощью порошковых фигур Акулова — Бит- тера, так и косвенными данными (скачки Г. Г. Баркгаузена). Линейные размеры доме- нов составляют тысячные — десятые доли мил- лиметра. Домены отделены друг от друга до- менными границами, в которых происходит по- степенное изменение направления вектора на- магниченности от одного домена к направле- нию вектора намагниченности в соседнем доме- не. Под действием внешнего магнитного поля происходит перестройка доменной структуры, что приводит к намагничиванию ферро-, фер- римагнитного тела. Процессы намагничивания, т. е. процессы, приводящие к появлению отличной от нуля на- магниченности, удобно рассматривать на при- мере зависимости индукции В от напряжен- ности магнитного поля Н (кривая намагничи- вания). Зависимость полной энергии магнитного тела от расположения доменных границ в об- разце имеет немонотонный характер и состоит из большого числа минимумов и максимумов (потенциальные барьеры) различной глубины и высоты. При отсутствии внешнего магнитно- го поля доменные границы располагаются в энергетических минимумах. В целом магнит- ные моменты соседних доменов образуют замк- нутые магнитные цепи и тело не обладает ви- димыми магнитными свойствами. В слабых по- лях происходит «разрастание» тех доменов, векторы намагниченности которых имеют наи- Рис. 1.1. Зависимость индукции и магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля
[разд. 1] Общие сведения о магнитных материалах 11 меньшие углы с направлением поля, за счет доменов, у которых эти углы наибольшие. «Раз- растание» доменов связано со смещением гра- ниц доменов в пределах их энергетических ми- нимумов. Этот процесс обратимый и называет- ся процессом обратимого смещения доменных границ (область / на рис. 1.1). Суммарная на- магниченность образца становится отличной от нуля, что приводит к появлению магнитной индукции В и магнитной проницаемости р, рав- ной отношению В к Н и магнитной постоянной цо- При стремлении напряженности поля к ну- лю материал характеризуется начальной маг- нитной проницаемостью р„. Увеличение напря- женности магнитного поля заставляет домен- ные границы перемещаться на большие рас- стояния. Многие из них преодолевают потен- циальные барьеры и переходят в соседние энер- гетические минимумы. Процесс намагничива- ния идет более интенсивно, чем на начальном участке, кривая намагничивания идет круче (участок сильного роста индукции В). Процес- сы, характерные для этой области полей, про- исходят необратимо, т. е. при снятии внешнего поля магнитное состояние не возвращается к исходному, поэтому его называют процессом необратимого смещения доменных границ (об- ласть //). Этот участок кривой намагничива- ния характеризуется ростом магнитной прони- цаемости вплоть до ее максимального значе- ния Ртах. К концу этого участка границы доме- нов исчезают и материал превращается в один домен с направлением вектора намагничен- ности, совпадающим с направлением легкого намагничивания, составляющим наименьший угол с направлением внешнего поля^ Даль- нейшее увеличение напряженности поля вызы- вает постепенный поворот вектора намагни- ченности к направлению внешнего поля. Этот процесс называется процессом вращения вектора намагниченности и может происхо- дить как обратимо, так и необратимо (об- ласть ///). Материал переходит в состояние технического насыщения (В Bs). Поскольку на этом участке при увеличении напряженнос- ти поля индукция меняется слабо, магнитная проницаемость уменьшается. Если продолжать увеличивать напряженность поля, наблюдает- ся парапроцесс, сопровождающийся слабым ростом индукции (область IV). Рассмотренное представление о ходе кри- вой намагничивания является упрощенным. В действительности различные виды процессов намагничивания перекрывают друг друга. Ес- ли теперь уменьшить напряженность внешнего поля до нуля, то индукция не падает до нуля, а будет равна некоторому значению — оста- точная индукция. Для того чтобы полностью размагнитить материал, т. е. добиться состоя- ния, при котором В = 0, необходимо приложить некоторое магнитное поле, направленное про- тивоположно первоначальному и имеющее на- пряженность Нс, называемую коэрцитивной силой. При намагничивании ферро- и ферримаг- нитного материала изменяющимся по направ- лению магнитным полем зависимость B = f(H) имеет форму замкнутой кривой, которая назы- вается петлей гистерезиса. Площадь петли гис- терезиса с учетом соответствующих масшта- бов определяет потери энергии. Теория, рас- сматривающая процессы, обусловливающие петлю гистерезиса, учитывает, в первую оче- редь, природу коэрцитивной силы Нс, посколь- ку для разных веществ и материалов Нс ме- няется в сотни тысяч и миллионы раз, а такой параметр петли гистерезиса, как остаточная индукция Вг,— всего в несколько (не более чем в десять) раз. Причинами гистерезиса в основном являются необратимые процессы смещения доменных границ и вращения век- торов намагниченности. Коэрцитивная сила определяется тем наибольшим энергетическим барьером, который надо преодолеть в процессе размагничивания образца. Для материалов с малым значением Нс ха- рактерны гомогенность структуры, незначи- тельные магнитная анизотропия и магнито- стрикция, отсутствие механических напряже- ний, немагнитных включений, дефектов и т. д. При нарушении этих условий Нс, как правило, возрастает. Для создания материалов с боль- шими значениями Нс особое значение имеет об- разование однодоменных структур, для кото- рых намагничивание определяется в основном процессами вращения, что требует очень больших намагничивающих (и размагничи- вающих) полей. Намагничивание слабыми переменными магнитными полями осуществляется в основ- ном процессами смещения доменных границ. При этом границы совершают малые колеба- ния около положения равновесия в своих энер- гетических минимумах. Движущаяся домен- ная граница характеризуется эффективной массой /я*як10~'° г/см2, затуханием, опреде- ляемым коэффициентом затухания р и коэф- фициентом квазиупругой силы а, который опре- деляет связь границы доменов с положением равновесия. Уравнение движения доменной границы единичной площади вдоль координа- ты х под действием переменного поля напря- женностью /7„,е'“' может быть записано сле- дующим образом: (Пх dx + 0 + ах = С/И,Н,„е'”', (1.13) где С — коэффициент, определяемый типом
12 Общие сведения о магнитных материалах [разд. 1] доменной границы; Ms — намагниченность на- сыщения. Решение этого уравнения для магнитной проницаемости: где шо—\<х/т — частота собственных коле- баний доменной границы; шс = а/р — частота релаксации. Таким образом, с ростом частоты перемен- ного поля магнитная проницаемость изменяет- ся по резонансному (если a>o<a>c) или релак- сационному (<i)c<coo) законам. Значения ь>о, и их соотношение определяются пара- метрами доменных границ т, р, а, которые, в свою очередь, тесно связаны с основными параметрами материала: намагниченностью насыщения Ms, константой анизотропии К, коэффициентом магнитострикции Xs, темпера- турой Кюри 0К. Диапазон частот, в котором магнитная проницаемость не зависит от часто- ты, для различных материалов существенно различается и может изменяться от сотен герц до десятков мегагерц. Обычно чем выше ц„, тем при более низких частотах начинает сказы- ваться ее частотная зависимость. В материалах, обладающих низкими удель- ными сопротивлениями (металлические ферро- магнетики), в переменных полях могут возни- кать вихревые токи, которые приводят к умень- шению глубины проникновения поля в обра- зец, уменьшению индукции и магнитной про- ницаемости, увеличению потерь (потери на вих- ревые токи). С ростом частоты влияние вих- ревых токов сильно увеличивается, что ограни- чивает частотный диапазон применения метал- лических ферромагнетиков. На характерис- тики ферримагнетиков (ферритов) вихревые токи не оказывают влияния. При увеличении температуры значения ос- новных параметров материалов (Ms, К, Xs) уменьшаются. Это приводит к тому, что маг- нитная проницаемость увеличивается, кроме некоторых специализированных материалов, и имеет характерный максимум вблизи темпе- ратуры Кюрн 0К из-за «облегчения» процессов намагничивания; значения Bs, Вг, Нс умень- шаются. Электрическая проводимость кристалли- ческих металлических ферромагнетиков высо- ка, как и у обычных металлов. Удельное со- противление р зависит от состава материала и изменяется от 0,1 -10 6 до 0,9-10“6 Ом-м. Аморфные ферромагнетики имеют удельное со- противление в 2.5...3 раза больше, чем крис- таллические. Отличительной особенностью ферритов (ферримагнетиков) является чрез- вычайно широкий диапазон изменения удель- ного сопротивления в зависимости от состава (р«: 10”3...1012 Ом-м). Таким образом, самое низкое сопротивле- ние феррита все же на три порядка выше са- мого высокого сопротивления металлических ферромагнетиков. Это обусловливает исполь- зование ферритов в диапазонах ВЧ и СВЧ. По характеру электропроводности ферриты от- носятся к полупроводникам, т. е. с ростом тем- пературы их проводимость увеличивается. За- мечено, что проводимость ферритов сильно воз- растает, если в эквивалентных кристаллогра- фических позициях расположены разновалент- ные ионы одного и того же элемента. В связи с этим механизм электропроводности принято трактовать как «прыжковую электропровод- ность» или «обмен валентностями», при кото- ром происходит перескок электронов от иона с меньшей валентностью к иону с большей ва- лентностью. Обычно, если в феррите наряду с ионами Fe3+ содержатся ионы Fe2+, прово- димость достаточно высока, а энергия актива- ции проводимости составляет несколько деся- тых электрон-вольт. Предполагается, что про- цесс электропроводности в этом случае осуще- ствляется по следующей схеме: Fe2++Fe3+^ ^Fe3+ -FFe2+. С ростом температуры частота перескоков электронов увеличивается, т. е. в отличие от зонного механизма электропро- водности подвижность носителей заряда уве- личивается по экспоненциальному закону, а их концентрация остается неизменной. Уменьше- ние концентрации ионов Fe2+ в феррите при- водит к резкому росту удельного сопротивле- ния. Электропроводность может осуществлять- ся при наличии разновалентных ионов мар- ганца, никеля, кобальта и др. Содержание раз- новалентных ионов зависит от состава мате- риала и условий его синтеза. В поликристал- лических ферритах (особенно обладающих вы- сокой магнитной проницаемостью) могут на- блюдаться аномально высокие значения ди- электрической проницаемости е, достигающие на низких частотах значений 105 и выше. Это связано с большей степенью окисления тонких поверхностных слоев кристаллитов по сравне- нию с их внутренними областями. Удельное со- противление поверхностных слоев значительно выше, чем внутренних областей и при приложе- нии электрического поля может наблюдаться так называемая миграционная поляризация.
| разд. 1] Общие сведения о магнитных материалах 13 Таблица 1.3. Перевод единиц измерений магнитных величин из системы СГСМ в Международную систему единиц (СИ) Величина Уравнение связи Единица Множитель для перевода единиц из СГСМ в СИ в рационализо- ванной форме в иерационализо- ванной форме си СГСМ Магнитный поток d<J> = — edt ЙФ= —edt Вб Мкс 1(Г8 Магнитная индукция В = Ф/5 В = Ф/5 Тл Гс 10”4 Напряженность магнитного поля H = l/(2nR) H = 21/R А/м Э 1074л Магнитная постоянная Магнитная проницаемость (относительная) Bq/Ho М> = В/(рюН) ц=1 р=В/Н Гн/м 4л-10”7 1 Магнитный момент элемен- тарного тока Намагниченность P« = 1S M=Pa/V ри=15 M=p„/V А - м2 А/м Гс 10”3 103 Внутренняя магнитная ин- дукция Магнитная восприимчивость s to у ° * I II 05 X Тл — 10”4 4л С ростом частоты электрического поля диэлект- рическая проницаемость уменьшается. Среди существующих в настоящее время веществ можно выделить большую группу маг- нитных материалов, которые используются в технике с учетом их магнитных свойств. Общепринятым является разбиение маг- нитных материалов на магнитомягкие, магни- тотвердые и материалы специализированного назначения, имеющие сравнительно узкие об- ласти применения. Характерными свойствами магнитомягких материалов являются высокая магнитная про- ницаемость и малые потери на перемагничи- вание. Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) должны обладать возможно большим произведением (ВЦ), ко- торое тем больше, чем больше остаточная ин- дукция В, и коэрцитивная сила Нс. Поскольку для различных материалов Вг изменяется зна- чительно меньше, чем Нс, разделять магнито- мягкие и магнитотвердые материалы следует по значению коэрцитивной силы. Граница это- го раздела является в значительной мере условной. Так, материалы, обладающие коэр- цитивной силой Нс = 0,4 ... 4000 А/м, относятся к магнитомягким, а материалы, у которых Нс^4000 А/м,— к магнитотвердым. В настоящем справочнике в группе магни- томягких материалов рассматриваются харак- теристики электротехнических сталей, Fe — Ni и Fe — Со сплавов, ферритов, магнитодиэлект- риков и аморфных ферромагнетиков; в группе магнитотвердых материалов — закаленных ста- лей, различных сплавов, ферритов и компози- ционных материалов. В группе магнитных ма- териалов специализированного назначения рассматриваются материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), термомагнитные и магнитострикционные материалы, СВЧ фер- риты. Все численные значения параметров рас- сматриваемых материалов приведены в меж- дународной системе единиц СИ. Соотношения некоторых единиц измерения магнитных вели- чин в международной системе единиц СИ и СГСМ указаны в табл. 1.3.
РАЗ ДЕЛ 2 МАГНИТОМЯГКИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ С. В. Афанасьев 2.1. ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО Номенклатура магнитомягких материалов непрерывно расширяется. Поэтому в раздел включены только металлические магнитомяг- кие материалы, получаемые традиционной ме- таллургической технологией. Материалы не- металлические (ферриты), получаемые особой технологией (аморфные сплавы) или специа- лизированного назначения (термомагнитные, магнитострикционные), описаны в других раз- делах. Общие сведения. Наименование «железо» условно дано низкоуглеродистой стали, полу- чаемой с помощью электролитического, карбо- нильного процессов или методом прямого вос- становления чистых руд. Химический состав различных марок тех- Железо чистое марок 005ЖР и 008ЖР по- лучают из продуктов прямого восстановления руд и поставляют в виде прутков различного размера по ТУ 14-1-233—77. Все эти материалы предназначены либо для получения изделий методами порошковой металлургии, либо в качестве шихтового ма- териала при выплавке специальных сталей и сплавов, в том числе и магнитомягких. Высокая стоимость электролитического и карбонильного железа ограничивает широкое применение этих материалов. Физико-механические свойства технически чистого железа зависят от содержания в нем примесей, и особенно углерода. Приведем некоторые физические свойства технически чистого железа с общим содержа- нием примесей до 0,02 %: Плотность.............................................................. 7,88 Мг/ м3 Температура плавления.................................................. 1539 °C Температура возгонки в вакууме 133-10 5 Па (10“5 мм рт. ст.)........... 1100... 1200 °C Температура превращения а->-у при нагревании........................... 911 °C Средняя удельная теплоемкость............................................0,46 кДж/(кг-К) Коэффициент теплопроводности при 20 °C..................................... 71,5 Вт/(м-К) Температурный коэффициент линейного расширения при 0 °C................ 11,6-10“6 К”' Удельное сопротивление при 20 °C....................................... 0,1 мкОм-м Температурный коэффициент сопротивления....................................... 6-10”3 К 1 Модуль упругости....................................................... 210 ГПа Модуль упругости при сдвиге............................................ 84 ГПа Температура Кюри....................................................... 770 °C нически чистого железа и электротехнической нелегированной стали приведен в табл. 2.1. Карбонильное железо получают при тер- мическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)s в виде порошка с небольшими приме- сями кремния, марганца, серы и содержанием углерода до 1,2 %, азота до 1 % и кислорода до 1,2 % и используется оно для изготовления магнитодиэлектриков. Железо карбонильное радиотехническое поставляется по ГОСТ136Ю—79. При использовании карбонильного железа в качестве сырья для изготовления магнито- мягких материалов его рафинируют в токе во- дорода и поставляют в виде кусков произволь- ной формы или гранул по ТУ 14-1-1720—76. Железо электролитическое изготовляется методом электролитического рафинирования в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (марки ПЖЭ-1 и ПЖЭ-2) или кусков (марка ЖЭ-МП) по ТУ 14-1-1722—76. Средняя удельная теплоемкость возраста- ет с увеличением температуры. Коэффициент теплопроводности уменьшается при увеличе- нии содержания примесей и при повышении температуры. Температурный коэффициент ли- нейного расширения возрастает при увеличе- нии температуры. Содержание примесей в ста- ли менее 0,3 % не оказывает существенного влияния на ее линейное расширение. Удельное сопротивление возрастает при увеличении со- держания любого элемента, и в наибольшей степени при увеличении содержания кремния и алюминия. Механические свойства технически чисто- го железа зависят от содержания примесей: предел текучести — 100...170 МПа, предел прочности — 180...280 МПа, относительное удлинение — 30...50 %, относительное суже- ние — 70...80 %. Магнитные свойства технически чистого
[§ 2.1] Технически чистое железо 15 Таблица 2.1. Химический состав (в процентах) технически чистого железа н электротехнической нелегированной стали железа зависят от следующих факторов: со- держания примесей; искажений кристалли- ческой решетки вследствие деформации, осо- бенно пластической; ориентации направления намагничивания относительно кристаллогра- фических осей и текстуроваиности материала; размеров зерна и термической обработки. Наиболее сильное влияние на магнитные свойства, а также на большинство других фи- зических свойств низкоуглеродистой стали ока- зывают углерод, азот, кислород, сера и водо- род. Магнитные свойства технически чистого железа соответствующими техническими усло- виями не оговариваются, и, хотя содержание углерода и других примесей в технически чис- том железе различных марок значительно мень- ше, чем в электротехнической нелегированной стали, оно не имеет больших преимуществ по магнитным свойствам вследствие большого со- держания кислорода. Технологические сведения. Для получения высоких магнитных свойств в некоторых слу- чаях стремятся не связывать вредные примеси в стойкие соединения, а удалять их при окон- чательной термической обработке в водороде или вакууме при температурах, близких к тем- пературе плавления. Такая обработка позво- ляет не только рафинировать металл, но и вы- растить очень крупное зерно, с размерами ко- торого коэрцитивная сила связана обратной зависимостью. Если рафинирующая термообработка не проводится, то тогда стремятся связать мало- растворимые примеси в стойкие соединения, так как в противном случае выделение углеро- да и азота из твердого раствора приводит к ин- тенсивному старению (увеличению коэрцитив- ной силы и снижению магнитной проницаемос- ти во времени), достигающему 100 и более про- центов. С этой целью железо легируют алюми- нием или титаном. Содержание азота и угле- рода может быть существенно снижено при от- жиге. Отжиг во влажном защитном газе по- зволяет значительно уменьшить содержание азота углерода и избежать старения. Все виды пластической деформации (рас- тяжение, изгиб, резка, штамповка, глубокая вытяжка) резко снижают магнитные свойства, и для их восстановления требуется повторная термическая обработка. При определении магнитных свойств тех- нические данные аппаратуры, методы испыта- ний, форма и размеры образцов должны соот- ветствовать ГОСТ 12119—80.
16 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] 2.2. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СТАЛИ С НОРМИРОВАННЫМИ СВОЙСТВАМИ в постоянных полях Общие сведения. Из этих сталей изготов- ляют магнитопроводы всех видов и самых слож- ных форм: детали реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы маг- нитоэлектрических, индукционных и электро- магнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей пере- менного и постоянного тока малой и средней мощности и т. д. Химический состав электротехнической не- легированной стали различных марок приве- ден в табл. 2.1. Химический состав, физико- механические свойства и принципы маркиров- ки легированных сталей приведены в следую- щем параграфе. Сталь сортовая электротехническая неле- гированная поставляется по ГОСТ 11036—75. По форме, размерам и допускаемым отклоне- ниям сталь удовлетворяет требованиям сле- дующих стандартов на сортамент: горячека- таная — ГОСТ 2590—71, ГОСТ 2591—71, ГОСТ 4405—75; кованая — ГОСТ 1133—71, ГОСТ 4405—75; калиброванная—ГОСТ 7417—75. Сталь электротехническая нелегирован- ная тонколистовая поставляется по ГОСТ 3836—83. Сортамент стали соответствует нор- мам ГОСТ 19903—74, ГОСТ 19904—74. Лента из стали марки 20880 поставляется по ТУ 14-1-2822—79 в сортаменте ГОСТ 503—81 и ГОСТ 19851—74. В обозначении марок стали цифры озна- чают (ГОСТ 3836—83 и 11036—75): первая — класс по виду обработки давле- нием (1 — горячекатаная и кованая, 2 — хо- лоднокатаная и калиброванная); вторая — тип по содержанию кремния (0 — сталь нелегированная с содержанием кремния до 0,3 %, 1 —то же, но с заданным коэффициентом старения); третья — группу по основной нормируе- мой характеристике (8 — коэрцитивная сила); четвертая и пятая — значение коэрцитив- ной силы в амперах на метр. Сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая марок 1561, 1562, 1571 и 1572 с содержанием кремния около 4 % поставля- ется по ГОСТ 21427.3—75 (см. § 2.3). Сталь электротехническая холодноката- ная тонколистовая марок 3471 и 3472 с содер- жанием кремния около 3 % поставляется по ГОСТ 21427.1—83 (см. § 2.3). Механические свойства нелегированной электротехнической стали (ГОСТ 11036—75) даны в табл. 2.2 и для разных марок стали поч- ти одинаковы. Магнитные свойства электротехничес- кой нелегироваиной стали после отжига без доступа воздуха при температуре не выше 950 °C и далее после медленного охлаждения на воздухе (не более 10 ч) до 600 °C должны соответствовать нормам, приведенным в табл. 2.3. Нелегированную сталь поставляют без термической обработки. По требованию потре- бителя сталь поставляют в термически обрабо- танном состоянии. Магнитные свойства легированной элек- тротехнической стали, предназначенной для работы при средней напряженности поля, дол- жны соответствовать нормам, приведенным в табл. 2.4; свойства стали; предназначенной для работы в слабых полях,— в табл. 2.5. Легированную сталь поставляют в тер- мически обработанном состоянии. Образцы для определения магнитных свойств горячекатаной стали типов 156 и 157 после нарезки дополнительно не обрабатыва- ются, а образцы холоднокатаной стали типа 347 отжигаются в муфельной печи в нейтральной атмосфере при 780...800 °C в течение 1 ч, а затем охлаждаются в печи до 300 °C. Технологические сведения. Необходимые магнитные свойства стали формируются в ре- Таблица 2.2. Механические свойства электротехнической нелегированной стали Свойства Сталь горячекатаная холоднокатаная калиброванная Предел прочности при растяжении, МПа Относительное удлинение перед разры- вом, % Относительное сужение, % Твердость по Бринеллю: число твердости диаметр отпечатка, мм >270 >24 >60 < 131 >5,20 280.. .450 25.. .30 >350 >4 — —
[§ 2.2] Электротехнические стали в постоянных полях 17 Таблица 2.3. Коэрцитивная сила и магнитная индукция стали в сильных полях Марка Коэр- цитив- ная сила, А/м, не бо- лее Относи- тельная максималь- ная магнит- ная прони- цаемость ц, не менее Магнитная индук- ция В, Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной Марка Коэр- цитив- ная сила, А/м, не бо- лее Относи- тельная максималь- ная магнит- ная прони- цаемость ц, не менее Магнитная индук- ция В, Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной 500 1000 2500 500 1000 2500 Сортовая сталь (ГОСТ 11036—75) Тонколистовая сталь (ГОСТ 3836—83) 10895 20895 11895 21895 95 1,32 1,45 1,54 10880 20880 11880 21880 80 4000 — — — 10880 20880 11880 21880 80 — 1,36 1,47 1,57 10864 20864 11864 21864 64 4500 1,38 1,50 1,62 10864 20864 11864 21864 64 1,40 1,50 1,60 10848 20848 11848 21848 48 4800 Тонк 10895 20895 11895 21895 □ЛИСТОВ? 95 я сталь (Г 3000 ОСТ 3 836—8 3) 10832 20832 11832 21832 32 5000 Примечания: 1. Магнитная индукция стали 10864, 20864, 11864, 21864 составляет: в поле напряженностью 5000 А/м не менее 1,71 Тл, 10 000 А/м — 1,81 Тл, 30 000 А/м — 2,05 Тл. 2. Контро- лируемой характеристикой является коэрцитивная сила. 3. Для стали групп 118 и 218 процент уве- личения коэрцитивной силы образца в результате старения не должен превышать 10 %. 4. Сталь с коэрцитивной силой не более 48 и 32 А/м поставляется только толщиной 0,7.. .3,9 мм. Таблица 2.4. Магнитная индукция стали в средних полях Марка Толщина листа, Магнитная индукция, Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной мм 5 | 10 | 20 | 50 | 70 | 100 | 200 | 500 | 1000 Горячекатаная сталь (ГОСТ 21427.3—75) 1571 0,35 0,035 0,14 0,48 0,61 0,77 0,92 1,21 1,30 0,20 0,030 0,10 0,38 0,58 0,66 0,90 1,18 1,29 1572 0,35 0,045 0,17 0,57 0,71 0,87 1,02 1,25 1,30 0,20 0,040 0,14 0,48 0,62 0,74 0,92 1,20 1,29 Холоднокатаная сталь (ГОСТ 21427.1—83) 3471 0,50 0,35 0,14 0,17 1,61 3472 0,50 0,35 0,16 0,19 Примечание. Для стали марок 1571 и 1572 норму магнитной индукции проверяют при на- пряженности магнитного поля 10 А/м.
18 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Таблица 2.5. Магнитная индукция стали в слабых полях (ГОСТ 21427.3—75) Марка Толщина листа, мм Магнитная индукция, мкТл, не менее, при напря- женности магнитного поля, А/м, равной 0,2 0,4 0,8 1561 0,35 100 220 650 0,20 100 230 600 1562 0,35 120 280 760 0,20 120 300 750 Примечание. Норму магнитной ин- дукции стали проверяют при напряженности магнитного поля 0,4 А/м. зультате специальной термической обработки, включающей в себя медленный нагрев до высо- кой температуры, длительную выдержку и мед- ленное охлаждение. Весь цикл обработки про- водится или в защитной среде, предохраняю- щей металл от загрязнения, или в рафинирую- щей среде, обеспечивающей дополнительную очистку металла от примесей. Механическая обработка деталей, под- вергнутых отжигу, либо не должна совсем применяться, либо должна быть сведена к минимуму. Высокотемпературный отжиг проводится на металлургических предприятиях, поставщи- ках электротехнических сталей, или на маши- ностроительных и приборостроительных заво- дах, потребителях таких сталей. Целесообраз- ность выполнения отжига у поставщика или у потребителя определяется технико-экономи- ческими соображениями для каждого конкрет- ного вида изделий. Металлургические заводы поставляют по- луфабрикаты: прутки, листы, ленты. Если ме- ханическая обработка полуфабрикатов неболь- шая (разрезка, подгибка, вырубка изделий простой формы и большого размера), то потре- бителям целесообразно получать сталь, под- вергнутую высокотемпературному отжигу, и полученные изделия использовать без отжига или с низкотемпературным отпуском, частично восстанавливающим магнитные свойства. Степень ухудшения магнитных свойств в результате механической обработки тем вы- ше, чем больше отношение обрабатываемой поверхности изделия к объему этого изделия. Например, при вырубке пластин Магнитные свойства тем хуже, чем больше отношение пе- риметра вырубаемых пластин к их площади; поэтому при вырубке пластин сложной формы с большим числом зубцов и пазов и малого диаметра более целесообразно использовать неотожженную сталь. Штамповка такой стали позволяет уменьшить размер заусенцев, значи- тельно повысить стойкость штампов и после от- жига получить магнитные свойства значитель- но выше, чем при штамповке отожженной стали. В случае изготовления деталей методом глубокой вытяжки следует использовать сталь после низкотемпературного отжига, обеспе- чивающего максимальную пластичность, а вы- сокотемпературный отжиг проводить после вы- полнения всех других механических операций. Рекомендуемый ГОСТ 3836—83 и ГОСТ 11036—75 режим отжига приведен выше и яв- ляется наиболее простым и доступным. Магнит- ные свойства могут быть существенно повы- шены при увеличении температуры отжига свыше 950 сС, причем тем в большей степени, чем выше температура отжига. Отжиг без доступа воздуха с использова- нием песчаного затвора или чугунной стружки в качестве зашиты является наиболее дешевым и доступным. Влияние защитной атмосферы на коэрцитивную силу и старение электротех- нической стали после отжига значительно. Больших успехов можно добиться, сочетая высокую температуру отжига с изменением по ходу отжига защитной атмосферы, например, влажный защитный газ при 880 °C и сухой газ при более высокой температуре. В качестве за- щитного газа используется смесь азота и водо- рода с содержанием водорода 5...100 %. Наи- более просто использовать баллонный водород или аммиак, при термическом разложении ко- торого получают газ состава 25 % азота и 75 % водорода. Для получения защитного газа с малым содержанием водорода необходимо иметь азот, разбавляя которым водород или диссоцииро- ванный аммиак получают газовую смесь нуж- ного состава. Системы создания вакуумной защитной атмосферы являются более автономными, а подчас и более дешевыми, несмотря на слож- ное механическое оборудование. Кроме того, эти системы в отличие от азотно-водородных являются взрывобезопасными. Естественно, что высокотемпературный отжиг в водороде или в вакууме является более дорогостоящей операцией, чем отжиг без дос- тупа воздуха. Но в большинстве случаев дос- тигается улучшение магнитных свойств, осо- бенно для изделий длительного пользования. 2.3. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СТАЛИ С НОРМИРОВАННЫМИ СВОЙСТВАМИ В ПЕРЕМЕННЫХ ПОЛЯХ Общие сведения. Магнитные свойства тех- нически чистого железа значительно улучша-
[§ 2.3] Электротехнические стали в переменных полях 19 ются при легировании кремнием и (или) алю- минием. Широко используются сплавы железа с кремнием. Легирование кремнием вызывает: 1) уменьшение магнитной анизотропии и маг- нитострикции и, следовательно, уменьшение коэрцитивной силы; 2) увеличение удельного сопротивления и снижение потерь на вихревые токи; 3) некоторое снижение индукции на- сыщения; 5) возрастание индукции в слабых и средних полях вследствие большей магнит- ной мягкости материала. Еще более высокие значения индукции получают в текстурован- ных электротехнических сталях, в которых путем специальной технологии удается ориен- тировать оси легкого намагничивания (ребра куба) большинства зерен в направле- нии прокатки листа. Такая текстура назы- вается ребровой. При этом материал ста- новится магнитоанизотропным, приобре- тая улучшенные свойства в направлении про- катки. Высокие магнитные свойства вдоль и по- перек направления прокатки получают, созда- вая кубическую текстуру. Получение плоскост- ной кубической текстуры обеспечивает улуч- шенные свойства в любом направлении в плос- кости ленты. Горячекатаные стали существенно усту- пают холоднокатаным, особенно текстурован- ным, по магнитным свойствам, по точности размеров листов, качеству отделки, коэффи- циенту заполнения и постепенно вытесняются последними. Электротехнические кремнистые стали — наиболее широко распространенный магнито- мягкий материал, сочетающий высокие магнит- ные свойства с низкой стоимостью и удовлет- ворительной технологичностью. Эти стали ши- роко применяются для изготовления двигате- лей и генераторов всех типов, дросселей и тран- сформаторов, электромагнитных механизмов и реле и других механизмов и приборов, рабо- тающих как на постоянном, так и на перемен- ном токе различной частоты. В последнее время для изготовления маг- нитопроводов двигателей постоянного и пере- менного тока небольшой мощности, особенно для двигателей бытовой техники, применяют нелегированные стали. Применение этих ста- лей вместо слаболегированной динамной ста- ли обусловлено их более низкой стоимостью и позволяет за счет большей индукции повы- сить мощность двигателя или снизить рас- ход стали или меди при изготовлении дви- гателя такой же мощности. Разнообразные технические требования, предъявляемые к электротехническим сталям, удовлетворяются путем изменения их химичес- кого состава, толщины листов или ленты и при- менения специальных технологических процес- сов изготовления и термической обработки. Классификация и маркировка электротех- нической стали, изготовляемой в виде рулонов, листов и ленты, устанавливается ГОСТ 21427.0—75. В обозначении марок цифры озна- чают: первая — класс по структурному состоя- нию и виду прокатки (1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой, 5 — холоднокатаная изотропная с плоскостной кубической текстурой); вторая — содержание кремния (0 — с содер- жанием кремния до 0,4 % — нелегированная, 1—0,4...0,8 %, 2—0,8...1,8 %, 3—1,8...2,8%, 4—2,8...3,8 %, 5—3,8...4,8%); третья — группу по основной нормируемой характери- стике (0 — удельные потери при магнитной индукции В=1,7 Тл и частоте f=50 Гц; 1—удельные потери при В =1,5 Тл и f = = 50 Гц; 2 — удельные потери при В =1,0 Тл и /=400 Гц; 4 — удельные потери при В = 0,5 Тл и / = 3000 Гц; 6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях при нап- ряженности поля /7 = 0,4 А/м; 7— магнитная индукция в средних магнитных полях при Н = 10 А/м); четвертая — порядковый номер типа стали. Вместе первые три цифры марки означа- ют тип стали. Горячекатаная изотропная сталь марок типов 121, 131, 141, 151, 152, 156 и 157 постав- ляется по ГОСТ 21427.3—75 в виде листов тол- щиной 0,1... 1,0 мм, шириной 500... 1000 мм и длиной 600...2000 мм. Листы поставляют в термически обработанном состоянии с трав- леной поверхностью или без травления. Холоднокатаная изотропная сталь типов 201, 211, 221, 231, 241 и 242 поставляется по ГОСТ 21427.2—83 толщиной 0,28; 0,35; 0,50 и 0,65 мм в виде листов шириной 500... ...1100 мм и длиной 1500 и 2000 мм, рулонов той же ширины и ленты шириной 90...445 мм. Сталь типа 201 поставляют без термичес- кой обработки, типов 211 и 221— после терми- ческой обработки или по требованию потре- бителя — без термической обработки, типов 231, 241 и 242 — после термической обработки. Сталь изготовляют без покрытия; с термо- стойким покрытием, не ухудшающим штампуе- мость; с нетермостойким электроизоляцион- ным покрытием, улучшающим штампуемость; с термостойким электроизоляционным покры- тием, улучшающим штампуемость; с термо- стойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость. Тип покрытия в зависимости от марки и назначения стали согласуется с потребителем. Холоднокатаная анизотропная сталь ти-
20 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Таблица 2.6. Физические свойства электротехнической стали при 20 °C Содержание кремния, % Плотность d, Мг/м3 Удельное сопротивление р-106, Ом-м, при 20 °C Коэффициент теплопровод- ности к, Вт/(мК) Температурный коэффициент сопротивления CCR.103, К-1 для холоднока- таной и трав- леной стали для нетрав- леной стали <0,4 7,850 0,14 — — 0,4.. .0,8 7,820 0,17 46 3,0 0,8. ..1,8 7,800 7,750 0,25 33 1,5 1,8. ..2,8 7,750 7,700 0,40 — — 2,8.. .3,8 7,650 0,50 25 1,0 3,8.. .4,8 7,550 0,60 16 0,7 пов 331, 341, 340 и 347 поставляется по ГОСТ 21427.1—83 толщиной 0,27; 0,30; 0,35; 0,50 и 0,80 мм в виде листов шириной 650. ...1000 мм и длиной 1500 и 2000 мм, рулонов той же ширины и ленты шириной 170... ...500 мм. Сталь поставляют после термической обработки без покрытия, с термостойким пок- рытием, с электроизоляционным термостойким покрытием, с изоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость. Холоднокатаная анизотропная лента из стали типов 341 и 342 поставляется по ГОСТ 21427.4—78 толщиной 0,05; 0,08; 0,15 и 0,20 мм и шириной 5 ... 240 мм. Ленту поставляют после термической обработки или по требованию потребителя без термической обработки. Термически обра- ботанную ленту изготовляют без покрытия или с термостойким электроизоляционным покры- тием. Физико-механические свойства электро- технической стали (см. табл. 2.6) зависят от содержания кремния. Температурный коэффи- циент линейного расширения составляет 1 -10 5 К 1 и несколько возрастает при уве- личении температуры. Коэффициент теплопро- водности при повышении температуры умень- шается при малом содержании кремния и уве- личивается при большом. При легировании стали кремнием темпе- ратура Кюри снижается от 770 до 740 °C при 3% кремния. Пределы прочности и текучести, а также твердость стали непрерывно возрастают, а относительное удлинение убывает при уве- личении содержания кремния вплоть до 4,5 %; при большем содержании кремния металл становится непластичным при комнатной тем- пературе и механические свойства резко ухуд- шаются. По ГОСТ 21427.1—83, 21427.2—83, Таблица 2.7. Механические свойства электротехнической стали по отношению к прокатке Содержа- ние крем- НИЯ, % Толщи- на, мм Предел текучести, МПа Предел прочности, МПа Относительное удлинение, % Модуль упру- гости, ГПа вдоль поперек вдоль поперек вдоль | поперек вдоль поперек Горячекатаная сталь 1,30 0,50 250 240 360 380 28,0 24 186 212 3,25 360 410 490 550 18,0 20 180 209 3,80 0,35 420 440 540 560 12,0 13 184 202 4,50 490 490 600 1,5 2 158 197 Холоднокатаная изотропная сталь 2,80..'.3,00 0,35 400 430 480 500 17,0 22 — — 1,60 0,50 420 510 530 16 176 213 3,25 390 410 470 510 18,0 19 184 209 Холоднокатаная анизотропная сталь 2,80...3,00 0,35 330 360 360 420 18,0 134 195
Таблица 2.8. Удельные потери при частоте 50 Гц и магнитная индукция стали в сильных полях Марка Толщина листа или Удельные потери, Вт/кг, не более, при индукции, Тл, равной Магнитная индукция, Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной ленты, мм 1,0 1,5 1,7 100 1000 2500 5000 10000 30000 1211 1,00 0,50 . 1,00 5,8 3,3 5,4 Г< 13,4 7,7 )рячекатаная сталь (ГОС Г 21427.3 — 75 >) 1,53 1,63 1,64 1,76 2,00 12,5 1212 0,65 0,50 1,00 0,65 0,50 3,4 3,1 4,7 3,2 2,8 8,0 7,2 1,50 1,62 1,75 1,98 1213 10,7 7,5 6,5 1311 1312 1313 0,50 2,5 2,2 2,1 6,1 5,3 4,6 1,48 1,59 1,73 1,95 1411 0,50 2,00 4,4 1,72 1,94 0,35 0,50 0,35 1,60 1,80 1,40 3,6 3,9 3,2 3,5 3,0 3,5 3,0 1,46 1,57 1,71 1,92 1412 — 1413 0,50 0,35 1,55 1,35 1,48 1,59 1,73 1,94 1511 0,50 0,35 1,55 1,35 - — 1,30 1,46 1,57 1,70 1,90 1512 0,50 0,35 0,50 0,35 0,50 0,35 0,65 0,50 1,40 1,20 1,25 1,05 1,15 0,90 3,80 3,50 3,1 2,8 2,9 2,5 2,7 2,2 Холодно 9,0 8,0 1,45 1,56 1513 1,29 1,69 1,89 1514 2011 катаная изот ропная сталь (ГОСТ 214; 1,48 1,49 27.2 1,44 -83) 1,60 1,55 1,70 1,80 2,02 Электротехнические стали в переменных полях
Продолжение табл. 2.8 Марка Толщина листа или ленты, мм Удельные потери, Вт/кг, не более, при индукции, Тл, равной Магнитная индукция, Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной 1.0 1.5 1.7 100 1000 2500 5000 10000 30000 2012 0.65 0,50 3,60 2,90 8,0 6,5 1,50 1,62 1,72 1.82 2,02 2013 0,65 3,10 7,0 1,53 1,64 1,74 1,85 2,50 2,20 5,6 5,0 1,54 1,52 1,65 1,62 1,75 1,72 2014 0,50 2,05 2111 0,65 0,50 4,30 3,50 10,0 1,45 1,58 1,66 1,75 2,00 8,0 1,78 2112 0,65 3,50 — — 1,46 1,59 1,77 2,02 0,50 2,60 6,0 1,60 1,68 2211 0,65 0,50 3,00 2,60 7,0 5,8 1,40 1,56 1,65 1,73 1,76 1,96 2212 0,65 0,50 2,60 2,20 6,3 5,0 1,42 1,58 1,60 1,67 1,68 1,77 2,00 2311 0,65 . 0,50 0,65 2,50 1,90 2,40 5.8 4,4 5,6 1,36 1,52 1.62 1,72 2312 1,38 1,54 1,64 1,74 1,72 1,96 2411 0,50 0,50 0,35 0,50 1,75 1,6 4,0 3,6 3,0 3,1 1,40 1,37 1,56 1,49 1,66 1,74 1,73 1,96 1,3 2412 1,60 0,35 0,50 0,35 1,15 2,7 - - 1,35 1,50 1,70 1,95 2413 2,9 2,5 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2]
3311 0,80 0,50 0,35 0,20 0,50 0,35 0,50 0,35 0,30 0,50 0,35 0,30 0,27 0,35 0,30 0,35 0,30 0,35 0,30 0,27 0,35 0,30 0,27 0,35 0,30 0,27 0,35 0,30 0,27 4,0 Холоднок 2,45 1,75 1,50 2,10 1,50 1,75 1,30 1,19 1,50 1,10 атаная анизо тропная стат tb (ГОСТ 2Ь 427.1—83) 1,75 1,75 1,75 1,70 1,80 1,80 1,85 1,85 1,85 1,88 1,88 — — — 3411 — 1,45 3412 - 3413 1,90 1,75 1,60 1,50 1,50 1,40 1,60 1,58 1,58 1,60 3414 1,03 — 1,85 3415 1,61 1,90 0,97 3404 — 1,60 — 1,50 3405 1,61 1,40 1,38 1,43 1,33 1,27 1,36 1,26 1,20 1,30 1,20 1,14 3406 1,62 3407 1,68 3408 1,71 Примечания: 1. Контролируемыми магнитными характеристиками являются удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и маг- нитная индукция при напряженности магнитного поля 2500 А/м (кроме стали типов 340 и 331). 2. Анизотропия магнитной индукции вдоль и поперек прокатки при напряженности магнитного поля 2500 А/м для сталей типов 201, 211, 221 не должна превышать 0,13 Тл, типов 231, 241-0,16 Тл. Электротехнические стали в переменных полях
Таблица 2.9. Удельные потери при частоте 400 Гц и магнитная индукция стали в средних по лих Марка Толщина листа Удельные потери, Вт/кг, не более, при индукции, Тл, равной Коэрци- тивная сила, А/м, не более Магнитная индукция. Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной или ленты, мм 0,75 1,0 1,5 40 80 200 400 500 1000 2500 Горячекатаная сталь (ГОСТ 21427.3 — 75) 0,35 0,22 0,20 10,75 8,0 7,2 19,5 14,0 12,5 1,21 1,30 1,44 1521 — - - — — — 1,20 1,29 1,42 0,10 6,0 10,5 1,19 1,28 1,40 Холоднокатаная изотропная сталь (ГОСТ 21427.2 -83) 2421 0,28 Ю.7 19,5 - - - - - - U5 1,47 то же (ТУ 14-1- 3022-80) 2421 0,18 0,10 0,20 0,10 7,2 6,0 6,6 5,8 12,5 10,5 11,5 10,0 1,44 ЗСЮ Сталь с плоскостной кубической текстурой (ТУ 14-1-2547—78) 5421 0,15 0,08 - 10,0 23,0 22,0 34 . 36 — — — — — 1,45 1,65 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2]
0,20 0,15 3421 0,08 0,05 3422 0,15 0,08 0,05 3423 0,15 0,08 0,05 3424 0,15 0,08 0,05 0,15 3425 0,08 0,05 Холоднокатаная анизотропная сталь (ГОСТ 21427.4—78) — 10,0 23,0 22,0 21,0 20,0 28 34 0,50 0,85 0,80 1,Ю 1,35 1,30 — 1,45 1,70 36 0,40 0,75 1,25 9,0 32 32 36 26 28 0,60 0,95 1,25 1,40 1,55 1,75 8,5 19,0 0,55 0,90 1,35 8,0 7,5 0,80 1,10 1,40 1,55 1,65 1,82 17,0 1,05 1,50 — - 18,0 16,0 1,10 1,55 7,5 32 — 17,0 - 1,10 1,35 1,50 1,65 1,75 15,0 1,05 1,30 Примечания: 1. Контролируемыми магнитными характеристиками являются магнитная индукция при напряженности магнитного поля 2500 А/м и удельные потери при наибольшей из указанных индукций. 2. Анизотропия магнитной индукции вдоль и поперек прокатки при напряженности магнитного поля 2500 А/м для изотропных сталей не должна превышать 0,16 Тл. 3. Анизотропия магнитных свойств стали 5421 в плоскости листа в пределах ±5% от указанных в таблице значений. Электротехнические стали в переменных полях
26 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Таблица 2.10. Удельные потерн в стали при частоте 3000 Гц (ТУ 14-1-2387—78) Марка стали Тол- щина ленты, мм Удельные потери, Вт/кг, не более, при индукции 0,5 Тл Магнитная индукция, Тл, не менее, при напряжен- ности магнит- ного поля 2500 А/м 0,03 30 1,8 3441 0,02 35 1,7 0,01 40 1,6 21427.3—75 и 21427.4—78 устанавливают в качестве характеристики механических свойств среднее число перегибов. Число пере- гибов в некоторой степени характеризует технологичность стали при штамповке и на- вивке магнитопроводов. Стойкость штампов снижается при наличии окалины, увеличении содержания кремния и наличии термо- и электроизоляционного покрытия на поверх- ности стали. Во многих случаях (например, при изго- товлении вращающихся частей электромашин и переключающих устройств) необходимо знать и другие механические свойства (табл. 2.7). Для изотропных сталей механические свойства нормированы ГОСТ 21427.2—83. Для стали типа 201 временное сопротивление разрыву,290 ... 490 Мпа, относительное удли- нение не более 30 %; для стали типов 211, 221, 231 и 241 временное сопротивление— 290...590 МПа, относительное удлинение не более 30 %. Нормированные магнитные свойства ста- лей при частоте перемагничивания 50 Гц представлены в табл. 2.8. Для сталей всех типов нормируется коэф- фициент старения .(процент увеличения удель- ных потерь в образце после старения по срав- нению с исходными удельными потерями, табл. 2.8). Коэффициент старения должен быть не более 3 ... 8 % после нагрева в течение 120 ч при 120 или 150 °C в зависимости от типа стали. Холоднокатаные стали поставляют с нор- мированием коэффициента заполнения, кото- рый должен быть >0,98...0,93 в зависимости от толщины и типа стали и наличия покрытия. Магнитные свойства сталей с нормирова- нием свойств при частоте перемагничивания 400 Гц представлены в табл. 2.9. Коэффициент старения не должен превы- шать 3 % для стали 1521, 4 % для стали 2421 и 6 % для стали типа 342. Для стали 2421 толщиной 0,28 мм норми- руется коэффициент заполнения. Магнитные свойства сталей с нормирова- нием свойств при частоте перемагничивания 3000 Гц приведены в табл. 2.10. Представленные в табл. 2.8; 2.9; 2.10 маг- нитные параметры измеряются либо вдоль направления прокатки (для анизотропных сталей), либо вдоль и поперек направления прокатки (для изотропных и горячекатаных сталей). Наибольшей анизотропией свойств обла- дает сталь с ребровой текстурой, которая в то же время имеет наилучшие свойства в направлении прокатки. Опытные образцы ста- ли с кубической текстурой имеют значительно меньшую анизотропию свойств при высоких магнитных свойствах в продольном и попереч- ном направлениях прокатки. Усредненные по всем направлениям прокатки листа магнитные свойства стали с кубической текстурой значи- тельно выше (за счет исключения из плос- кости листа направления трудного намагни- чивания — пространственной диагонали куба) свойств стали с ребровой текстурой, для кото- рой это направление располагается под углом 54° к направлению прокатки. Магнитные свойства горячекатаной стали очень незначи- тельно различаются в разных направлениях прокатки, и эту сталь считают изотропной. Магнитные свойства электротехнической стали на переменном токе зависят при одина- ковой структуре и текстуре от толшины сталь- ного листа и частоты перемагничивания. Наилучшие магнитные свойства при час- тоте 50 Гц имеет стальной лист толщиной 0,25... 0,30 мм, а не получивший широкое распространение лист толщиной 0,35 мм. Вы- бор толщины листа определяется оптимальным соотношением требуемых магнитных свойств материала, коэффициента заполнения и тру- доемкости изготовления магнитопровода. По мере автоматизации процессов изготовления магнитопроводов, улучшения плоскости листа и уменьшения толщины электроизоляции оптимальная толщина стали снижается и сле- дует применять сталь толщиной 0,30 и 0,27 мм. При частоте 400 Гц наилучшие магнитные свойства имеет стальной лист толщиной 0,12 мм, с учетом коэффициента заполнения оптимальная толщина для этой частоты — 0,15 мм, при частоте 800 Гц оптимальная толщина — 0,08 мм. Увеличение частоты до 2000 Гц уменьшает оптимальную толщину стального листа до 0,05 мм, сталь этой тол- щины может успешно применяться для час- тот менее 3000 Гц. Для более высоких частот до 20 000 Гц предназначена сталь толщиной 0,03; 0,02 и 0,01 мм. При увеличении частоты
[§ 2.3] Электротехнические стали в переменных полях 27 резко возрастают потери, поэтому приходится снижать рабочую индукцию магнитопровода. Так, считая предельным допустимым по усло- виям нагрева и теплоотвода значение удельных потерь 20 Вт/кг, необходимо снизить рабочую индукцию для частоты 400 Гц до 1,5 Тл, для частот 800 и 2000 Гц — 1,0 и 0,5 Тл соответст- венно, для частоты 8000 Гц — до 0,2 Тл. Технологические сведения. Листовая электротехническая сталь, поставляемая в отдельных листах и рулонах, и ленточная сталь, поставляемая только в рулонах, явля- ются полуфабрикатами, предназначенными для изготовления магнитопроводов. Магнитопроводы формируют либо из отдельных пластин, получаемых штамповкой или резкой, либо навивкой из лент. В первом случае технологические опера- ции производятся в следующем порядке: 1) вырубка или резка пластин; 2) удаление заусенцев и удаление консервационной смаз- ки; 3) отжиг при необходимости; 4) нанесение электроизоляции; 5) сборка магнитопровода; 6) шлифовка стыков магнитопровода. В некоторых технологических процессах совмещают несколько операций. Например, при совмещении третьей и четвертой операций создается оксидный слой на поверхности металла, обладающий электроизоляционными свойствами; возможно совмещение операций 3, 4 и 5 при нанесении спекающихся стекло- эмалей на поверхность пластин перед отжигом. При изготовлении магнитопроводов на- вивкой из ленты удаление заусенцев и смазки, нанесение электроизоляции и навивка магни- топроводов, как правило, производятся в од- ном агрегате. Далее следует термическая обработка и при изготовлении разрезных магнитопроводов — разрезка и шлифовка маг- нитных стыков. Все указанные технологические операции, кроме отжига, приводят к ухудшению маг- нитных свойств материала, причем степень ухудшения зависит от качества выполнения этих операций. Электротехническая сталь поставляется преимущественно после терми- ческой обработки, поэтому операция отжига преследует цель полного или частичного вос- становления магнитных свойств, полученных в материале на металлургическом заводе и ухудшенных при изготовлении магнитопро- вода. Полнота восстановления магнитных свойств зависит как от качества отжига, так и от степени искажений, внесенных в кристал- лическую решетку металла на предыдущих операциях. Основными источниками искаже- ний являются упругие и особенно пластические деформации, а также загрязнение металла другими элементами: С, S, N, Р. При вырубке и разрезке по контуру выре- заемых пластин создается зона пластически деформированного металла, которая тем обширнее, чем больше толщина пластины и чем хуже состояние кромок режущего инст- румента. Косвенным критерием протяженности этой зоны является размер заусенцев. Поэтому получение заусенцев минимального размера облегчает их удаление и сохраняет магнитные свойства. Степень ухудшения магнитных свойств зависит от ширины вырезаемых плас- тин или лент и структурного состояния мате- риала. Для пластин, ширина которых не менее 20 мм, ухудшение свойств незначительно и операция отжига не является необходимой. Для пластин с более узкими элементами отжиг обязателен. При штамповке или раз- резке стали, поставляемой без отжига, или горячекатаных и малотекстурированных ста- лей в отожженном состоянии магнитные свойства могут быть полностью восстановлены при отжиге. Для текстурированных сталей перекристаллизация по кромке разрушает текстуру и ухудшает магнитные свойства при повторном отжиге. Металлургические заводы поставляют сталь в виде лент различ- ной ширины с высоким качеством реза. Созда- ние конструкций магнитопроводов только из ленточных элементов позволяет значительно улучшить их качество. Использование лен- точной стали и листовой стали в рулонах позволяет механизировать и автоматизировать производство магнитопроводов. При вырубке и резке пластин следует избегать упругопла- стических деформаций в подающих механиз- мах штампов и ножниц, в разматывателях и направляющих устройствах, особенно сле- дует избегать применения направляющих роликов малых диаметров, малых радиусов изгиба и больших натяжений при навивке прямоугольных магнитопроводов. Эти принципы также необходимо соблю- дать при снятии заусенцев и удалении кон- сервационной смазки. Из способов удаления заусенцев предпочтение должно отдаваться тем, которые сопровождаются наименьшей пластической деформацией. Идеальными с этой точки зрения являются электролитическое или химическое травление или полирование. Удаление смазки должно обеспечивать полное обезжиривание металла, так как остат- ки смазки препятствуют нанесению электро- изоляции при использовании стали без отжига, а при отжиге углерод, образующийся в резуль- тате разложения смазки, активно внедряется в металл и резко ухудшает магнитные свой- ства. Наиболее простой способ термического обезжиривания является наименее приемле- мым, так как внедрение углерода может проис-
28 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] ходить непосредственно при этом процессе и в результате последующего отжига. Целесо- образно проводить электрохимическое или химическое обезжиривание с их интенсифика- цией ультразвуком. Отжиг, обеспечивающий снятие внутрен- них напряжений, восстанавливает также кристаллическую решетку металла. Внутрен- ние напряжения изменяют магнитные харак- теристики стали: увеличивают коэрцитивную силу, потери на гистерезис и техническую магнитострикцию, уменьшают проницаемость. Влияние внутренних напряжений увели- чивается при уменьшении плотности магнит- ного потока. Для устранения внутренних напряжений металл необходимо нагреть до температуры 790 ... 850 °C. Чтобы условия отжига не изме- нили состав металла, плоскостность пластин и не внесли новые термические внутренние нап- ряжения, важно соблюдать режим охлажде- ния. Условия отжига зависят от типа деталей и магнитопроводов и несколько различаются для плоских пластин и витых магнитных цепей. Печи камерного типа предпочтительнее при отжиге мелких серий деталей, выполненных из разного металла и в разных условиях. На- грев может быть любого вида. Поддоны, внут- ренние узлы и все металлические части, поме- щаемые в печь, должны быть сделаны из стали с очень низким содержанием углерода или нержавеющей стали. Отжиг не должен сопровождаться ка- кими-либо деформациями, поэтому поддоны и плиты должны быть идеально плоскими и дос- таточно толстыми, чтобы не деформироваться при отжиге, и должны периодически пра- виться. Скорости нагрева и охлаждения должны выбираться с учетом ширины пластин, чтобы избежать -деформации. Быстрые изменения температуры создают температурный гра- диент, который приводит к неоднородному расширению или поломке. Чем выше темпе- ратура, тем ниже предел текучести, и если термические напряжения больше этого пре- дела, отдельные зоны пластин удлиняются. Поэтому при температуре выше 550 °C следует избегать быстрого изменения температуры. Например, для пластин шириной 250 мм, нагреваемых с одной стороны, скорость на- грева и охлаждения не должна превышать 50 °C в час при температуре около 650 °C и должна быть уменьшена до 20 °C в час при 750 °C. Для листов шириной 125 мм эти пре- делы — 160 и 80 °C в час соответственно. Минимальная температура в садке долж- на быть не менее 760 °C, поэтому необходимо иметь несколько термопар (в горячей и холод- ной части печи). Максимальная температура садки 790...850 °C, кроме отжига стали с уже имеющимся электроизоляционным покрытием. Период выдержки отсчитывается от момента достижения «горячей точкой» предельной тем- пературы и заканчивается при достижении «отстающей» частью садки минимальной темпе- ратуры. После этого начинается охлаждение, скорость которого такая же, как и при наг- реве. Так как время отжига значительно, необ- ходимо применять защитную атмосферу (см. § 2.2). В начале отжига расход защитного газа должен быть максимальным, чтобы пол- ностью вытеснить кислород из печи. Вытесне- ние кислорода происходит при прохождении объема газа, равного десяти свободным объ- емам (свободный объем — объем подмуфель- ного пространства за вычетом объема садки). Затем расход газа может быть уменьшен до пяти свободных объемов в час. В подмуфель- ном пространстве печи всегда дожно быть создано положительное давление защитного газа. При использовании стали с диэлектричес- ким покрытием не рекомендуется применять вакуумную защиту, а содержание водорода в защитной атмосфере должно быть снижено до 2 %. Возможно применение нейтральных газов, очищенных от углеродосодержащих веществ и паров воды. Печи камерного типа наиболее целесооб- разно применять для отжига витых магнито- проводов и пластин малого размера, так как, несмотря на все предосторожности, трудно получить идеальную плоскостность пластин большого размера. Поэтому для отжига таких пластин более удобны печи непрерывного типа, состоящие из зоны нагрева, выдержки и зоны охлаждения, через которые проходит жароупорный конвейер с деталями. Пластины размещают на конвейере сто- пами по 8 ... 10 шт. Полный цикл отжига сос- тавляет несколько часов, поэтому необходима защитная атмосфера. Расход защитного газа значительный, так как вход и выход печи не могут быть газонепроницаемыми. Рекомендуе- мые температуры отжига и защитные атмос- феры такие же, как для камерных печей. В пе- чах этого типа также трудно получить хоро- шую плоскостность пластин из-за неравно- мерности распределения температуры в сто- пах. Исключительно хорошая плоскостность получается при отжиге в непрерывных печах одной пластины. Печи оборудуются роликами малого диаметра, вращающимися синхронно. Весь цикл отжига занимает несколько минут, и защитная атмосфера не обязательна.
[§ 2.3] Электротехнические стали в переменных полях 29 Если для плоских пластин отжиг не всегда обязателен, то для витых магнитопроводов из-за значительных деформаций при навивке невозможно избежать отжига. Для этой цели пригодны как камерные, так и непрерывные конвейерные печи, и общие положения такие же, как при отжиге пластин. Скорости нагрева и охлаждения в этом случае должны также выбираться с учетом размеров или массы маг- нитопроводов. Например, витой полностью зак- рытый от радиационного нагрева магнитопро- вод массой 50 кг обрабатывается в печи в те- чение 6 ... 8 ч, где он нагревается до темпера- туры отжига 790 ... 820 °C и затем охлаждается до 370 °C. Этот период может удлиниться до 10 ч, если защита от тепловой радиации нена- дежна. Напротив, циркуляция газа при отжиге уменьшает температурный градиент и сокра- щает время обработки. Электроизоляционное покрытие наносится после отжига, поэтому здесь, как и при после- дующей сборке магнитопроводов, следует об- ращать особое внимание на предохранение металла от деформации. С этой точки зрения большой интерес представляют поставляемые металлургической промышленностью электро- технические стали с уже нанесенным покры- тием. Электроизоляционное покрытие удовлет- воряет следующим нормам: а) толщина пок- рытия одной стороны листа не более 0,005 мм; б) коэффициент сопротивления при давлении в контактах 0,5 МПа — не менее 10 Ом-см2; в) нейтральность к трансформаторному маслу при 100 °C и маслостойкость при 150 °C; г) не отслаивается при изгибе вокруг оправки диаметром 20 мм; д) сохраняет электроизоля- ционные свойства после нагрева до 800 °C в течение 3 ч в нейтральной атмосфере или после выдержки при температуре 820±Ю°С в течение 3 мин на воздухе. Принципиально возможно поставлять потребителю холоднокатаную электротехни- ческую сталь с покрытием всех видов. Нанесе- ние покрытия на металлургических заводах на горячекатаные стали технически и экономи- чески менее целесообразно, чем на заводах- потребителях. Сборка магнитопроводов и шлифовка сты- ков должна сопровождаться минимальными де- формациями металла. При сборке следует из- бегать стягивающих усилий, так как упругие напряжения также сильно изменяют магнит- ные свойства. Стыки магнитопроводов создают высокое магнитное сопротивление, которое тем выше, чем больше зазор в стыках. Поэтому целесообразно с целью уменьшения зазоров проводить шлифовку стыков. Однако операция шлифовки искажает кристаллическую струк- туру металла, с целью уменьшения этих иска- жений рекомендуется проводить последова- тельную шлифовку абразивами с уменьшаю- щимся размером абразивного зерна. Сборка магнитопровода и обработка стыков определя- ется в значительной степени конструкцией маг- нитопровода, поэтому все особенности приме- нения электротехнической стали следует учи- тывать непосредственно на стадии проектиро- вания магнитопровода. Следует уменьшать до минимума число стыков в магнитопроводе и не применять сбор- ку магнитопроводов с помощью стягивающих шпилек и болтов, так как отверстия в пласти- нах создают высокое магнитное сопротивление за счет уменьшения сечения магнитопровода и концентрируют напряжения. Крепление маг- нитопроводов должно осуществляться с по- мощью внешнего корпуса. Идеальным являет- ся витой нарезной магнитопровод, особенно выгодный при применении текстурованной стали, наилучшие свойства которой в направ- лении прокатки совпадают в этом случае с направлением навивки магнитопровода и направлением магнитного потока в нем. Резкое снижение магнитных свойств при отклонении от направления прокатки требует уменьшения до минимума или исключения всех магнитных потоков в неблагоприятных нап- равлениях. Это иногда достигается путем использования прямоугольных пластин, наре- занных в направлении прокатки, что, однако, увеличивает число стыков в магнитопроводе. Для магнитопроводов, состоящих из III- и 1-об- разных элементов, короткие UI-образные части и все I-образные пластины должны распола- гаться в направлении прокатки. Для исполь- зования при высоких индукциях Ш-образную спинку целесообразно расширить примерно на 35 % для уменьшения плотности магнитного потока, так как здесь поток перпендикулярен направлению прокатки. В качестве крепления магнитопроводов часто применяют спекающиеся при отжиге стеклоэмали или пропитку отожженных магни- топроводов синтетическими клеями и лаками и последующую полимеризацию. Следует сог- ласовывать термические коэффициенты расши- рения электротехнической стали и элементов крепления магнитопроводов, так как рабочая температура магнитопровода значительно пре- вышает температуру сборки и возникающие вследствие этого механические напряжения могут сильно изменить магнитные свойства материала. Это особенно важно для магнито- проводов, работающих в широком интервале температур. В некоторых. случаях, выбирая материал и способ крепления, можно компен- сировать изменение магнитных характеристик материала при изменении температуры.
Таблица 2.11. Химический состав (в процентах) магиитомягких сплавов Марка Si Мп Сг Ni Мо Со V Си 79НМ 80НХС 0,30-0,50 1,10-1,50 0,6-1,1 2,6...3,0 78,5-80,0 79,0...81,0 3,8-4,1 0,2 83НФ 0,50-1,00 0,1 0,5 82,5...84,2 3,8...4,2 80НМ 0,25 0,4-0,6 79,4...80,6 5,0...5,4 77НМД 0,10-0,30 1,4 75,5-78,0 3,9-4,5 4,8-6,0 76НХД 74НМД 0,15-0,30 0,3-0,6 1,8...2,2 75,0-76,5 73,0...75,0 3,6...4,0 — 4,8-5,2 7,5...9,5 72НМДХ — 1,8-2,2 72,0...73,0 3,0-3,5 13,8-14,2 78Н 50НХС 12Ю 45Н 50Н 0,15-0,30 1,10-1,40 0,50 0,5-1,0 0,6-1,1 3,8-4,2 78,0...79,5 49,5-51,0 — 0,2 0,6... 1,1 0,3-0,6 45,0-46,5 49,0-50,5 — — 0,15-0,30 0,2 34НКМ 35НКХС 40НКМ 0,15-0,30 0,80-1,20 <0,30 0,3-0,6 1,8-2,2 33,5-35,0 35,0...37,0 39,3-40,7 2,8...3,2 3,8-4,2 28,5-30,0 27,0...29,0 24,5...26,0 — 68НМ 65Н (64Н) <0,30 0,4...0,8 67,0...69,0 64,5-66,0 1,5-2,5 — — 37НКД 0,15-0,30 0,3-0,6 35,0-37,0 25,0-27,0 2,8...3,2 82НМ 81,0...81,8 5,8...6,2 — 18КХ 27КХ 0,4...0,6 0,3-0,6 — 17,5-18,5 26,5...28,0 48К2Ф 49КФ < 0,30 <0,3 <0,5 48,0-50,0 1,7-2,1 1,3-1,8 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2]
[§ 2.4] Магнитомягкие сплавы 31 2.4. МАГНИТОМЯГКИЕ СПЛАВЫ Общие сведения. Сплавы железа с нике- лем, с кобальтом и с никелем и кобальтом обла- дают при определенных составах исключитель- но высокими магнитными свойствами, недос- тижимыми в других сплавах. Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном ле- гировании такими элементами, как молибден, хром, кремний, медь, ванадий, титан и др. Высокие магнитные свойства этих спла- вов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигается минимальное значение константы магнитной анизотропии и константы магнитострикции и, следова- тельно, максимальное значение магнитной про- ницаемости. Значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции очень сильно изменяются при незначительных колебаниях содержания никеля и других легирующих эле- ментов, кроме того, значение и знак константы магнитной анизотропии зависит от режима окончательной термической обработки. По- этому необходимо точно соблюдать химиче- ский состав и правильно подобранный режим окончательной термической обработки для сплавов с наивысшей магнитной проницаемос- тью, содержащих 75 ... 85 % никеля. В сплавах других составов удается успеш- но уменьшить влияние константы магнитной анизотропии путем создания кристаллографи- ческой или магнитной текстуры. Магнитные свойства в определенных направлениях — на- правлениях легкого намагничивания — исклю- чительно высокие. В других направлениях мо- гут быть созданы специфические магнитные свойства, например, постоянство проницаемо- сти в широком диапазоне магнитной индукции. Технология изготовления магнитомягких сплавов включает в себя выплавку в электри- ческих печах небольшого объема, ковку и горя- чую прокатку листов толщиной 2 ... 4 мм, хо- лодную прокатку с одним или несколькими промежуточными отжигами и окончательный высокотемпературный отжиг. На всех этапах применяются меры для предохранения от попа- дания в сплавы таких элементов, как углерод, сера, фосфор, кислород, азот, или произво- дится их удаление. Для защиты от окисления, а также для рафинирования металла оконча- тельная и промежуточная термообработки (в последние годы и выплавка) осуществляют- ся в вакууме или водороде. Магнитомягкие сплавы, получившие ши- рокое распространение в промышленности, изготовляются по ГОСТ 10160—75. Марки этих сплавов и химические составы устанавли- ваются ГОСТ 10994—74 и приведены в табл. 2.11; там же приведены марки и составы
32 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] сплавов, изготовляемых по различным ТУ. Марки сплавов (ГОСТ Г0994—74 и 10160—75) состоят из двузначного числа, обозначающего среднее содержание элемента (в процентах), входящего в основу сплава (кроме железа), и буквенных обозначений элементов. Буква П означает, что в результате особой технологии изготовления и режима оконча- тельной термической обработки сплав обла- дает прямоугольной петлей гистерезиса. Буква А означает суженные пределы химического состава (более точный состав). Буквенные обозначения ВИ, ЭЛ, П, Ш и ВД относятся к нормированию процесса выплавки: ВИ — вакуумно-индукционный, ЭЛ — электронно- лучевой, И — плазменный, Ш — электрошла- ковый, ВД — вакуумно-дуговой. Сплавы изготовляются в виде: холодно- катаных лент толщиной 0,005...2,5 мм, холод- нокатаных листов толщиной 0,2...2,5 мм, го- рячекатаных листов толщиной 3 ... 22 мм, горя- чекатаных и кованых прутков диаметром 8 ... 100 мм, холоднокатаных лент толщиной 0,003; 0,002; 0,0015 мм, холоднотянутой прово- локи диаметром 0,05 ... 5,0 мм. Размеры и предельные отклонения холод- нокатаных лент и горячекатаных листов уста- новлены ГОСТ 10160—75. Размеры и предельные отклонения холод- нокатаных листов должны соответствовать ГОСТ 19904—74; кованых и горячекатаных прутков—ГОСТ 2590—71 и ГОСТ 1133—71; холоднотянутой проволоки — ГОСТ 2771—81. Листы, ленты, прутки и проволоку постав- ляют без термической обработки. Физико-механические свойства магнито- мягких сплавов зависят от колебаний химичес- кого состава и содержания технологических примесей и различны для разных сплавов. Не- которые физические свойства сплавов как пос- ле холодной прокатки, так и после термообра- ботки при окончательном отжиге приведены в табл. 2.12. Магнитные свойства сплавов, установлен- ные ГОСТ 10160—75 и различными ТУ, приве- дены в табл. 2.13; 2.14; 2.15; 2.16 и 2.17. При определении магнитных свойств спла- вов технические данные аппаратуры, методы испытаний, форма и размеры образцов долж- ны соответствовать ГОСТ 8.377—80 для изме- рений параметров в постоянных полях. По магнитным свойствам сплавы делят на три класса: I — с нормальными магнитными свойствами; II — с повышенными магнитными свойствами; III — с высокими магнитными свойствами. В табл. 2.13 ... 2.17 приведены магнитные свойства наиболее высокого класса для каж- дого сортамента сплавов. В зависимости от основных магнитных и других физико-химических свойств и преиму- щественного применения различают восемь групп сплавов. Сплавы с наивысшей магнитной проницае- мостью в слабых полях (табл. 2.13) применя- ются для изготовления магнитных экранов, малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, работающих в слабых полях, дефекто- скопов и головок аппаратуры звукозаписи; толщиной 0,05 мм и менее — для импульсных трансформаторов, магнитных усилителей, эле- ментов вычислительных устройств и других бесконтактных магнитных элементов. Наибольшее распространение получил сплав 79НМ. Сплав 80НХС обладает повышенным удельным электрическим сопротивлением и может использоваться в более высокочастот- ных полях. Характерная для сплавов этой группы высокая чувствительность к механическим воздействиям существенно снижена в сплаве 81НМА. Сплав 81НМА обладает также повы- шенной износостойкостью, что делает его наи- более эффективным материалом для изготов- ления головок магнитной записи. Сплав 83НФ имеет малый коэффициент амплитудной нестабильности проницаемости в переменном поле, а-также повышенный тем- пературный коэффициент магнитной прони- цаемости 0,5 ... 0,8 %-К-1- Для сплавов 81НМА и 83НФ нормируется магнитная прони- цаемость в переменных полях. Сплав 80НМ применяют для изготовле- ния магнитопроводов аппаратуры особой точ- ности. Для сплава 77НМД характерно понижен- ное отношение максимальной проницаемости к начальной. Среди сплавов этой группы, име- ющих низкую температурную стабильность магнитных свойств, сплав 76НХД в резуль- тате сложной термической обработки обладает повышенной температурной стабильностью в климатическом диапазоне температур. Сплав 72НМДХ имеет низкую температу- ру Кюри и применяется для магнитных экра- нов,-которые размагничивают нагревом до тем- пературы выше температуры Кюри. Сравнительно высокие значения магнит- ной проницаемости сочетаются с низким сопро- тивлением в сплаве 78Н. Сплавы с высокой магнитной проницае- мостью и высоким удельным сопротивлением (табл. 2.13) применяются для изготовления аппаратуры связи и импульсных трансформа- торов, работающих без подмагничивания или с подмагничиванием слабыми полями.
Заказ 1122 Таблица 2.12. Физические и механические свойства магнитомягких сплавов Марка Плотность, Мг/м3 Удельное сопротивление, мкОм • м Температура Кюри, °C Твердость по Бринеллю Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести, МПа Модуль упругости, ГПа Относительное удлинение перед разрывом, % Относительное сужение, % Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) Коэффициент теплопро- водности, Вт/(м-К) мн - О д «7 о S। к о Я О ° ft Л S д Л О : « Г) Д О . д U о s •— СХ (D h у чех « е п. 79НМ 80НХС 81НМА 83НФ 80НМ 77НМД 76НХД 72НМДХ 78Н 50НХС 8,60 8,50 8,70 8,85 8,60 8,50 8,60 8,50 8,20 0,55 0,62 0,80 0,70 0,58 0,55 0,57 0,66 0,16 0,90 430 330 260 360 400 350 430 НО 580 360 210 120 240 130 260 160 230 120 230 Но 220 120 ~125~ 190 125 1050 500 950 550 1300 650 950 '500' 1040 150" 1000 550 900 520 950 550 "580" 900 500 1000 150 900 150 1250 250 150" 990 170 1000 150 880 130 900 200 150 850 Тю 210 210 220 200 3 “so" 4 40 2 50 2 4? “60 2 40- 3 40 2 40 "50" 2 40 15 15 0,5 33,5 12,7 14,2 13,5 14,3 14,5 14,9 14,5 0,5 0,44 33,5 33,5 — — — — Магнитомягкие сплавы
Марка Плотность, Мг/м1 Удельное сопротивление, мкОм-м Температура Кюри, °C Твердость по Бринеллю 1 Предел прочности при растяжении, МПа Предел текучести, МПа 12Ю 6,70 1,00 600 300 — — 45Н 8,20 0,45 450 170 130 770 750 50Н 0,45 500 780 450 720 150 34НКМ 8,50 0,50 580 160 130 960 550 920 35НКХС 8,40 0,60 560 170 130 900 500 890 170 40НКМ 8,55 0,55 600 ТоТ 650 550 600 170 68НМ 8,40 0,45 580 230 120 950 550 Tso" 65Н 8,35 0,25 600 200 130 910 550 870 140 37НКД 8,40 0,30 570 160 120 850 480 830 150 82НМ 8,70 0,62 350 1350 1310 320 130 18КХ 7,94 0,25 930 HRB- 65 1000 450 900 300
Продолжение табл. 2.12 Модуль упругости, ГПа Относительное удлинение перед разрывом, % Относительное сужение, % Удельная теплоемкость, кДж/(кг-К) Коэффициент теплопро- водности, Вт/(м*К) Температурный коэффициент линейного расширения а,-106, к-1,, при температуре 20...500 °C 150 200 163 170 179 192 175 3 3 35 4 40 4 40“ 4 50 3 50 3 40 3 40 1 zT 3 40“ — — — — 15 15 60 5 50 5 18 60 0,5 12,6 15,5 9,0 9,4 Н,9 11,8 12,1 13,2 — 12,0 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2]
27КХ 7,98 49КФ 49КНФ 8,15 48КНФ 92К 8,70 47НК 8,40 47НКХ 8,35 79НЗМ 8,60 53Н 8,20 16Х 7,75 00X13 7,71 36КНМ 8,20 0,20 940 HRC40 HRB90 0,40 960 HRC35 HRB90 950 HRC40 250 0,16 1050 HRC30 HRB80 0,20 700 160 130 0,48 600 170 130 0,50 460 210 120 0,42 500 200 100 0,44 680 185 0,48 - ТосГ 570 170 поо • — 600 300 220 1350 — 500 350 1300 1100 1000 900 1140 — 400 900 80 500 900 150 200 500 — 1050 1000 500 150 210 780 520 520 250 150 400 250 200 220 700 — 220 180 — ~500 250 2 20 0,55 1 т 0,84 2 5 4 30 3 40 3 35 3 50 — 0,48 5 — ’ 25 65 15 45 — 4? IO 10,4 16,0 12,5 — 11,7 12,7 10,1 11,4 Примечания: 1. Значения механических свойств, указанные в числителе, относятся к наклепанному состоянию сплава, в знаме- нателе — к состоянию после термической обработки. 2. Скорость коррозии для сплава 16Х в аммиаке — 0,002 мм/год; в 40% растворе КОН при температуре ПО °C —0,0007 мм/год; в паровой фазе продукта «Меланж» — 0,002 мм/год; для сплава 36КНМ в морской’воде— 0,014 мм/год; для сплава 00X13 в морском тумане — 0,001 мм/год. Магнитомягкие сплавы
36 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Таблица 2.13. Сортамент и магнитные свойства сплавов в постоянных полях Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, мм Относительная магнитная прони- цаемость, не менее Коэрци- тивная сила, А/м, не более Индукция насыще- ния, Тл, не менее Коэффициент прямоуголь- ностн петли гистерезиса при Н = 800, А/м, не менее началь- ная макси- мальная Сплавы с 79НМ, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 наивыс II :шей магнить 0,005 ' 0,01 0,02 0,05 0,08 0,10 0,15 ой пронш 10 000 20 000 25 000 30 000 20 000 30 000 22 000 лаемостью 35 000 120 000 150 000 200 000 120 000 200 000 150 000 в слабых 6,4 2,4 1,6 1,2 1,6 полях 0,73 — III III II III II 1,2 79НМ, холоднокатаные листы и ленты III 0,20...0,25 0,35 0,50; 0,80; 1,00 30 000 35 000 30 000 220 000 250 000 220 000 1,8 II 79НМ, холоднокатаные листы и ленты II I 1,50; 2,00 2,50 25 000 22 000 180 000 130 000 1,2 1,6 0,73 — 79НМ, горячекатаные ли- сты I 3,00...22,00 20 000 80 000 3,2 0,75 — 79НМ, холоднотянутая проволока I 0,05; 0,10 5000 40 000 6,4 79НМ, горячекатаные прутки I 8,00... 100,00 20 000 80 000 3,2 80НХС, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 I 0,005 8000 30 000 8,0 0,63 III 0,01 0,02 0.05; 0,08 0,10 25 000 30 000 40 000 45 000 90 000 120 000 3,2 1,6 200 000 1,0 II 0,15 0,20; 0,25 32 000 35 000 160 000 1,2 III 0,35; 0,50 50 000 250 000 0,8 80НХС, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 I 0,8; 1,0 1,5; 2,0; 2,5 30 000 25 000 170 000 150 000 1,0 1,2 0,63 — 80НХС, горячекатаные листы I 3,00...22,00 20 000 70 000 3,2 80НХС, горячекатаные прутки I 8,00... 100,00 81НМА, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75, III 0,02 0,05 70 000 100 000 170 000 300 000 1,6 0,56 0,50
[§ 2.4] Магнитомягкие сплавы 37 Продолжение табл. 2.13 Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, ММ Относительная магнитная прони- цаемость, не менее Коэрци- тивная сила, А/м, не более Индукция насыще- ния, Тл, не менее Коэффициент прямоуголь- ное™ петли гистерезиса при Н = 800, А/м, не менее началь- ная макси- мальная ТУ 14-1-1281—75 III 0,10; 0,20 0,35 0,50 120 000 350 000 400 000 0,4 0,50 — 81 НМД, холоднокатаные ленты и листы, ГОСТ 10160—75, ТУ 14-1-2672—79, ТУ 14-1-2333—79 11 0,80; 1,00 70 000 300 000 0,6 I 1,00; 1,50; 2,00 50 000 200 000 1,2 81 НМД, холоднотянутая проволока III 0,05 20 000 75 000 3,2 81НМА, прутки I 10,00—50,00 40 000 150 000 1,6 0,50 — 83НФ, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 III 0,02 0,05 0,10 50 000 60 000 70 000 — — 0,60 80НМ, холоднокатаные ленты, ТУ 14-1-1708—76 — 0,05 0,10 0,15 0,20 0,35 40 000 50 000 60 000 80 000 100 000 140 000 160 000 200 000 250 000 300 000 2,4 1,6 1,2 0,8 0,70 77НМД, холоднокатаные ленты, ТУ 14-1-1708—76 0,05 0,10 0,20 0,35 40 000 50 000 150 000 200 000 2,4 1,6 0,60 30 000 100 000 2,4 2,0 1,6 76НХД, холоднокатаные ленты, ТУ 14-1-2722—79 0,05-0,08 0,10-0,18 0,20...0,30 13 000 15 000 18 000 100 000 120 000 150 000 0,75 74НМД, холоднокатаные ленты, ТУ 14-1-231—72 — 0,20; 0,35; 1,00 10 000 35 000 4,8 — — 72НМДХ, холодноката- ные ленты, ТУ 14-1- 2557—78 0,10-1,00 — 1,6 0,31 78Н, горячекатаные ли- сты, ТУ 14-1-309—72 5,00-18,0 7000 35 000 5,6 1,00 Сплавы с высокой магнитной проницаемостью и повышенным электрическим сопротивлением 50НХС, ленты, холодноката ные ГОСТ 10160—75 I 0,005 0,01 0,02; 0,05 1000 1000 3000 8000 10 000 25 000 56 40 12 II 0,10; 0,20; 0,25 3100 28 000 10 1,00 —
38 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Продолжение табл. 2.13 Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, мм Относительная магнитная прони- цаемость, не менее Коэрци- тивная сила, А/м, не более Индукция насыще- ния, Тл, не менее Коэффициент прямоуголь- но сти петли гистерезиса при Н = 800, А/м, не менее началь- ная макси- мальная 50 НХС, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 11 0,35; 0,50 3500 35 000 8 1,00 — I 0,80; 1,00 3000 20 000 10 12Ю, горячекатаные прут- ки, ТУ 14-1-729—73 — 20...80 1000 — 24 1,00 — 12ЮВИ, горячекатаные листы, прутки, ТУ 14-1-2233—77 10...20 30...90 — 10 000 0,90 Сплавы с высокой 45Н, холоднокатаные лен- ты, ГОСТ 10160—75 магнит I ной проницае 0,10; 0,15 0,20; 0,25; 0,35; 0,50 0,80; 1,00; 1,50; 2,00; 2,50 мостью и 2000 2500 2800 повышен! 20 000 23 000 25 000 юй индук 24 20 16 цией насы 1,50 щения 45Н, горячекатаные листы 3,00...22,00 2000 18 000 24 45Н, горячекатаные прутки 8,00... 100,00 50Н, холоднокатаные лен- ты, ГОСТ 10160—75 III 0,05; 0,10; 0,20 10 000 60 000 4 1,52 II 0,15 0,25 0,35; 0,50 0,80; 1,00 1,50; 2,00 3000 3500 30 000 35 000 45 000 40 000 35 000 14 12 1,50 — 4000 10 3000 12 I 2,50 2800 25 000 13 50Н, горячекатаные листы 3,00...22,00 2500 20 000 24 50Н, горячекатаные прутки 8,00... 100,00 50Н-ВИ холоднокатаные ленты, ТУ 14-222-58—75 0,10 0,20 0,35 20 000 90 000 4 1,53 100 000 25 000
К 2.4] Магнитомягкие сплавы 39 Продолжение табл. 2.13 Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина илн диаметр, мм Относительная магнитная прони- цаемость, не менее Коэрци- тивная сила, А/м, не более Индукция насыще- ния, Тл, не менее Коэффициент прямоуголь- ности петли гистерезиса при Н = 800, А/м, не менее началь- ная макси- мальная Сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса I 0,005 15 000 40 1,50 0,80 50НП, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 III 0,01 0,02 0,05 60 000 75 000 80 000 15 13 11,0 1,52 0,91 0,94 0,94 II 0,10 60 000 15,0 0,90 34НКМП, холодноката- I 0,005 15 000 80,0 0,90 ные ленты, ГОСТ 10160—75 II 0,01 0,02 0,05 40 000 65 000 75 000 16,0 11,0 10,0 1,50 0,92 0,94 0,92 0,10 0,20; 0,25; 0,35; 0,50 — 125 000 180 000 6,4 6,4 0,90 35НКХСП, холодноката- I 0,005 15 000 80,0 ные ленты, ГОСТ 10160—75 II 0,01 0,02 0,05 0,10; 0,20; 0,25; 0,35; 0,50 50 000 80 000 200 000 300 000 16,0 8,0 4,8 4,0 1,30 0,92 40НКМП, холодноката- ные ленты, II 0,01 0,02 200 000 400 000 4,8 2,4 1,35 0,94 ГОСТ 10160—75 0,05 0,10 500 000 600 000 1,6 68НМП, холодноката- ные ленты, ГОСТ 10160—75 ш 0,02 0,05 0,10; 0,20 300 000 600 000 800 000 3,2 2,4 1,6 1,15 0,92 0,93 65НП, холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75 I 0,02 0,05 0,10 70 000 100 000 200 000 6,4 3,2 2,8 1,30 0,90 0,20 0,35; 0,50 250 000 300 000 2,4 37НКДП, холодноката- 0,02; 0,04 100 000 9,6 1,5 0,93 ные ленты, ТУ 14-222-3—71 0,05; 0,08 0,10; 0,18 250 000 4,0 3,2 0,95 0,93 82НМП ВИ, холоднока- таные ленты, ТУ 14-1-2340—78 — 0,02 0,10 1,8 1,6 0,65 0,90 0,85
40 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Продолжение табл. 2.13 Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, мм Относительная магнитная прони- цаемость, не менее Коэрци- тивная сила, А/м, не более Индукция насыще- ния, Тл, не менее Коэффициент прямоуголь- ное™ петли гистерезиса при /7 — 800, А/м, не менее началь- ная макси- мальная 79НМ, холоднокатаные ленты, ТУ 14-222-29-73 — 0,01 0,02 — — — 0,70 0,75 0,70 79НМП, ленты, ГОСТ 10160—75 I 0,003 9,6 0,60 0,90 77НМДП, ленты ГОСТ 10160—75 7,2 0,50 Примечания: 1. Для сплавов 81НМА и 83НФ нормируется не начальная проницаемость, а проницаемость в поле напряженностью 0,08 А/м. 2. Для класса III сплава 50Н и сплава 50Н ВИ нормируется не начальная проницаемость, а проницаемость в поле напряженностью 0,4 А/м. 3. Для сплавов 79НМП и 77НМДП толщиной 0,003 мм нормируется не индукция насыщения, а остаточная индукция. Сплав 50НХС обладает низкой остаточной индукцией и низкими удельными потерями. Для сплавов 12Ю и 12Ю-ВИ характерны высокие прочностные характеристики, изно- состойкость, жаростойкость, коррозионная и радиационная стойкость. Сплавы с высокой магнитной проницае- мостью и повышенной индукцией насыщения (табл. 2.13) применяются для изготовления ленточных, витых и штампованных магнито- проводов, используемых в малогабаритных си- ловых трансформаторах и трансформаторах звуковых частот, дросселях, реле и деталях магнитных цепей, работающих в широком диа- пазоне частот преимущественно без подмагни- чивания. Таблица 2.14. Сортамент и магнитные свойства сплавов с высокой индукцией технического насыщения Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, мм Магнитная индукция, Тл, не менее, при напряжен- ности магнитного поля, А/м, равной Удельные потери при частоте 400 Гц, Вт/кг, не более, при индукции, Тл, равной Коэрци- тивная сила, А/м, не более 400 2500 15 000 1,5 1,8 2,0 27КХ, холоднока- таные ленты и ТУ 14-1-2243—77 — 0,20 0,35 — 1,65 2,08 2,10 50 70 — — — 27 КЗ, холоднока- таные ленты и листы, ГОСТ 10160—75 1 0,20 0,35 0,70 1,80 2,15 80 110 — 27КХ, прутки и по- ковки I 30... 100 1,75 2,05 49К2ФА, холодно- катаные ленты и листы, ГОСТ 10160—75 II III 0,05 0,10 0,15...0,20 0,25...0,70 1,80 2,00 2,10 — 25 30 40 30 2,20 II 1,85 39 55 48
[§ 2.4] Магнитомягкие сплавы 41 Продолжение табл. 2.14 Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, мм Магнитная индукция, Тл, не меиее, при напряжен- ности магнитного поля, А/м, равной Удельные потери при частоте 400 Гц, Вт/кг, не более, прн индукции, Тл, равной Коэрци- тивная сила, А/м, не более 400 2500 15 000 1,5 1,8 2,0 49КФ, прутки и по- ковки, ГОСТ 10160—75 II 10,00...80,00 — 2,0 2,20 — — — 160 49К2Ф, холодно- катаные ленты и листы, ГОСТ 10160—75 II 0,20 — 2,25 160 48КНФ, холодно- катаные ленты, ТУ 14-1-131-85— 73 — 0,35 0,70 1,85 2,05 2,06 1000 48КНФ, прутки и поковки 20,00-75,00 — 2,00 2000 48КНФ, горячека- таные листы 2,00-15,00 92К, холодноката- ные ленты, ТУ 14-1-1812—76 0,10; 0,20 1,40 — 160 Примечания. I. Для сплава 49К2Ф класса I нормируется коэффициент магнитострикции не менее 60-10-6. 2. Для сплава 49К2Ф класса II нормируется относительная магнитная проницае- мость в поле напряженностью 0,8 А/м не менее 700. 3. Для сплава 49К2ФА класса I нормируется относительная магнитная проницаемость не менее 5500. 4. Для сплава 92К нормируется температура Кюри не менее 1000 °C. Сплавы 45Н и 50Н имеют близкие маг- нитные и физические свойства, и согласно ГОСТ 10994—74 сплав 45Н в новых разработ- ках применять не рекомендуется. Сплав 50Н-ВИ может успешно приме- няться взамен высоконикелевого сплава 79НМ. Сплавы с ППГ (табл. 2.13) характери- зуются прямоугольной петлей гистерезиса, высокой максимальной проницаемостью (на уровне сплавов первой группы), повышенной индукцией насыщения, обладают кристалло- графической или магнитной текстурой и приме- няются для изготовления магнитных усилите- лей, бесконтактных реле, выпрямителей, дрос- селей, модуляторов, импульсных трансформа- торов и магнитных элементов вычислительных устройств. Сплавы 50НП, 82НМП-ВИ и 79НМ— сплавы с кристаллографической кубической текстурой, образующейся в результате особой технологии холодной прокатки при последую- щей термической обработке. Кубическая тек- стура обеспечивает высокие магнитные свойст- ва в двух направлениях в плоскости листа или ленты (вдоль и поперек направления прокат- ки) . Остальные сплавы этой группы — магни- тотекстурованные сплавы. При термообра- ботке в продольном магнитном поле в этих сплавах возникает индуцированная одноос- ная анизотропия, которая создает при намаг- ничивании в направлении приложенного маг- нитного поля прямоугольную петлю гистере- зиса. Текстурованные сплавы обладают повы- шенной температурной стабильностью магнит- ных свойств в климатическом интервале тем- ператур и повышенной стойкостью к воздей- ствию радиации. Сплав 65НП в новых разработках приме- нять не рекомендуется в связи с его большой
42 Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2] Таблица 2.15. Сортамент и магнитные свойства сплавов с низкой остаточной индукцией и постоянством магнитной проницаемости (холоднокатаные ленты, ГОСТ 10160—75) Марка Класс Тол- щина, мм Относитель- ная началь- ная прони- цаемость, не менее Отношение максимальной проницаемости к начальной, ие более Коэффициент прямоугольности петли гистерезиса при Н = 800 А/м, не более Температурный коэффициент проницаемости в интервале — 60...+ 120 °C, % -К"1, ие более 47НК II 0,01 0,02 0,10 1100 1,15 0,05 0,06 47НКХ I 0,02 0,10 1500 1,20 0,03 64Н II 0,01 0,02 0,10 2200 0,07 0,06 40НКМ I 0,01 0,02 0,10 1800 — частотной зависимостью магнитных свойств и высокими удельными потерями, обусловлен- ными малым сопротивлением. Ленты сплавов 79НМП, 77НМДП и 80Н2М с прямоугольной петлей гистерезиса толщиной несколько микрон характеризуются высокой прямоугольностью и квадратностью петли гистерезиса и малым временем перемаг- ничивания в импульсных полях и обладают этими свойствами при толщине ленты 0,0005 ... 0,01 мм. Магнитные свойства ленты толщиной менее 0,003 мм устанавливаются по согласо- ванию. Ленты толщиной несколько микрон ис- пользуются для изготовления малогабаритных ленточных сердечников, применяемых в пере- ключающих устройствах, логических элемен- тах, регистрах сдвига и т. д. Основные преи- мущества металлических сердечников пе- ред ферритовыми — лучшая температурная стабильность, более высокая максимальная частота перемагничивания, более низкие пере- магничивающие поля, большое отношение сигнал — помеха. Сплавы с высокой индукцией технического насыщения (табл. 2.14) —сплавы на железо- кобальтовой основе, обладают наиболее высо- кой индукцией магнитного насыщения (до 2,4 Тл), температурой Кюри (до 1050 °C) и магнитострикцией насыщения (до 100-10-6). Эти сплавы применяются для изготовления магнитопроводов, полюсных наконечников и сердечников электромагнитов, соленоидов, Таблица 2.16. Сортамент и магнитные свойства сплавов с высокой магнитной проницаемостью при однополярном импульсном намагничивании (холоднокатаные ленты) Марка Тол- щина, мм Относительная им- пульсная магнитная проницаемость, не менее, в поле, А/м, равном Коэффициент прямоугольности петли гисте- резиса при /7 = 800 А/м, не более Температурный коэффициент магнитной про- ницаемости при — 60...+60 °C, % -К"', не более ГОСТ или ТУ 20 80 160 79НЗМ 0,005 0,01 0,02 5000 7000 8000 — — 0,45 0,30 0,25 0,20 0,10 0,25 ГОСТ 10160—75 68НМ 0,02 — 6000 10 000 ГОСТ 10160—75 ТУ-14-1-2890—80 53Н-ВИ 6250 —
[§ 2.4] Магнитомягкие сплавы 43 Таблица 2.17. Сортамент и магнитные свойства сплавов с высокой коррозионной стойкостью Марка, вид продукции, ГОСТ или ТУ Класс Толщина или диаметр, мм Магнитная индукция, Тл, не менее, при напряженности магнитного поля, А/м, равной - Коэрцитив- ная сила, А/м, не более 100 1000 2500 10 000 16Х, холоднокатаные ленты и листы, ГОСТ 10160—75 I 0,20; 0,35; 0,50; 1,00 1,50 0,6 — 1,2 1,45 64 16Х, горячекатаные листы I 4,00...12,00 16Х, прутки III 10,00... 120,00 24 00X13, холоднокатаные ленты, ТУ 14-1-165-142—76 — 0,35 — 1,30 — — 36КНМ, прутки ГОСТ 10160—75 II 15,00...80,00 1.3 1,45 40 Примечания: 1. Для сплава 00X13 нормируются удельные потери не более 1,8 Вт/кг при частоте 50 Гц и индукции 1 Тл. 2. Для сплава 36КНМ класса II нормируется относительная макси- мальная проницаемость не менее 6000. силовых трансформаторов, магнитных усили- телей, ультразвуковых генераторов и преобра- зователей, роторов и статоров электрических машин, телефонных мембран, магнитострик- ционных элементов, магнитоупругих датчиков, магнитопроводов в электровакуумных при- борах и магнитогидродинамических устрой- ствах. Причем рабочие температуры могут быть как высокие — до 1000 °C, так и низкие (криогенная техника). Сплавы 18КХ-ВИ, 27КХ, 48КНФ приме- няются преимущественно в электрических машинах. Сплавы 49КФ и 49К2Ф универсального назначения. Сплав 92К предназначен для магнитопро- водов всех назначений, работающих при мак- симально высоких (до 1000 °C) или низких (до —273 °C) температурах. Сплавы с низкой остаточной индукцией и постоянной магнитной проницаемостью (табл. 2.15) после термической обработки в по- перечном магнитном поле имеют линейный участок кривой намагничивания в широком интервале индукций и применяются для изго- товления аппаратуры связи, измерительных трансформатор ов. Сплавы с высокой магнитной проницае- мостью при однополярном импульсном намаг- ничивании (табл. 2.16) также подвергаются термомагнитной обработке в поперечном поле и применяются для изготовления импульсных и широкополосных трансформаторов. Сплавы с высокой коррозионной стойкос- тью (табл. 2.17) предназначены для изготовле- ния магнитопроводов различных систем управ- ления, якорей, электромагнитов, деталей элек- трических машин, работающих без защитных покрытий в сложных условиях воздействия агрессивной среды, температуры и давления. Технологические сведения. В отличие от электротехнических сталей магнитомягкие сплавы поставляются только в термически необработанном состоянии. Принципиальная технологическая схема изготовления магнито- проводов подобна схеме, указанной в § 2.3 для электротехнических сталей. Общие требования к атмосфере отжига, термическому оборудованию и ведению режи- ма отжига аналогичны приведенным в § 2.2 и 2.3. Рекомендуемая термическая обработка сплавов указана в табл. 2.18. Исключительно высокие магнитные свой- ства сплавов после отжига очень чувствитель- ны к воздействию механических напряжений и деформаций, поэтому должны приниматься особые меры предосторожности для защиты от случайных и конструктивно, неизбежных механических воздействий путем применения защитных каркасов и амортизаторов. Железоникелевые и железоникелько- бальтовые сплавы хорошо обрабатываются резанием и давлением. Сплавы первой груп- пы — с наивысшей магнитной проницае- мостью в слабых полях — успешно примени-
Таблица 2.18. Рекомендуемый режим термической обработки сплава для получения нормируемых свойств Марка Среда отжига Температура нагрева, °C Скорость нагрева, К/ч Выдержка, ч Температура охлаждения, СС Скорость охлажде- ния, К/ч 79НМ, 78Н Вакуум расг < 10“1 Па или чистый водород с точкой росы < —40°С 1125 ±25 3...6 в зави- симости от размера и массы садки > 600 >200 < 150 < 200 >400 Произвольно 80НХС Вакуум дост < 10“1 Па > 400 < 200 81НМА Вакуум рост <10 2 Па 1100±20 <500 > 200 > 600 > 400 < 200 81НМА, прово- лока 1000 ±20 3 > 400 > 400 83НФ Вакуум рост < 10-2 Па или водород с точкой росы < —40 °C 1100 + 20 > 600 > 350 <200 > 20...60 80НМ Водород с точкой росы < — 50 °C 1250 ±50 < 700 12...24 > 475 <475 50 400...500 > 700 50 77НМД 1125±25 < 700 > 700 <500 50 3...4 > 600 < 600 100...200 400 76НХД Вакуум Рост < 10“1 Па или чистый водород с точкой росы < —40°C 1125 ±25 3...6 >500 > 300 <300 50 10 400 74НМД 1050 < 500 3...4 >600 >400 <400 100 50 400 72НМДХ 1125 ±25 3...6 — 200...400 50НХС Вакуум рОст < Ю-1 Па >400 >200 <200 >400 Магнито мягкие металлические материалы [разд. 2]
12Ю 12Ю-ВИ 1250 <3.00 3 > 600 >400 150...200 50 , 45Н, 50Н Вакуум рост <10 1 Па или чистый водород с точкой росы < —40 °C 1125 + 25 < 500 3...6 >600 >200 > 150 <200 >400 Произвольно 50Н-ВИ 1200 ±50 <400 3...5 50НП, 82НМП-ВИ, 79НМ 1125 ±25 < 500 1...3 > 600 > 200 < 150 200 400 Произвольно 34НКМП, 35НКХСП, 40НКМП, 68НМП, 37НКДП 1125±25 Первая <500 Вторая 600 в про- дольном магнитном поле 800 А/м операция 1...3 операция 0,5...4 >600 < 600 >200 <200 Произвольно 25...100 В магнитном поле 79НМП 77НМДП Вакуум рост < “2 Па 950 ±20 <300 1,5...2 > 150 <250 18КХ-ВИ, 27КХ, 48КНФ Вакуум, рост < 10“1 Па 850 ±20 <500 3 >400 <400 100 Произвольно 49КФ 1100 ±20 49К2Ф, 49К2ФА 820 + 20 92К Вакуум рост < 10”" Па 800...1100 Магнитомягкие сплавы
Продолжение табл. 2.18 Марка Среда отжига Температура нагрева, °C Скорость нагрева, К/ч Выдержка, ч Температура охлаждения, °C Скорость охлажде- ния, К/ч 47НК, 47НКХ,. 64Н, 40НКМ Вакуум рост < 10“1 Па или чистый водород с точкой росы < —40 °C 1100 ±20 Первау <500 Вторая 550...600 в попереч- ном маг- нитном поле операция 3 операция 0,5-1 >600 <600 > 350 для 47НК, 40НКМ; > 350для47НКХ; > 500 < 380 для 64Н <200 Произвольно 30...50 70...100 50 10 79НЗМ, 68НМ, 53Н-ВИ 1100 + 20 Первая <500 Вторая 460...480 580...600 530...550 операция 3 операция 0,5-1 > 380 для 79НЗМ > 200 для 68НМ > 450 для 53Н-ВИ 5...20 200...300 150...250 16Х Вакуум, Рост 10-2 Па 1175 ±25 <500 4 >700 <700 100 500...600 00X13 36КНМ Водород с точкой росы < — 50 °C 1100-...1150 1100 < 50 <500 5...10 10 > 800 < 800 > 700 >200 <200 Произвольно 100 >200 Примечания. 1. Для сплавов класса Ш рекомендуется обеспечивать высокий вакуум и повышать температуру отжига. 2. Для ленты толщиной 0,01 и 0,005 мм и проволоки диаметром менее 0,10 мм допускается снижение температуры отжига на 100 °C. 3. Для обеспечения скорости охлаждения ниже 600 °C допускается наполнение или продувка печи инертным газом. 4. При отжиге сплавов в продольном магнитном поле допускается совмещение первой и второй операций. 5. Для повышения свойств сплавов 50НП и 49КФА рекомендуется проводить термомагнитную обработку в продольном магнитном поле. Магнитомягкие металлические материалы [разд. 2]
[§ 3.1] Общие сведения 47 ются для создания магнитных экранов любой сложной формы с помощью глубокой вытяж- ки и сварки. Температура отжига для глубо- кой вытяжки 800...900 °C, среда отжига такая же, как для основной термической обработки. Сплавы марок 12Ю, 50НП, 82НМП-ВИ, 18КХ, 27КХ, 49К2Ф, 49К2ФА, 49КФ, 48КНФ, 16Х, 00X13 не рекомендуется подвергать пред- варительной термической обработке. Большинство сплавов (толщиной <0,1 мм) изотропны и могут использовать- ся в изделиях любой формы. РАЗДЕЛ 3 МАГНИТОМЯГКИЕ ФЕРРИТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ В. П. Мирошкин, В. В. Филиппов 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Ферриты — магнитные материалы на ос- нове оксидов металлов, обладающие ферри- магнитными свойствами. Магнитомягкие ферриты — моно- и поли- кристаллические материалы со значениями коэрцитивной силы по индукции не более 4 кА/м. Промышленные магнитомягкие ферри- ты — это в основном поликристаллические ма- териалы, синтезируемые по керамической тех- нологии, включающей в себя составление смеси оксидов в заданной пропорции, ферри- зацию смеси, формование изделий и их последующее спекание. Наибольшее распространение получили две группы магнитомягких ферритовых мате- риалов: 1. Марганцево-цинковые (Мп — Zn) фер- риты — твердые растворы феррита марганца (МпРе2О4) и феррита цинка ZnFe2O4. 2. Никель-цинковые (Ni — Zn) ферри- ты — твердые растворы феррита никеля (NiFe2O4) и феррита цинка ZnFe2O4. Разнообразие марок Мп — Zn и Ni — Zn- ферритов определяется, главным образом, со- отношением основных компонентов, наличием легирующих присадок и режимами синтеза. В процессе твердофазных реакций при ферритизации и спекании в условиях высоких (до 1400 °C) температур образуются твердые растворы ферритов с кубической решеткой типа шпинели. Как правило, время спекания составляет от 3 до 7 ч. Ферриты никель-цин- ковой группы синтезируются в воздушной ат- мосфере, а марганцево-цинковой группы — в контролируемой атмосфере с понижением давления кислорода при охлаждении. Основными легирующими присадками, в определенной мере влияющими на улучшение электромагнитных характеристик ферритовых изделий, являются вводимые в небольших ко- личествах оксиды Со, Li, Ti, Са и некоторых других элементов. Одним из основных электромагнитных параметров магнитомягких ферритов является начальная магнитная проницаемость р,„, из- меряемая при напряженности поля //„->0 и заданной частоте. В слабых синусоидальных полях проницаемость имеет комплексный ха- рактер, определяемый наличием упругой (ве- щественной) и вязкой (мнимой) состав- ляющей: Н_=н'—/н". (3.1) Частотные зависимости составляющих комплексной магнитной проницаемости назы- ваются магнитными спектрами. Магнитные потери в ферритах опреде- ляются отношением мнимой части комплекс- ной магнитной проницаемости к ее веще- ственной части, так называемым тангенсом угла магнитных потерь: tg 6м = |л"/|л'. (3.2) Для сравнения характеристик ферритов разных марок часто используют понятие от- носительного тангенса угла магнитных потерь: tg6„/p.„. (3.3) При анализе потерь в ферритовых мате- риалах иногда удобно пользоваться постоян- ной гистерезиса dh/& (3.4) где dh— коэффициент гистерезисных потерь, определяемый по линейной зависимости tg 6М от напряженного магнитного поля и отнесен- ный к единице напряженности поля. Температурная зависимость магнитной проницаемости характеризуется температур-
48 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] ным коэффициентом ТК |лн, при этом в неко- тором интервале температур ее условно при- нимают линейной: „„ Hi"2 —Нп ТК р.„=----7=---7—, |ЛТ1(/2—/|) где р.7-|, р.г2— магнитная проницаемость при температурах 1\ и Тг соответственно. Часто удобнее пользоваться температур- ным коэффициентом: а,Л„=ТК |л„/ц„. (3.6) Коэффициент относительной дезаккомо- дации D характеризует временное измене- ние начальной магнитной проницаемости: Г) _ Ин—рд 1 ип 1^2 • it (3.5) (3.7) где ц(1, |л,2— начальная магнитная проницае- мость в моменты времени h и после выклю- чения высокочастотного поля (обычно ti> 60 с, а 10/1). В справочной литературе чаще приводит- ся коэффициент дезаккомодации начальной магнитной проницаемости Dp. Df=D/^. (3.8) В случаях когда ферритовый материал работает в импульсных подмагничивающих полях, целесообразно определять импульсную магнитную проницаемость р.„ как отношение приращения индукции к приращению напря- женности магнитного поля в материале при намагничивании импульсом тока определенной формы, длительности и амплитуды. Каждая марка магнитомягких ферритов обладает характерным параметром: критиче- ской частотой fKp— значением верхней частот- ной границы области применения, начиная с которой резко возрастают потери и снижается магнитная проницаемость ввиду инерционно- сти процессов намагничивания. Магнитные свойства ферритов сильно меняются при од- новременном воздействии постоянных и пере- менных полей. Для оценки магнитомягких ферритов, ра- ботающих в переменном и постоянном полях, используют понятие обратимой магнитной проницаемости |ло6р. При заданной напряженности переменно- го поля увеличение постоянной составляющей приводит к спаду проницаемости; такой спад для ферритов постоянен в широком диапазоне частот, что позволяет использовать это явле- ние для магнитной перестройки частоты кон- туров, содержащих ферритовые сердечники. Коэффициент перестройки частоты kf опреде- ляется выражением V Р-н/Р-обр- (3.9) При использовании магнитомягких фер- ритовых материалов, предназначенных для ра- боты в сильных переменных полях, их ха- рактеристикой является коэффициент ампли- тудной нестабильности а.з: ИНр.2 —РНи| Р.Дги|(Дт2 Д»11) (3.10) где р,Ц//т2 — магнитная проницаемость при напряженности переменного поля Н,П2 соответственно. Временная нестабильность магнитомягких ферритов проявляется в уменьшении магнит- ной проницаемости при длительном хранении или воздействии положительных температур. По своим электрическим свойствам фер- риты являются полупроводниками. Их про- водимость увеличивается с ростом темпера- туры. Эффективная проводимость растет с частотой. При низких частотах относительная ди- - электрическая проницаемость е имеет ано- мально высокие значения, достигающие 10s и даже выше. При увеличении частоты ди- электрическая проницаемость ферритов умень- шается и предельные значения, характерные для монокристаллических ферритов, составля- ют 10...20. Аномальные значения е высоко- проницаемых ферритов являются причиной возникновения эффекта объемного резонанса, для которого характерно падение магнитной проницаемости и резкое возрастание потерь. В марганцево-цинковых ферритах эффект объемного резонанса наблюдается на часто- тах, равных единицам мегагерц. Существенное изменение электромагнит- ных параметров ферритов наблюдается при облучении изделий интегральным потоком нейтронов интенсивностью выше 10ls частиц на см2. Ферримагнитные свойства проявляются вплоть до температуры Кюри 6к, являющейся в силу этого важным параметром магнито- мягких ферритовых материалов. Выше 6к ферриты становятся парамагнетиками. По механическим свойствам поликристал- лические ферриты подобны керамике. Обла- дая высокой твердостью и хрупкостью, они хорошо поддаются обработке алмазным ин- струментом (резке, шлифовке, полировке). Для склеивания ферритовых изделий чаще всего применяют клей типа БФ-4. При механических нагрузках в феррито- вых изделиях создаются напряжения, которые могут изменить электромагнитные параметры (рис. 3.1). Предел прочности ферритов при
[§ 3.2] Ферриты общего применения 49 Таблица 3.1. Группы и марки магиитомягких ферритов Номер группы Название группы Марка ферритов никель-цинковых маргаицево-цинковых I Общего применения 100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, 3000НМ II Термостабильные 7ВН, 20ВН, ЗОВН, 50ВН, 100ВН, 150ВН 700НМ, 1000НМЗ, 1500НМ1, 1500НМЗ, 2000НМ1, 2000НМЗ III Высокопроницаемые — 4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10000НМ, 20000НМ IV Для телевизионной техники 2500НМС1, 3000HMC V Для импульсных трансформа- торов ЗООННИ, ЗООННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, поонни 1100НМИ VI Для перестраиваемых контуров 10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП — VII Для широкополосных транс- форматоров 50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, ЗООВНС VIII Для магнитных головок 500НТ, 500НТ1 1000НТ, 1000НТ1, 2000НТ 500МТ, 1000МТ 2000МТ, 5000МТ IX Для датчиков температуры 1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200ННЗ, 800НН — X Для магнитного экранирова- ния 200ВНРП, 800ВНРП XI Для устройств, работающих на эффекте ядерного спинового эха 1,5СЧИ З.ОСЧИ растяжении (1...2) -104 кПа, при изгибе — в 2,0...2,5 раза, а при сжатии — в 10...15 раз больше, чем при растяжении. Разомкнутые сердечники характеризуются значением эффективной магнитной проница- емости |лЭф. Для них тангенс угла магнит- ных потерь, температурная и временная не- стабильность уменьшаются приблизительно в р-к/р-эФ раз, а постоянная гистерезиса в (рн/рэф) раз. Исходя из условий эксплуатации и области применения ферритовых сердечников магнитомягкие ферриты могут быть условно разделены на одиннадцать групп (табл. 3.1).
50 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Рис. 3.1. Зависимость магнитной проницае- мости некоторых ферритов от сжимающих напряжений, приложенных перпендикулярно направлению магнитного поля 1 — 700НМ; 2 — 1000НН; 3 — 1500НМЗ; 4 — 3000НМ; 5 - 4000НМ; 6 — 400НН; 7 — 600НН; 8 — 1000НМЗ; 9 — 2000НМЗ; /0 — 2000НН; 11 — 2000НМ1; /2— 6000НМ1 3.2. ФЕРРИТЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Группа ферритов общего применения (группа I) включает в себя никель-цин- ковые ферриты марок 100НН, 400НН, 400НН1, 600НН, 1000НН, 2000НН и марганцево-цин- ковые ферриты марок 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ, ЗОООНМ. Ферриты данной группы ис- пользуются в слабых и сильных полях в Рис. 3.2. Магнитные спектры ферритов 100НН и 600НН (-----зависимость ц',--------|л") Рис. 3.3. Частотная зависимость относитель- ного тангенса угла магнитных потерь ферри- тов I группы 1 — 2000НН; 2 — 1000HH; 3 — ЗОООНМ; 4 — 1000НМ, 1500НМ, 2000НМ; 5 — 600НН; 6 — 400НН; 7 — 400НН1; 8 — 100НН диапазоне частот до 30 МГц в качестве сердечников трансформаторов, дросселей, маг- нитных антенн и в другой аппаратуре, где нет особых требований к температурной и вре- менной стабильности параметров. Для этих ферритов устанавливаются нормы только на значение начальной магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь. Основ- ные магнитные параметры приведены в табл. 3.2, а дополнительные — в табл. 3.3. Магнитные потери марганцево-цинковых ферритов значительно ниже, чем никель-цин- ковых при близких значениях начальной маг- нитной проницаемости. Марганцево-цинковые ферриты, входя- щие в группу I, обладают меньшей зави- симостью магнитной проницаемости от напря- женности магнитного поля по сравнению с никель-цинковыми. Ширина петли гистерезиса у них меньше ввиду меньших значений ос- таточной индукции и коэрцитивной силы при достаточно высоких значениях индукции. В табл. 3.4 приведены значения темпе- ратурного коэффициента начальной магнит- ной проницаемости в различных интервалах температур. Значения магнитной индукции при раз- личных напряженностях постоянного магнит- ного поля указаны в табл. 3.5. На рис. 3.2 приведены магнитные спектры ферритов марок 100НН и 600НН, а на рис. 3.3 — частотные зависимости относитель- ного тангенса угла магнитных потерь ферри- тов I группы. Представленные зависимости измерялись в магнитных полях //„.<: 0,5 А/м. Зависимость магнитной проницаемости и тангенса угла потерь от напряженности пе- ременного магнитного поля показана на рис. 3.4, а для никель-цинковых и 3.4, б для марганцево-цинковых ферритов.
й 3.2] Ферриты общего применения 51 5) Рис. 3.4. Зависимость магнитной проницаемости-и тангенса угла магнитных потерь----от напряженности переменного магнитного поля при / = 0,1 МГц для ферритов I группы: а — никель- цинковые ферриты; б—марганцово-цинковые ферриты 1 — 2000НН; 2 — 1000НН; 3 — 600НН; 4 — 400НН: 5 — 400НН1; 6 - ЗОО0НМ; 7 — 2000НМ; 8 — 1500НМ; 9 — 1000НМ Рис. 3.5. Температурная зависимость начальной магнитной проницаемости ферритов ^группы: а — никель-цинковые ферриты; б — марганцово-цинковые ферриты
52 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Таблица 3.2. Основные электромагнитные параметры ферритов I группы Марка Начальная магнитная проницае- мость р,н Частота измерений L МГц 106, не более, при напряженности Нт, А/м, равной 0,8 8 100НН 100 + 20 7 125 — 400НН 400НН1 400 + И” 50 400 + 80 18 12 50 25 600НН 1000НН 600 + 200 100 1000 + 200 0,1 22 50 75 150 2000НН 2000 +400 200 1000 + 200 1500 + 300 85 270 1000НМ 1500НМ 15 45 2000НМ 2000 + 500 300 зооонм 3000 + 500 35 60 Рис. 3.6. Зависимость обратимой магнитной проницаемости ферритов при f=l кГц и Н„ = 0,8 А/м от напряженности постоянного магнитного поля: а — никель-цинковые ферриты I группы; б — марганцово-цинковые ферриты I, II, III групп 1 — 2000НН; 2— 1000НН; 3 — 600НН; 4 — 400НН. 400НН1; 5 — 10000НМ; 6 — 6000НМ. 6000НМ1; 7 —4000НМ; 8 — 3000НМ; 9 — 2000НМ, 2000НМ1, 2000НМЗ; 10 — 1500НМ, 1500НМ1, 1500НМЗ; 11 — 1000НМ, 1000НМЗ; 12 — 700НМ
Таблица 3.3. Дополнительные параметры ферритов I группы Марка Ар, МГц, при tg6M У1 max Но, А/м, ПРИ Ртах В, Тл В,., Тл Нс, А/м OflOe %109 ИЙ при f = 1МГц Ом м ек °с не менее Конфигурация изделий 0,02 0,1 100НН 400НН 15,00 1,50 30,0 3,5 850 1100 120 64 0,44 0,25 0,29 0,12 56 64 10,0 10« 104 300 120 Кольцевые, стержне- вые 400НН1 3,90 6,0 1400 100 0,28 0,16 48 3,8 103 300 Стержневые 600НН 0,70 1,5 1600 56 0,31 0,14 32 - 11,7 104 ПО Кольцевые, стержне- вые, Ш-образные, раструбы 1000НН 0,4 3000 32 0,27 0,15 20 14,0 Кольцевые, П-образ- ные 2000НН - 0,1 7000 12 0,25 0,12 8 10,0 70 1000НМ 0,20 1800 40 20 14 4,7 Кольцевые 1500НМ 0,10 0,6 2500 — 0,35 0,11 24 12 2,9 200 2000НМ 0,05 0,5 0,38 0,13 10 2,1 0,5 Кольцевые, броне- 3500 20 вые; Ш-образные, пластинчатые ЗОООНМ 0,02 0,1 0,35 0,12 12 3 1,6 140 Кольцевые Примечание. Значения В, В, указаны при HQ = 800 А/м.
54 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Таблица 3.4. Относительный температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости ферритов I группы Марка • 106, К прн температуре, °C, равной — 60...+20 20...50 20...155 100НН 30...90 5...45 400НН 5...15 5...15 400НН1 25...30 — 15... —25 -4...-6 600НН 6...15 6...15 1000НН 2,5...7,5 2,5...7,5 — 2000НН 2...6 2...6 1000НМ 2,5...4,5 1,0-9,0 — 0,5...+ 4,0 1500НМ 1,5...3,7 -1,0...+ 8,0 -0,4...+ 4,2 2000НМ 0,0...+ 3,5 -2,5... + 5,0 — 0,5...+ 3,0 3000НМ 2,0...3,0 1,5...2,5 — Изменение начальной магнитной прони- цаемости от температуры представлено на рис. 3.5, а для никель-цинковых и на рис. 3.5, б для марганцово-цинковых ферри- тов. Особенностью марганцово-цинковых фер- ритов является более высокое значение тем- пературы Кюри по сравнению с никель-цин- ковыми ферритами и меньшие значения тем- пературного коэффициента магнитной прони- цаемости (см. табл. 3.4 и рис. 3.5). Зависимость обратимой магнитной прони- цаемости ферритов на частоте [=1 кГц при /7,„ = 0,8 А/м от напряженности постоянного магнитного поля Но приведена на рис. 3.6, а, б. Из ферритов этой группы выпускаются детали различной конфигурации и размеров: кольцевые (ГОСТ 16541—76, ГОСТ 14208—77), броневые (ГОСТ 19197—73), Ш, Е, П, Г-об- разные сердечники, пластины, стержни, труб- ки и др. Таблица 3.5. Изменение магнитной индукции от напряженности магнитного поля ферритов I группы 3.3. ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЕ ФЕРРИТЫ Группа термостабильных ферритов (груп- па II) включает в себя никель-цинковые ферриты марок 7ВН, 20ВН, 30ВН, 50ВН 100ВН, 150ВН и марганцово-цинковые фер- риты марок 700НМ, 1000НМЗ, 1500НМ1 1500НМЗ, 2000НМ1, 2000НМЗ. Общим признаком ферритов этой группь являются малое значение температурногс коэффициента начальной магнитной проница емости в широком интервале температур и достаточно низкие магнитные потери. Дл; феррита марки 2000НМЗ нормируется коэф фициент дезаккомодации, который в нескольк» раз меньше, чем для других марок марганцо! во-цинковых ферритов. Для никель-цинковы: ферритов типа ВН это значение не норми руется, так как они имеют значительно боле: высокую временную стабильность, чей Мп — Zn-ферриты. Термостабильные марганцово-цинковы ферриты применяют на частотах до 3 МГц а никель-цинковые (высокочастотные) — вплоть до 100 МГц. Температурный коэффициент магнитно: проницаемости ТКр в сильных полях пр: индукциях больше 0,1 Тл для всех высокопро ницаемых ферритов примерно одинаков и сс ставляет около 0,3%-К-1, поэтому примене ние термостабильных Мп — Zn феррит» оправдано только в слабых переменных поля? Термостабильные высокочастотные ни кель-цинковые ферриты не рекомендуется под вергать воздействию постоянных и перемен ных полей с напряженностью, выше опредс ленного значения (пороговое поле), так ка после приложения поля выше пороговог материал необратимо переходит в состояни Марка Магнитная индукция В, Тл, при напряженности Но, А/м, равной 40 80 240 800 100НН — 0,142 0,266 0,360 400НН 0,046 0,100 0,230 0,250 600НН 0,070 0,160 0,270 0,310 юоонн 0,095 0,167 0,226 0,270 2000НН 0,154 0,200 0,236 0,250 1000НМ 0,206 0,290 0,340 0,370 2000НМ 0,179 0,287 0,366 0,394 3000НМ 0,250 0,320 0,360 0,370 Рис. 3.7. Магнитные спектры некоторых фе| ритов II группы;---зависимость р/,------|i
В 3.3] Термостабильные ферриты 55 Таблица 3.6. Основные электромагнитные параметры ферритов II группы Марка Цн (tgWlM • Ю6, не бо- лее, при напряжен- ности Я/и, А/м, равной Частота измере- ний, /, МГц Di не to6, более 0,8 8 7ВН 7+1 680 70 20ВН 20 + 4 300 30 Не нор- ЗОВН 30 + 5 170 30 мируется 50ВН 50+10 180 — 20 100ВН 100 + 20 135 18 150ВН 150 + 20 12 700НМ 700 + 200 80 3 30 1000НМЗ 1000 + 200 5 15 25 1500НМ1 15 45 12 1500НМЗ 1500 ч~ 300 5 15 0,1 15 2000НМ1 2000 + ^00 и±300 15 45 10 2000НМЗ 12 35 3 Таблица 3.7. Температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости ферритов II группы Марка сс.цн-106, К 1 при тем пературе, °C равной — 70...+ 20 -60... + 20 — 40... + 20 -20...+ 20 -10...+ 20 + 20...+ 50 7ВН — — 14...+ 70 — 14...+ 70 — 14... + 70 —14... + 70 — 14...+ 70 20ВН — 2...+ 20 — 2...+ 20 — 2...+ 20 — 2...+ 20 — 2...+ 20 — 2...+20 ЗОВН — 40...0 -85...0 —120...0 —100...0 -100...0 — 35...+ 35 50ВН — 5...+7 -3..-+10 — 3—+ 10 — 3—+ 10 — 3... + 10 0—+ 10 100ВН — 15..40 15...30 10...15 0...8 0...+8 150ВН — 15...40 15...30 10...20 — 4... + 4 -4...+ 4 700НМ — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+1,2 — 0,2...+1,2 — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+ 1,2 1000НМЗ — 0,2...+ 1,3 — 0,2...+ 1,2 — 0,2... + 1,0 — 0,2... + 1,0 — 0,2...+ 1,0 — 0,2... + 1,0 1500НМ1 0,2...3,4 0,2...2,8 0,1...1,7 0-1,1 — 0,1...+ 0,8 — 0,1... + 0,6 1500НМЗ — 0,2...+ 1,6 — 0,2...+ 1,5 — 0,2...+ 0,9 — 0,2...+ 0,7 — 0,2...+ 0,7 — 0,2...+ 0,7 2000НМ1 0,2...3,4 0,2...2,8 0,1...2,0 0,0... 1,2 — 0,1... + 1,0 — 0,1... + 0,8 2000НМЗ 0,0...2,0 0,0...1,5 0,0-1,4 0,0...1,2 0,0...1,0 0,0-0,8 Продолжение табл. 3.7 Марка аМ||-106, К при температуре, °C, равной + 20...+ 70 + 20... + 85 + 20...+ 100 + 20... + 125 + 20...+ 155 7ВН — 14...+ 70 — 14...+ 70 — 14...+ 70 — 14...+70 - 20ВН — 2...+ 20 — 2...+ 20 — 2...+20 — 2...+20 — 2... + 20 ЗОВН — 35...+ 35 — 35...+ 35 — 35...+ 35 — 35... + 35 -35...+ 35 50В Н 0...10 0...10 0...10 0...10 0...10 100ВН 0...8 0...8 0...8 0...8 0...8 150ВН — 4... + 4 — 4...+ 4 — 4...+ 4 — 4...+4 — 4...+ 4 700НМ — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+ 1,2 — 0,2...+ 1,2 1000НМЗ — 0,2...+ 1,0 — 0,2...+ 1,0 — 0,2...+ 1,0 — 0,2... + 1,0 — 0,2...+1,2 1500НМ1 — 0,1...+ 0,8 — 0,1 — + 1,1 — 0,1...+ 1,4 — 0,1.. . + 2,0 0,0...3,0 1500НМЗ — 0,2...+0,7 — 0,2... + 0,8 — 0,2...+ 0,9 — 0,2...+ 1,1 — 0,2...+ 1,5 2000НМ1 — 0,1...+ 1,0 — 0,1... + 1,3 — 0,1... + 1,6 — 0,1... + 2,0 0,0...3,0 2ОООНМЗ 0,0...1,0 0,0...1,2 0,0...1,5 0,0...1,8 0,0...2,5
Таблица 3.8. Дополнительные параметры ферритов II группы Марка Ар, МГц, при tg8M P-max На, А/м, ПРИ Ртах В, Тл Вг, Тл Нс, А/м -у- 10® при Ря /=0.1 МГц р, Ont м ек,°с, не менее Конфигурация сердечников 0,02 0,1 7ВН 20ВН 150 65 220 120 15 45 4400 2000 0,07 0,20 0,06 0,10 2240 1000 53,0 106 Кольцевые, стержневые Кольцевые, броневые, стержневые Кольцевые, броневые, 30ВН 110 200 90 1600 0,26 0,07 520 3,8 105 450 50ВН 40 70 170 800 0,30 0,20 360 20,2 104 стержневые, двухотверстные Кольцевые, броневые 100ВН 25 35 280 480 0,36 0,15 280 1,3 105 400 Антенные 150ВН 15 25 330 520 0,35 3,4 104 » 700НМ 2 5 1900 128 0,38 0,05 240 0,5 20 240 Кольцевые, броневые, антенные 1000НМЗ 0,6 1,8 2000 80 0,33 0,10 28 1,4 10 Кольцевые, броневые, П-образные 1500НМ1 0,1 0,6 3000 32 0,35 2,9 5 Кольцевые, П-образные 1500НМЗ 0,3 1,5 48 0,38 0,08 16 1,0 20 200 Кольцевые, броневые, стержневые 2000НМ1 0,05 0,5 3500 32 0,12 2,1 5 Кольцевые, броневые, стержневые, Ш-образные 2000НМЗ 48 0,36 25 1,6 0,5 Кольцевые, броневые Примечание. Значения В, В„ Нс указаны при Но = 4000 А/м для ферритов марки ВН и Но = 800 А/м для ферритов марки НМ. Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3]
[§ 3.3] Термостабилъные ферриты 57 Таблица 3.9. Изменение магнитной индукции от напряженности магнитного поля ферритов II группы Марка Магнитная индукция В, Тл, при напряженности Но, А/м, равной 40 80 240 800 7ВН 0,005 20ВН 0,020 ЗОВН — — 0,068 50ВН 0,189 100ВН 0,040 0,265 700НМ 0,040 0.124 0,356 0,394 1000НМЗ 0,100 0,200 0,290 0,334 1500НМ1 0,146 0,240 0,320 0,350 1500НМЗ 0,148 0,250 0,350 0,380 2000НМ1 0,165 0,244 0,312 0,340 Рис. 3.8. Частотная зависимость относитель- ного тангенса угла магнитных потерь ферритов II группы 1 — 1500НМ1, 2000НМ1, 2000НМЗ; 2 — 1500НМЗ; 3— 100НМЗ; 4 — 700НМ; 5 — 150ВН; 6 - 100ВН; 7-50ВН; 8 —ЗОВН; 9 — 20ВН; 10 — 7ВН Рис. 3.9. Зависимость магнитной проницаемости--и тангенса угла магнитных потерь------от напряженности переменного магнитного поля при f = 0,1 МГи для ферритов II группы: а — иикель- цинковые ферриты; б — марганцово-цинковые ферриты 1 — 150ВН; 2 — 100ВН; 3 — 50ВН; 4 — ЗОВН; 5 — 20ВН; 8 — 2000НМ1; 7 — 2000НМЗ; 8— 1500НМ1; 9 — 1500НМЗ; 10 — 1000НМЗ; И -- 700НМ
58 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Рис. 3.10. Температурная зависимость началь- ной магнитной проницаемости ферритов II группы: а—марганцово-цинковые ферри- ты; б — никель-цинковые ферриты с низкой добротностью. Возвратить феррит в исходное состояние можно только нагреванием его выше температуры Кюри и последующим охлаждением. Значение порогового поля для ферритов марок 150ВН и 100ВН составляет 300 А/м, для 50ВН - - 500 А/м, для 30ВН и 20ВН — 1500 А/м и для 7ВН - 3000 А/м. Для повышения температурной и времен- ной стабильности изделий применяют сердеч- ники с разомкнутой магнитной цепью, напри- мер' броневые сердечники. Поскольку относи- тельные электромагнитные параметры мате- риалов не зависят от эффективной магнитной Рис. 3.11. Зависимость обратимой магнитной проницаемости при /=1 кГц и /7т = 0,8 А/м от напряженности постоянного магнитного поля для пмкель-цннковых ферритов II и VII групп / —300ВНС: 2 — 200ВНС; 3— 150ВН; 4- 100ВН: 5 — 90ВНС; 6 — 50ВН; 7 — 50ВНС: 8 — ЗОВН; 9— 20ВН проницаемости магнитопровода, все приведен- ные в таблицах данные могут быть исполь- зованы и для сердечников с разомкнутой маг- нитной цепью. Рис. 3.12. Частотная зависимость составля- ющих диэлектрической проницаемости для некоторых ферритов IIи III групп ----------зависимость е', -------е".
!§ 3.4] Высокопроницаемые ферриты 59 В табл. 3.6 приведены основные электро- магнитные параметры термостабильных фер- ритов, а в табл. 3.7 — относительный темпе- ратурный коэффициент начальной магнитной проницаемости. Дополнительные параметры термоста- бильных ферритов представлены в табл. 3.8. Там же указаны основные конфигурации сер- дечников, изготовляемых промышленностью из ферритов той или иной марки. Зиачеиия магнитной индукции при раз- личных напряженностях постоянного магнит- ного поля приведены в табл. 3.9. На рис. 3.7 представлены частотные за- висимости составляющих комплексной маг- нитной проницаемости, а на рис. 3.8 — частотные зависимости относительного тан- генса угла магнитных потерь. Зависимости магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь от напря- женности переменного магнитного поля пока- заны на рис. 3.9, а, б. Температурные зависимости начальной магнитной проницаемости приведены на рис. 3.10. Зависимости обратимой магнитной про- ницаемости от напряженности постоянного магнитного поля для никель-цинковых фер- ритов этой группы представлены на рис. 3.11, а для марганцово-цинковых— на рис. 3.6, б. Частотные зависимости составляющих комплексной диэлектрической проницаемости ферритов 1000НМЗ, 1500НМЗ и 2000HMI приведены на рис. 3.12. 3.4. ВЫСОКОПРОНИЦАЕМЫЕ ФЕРРИТЫ В эту группу (группа III) входят мар- ганцово-цинковые ферриты с высокой началь- ной магнитной проницаемостью марок: 4000НМ, 6000НМ, 6000НМ1, 10 000НМ, Рис. 3.13. Частотная зависимость относитель- ного тангенса угла магнитных потерь ферритов III группы при Нт^0,5 А/м 7 — 6000НМ, 10000НМ; 2 — 20000НМ; 3 — 6000НМ1; 4 — 4000НМ 20 000HM. Эти ферриты предназначены для использования в качестве сердечников транс- форматоров, делителей напряжения, стати- ческих преобразователей и других приборов, в которых они с успехом заменяют дорого- стоящие сердечники из тонкокатаного пермал- Рис. 3.14. Магнитные спектры некоторых фер- ритов III группы;---зависимость р',------- р" Таблица 3.10. Основные электромагнитные параметры ферритов III группы Марка Нн <Хц„-106, К~', ре, °C при температу- равной м • 106, не более, Нм при напряженности Нт, А/м, равной Частота измере- ний МГц Pf-106, не более —60...+ 20 20...70 0,8 8 4000НМ ' 4000 800 1,5...2,5 0,5...1,5 35 60 0,1 6000НМ бооо^^ооо wvu_1200 0,6... 1,5 0,2...1,5 45 75 6000НМ1 6000 2000 оиии_1200 0,5...1,5 0,5...1,5 10 30 0,03 10000НМ 10000+ 5000 1ииии —2000 0,5...2,0 0,2...1,5 35 90 0,02 2 20000НМ 20000 + 5000 0,0...1,5 — 0,5...+ 0,5 10 30 0,01
60 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] лоя. Такая замена целесообразна только для трансформаторов, работающих при малых ин- дукциях, из-за низких значений индукции насыщения ферритов по сравнению с метал- лическими ферромагнетиками. Основные электромагнитные параметры ферритов приведены в табл. 3.10, а дополни- тельные— в табл. 3.11. Значения магнитной индукции при раз- личных напряженностях постоянного магнит- ного поля даны в табл. 3.12. Феррит марки 6000НМ1 по сравнению с Рис. 3.15. Зависимость магнитной проницаемости-и тангенса угла магнитных потерь------с напряженности переменного магнитного поля ферритов III группы: а — 60000НМ1; б — 6000 НА 4000НМ; в — 10000НМ; г — 20000НМ
К 3.5] Ферриты для телевизионной техники 61 Таблица 3.11. Дополнительные параметры ферритов III группы Марка )„р, МГц, при tg6„ Ртах н0, А/м, при Ртах В, Тл Вг, Тл Нс, А/м ^-10* Р« при f = — 0,1 МГц р, Ом - м ек, °с, не менее Конфигурация сердечников 0,02 0,1 4000НМ 0,005 0,100 7000 16 0,37 0,13 8,0 0,9 0,50 125 Кольцевые, Ш-образные Кольцевые, броневые Кольцевые, броневые, 6000НМ — 0,050 10 000 12 0,35 0,11 0,5 0,10 ПО 6000НМ1 0,030 0,100 20 0,34 0,09 4,0 0,4 1,00 > 125 10000НМ 0,020 0,050 17 000 8 0,35 0,11 0,5 0,01 >110 пластинчатые Кольцевые, Ш-образные Кольцевые, П-образные 20000НМ — 0,005 35 000 4 2,0 — <0.01 Примечание. Значения В, Вг, Нс указаны для До = 8ОО А/м. Таблица 3.12. Изменение магнитной индукции от напряженности магнитного поля ферритов III группы Марка Магнитная индукция В, Тл, при напряженности Но, А/м, равной 40 80 240 800 4000НМ 0,260 0,320 0,366 0,37 6000НМ 6000НМ1 0,270 0,280 0,308 0,310 0,345 0,340 0,35 10000НМ 20000НМ 0,310 0,330 0,350 Рис. 3.16. Температурная зависимость началь- ной магнитной проницаемости ферритов Ш группы ферритом 6000НМ имеет tg приблизительно в три раза меньше при одинаковых значениях Н,п ввиду меньших значений гистерезисных и дополнительных потерь. Основные зависимости относительного тангенса угла магнитных потерь от частоты приведены на рис. 3.13, а магнитные спектры ферритов марки 6000НМ1, 10 000HM и 20 000HM — на рис. 3.14. Зависимости маг- нитной проницаемости и tg 6М от напряжен- ности переменного магнитного поля для различных частот показаны на рис. 3.15, а, б, в, г. Изменение начальной маг- нитной проницаемости от температуры пред- ставлено на рис. 3.16. На рис. 3.12 показаны частотные зависимости составляющих ди- электрической проницаемости феррита марки 6000НМ1, а на рис. 3.6, б — влияние посто- янного магнитного поля на обратимую магнитную проницаемость ферритов III группы. 3.5. ФЕРРИТЫ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ ТЕХНИКИ Группа ферритов для телевизионной техники (группа IV) включает в себя марган- цово-цинковые ферриты марок 2500НМС1 и 3000НМС. Эти ферриты в основном исполь- зуются в качестве сердечников выходных строчных трансформаторов (ТВС) и спе- циальных узлов телевизоров черно-белого и цветного изображения. Сердечники ТВС предназначены для работы в полях, обеспечивающих магнитную индукцию 0,1...0,2 Тл на частоте 16 кГц. Кроме того, для создания высокого напряжения на
62 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Таблица 3.13. Основные электромагнитные параметры ферритов IV группы Марка Удельные потери Р, мкВт/(см3-Гц), на частоте’ 10...20 кГц при температуре, °C, равной Магнитная индукция. В,. Тл, при Нс —240 А/м и температуре, °C, равной 25±10 100±3 120±3 100±3 120± 3 2500НМС1 <10,5 <8,7 — >0,29 — 3000НМС <2,5 — <2,5 — >0,25 Примечание. Значения удельных потерь для марки 2500НМС1 измеряются при В = 0,2 Тл, для марки 3000НМС — 0,1 Тл. Рис. 3.17. Начальная кривая намагничивания и размагничивающая ветвь петли гистерезиса фер- ритов IV группы: а — 2500НМС1; б — 3000НМС
[§ 3.5] Ферриты для телевизионной техники 63 Таблица 3.14. Дополнительные параметры ферритов IV группы Марка /кр, МГц, при tg6H, равном Цтах нт, А/м, при Цтах В, Тл В„ Тл Нс, А/м ^•109 Цн р, Ом*м ек. °с, не менее 0,02 0,1 2500НМС1 0,16 0,40 4800 40 0,45 0,1 16 3,1 1,0 200 3000НМС 0,10 0,36 4800 32 0,45 0,1 12 3,8 1,0 200 П р и м- е ч а н и е. Значени я В, Вг, Нс, ука. *аны дл5 До = 8( )0 А/м. Таблица 3.15. Температурный коэффициент начальной магнитной проницаемости ферритов IV группы Марка «цн-106, К \ при температуре, °C, равной — 60...+ 20 — 10...+ 20 20...50 20...155 2500НМС1 3000НМС 2,0...3,6 3,5...5,0 3,5...5,0 3,0...6,0 2,0...7,5 2,0...7,0 1,6...7,5 2,0...7,0 Рис. 3.18. Зависимость магнитной проницаемости ---- и удельных объемных магнитных потерь------на частоте /=16 кГц от магнитной индукции для ферритов IV группы: а — 2500НМС1; б — 3000НМС электронно-лучевой трубке при малых затра- тах мощности сердечники строчных трансфор- маторов должны обладать максимальным зна- чением магнитной проницаемости и минималь- ным значением потерь при вышеуказанных значениях индукции и частоты. Для трансформаторов коррекции гео- метрических искажений телевизионного изображения необходимы сердечники, у кото- рых магнитная проницаемость изменяется в широких пределах по определенному закону в зависимости от намагничивающего поля. Перечисленным требованиям удовлетво- ряют ферриты 2500НМС1 и 3000НМС. Эти ферриты обладают малыми потерями в силь- ных магнитных полях при рабочих частотах до десятков килогерц, повышенным значением магнитной индукции при высоких температу- рах и при наличии подмагничивающих полей. Для систем динамического сведения лу- чей в телевизионных приемниках применяют феррит марки 2000НМ. В табл. 3.13 приведены основные пара- метры ферритов этой группы, а в табл. 3.14 — дополнительные параметры. Значения темпе- ратурного коэффициента начальной магнит- ной проницаемости в различных интервалах температур приведены в табл. 3.15.
64 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] На рис. 3.17 показаны зависимости индукции от напряженности постоянного маг- нитного поля при намагничивании и размаг- ничивании ферритов марок 2500НМС1, 3000НМС. Зависимости магнитной прони- цаемости и удельных объемных магнитных потерь на частоте 16 кГц от магнитной индукции приведены на рис. 3.18. Изделия из ферритов для телевизионной техники выпускаются в виде Ш- и П-образных деталей, которые, как уже отмечалось, в ос- новном используются в качестве сердечников строчных, корректирующих и силовых транс- форматоров для телевизионных приемников. 3.6. ФЕРРИТЫ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ Группа ферритов, предназначенных для работы в импульсных режимах намагничива- ния (группа V), включает в себя никель-цин- ковые ферриты марок 300ННИ, 300ННИ1, 350ННИ, 450ННИ, 1000ННИ, 1100ННИ и марганцово-цинковый феррит марки 1100НМИ. Основными характеристиками ферритов этой группы являются: импульсная магнитная про- ницаемость при оптимальном импульсном поле и ее температурная стабильность. Импульс- ная магнитная проницаемость определяется отношением приращения индукции В„ (импульса индукции) к максимальному зна- чению напряженности импульсного магнит- ного поля /7„: р.« = Ви/р.оЯ„. (3.11) Величина щ является функцией макси- мальной напряженности поля /7И, длитель- ности импульса т„, частоты повторения импульсов и температуры. Для ферритов, применяемых в качестве сердечников мощных импульсных трансфор- маторов, необходимо учитывать также удель- ные объемные магнитные потери и их зависимость от магнитной индукции и дли- тельности намагничивающего импульса, по- скольку потери являются основным фактором, определяющим разогрев сердечника. В табл. 3.16 приведены основные пара- метры ферритов для импульсных полей, а в табл. 3.17 — дополнительные параметры и конфигурация выпускаемых промышлен- ностью сердечников. Зависимость импульсной магнитной про- ницаемости от температуры построена на рис. 3.19. На рис. 3.20 показаны зависимости удельных объемных магнитных потерь от ин- дукции при различных длительностях намаг- ничивающих импульсов. Изменение импульс- Рис. 3.19. Температурная зависимость им- пульсной магнитной проницаемости при опти- мальной напряженности импульсного намаг- ничивающего поля (ти = 3 мкс) и частоте сле- дования импульсов 5 кГц 1 — 1000ННИ; 2 -- 1100НМИ; 3 — 1100ННИ; 4 -- 450ННИ; 5 — 35ННИ; 6 — 300ННИ1; 7 — 300ННИ магнитных потерь от магнитной индукции при различных длительностях намагничивающего импульса для ферритов V группы: а — 1000ННИ; б — 450ННИ; в — 1100НМИ
К 3.6] Ферриты для импульсных трансформаторов 65 Таблица 3.16. Основные электромагнитные параметры ферритов V группы Марка flu ПрИ Тц — = 1...3 мкс и /и = 0,5...5 кГп Я» опт, А/м Д|1и/ци, %, при темпера- туре, °C, равной — 60...+ 20 20...85 ЗООННИ 300 + 50 80...240 — 30...+ 30 — 30...+ 30 ЗООННИ 1 300 + 80 8ии —50 64 — 4...+ 8 — 8... + 4 350ННИ 350 + 75 80 — — 30...+ 30 450ННИ 450 + 50 240 0... —25 0...+ 10 1000ННИ 1000_*78ии 1ии — 250 64 0... —30 0... —30 поонни 1100 + 250 80 0... —50 0... —50 1100НМИ 1100+150 -25...+ 25 — 25...+ 25 Таблица 3.17. Дополнительные параметры ферритов V группы . Марка /кр> МГц, при tg6p= = 0,1 Птах Яо, А/м, при Птах В, Тл Вг, Тл Be, А/м «рн-106, К- ратуре, *, при темпе- С, равной при f = = 0,1 МГц Р’ Ом- м ек. °C, ие ме- нее Конфигу- рация сердеч- ника — 60...+ 20 20...100 ЗООННИ 2,0 300 240 0,30 0,28 160 — — 23,0 10 240 Кольце- вые, П- образ- ные ЗООННИ 1 400 160 0,22 0,06 96 — 2,0... - + 1,0 — 2,0... +1,0 33,0 ю4 160 Кольце- вые 350ННИ 2,5 1000 80 0,26 0,12 48 3...24 4...17 38,0 ю7 180 Кольце- вые, О-об- разные 450ННИ 1000ННИ 1,0 0,5 2100 56 0,37 0,30 0,16 0,09 40 16 8...14 4...9 6...18 2...6 31,0 7,6 103 103 230 120 Кольце- вые, П-об- разные Кольце- вые поонни поонми 0,4 0,3 3000 32 0,27 0,40 0,08 0,15 20 24 3...6 1...3 2...4 1...3 5,0 3,8 10 0,1 ПО 180 Кольце- вые Кольце- вые Примечание. Значения В, Вг, Нс указаны для Яо = 8ОО А/м. Рис. 3.21. Зависимость импульсной магнит- ной проницаемости от длительности импульса при напряженности импульсного намагничива- ющего поля 80 А/м на частоте f = 5 кГц 1 - 1000ННИ; 2 — 1100НМИ; 3 1100ННИ; 4 — 450ННИ; 5 — 350ННИ; 6 — ЗООННИ!, ЗООННИ 3 Заказ 1122
66 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] ной проницаемости от длительности импульса 10ВНП, 35ВНП, 55ВНП, 60ВНП, 65ВНП, изображено на рис. 3.21. 90ВНП, 150ВНП, 200ВНП, 300ВНП и используются в контурах различных радио- 3.7. ФЕРРИТЫ технических устройств, перестраиваемых ДЛЯ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ КОНТУРОВ постоянными подмагничивающими полями. МОЩНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ Перечисленные материалы обладают УСТРОЙСТВ большим значением коэффициента перестрой- ки по частоте kf, малым значением тангенса Ферритовые сердечники этой группы угла магнитных потерь при частотах до (группа VI) изготовляются из высокочастот- 250 МГц как при малых, так и повышенных ных никель-цинковых ферритов марок значениях индукции. Характерным парамет- Таблица 3.18. Основные электромагнитные параметры ферритов VI группы Марка Нк tg6MU03, не более, при индукции, Тл, равной Час- тота изме- рений А МГц kf, не менее, при Но = = 0... ...14400 А/м из-10", (м/А)2, при Н„ = = (0-0,5) Не А/м сс,,/7-106, не более, при температуре, °C, равной 0100'0 0,0075 0,0100 0,0125 OSl‘0 0910'0 0,0180 ооео'о —60... ... + 20’ 20... 125 ЮВНП 35ВНП 55ВНП 60ВНП 65ВНП 90ВНП 150ВНП 200ВНП 300ВНП 10+ 4 35t58 55+^ 6O±io 65+7 9°+% 150^25 200 ±25 300 + 50 U —20 10,0 14,0 17,0 8,4 10,0 8,4 10,0 20,0 10,5 50,0 11,0 13,0 50,0 20,0 10,0 — 14,5 50,0 16,7 50,0 11,0 15 6 80 8 7 - 8 7 3 20 3 1,7 2,5 3,5 3,3 3,8 5,5 7,0 9,0 11,0 0,07 0,08 0,50 0.20 9,00 10,00 12,00 390...750 20...30 25...55 60... 130 30...55 30...60 40...80 20...55 10...30 90...200 30...45 5...110 25...80 45...80 70...130 50...100 20...40 5...20 (20...100 еС) 13,3 9,0 20,8 Таблица 3.19. Дополнительные параметры ферритов VI группы Марка /кр, МГц, при tg6„ Ртах я0, А/м, при Птах В, Тл Вг, Тл Нс, А/м р» Ом-м ек- °C не менее Конфигурация сердечников 0,02 0,1 ЮВНП 200 250 40 3700 0,14 0,08 1600 ю7 500 Кольцевые 35ВНП — 160 200 800 0,20 0,12 380 106 400 55ВНП 55 320 440 0,35 0,15 410 ю7 Кольцевые, О-образные Кольцевые, 60ВНП 35 360 480 0,42 0,25 320 ю8 65ВНП 53 350 430 0,36 0,16 400 ю7 350 пл астинчатые Кольцевые, О-образные, пластинчатые 33 90ВНП 50 650 240 0,32 0,25 208 150ВНП 200ВНП 15 10 30 15 1900 850 100 80 0,34 0,40 0,24 0,25 60 80 106 220 240 Кольцевые, О-образные 300ВНП 3 6 800 160 0,29 0,18 96 120 Кольцевые, Г-образные Примечание. Значения В, Вг, Нс указаны для Яо = 4ООО А/м, а для марок 35ВНП, 90В НП, 150ВНП — До = 800 А/м.
К 3.7] Ферриты для перестраиваемых контуров 67 Рис. 3.22. Зависимость магнитной индукции--для переменного,-------для постоянного поля от напряженности магнитного поля для ферритов VI группы; а—10ВНП; б — 55ВНП, 60ВНП; в — 65ВНП; г— 200ВНП Рис. 3.23. Зависимость магнитной проницаемости — и тангенса угла магнитных потерь--при различных частотах от индукции для ферритов VI группы: а — 10ВНП; б —60ВНП, 55ВНП 65ВНП / — 60ВНП; 2— 55ВНП; 3 — 65ВНП; в — 200ВНП; г — 300ВНП, 150ВНП, 90ВНП 4 — 300ВНП; 5 — 150ВНП; 6 — 90ВНП
68 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Рис. 3.24. Магнитные спектры ферритов VI группы;--------зависимость ц', ------- ц" I — 200ВНП; 2 — 55ВНП. 50ВНП. 65ВНП: 3~ ювнп Рис. 3.27. Температурная зависимость началь- ной магнитной проницаемости ферритов VI группы 1 — 300ВНП; 2 — 200ВНП; 3 — 150ВНП; 4 — 90ВНП; 5 —55ВНП; 6 — 65ВНП; 7 — 60ВНП; 8 —35ВНП; 9 — ЮВНП Рис. 3.25. Частотная зависимость относитель- ного тангенса угла магнитных потерь для фер- ритов VI группы при А/м / — 300ВНП; 2 — 200ВНП; 3 — 150ВНП; 4- 90ВНП; 5 —60ВНП; 6 — 65ВНП; 7 — 35ВНП; 8— ЮВНП Рис. 3.26. Зависимость обратимой магнитной проницаемости при f=l кГц и Ят==0,8 А/м от напряженности постоянного магнитного поля для ферритов VI группы / — 300ВНП; 2 — 200ВНП; 3 — 150ВНП; 4 — 90ВНП; 5 —65ВНП; 6 — 60ВНП; 7 — 55ВНП; 8 —35ВНП; 9 — ЮВНП ром этой группы ферритовых материалов, позволяющим оценить стабильность работы контуров, является также коэффициент ам- плитудной нестабильности магнитной про- ницаемости. Основные электромагнитные параметры ферритов для перестраиваемых контуров при- ведены в табл. 3.18, а дополнительные — в табл. 3.19. Изменения индукции от напря- женности постоянного магнитного поля отражены в табл. 3.20. Специфика использования ферритов этой группы предполагает преимущественное ис- следование таких характеристик: зависимость индукции от магнитного поля как перемен- ного, так и постоянного (рис. 3.22); зависи- мость магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь от индукции (рис. 3.23); частотные зависимости составляю- щих комплексной магнитной проницаемости (рис. 3.24); частотные зависимости относи- тельного тангенса угла магнитных потерь (рис. 3.25); зависимость обратимой магнитной проницаемости от постоянного магнитного
[§ 3.8] Ферриты для широкополосных трансформаторов 69 Таблица 3.20. Изменение магнитной индукции от напряженности магнитного поля ферритов VI группы Марка Магнитная индукция В, Тл, при напряженности Яо, А/м, равной 40 80 240 800 ювнп — — — 0,015 35ВНП 0,005 0,010 0,032 0,200 55ВНП — 0,330 60ВНП — — 0,108 0,350 65ВНП — 90ВНП 0,010 0,032 0,190 0,320 150ВНП 0,032 0,150 0,294 200ВНП — 0,130 0,289 0,357 ЗООВНП 0,030 0,070 0,200 0,290 поля (рис. 3.26); температурные зависимости начальной магнитной проницаемости (рис. 3.27). У ферритов этой группы отсутствуют не- обратимые изменения свойств при приложении постоянных магнитных полей даже значитель- ной напряженности. 3.8. ФЕРРИТЫ ДЛЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В эту группу (группа VII) входят высокочастотные никель-цинковые ферриты следующих марок: 50ВНС, 90ВНС, 200ВНС, 300ВНС. Эти ферриты предназначены в основном для использования в качестве сердечников Рис. 3.28. Частотная зависимость относитель- ного тангенса угла магнитных потерь для фер- ритов VII группы при Н„,^0,Ъ А/м '1 — 300ВНС; 2 — 200ВНС; 3 — 90ВНС; 4 — 50ВНС 0,015 0,010 0,005 Рис. 3.29. Зависимость магнитной проницаемо- сти------и тангенса угла магнитных потерь -------на частоте / = 3 МГц от индукции для ферритов VII группы 1 — 300ВНС; 2 - 200ВНС; 3 — 90ВНС; 4 — 50ВНС мощных широкополосных согласующих транс- форматоров радиопередающей аппаратуры. Ферриты для мощных широкополосных трансформаторов обладают малыми нелиней- ными искажениями, пониженными значениями тангенса угла магнитных потерь в слабых и сильных полях и более высокими темпера- турами Кюри по сравнению с ферритами предыдущей группы. Ферриты марок 50ВНС, 90ВНС, 200ВНС. Рис. 3.30. Температурная зависимость началь- ной магнитной проницаемости ферритов VII группы 1 — 300ВНС; 2 — 200ВНС; 3 — 90ВНС; 4 — 50ВНС
70 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] Таблица 3.21. Основные электромагнитные параметры ферритов VII группы Марка tg6M * 103, не бо- лее, при индук- ции, Тл, равной Час- тота изме- рений /,МГц 0,001 0,02 50ВНС 5о+1° — о 3,3 6,3 6,7 8 30 90ВНС 90+10 4,4 16,5 7,7 8 30 200ВНС 200 + 20 7,7 25,0 12,5 3 10 300ВНС 300 + 30 11,3 33,0 3 Использование ферритов этой группы допускается только в полях, не- выше порого- вых (Япор), поскольку в более сильных полях происходят необратимые изменения их свойств и материалы переходят в состояние с низкой добротностью даже при кратковременном приложении Н > Удельное сопротивление ферритов 50ВНС, 90ВНС, 200ВНС и 300ВНС составляет р = = 104 Ом-м. В табл. 3.21 приведены основные, а в табл. 3.22 — дополнительные параметры фер- ритов для широкополосных трансформаторов. Значения магнитной индукции при различ- ных напряженностях постоянного магнитного поля приведены в табл. 3.23. Частотная зависимость относительного Таблица 3.22. Дополнительные параметры ферритов VII группы Марка МГц, при tg6„ Ртах #0, А/м, при Ртах В, Тл В„ Тл НС, К/ы. //пор> А/м ек. °C, не ме- нее «ин-106, К 1, при темпе- ратуре, °C Конфигурация сердечников 0,02 0,1 -60...+ 20 20... 155 50ВНС 70,0 80,0 170 800 0,17 0,02 4,8 640 480 50...80 20...40 Кольцевые, стержневые 90ВНС 30,0 40,0 340 640 0,28 0,08 152 400 400 20...50 5...10 Кольцевые, О-образные, стержневые 200ВНС 5,0 11,0 650 280 0,31 64 160 350 20...50 — 5...—10 Кольцевые 300ВНС 4,0 8,0 850 220 0,32 0,13 80 96 250 20...50 — 5...—10 Кольцевые, О-образные Примечание. Значения В, Вг, Нс указаны для //с=800 А/м. Таблица 3.23. Магнитная индукция при различных напряженностях магнитного поля ферритов VII группы Марка Магнитная Индукция В, Тл, при напряженности Но, А/м, равной 40 80 240 800 50ВНС 0,003 0,005 0,016 0,170 90ВНС 0,004 0,010 0,033 0,280 200ВНС 0,012 0,024 0,184 0,310 300ВНС 0,0175 0,036 0,230 0,320 300ВНС имеют перетянутую (перминварную) форму петли гистерезиса и малые значения тангенса угла магнитных потерь в широком диапазоне частот при повышенных значениях высокочастотной индукции. тангенса угла магнитных потерь изображена на рис. 3.28. На рис. 3.29 построена зависи- мость магнитной проницаемости и тангенса угла магнитных потерь от индукции. Зави- симость магнитной проницаемости от темпе- ратуры показана на рис. 3.30, а обратимой магнитной проницаемости от напряженности постоянного магнитного поля ферритов VII группы — на рис. 3.11. Кроме перечисленных в настоящем разде- ле марок ферритов, для широкополосных согласующих трансформаторов аппаратуры связи, работающих в режиме слабых сигна- лов, с успехом могут использоваться ферриты групп I, II и III. Широкополосность согласующих устройств обеспечивается спа- дом вещественной части комплексной магнит- ной проницаемости этих ферритов в соответствующих диапазонах частот.
В 3.91 Ферриты для магнитных головок 71 3.9. ФЕРРИТЫ ДЛЯ МАГНИТНЫХ ГОЛОВОК Группа ферритов для магнитных головок (группа VIII) включает в себя никель-цинко- вые ферриты марок 500НТ, 1000НТ, 2000НТ, изготовлиемые обычным способом (методом холодного прессования), а также горячепрес- сованные никель-цинковые ферриты 500НТ1, 1000НТ1 и марганцово-цинковые ферриты 500МТ, 1000МТ, 2000МТ, 5000МТ. Основное назначение ферритов данной группы — использование их в качестве ма- териалов для магнитных сердечников головок зайиси, воспроизведения и стирания звуковой и видеоинформации, в том числе для полюсных наконечников. Поскольку в процессе эксплуатации ма- териал сердечника находится в постоянном контактном взаимодействии с носителем ин- формации, он должен обладать, наряду с высокими электромагнитными параметрами, хорошими механическими характеристиками. Перечисленные ферриты характеризуются вы- сокими твердостью и износостойкостью, обес- печивают возможность обработки поверхности до шероховатости, не превышающей 0,16 мкм (соответствующей 14-му классу чистоты обра- ботки поверхности). Необходимость обеспечения в сердечнике головки немагнитного зазора, достигающего 1,8...5,0 мкм для головок звукозаписи и 0,3... 1,0 мкм для головок видеозаписи, обуслов- ливает требования к высокой структурной плотности ферритов (близкой к теоретической) и минимальной поверхностной пористости (Л„С 1,0 %). Под поверхностной пористостью понимается отношение площади всех пор любого сечения тела феррита к общей площа- ди сечения. Плотные ферриты могут быть использо- ваны для сердечников, применяемых в на- копителях цифровой информации запоминаю- щих устройств с большой плотностью записи. Ферриты группы VIII выпускаются в виде дисков диаметром 45 и 60 мм, а также в виде Таблица 3.24. Основные параметры ферритов VI11 группы Марка Р-н р f, МГц %, не более Марка Р-Н р, не менее f, МГц Пп, %, не более 500НТ 500+100 3,0 500МТ 500+300 юо 200 15,0 500НТ1 500 + 100 — — 0,3 I000MT 1000 + 200 800 5,0 0,2 1000НТ 1000+400 7,0 2000МТ 2000+ ggg0 1500 1,0 0,3 I000HT1 1ооо+4^о шии_ 200 800 3,0 0,3 5000МТ 5000+ оиии—500 4000 0,1 1,0 2000НТ 2000+ 400 — 3,0 Таблица 3.25. Дополнительные электромагнитные параметры ферритов VIII группы Марка 1кР, МГц, при tg6„ = 0,l В, Тл В„ Тл Не, А/м р, Ом-м ек, °с 500НТ 0,5 0,35 0,20 32 103 150 500HTI 2,0 0,21 48 1000НТ 0,2 0,32 0,14 16 102 140 1000HTI 0,8 0,15 32 103 2000НТ 0,1 0,27 0,12 8 10 90 500МТ 1000МТ — 0,48 0,50 —- 20 0,1 240 1,0 2000МТ 0,2 0,35 0,15 5 НО 5000МТ — 0,1 Примечание. Значения В, Вг, Нс указаны для Яо = 8ОО А/м.
72 Магнитомягкие ферритовые материалы [разд. 3] заготовок различной конфигурации и раз- меров. В табл. 3.24 приведены основные пара- метры ферритов, а в табл. 3.25 — дополни- тельные. 3.10. ФЕРРИТЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ Основное назначение ферритов этой груп- пы (группа IX) — сердечники для индуктив- ных бесконтактных датчиков температуры. В датчиках температуры нашли применение никель-цинковые ферриты марок 1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200ННЗ, 800НН. Эти ферриты отличаются тем, что их магнитная проницаемость резко уменьшается в области температуры Кюри. Температурный интервал спада магнитной проницаемости составляет всего несколько градусов. Это позволяет использовать такие ферриты в качестве чув- ствительных элементов термореле. Таблица 3.26. Основные параметры ферритов IX группы Марка Р-Н ек, °C номи- нальное предель- ное 1200НН 1200НН1 1200 + 300 70 90 + 5 1200НН2 1200ННЗ 60 75 800НН 800 ±300 195 + ю — 5 WD----------- о—X______X 20 60 100 М 130 °C Рис. 3.31. Температурная зависимость началь- ной магнитной проницаемости ферритов IX группы /— 1200НН2; 2— 1200НН; 3 — 1200НН1; 4 — 800НН Использование никель-цинковых ферри- тов для датчиков температуры объясняется тем, что в этих ферритах почти не происходит необратимых изменений магнитной прони- цаемости при воздействии температурных циклов нагрева выше температуры Кюри и по- следующего охлаждения. Кроме того, некото- рые составы никель-цинковых ферритов с достаточно высокой магнитной проницае- мостью имеют температуру Кюри ниже 100 °C. Основные параметры ферритов этой группы приведены в табл. 3.26, а температур- ные зависимости магнитной проницаемости показаны на рис. 3.31. 3.11. ФЕРРИТЫ ДЛЯ МАГНИТНОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ Ферриты этой группы (группа X) исполь- зуются в различных устройствах для погло- щения сигналов радиочастотных полей. В помехопоглощающих устройствах нашли при- менение ферриты марок 200ВНРП и Таблица 3.27. Основные электромагнитные параметры ферритов X группы Марка Ин Нк не менее f, МГц 200ВНРП 200 + 40 420 4 800ВНРП 800+ 160 210 1 Рис. 3.22. Зависимость действительной р'- и мнимой р."------составляющих комплекс- ной магнитной проницаемости от частоты для ферритов X группы: а — 800ВНРП; б — 200ВНРП
[§ 3.12] Ферриты для устройств, использующих эффект спинового эха 73 Рис.3.33. Температурная зависимость началь- ной магнитной проницаемости ферритов X группы рые дают основание выделить их в отдельную группу (группа XI). Промышленное мелкосерийное производ- ство ферромагнитных материалов этого класса еще только начинается. Их отличает специ- фичность (по сравнению с остальными груп- пами магнитомягких ферритов) параметров, а также уникальность (и чрезвычайно высокая стоимость) используемого сырья, базирую- щегося на оксидах стабильных изотопов, в первую очередь, элементов переходных метал- лов 67Fe, 53Cr, 55Mn, 61Ni. Эффект ядерного спинового эха (ЯСЭ) во внутренних магнитных полях феррита (так называемый ядерный спиновый резонатор), используемый в устройствах функциональной электроники, позволяет применять эти устрой- ства для обработки радиосигналов (задержки, сжатия, растяжения, корреляционной обра- ботки, преобразования Фурье и т. д.). Таблица 3.28. Дополнительные параметры ферритов X группы Марка /кР, МГц, при tg6„=0,l Ц^-106 при Р-Н f = 0,1 МГц и Нт, А/м, равной В, Тл В„ Тл Нс, А/м р, Ом-м Ок. °C 0,8 8 200ВНРП 5,0 50 100 0,31 0,12 90 6-107 200 800ВНРП 0,7 50 200 0,32 0,09 22 5-Ю5 130 Примечание. Значения В, Вг, Нс указаны для Но = 800 А/м. 800ВНРП. Особенностью этих ферритов явля- ется. высокое значение магнитных потерь в широком диапазоне частот. Основные параметры ферритов этой груп- пы приведены в табл. 3.27, а дополни- тельные — в табл. 3.28. Частотные зависимости составляющих комплексной магнитной проницаемости ферри- тов показаны на рис. 3.32, а температурные зависимости магнитной проницаемости — на рис. 3.33. В качестве помехопоглощающих элемен- тов применяются сердечники в виде пластин, трубок, шайб и многоотверстных сердечников. 3.12. ФЕРРИТЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ ЭФФЕКТ СПИНОВОГО ЭХА Достижения в изучении структуры ферри- тов методом ядерного магнитного резонанса (ЯММР) позволили выявить такие функцио- нальные особенности этих материалов, кото- Отличительные особенности применения этой группы ферритов обусловливают и спе- цифичность параметров материалов, описы- вающих условия возбуждения спинового ре- зонатора и съема сигнала спинового эха. Рис. 3.34. Температурная зависимость резо- нансных частот ферритов XI группы
74 Магнитодиэлектрики [разд. 4] Таблица 3.29. Основные параметры ферритов XI группы Марка fo, МГц Af, МГц tz, мкс ti, мс Аэ, мВ Размеры кольцевых сердеч- ников, мм D d h 1.5СЧИ 68 1,5 2,2 6,0 1,0 18 + 0’4 8 ±0,3 4+0,25 З.ОСЧИ 67 3,0 1,6 3,0 <1,0 18 + 0’4 8±0,3 4 + 0,25 Рис. 3.35. Температурная зависимость вре- мени поперечной релаксации ферритов XI группы К основным параметрам ферромагнитного материала при ЯМР следует отнести: частоту ядерного резонанса fo (в мегагерцах); шири- ну линии поглощения Af (в мегагерцах); максимальную амплитуду сигнала эха Аэ\ величину переходного затухания; время релак- сации tz, tt. Эти параметры ферритов определяют со- ответственно следующие характеристики радиотехнического устройства, работающего на эффекте ЯСЭ: fo— рабочую частоту устрой- ства, Af — полосу пропускания устройства, D — динамический диапазон, ti— максималь- ную длительность сигналов, tz— допустимый период следования радиоимпульсов, Afta— информационную емкость устройств. В настоящее время разработаны марки ферритов на основе никелевой и литиевой шпинели. В табл. 3.29 приведены основные пара- метры сердечников. На рис. 3.34 и 3.35 изображены темпе- ратурные зависимости резонансных частот и времени поперечной релаксации в ферритах марок 1.5СЧИ и З.ОСЧИ соответственно. РАЗДЕЛ 4 МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ В. П. Мирошкин 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Согласно ГОСТ 23618—79 магнитоди- электрик — это магнитный материал, в кото- ром связкой является диэлектрик, а наполни- телем — магнитный порошок. Магнитодиэлектрики представляют собой конгломерат мелкодисперсного ферро- или ферримагнетика, частицы которого разделены друг от друга в электрическом и магнитном отношениях и связаны между собой механи- чески органическим или неорганическим диэлектриком. Качество магнитодиэлектриков как маг- нитных материалов принято оценивать значе- нием начальной магнитной проницаемости i.i„, ее температурным коэффициентом а^И, танген- сом угла магнитных потерь tg 6М. Общий тангенс угла потерь состоит из трех составлию- щих и в области Рэлея может быть пред- ставлен выражением tg f>„ = dhHm + dif + dr, (4.1) где dk, df, dr— коэффициенты потерь. Для изделий сложной конфигурации вво- дят понятия относительной магнитной прони- цаемости и относительной добротности, кото- рые определяются следующими выражениями: Иг —Ск/Сс.к; Q^ — Qc-k/Qk, (4-2) где С, QK— резонансная емкость и доброт- ность катушки индуктивности без сердечника;
I§ 4.2] Магнитодиэлектрики из карбонильного железа 75 Сек, Qc.k — резонансная емкость и доброт- ность той же катушки с испытуемым сердеч- ником. Значение магнитной проницаемости маг- нитодиэлектриков составляет 10...250, а предельная частота их использования — 100 МГц. Основными достоинствами магнитоди- электриков являются высокая временная и температурная стабильность электромагнит- ных параметров, а для материалов с маг- нитомягкими наполнителями также малые зна- чения коэффициентов частотных потерь (df), поскольку отсутствует электрический контакт частиц магнитного порошка, и потерь на гистерезис (da), обусловленных пологой петлей гистерезиса вследствие сильного внутреннего размагничивающего поля. Электромагнитные свойства магнитоди- электриков сохраняются при механических нагрузках до полного их разрушения. В настоящее время промышленностью вы- пускаются магнитодиэлектрики, в которых наполнителями являются: карбонильное желе- зо, альсифер, пермаллой, ферритовые по- рошки. Магнитодиэлектрики в основном исполь- зуются в качестве сердечников катушек индуктивности, дросселей, трансформаторов, радиочастотных контуров радиотехнической аппаратуры и аппаратуры проводной связи. 4.2. МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ из карбонильного железа Изделия из магнитодиэлектриков на основе порошкообразного карбонильного же- леза предназначены для использования в радиоаппаратуре и аппаратуре проводной связи в диапазоне частот от десятков килогерц до нескольких десятков мегагерц. Порошки карбонильного железа полу- чают методом термического разложения пен- такарбонила железа в среде аммиака при температурах 230...330 °C. Частицы карбо- нильного железа имеют сферическую форму и представляют собой сложные образования, состоящие из элементарного железа и его соединений с углеродом, азотом и кисло- родом. Эти соединения составляют в сумме 1...3 % массы и формируют сложную слоистую структуру каждой частицы, что приводит к повышению удельного сопротивления по срав- нению с чистым железом и соответственно уменьшению потерь на вихревые токи. Сред- ний размер частиц карбонильного железа со- ставляет несколько микрометров. Высокодис- персные порошки характеризуются сильными внутренними напряжениями, что, наряду с достаточно высоким значением константы кристаллографической магнитной анизотро- пии железа, является причиной низкой маг- нитной проницаемости порошков карбониль- ного железа. Поскольку в слабых полях намагничива- ние обусловлено в основном смещением доменных границ, наличие слоистой структуры в частицах затрудняет их смещение, что способствует малым потерям на гистерезис. В сильных полях зависимость магнитной индукции магнитодиэлектриков из карбониль- ного железа от напряженности магнитного поля почти линейна, а петля х гистерезиса имеет пологую форму и малую площадь. Согласно ГОСТ 13610—79 промышлен- ностью выпускаются порошки карбонильного железа следующих марок: Р-10, Р-20, Р-100, Р-100Ф (фосфатированный) для сердечников катушек индуктивности радиоаппаратуры и Пс — для сердечников катушек индуктивности проводной аппаратуры и радиоаппаратуры. Наименование марок порошков является од- новременно наименованием марок магнито- диэлектриков. Число в обозначении марки определяет максимальную частоту (в мега- герцах), на которой используется соответ- ствующий магнитодиэлектрик. Примесный состав порошков карбониль- ного железа приведен в табл. 4.1. Электромагнитные параметры магнито- Таблица 4.1. Физико-химический состав порошков карбонильного железа Марка Химический состав, % Средний размер частиц, d, мкм Углерод Азот Кислород Железо Фосфор Р-10 Р-20 Р-100 Р-100Ф Пс 0,8... 1,2 0,7... 1,0 0,8...1,2 97,7...96,6 3,5 2,5 0,7...0,9 0,6...0,9 97,9...97,0 1,5 0,8... 1,0 0,6...0,8 0,7... 1,2 0,5...0,8 97,65—96,45 98,1-97,2 0,05-0,15 2,2
76 Магнитодиэлектрики [разд. 4| Таблица 4.2. Электромагнитные параметры магнитодиэлектриков из карбонильного железа Параметр Р-10 Р-20 Р-100 Р-100Ф Пс Ин 13...15 12...14 9...10 10...12 11...13 106, К ', при Т = = —604- + 100 °C 25... 180 20...150 50... 100 30-150 25...110 d/,-106, м/А 3,0...5,0 1,5...2,5 1,3...1,9 1,0-2,0 <1,5 rfr109, 1/Гц 2,0...3,5 2,0...3,0 0,5... 1,2 1,0-2,8 <3,5 rfr-103 0,15...0,25 0,05...0,100 0,05-0,10 0,05-0,15 <0,20 Иг 2,90 2,95 1,55 1,60 2,90 Qr 1,9 2,0 1,1 1,1 2,0 Частота измерения f, МГц 5 5 50 50 5 диэлектриков измеряются на кольцевых и стержневых сердечниках. В табл. 4.2 приве- дены нормативные характеристики для магни- тодиэлектриков из карбонильного железа. Магнитная проницаемость магнитоди- электриков из карбонильного железа почти не зависит от физико-химического состава, так как все порошки имеют одинаковую слоистую структуру и близкое содержание примесей. Однако для магнитодиэлектриков марок Р-100, Р-100Ф и Пс значение не- сколько ниже, чем для остальных. Это объясняется меньшим средним размером частиц, что, в свою очередь, приводит к Таблица 4.3. Параметры броневых сердечников из карбонильного железа при температуре —60—+ 100 °C Марка Типоразмер сердечника Иг Qr, не менее Частота измере- ния f, МГц Х10с, к-' Коэффи- циент подстрой- КИ Кг, % СБ-9а 2,7-3,9 3,0...3,7 2,1 2,1 3,0 15 20 СБ-12а 3,0-4,3 3,5...4,2 2,2 2,2 СБ-126 1,7-2,5 1,9-2,3 1,0 1,3 0,5 Р-10 Р-20 СБ-23-lla СБ-236 2,8-4,3 3,5-4,1 1,8-2,6 2,0...2,4 1,0 1,7 1,55 1,3 0,9 <150 13 СБ-23-17а 3,4-4,5 3,5...4,3 1,3 1,5 СБ-28а 3,7,.,4,9 3.9...4,7 1,2 1,3 1,0 СБ-34а 3,4,..5,0 3,9-4,8 1,1 1,3 СБ-ба 2,1...2,9 1,25 . 30 18 Р-100Ф-2 СБ-66 1,4...2,0 0,7 50 30 СБ-9а 2,6...3,6 1,1 25 75 ±75 15 СБ-96 1,4 0,8 45 25 СБ-12а 2,1...2,9 0,9 25 15 Примечания: 1. Значения |.i,, Qr измеряются без подстроечного сердечника. 2. Броневые сердечники собираются из чашечных сердечников и подстроечника. Сер- дечники типа а имеют замкнутую магнитную цепь, типа б — разомкнутую. 3. Значения i.i,, Qr, КЛ, в числителе дроби указаны для магнитодиэлектрика марки Р-10, в знаме- нателе — Р-20.
[§ 4-2] Магнитодиэлектрики из карбонильного железа П Рис. 4.1. Частотные зависимости магнитной проницаемости-----и тангенса угла маг- нитных потерь-----магнитодиэлектриков из карбонильного .железа 1 — Р-10; 2 — Р-20; 3 — Пс; 4 — Р-100 затруднению смещения доменных границ и снижению Относительный температурный коэффи- циент магнитной проницаемости (аИн) кар- бонильного железа по знаку положителен, но его значение зависит как от дисперсности порошков, так и от их примесного состава. Уменьшением размеров частиц порошка объясняется снижение коэффициентов потерь на гистерезис (rf/,) • и частотных потерь (df) для марок Р-100, Р-100Ф и Пс. В зависимости от содержания примесей коэффициенты потерь порошков карбониль- ного железа могут существенно измениться. Влияние примесей углерода и азота приводит к увеличению потерь как на магнитную вяз- кость ввиду образования твердых растворов с железом и возникновения релаксационных процессов, так и к увеличению коэрцитивной силы и соответственно rf/,. Поэтому для маг- нитодиэлектриков, используемых в аппаратуре связи, применяют порошки Пс с пониженным содержанием углерода и азота, что позволяет снизить в них коэффициент гармоник, возни- кающих при нелинейных искажениях сигнала, до 0,008 % при Нтк 100 А/м.. При работе магнитодиэлектриков из кар- бонильного железа в слабых полях потери на гистерезис настолько малы, что почти не влияют на добротность катушек индуктив- ности. С ростом частоты магнитная проницае- мость магнитодиэлектриков не меняется, а потери возрастают. Увеличение tg 6М с уве- личением частоты объясняется, главным образом, потерями на магнитную вязкость и вихревые токи. На рис. 4.1 показаны частот- ные зависимости i.i„ и tg 6И для магнитоди- электриков марок Р-10, Р-20, Р-100 и Пс. Нелинейная зависимость tg 6„ от частоты обусловлена влиянием диэлектрических потерь в связующем веществе. Для изготовления сердечников обычно применяют следующие диэлектрические свя- зующие материалы: при холодном прессова- нии (давление прессования 588...980 МПа) — бакелитовый лак (4...5 % массы); при горячем литье под давлением (давление 98... 196 МПа) — эмульсионный полистирол (10...20 % массы). После холодной прессовки сердечники для поликонденсации смолы выдерживают при ' 130 °C в течение 1...2 ч. Для высокодисперсных порошков карбо- нильного железа применяют двойн/ю изоля- цию частиц. В качестве первичной изоляции используют жидкое стекло или обрабатывают порошки ортофосфорной кислотой. Магнито- диэлектрики из фосфатированного карбониль- ного железа обладают повышенной влагостой- костью и временной стабильностью парамет- ров. Магнитная проницаемость магнитоди- электриков Р-100Ф изменяется не более чем на 0,2 % за год. Для остальных марок — 0,2...0,5 % за год. Магнитодиэлектрики поглощают влагу, что приводит к изменению их электромагнит- ных параметров. Поэтому при эксплуатации в условиях повышенной влажности их необходимо герметизировать. Промышленностью выпускаются сердеч- ники из карбонильного железа различной конфигурации и типоразмеров. Типоразмеры броневых сердечников перечислены в ГОСТ 10983—75. Их электромагнитные па- раметры приведены в табл. 4.3. Типоразмеры подстроечных резьбовых, стержневых и труб- чатых сердечников даны в ОСТ 11 707.001—79, а кольцевых сердечников в ОСТ 11 707.006—78. Из карбонильного железа марки Пс вы- пускаются только кольцевые сердечники полу- круглого сечения семи типоразмеров диамет- ром 24...63 мм. Плотность сердечников из кар- бонильного железа приблизительно 6,2 X X Ю3 кг/м3. Таблица 4.4. Электромагнитные параметры радиопоглощающих магнитоднэлектриков из карбонильного железа Марка Удельная намагничен- ность насы- щения о • 105, Тл*м3/кг Диэлектрическая проницаемость ег при f, МГц, равной 1 2000 Р-10РП1 1,6 14,0 16 Р-10РП2 11,0 14 Р-10РПЗ 1,7 19,5 29 Пс-РШ 1,6 13,6 13 Пс-РП2 — — Пс-РПЗ 1,7 26
78 Магнитодиэлектрики [разд. 4] Из порошков карбонильного железа ма- рок Р-10 и Пс изготовляют магнитоди- электрики в виде пластин, предназначенных для использования в качестве радиопогло- щающего материала в ферритовых прибо- рах СВЧ. Свизующим диэлектриком является эпоксидная смола. Коэффициент линейного расширения материалов а«20-10-6 К-1. Удельное сопротивление р^б-IO11 Ом-см. Электромагнитные параметры магнито- диэлектриков приведены в табл. 4.4. Плас- тины выпускаются 16 типоразмеров от П 10X5X18 мм до П 53X28X105 мм. 4.3. МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ ИЗ ПОРОШКООБРАЗНОГО АЛЬСИФЕРА Альсифер, являющийся тройным сплавом алюминия, кремния и железа, получают в виде литого материала с высокой твердостью и хрупкостью, что обусловливает его хорошую размольность. Значения коэффициентов остаточных (до- полнительных) потерь и потерь на гистерезис минимальны при содержании кремния 9,4...10,2 % при 7,5 % алюминия или алюми- ния 7,2...8,0 % при 10 % кремния. Поэтому для изготовления магнитодиэлектриков в ос- новном используются альсиферовые порошки двух марок А-9,2 и А-10,2 (А—альсифер; цифры 9,2; 10,2 — среднее процентное содер жание кремния). Состав порошков приведен в табл. 4.5. Перечисленные в табл. 4.5 марки альси- феров обладают отрицательным температур- ным коэффициентом магнитной проницае- мости. При содержании в сплаве 11 % кремния и 7,5 % алюминия ТКцн имеет поло- жительное значение при температуре — 60...+ 70 °C. Электромагнитные параметры этого сплава несколько ниже приведенных в табл. 4.5. Путем смешения порошков, полученных из сплавов с отрицательным и положитель- ным ТКи, можно создавать магнитодиэлектри- ки со сниженными температурными коэффи- циентами начальной проницаемости. Примеси в альсифере ухудшают его электромагнитные параметры. Особенно вред ное влияние оказывает углерод. Для получе- ния сердечников с заданными параметрами допускается содержание углерода не бо- лее 0,03 % при общем содержании примесей до 0,3 %. Для изготовления сердечников из порош- кообразного альсифера в качестве изолирую- щего состава применяют как органические материалы (бакелитовый лак, полистирол), так и неорганические (жидкое стекло, стекло- эмали). Часто применяют связку в виде меха- нической смеси жидкого стекла, талька и хромового ангидрида. Прессуют сердечники при сравнительно высоких давлениях (1,37.-1,96) -103 МПа, после чего детали подвергают отжигу для снятия наклепа при температуре 780 °C в тече- ние 40 мин. Для удаления жидкого стекла и остатков хромового ангидрида сердечники кипятят в воде, после чего подвергают сушке и пропитке бакелитовым лаком. В зависимости от требуемогр значения магнитной проницаемости количество вводи- мой связки может изменяться от 4...8 % массы до 50 %. Меняется также размер частиц порошка, состав связки и давление прес- сования. Согласно ГОСТ 8763—77 промышлен- ностью выпускается шесть марок магнитоди- электриКов из порошкообразного альсифера: ТЧ-90, ТЧК-55, ТЧ-60, ВЧ-32, ВЧ-22, ВЧК-22. Буквы в названии марки означают: ТЧ — то- нальная частота, ВЧ — высокая частота, К — материал с пониженным (компенсированным) температурным коэффициентом магнитной проницаемости; числа — значения магнитной проницаемости. Критические частоты, на которых при- меняются магнитодиэлектрики из аль- сифера, при tg 6м = 0,02 и напряженности магнитного поля Нт = & А/м: Марка...............ТЧ-90 ТЧ-60 ТЧК-55 /кр, МГц .... 0,02 0,07 0,07 Марка..............ВЧ-32 ВЧ-22 ВЧК-22 /кр, МГц .... 0,2 0,70 0,70 Таблица 4.5. Состав и некоторые характеристики альсиферовых порошков Марка порошка Химический состав, % Размер частиц d, мкм «„„-106, к-', при 20—70 °C Алюминий Кремний Железо А-9,2 7,1...7,9 8,8...9,6 82,9-83,7 100 + 50... —2000 А-10,2 7,1...7,9 9,8...10,6 81,9-82,7 100; 60 0...—900
К 4.3] Магнитодиэлектрики из порошкообразного альсифера . 79 Рис. 4.2. Зависимость обратимой магнитной проницаемости от напряженности постоянного магнитного поля при Ят=1,6 А/м и f=l кГц 1 — ВЧ-22; 2 — ВЧ-32; 3 — ТЧ-60 Основные параметры магнитодиэлектри- ков приведены в табл. 4.6. При использовании магнитодиэлектриков в аппаратуре проводной связи удобнее поль- зоваться раздельными коэффициентами по- терь dh, df, dr, из которых нетрудно опреде- лить параметры катушек индуктивности с сер- дечниками, а в радиоаппаратуре — суммар- ным тангенсом угла магнитных потерь. Зависимость магнитной проницаемости от температуры имеет в общем случае нелиней- ный характер. Относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости для марок ТЧК-55 и ВЧК-22 в несколько раз меньше, чем для некомпенсированных магни- тодиэлектриков. В табл. 4.7 приведены данные о влиянии климатических воздействий на магнитную проницаемость, а в табл. 4.8 — параметры петли гистерезиса. Изменение магнитной проницаемости при одновременном воздействии постоянных и пе- ременных полей изображено на рис. 4.2. Временная нестабильность магнитной проницаемости при эксплуатации сердечников в течение 50 000 ч согласно ГОСТ 8763—77 должна быть в пределах ±5 %. Плотность магнитодиэлектриков из аль- сифера составляет около 5,2-103 кг/м3. Пре- Таблица 4.6. Электромагнитные параметры магнитодиэлектриков из порошкообразного альсифера разных марок Марка магни- то ди - элек- триков Цн tg6„-103 при /=100 кГц, не более 106, К-1 температуре не более, при i, °C, равной Коэффициенты по- терь, не более Пределы лиией- иости ПО И nit tg6M, А/м, не более £)с—15...24 мм, /+ = 8,0 А/м Ос>36 мм, Я„.=4,8 А/м 20...70 -|-20... —60 Л.-Ю4, м/А ф-109, Гц”' ф-103 ТЧ-90 79...91 83,9 83,5 — 600 <1,10 3,0 240 ТЧ-60 53...63 27,7 27,4 — 400 <0,81 2,0 400 ТЧК-55 48...58 —150... 4-50 — 450...150 <0,81 2,0 400 ВЧ-32 28...33 10,0 9,9 — 250 <0,38 1,2 800 ВЧ-22 19...24 4,7 4,6 — 200 <0,25 <25 <2,0 <1200 ВЧК-22 19...24 — 50...+ 50 — 150...+ 150 Примечание. £)с — диаметр сердечника из магнитодиэлектрика. Таблица 4.7. Изменение р„ магнитодиэлектриков из альсифера после климатических воздействий Марка Нагрев до 125 °C в течение 2 ч Охлаждение до —60 °C в течение 2 ч Пять циклов при температуре — 60...+ 125 °C Влажность 98%, температура 35 °C в течение 10 сут ТЧ-90 + 0,4... —0,08 — 0,15... —0,20 — 0,06.. — 0,15 + 0,05...+ 0,10 ТЧ-60 0...+0.04 + 0,04... —0,20 — 0,20.. — 0,30 + 0,05...+0,25 ТЧК-55 + 0,02... —0,01 + 0,02... + 0,04 — 0,05.. — 0,20 + 0,01... —0,02 ВЧ-32 + 0,02... —0,04 + 0,05...+ 0,10 — 0,02.. — 0,03 — 0,01...—0,07 ВЧ-22 +0,02...+ 0,04 — 0,01... —0,05 — 0,02.. — 0,07 —0,02... —0,03 ВЧК-22 + 0,03... —0,01 — 0,01... —0,03 — 0,02.. — 0,09 — 0,06... —0,13
80 Магнитодиэлектрики [разд. 4] Таблица 4.8. Параметры петли гистерезиса магнитодиэлектриков из альсифера Марка ^тах, Тл Вг, Тл Нс, А/м ТЧ-90 0,48—0,50 0,055 390 ТЧ-60, ТЧК-55 0,42 0,050 400 ВЧ-32 0,27 0,025 400 ВЧ-22, ВЧК-22 0,20 0,015 , 500 Примечание. /7о = 8ООО А/м. 4.4. МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ ИЗ ПРЕССОВАННОГО ПОРОШКООБРАЗНОГО ПЕРМАЛЛОЯ Пермаллои — железо-никелевые сплавы с присадками некоторых элементов, обладают высокими значениями магнитной проницае- мости, малыми потерями на гистерезис и до- статочно высоким удельным сопротивлением. Применение пермаллоя в качестве наполните- ля позволяет получать магнитодиэлектрики с начальной проницаемостью до 250. Для изго- товления магнитодиэлектриков используется Таблица 4.9. Типоразмеры колец из пермаллоя и альсиферов Типоразмер D'Xd'X.h, мм П-250 П-160 П-140 П-100 пк-loo П-60 пк-60 П-20 ПК-20 Альсифер К 10X6X3 + — + — — + — К 10X6X4,5 + — + — —- + — К 12X5X5,5 + •— + —• — + — К 13X7X5 + + + + + + — К 17X10X6,5 + + + — — — — К 20X12X6,5 + + + — — — — КП 15X7X4,8 + — + + + + + КП 15X7X6,7 + — + + + + + КП 19X11X4,8 + — + + + + + КП 19X11X6,7 + — + + + + + КП 24X13X5,2 + — + + + + + КП 24X13X7 + — + + + + КП 27X15X6 — —• + — — •— -— КП 36X25X7,5 + •— + + + + + КП 36X25X9,7 + — + + + + + КП 44X28X7,2 + — + + + + + КП 44Х28ХЮ.З + — + + + + + КП 55X32X8,2 — — .— — — — + КП 55X32X9,7 — — — — — — + КП 55X32X11,7 — — — — •— •— + КП 64 X 40 X 9,7 — — —• — — — + КП 64 X 40X14 — — — — — — + КП 75X46X12 — — — •— •— — + КП 75X46X16,8 — — — — — — — Примечание. К — кольцевые сердечники прямоугольного сечения; КП — кольцевые сер- дечники полукруглого сечения дел прочности сердечников при изгибе о„зг должен быть не менее 4,9 МПа. Промышленностью выпускается 16 типо- размеров кольцевых сердечников с наружным диаметром £>=15...75 мм, перечисленные в табл. 4.9. сплав марки 80Н2М, который имеет следую- щий состав: 81 % никеля, 2,6 % молибдена, 16,4 % железа и до 0,02 % серы. Серу добав- ляют для придания сплаву необходимой хруп- кости. Порошки, полученные после размола отливок, подвергают отжигу в вакууме при температуре 770 °C в течение 3 ч. Технология изготовления магнитодиэлек- триков из порошкообразного пермаллоя зак- лючается в изоляции порошка раствором
[§ 4.4] Магнитодиэлектрики из пермаллоя 81 Таблица 4.10. Электромагнитные параметры магнитодиэлектриков из пермаллоя Марка магни- тол и- элект- рика Р-н схцн*106, К”1, не более при температуре, °C, равной tg6„, не более, при Коэффициенты потерь Пре- дель- ная час- тота, кГц /, кГц нт= 24 А/м н„= 72 А/м rf/z-104, м/А, не бо- лее dr109 Гц”', не более dr-103, не более -60..'. ±85 -60... + 155 П-250 230 ±20 200 250 10 30 45 20 50 1,0 1000 3,0 30 П-160 160± 16 150 180 30 100 105 37,5 108 0,625 1000 2,0 100 П-140 140± 14 120 150 30 100 48,5 20 51,5 450 П-100 ПК-100 100± 10 100 45 — 3 100 300 22,8 63,0 10,3 24,3 0,313 200 300 100± 1Q П-60 ПК-60 60±6 60 ±6 100 45 100 45 30 100 300 12 32,0 5,9 12,9 0,187 100 1,5 П-20 ПК-20 20 ±2 20±2 — — 1000 — 30 — — — 1000 Примечания: 1. Значения tg6M для марок с индексами П и ПК одинаковы при одних и тех же значениях рн- 2. для сплава П-20 при Т— — 60... +100 °C равен 120-10“6 К-1, а для сплава ПК-20—50-10-6 К“'. Рис. 4.3. Зависимости тангенса угла магнитных потерь от напряженности переменного магнит- ного поля: а — f = 3O кГц; б — /=100 кГц 1 — П160; 2 — П140; 3 — П100, ПКЮ0; 4 - П60, ПК60 Рис. 4.4. Частотная зависимость тангенса угла магнитных потерь для магнитодиэлектриков из пермаллоя и альсифера: 1 — П250, ТЧ90; 2 — П160; 3 — П140; 4 — П100, ПК100, ТЧ60; 5 —П60, ПК60, ВЧ32
82 Магнитодиэлектрики [разд. 4] Таблица 4.11. Параметры петли гистерезиса магнитодиэлектриков из пермаллоя Марка J3max> Тл Вг, Тл П-250 П-160 П-140 П-100, ПК-100 П-60, ПК-60 0,75 0,025 0,70 0,020 0,65 0,52 0,007 0,005 Яо = Примечание. = 8000 А/м, Яс =100 А/м. хромового ангидрида (несколько десятых до- лей процента массы) — первый слой изоля- ции, и изолирующей смесью гидрата оксида магния, жидкого стекла и мелкодисперсного талька — второй слой изоляции. Для неко- торых марок в качестве второго изоляцион- ного слоя применяют смесь стеклоэмали, нит- рида бора и сернистого молибдена (до 12 % массы). Прессуют сердечники при давлении + 2-103 МПа, после чего проводят термо- обработку при температуре 610...670 °C в течение 1 ч для снятия внутренних напряже- ний. Термообработка приводит к увеличению |л„ и снижению ТКци и потерь на гисте- резис. Промышленностью выпускаются магни- тодиэлектрики из порошкообразного пермал- лоя следующих марок: П-250, П-160, П-140, П-100, ПК-100, П-60, ПК-60, П-20, ПК-20 (П — пермаллой, К — с компенсированным ТК|лн, число — начальная проницаемость). Значение магнитной проницаемости варьиру- ется в основном размерами частиц порошка (от 100 мкм для высокопроницаемых марок до 40 мкм — для низкопроницаемых). В табл. 4.10. приведены электромагнит- ные параметры перечисленных марок. Таблица 4.12. Электромагнитные параметры магнитодиэлектриков из пермаллоя марок П П-250 и ПП-90 Марка Ин при /=1 кГц tg6„ при Н„=16 А/м и /=100 кГц, не менее Др. = КЯ), %, при на- пряженно- сти Но, А/м, равной 480 2000 ПП250 25О±зо 0,77 20 — ПП90 90±2о 0,77 — 20 Температурный коэффициент магнитной проницаемости имеет положительное зна- чение и и широком интервале температур р.„ линейно зависит от температуры. Увеличе- ние температурной стабильности проницае- мости достигается путем введения в состав магнитодиэлектриков термокомпенсирующих добавок 0,8...1,2 %. В качестве термокомпен- саторов используются смеси порошков пер- маллоев с содержанием молибдена 12...15 %, для которых температура Кюри лежит в ин- тервале + 100... — 60 °C. При приближении температуры к 0к наблюдается резкое сни- жение р.н и на этом участке температур ТКри отрицательный и большой по значению. На рис. 4.3 нанесены зависимости тан- генса угла потерь от напряженности поля. Магнитодиэлектрики из пермаллоя об- ладают значительно меньшим коэффициентом потерь на гистерезис и вихревые токи, чем магнитодиэлектрики из альсифера (ср. табл. 4.10 и 4.7) с приблизительно равными зна- чениями р.„. На рис. 4.4 показаны сравни- тельные частотные зависимости tg 6М для этих магнитодиэлектриков. Анализируя параметры петли гистерезиса (табл. 4.11), можно сделать вывод о преиму- ществах магнитодиэлектриков из пермаллоя перед магнитодиэлектриками из альсифера. Изменение проницаемости при подмагни- чивании показано на рис. 4.5. Свойства маг- нитодиэлектриков изменяются обратимо при наложении постоянного поля на переменное. Необратимое изменение проницаемости после воздействия подмагничивающих полей напря- женностью 400 А/м не превышает ±0,2 %. Временное изменение составляет —0,1... ...+0,4 %, а ориентировочные значения плот- ности для всех марок магнитодиэлектриков из пермаллоя — (7,2...8,0) • 103 кг/м3. Магнитодиэлектрики из пермаллоя вы- пускаются промышленностью в виде сердеч- ников кольцевой формы, типоразмеры кото- Рис. 4.5. Относительное изменение обратимой магнитной проницаемости от напряженности постоянного магнитного поля при Нт = 1,6 А/м и /=1 кГц / — П60; 2 — П100; 3 — П140; 4 — П250
В 4.5] Магнитодиэлектрики из ферритовых порошков 83 рых приведены в табл. 4.10. Предел прочности сердечников составляет 3,9 МПа. В качестве индуктивных элементов поме- хоподавляющих устройств, работающих при частотах менее 100 МГц, используются маг- нитодиэлектрики марок ПП-250 и ПП-90, об- ладающие значительными потерями. Их пара- метры приведены в табл. 4.12. Магнитодиэлектрики марок ПП-250 и ПП-90 выпускаются в виде сердечников коль- цевой формы с типоразмерами: К 10X6X5; К 15X7X6; К 19X11X6,7; К 24X13X7; К 36X25X9,7; К 44X28X10,3 и трубчатые с типоразмерами: Т 5Х 1,5X7; Т 8X2,8X10; Т 10X4X20; Т 16X8X30; Т 22X10X40. 4.5. МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ ИЗ ФЕРРИТОВЫХ ПОРОШКОВ Применение порошков магнитомягких ферритов в качестве наполнителя позволяет получать магнитодиэлектрики с электромаг- нитными параметрами, отличающимися повы- шенной стабильностью даже по сравнению с магнитодиэлектриками из металлических порошков. Высокое удельное сопротивление ферритовых порошков дает возможность су- щественно увеличить частотный диапазон ра- боты сердечников. Упрощается технология процесса изоляции частиц порошка. Возмож- ность использования отходов ферритового производства удешевляет изготовление маг- нитодиэлектриков. Связующим веществом является сополи- мер стирола. Промышленностью выпускаются четыре марки магнитодиэлектриков из магнитомяг- ких ферритовых порошков: НМ-5, ВН-20, ВН-60, ВН-220. Буквы НМ обозначают низ- кочастотный на основе высокопроницаемого Мп — Zn-феррита, ВН — высокочастотный на основе Ni — Zn-феррита, число обозначает предельную рабочую частоту в мегагерцах. Из магнитодиэлектриков перечисленных Таблица 4.13. Электромагнитные параметры сердечников из ферритовых порошков Марка Типоразмер сердечника Р-Г Q, Частота измерения А МГц Температура, °C НМ-5, ВН-20 ЧР 6X6,5 ЧР 8X7,5 1,50 1,30 1,5 — 30...+ 70 ВН-60 ЧР 6X6,5 ЧР 8X7,5 1,20 1,30 1,07 10,0 ВН-220 ПР 3X0,5X5 ПР 3X0,5X8 1,14 0,97 100,0 — 60...+ 85 ПР 4X0,7X6 1,14 0,90 ПР 4X0,7X8 ПР 4X0,7X12 1,20 0,95 ПР 5X0,8X12 1,20 0,86 Таблица 4.14. Электромагнитные параметры магнитодиэлектриков из бариевого порошкообразного феррита Марка Вт, Тл, не менее всВ, кА/м, не менее кА/м, не менее (В//)тах» кДж/м3 Плот- ность dt г/см3 1,6Б 0,095 66,0 185 1,52 2,8 ±0,1 1.6Б1 0,110 72,0 145 1,60 1,6Б2 0,095 66,0 185 1,52 3,0 ±0,2 3,2Б 0,140 83,5 3,20 3,4 ±0,1 5,6Б 0,180 102,0 145 5,60 3,2 ±0,1 5,6Ы 112,0 3,6±0,1
84 Магнитотвердые материалы [разд. 5] марок изготовляют чашечные и подстроечные сердечники, типоразмеры и параметры кото- рых приведены в табл. 4.13. Магнитодиэлектрики из порошкообраз- ного магнитотвердого бариевого феррита предназначены для изготовления постоянных магнитов различной конфигурации. В качест- ве диэлектрика используются сэвилен и поли- пропилен. Выпускается шесть марок магнито- диэлектриков: 1,6Б; 1,6Б1; 1,6Б2; 3,2Б; 5,6Б; 5,6Б1 (Б — бариевый порошкообразный фер- рит) . Число обозначает произведение (ВН)тах, кДж/м3. Параметры перечислен- ных марок магнитодиэлектриков приведены в табл. 4.14. Магнитодиэлектрики всех марок (за иск- лючением 5,6Б1) выпускаются в виде гранул коричневого цвета со средними размерами 5X5X5 мм. Магнитодиэлектрики марки 5,6Б1 выпускаются в виде листов толщиной 0,5... ...2,0 мм. Образцы из магнитодиэлектриков первых пяти марок изготовляют прессованием при температурах 150...180 °C, удельном давле- нии около 30 МПа и времени выдержки под давлением не менее 2 мин. Образцы из маг- нитодиэлектриков марки 5,6Б1 изготовляют вырубкой из листа. При изготовлении образцов из магнито- диэлектрика марки 5,6Б методом прессова- ния прикладывается магнитное поле напря- женностью не менее 720 кА/м в направлении прессования. • РАЗДЕЛ 5 МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ Д. Р. Никитин 5.1. РЕГЛАМЕНТИРУЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ МАГНИТОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Магнитотвердыми материалами в соот- ветствии с ГОСТ 19693—74 называются маг- нитные материалы с коэрцитивной силой по индукции не менее 4 кА/м, используемые для изготовления постоянных магнитов. Следует подчеркнуть существенность, второй части оп- ределения — те материалы, у которых высо- кое значение коэрцитивной силы является не основным, а лишь побочным параметром, и которые вследствие этого не используются для изготовления постоянных магнитов, к магни- тотвердым материалам не относятся и в дан- ном разделе не рассматриваются. Основными параметрами, характеризую- щими магнитотвердые материалы, являются остаточная магнитная индукция, коэрцитив- ная сила по индукции, коэрцитивная сила по намагниченности, максимальная удельная магнитная энергия. Все основные свойства магнитотвердых материалов наглядно иллю- стрируются на предельной петле магнитного гистерезиса, точнее на ее участке, распо- ложенном во втором квадранте и называемом кривой размагничивания. На рис. 5.1 приведена кривая намагничи- вания и предельная петля магнитного гисте- резиса магнитотвердого материала. Для маг- нитотвердых материалов в отличие от осталь- ных групп магнитных материалов характерно существенное отличие коэрцитивной силы по намагниченности Нсм от коэрцитивной силы по индукции Ясв. У современных высококоэр- цитивных марок магнитотвердых материалов эти параметры могут отличаться в несколько раз. Существенное значение для магнитотвер- дых материалов имеет также релаксационная коэрцитивная сила /7СГ, определяющая напря- женность магнитного поля, необходимую для приведения предварительно намагниченного материала в статически размагниченное со- стояние. Правда, этот параметр на практике используется редко и в. технической докумен- тации на магнитотвердые материалы не рег- ламентируется. Как известно, петля магнитного гисте- резиса материала строго может быть измерена только на образце замкнутой формы типа тороида или в замкнутой магнитной цепи. При этом на материал образца воздействуют внешним магнитным полем Я. В то же время, как уже указывалось, магнитотвердые мате- риалы используются для изготовления по- стоянных магнитов, которые после намагничи- вания до насыщения помещаются в разомкну- тую магнитную цепь без приложения к пос- ледней, как правило, внешнего магнитного поля. Полюсные поверхности постоянного
[§ 5.1] Параметры магнитотвердых материалов 85 магнита или магнитной системы с постоянным магнитом образуют в окружающем простран- стве собственное магнитное поле, ради кото- рого постоянные магниты и используются. Часть магнитного потока замыкается непо- средственно через материал постоянного маг- нита в направлении, обратном (в общем слу- чае под некоторым углом) направлению на- магниченности. Таким образом, постоянный магнит находится в собственном размагничи- вающем поле, при этом для материала маг- нита в любой его точке это равносильно при- ложению эквивалентного внешнего размагни- чивающего поля. Вследствие этого магнитное состояние материала постоянного магнита характеризуют точкой А на кривой размаг- ничивания с координатами На, Ва (или На, 1юМа), так называемой рабочей точкой (рис. 5.2). Положение рабочей точки на кривой размагничивания определяется геометрией магнитной системы. Предельным случаям бу- дут соответствовать намагниченный по оси бесконечно длинный стержень (или тороид) с координатами рабочей точкй О, В (0, р*/И) и намагниченная по нормали бесконечная пло- скость с координатами рабочей. точки Нсв, О {НсВ,. Мв=,0). Очевидно, на практике , оба предельных случая не могут быть реализова- ны, более того, они не представляют прак- тического интереса, так как в обоих этих случаях магниты хотя и намагничены, но не создают в. окружающем пространстве магнит- ного поля. Из теории известно, что энергия магнитного ноля, создаваемого в окружаю- щем пространстве единицей объема материа- ла постоянного магнита, может быть выраже- на через магнитную индукцию и напряжен- ность размагничивающего поля в рабочей точ- ке по формуле Wk = HaBa/2, (5.1) Очевидно, что для постоянных магнитов разной формы или магнитных систем с постоян- ными магнитами различной геометрии эта ве- личина будет различна. При этом, как пока- зано на рис. 5.2, зависимость от индук- ции в материале магнита будет иметь мак- симум в некоторой точке, соответствующей индукции Вд и размагничивающему полю Ни- Максимальное значение удельной магнит- ной энергии ЧУ'мтах, или пропорциональный ей часто используемый на практике параметр — максимальное произведение (ВН) тах, являет- ся важнейшим параметром магнитотвердых материалов, поскольку, в конечном счете, при конструировании оптимальной магнитной системы определяет, объем материала, необхо- димого для создания заданной топографии магнитного поля в заданном объеме простран- ства. Диапазон изменения максимальной удельной магнитной энергии IF„max применя- емых в настоящее время магнитотвердых материалов достаточно широк: от 1 кДж/м3 для хромистых сталей до 80 кДж/м3 для интерметаллических соединений кобальта с Рис. 5.2. К определению рабочей точки постоянного магнита, удельной магнитной энергии и коэф- фициента возврата магнитотвердого материала
S6 Магнитотаербые материалы 'Ь'] Рис. 5.3. Диапазон рабочих точек постоянного магнита на кривой размагничивания редкоземельными элементами и даже более 128 кДж/м3 для некоторых лабораторных об- разцов этих же соединений. Говоря о важности параметра для магнитотвердых материалов, следует сделать некоторые оговорки. Во-первых, строго гово- ря, размагничивающее поле по объему мате- риала постоянного магнита может быть одно- родно лишь тогда, когда последний, имеет форму эллипсоида. Для всех реальных кон- струкций магнитных систем размагничиваю- щее поле по объему магнита неоднородно. При этом, если для материалов со сравни- тельно низкой коэрцитивной силой конструк- тор был вынужден разрабатывать и приме- нять магниты с геометрической формой (на- пример, подковообразной и С-образной), обеспечивающей небольшое значение размаг- ничивающего поля и сравнительно удовлетво- рительную его однородность, и этот фактор значительной роли не играл, то для современ- ных высококоэрцитивных марок, допускающих применение постоянных магнитов самой раз- личной конфигурации, включая многополюс- ные, неоднородность размагничивающего по- ля в материале магнита весьма значитель- на. Фактически рабочая точка перерождается в диапазон рабочих точек на кривой размаг- ничивания (рис. 5.3). Используемая в системе средняя удельная магнитная энергия для магнита с объемом V: ^Mcp=vS W«dV <5‘2> V всегда оказывается ниже ее максимального значения Во-вторых, как указывалось, Ж, max явля- ется мерой магнитной энергии магнитного поля во всем окружающем пространстве. В то же время магнитное поле используется всегда в некотором конкретном для каждой магнитной системы рабочем объеме и фактически из пол- ной энергии магнитного поля всегда прихо- дится вычитать энергию так называемых по- лей рассеяния, т. е. магнитных полей вне рабочего объема. Коэффициент полезного ист пользования как отношение энергии магнит- ного поля в рабочем объеме к полной маг- нитной энергии всегда меньше единицы и для разных по конструкции магнитных систем может отличаться в несколько раз. Отсюда следует, что переходя на более энергоемкий материал и конструируя с учетом комплекса его магнитных параметров оптимальную маг- нитную систему, можно не получить выиг- рыша в объеме магнитотвердого материала, пропорционального увеличению максималь- ной удельной магнитной энергии. Наконец, как будет показано ниже, одним из наиболее широко применяемых методов стабилизации параметров магнитных систем является частичное размагничивание магни- та. Этот процесс также приводит к тому, что фактически используемая магнитная энер- гия оказывается часто существенно ниже рассчитанной исходя из диапазона рабочих точек магнита на кривой размагничивания. Из вышеизложенного следует, что, хотя максимальная удельная магнитная энергия и является важнейшим параметром магнито- твердых материалов, этот параметр ие может рассматриваться в качестве единственного критерия при выборе материала для конкрет- ной магнитной системы. Выбирать материал необходимо с учетом всего комплекса как ос- новных, так и дополнительных параметров, а также с учетом конкретных требований, предъявляемых к магнитной системе. К дополнительным параметрам магни- тотвердых материалов, не всегда регламен- тируемым технической документацией, но час- то упоминающимся в технической литературе и используемым при расчетах магнитных сис- тем, прежде всего следует отнести магнит- ную проницаемость возврата. Проницаемость возврата определяется на частном цикле ги- стерезиса, характеризующем изменение маг- нитного состояния материала при наложении на постоянный магнит в рабочей точке поло- жительного внешнего магнитного поля и его последующем снятии. При этом, как правило, петлю магнитного гистерезиса на частном цикле заменяют прямой линией (прямая АЕ на рис. 5.2), а проницаемость возврата оп- ределяют из соотношения цд=ДВ/|лоД#. (5.3) Строго говоря, проницаемость возврата, как показано на рис. 5.2, зависит от магнитной индукции в рабочей точке магнита. Однако с достаточной для большинства случаев точ- ностью ее можно считать постоянной. В тех случаях, когда проницаемость возврата не приводится в технической документации, ее
[§ 5.2] Природа высококоэрцитивного состояния 87 можно приблизительно определить по наклону кривой размагничивания в точке, соответ- ствующей остаточной индукции. В технической литературе часто приво- дится такой параметр магнитотвердых мате- риалов, как коэффициент выпуклости кривой размагничивания, определяемый по формуле: y = BHmax/(BrHcB). . (5.4) Однако этот параметр несет информацию о полноте использования потенциальных воз- можностей материала лишь при сравнительно небольшой коэрцитивной силе. Легко пока- зать, что при увеличении коэрцитивной силы от нуля до Нсв=Мг теоретическое значение этого параметра при максимальной возмож- ной выпуклости кривой размагничивания бу- дет изменяться в пределах 1...0.25. Таким об- разом, существенное отличие этого параметра от единицы для материалов с большой ко- эрцитивной силой не означает недостаточную выпуклость кривой размагничивания. Поэто- му для современных высококоэрцитивных ма- териалов данный параметр не используется. Из других, часто используемых в литера- туре, существенных для выбора магнитотвер- дых материалов и достаточно очевидных па- раметров необходимо упомянуть температуру Кюри (для ферримагнетиков температуру Нееля), температурные коэффициенты измене- ния остаточной индукции и коэрцитивной силы, величину поля анизотропии, коэффици- енты временной стабильности. В качестве справочных приводятся также характеристи- ки механической прочности и твердости, по- ристости, плотности, обрабатываемости реза- нием или пластической деформацией, удель- ного электрического сопротивления и т. п. 5.2. ПРИРОДА ВЫСОКОКОЭРЦИТИВНОГО состояния И КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТОТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Высококоэрцитивное состояние магнит- ных материалов целиком обусловлено магнит- ной анизотропией. В любой точке кристал- лической решетки вектор самопроизвольной намагниченности имеет лишь несколько (2...8 в зависимости от природы анизотропии и типа симметрии кристаллической решетки) устой- чивых положений вдоль так называемых осей легкого намагничивания. Процесс перемагни- чивания (или размагничивания) для каждого микрообъема материала связан с переходом вектора самопроизвольной намагниченности из одного устойчивого положения в другое, при этом каждый элементарный магнитный момент должен перейти через направление трудного намагничивания, преодолев некото- рый энергетический барьер. Энергия, необ- ходимая для преодоления этого потенциаль- ного барьера, в целом по объему материала и определяет напряженность магнитного поля, перемагничивающего образец. Для понимания природы высококоэрци- тивного состояния весьма существенно по- нятие критического размера однодоменности, введенное в 1930 г. Я. И. Френкелем и Я- Г. Дорфманом. Все макроскопические об- разцы из ферро- и ферримагнетиков содер- жат в общем случае большое число доме- нов — областей, в каждой из которых вектор самопроизвольной намагниченности ориенти- рован по своему направлению легкого намаг- ничивания. Домены разделены между собой доменными границами, имеющими некоторую избыточную по сравнению с объемом внутри домена энергию. Структура доменов в общем случае определяется из условия минимума суммы магнитостатической энергии свободных полюсных поверхностей образца (энергии магнитного поля, создаваемого образцом в пространстве) и суммарной энергии доменных границ в образце. При уменьшении размеров образца магнитостатическая энергия умень- шается пропорционально объему, т. е. кубу линейных размеров образца, а энергия до- менных границ — приблизительно пропорцио- нально квадрату линейных размеров. При некотором критическом размере магнитоста- тическая энергия однородно намагниченного образца становится меньше суммы энергии одной единственной доменной границы, разде- ляющей образец на два домена, и магнито- статической энергии двухдоменного образца. Этот размер, при котором энергетически вы- годным становится однодоменное состояние, и называется критическим размером однодо- менности. Критический размер однодоменнос- ти зависит от основных магнитных констант материала и для реальных магнитных матери- алов колеблется от сотых долей до единиц микрометров. С учетом наиболее существенных для высококоэрцитивного состояния типов маг- нитной анизотропии для однодоменной фер- ромагнитной частицы теория дает следующие выражения для поля анизотропии Нх: кристаллографическая анизотропия: Ha = aKi,/iioMs, (5.5) где Ка— константа магнитной кристаллогра- фической анизотропии; а — численный коэф- фициент, равный 0,5...2,0 и зависящий от структуры кристалла; анизотропия формы ферромагнитной час- тицы:
88 Магнитотвердые материалы [разд. 5] //a=(№-,N,)7Ws. (5.6) где Ni, Ns— размагничивающие факторы час- тицы вдоль длинной и короткой осей соот- ветственно; магнитострикционная анизотропия (ани- зотропия напряжений): йа = ЗЛ.,о/(2цоМ,), ' (5.7).. где %s— константа магнитострикции; о — од- ноосные упругие механические напряжения, действующие на частицу. Перемагничивание однодоменных частиц осуществляется за счет вращения вектора на- магниченности. В этом случае петля магнит- ного гистерезиса частицы в координатах М — Н имеет прямоугольный вид и коэрци- тивная сила по намагниченности совпадает по величине с полем анизотропии. В некото- рых случаях создаются условия для осущест- вления различных механизмов некогерент- ного перемагничивания, тогда коэрцитивная сила несколько меньше поля анизотропии. Используя экспериментальные значения величин, входящих в формулы (5.5) ...(5.7), можно видеть, что в результате всех трех типов анизотропии могут быть получены весь- ма высокие значения поля анизотропии. От- сюда вытекает очевидный путь создания вы- сококоэрцитивных материалов — получение тем или иным методом однодоменных час- тиц с преобладающей анизотропией того или иного типа, распределенных с достаточной плотностью в немагнитной матрице. Этот принцип реализован на практике во многих высококачественных высококоэрцитивных ма- териалах. Правда, при переходе от одной однодоменной частицы к их большому коли- честву приходится учитывать магнитостатиче- ское взаимодействие частиц друг с другом, ко- торое приводит к существенному уменьшению поля анизотропии, а следовательно, и коэр- цитивной силы по намагниченности. Это уменьшение тем больше, чем больше плот- ность упаковки. При приближении плотности упаковки к единице (к чему стремятся ради увеличения намагниченности насыщения н, следовательно, остаточной индукции) можно говорить об образовании в образце доменов или квазидоменов (доменов взаимодействия), т. е. областей, состоящих из однородно на- магниченных однодоменных частиц или мик- рообластей. При этом доменные границы про- ходят по прослойкам немагнитной фазы, гра- ницам зерен и дефектам кристаллической ре- шетки, а перемагничивание осуществляется , путем смещения этих границ. В этих услови- ях процесс перемагничивания принято описы- вать с помощью механизма задержки смеще- ния доменных, границ, а оценивать — раз- ностью энергии доменной границы, проходя- щей через вышеприведенные неоднородности и дефекты, и энергии границы, проходящей через бездефектные объемы материала. Поэто- му второй путь создания высококачественных высококоэрцитивных материалов — получе- ние заведомо неоднородной структуры в ма- териале с заданным распределением различ- ных дефектов (включений немагнитной или слабомагнитной фазы, пор, выделений раз- личных фаз по границам зерен, вакансий, дислокаций и т. п.). Расстояние между де- фектами должно приблизительно соответство- вать критическому размеру однодоменности. При этом следует иметь в виду, что де- фекты повышают коэрцитивную силу не сами по себе, а при наличии большой магнитной анизотропии материала, как правило, крис- таллографической, ибо от последней, в пер- вую очередь, зависит энергия доменных гра- ниц и величина потенциального барьера, ко- торый граница должна преодолеть при ее перемещении. Для материалов с очень боль- шой магнитной кристаллографической ани- зотропией, кроме механизма задержки сме- щения доменных границ, существенную роль играет , механизм задержки зародышеобразо- вания, т. е. образования зародышей обрат- ной полярности в однородно намагниченном до насыщения образце. Ряд дефектов в этом случае может играть обратную роль — за- труднять смещение уже образовавшейся до- менной границы, такие дефекты снижают поле зародышеобразования. Для получения оптимальных параметров таких материалов приходится изыскивать технологические прие- мы, обеспечивающие заданное распределение одних дефектов и исключающие появление других. У всех реальных магнитотвердых мате- риалов высококоэрцитивное состояние оп- ределяется не одним каким-либо типом магнит- ной анизотропии, а сочетанием нескольких. При этом в зависимости от знаков наклады- вающихся друг на друга анизотропий маг- нитные свойства могут как улучшаться, так и ухудшаться. Кроме того, наряду с пере- численными выше типами магнитной анизо- тропии могут существенную роль играть и другие типы, такие, как диффузионная ани- зотропия, приводящая к направленному упо- рядочению расположения атомов во время охлаждения образца во внешнем магнитном поле или под воздействием односторонних ме- ханических напряжений; магнитная анизотро-. пия, наведенная холодной механической обра- боткой. Поэтому, если далее будет указывать- ся, что в данном материале высококоэрцитив-
[§ 5.2] Природа высококоэрцитивногд состояния 89 ное состояние обусловлено такой-то анизотро- пией, то следует понимать, что имеется в' виду преобладающий тип анизотропии.' Классификация магнитотвердых материа- лов может быть проведена по различным признакам: по химическому составу, техно- логии изготовления, по наличию анизотропий основных магнитных параметров (изотроп- ные, анизотропные), по деформируемости’ в холодном состоянии, по уровню магнитных параметров, по содержанию дефицитных ком- понентов и т. п. Сущёствует даже деление магнитотвердых материалов на докритичес- кие, критические и закритические по способ-. ноСти постоянных магнитов, изготовленных из этого материала, восстанавливать магнитный поток после кратковременного извлечения из магнитной системы. Наиболее целесообраз- ной представляется классификация, предло- женная С. В. Вонсовским, в основе которой лежат различия в химическом составе, приро- де высококоэрцитивного состояния и техно- логии изготовления. В соответствии с этой классификацией магнитотвердые материалы делятся на следующие группы: 1. Стали, закаливаемые на мартенсит,— углеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом. Это самые первые материалы, применявшиеся в качестве магни- тотвердых материалов. Магнитные свойства относительно невысоки, особенно по коэрци- тивной силе и максимальной удельной маг- нитной энергии. Высококоэрцитивное состоя- ние обеспечивается неоднородной двухфазной структурой после закалки на мартенсит (наи- более мелкодисперсные пластинки цементита, равномерно распределенные в феррите) и обусловлено сочетанием магнитокристалли- ческой и магнитострикционной анизотропий. 2. Дисперсионно твердеющие сплавы, подвергающиеся холодной или') горячей ме- ханической обработке давлением) К этой груп- пе относятся сплавы систем железо — ни- кель — медь, железо — никель — медь — ко- бальт, железо — кобальт — ванадий, желе- зо — кобальт — молибден, железо — хром — кобальт и др. Магнитные свойства несколько выше, чем у материалов первой группы. Физи- чески эти сплавы близки к углеродистым сплавам: оптимальные магнитные свойства получаются путем создания мелкодисперсной, как правило, неравновесной при комнатной температуре структуры при выделении избы- точной фазы, отличающейся от матрицы на- магниченностью насыщения. Аналогично' ма- териалам первой группы высококоэрцитивное состояние обусловлено задержкой смёщения доменных границ. Преобладающие типы ани- зотропии — магнитокристаллическая и маг- нитострикционная. 3. Диффузионно твердеющие сплавы на основе .системы железо — никель — алюми- ний с добавками кобальта, меди, титана, ни- обия и др. Внешне механизм магнитного твер- дения, т. е. образования высококоэрцитивного состояния этих сплавов, аналогичен механиз- му дисперсионно-твердеюших сплавов. Од- нако принципиальное отличие состоит в том, что в этих сплавах основную роль играет анизотропия формы выделений сильномагнит-’ ной фазы, когерентно связанных со слабо- магнитной, почти немагнитной матрицей. Фак- тически эти сплавы представляют собой в термообработанном состоянии совокупность однодоменных анизотропных по форме частиц, разделенных немагнитными прослойками, что и определяет механизм перемагничивания. Другой отличительной особенностью сплавов этой группы является возможность наведе- ния в некоторых из них одноосной магнитной анизотропии с помощью термомагнитной об- работки, что весьма существенно повышает основные магнитные свойства. 4. Прессованные магниты из порошков. Магнитотвердые материалы этой группы раз- рабатывались на основе мелкодисперсных порошков железа и сплава железо —: кобальт с однодомёнными размерами частиц преи- мущественно с анизотропией формы. Физи- чески эти материалы моделировали структу- ру диффузионно-твердеющих материалов, ус- тупая последним по свойствам. В настоящее время почти не применяются. 5. Сплавы с участием благородных ме- таллов типа платина — кобальт, платина — железо, серебро — марганец — алюминий и др. Высококоэрцитивное состояние материа- лов этой группы связано со структурными нап- ряжениями (магнитострикционная анизотро- пия), возникающими при переходах неупоря- доченной фазы в упорядоченную (сплавы платины с кобальтом и железом), или с маг- нитокристаллической анизотропией мелкодис- персных выделений магнитной фазы (сплав серебро — марганец - - алюминий). Сплавы отличаются высокими значениями коэрцитив- ной силы,'а сплав платина — кобальт и по магнитной энергии находится на уровне луч- ших диффузионно-твердеющих сплавов. Ос- новным фактором, определяющим область применения материалов этой группы, не- смотря на их высокую стоимость, является высокая пластичность, допускающая вытяж- ку в тонкую проволоку. Однако и в этом, случае применение ограничивается изготовле- нием сверхминиатюрных магнитов. 6. Интерметаллическое соединение мар- ганец — висмут. Очень высокая магнитокрис- таллическая анизотропия этого соединения
90 Магнитотвердые материалы [разд. 5] обеспечивает достаточно хорошие магнитные свойства при изготовлении магнитов из мел- кодисперсного (близкого к однодоменному) порошка. Однако как магнитный материал это соединение имеет лишь историческое зна- чение. Практического применения он не на- шел из-за плохой коррозионной стойкости, неудовлетворительной температурной ста- бильности в области отрицательных темпера- тур и дефицитности висмута. Известны так- же и другие высококоэрцитнвные соединения марганца, пока не нашедшие применения. 7. Магнитотвердые ферриты бария, строн- ция и кобальта. Природа высококоэрцитивно- го состояния этих ферримагнитных материа- лов также обусловлена боль'шой магнитокрис- таллической анизотропией и мелкозернистой структурой, обеспечиваемой методами порош- ковой металлургии. Эти материалы отлича- ются высокой коэрцитивной силой, сравни- тельно небольшой остаточной магнитной ин- дукцией и удовлетворительным уровнем мак- симальной удельной магнитной энергии. Эти свойства воспроизводятся на ферритах с од- ноосной анизотропией, получаемых текстури- рованием заготовок внешним магнитным по- лем во время формообразования. 8. Сплавы металлов группы железа с редкоземельными металлами, представляю- щие собой интерметаллические соединения с исключительно высокой кристаллографичес- кой анизотропией. На сплавах RCos и Р2С017 разработаны магнитотвердые материалы с рекордными значениями всех основных маг- нитных свойств при удовлетворительных ха- рактеристиках температурной и временной стабильности. Практическое применение на- шли материалы с одноосной анизотропией, изготовляемые методами порошковой метал- лургии. 9. Композиционные магнитотвердые ма- териалы, изготовляемые на основе порошков магнитотвердых материалов одной из групп и полимерной связки. Если применяют в ка- честве связки пластмассы, то эти материалы называются магнитопластами, при использо- вании связки типа каучука — магнитоэласта- ми. Несмотря на ухудшение параметров, эти материалы имеют преимущества, связанные с технологичностью их изготовления, обработ- ки, пластичностью, малой трудоемкостью из- готовления магнитов сложной формы. В ка- честве наполнителя, как правило, использу- ются порошки магнитотвердых ферритов, ре- же порошки диффузионно-твердеющих спла- вов и сплавов кобальта с редкоземельными элементами. 5.3. СТАБИЛЬНОСТЬ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ Одним из основных требований, предъ- являемых к магнитным системам на основе постоянных магнитов, является стабильность магнитного поля в системе как во времени, так и при воздействии различных внешних факторов: магнитных полей, механических напряжений, температуры, радиации, измене- ния магнитного сопротивления цепи и т. д. Иногда, наоборот, магнитная система должна изменять магнитное поле по заданному закону при изменении какого-либо фактора, чаще всего температуры. Поэтому стабильность па- раметров магнитотвердых материалов являет- ся весьма важной характеристикой. Различают структурную и магнитную нестабильность. Структурная нестабильность связана с кристаллическим строением, фазовыми превра- щениями, коррозией материала, релаксацией внутренних напряжений и т. п. Магнитные свойства, изменяющиеся в результате струк- турной нестабильности (структурное старе- ние), могут быть восстановлены только ре- генерацией структуры, например, путем пов- торной термической обработки материала. Изменения магнитного поля в системе за счет структурной нестабильности могут для некоторых материалов достигать нескольких процентов в год при нормальных условиях. При повышении температуры процесс сущест- венно ускоряется. Поэтому перед настройкой и эксплуатацией магнитной системы магниты из таких материалов подвергают искусствен- ному старению. Например, магниты из мар- тенситных сталей выдержииают при 100 °C в течение 10...15 ч, что равносильно естест- венному старению в течение 10...15 лет. Магнитная нестабильность обусловли- вается изменением магнитной (доменной) структуры материала магнита, стремящейся к установлению устойчивого термодинамичес- кого равновесия как во времени (магнитное старение), так и при изменении внешних условий. Различают магнитную нестабиль- ность обратимую и необратимую. Если при возврате к исходным условиям параметры магнитного поля в системе восстанавливают- ся, то имеют место обратимые изменения; при наличии гистерезиса — необратимые. Не- обратимые изменения, вызванные магнитной нестабильностью, можно устранить повтор- ным намагничиванием магнита. Процесс магнитного старения можно описать законом, близким к логарифмическо- му. Количественно старение может состав- лять от десятых долей процента до несколь-
[§ 5.3] Стабильность постоянных магнитов 91 Рис. 5.4. Естественное магнитное старение магнитов при комнатной температуре / —В/7/=43-106 Гн/м, ЮН14ДК24; 2 — 25-Ю6 Гн/м. ЮН14ДК25А; 3 —28-Ю6 Гн/м, ЮН14ДК24; 4— 11,5-Ю6 Гн/м; ЮНД14ДК25А; 5 — 16-106 Гн/м, ЮН14ДК24; 6 — 6-106 Гн/м, ЮН14ДК24; 7 — 21-Ю6 Гн/м, ЮНД; 8-11Х X Ю6 Гн/м, ЮНД4 ких процентов в год и зависит от свойства магнитотвердого материала, положения ра- бочей точки магнита на кривой размагни- чивания и внешних условий: колебаний тем- пературы, механических нагрузок и т. п. При выборе материала магнита необходимо 'иметь в виду, что магнитная нестабильность, как обратимая так и необратимая, зависит не только от свойств самого материала, но и от конструкции конкретной магнитной системы, условий ее эксплуатации. На рис. 5.4 в качестве примера пока- заны зависимости, характеризующие времен- ное магнитное старение магнитов из некото- рых марок диффузионно-твердеющих магни- тотвердых сплавов (сплавов системы ЮНДК) при разном положении рабочей точки (раз- ном отношении В/Н). Рассмотрим магнитную нестабильность, вызванную изменением внешних условий. Наиболее наглядно это можно сделать, анали- зируя влияние возмущающего поля ±АН на систему, характеризующуюся рабочей точкой А, которой соответствует магнитная индук- ция В а (рис. 5.5). Влияние других факторов (механических напряжений, изменения маг- нитного сопротивления цепи) можно рас- сматривать аналогичным образом, пользуясь понятием эквивалентного поля Д//. При действии поля + Д// изменение маг- нитного состояния произойдет по прямой возврата АС и магнитная индукция изменит- ся до Вс. После снятия поля магнитное сос- тояние изменится практически по прямой СА и индукция возвратится к исходному зна- чению В/,, т. е. изменение индукции будет обратимым. При действии поля —Д// рабочей точкой станет точка Е. После снятия поля магнит- ное состояние, изменяясь по прямой возврата EF, будет определяться точкой F и индукцией BF, т. е. произойдет необратимое изменение индукции. Очевидно, что повторное действие такого же поля приведет лишь к обратимому изменению индукции. Поэтому уменьшается магнитная нестабильность путем устранения необратимых изменений, включая магнитное старение (магнитная стабилизация). Из сказанного следует, что одним из ос- новных методов магнитной стабилизации яв- ляется частичное размагничивание магнита. Например, для магнита, имеющего кривую размагничивания, соответствующую рис. 5.5,. изменение частичным размагничиванием ин- дукции от В а до BF исключает необратимые изменения индукции при действии возмуща- ющего поля, не превышающего ±А//. Су- щественно также то, что уменьшение индук- ции при размагничивании зависит не только от напряженности размагничивающего поля, но также от параметров материала и от по- ложения рабочей точки на кривой размагни- чивания. Исследования показали, что частичное размагничивание уменьшает необратимые из- менения, возникающие не только под вли- янием внешних магнитных полей, ио и изме- нений температуры, магнитного сопротивле- ния цепи, механических нагрузок в виде уда- ров и вибраций и т. п. Однако в тех слу- чаях, когда к стабильности магнитной системы предъявляются особенно высокие требования и когда сильно изменяются внешние усло- вия, кроме частичного размагничивания, маг- ниты подвергают дополнительной стабилиза- ции: термообработке и механическим воздей- ствиям. Эта стабилизация заключается в воз- действии на магнитную систему в сборе не- скольких температурных циклов и циклов ме- Рис. 5.5. Схематическое изображение действия внешнего магнитного поля на постоянный магнит
92 Магнитотвердые материалы [разд. 5] кА/м-50 ~W -30 -%} ~Ю О Рис. 5.6. Кривые размагничивания сплава ЮН14ДК24 при разной температуре I — 180 °C; 2 — 20 °C; 3 — 550 °C ханических нагрузок в диапазоне, несколько превышающем изменения этих факторов в ре- альных условиях эксплуатации. В результате такой комплексной магнит- ной стабилизации необратимые изменения магнитной индукции уменьшаются до сотых долей процента в год. Дальнейшее измене- ние магнитной индукции стабилизированного магнита в некотором диапазоне изменений внешних условий будет обратимым. Это из- менение можно оценивать с помощью соот- ветствующих коэффициентов, например, тем- пературного коэффициента магнитной индук- ции: <хв:== ДВ/В.2оД^, (5.8) где В2о—магнитная индукция при начальной температуре 20 °C; А/— изменение темпера- туры; АВ — соответствующее изменение ин- дукции. Этот и другие коэффициенты, являющие- ся характеристиками конкретной стабилизи- рованной магнитной системы, не следует пу- тать с аналогичными коэффициентами, вводи- мыми для характеристики температурных ,из- Стали, закаливаемые на мартенсит. .'....................... Дисперсионно-твердеющие сплавы.............................. Диффузионно-твердеющие сплавы (системы ЮНДК)................ Сплавы платина — кобальт . . ' ............................ Магнитотвердые ферриты.............................. . . . Сплавы кобальта с редкоземельными элементами................ Композиционные материалы.................................... менений параметров материала: остаточной индукции, коэрцитивной силы, максимальной удельной магнитной энергии. На рис. 5.6 изо- бражены кривые размагничивания ..сплава ЮН14ДК24 при разных температурах, Из ри- сунка видно, что в одном и том. же; материале и, следовательно, при одних и тех же значе- ниях температурных коэффициентов парамет- ров материала температурный коэффициент магнитной индукции системы может в зави- симости от положения рабочей точки и темпе- ратурного диапазона быть положительным, отрицательным и равным нулю. 5.4. НАМАГНИЧИВАНИЕ И РАЗМАГНИЧИВАНИЕ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ Обязательным условием рационального использования магнитотвердого материала является его намагничивание до насыщения, даже если он будет использоваться в частич- но размагниченном состоянии. Как уже ука- зывалось, процесс намагничивания заключа- ется в кратковременном наложении на посто- янный магнит внешнего магнитного поля. Для намагничивания до насыщения, строго говоря, необходимо поле, равное полю ани- зотропии материала. Этот параметр, как пра- вило, не регламентируется технической доку- ментацией, поэтому по нему определить не- обходимую напряженность магнитного поля не представляется возможным. Обычно счи- тается, что для намагничивания до насыще- ния достаточна напряженность внешнего маг- нитного поля, в три-шесть раз превышающая значение коэрцитивной силы по намагничен- ности Нем материала. Иногда необходимую напряженность поля определяют эксперимен- тально. При этом, например, по ГОСТ 8.268— 77 для сплавов системы ЮНДК достаточным считается такое значение Нтяк, уменьшение которого на 25 % не приводит к уменьшению остаточной .индукции и коэрцитивной силы более чем на 1 %. Приведем значения напряженности вне- шнего магнитного поля, необходимого для намагничивания до насыщения различных ма- рок разных групп магнитотвердых материалов (в килоамперах на метр): 30...120 50...300 240...560 1000... 1800 1000... 1400 3000... 10 000 В зависимости от ма- териала наполнителя Кроме требований к напряженности на- магничивающего поля, необходимо обеспе- чить также его определенную конфигурацию. Особенно это относится к криволинейным магнитам и к созданию многополюсных маг- нитов. В этих случаях топография намагни- чивающего поля должна строго соответство- вать расчетной топографии магнитной сис- темы. При использовании магнитно-анизот-
[§ 5.4] Намагничивание и размагничивание постоянных магнитов 93 ропных марок материала намагничивающее поле должно быть направлено вдоль текстуры, допускается отклонение 5...7°. Как правило, намагничивание магнитов необходимо проводить в магнитной системе после ее сборки, так как в противном слу- чае рабочая точка магнита оказывается на кривой возврата, магнитная индукция в ра- бочем объеме системы оказывается сущест- венно меньше. Кроме того, при сборке сис- темы с намагниченными магнитами возника- ют технологические трудности — необходи- мость применения немагнитного инструмента, возможность засорения магнитной системы ферромагнитной пылью и т. п. Отдельно, без арматуры допускается намагничивать маг- ниты только из тех материалов, у которых кривая возврата из рабочей точки магнита без арматуры почти совпадает с кривой раз- магничивания материала. К таким материа- лам относятся некоторые марки феррита ба- рия и стронция, сплав платина — кобальт, сплавы кобальта с редкоземельными элемен- тами. Однако и в этом случае, если это воз- можно, предпочтительнее намагничивать со- вместно с арматурой. Время воздействия намагничивающего поля на намагничиваемый магнит может быть достаточно малым — минимальная допусти- мая длительность определяется экранирую- щим действием вихревых токов в материале магнита и арматуры. Для реально исполь- зуемых материалов и габаритов постоянных магнитов минимальная допустимая длитель- ность приложения намагничивающего поля составляет микросекунды, в худшем случае — миллисекунды. Поэтому широко применяются намагничивающие устройства как с постоян- ным, так и с импульсным магнитным полем. Наибольшее применение имеют намагни- чивающие установки постоянного тока — электромагниты и соленоиды. Значительно ре- же используются намагничивающие устрой- ства с постоянными магнитами, пригодные только для намагничивания мелких магни- тов. Больше всего электромагниты и солено- иды пригодны для намагничивания прямоос- ных магнитов (параллелепипеды, стержни и т. п.). Для намагничивания их зажимают между полюсами электромагнита, включают ток, извлекают магнит после отключения тока. При намагничивании магнитов другой формы, в том числе криволинейных, стремятся ис- пользовать распределение магнитного поля на периферии полюсных наконечников электро- магнита, применяют сменные полюсные нако- нечники. При намагничивании магнитов сов- местно с арматурой необходимо увеличивать намагничивающее поле с тем, чтобы матери- Посглоянный магнит. Магнитомягкий материал Полюсы электромагнита Рис. 5.7. Взаимное расположение магнита и по- люсов намагничивающего устройства: а — правильное: б — неправильное 1 — полюсы электромагнита; 2 — постоянный магнит; 3 — магнитомягкий материал ал арматуры, намагничиваясь до насыщения, возможно меньше искажал характер магнит- ного поля в зазоре электромагнита. На рис. 5.7 приведены примеры правильного и непра- вильного расположения магнитов относитель- но полюсных наконечников электромагнита. Недостатками намагничивающих устано- вок постоянного тока являются большая мас- са и габариты, большая потребляемая мощ- ность, невозможность намагничивания магни- тов сложной формы, в частности, многопо- люсных; ограниченная напряженность намаг- ничивающего поля. Действительно, большин- ство электромагнитов обеспечивает в зазоре 30...100 мм напряженность поля 400... ...1500 кА/м; уникальные многотонные элек- тромагниты с концентрирующими пермендю- ровыми полюсными наконечниками обеспечи- вают напряженность 2800...3000 кА/м лишь в зазоре 10...20 мм. Поэтому в настоящее вре- мя наиболее широко применяются импульсные намагничивающие устройства, лишенные этих недостатков. Принцип работы импульсных намагни- чивающих установок основан на сравнительно длительном накапливании электрической энергии, равной десяткам килоджоулей, в кон- денсаторной батарее и кратковременном раз- ряде через выпрямляющее устройство (для исключения колебаний в системе). Намагни-
94 Магнитотвердые материалы [разд. 5] Рис. 5.8. Примеры расположения проводов при намагничивании магнитов с помощью импульс- ных установок чивающие катушки применяют как стацио- нарные, так и наматываемые непосредствен- но на намагничиваемый магнит, как с маг- нитопроводом, так и без него. Намагничива- ющий ток достигает десятков и сотен тысяч ампер. К преимуществам импульсных уста- новок относятся малые размеры, масса, не- большая потребляемая мощность. Однако главное преимущество — возможность полу- чения любого распределения магнитного поля, возможность многополюсного намагничива- ния. На рис. 5.8 показаны примеры намаг- ничивания с помощью импульсных установок. Наибольшие сложности возникают, как видно из таблицы, при намагничивании маг- нитов из интерметаллических соединений ко- бальта с редкоземельными элементами. По- лучить необходимую напряженность магнит- ных полей трудно даже при использовании импульсных установок. Поэтому при намагни- чивании магнитов этой группы следует учи- тывать следующее обстоятельство. Перво- начальное намагничивание термически раз- магниченных после спекания магнитов тре- бует существенно меньших напряженностей, чем их перемагничивание. Как правило, для первичного намагничивания достаточна нап- ряженность 2400...3200 кА/м. Следовательно, намагничивание необходимо производить один раз окончательно готовых, механически обработанных магнитов, избегая размагничи- вания и повторного намагничивания. В процессе изготовления магнитных сис- тем постоянные магниты подвергаются раз- магничиванию: частичному для получения строго заданной напряженности магнитного поля или стабилизации и полному — для дополнительной механической обработки, транспортировки и т. п. Классический метод полного размагничивания — нагревание маг- нита выше температуры Кюри — приемлем только для магнитотвердых ферритов. Для остальных магнитотвердых материалов этот процесс приводит к необратимому ухудшению магнитных свойств. В большинстве случаев свойства могут быть восстановлены только полным циклом повторной термической или термомагиитной обработки; в некоторых слу- чаях, например, вследствие коррозии, свой- ства ухудшаются необратимо. Обычно полное размагничивание произ- водят, воздействуя на магнит переменным (или непрерывно коммутируемым постоян- ным) магнитным полем с убывающей до нуля амплитудой иапряжениости. Распространен также метод ввода и медленного вывода маг- нита из зазора электромагнита или солено- ида, включенных в сеть переменного тока. Те же методы используют для частичного размагничивания с соответствующим подбо- ром амплитуды напряженности магнитного поля. Иногда для размагничивания исполь- зуют импульсные установки. В этом случае для получения затухающих колебаний разряд конденсаторной батареи осуществляют без выпрямляющего устройства. Часто в установ- ки для частичного размагничивания монти- руют датчики Холла для непосредственного контроля степени размагничивания или требу- емой после размагничивания напряженности магнитного поля. 5.5. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ Измерения основных параметров магни- тотвердых материалов — остаточной индук- ции, коэрцитивной силы по индукции и на- магниченности, максимальной удельной маг- нитной энергии — рассмотрены достаточно широко в специальной литературе. Основным нормативным документом на испытания маг- иитотвердых материалов является ГОСТ 8268—82 «Методика выполнения измерений при определении статических магнитных ха- рактеристик магнитотвердых материалов». Стандарт предусматривает проведение испы- таний образцов в замкнутой или почти зам- кнутой (неполностью замкнутой) магнитной цепи в так называемых пермеаметрах силь- ных полей. Измерении производят баллисти- ческим методом, с помощью преобразовате- лей Холла и электронных интегрирующих уст- ройств. В настоящее время баллистический метод измерения используется все реже. На смену баллистическим установкам пришли элект- ронные гистерезисографы, обеспечивающие ав-
[§ 5.5] Измерение параметров постоянных магнитов 95 тематическую запись петли гистерезиса и циф- ровой отсчет основных параметров материала. Для материалов с высокой коэрцитивной силой в таких установках непосредственно в перме- аметр встраиваются катушки для импульсного намагничивания. Все это позволило сократить время измерений до десятков секунд и повы- сить точность измерения остаточной индукции и коэрцитивной силы до ±3 % (ранее ±5 %), а максимальной удельной магнитной энергии до ±6 % (ранее ±19 %). Однако с появле- нием современных высококоэрцитивиых мате- риалов этот метод не является единственным методом оценки качества постоянных магни- тов, ибо обладает рядом существенных не- достатков. Во-первых, в соответствии со стандартом измерению могут быть подвергнуты лишь образцы в виде параллелепипедов или стерж- ней длиной не менее 15 мм и поперечным сечением 50...900 мм2. Поверхности образца должны быть все отшлифованы и удовлетво- рять опеределеиным допускам, в том числе по неперпендикулярности, определенной ше- роховатости. Следовательно, большая часть магнитов не может быть подвергнута непо- средственным измерениям. В этом случае техническая документация предусматривает контроль параметров материала на образцах- свидетелях, изготовляемых совместно с пар- тией контролируемых магнитов. Вместе с тем совместная термическая и термомагнитная обработки не гарантируют полной идентич- ности микроструктуры, а следовательно, и свойства из-за различий образца-свидетеля и магнитов по массе и геометрическим разме- рам. С широким внедрением в технологию изготовления магнитов методов порошковой металлургии различия свойств образца-свиде- теля и магнитов могут быть еще больше: образцы-свидетели изготовляют из той же партии порошка, но, как правило, на другом прессе, в другой пресс-форме и при другом текстурирующем магнитном поле. Во-вторых, метод измерения параметров материала в пермеаметре не применим для контроля свойств материала с иеколлинеарной текстурой. Способ вырезки образцов из магнита с разными контролируемыми областями также не всегда применим, кроме того, очевидно, является разрушающим методом контроля. В-третьих,, измерения в пермеаметре по- зволяют получить характеристику материала магнита, но, как правило, не позволяют оценить качество конкретного магнита. Особенно это касается постоянных магнитов сложной фор- мы, например, многополюсных. Наконец, в-четвертых, измерения пара- метров материала все еще остаются достаточ- но трудоемкими, что не позволяет исполь- зовать их для стопроцентной проверки или разбраковки постоянных магнитов. В соответствии с вышеизложенным в боль- шей части технической документации- на по- стоянные магниты контроль параметров материала выносится в состав периодических испытаний. Предусматривается также изме- рение параметров материала для контроля технологического процесса в производстве, например, для аттестации плавки, партии пресс-массы и т. п. В то же время при приемо- сдаточных испытаниях чаще всего используют- ся различные косвенные методы контроля качества магнитов. Для магнитов из материала с относи- тельно небольшой коэрцитивной силой и при сборке магнитной системы широко приме- няется метод измерения магнитной индукции в эталонной магнитной системе. Этот параметр непосредственно характеризует работоспособ- ность магнита. Для косвенного контроля коэрцитивной силы часто измеряют индукцию в эталонной магнитной системе после воздей- ствия на магнит определенного размагничи- вающего поля или, что равносильно, после частичного размыкания системы. Для этих целей изготовляют специальные установки производственного контроля для конкретного типоразмера или группы типоразмеров магни- тов с использованием сменных полюсных наконечников эталонной системы. Такие уста- новки могут быть выполнены на современном техническом уровне и достаточно большой производительностью. При этом следует иметь в виду, что эталонная магнитная система внешне может отличаться от магнитной си- стемы, в которой будет эксплуатироваться магнит. Чаще эталонная система больше похожа на небольшой пермеаметр с быстро- действующими зажимами и небольшими ка- тушками для включения фиксированного раз- магничивающего поля. Необходимое положе- ние рабочей точки в материале магнита обеспе- чивается рассчитанной конфигурацией эле- ментов системы и величиной немагнитного зазора в таком пермеаметре. Для магнитов из современных высоко- коэрцитивных материалов, как правило, эта- лонная магнитная система оказывается ненуж- ной, поскольку они используются в более ра- зомкнутых магнитных цепях и их собственное размагничивающее поле почти не приводит к саморазмагничиванию. Для определения ка- чества таких магнитов применяется другой метод — измерение магнитной индукции на поверхности (точнее вблизи поверхности) магнитов в так называемых характерных точ- ках. Например, у дисковых аксиально иамаг-
96 Магнитотвердые материалы [разд. 5] ниченных магнитов измеряется индукция в центре торцевой поверхности, у аксиально намагниченных кольцевых магнитов — в гео- метрическом центре магнита, у многополюс- ных магнитов — в геометрическом центре каждого или одного из полюсов и т. д.. Для такого контроля применяются установки в виде столика, позволяющего заданным обра- зом фиксировать положение контролируемого магнита относительно датчика тесламетра. Для косвенного контроля коэрцитивной силы применяют повторное измерение индук- ции в тех же точках, но после воздействия на магнит определенного размагничивающего поля, или после воздействия на магнит темпе- ратурного цикла, или после операции термо- стабилизации. Могут применяться и другие методы кос- венного контроля параметров материала, однако они должны быть технически обоснова- ны, тщательно рассчитаны и оговорены в тех- нических условиях на конкретный типоразмер магнита. Таким образом, контроль качества магни- тов при приемосдаточных испытаниях в боль- шинстве случаев сводится к косвенному конт- ролю двух, а иногда в обоснованных случаях и одной, точек кривой размагничивания ма- териала. 5.6. СТАЛИ, ЗАКАЛИВАЕМЫЕ НА МАРТЕНСИТ В настоящее время изготовляются и при- меняются четыре марки магнитотвердой угле- родистой стали, приведенные в ГОСТ 6862—71 «Прутки из легированной магнитотвердой стали». Состав и свойства сталей приведены в табл. 5.1. В этой таблице приведен химический сос- тав только по основным легирующим компо- нентам. В ГОСТ 6862—71 оговорено также максимальное содержание примесей: 0,2... ...0,4 % марганца, 0,17...0,40 % кремния, 0,3...0,6 % никеля, 0,03 % фосфора, 0,02 % се- ры. Магнитные свойства приведены для образ- цов в термообработанном и частично термо- стабилизированном (100 °C, 5 ч) состоянии. Значения максимальной удельной магнитной энергии ГОСТ не оговариваются. Ориентиро- вочно они составляют для сталей ЕХЗ, ЕВ6— 0,6...0,9 кДж/м3; для стали ЕХ5К5—0,8... ...1,0 кДж/м3; для стали ЕХ9К15М2—1,2... ...1,4 кДж/м3. Из механических свойств в ГОСТ приведена твердость по Бринеллю, для разных марок она несколько различается в пределах 230...340 кгс/мм2. В соответствии с ГОСТ магнитотвердые стали поставляются в виде горячекатаных или кованых круглых и квадратных прутков диа- метром или стороной квадрата до 70 мм и пря- моугольных прутков толщиной до 25 мм и ши- риной до 50 мм. В соответствии с заказом прутки поставляют в термообработанном со- стоянии или без термообработки. В приложении к ГОСТ приводятся ре- комендуемые режимы термической обработки. Для сталей марок ЕХЗ и ЕВ6: нормализация при 1000...1050 °C в течение 10... 15 мин, охлаж- дение на воздухе, закалка от 800...840 °C с выдержкой 10...20 мин в масле, старение в те- чение 24 ч на воздухе и отпуск при 100...120 °C в течение 4...5 ч. Для сталей марок ЕХ5К.5 и ЕХ9К15М2: нормализация при 1200 °C в тече- ние 5... 10 мин, охлаждение на воздухе, отпуск при 700 °C в течение 1 ч, охлаждение на воз- духе, закалка от 980...1000 °C с выдержкой 10 мин в масле или на воздухе, отпуск при 100...120 °C в течение 4...5 ч. При нагреве об- разцов, предшествующем нормализации и закалке, должны быть приняты меры по за- щите их от обезуглероживания. Поскольку мартенситные стали являются почти единственной группой магиитотвердых материалов, поставляемых не в виде готовых магнитов или заготовок, а в виде прутков раз- ного сортамента, и операции по изготовлению магнитов, включая, как правило, термообра- ботку, выполняются потребителем, следует подчеркнуть необходимость тщательного соб- людения режимов термообработки для получе- ния оптимальных магнитных свойств. Напри- мер, увеличение выдержки при нагреве, пред- шествующем высокотемпературному отпуску Таблица 5.1. Химический состав (в процентах) ' и магнитные свойства мартенситных сталей для.постоянных магнитов Марка С Сг W Со Мо Вг, Тл, не менее Нсв, кА/м, не менее ЕХЗ 0,90—1,10 2,80-3,60 — 0,95 4,775 ЕВ6 0.68...0.78 0,30-0,50 5,20-6,20 — 1,00 ЕХ5К5 ЕХ9К15М2 0,90-1,05 5,50-6,50 8,00-10,00 — 5,50—6,50 13,50-16,50 1,20-1,70 0,85 0,80 7,162 11,940
[§ 5.6] Стали, закаливаемые на мартенсит 97 или закалке, проведение дополнительных промежуточных отжигов с целью облегчения механической обработки может привести к так называемой магнитной «порче», т. е. резкому ухудшению магнитных свойств после закалки. Это объясняется коагуляцией карбидной фазы в стали; магнитные свойства могут быть вос- становлены соответствующей высокотемпера- турной обработкой. Перед эксплуатацией готовые магниты подвергают дополнительной структурной ста- билизации при 100 °C в течение 12 ч, после намагничивания проводится магнитное старе- ние с помощью температурных циклов в интер- вале 0... 100 °C и частичное (наб %) размагни- чивание. Постоянные магниты из мартенситных сталей имеют меньшую температурную и вре- менную стабильность по сравнению с магнита- ми других групп. Очевидно, что верхняя грани- ца температурного диапазона эксплуатации должна быть несколько ниже температуры ста- билизации, т. е. 70...80 °C; магниты не должны эксплуатироваться при вибрациях, ударах; влияние внешних размагничивающих полей должно быть устранено (если не предусмотре- но экранирование магнитной системы). В настоящее время применение постоян- ных магнитов из мартенситных сталей весьма ограничено вследствие низких магнитных свойств. Однако полностью от них не отказы- ваются, так как они сравнительно дешевы, до- пускают механическую обработку на металло- режущих станках. В основном они применяют- ся в тех случаях, когда к магнитным системам не предъявляются требования по габаритам и массе. Кроме того, они могут применять- ся в качестве так называемых «полутвердых» магнитных материалов для изготовления эле- ментов магнитных систем, в которых магнит- ная индукция в рабочем зазоре должна пе- реключаться, т. е. менять направление при по- даче управляющего сигнала не слишком боль- шой мощности. 5.7. ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЕ СПЛАВЫ В свое время было разработано, выпуска- лось и использовалось большое количество магнитотвердых сплавов этой группы. В пер- вую очередь к ним относятся сплавы железо — никель — медь (кунифе), железо — никель — кобальт (кунико), железо — кобальт — мо- либден (комоль), железо — кобальт — вана- дий (викаллой), железо — марганец — ни- кель, железо — хром — кобальт и др. Однако в настоящее время разработаны современные более высококачественные материалы, напри- мер сплавы системы ЮНДК, и поэтому боль- шая часть этих материалов потеряла свое значение и изготовляется в ограниченных масштабах по техническим условиям пред- приятий. Несколько шире применяются сплавы же- лезо — кобальт — ванадий, изготовляемые по ГОСТ 10994—74 «Сплавы прецизионные. Марки», и сравнительно недавно' детально разработанные сплавы железо — хром — ко- бальт, изготовляемые по ГОСТ 24897—81 «Материалы магнитотвердые деформируемые. Марки, технические требования и методы конт- роля». Химический состав (за исключением примесных элементов) и магнитные свойства этих сплавов приведены в табл. 5.2 и 5.3 со- ответственно. В табл. 5.3 магнитные свойства сплавов железо — кобальт — ванадий приве- дены ориентировочно, в ГОСТ 10994—74 указа- но, что в зависимости от содержания ванадия и температуры отпуска могут быть получены значения остаточной магнитной индукции 1,20...0,65 Тл, коэрцитивной силы—4,8... ...40 кА/м. Приведенные марки дисперсионно-твер- деющих материалов часто называют пласти- чески деформируемыми магнитотвердыми сплавами. В частности, викаллой до оконча- тельной термической обработки по пластич- ности приближается к меди, а после обра- ботки — к стали. Сплавы приобретают магнит- ные свойства только после холодной деформа- ции на 70...90 % (прокатка, волочение) и по- следующего отпуска, в результате они стано- вятся магнитно-анизотропными. Магнитные свойства этих сплавов указаны в табл. 5.3 и ха- рактерны для сплавов, деформированных и термообработанных вдоль направления дефор- мации, при этом эти свойства можно получить только в тонких сечениях. По описанной тех- нологии сплавы викаллой изготовляются в ви- де листов и проволоки. С учетом высокой стоимости сплавов (из-за большого содержа- ния кобальта) применение этих сплавов огра- ничено, изготовляются очень мелкие магниты сложной или ажурной конфигурации, сердеч- ники активной части гистерезисных двигателей и высокопрочные ленты и проволоки. В этом заключается их преимущество, так как из других магнитотвердых материалов (за исклю- чением еще более дорогого сплава платина — кобальт) изготовить изделия такой формы не представляется возможным из-за малой, а часто и нулевой пластичности и небольшой прочности. Сплавы системы железо — хром — ко- бальт менее пластичны по сравнению с викал- лоем, однако также подвергаются горячей и
98 Магнитотвердые материалы [разд. 5] Таблица 5.2. Химический состав (в процентах) сплавов систем железо — кобальт — ванадий и железо — хром — кобальт • Марка Сг Со V Ni Другие элементы 52К10Ф 52К11Ф 52К12Ф 52К13Ф <0,5 52,0-54,0 9,8-11,2 10,0-11,5 11,6-12,5 12,6-13,5 <0,7 — 28X10К 28Х10КА 26,5...29,5 9,0-11,0 2,0-3,0 1А1 0,2-0,4 1Т1 0,3-0,6 25Х15К 25Х15КА 23,5-26,5 14,0-16,0 0,8... 1,2 — (А1 0,8... 1,2 < Si 0,3-0,8 iNi 0,8...1,2 23Х15К5ФА 22,0-24,0 14,5-15,5 4,0-6,0 — 30Х23К 30Х23КА 29,0-32,0 21,5-23,5 0,4... 1,0 [Si 0,3-0,8 iTi 0,3-0,8 Примечание. Кроме указанных компонентов, в состав сплава входит железо. Таблица 5.3. Магнитные свойства сплавов систем железо — кобальт — ванадий и железо — хром — кобальт Марка B„ Тл Нсв, кА/м ITmax, КДж/М3 не менее 52КЮФ 52КПФ 0,90-1,10 12...24 3,0-8,0 52К12Ф 52К13Ф 0,90-0,95 30-38 8,0-14,0 28X10K 0,80 20 3,5 Марка В„ Тл Нсв, кА/м 1Гтах, кДж/м3 не менее 28X1 ОКА 1,10 38 13,0 25X15К 0,90 24 5,0 25Х15КА 1,20 40 16,0 23Х15К5ФА 1,25 42 19,0 30Х23К 0,75 50 6,0 30Х23КА 1,00 55 15,0 холодной пластической деформации. В соот- ветствии с этим сплавы выпускаются литыми (Л), горячекатаными (ГК) и холоднокатаны- ми (ХК) в виде круглых прутков диаметром 2...30 мм и длиной 8...90 мм; квадратных прут- ков со стороной 2...30 мм и длиной 8...90 мм; полос с большей стороной 3...50 мм, меньшей стороной 2...30 мм и длиной 8...90 мм; труб, цилиндров и колец наружным диаметром 2...100 мм, толщиной стенки 2...15 мм и длиной 3...90 мм. Максимальные размеры сечения ограничены необходимостью обеспечения при термообработке заданной скорости охлажде- ния, которая достигается тем легче, чем се- чение меньше. Большая часть сплавов изготов- ляется в виде заготовок конкретных магнитов.
I§ 5.8] Диффузионно-твердеющие сплавы — сплавы системы ЮНДК. 99 Рис. 5.9. Кривые размагничивания сплавов системы железо — хром — кобальт 1 — 23Х15К5ФА; 2 —25Х15КА; 3 —28Х10КА; 4 — 30Х23КА; 5 —25Х15К; 6 — 30Х23К; 7 — 28X1 ОК В ГОСТ 24897—81 приведены физико- механические свойства сплавов в высоко- коэрцитивном, т. е. термообработаином со- стоянии. Для сплавов, изготовленных литьем, предел прочности при растяжении составляет около 200 МПа, относительное удлинение — около 1 %, ударная вязкость КСО — 10 кДж/м3. Для сплавов, изготовленных горячей и холодной прокаткой, кроме сплавов 30Х23К, 30Х23КА, предел прочности при растяжении составляет 700...900 МПа, предел текучести 490...700 МПа, относительное удли- нение— 3...5 %, относительное сужение — 3...7 %, ударная вязкость — около 80 кДж/м3, твердость 32...41 ед. по Роквеллу. Для сплавов 30Х23К, 30Х23КА в горячекатаном и холодно- катаном состояниях предел прочности при рас- тяжении составляет 350...450 МПа, относи- тельное удлинение — около 1 %, ударная вяз- кость —10 кДж/м3, твердость — 40...50 ед. по Роквеллу. Таким образом, даже в термообра- ботанном состоянии эти сплавы являются прочными и достаточно пластичными материа- лами. В приложении к ГОСТ 24897—81 приве- дены рекомендуемые режимы термической об- работки сплавов Термообработка сводится к закалке в воду (от температуры 1300 °C для сплавов 30Х23К и 30Х23КА и от температуры 1100...1250 °C для остальных сплавов с вы- держкой при температуре закалки в течение 0,5... 1 ч) и пяти-шестиступенчатому отпуску в диапазоне температур 640...540 °C в течение 12...16 ч (в зависимости от марки). Для марок с магнитной анизотропией наличие буквы «А» обозначает, что первая ступень отпуска при 640 °C в течение 1 ч производится в присутст- вии приложенного вдоль желаемого направле- ния анизотропии магнитного поля напряжен- ностью не меиее 100 кА/м. Различие анизотроп- ных и изотропных марок сплавов наглядно ил- люстрируется кривыми размагничивания, приведенными на рис. 5.9. Эти кривые размаг- ничивания, как и везде далее, построены по предельно допустимым (минимальным) значе- ниям магнитных параметров. Прямые соединя- ют начало координат с точкой (В//)тах. Суще- ственна также разница в проницаемости воз- врата: если для изотропных марок оиа состав- ляет (5...8)-10“6 Гн/м, то для анизотропных марок она приблизительно в 1,5 раза меньше. Как следует из анализа технологического процесса изготовления дисперсиоиио-твер- деющих сплавов, окончательная структура сплавов достаточно устойчива при нормальных условиях — сплавы проходят длительный отпуск при сравнительно высокой темпера- туре. Кроме того, эти сплавы коррозионно стойки и сохраняют структуру по крайней мере до температуры 500 °C. Существенно выше по сравнению с мартенситными сталями и магнит- ная стабильность. Так, в соответствии с при- ложением к ГОСТ 24897 — 81 снижение маг- нитной индукции в точке (ВН) max при 20 °C в течение 10 000 ч работы для изотропных марок сплавов железо —хром —кобальт не превы- шает 3%, для анизотропных марок—1 %. Температурный коэффициент магнитной индук- ции в точке (ВН)™* в диапазоне от —80 °C до +150 °C в зависимости от марки состав- ляет от —0,015 до —0,028 %/К- Таким образом, сплавы системы железо — хром — кобальт применяются в магнитных системах замкнутого типа (с относительно ма- лым зазором) в тех случаях, когда форма магнита затрудняет его изготовление методом литья и требуется значительная механическая обработка, а также в тех случаях, когда к магнитам предъявляются повышенные требо- вания по прочности. Применение ограничено стоимостью и дефицитностью кобальта. 5.8. ДИФФУЗИОННО-ТВЕРДЕЮЩИЕ СПЛАВЫ — СПЛАВЫ СИСТЕМЫ ЮНДК Сплавы системы железо — никель — алюминий — кобальт, получившие в отечест- венной промышленности название сплавов ЮНДК, среди магнитотвердых материалов за- нимают особое место. Во-первых, потому, что свойства этих сплавов намного лучше свойств использовавшихся ранее материалов. Во-вто- рых, эти сплавы долго считались самыми пер- спективными — теоретическая модель пере- магничивания этих сплавов предсказывала по- лучение максимальной удельной магнитной
100 Магнитотвердые материалы [разд. 5] Таблица 5.4. Химический состав (в процентах) сплавов ЮНДК Марка AI Ni Си Со Ti Другие элементы ЮНД4 13,0...14,0 24,0-25,0 3,0-4,0 0,2...0.3 ЮНД8 10,8...11,3 28,0-28,4 7,8-8,2 — — ЮНТС 13,0... 16,0 32,0-35,0 — 0,4-0,5 Si 1,0... 1,5 ЮНДК15 8,5...9,5 19,0-20,0 3,0-4,0 14,0-15,0 0,2-0,3 — ЮНДК18 9,0... 10,0 18,0-19,0 18,0-19,0 — ЮНДК18С 6,5...7,5 14,0-15,0 1,5-2,0 18,0-20,0 Si 0,5-0,8 ЮН13ДК24С 7,5...8,0 12,0-13,0 2,0...2,5 Si 0,1...0,25 ЮН13ДК24 12,5-13,5 ЮН14ДК24 7,5...8,5 13,5-14,5 2,5...3,5 23,5-24,5 ЮН15ДК24 14,5-15,5 ЮН14ДК24Т2 8,0-9,0 14,0-15,0 3,0-4,0 1,5-2,0 ЮН13ДК25А 7,5...8,0 12,5-13,5 3,0-3,5 ЮН14ДК25А 8,0...8,5 13,5-14,5 3,5...4,0 (Nb 0,5...0,8 ЮН13ДК25БА 7,7-8,1 12,5-13,0 3,0-3,5 24,0-26,0 (Si 0,3-0,6 ЮН14ДК25БА 8,0...8,5 13,5-14,0 3,5-4,0 0,2...0,3 Nb 0,8... 1,0 ЮН15ДК25БА 8,3...8,7 14,5-15,0 4,0...4,5 0,2...0,3 Nb 1,0... 1,4 ЮНДК31ТЗБА 13,0-13,5 3,0-3,5 30,5-31,5 3.0...3,5 Nb 0,9... 1,5 ЮНДК34Т5 14,0-14,5 3,0-4,0 34,0-35,0 — ЮНДК35Т5Б 6,8-7,2 14,0-15,0 5,0...5,5 Nb 0,8... 1,1 ЮНДК35Т5 3,3-3,7 34,5-35,5 — ЮНДК35Т5БА 14,0-14,5 4,0-5,0 Nb 0,9...1,l ЮНДК35Т5АА 7.0...7,5 2,5-3,0 5,0...5,5 ЮНДК38Т7 6,9-7,3 13,5-14,0 3,3-3,7 38,0-40,0 6,9-7,2 ЮНДК40Т8 7,5-8,5 13,5-14,5 3,0...4,0 40,0-42,0 8,0-9,0 ЮНДК40Т8АА 7,2-7,7 14,0...14,5 39,0-40,0 7,0-8,0 Примечание. Недостающая доля в составе сплавов — железо. Таблица 5.5. Магнитные свойства сплавов ЮНДК Марка B„ Тл НсВ, кА/м max, кДж/м3 Марка В„ Тл Т/св, кА/м Wmax, кДж/м3 не менее не менее ЮНД4 ЮНД8 ЮНТС ЮНДК15 ЮНДК18 ЮНДК18С 0,50 0,60 0,43 0,75 0,90 40 44 58 3,6 5,1 4,0 ЮН13ДК25БА ЮН14ДК25БА ЮН15ДК25БА 1,40 1,30 1,25 48 58 62 28,0 48 55 6,0 9,7 ЮНДК31ТЗБА 1,15 92 32,0 ЮНДК34Т5 14,0 1,10 44 14,0 ЮНДК35Т5Б 0,75 96 16,0 ЮН13ДК24С 1,30 36 ЮНДК35Т5 ПО 18,0 36,0 ЮН13ДК24 1,25 40 18,0 ЮНДК35Т5БА 1,02 ЮН14ДК24 ЮН15ДК24 1,20 1,15 48 ЮНДК35Т5АА 1,05 115 40,0 52 ЮНДК38Т7 0,75 135 18,0 ЮН14ДК24Т2 1,10 60 15,0 ЮНДК40Т8 0,70 145 ЮНДК40Т8АА 0,90 32,0 ЮН13ДК25А ЮН14ДК25А 1,40 1,35 44 52 —
К 5-81 Диффузионно-тве рдеющие сплавы — сплавы системы ЮНДК 101 Таблица 5.6. Режимы термической обработки сплавов ЮНДК Марка Режим ЮНД4 Охлаждение от 1250 °C со скоростью 180...300 °С/мин ЮНД8 Охлаждение от 1270 °C в масле. Отпуск: 600 °C в течение 2 ч ЮНТС Охлаждение от 1200 °C на воздухе ЮНДК15 Охлаждение от 1280 °C до 700 °C со скоростью 60...300 °С/мин. Отпуск: 650 °C в течение 1 ч, 590 °C — 2 ч ЮНДК18... ЮН14ДК24Т2 Охлаждение от 1280 °C в магнитном поле напряженностью ^160 кА/м до 600 °C со скоростью 50...200 °С/мин. Отпуск: 620 °C в течение 2 ч, 590 °C — 8 ч ЮН13ДК25А... ЮН15ДК25БА Охлаждение от 1280 °C в магнитном поле напряженностью 160 кА/м до 900 °С/мин со скоростью 200 °С/мин и до 600 °C — со скоростью 25 °С/мин. Отпуск: 610 °C — в течение 5 ч, 590 °C — 8 ч, 560 °C —-12 ч ЮНДК31ТЗБА Охлаждение от 1270 °C до 900 °C со скоростью 150 °С/мин, выдержка в изо- термической ванне при 775±5 °C в течение 10 мин в магнитном поле напря- женностью ^200 кА/м. Отпуск: 630 °C — 2 ч, 580 °C — 8 ч ЮНДК34Т5, ЮНДК35Т5Б Охлаждение от 1250 °C в магнитном поле напряженностью ^200 кА/м до 900 °C со скоростью 200 °С/мин и до 600 °C со скоростью 20...40 °С/мин. Отпуск: 640 °C в течение 2 ч, 500 °C — 8 ч ЮНДК35Т5, ЮНДК35Т5БА, ЮНДК35Т5АА Охлаждение от 1250 до 800 °C со скоростью 150 °С/мии, выдержка в изо- термической ванне при 795±5°С в течение 10 мин в магнитном поле на- пряженностью ^240 кА/м. Отпуск: 640 °C в течение 5 ч, 560 °C — 20 ч ЮНДК38Т7 Охлаждение от 1230 до 900 °C со скоростью ^250 °С/мин и выдержка в изо- термической ванне при 815±5°С в течение 10...15 мин в магнитном поле напряженностью ^280 кА/м. Отпуск: 675 °C в течение 0,5 ч, 650 °C — 2 ч, 580 °C — 16 ч, 550 °C — 20 ч ЮНДК40Т8, ЮНДК40Т8АА Охлаждение от 1210 до 900 °C со скоростью ^250 °С/мин, выдержка в изо- термической ванне при 830 °C в течение 10...15 мин в магнитном поле напря- женностью ^280 кА/м. Отпуск: 675 °C в течение 0,5 ч, 650 °C — 2 ч, 590 °C — 16 ч, 550 °C — 20 ч энергии (до 200 кДж/м3). И хотя впоследствии были разработаны другие модели, в частности некогерентного перемагничивания, достаточно хорошо объясняющие фактически достигнутые параметры, многочисленные исследования привели к разработке сплавов с двойной тек- стурой и монокристаллических с невиданными ранее свойствами: Wml>x^40 кДж/м3, коэр- цитивная сила > 145 кА/м (лабораторные образцы U7max>53 кДж/м3 и Нс~^ 170 кА/м). В-третьих, сплавы ЮНДК являются самыми стабильными среди магнитотвердых материа- лов, способными работать при самой высокой температуре. Так, при испытаниях в течение года при температуре 500 °C структурных из- менений не наблюдается. После специальной структурной и магнитной стабилизации маг- ниты из сплава ЮНДК35Т5 способны работать не менее 2000 ч при 600 °C и 80 ч при 650 °C. Общее старение магнитов за это время не пре- вышает 1 %. Сплавы имеют также минималь- ные обратимые магнитные изменения: темпе- ратурный коэффициент остаточной магнитной индукции составляет —0,02 %/К, а коэр- цитивной силы +0,02...0,04 %/К- Используя разный знак температурных коэффициентов остаточной индукции и коэрцитивной силы и пересечение кривых размагничивания вблизи точки (ВИ) |лах, можно в отдельных случаях в определенном температурном диапазоне скон- струировать магнитную систему почти с нуле- вым температурным коэффициентом магнит- ной индукции в зазоре системы. Таким образом, несмотря на появление более энергоемких и более высококоэрцитив- ных магнитотвердых материалов и вытеснение
102 Магнитотвердые материалы [разд. 5[ сплавов ЮНДК из некоторых областей при- менения, несмотря на дефицитность кобальта и достаточно высокую стоимость магнитов из этих сплавов, они остаются одними из важней- ших магнитотвердых материалов, незамени- мыми при конструировании магнитных систем замкнутого типа, в первую очередь, в точном приборостроении. В табл. 5.4 приведен химический состав, в табл. 5.5 — основные магнитные параметры, а в табл. 5.6— рекомендуемые режимы терми- ческой и термомагнитной обработки сплавов ЮНДК по ГОСТ 17809—72. Как уже указывалось, высококоэрцитив- ное состояние сплавов ЮНДК обусловливает- ся распадом равновесного при высокой тем- пературе твердого раствора на две фазы — сильномагнитную, близкую в бескобальтовых сплавах к железу, а в сплавах, содержащих кобальт, близкую к раствору кобальта в же- лезе, и слабомагнитную, близкую к интер- металлиду никель — алюминий. Этот распад имеет важнейшие признаки спинодального распада — отсутствие неразложившегося твердого раствора, постоянное количественное соотношение фаз при распаде, непрерывное возрастание гетерогенности, самопроизволь- ное распространение процесса по всему объему образца. Главная особенность спинодального распада — неустойчивость системы к бес- конечно малым флуктуациям состава, что не- избежно приводит к строгой периодичности получаемой структуры. Для получения высо- кокоэрцитивного состояния распад прерывает- ся на стадии когерентной связи выделений с матрицей. В этих условиях, как показали теоретические и экспериментальные исследо- вания, вследствие различия параметров крис- таллических решеток выделений и матрицы, т. е. вследствие возникающих упругих напря- жений, образуется двухмерная периодическая структура вытянутых по одной из осей типа [100] игольчатых выделений сильномагнитиой фазы. Следовательно, в пределах одного крис- талла не может быть хаотичности в направлен- ности выделений, напротив, существуют облас- ти, в пределах которых выделения однонаправ- ленные, т. е. самопроизвольно реализуется как бы группа высококоэрцитивиых сильномагнит- ных вытянутых вдоль одного направления час- тиц. ' Однако такое высококоэрцитивное со- стояние реализуется только при размерах выде- лений, соответствующих критическому размеру однодоменности, в рассматриваемом случае при диаметре выделений около 200 А. Такие размеры выделений обеспечиваются при рас- паде в две стадии: охлаждение от высокой температуры с определенной скоростью и по- следующий ступенчатый отпуск. Скорость ох- лаждения не должна быть слишком большой, чтобы успел произойти распад по всему объ- ему, и не должна быть слишком малой, чтобы выделения не выросли до размеров, пре- вышающих размер однодоменности. Кон- кретные режимы охлаждения, ступени отпуска зависят от химического состава сплава. Из изложенного следует, что тщательное соблю- дение режимов нагрева, охлаждения и отпуска является необходимым условием получения оптимальных магнитных свойств. Описанный механизм магнитного тверде- ния прямым образом относится к сплавам от ЮНД4 до ЮНДК18. Области с анизотро- пией формы выделений ориентированы по объему образца хаотично, в целом материал получается магнитно-изотропным. С увеличением содержания кобальта в сплаве происходит два процесса: снижается температура начала высококоэрцитивного рас- пада (от 950 °C в бескобальтовом сплаве до 800 °C в сплаве с 24 % кобальта), повышает- ся температура Кюри сильномагнитной фазы (соответственно от 730 до 850 °C). Таким обра- зом, при определенном содержании кобальта в сплаве сильномагнитная фаза в начале распа- да является ферромагнитной, т. е. появляется возможность ориентирования длинных осей выделений внешним магнитным полем. Поэто- му, начиная со сплава ЮНДК18С, все сплавы подвергают не термической, а термомагнитной обработке, для придания им магнитной анизо- тропии или текстуры вдоль желаемого направ- ления. Следует отметить, что силы упругости, ответственные за анизотропию формы выделе- ний, существенно больше магнитных сил, поэ- тому выделения ориентируются длинными ося- ми не вдоль магнитного поля, а вдоль крис- таллографических осей типа [100], ближай- ших к направлению поля. Возможность дальнейшего улучшения свойств связана с совмещением одного из на- правлений [100] с направлением поля по всему объему образца. С этой целью разработана технология изготовления сплавов с так назы- ваемой столбчатой кристаллической струк- турой: образец состоит из сравнительно не- большого количества кристаллов столбчатой формы, пронизывающих объем образца на всю его высоту. Поперечные размеры кристал- лов — 0,5...5 мм, а одно из направлений [100] ориентировано по длине кристалла. Пос- ле термомагнитной обработки вдоль длинных осей кристаллов такие материалы имеют двойную текстуру: кристаллическую и маг- нитную. В настоящее время разработано и приме- няется два метода получения заготовок маг-
[§ 5.81 Диффузионно-твердеющие сплавы — сплавы системы ЮНДК 103 нитов с кристаллической текстурой. Метод печ- ной кристаллизации заключается в заливке расплава в форму, выполненную, например, в виде кварцевой трубки и помещенную в элект- ропечь. Форма располагается на холодильни- ке, который может быть выполнен, например, в виде медного пустотелого сосуда с водяным охлаждением. Поверхность холодильника пре- дохраняется от воздействия расплава сменной пластинкой из никеля. Низ формы герметизи- руется огнеупорной обмазкой. Перед за- ливкой форму прогревают до 1400...1450 °C, т. е. выше температуры затвердевания сплава, что исключает кристаллизацию с боковой по- верхности. После заливки расплава в форму в месте соприкосновения с холодильником об- разуется твердый слой сплава, а затем начи- нают медленно (со скоростью, равной прибли- зительно 5 мм/мин) опускать холодильник с формой, выводя ее из зоны электропечи. Полу- ченная таким способом отливка имеет кристал- лическую текстуру, направленную по оси фор- мы. Вместо кварцевой трубки применяются также «оболочковые» формы, применяемые для литья по выплавляемым моделям. Этот способ позволяет получать образцы длиной 250...300 мм со столбчатой структурой по всей длине отливки. Недостатками метода являются прежде всего низкая производительность и относительная его сложность, что препятству- ет его широкому применению. Производительнее и дешевле метод вне- печной кристаллизации. В этом методе расплав заливают в предварительно разогретую до 1300...1350 °C многогнездную огнеупорную (например, шамотную) форму с тонкими пе- ремычками, обеспечивающими взаимный обог- рев отливок в процессе кристаллизации. Непо- средственно перед заливкой разогретая форма устанавливается на массивный стальной холо- дильник, дополнительно теплоизолируется пес- ком и оборудуется заливочным отверстием в виде воронки. При этом методе одно- временно получают 10...100 заготовок магни- тов (по числу гнезд в форме в зависимости от поперечных размеров), имеющих длину столб- чатых кристаллов 70...80 мм. Сплавы со столбчатой кристаллической структурой в обозначении марки помечены буквой «А» (см. табл. 5.4...5.6). Эти сплавы имеют почти одинаковую коэрцитивную си- лу по сравнению со сплавами такого же соста- ва, ио только с магнитной текстурой. Однако остаточная индукция, максимальная удельная магнитная энергия, коэффициент выпуклости кривой размагничивания существенно выше. Еще более совершенная структура, а следовательно, и несколько более высокие маг- нитные свойства, получаются в монокристал- лических сплавах (в обозначении марки поме- чены буквами «АА»). Монокристаллические образцы выращивают методом зонной плавки на затравках в специальных установках в ва- кууме или в защитной среде. Высокая стои- мость технологического процесса и его малая производительность обусловливают весьма ограниченный выпуск монокристаллических сплавов в промышленности. Следует отметить, что монокристаллическим, строго говоря, сплав является только при высокой темпе- ратуре; в термообработанном состоянии струк- тура является гетерогенной и соответствует мелкодисперсному, описанному выше высоко- коэрцитивному состоянию с анизотропией вдоль одной из осей типа [100]. Различие сплавов изотропных, с магнит- ной текстурой, с двойной кристаллической и магнитной текстурой, монокристаллических наглядно иллюстрируется на рис. 5.10, 5.11, на которых приведены кривые размагничивания наиболее типичных марок сплавов. Необходимо отметить важность тщатель- ного контроля химического состава сплавов в процессе производства. Эти составы разра- ботаны в результате длительных эксперимен- тальных исследований. Только заданное соче- тание элементов обеспечивает необходимую технологичность, необходимую кинетику вы- сококоэрцитивного распада, способность сплава к столбчатой кристаллизации и т. п. Недостатком сплавов ЮНДК является их высокая твердость и хрупкость. Вследствие этого сплавы могут обрабатываться только шлифованием. Шлифовку рекомендуется про- изводить в два этапа: грубую до термической обработки со съемом металла за проход 0,1... ...0,25 мм и тонкую после термической обработ- ки со съемом металла за проход 0,01...0,02 мм. Шлифование в одни этап увеличивает коли- кА/м -50 -30 -20 -Ю 0 Рис. 5.10. Кривые размагничивания некоторых марок сплавов ЮНДК 1 — ЮН14ДК25А; 2 — ЮН14ДК24; 3 — ЮН14ДК24Т2; 4 — ЮНДК18; 5 — ЮНТС; 6 — ЮНД4
104 Магнитотвердые материалы [разд. 5[ Рис. 5.11. Кривые размагничивания наиболее высокоэрцитивных марок сплавов ЮНДК 1 — ЮНДК35Т5АА; 2 — ЮНДК35ТБА; 3 — ЮНДК40Т8АА; 4 — ЮНДК35Т5; 5 — ЮНДК40Т8 чество бракованных магнитов в связи с появ- лением трещин. Особенности механических свойств сплавов ЮНДК, которые не позволяют выполнять резь- бы, отверстия, требуют специальных решений при монтаже магнитных систем. Например, в магнитах делают канавки, применяют литье на стальные или бронзовые втулки (под отвер- стия или резьбу) и т. п. Необходимость ох- лаждения с заданной скоростью ограничивает также размеры сечения магнитов в диапазо- не 50... 100 мм в зависимости от марки. Маг- нитные системы с большими магнитами дела- ют составными. Очевидно также, что если магниты с магнитной текстурой могут быть вы- полнены сложной конфигурации соответст- вующим подбором формы магнитного поля при термомагнитной обработке, то магниты с двой- ной текстурой могут быть только прямоосными. Магниты из сплавов ЮНДК изготовляют не только методом литья. Применяется также метод порошковой металлургии. Марки мате- риалов, изготовляемые этим методом, оговари- ваются ГОСТ 13596—68 и приведены в табл. 5.7. Сплавы ММК-1-..ММК-6 изотропны, а сплавы ММК-7...ММК-П анизотропны, т. е. подвергаются термомагнитной обработке. Технологический процесс изготовления металлокерамических магнитов состоит из операций: смешения исходных порошков ме- таллов (алюминий вводится в виде порошка железоалюминиевой лигатуры: 50 % железа и 50 % алюминия), прессования заготовок магнитов на гидравлических прессах при дав- лении 1000...1200 МПа, спекания заготовок при температуре 1200...1350 °C в атмосфере остроосушенного (до точки росы —40 °C) во- дорода, последующей термической или термо- магнитной обработки. В готовом виде метал- локерамические магниты имеют остаточную пористость 3...5 %, следовательно, худшие по сравнению с литыми магнитами свойства: мак- симальная удельная магнитная энергия и оста- точная магнитная индукция на 10...20 % мень- ше. Очевидно, что этим методом не могут быть получены магниты с кристаллической (т. е. двойной) текстурой. Метод изготовления нак- ладывает обычные для порошковой металлур- гии ограничения по форме и размерам магни- тов. Применяемое высокое давление прессова- ния ограничивает площадь сечения магнита (несколько квадратных сантиметров) и высо- ту магнита (10...15 мм). Преимущество металлокерамических маг- нитов из сплавов ЮНДК заключается в более высокой механической прочности: в три-шесть раз больше, чем у литых сплавов. В частности, предел прочности при сжатии в зависимости от марки составляет 1000...2000 Н/мм2, а пре- дел прочности при изгибе — 200...400 Н/мм2. Кроме того, в некоторых случаях возможно Таблица 5.7. Магнитные свойства металлокерамических сплавов ЮНДК Марка Остаточная магнитная индукция ВГ, Тл Коэрцитивная сила, Нсв, кА/м Магнитная энергия Юаак, кДж/м3 не менее ММК-1 0,60 24 3,0 ММК-2 0,48 39 3,5 ммк-з 0,52 44 4,0 ММК-4 0,55 40 4,5 ММК-5 0,60 4,7 ММК-6 0,65 44 5,0 ММК-7 0,95 — 10,5 ММК-8 1,10 40 14,0 ММК-9 0,75 80 12,0 ммк-ю 0,80 100 15,0 ММК-11 0,70 128 16,0
[§ 5.9] Сплавы платина — кобальт 105 изготовление магнитов совместно с элемента- ми арматуры (например, полюсными наконеч- никами) путем послойного заполнения пресс- формы порошком железа и порошковой смеси- магнитотвердого материала, совместного прес- сования и спекания изделия. 5.9. СПЛАВЫ ПЛАТИНА — КОБАЛЬТ Из всех сплавов с наличием драгоценных металлов, считавшихся магнитотвердыми ма- териалами, к настоящему времени не утеряли своего значения лишь сплавы платина — ко- бальт. Правда, с разработкой интерметалли- ческих соединений кобальта с редкоземельны- ми элементами и этот сплав все больше теряет практическое значение. Очевидно, причина заключается в чрезвычайно высокой стои- мости, хотя комплекс свойств, которым обла- дают эти сплавы, является уникальным. Платинокобальтовые сплавы с оптималь- ными магнитными свойствами имеют химичес- кий состав, близкий к стехиометрическому PtCo, или в массовых долях — 77 % платины и 23 % кобальта. Практически изготовляются сплавы двух составов: ПлК78 и ПлК76 с содер- жанием платины 78 и 76 % соответственно. Сплавы прекрасно деформируются, допускают почти любую степень вытяжки, поэтому мето- дами холодной обработки сразу получают маг- ниты конечной конфигурации. Используют также технологию порошковой металлургии. Готовые по форме магниты подвергают тер- мической обработке, во время которой происходит магнитное упорядочение. Термо- обработку начинают с приведения сплава в исходное разупорядоченное состояние при тем- пературе 1000 °C в течение 3 ч. После резкого охлаждения магниты отпускают при 660 °C в течение 15...45 мин с последующим медленным охлаждением. Магнитные свойства сплавов в термообработанном состоянии приведены в табл. 5.8. Сплавы платина — кобальт исторически были первыми материалами, которые имели столь высокие значения коэрцитивной силы Таблица 5.8. Магнитные свойства сплавов платина — кобальт Марка Остаточ- ная маг- нитная ин- дукция Вг, Тл Коэрцитив- ная сила Нсв, кА/м Магнитная энергия кДж/м3 ПлК78 0,70...0,80 300...400 32,0...47,5 ПлК76 0,65...0,75 240...350 28,0...45,0 при достаточно высоких значениях остаточной индукции и, следовательно, очень высоких значениях максимальной удельной магнитной энергии. Такое сочетание основных магнитных параметров обусловливает применение этих магнитов в так называемых открытых магнит- ных цепях, т. е. магнитных системах без маг- нитопроводов, в том числе многополюсных. Такие магнитные системы впоследствии широ- ко применялись с магнитами из магнитотвер- дых ферритов. Имея сравнительно небольшую темпера- туру Кюри — 480 °C, сплавы платина — ко- бальт обладают хорошей структурной и маг- нитной стабильностью. Температура эксплуа- тации магнитов может достигать 200 °C. Температурный коэффициент остаточной ин- дукции в диапазоне —100... + 100 °C состав- ляет — 0,015...0,042 %/К. Высокое значение коэрцитивной силы почти исключает магнит- ное старение. Таким образом, сплавы платина — кобальт по сочетанию своих свойств являются почти идеальными магнитотвердыми материа- лами для точных электроизмерительных при- боров с подвижными магнитами в качестве «магнитных пружинок», для многополюсных роторов миниатюрных шаговых двигателей (например, наручных часов) и т. п. Однако из-за уже упоминавшейся высокой стоимости их применяют лишь в специальных случаях, при этом масса используемых магнитов не пре- вышает нескольких милиграммов. Еще одним недостатком сплавов платина — кобальт явля- ется их высокая плотность—1,55-104 кг/м3. Дальнейшее улучшение магнитной стабиль- ности и совершенствование технологии изго- товления магнитов из интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными эле- ментами, в частности, разработка пленочных магнитов, получаемых плазменным напыле- нием магнитотвердого материала на подлож- ку, видимо, окончательно заменит платиноко- бальтовые магниты в промышленности. 5.10. МАГНИТОТВЕРДЫЕ ФЕРРИТЫ Магнитотвердые ферриты или, как их чаще называют, оксидные магниты, являют- ся ферримагнетиками с большими значениями константы кристаллографической анизотро- пии. Практическое применение нашли ферри- ты бария и стронция с гексагональной кристал- лической структурой типа магнетоплюмбита и феррит кобальта с кубической структурой ти- па шпинели. Вследствие ферримагнетизма эти соединения имеют пониженную индукцию на- сыщения, однако большая кристаллографи-
106 Магнитотвердые материалы [разд. 5] ческая анизотропия позволяет получить вы- сокую коэрцитивную силу, а следовательно, и удовлетворительную максимальную удель- ную магнитную энергию. Промышленные марки магнитотвердых ферритов начали интенсивно разрабатывать с конца пятидесятых годов и с этого же време- ни начался не прекращающийся до сих пор - рост объемов их производства. Это явилось следствием следующих преимуществ магни- тотвердых ферритов перед магнитотвердыми материалами других групп: отсутствие в составе соединений дефицит- ных элементов (кроме кобальта в феррите ко- бальта, применяющемся весьма ограниченно); возможность изготовления ферритов по безотходной технологии методами порошковой металлургии, позволяющими механизировать и автоматизировать процесс, следовательно, обеспечить минимальную себестоимость нитов; высокие значения коэрцитивной обеспечивают возможность применения нитов в открытых магнитных цепях и возмож- ность изготовления многополюсных магнитов без геометрически выраженных полюсов; высокая структурная и магнитная ста- бильность; высокое значение удельного электрическо- го сопротивления, позволяющее использовать оксидные магниты в системах, подвергающих- ся воздействию высокочастотных электромаг- нитных полей. Эти преимущества оксидных магнитов привели не только к постепенному вытеснению ими магиитотвердых материалов других групп из традиционных областей применения, но и к резкому расширению областей применения маг- силы маг- -----M=f(H) Ь-21СА320; 5-28СА250 Рис. 5.12. Кривые размагничивания некоторых марок ферритов бария и стронция [ — -------------------------------------------- 1 — 28СА250; 2 — 25БА170; 3 — 21СА320; 4 — 16БА190; 5 — 6БИ240 магнитах, различных удерживающих уст- ройств типа магнитных столов, магнитных фо- кусирующих систем на постоянных магнитах, магнитных систем транспорта на магнитной подушке, магнитных игрушек и т. п. Вслед- ствие этого в настоящее время оксидные маг- ниты прочно заняли лидирующее положение по объемам производства среди всех магни- тотвердых материалов; их доля в общем объе- ме производства составляет более половины и продолжает неуклонно возрастать. Марки и свойства ферритов бария и строн- ция оговариваются ГОСТ 24063—80 «Ферри- ты магнитотвердые. Марки и основные пара- метры» и ОСТ 11 707.023—81 «Ферриты маг- нитотвердые прецизионные. Марки и основные параметры». Химический состав ферритов бария и стронция соответствует стехиометрической формуле МеО-бРегОз, где Me—барий или стронций. Однако с целью повышения техноло- гичности практически используются составы МеО-пРе2Оз, где коэффициент п в зависимо- сти от марки изменяется в интервале 4,7... ...6,0. С целью получения определенного со- четания магнитных параметров той или другой марки применяются также добавки оксидов алюминия, кремния, бора, висмута 0,1.„3,0 % и редкоземельных элементов 0,1.„1,0 %. В названии марок первые две цифры (для изотропных марок одна) обозначают значе- ние максимального энергетического произве- дения (ВИ) тах в килоджоулях на кубический метр, три цифры в конце названия — значение коэрцитивной силы по намагниченности. Бук- вы в середине названия обозначают: БИ — феррит бария изотропный, БА — феррит ба- рия анизотропный, РА — феррит смешанный,
[§ 5.10] Магнитотвердые ферриты 107 СА — феррит стронция анизотропный. Следует бтметить, что в ГОСТ 24063—80 приведены марки феррита бария широкого применения, а в ОСТ 11 707.023—81— преци- зионные марки ферритов бария и стронция специального назначения, каждая из которых разрабатывалась для конкретного примене- ния с учетом специфических требований. В табл. 5.9, 5.10 приведены основные маг- нитные параметры (для анизотропных марок вдоль направления анизотропии, для изотроп- ных марок вдоль направления прессования), а на рис. 5.12 представлены кривые размагни- чивания некоторых марок ферритов бария и стронция по ГОСТ 24063—80 и ОСТ 11 707.023—81. Исходные основные компоненты и часть легирующих добавок смешиваются в необхо- димой пропорции (в случае необходимости углекислые соли бария или стронция предва- рительно измельчаются). Затем смесь порош- ков подвергается ферритизации — обжигу во вращающихся или туннельных печах в воз- душной атмосфере при температуре 1000... ... —1250 °C (в зависимости от марки). После ферритизации проводится грубый и тонкий помол шихты в шаровых мельницах или вибро- мельницах. На стадии тонкого помола вводят оставшиеся легирующие добавки. При использовании в качестве сырья готовых по- рошков технологический процесс начинают сразу с тонкого помола. Поскольку для полу- Дополнительные свойства ферритов бария и стронция Температура Кюри феррита бария................................... Температура Кюри феррита стронция........... ............... Проницаемость возврата изотропных ферритов. . . . . Проницаемость возврата анизотропных ферритов. ................ Удельное электрическое сопротивление: марки 7БИ215................. . остальных марок. . . . . . . Плотность кажущаяся. ... . . . рентгеновская. ............. Коэффициент теплопроводности..................... Удельная теплоемкость..................... ... Коэффициент линейного расширения: параллельно ориентации. ........... перпендикулярно ориентации................................... Твердость по Моосу. ....................... . Температурный коэффициент остаточной индукции. ... ... . . Временное сопротивление разрыву. . . .......... . . при сжатии. ................................ . • при изгибе. ............... .............. при кручении. . ... Модуль Юнга. . ... . . . . Модуль сдвига.................................... . Коэффициент Пуассона. . 450 °C 460 °C (1,44...1,69) • 10~6 Ги/м (1,29... 1,56)-10“6 Ги/м 106...10“ Ом-м 10...106 Ом-м (4,5...5,1) • 103 кг/м3 5,27-103 кг/м3 1,9...3,2 Вт/м-К 600...700 Дж/кг-К (13,0...15,5) -10-6 К-1 (8...11) • 10-6 К-1 6...7 -0,2 %/К 25...35 МПа 200...550 МПа 70...90 МПа 45...60 МПа (1,4...2,0) -105 МПа (0,56...0,74) -105 МПа 0,26...0,40 Предел прочности при изгибе и времеииое сопротивление разрыву ферритов марок 22РА220...ЗОРА 190 приблизительно в два ра- за выше. Технология изготовления бариевых и стронциевых ферритов является типичной керамической технологией, разновидностью технологии порошковой металлургии. Исход- ным сырьем для ферритов является оксид же- леза и углекислые соли бария и стронция. Все легирующие компоненты используются в ви- де оксидов. Для изготовления марок феррита бария широкого примеиеиия используется * также готовый порошок феррита бария по со- ответствующим техническим условиям. чения высококоэрцитивного состояния ферри- та необходимо иметь в готовом материале раз- меры зерен, близкие к критическому размеру однодомеииости феррита (около 1 мкм), сте- пень и однородность измельчения материала является весьма важной. Оптимальной тонине помола соответствует средний размер частиц порошка 0,3...0,7 мкм. Оценивают качество по- мола обычно по удельной поверхности порош- ка. Для каждой марки феррита степень помо- ла должна быть строго определеииой, так как недостаточный помол не позволит получить заданное значение коэрцитивной силы, а пе- ремол ухудшает последующее формование изделий, изменяет кинетику спекания.
108 Магнитотвердые материалы [разд. 5) Таблица 5.9. Магнитные свойства магнитотвердых ферритов по ГОСТ 24063—80 Марка Остаточ- иая маг- нитная индукция Вг, Тл Коэрцитивная сила Магнит- ная энергия, max» кДж/м3 Марка Остаточ- ная маг- нитная индукция Вг, Тл Коэрцитивная сила Магнит- ная энергия, ^гпах, ’ кДж/м3 НСВ, кА/м н сМ, кА/м Нсв, . кА/м НсМ, кА/м не менее не менее 6БИ240 0,19 125 240 3,0 24БА210 0,37 205 210 12,0 16БА190 0,30 185 190 8,0 25БА150 0,38 145 150 12,5 18БА220 0,33 210 220 9,0 25БА170 0,38 165 170 12,5 22БА220 0,36 215 220 11,0 28БА190 0,39 185 190 14,0 Формование изделий изотропных марок магнитотвердых ферритов не отличается от формования магнитомягких ферритов. По- рошок смешивают с водным раствором поли- винилового спирта (применяют и другие связ- ки), подсушивают, гранулируют протиркой че- рез механические сита, прессуют на механи- ческих или гидравлических автоматических прессах с объемной дозировкой порошка в матрицу. Изделия из анизотропных марок фер- ритов формуют с целью ориентации в «прес- совке» монодоменных частиц порошка легкой осью намагничивания (перпендикулярной ба- зисной плоскости гексагональной решетки) в одном направлении. Как правило, формова- ние производят из водной суспензии порошка без связки. Поэтому тонкий помол порошка для этих марок осуществляют в водной среде, как правило, в аттриторах непрерывного действия. После помола суспензию отстаивают до по- лучения сметанообразной консистенции (28... ...35 % влажности по массе). Полученную пресс-массу подают на специальные полуавто- матические гидравлические прессы, в которых пресс-масса через объемный дозатор впрыски- вается в полость матрицы, прессуется при давлении 25...30 МПа с одновременным нало- жением постоянного магнитного поля напря- женностью не менее 240...400 кА/м вдоль же- лаемого направления текстуры и одновремен- ным выдавливанием воды через пористые наконечники пуансонов. Выдавливаемая вода удаляется из зоны прессования вакуумным отсосом. В конце цикла прессования произво- дится размагничивание спрессованной заго- товки магнитным полем обратной полярности, в противном случае заготовку не удается от- делить от магнитного пуансона без разруше- ния. Общий цикл прессования составляет 20... 150 с в зависимости от типоразмера прес- суемого изделия и дисперсности порошка. Применяют также другие методы формо- вания изделий анизотропных ферритов. В частности, используют сухое прессование в магнитном поле порошка, прошедшего деза- грегацию. Используется метод экструзии длинномерных заготовок. Для этого приготов- ляют глиноподобную массу со специаль- ными смазками и остаточной влажностью 17...20 %. При формовании используют эф- фект тиксотропии: разжижение массы пере- менным электромагнитным полем, вследствие чего частицы порошка приобретают способ- ность ориентироваться в постоянном, наложен- ном одновременно.с переменным, магнитном поле. Однако эти методы обеспечивают мень- шую степень текстуры заготовки, следователь- но, и худшие магнитные свойства, поэтому не получили столь широкого распространения, как прессование из водной суспензии. Для предотвращения растрескивания сформованных заготовок при последующем спекании их подвергают сушке, как правило, при нормальной температуре в течение 24...72 ч. Следует иметь в виду, что в материале отсут- ствует связка, что, в свою очередь, обусловли- вает их малую прочность и требует осторожно- го обращения до спекания. Спекание изделий производят в туннель- ных печах в воздушной атмосфере при тем- пературе 1100...1300 °C в зависимости от мар- ки феррита. Скорость нагрева и охлаждения заготовок в зависимости от марки феррита и типоразмера заготовок не должна превышать 50...200 °С/ч, выдержка при температуре спекания — 2...4 ч. Основной задачей при спекании является получение необходимой плотности и предотвращение рекристаллиза- ции, т. е. существенного роста зерен. Для этой цели используют легирующие до- бавки, концентрирующиеся на границах зерен и препятствующие их росту. Кроме того, очень важно выдержать определенную температуру спекания в пределах ±10 °C, особенно для прецизионных марок. При спекании происхо- дит усадка материала в пределах 15...20 % в зависимости от марки.
К 5.10] Магнитотвердые ферриты 109 Таблица 5.10. Магнитные свойства прецизионных магннто- твердых ферритов по ОСТ И 707.023—81 Марка Остаточная магнитная индукция Вг, Тл Коэрцитивная сила Магнитная энергия кДж/м3 НсВ, кА/м Нем, кА/м не менее 4БИ145 0,17 95 145 2,0 7БИ215 0,21 125 215 3,5 7БИ300 0,20 135 300 3,5 9БА205 0,24 135 205 4,5 14БА255 0,29 185 255 7,0 15БА300 0,30 200 300 7,5 18БА300 0,32 220 300 9,0 19БА225 0,33 205 225 9,5 19БА260 0,33 225 260 9,5 28БА170 0,39 165 170 14,0 22РА220 0,36 215 220 и,о 24РА230 0,36 220 230 12,0 25РА150 0,38 145 150 12,5 25РА170 0,38 165 170 12,5 28РА180 0,39 175 180 14,0 29РА240 0,40 232 240 14,5 ЗОРА 190 0,40 185 190 15,0 21СА320 0,34 240 320 10,5 24СА190 0,37 185 190 12,0 28СА250 0,39 240 250 14,0 Следующей технологической операцией является механическая обработка, которой подвергаются все магниты анизотропных ма- рок по торцевым поверхностям (чтобы удалить следы от пористых наконечников пуансонов и обеспечить плоскостность). Ферриты являют- ся очень твердыми и хрупкими материалами, поэтому подвергаются только шлифованию алмазным инструментом с охлаждением вод- ным раствором кальцинированной соды. За- вершают технологический процесс ультразву- ковая мойка, сушка и контроль магнитных параметров. Описанный технологический процесс нак- ладывает ограничения на размеры и форму । изготовляемых магнитов: для изотропных маг- нитов — обычные ограничения порошковой металлургии, для анизотропных — специ- фические. Технология прессования из водной суспензии порошка ограничивает высоту маг- нитов, как правило, совпадающую с направ- лением анизотропии, до 15...20 мм, площадь поперечного сечения — 2...150 см2; минималь- ный размер изделия в плоскости, перпендику- лярной направлению прессования, не должен быть менее 12... 15 мм. Существенные огра- ничения накладываются на возможность изготовления магнитов с неколлинеарной текстурой. Например, вследствие неравенства коэффициентов линейного расширения мате- риала вдоль и поперек текстуры нельзя изго- товить радиально-текстурированные кольца: они неизбежно разрушаются при охлаждении от температуры спекания. Зато можно изго- товить часть такого кольца, ограниченного се- чением -двух плоскостей, параллельных обра- зующей цилиндрической поверхности. Такие изделия, обычно называемые сегментами, ши- роко используются в магнитных системах электродвигателей. Наиболее широко изго- товляются ферритовые магниты в форме дис- ков, колец, пластин, трапеций, треуголь- ников с аксиальной анизотропией, перпенди- кулярной плоскости. При выборе марки магнитотвердого фер- рита необходимо тщательно учитывать как комплекс свойств той или иной марки, так и конкретные требования к магнитной системе. При воздействии на магнит во время эксплуа- тации или сборки больших размагничивающих полей необходимо выбирать ферриты с боль- шей коэрцитивной силой: 7БИ300, 15БА300, 18БА300, 21СА320. При использовании маг- нитов в замкнутой магнитной цепи следует использовать ферриты с большей остаточной индукцией: 25БА150, 25БА170, 28БА170, 28БА190. При предъявлении повышенных требований к прочности магнитов предпочти-
но Магнитотвердые материалы [разд. 5[ Рис. 5.13. Зависимость коэрцитивной силы по намагниченности ферритов бария и стронция от температуры тельнее ферриты 22РА220...30РА190. При необходимости намагничивания изотропных магнитов перпендикулярно направлению прес- сования следует учитывать тот факт, что вследствие чешуйчатой формы частиц исход- ного порошка (структура гексагональна) да- же при прессовании без поля образуется определенная текстура: свойства в направ- лении, перпендикулярном прессованию, на 10... ...15 % ниже. Для таких магнитов специально разработан феррит марки 7БИ215 со свойст- вами, приблизительно одинаковыми во всех направлениях. Марка 9БА205 частично анизо- тропна, предназначена для изготовления радиально-анизотропных колец (подобран уровень текстуры, обеспечивающий получение колец без трещин). Таким образом, достаточно большое число марок с разным сочетанием магнитных параметров позволяет обоснован- но выбрать марку феррита как для массового, так и специального назначения. Ферриты бария и стронция обладают структурной стабильностью неограниченное время. Срок хранения, оговоренный в техни- ческой документации, обусловлен лишь мо- ральным старением магнита. Ферритовые магниты допускается размагничивать нагре- ванием выше температуры Кюри, нагревать для выжигания органических веществ при разборке магнитной системы. Статические и динамические нагрузки на магниты не вызывают изменения их магнитных парамет- ров вплоть до разрушения магнитов. При нагревании магнитных систем с ферритовыми магнитами до 300 °C необратимых изменений намагниченности не происходит. Кривая воз- врата большинства марок ферритовых магни- тов в достаточно широком диапазоне напря- женности полей совпадает с кривой размаг- ничивания. Поэтому в большинстве случаев магниты намагничивают до сборки без ухуд- шения параметров системы. Однако у ферритовых магнитов достаточ- но велики обратимые изменения намагничен- ности. Температурный коэффициент остаточ- ной индукции составляет —0,2 %/К- Сущест- венна также зависимость коэрцитивной силы от температуры, приведенная на рис. 5.13. На рис. 5.14 в качестве примера приведены кривые размагничивания феррита бария марки 25БА170 при трех разных температурах. Вследствие уменьшения коэрцитивной силы в области отрицательных температур могут наблюдаться необратимые изменения парамет- ров магнитной системы. Это приходится учи- тывать при конструировании магнитных сис- тем выбором марки с большим значением коэр- цитивной силы. При температурах ниже — 60 °C ферритовые магниты, как правило, не применяют. В области положительных температур для уменьшения обратимых изме- нений применяют шунтирование. К недостат- кам ферритовых магнитов следует отнести также хрупкость и большую твердость, недо- статочную прочность, что исключает их исполь- зование в качестве несущих элементов. Кроме того, вследствие пористости ферритовых маг- нитов их следует оберегать от попадания в поры влаги с последующим ее замерзанием. Феррит кобальта по химическому составу соответствует стехиометрической формуле СоО-Ре2Оз. Это соединение в отличие от фер- ритов бария и стронция приобретает наведен- ную одноосную анизотропию в результате термомагнитной обработки: выдержки при температуре 300...350 °C в течение 1,5 ч и ох- лаждении в магнитном поле напряженностью 240 кА/м. В остальном технология его изготов- ления аналогична технологии изготовления изотропных ферритов бария. Рис. 5.14. Кривые размагничивания феррита марки 25БА170 [ — В=КН)-,----------------M = f(H)] 1----45 °C; 2 — 20 °C; 3 — 85 °C
[§5.Н] Сплавы, кобальта с редкоземельными элементами 111 Таблица 5.11. Магнитные свойства феррита кобальта Марка Остаточная магнитная индукция Тл Коэрцитивная сила Магнитная энергия й^шах, кДж/м3 НсВ, кА/м Н сМ, кА/м не менее 11КА135 0,24 127 135 5,55 14КА135 0,28 127 135 7,15 Магниты из феррита кобальта выпускают- ся двух марок, их свойства представлены в табл. 5.11. Как видно из табл. 5.11, магнитные свойст- ва феррита кобальта заметно хуже свойств ферритов бария и стронция. Однако феррит ко- бальта в диапазоне температур —70 °C... ... + 80°С имеет температурный коэффициент остаточной индукции в три-четыре раза мень- ший, чем у ферритов бария и стронция. Поэто- му, несмотря на большую стоимость, феррит кобальта применяется в некоторых магнитных системах специального назначения. 5.11. СПЛАВЫ КОБАЛЬТА С РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ В конце шестидесятых годов в результате исследования сплавов металлов группы желе- за с редкоземельными элементами были откры- ты соединения, весьма перспективные для раз- работки и изготовления магнитотвердых ма- териалов. В этих сплавах по перитектической реакции образуются интерметаллические сое- динения типа R2M7, RM5, R2M17 и другие, где М — металл группы железа, R — редко- земельный элемент. Часть этих соединений, в первую очередь соединения кобальта с сама- рием, празеодимом, церием, иттрием, ланта- ном, обладает уникальными магнитными свойствами. Так, соединения кобальта с этими элементами типа RCo5 при намагниченности насыщения, равной 0,77...1,2 Тл, и температуре Кюри 375...725 °C имеют очень большую маг- нитную кристаллографическую анизотропию с полями анизотропии напряженностью 2,4... ...23,2 МА/м. Наиболее технологичными оказа- лись соединения кобальта с самарием, на ко- торых и проводился наибольший объем экспе- риментальных работ. Задача разработки магнитотвердых ма- териалов на основе этих соединений выглядела достаточно простой: создание совокупности монодоменных (размером несколько микромет- ров) ориентированных частиц методами по- рошковой металлургии аналогично феррито- вым магнитам. Однако выполнение задачи осложнялось чрезвычайной химической актив- ностью и летучестью редкоземельных элемен- тов. Так, попытки получения порошка с части- цами необходимых размеров, прессование его в магнитном поле, в том числе с использова- нием уникальных приемов изостатического прессования для повышения плотности, и последующее спекание, хотя и привели к полу- чению образцов с рекордными свойствами, ио вследствие остаточной пористости и изменения валентности редкоземельного элемента во вре- мени в результате окисления не позволили получить удовлетворительную структуру и маг- нитную стабильность материала. Предвари- тельное покрытие частиц сплава никелем так- же не дало существенного эффекта. Неудачной оказалась также разработка сплавов системы RfCoi-xCuxJs, где высококоэрцитивное со- стояние достигается выделением мелкодисперс- ной фазы RC05 в немагнитной матрице RCus. Сплавы имели удовлетворительную стабиль- ность, чрезвычайную хрупкость и недопустимо низкую прочность. Только разработка технологии жидкофаз- ного спекания, в которой к основному порош- ку соединения SmCos добавлялось более низ- коплавкое соединение типа ЭтСог, обогащен- ное самарием, привела к получению закрытой пористости, удовлетворительной стабильности и прочности, т. е. обусловила создание про- мышленных марок материала. В настоящее время промышленностью выпускаются четыре марки спеченных маг- нитотвердых материалов на основе соеди- нений кобальта с самарием и празеодимом по ГОСТ 21559—76. Магнитные свойства этих ма- териалов приведены в табл. 5.12. В обозначении марок материалов буквы обозначают: К — кобальт, С — самарий, П — празеодим, А — улучшенная текстура, а циф- ры соответствуют среднему содержанию сама- рия или среднему суммарному содержанию самария и празеодима. Изготовляют магниты, как правило, в форме дисков, колец, пластин. Технологический процесс изготовления магнитов из сплавов RC05 начинается с вы- плавки исходного сплава. Плавку производят
112 Магнитотвердые материалы [разд. 5] Таблица 5.12. Магнитные свойства материалов магнитотвердых спеченных по ГОСТ 21559—76 Марка Остаточная магнитная индукция Вг, Тл Коэрцитивная сила Магнитная энергия W^max> кДж/м3 НсВ, кА/м Асм, кА/м не менее КС37 0,77 540 1300 55,0 КС37А 0,82 560 1000 65,0 КСП37 0,85 520 800 65,0 КСП37А 0,90 500 640 72,5 в индукционных печах в атмосфере инертных газов (аргон, гелий). По возможности пре- дотвращают или сокращают время соприкос- новения расплава с тиглем, так как редко- земельные элементы взаимодействуют с окси- дами обычных огнеупорных материалов. Ввиду летучести редкоземельного элемента плавку ведут с его избытком. Для получения однофазного состояния сплав охлаждают от температуры плавления со скоростью не менее 70 °С/мин и подвергают гомогенизирую- щему отжигу в инертной атмосфере при тем- пературе 1200 °C в течение 4 ч. Аналогичным образом выплавляется добавка, обогащенная самарием (60 % самария, 40 % кобальта). За- тем сплав подвергается помолу в вибромель- ннцах (до размера частиц менее 10 мкм). По- мол желательно вести интенсивно, не допуская чрезмерного окисления. Лучший результат дает помол в жидких средах, например в этило- вом спирте. Перемол увеличивает дефектность частиц, что затрудняет последующее получе- ние текстуры прессовки и необходимого фазо- вого состава. На стадии помола добавляется спекающая добавка. Прессование производят на гидравли- ческих прессах при давлении 1000... 1200 МПа в магнитном поле напряженностью более 800 кА/м. Лучшие результаты дает прессова- ние в поле, перпендикулярном направлению прессования. Применяются также модифика- ции изостатического прессования. Плотность прессовок должна быть не ниже 80...85 %. Спекание производится в атмосфере инертных газов при температуре 1100...1150 °C в те- чение 0,5... 1 ч. Спекание сопровождается увеличением плотности до 95 % и более. Спеченные магниты обладают удовлет- ворительной прочностью, в частности, предел прочности на сжатие составляет 300...600МПа, предел прочности при изгибе — около 90 МПа, однако они очень твердые и хрупкие, поэтому подвергаются механической обработ- ке только шлифованием. Чрезвычайно трудно шлифовать намагниченные магниты, поэтому все операции обработки выполняют до намаг- ничивания. При комнатной температуре состояние фазы RCos является метастабильным. При повышенных температурах начинается эвтек- тоидный распад с выделением низкокоэрцитив- ной фазы R2C07, что приводит к снижению магнитных характеристик. Так, в результате структурных изменений индукция магнитов марки КС37 при выдержке их в течение 1000 ч при температуре 200 °C изменяется на 6 %, при выдержке 10 000 ч при температуре 150 °C —на 3%. Температурный коэффициент коэрцитив- ной силы рассматриваемых материалов отри- цателен и достаточно велик, составляет около — 0,25 %/К. Как следствие этого в зависимос- ти от положения рабочей точки магнита на кривой размагничивания могут наблюдаться значительные необратимые магнитные измене- ния. Так, для дисковых магнитов марки КС37 диаметром 10X1,5 и 10X10 мм необратимые магнитные изменения индукции при кратко- временной выдержке при 150 °C составляют 6,5 и 2,5 % соответственно. Поэтому магниты из сплавов кобальта с редкоземельными элементами перед эксплуа- тацией подвергают термостабилизации при температуре на 50...70 °C выше температуры эксплуатации. Применяют обычно эти магни- ты при температуре до 100 °C. Термостаби- лизированные магниты в рабочем диапазоне температур имеют лишь обратимые магнитные изменения, определяемые температурным коэффициентом индукции насыщения, равным — (0,045...0,062) %/К. Необходимо отметить, что в отличие от других групп магнитотвердых материалов температурный коэффициент индукции насыщения рассматриваемых спла- вов не является стабильным, он зависит от технологических режимов изготовления. Высокая энергоемкость, очень большие значения коэрцитивной силы, способность ра-
[§ 5.12] Композиционные магнитотвердые материалы 113 ботать в больших размагничивающих полях, независимость магнитных параметров от ста- тических и динамических нагрузок, удовле- творительная стабильность магнитов из спла- вов кобальта с редкоземельными элементами позволяют применять их в любых условиях и создают предпосылки для разработки новых устройств на постоянных магнитах. Однако дефицитность основных компонентов, высокая стоимость магнитов, хотя она и снизилась в несколько раз с момента начала производ- ства, ограничивают область применения этих магнитов системами специального назначения. В ближайшем будущем следует ожидать значительного расширения номенклатуры ма- рок, появления магнитов с еще более высо- кими свойствами. В настоящее время интен- сивно ведутся работы в следующих основных направлениях: повышение уровня основных магнитных параметров в результате разработки новых составов, в частности, замены части кобальта железом и смещения состава ближе к интер- металлиду R2M17. На основе сложных много- компонентных сплавов уже получены лабора- торные образцы с максимальной удельной магнитной энергией до 128 кДж/м 3; снижение стоимости магнитов за счет замены чистого редкоземельного элемента их смесью, так называемым мишметаллом, обогащенным одним из элементов; повышение структурной и магнитной стабильности, в том числе за счет создания комплексных сплавов с использованием легких и тяжелых редкоземельных элементов. В част- ности, получены образцы магнитов на основе системы Smi-xGdjtCos с температурным коэффициентом индукции насыщения менее 0,005 %/К прн максимальной удельной маг- нитной энергии 56 кДж/м3; разработка новых технологических -прие- мов изготовления магнитов; в частности, по- лучены образцы пленочных магнитов, напыля- емых с помощью плазмы на подложку, с энергией более 60 кДж/м3. 5.12. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ Как уже отмечалось, важнейшим недос- татком основных групп магнитотвердых мате- риалов является их высокая твердость и хруп- кость. Применение же пластически деформиру- емых сплавов ограничено их высокой стои- мостью. Очень перспективны для массового применения композиционные магнитотвердые материалы — двухфазные композиции, в кото- рых непрерывной фазой-матрицей служит связка, а дисперсной — дискретные частицы магнитного наполнителя. В качестве связки используются различные виды каучуков или полимеров-эластомеров (получаемые материа- лы в этом случае называют магнитоэластами или магнитной резиной), а также термопла- стичные, реже термореактивные, полимеры (в этом случае их называют магнитопласта- ми). В качестве магнитного наполнителя наи- большее применение получили порошки фер- ритов бария и стронция, реже порошки спла- вов кобальта с редкоземельными элементами. Использовавшиеся ранее наполнители из по- рошков сплавов ЮНДК в настоящее время почти не применяются. Вследствие наличия в композиционных материалах значительного количества немаг- нитной фазы их магнитные свойства заметно уступают свойствам соответствующих сплавов или ферритов. Однако их преимущества за- ключаются в технологичности и высокой про- изводительности процесса изготовления, воз- можности использования в качестве сырья отходов при производстве магнитов, возмож- ности изготовления магнитов любой сложной (в том числе длинномерной) формы, в легкос- ти обработки, гибкости и т. п. В настоящее время за рубежом выпус- кается большая номенклатура марок компо- зиционных магнитотвердых материалов с раз- личным сочетанием магнитных и механических свойств. Магниты из этих материалов широко применяются в шаговых и синхронных электро- двигателях, в телевидении, в акустической аппаратуре (головные телефоны, микрофоны, звукоснимающие устройства, плоские динами- ки), для производства магнитных панелей, способных удерживать символы из магнито- мягкого материала, для элементов при ма- кетном проектировании, в товарах культурно- бытового и хозяйственного обихода (магнит- ные уплотнения холодильников, замки, ключи, игры и т. п.)_ В отечественной промышленности пока се- рийно выпускается только магнитная резина на основе порошка феррита бария, изготов- ляемого специально для этих целей по ТУ 6-09-591—77. Магнитные параметры состав- ляют: Вг — 0,13 Тл; НсВ — 84 кА/м; НсМ — 170 кА/м; 117тах—1,5 кДж/м3. Из такой магнитной резины изготовляются главным образом элементы уплотнения холодильников, многополюсные пластины, называемые магни- тофорами, для медицинских целей. Появле- ния более широкой номенклатуры компози- ционных магнитотвердых марок материалов следует- ожидать в ближайшее время. Уже разработаны технологические процессы изго- товления на основе ферритовых порошков магнитоэластов с U7max < 3 кДж/м 3 и магни-
114 Магнитные материалы специального назначения [разд. 6] топластов с l^max<6 кДж/м3. На основе порошков сплавов кобальта с редкоземельны- ми элементами получены образцы с И/тах< <136 кДж/м3. Технологический процесс изготовления композиционных магнитов состоит из операций изготовления порошка-наполнителя, смешения его с органической связкой, формования из- делий. Ферритовые порошки, применяемые для изготовления спеченных магнитов, не могут быть использованы для композиционных маг- нитов вследствие дефектности, возникающей при помоле и устраняемой последующим спе- канием. Поскольку композиционные материа- лы не подвергаются высокотемпературной обработке, необходимы бездефектные порошки с высокими исходными свойствами. Простей- шим способом получения таких порошков является отжиг порошка после помола при температуре, еще не приводящей к существен- ному спеканию, но достаточной для восста- новления свойств феррита. Для получения анизотропных композиционных материалов требуются порошки двух видов: с чешуйчатой формой частиц для получения анизотропии методами многократной прокатки (калан- дровый эффект) и с изометричной формой частиц для их ориентации в жидком (рас- плавленном) полимере магнитным полем. Со- ответственно разрабатываются различные тех- нологические процессы изготовления таких порошков. Технология получения порошков сплавов кобальта с редкоземельными элемен- тами не отличается от технологии изготовле- ния порошков для спеченных магнитов. Глав- ная проблема заключается в защите готовых порошков от окисления, например, с помошью покрытий частиц слоем никеля или цинка. Кроме того, для таких порошков целесооб- разнее применять мишметаллы одного из ред- коземельных элементов, как более дешевое сырье. Разрабатываются также методы пря- мого (без выплавки) получения порошков совместным восстановлением оксидов редко- земельных элементов и кобальта, например, парами металлического кальция. Технологические операции смешения вы- бирают в зависимости от дисперсности по- рошка и типа органической связки. При ис- пользовании каучуков однородности смеси добиваются многократным прокатыванием массы через валки. При использовании термо- реактивных полимеров в виде сухих порошков применяют смесители непрерывного или пери- одического действия. При использовании термопластичных полимеров смешение про- изводится в жидкой среде. Разрабатываются также методы получения микрокапсулирован- ных порошков, в которых частицы магнито- твердого материала покрываются слоем моно- мера. Количество связки при приготовлении композиции определяется дисперсностью по- рошка, необходимыми магнитными параметра- ми, методом формования и требуемыми меха- ническими свойствами готовых магнитов. Обыч- но количество связки составляет 2...20% по массе. Формование изделий из композиционных материалов осуществляется способами, разра- ботанными для формования полимерных ма- териалов. Применяются каландрование (про- катка), литье под давлением, прессование, экструзия, пропитка полимером предваритель- но спрессованной заготовки. Если в процессе формования полимер проходит стадию рас- плавления, появляется возможность магнит- ной ориентации. Однако из-за высокой вяз- кости полимеров необходимы поля напряжен- ностью не менее 800... 1200 кА/м. Применяются как постоянные, так и импульсные магнитные поля. Указанные методы формования позво- ляют получать композиционные магнитотвер- дые материалы в виде листов, лент, стержней, труб, колец, дисков, пластин и изделий многих других форм. РАЗДЕЛ 6 МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ Е. Г. Бишард, Л. Н. Сыркин, С. А. Живулин 6.1. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Термомагнитные материалы (ТММ) ха- рактеризуются сильной зависимостью намаг- ниченности от изменения температуры в диапа- зоне — 70... +150 °C в полях, близких к полю насыщения материала, причем с ростом темпе- ратуры намагниченность насыщения Ms падает. К ТММ относятся термомагнитные спла- вы (ТМС) и многослойные компенсационные
[§ 6.1] Термо магнитные материалы 115 материалы (ТКМ), специально разработанные для компенсации 1 погрешностей приборов и устройств или стабилизации их параметров за счет изменения магнитного поля от тем- пературы по определенному закону (термо- регулирование), для чего из этих материалов изготовляют термомагнитные шунты и доба- вочные магнитные сопротивления, которые включают в магнитную цепь приборов и уст- ройств. В последнее время в качестве ТММ применяют магнитомягкие ферриты с низкой температурой Кюри. Одним из основных параметров ТМС в области магнитного насыщения является тем- пературный диапазон обратимости магнитных характеристик: 7’о = ек-7’„р, (6.1) где Ок — техническая точка Кюри (темпера- тура, соответствующая точке пересечения касательной к кривой намагниченности от тем- пературы до перехода ее в асимптотический участок с осью температур); Т„р — нижний предел отрицательных температур. Свойства ТМС определяются значением намагничен- ности насыщения при Г=20°С и видом термомагнитной характеристики Ms = f(T). ТММ по виду функциональной зависи- мости Ms от температуры делятся: 1) на ТММ с линейной характеристикой Ms = f(T) на всем диапазоне Тв или на большей его части ДТ=Л—Л; 2) на ТММ с нелинейной характеристикой Ms=f(T). Первая группа — наиболее многочислен- ная, причем при производстве ТМС, кроме специально оговоренных случаев, особое вни- мание обращают на повышение линейности зависимости Ms = f(T). Для характеристики линейного закона изменения намагниченности вводится абсо- лютный температурный коэффициент намагни- ченности М2 — М, pAl--- у- ZT" 1 2--- I I (6.2) где Л42, Mi — намагниченность насыщения, измеренная при температуре Ли 7’1 соот- ветственно. Для сравнительной оценки свойств ТММ различных марок, кроме понятия ТКр (см. раздел 3), используется температурный коэф- фициент намагниченности 1 В некоторых случаях ТММ используют для термосигнализации и термоконтроля (тер- мореле, термометры и т. д.). Ms —Mi ткм= (6.3) Л12о('2- I 1) где М2о — намагниченность при Г=20°С. Сплавы с нелинейной зависимостью Ms= = f (Г) разработаны по специальным за- казам применительно к конкретным устрой- ствам. Существует принципиальная возмож- ность изготовления сплавов с положительной и отрицательной кривизной термомагнитной ха- рактеристики. Получение ТМС основано на свойстве ферромагнетиков уменьшать намагниченность насыщения вблизи точки Кюри. Поскольку для чистых ферромагнитных элементов (Ni, Fe, Со) точка Кюри лежит в пределах 350... ...1120 °C, то для создания ТМСспециальными мерами понижают 0к, приближая ее к диапазо- ну необходимых температур. В зависимости от способа понижения точки Кюри ТМС подразделяются на две группы: 1) сплавы со смешанной кристалличес- кой структурой; 2) сплавы на основе структурных превра- щений системы Fe — Ni в области необрати- мых изменений намагниченности. Сплавы первой группы получают в резуль- тате введения немагнитных примесей в фер- ромагнитный материал никель. Наиболее известен сплав никеля с медью — кальмаллой. Изменяя содержание меди от 30 до 40 %, варьируют точку Кюри ТМС в пределах 90... ...30 °C. Кальмаллой в настоящее время почти не применяются из-за низкой намагниченности насыщения. Для повышения Ms в состав кальмаллоя вводят присадки железа. Каль- маллои выпускают на некоторых предпри- ятиях для внутреннего потребления. Норма- тивные документы на эти материалы отсут- ствуют. Наиболее близким к кальмаллоям по сос- таву и термомагнитным свойствам в области магнитного насыщения является железо- никелевый сплав 72НМДХ (ТУ 14-1-2557 — 78), точка Кюри которого 100...120 °C. Этот ' сплав применяется для создания термореле, а также вследствие высокой магнитной проница- емости в слабых полях (р=10 000 при Н= = 0,08 А/м), пригоден для производства маг- нитостатических экранов (р = 0,66 мкОм-м, Яс = 0,12...0,8 А/м), которые легко полностью размагнитить при иагреве выше точки Кюри. Сплав поставляют в виде холоднокатаной ленты толщиной 0,1...1,0 мм. Термомагнитные характеристики этого сплава и кальмаллоев различного состава приведены на рис. 6.1. Сплавы второй группы являются основ-
116 Магнитные материалы специального назначения [разд. 6] Рис. 6.1. Зависимость индукции насыщения от температуры для сплава 72НМДХ, некоторых, типов кальмаллоев и магнитомягких ферритов 1 — железо-никелевый сплав 72НМДХ (13,8— 14,2% Си; 72 -73 % Ni; 3,0—3,5 % Мо; 1,8— 2,2 % Сг); 2 — 600НН; //=80 А/м; 3 — 2000НН, // = 800 А/м; 4 — кальмаллой (24,9 % Си; 5,5% Fe, остаток Ni), //=16,5 кА/м; 5 — кальмаллой А (30 % Си; 2,2 % Fe, остаток Ni), //=6 кА/м ными термомагнитными материалами. В зави- симости от химического состава их подразде- ляют иа два типа; термаллои и компенсаторы. Термаллои — это железо-никелевые сплавы с содержанием никеля 28,5...33,5 %. По сравнению с кальмаллоями они обладают более высокой намагниченностью насыщения, которая сильно зависит от температуры. Ос- новные марки термаллоев, выпускаемых в СССР, приведены в табл. 6.1, а их магнитные характеристики — на рис. 6.2. Недостаток этих материалов заключается в наличии значитель- ного температурного гистерезиса в области низких температур. Последнее обстоятельство не допускает их переохлаждения. Сравнитель- но низкий предел отрицательных температур Т пр, а также сильное влияние состава на свой- ства материала ограничивает применение термаллоев. Для расширения То железо-никелевые сплавы легируют хромом или вводят присад- ки углерода. Сплавы Fe — Ni — Сг называют- ся компенсаторами и являются наибо- лее перспективными ТММ. Они отличаются обратимостью магнитных свойств в диапазоне температур —70... +180 °C, достаточно вы- сокой намагниченностью насыщения и боль- шим температурным перепадом последней. В табл. 6.2 приведены свойства термомагнитных компенсаторов, выпускаемых в СССР. На рис. 6.3 показаны характеристики различных ти- пов ТМС, используемых в электровакуумной промышленности в устройствах, работающих в расширенном диапазоне температуры и в сильных полях. Наибольшее распространение получили сплавы 31НХЗГ2 (ЭП544), 31НХЗГ (ЭП 545), 32HX3 (ЭП546), ЗЗНХЗ (ЭП547), термомагнитные характеристики которых дос- таточно линейны [отклонение от линейности ±(5...7,5)%] и воспроизводимы (разброс магнитной проницаемости от плавки к плавке с одним расчетным составом равен ±11 %). Физические свойства сплавов 31НХЗГ2... ...ЗЗНХЗ: плотность (8,0...8,2) • 10 3 кг/м3; ко- эффициент термического расширения на 1 К (13,3...15,6) -10-6; удельное электрическое сопротивление 0,84...0,92 мкОм-м. Оптовая цена горячекатаных и кованых прутков из этих материалов примерно 2000 руб. за 1 т, для листовых материалов — около 3000 руб. за 1 т. На основе тройных Fe — Ni — Сг сплавов в Институте прецизионных сплавов 1 [НИИЧМ имени И. П. Бардина разработана технология получения специальных термомагнитных ма- териалов — полиметаллов, представляющих собой холоднокатаные многослойные листы толщиной 0,5...2,5 мм, содержащие подоб- ранные специальным образом неоднородные по химическому составу слои. Выбор исход- ных ТМС для каждого слоя и их толщины позволяет изготовлять с высокой точностью материалы в соответствии с требуемым для конкретной цели температурным законом изменения намагниченности насыщения. Одна- ко эти ТММ нельзя шлифовать, фрезеровать, поскольку при этом происходит удаление металла с поверхности листа, а следовательно, нарушается расчетная необходимая для полу- чения заданных свойств неоднородность по составу. При изготовлении деталей из этих ТММ разрешена резка листов, штамповка и выгибание фасонных изделий. Сварку и пайку Рис. 6.2. Зависимость внутренней индукции от температуры для термаллоев и компенсаторов / —31НХЗГ2 (ЭП544) при //=112 кА/м; 2 — 32Н6ХЮ при //=16 кА/м; 3 — НЗЗЮ1 при Н = = 8 кА/м; 4 — Н38Х14 при //=8 кАм; 5 — ЗОНГ (ЭП456) при Н=Ъ кА/м
[§ 6.1] Термомагнитные материалы 117 Таблица 6.1. Магнитные свойства термаллоев Марка, состав Темпера- тура, °C Магнитная индукция, Тл (при темпе- ратуре) Изменение маг- нитной индукции ДВ, Тл (при тем- пературе) Тол- щина лен- ты, мм Применение ЗОНТ (ЭП456) N1 29,5-31,5 % Мп 1,5-2,5 % Fe остаток (ТУ 14-1-1168—75) —20...+ 35 0,39-0,57 ( — 20 °C) 0,21...0,35 (20 °C) 0,16-0,28 (35 °C) 0,15...0,21 ( — 20... + 20 °C) 0,13-0,35 . (—20... + 35 °C) 1,о 1,4 Термокомпенсация спидометров — 20...+ 40 0,21...0,35 (20 °C) 0,30...0,44 ( — 20...+ 40 °C) 0,6 НЗЗЮ1 Ni 32,0-33,5 % Al 1,0... 1,6 % Fe остаток (ТУ 14-1-111—71) —20...+80 0,30-0,80 (20 °C) 0,10-0,50 (80 °C) 0,22...0,40 (20...80 °C) 1,2 1,5 2,0 Магнитные шунты регу- ляторов напряжения Примечание. Магнитная индукция измерялась при Я = 8 кА/м. применять не рекомендуется. Для снятия наклепа после этих операций целесообразно произвести отжиг в вакууме при 900 °C с выдержкой 1 ч при произвольной скорости нагрева и охлаждения. Магнитные характери- стики этих материалов, выпускаемых экспери- ментальным заводом ЦНИИЧМ имени И. П. Бар- -60-W-20 0 20 W 60 80 100 °C Рис. 6.3. Зависимость магнитной проницаемости от температуры для компенсаторов различных типов при Я=112 кА/м /-ЗЗНХЗ; 2 — 35НХ8Ю; 3 —34НХ7С; 4 — 35НХ8С; 5 — 31НХЗГ; 6 — 30НХ5С; 7 — 30НХ7С;. 8 — 30НХ9С; 9 — 28НХ4С дина, приведены на рис. 6.4. Стоимость I кг материала, поставляемого без термической обработки, около 55 руб. Сплавы ТКМ-09-1 (ТУ 14-1-2003 — 77) и ТКМ-015-1 (ТУ-14-1 -2272 — 77) обладают вы- сокой линейностью термомагнитной характе- ристики В,-= роМ —/ (7) (отклонение от ли- нейности не превышает ±0,02 Тл). Для ТКМ-015-2 (ТУ 14-1-2272—77) намагничен- ность насыщения зависит от температуры по закону, близкому к параболическому. Поли- металлы отличаются слабой зависимостью Ms от напряженности поля. Существуют ТММ, изготовляемые метода- ми порошковой металлургии. Эта технология позволяет повысить воспроизводимость термомагнитных характеристик и в некоторых случаях улучшить их линейность. Кроме того, изделия из них получаются однородными по объему, но имеют более низкую намагничен- ность насыщения по сравнению с литыми ТМС того же состава. Важное достоинство этих ТММ заключается в возможности при- дания материалу желаемых механических свойств путем введения в термомагнитный порошок специального наполнителя (напри- мер, создание термоэластов). В СССР методами порошковой металлур- гии освоено производство термомагнитных материалов Н32М5 и Н32М7 (ЯЕ.0.021.086 ТУ) на основе Fe — Ni — Мо. В табл. 6.3 при- ведены магнитные свойства этих ТММ, близкие к свойствам литых компенсаторов марок 31НХЗГ2...33НХЗ. Однако порошковые мате-
Таблица 6.2. Магнитные свойства отечественных компенсаторов Марка, состав Рабочая температура, °C Магнитная индукция В, Тл (при температуре) Температурный коэффициент проницаемости ТКр, %/к (прн температуре) Изменение магнитной индук- ции АД Тл Сортамент Применение 31НХЗГ2 (ТУ 14-131-481-80) 31НХЗГ (ТУ 14-1-1187-75) 32HX3 (ТУ 14-1-1187-75) ЗЗНХЗ (ТУ 14-1-1187-75) Ni 31...34% Сг 2,8-4,0% Мп 0,4...0,2% Fe остаток -60...+ 70 -60...+ 90 -60... + 110 -60...+ 120 0,42...0,49 0,49...0,57 0,57...0,73 0,73...0,91 0,6... 1,1 0,6-1,0 0,3-0,7 0,3-0,7 при Н= 112 кА/м (20 °C) — Горячекатаные'и ко- ваные прутки диа- метром 10...90 мм без термообра- ботки .Электровакуум- ная промыш- ленность 31НХЗГ (ТУ 14-1-1377-75) 32HX3 (ТУ 14-1-1377 - 75) -60...+ 90 -60...+ 110 0,49...0,57 0,57...0,73 0,6... 1,0 0,3...0,7 Г орячекатаные лис- ты толщиной 3,0; 4,0 мм Н38Х14 Ni 37,0...38,5 % Сг 12,5... 14,5 % Мп 0,2...0,5% -20...+35 0,21...0,37 (-20 °C) 0,035—0,24) (20 °C) - 0,18-0,24 (-20...+20 °C) 0,035...0,13 (20-35 °C) Лента холодноката- ная толщиной 0,8...1,5 . мм (ре- жим: отжиг при Т ермокомпенса- ция спидомет- ров, изме- рительных Магнитные материалы специального назначения [разд. 6]
Fe остаток (ТУ 14-М 105 — 75) 0,02-0,16 (35 °C) при Н = 8 кА/м 36Н11Х Ni 35,0.-37,5% Сг 10,0-12,0% Мп 0,2...0,5% Fe остаток (ТУ 14-1-1459 - 75) 0-50* 0-100 0,15-0,46* (20 °C) при Н = 8 кА/м 1,0-1,3 32Н6ХЮ Ni 31,0-33,0% Сг 5,5-6,5% А1 0,9-1,4% Мп 0,2-0,4% Fe остаток (ТУ 14-1-331-72 на ленты) (ТУ 14-1-2498-78 на лист) * Не нормируется, пр - 60...60* ИВОДИТСЯ ДЛЯ CI 0,54 ( — 60 °C) 0,27 (0°С) 0,18(+20°С) 0,04 (+60 °C) при Н = 16 кА/м 1равки. 1,7
800 °C, в течение 2 ч с охлаждением на воздухе) приборов Лист холодноката- ный толщиной 1,0...2,0 мм без термообработки Термокомпенса- ция счетчиков Холоднокатаный лист толщиной 1,0...3,0 мм без термообработки Холоднокатаная лента толщиной 0,45.„О,95 мм без термообработки Т ермокомпенса- ция СВЧ уст- ройств Т ермокомпенса- ция СВЧ уст- ройств Термомагнитные материалы
120 Магнитные материалы специального назначения [разд. 6] -60-W-20 0 20 Ы) 60 80 100 120 М°С Рис. 6.4. Зависимость внутренней индукции от температуры для полиметаллических ТММ, отожженных в вакууме при Г =1000 °C в тече- ние 4 ч, охлажденных до 650 °C со скоростью 100°С/ч, затем до 450 °C — со скоростью 50°С/ч, до 350 °C — со скоростью 25°С/ч, далее — с контейнером до 150 °C, после чего материал охлаждают на воздухе 1 — ТКМ-015-2-, 2 — ТКМ-015-1; 3 — ТКМ-09-1 риалы отличаются более высокой воспроиз- водимостью характеристик: отклонение р для ТММ различных партий изготовления составляет ± (9...6 %) для сплавов с р = 2,6 = = 4,0 при /7 = 112 кА/м, а для сплавов с маг- нитной проницаемостью выше 4,0 — не более 5 %. Характеристики этих ТММ показаны на рис. 6.5. Для современных ТМС значение коэрци- тивной силы Нс составляет 4...180 А/м при строгом выполнении рекомендованного для ТМС соответствующей марки режима терми- ческой обработки. Значение Нс может су- щественно изменяться для ТМС выбранной марки в зависимости от способа и величины механического воздействия. Применение спе- циального отжига после механической обра- ботки снижает Нс. Наименьшую коэрцитивную силу имеют отожженные полиметаллы (4... ...8 А/м). Оптимальным режимом работы ТМС является режим насыщения. Принято счи- ~60~Ю~20 0 20 W 60 80 100120 М °C Рис. 6.5. Зависимость магнитной проницаемо- сти от температуры для Fe—Ni—Мо-ТММ и магнитомягких ферритов некоторых марок 1 — 32HX3; 2 — 3000НМ; 3 — 2000НМ; С, Ж. Д, Г — составы приведены в табл. 6.3. тать, что для литых (кованых) термоком- пенсаторов марок 31HX3T2...33HX3 насы- щение наблюдается в полях напряженностью /7о = 32...240 кА/м, хотя намагниченность при этом все же немного растет с увеличением поля. Для полиметаллов это явление сглаже- но: Ms изменяется незначительно при изме- нении /7о от 16 до 120 кА/м. Аналогичные явления отмечены также у термаллоев и каль- маллоев. В режиме насыщения ТМС обладают наибольшей повторяемостью свойств, линей- ностью и не имеют аномальных явлений. В средних полях, когда намагниченность материала еще не достигла уровня квази- насыщения и имеет нелинейную зависимость от поля, магнитная проницаемость при увели- Таблица 6.3. Магнитные свойства термомагнитных материалов Условная маркировка (состав, %) Температура, °C Магнитная прони- цаемость (при — 112 кА/м, 7 ^20 °C) Температур- ный коэф- фициент проницае- мости, % /к Г (31 Ni, 62Fe, 7Мо) — 70...+85 2,70 0,81 Д (32Ni, 61 Fe, 7Мо) — 70... 4-110 3,80 0,68 Ж (33Ni, 60Fe, 7Мо) — 70...+ 130 4,45 0,62 М (34Ni, 59Fe, 7Мо) — 70...+ 150 5,35 0,49 С (35Ni, 58Fe, 7Мо) — 70...+ 165 5,90 0,34
[§ 6.2] Магнитострикционные материалы 121 чении температуры всегда уменьшается. Од- нако зависимость р = /(Т) в этом диапазоне полей нелинейна вследствие влияния на свой- ства ТМС, помимо температуры, напряжен- ности поля. При приближении к полям маг- нитного насыщения зависимость p = f(T) линеаризуется. Особый интерес представляют собой температурные зависимости магнитной прони- цаемости в слабых полях. В этой области ТМС может обладать положительным темпе- ратурным коэффициентом намагниченности. Так, для термаллоя (29,5 % Ni, остаток Fe) в полях напряженностью до 80 А/м р с увели- чением температуры вначале растет, достигает пика, а потом падает. При Н> 80 А/м р па- дает во всем диапазоне температуры. Анало- гичные явления наблюдаются для сплава 72НМДХ. Для устройств, работающих в диапазоне температуры с расширенной положительной областью (свыше +150 °C), в качестве ТММ применяют магнитомягкие ферриты с низкой точкой Кюри. При этом используют две прин- ципиальные особенности термомагнитных ха- рактеристик некоторых марок ферритов: рез- кое падение намагниченности насыщения с ростом температуры и резкий, почти отвесный спад начальной магнитной проницаемости в области точки Кюри. Первый эффект положен в основу термокомпенсации и терморегули- рования некоторых приборов и устройств. Для этих целей наиболее подходят никель- цинковые и марганцово-цинковые ферриты об- щего применения марок 600НН, 2000НН, 2000НМ, 3000НМ с достаточно высокой на- магниченностью насыщения (при Т=20°С, Яо = 8ОО А/м, Bs=0,25...0,39 Тл) и значитель- ным отрицательным температурным коэф- фициентом магнитной проницаемости. На рис. 6.5 приведены магнитные характеристики ферритов некоторых из перечисленных марок. Второй эффект используют для создания термореле и датчиков температуры. В качестве ТММ в этом случае целесообразно применять ферриты марок 1200НН, 1200НН1, 1200НН2, 1200ННЗ и 800НН (см. § 3.10). Ограничивает применение ферритов для целей термокомпенсации и терморегулиро- вания их малая намагниченность насыщения и сравнительно невысокая воспроизводимость магнитных характеристик. 6.2, МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ Магнитострикционные материалы (МСМ) -— группа магнитных материалов, тех- ническое применение которых основано на ис- пользовании магнитострикционного эффекта (изменения размеров тел в магнитном поле). Из МСМ изготовляют сердечники преобра- зователей (излучателей и приемников) для электроакустической и ультразвуковой техни- ки; сердечники преобразователей для магни- тострикционных и электромеханических филь- тров, линий задержки и других селективных устройств, используемых в радиотехнике, телефонной и телеграфной связи, автоматике и измерительной технике. В большинстве случаев магнитное сос- тояние МСМ в эксплуатационных условиях определяется одновременным воздействием постоянной магнитной индукции Во и пере- менной (изменяющейся по синусоидальному закону) индукции A(/) = Bmsin coi. Индукция Во создается с помощью вве- денных в магнитную цепь постоянных магни- тов, или путем пропускания постоянного (под- магничивающего) тока через обмотку сердеч- ника, или, наконец, за счет использования остаточно-намагниченного состояния МСМ, которое может быть стабилизировано при тер- мообработке в сильном магнитном поле (тер- момагнитная обработка — ТМО). Если в та- ком магнитно-поляризованном сердечнике вы- полняется соотношение Вт<^Во, то между амплитудами магнитных переменных (В,„, Нт, Мт) и соответствующих механических переменных (механического напряжения а„, и деформации и,,,) существуют линейные со- отношения. Таким образом, магнитострикци- онные колебания небольшой амплитуды в маг- нитно-поляризованной среде внешне вполне аналогичны пьезоэлектрическим. Поэтому в литературе их часто называют пьезомагнитны- ми, а МСМ — пьезомагнитными материалами. С увеличением Вт пропорциональность между Вт и ст или В„, и Um нарушается (магнито- механическая нелинейность). Если В,,,^ ^Во, то характеристика МСМ сушественно нелинейна; при отсутствии подмагничивания (Во=О) механические колебания на частоте возбуждающего сигнала вообще отсутствуют, т. е. возникают только колебания на двойной частоте и высших четных гармониках. При этом эффективность преобразования энергии в МСМ резко падает. Механические воздействия на сердечник из МСМ (в условиях подмагничивания) из- меняют его магнитное состояние; в резуль- тате в разомкнутой обмотке сердечника на- водится переменная электродвижущая сила, имеющая частоту механического воздействия. Параметры, характеризующие МСМ, раз- деляются на статические и динамические. К статическим параметрам относятся: про- дольная магнитострикционная деформация
122 Магнитные материалы специального назначения [разд. 6] насыщения — коэффициент магнитострикции который может быть как поло- жительным, так и отрицательным, индукция насыщения коэрцитивная сила Нс- Хотя статические параметры не опреде- ляют однозначно эффективность магнито- стрикционных преобразователей, работающих в динамическом режиме, однако знание этих параметров важно, так как связь между ними и эффективностью преобразователей все же существует, а методы их измерения достаточ- но хорошо разработаны и широко известны. Так, например, предельная интенсивность магнитострикционного излучателя тем выше, чем больше К и Ms\ для повышения КПД излучателя следует стремиться к увеличению отношения KSMS/HC, или, что то же самое, к увеличению крутизны статической кривой магнитострикции X=f(//o)- Кроме того, все статические параметры зависят от хими- ческого состава и структуры МСМ, поэтому их значениями можно управлять, регулируя состав МСМ и технологические режимы при изготовлении изделий. Важнейшими параметрами МСМ являют- ся динамические; они связаны простыми со- отношениями с характеристиками приборов и устройств, в которых используются