Магнітні матеріали

Для створення елементів та пристроїв систем управління і автоматики використовують магнітні матеріали, до яких, головним чином, виставляють такі вимоги:

1.Матеріал повинен легко намагнічуватися під дією постійного поля або однополярного імпульсу поля та легко перемагнічуватися в змінному полі, тобто петля гістерезису повинна бути достатньо вузькою з малим значенням НС і великим значенням m. Такі вимоги дозволяють підвищити чутливість електромагнітних елементів.

2.Матеріал повинен мати велике значення індукції насичення ВS, тобто забезпечувати проникнення найбільшого магнітного потоку в осердя з відповідним поперечним перерізом. Виконання такої вимоги дозволяє одержати найменші габарити та масу пристрою, а якщо задані габарити – то найбільшу потужність або напругу на виході пристрою.

3.Під час роботи в змінному магнітному полі в матеріалі повинні бути найменші витрати, які утворюють вихрові струми, магнітна в’язкість та гістерезис, тому що вони визначають робочу температуру осердя та пристрою. Їх зниження не тільки підвищує ККД пристрою, а також дозволяє створити елементи, які працюють на підвищених частотах (400, 500, 1000 Гц і більше) та мають значно більшу швидкодію та менші габарити і масу, ніж елементи, що живляться напругою промислової частоти 50 Гц.

Окрім перерахованих головних вимог до магнітних матеріалів, які використовуються в тих чи інших електромагнітних пристроях, виставляють специфічні вимоги.

Так, для покращення температурної стабільності (незмінності магнітних властивостей при зміні температури навколишнього середовища) важливо, щоб точка Кюрі матеріалу була якомога вище.

Чим ближче до одиниці коефіцієнт прямокутності матеріалу, тим лінійніша залежність вихідного сигналу від вхідного, тим легше розпізнаються сигнали в цифрових пристроях.

Яскраво виявлена магнітна анізотропія підвищує якість пристроїв на тонких магнітних плівках, а висока чистота кристалічної структури матеріалу є необхідною умовою створення пристроїв на циліндричних магнітних доменах.

Магнітні матеріали можна розділити на магнітно-тверді, для яких напруженість Нс складає десятки та сотні ампер на сантиметр і магнітно-м’які з напруженістю Нс в десяті і соті частки ампера на сантиметр. Магнітно-тверді матеріали використовують для виготовлення постійних магнітів, магнітно-м’які — для виготовлення елементів, у яких поле створюється струмами, що проходять по обмотках.

Для створення елементів і пристроїв СУА застосовують, головним чином, магнітно-м’які матеріали. Магнітно-тверді порошкові матеріали входять у феролаки, якими покривають магнітні стрічки і диски.

Магнітно-м’які матеріали, можна поділити на три групи: електротехнічні сталі, сплави на основі заліза з іншими металами (нікель, кобальт, алюміній) і ферити (неметалеві феромагнетики).

Електротехнічні сталі найбільш дешеві матеріали, мають великі індукції насичення (порядку 1,8…2,3 Тл), і це дозволяє створювати з них компактні і дешеві електромагнітні елементи. Але через відносно велику (у порівнянні з залізонікелевими сплавами) коерцитивну силу електротехнічної сталі (порядку 0,1¸0,5 А/ см) чутливість сталевих елементів до змін зовнішнього поля, яке утворюється обмотками, невелика.

Залізонікелеві сплави (пермалої) дорожчі за сталеві в 15-20 разів, мають меншу індукцію насичення, але дозволяють одержувати високочутливі магнітні елементи за рахунок малої коерцитивної сили і високої початкової магнітної проникності. Залізонікелеві сплави виготовляють у вигляді листів або стрічок. Товщина стрічки іноді досягає декількох мікрометрів.

Залізоалюмінієві сплави 16ЮХ і 16ЮМ, які містять в своєму складі 16% алюмінію,  за  магнітними  властивостями   не  поступаються  пермалоям,  але мають підвищену (у 10…20 разів більшу, ніж у пермалоїв)      зносостійкість. Їх широко застосовують для виготовлення магнітних головок в пристроях магнітного запису, де в процесі роботи головка безупинно треться об поверхню стрічки.

Ферити — це неметалеві магнітні матеріали (тверді розчини), виготовлені із суміші оксидів заліза з оксидами магнію, міді, марганцю, нікелю та інших металів. Загальна формула феритів має вигляд МеO×Fе2Оз, де    Me – будь-який метал.

Оксиди подрібнюють на маленькі шматки і змішують у визначеній пропорції. Магнітопроводи необхідних розмірів і конфігурацій пресують з отриманої суміші при тиску 10-30 кН/см2 (1-3 т/см2) і випалюють при температурі 1200-1400 °С. Готові магнітопроводи сіро-чорного кольору мають високу твердість, але досить крихкі. Обмотки звичайно намотують без посередньо на феритові магнітопроводи без додаткової ізоляції останніх. Питомий
електричний опір феритів у мільйони разів більший ніж у металевих феромагнетиків, що практично усуває вихрові струми. Це дозволяє перемагнічувати ферити з частотою в сотні кілогерц і забезпечувати високу швидкість виконання операцій сучасних керувальних і обчислювальних машин. Найбільш поширені магнієво-марганцеві ферити марок ВТ (1.3ВТ,  0,16ВТ і ін.). Вони мають відносно низьку точку Кюрі (140- 300°С), що зумовлює значну зміну їхніх магнітних параметрів при нагріванні. Ферити на базі літію, з точкою Кюрі 630°С, мають значно кращі температурні характеристики. Для магнітопроводів цифрових пристроїв широко застосовують біферити, тобто ферити з двома металами, наприклад магнієво-марганцеві або літіє-натрієві ферити, а також поліферити, які є твердими розчинами трьох і більше феритів.

Магнітно-тверді матеріали. Магнітно-тверді матеріали, як вже зазначалось, застосовують:

— для виготовлення постійних магнітів;

— для запису інформації (наприклад, для звукозапису).

При оцінці властивостей магнітно-твердих матеріалів можуть виявитися істотними механічні властивості (міцність), оброблюваність матеріалу в процесі виробництва, а також щільність, питомий електричний опір, вартість і ін. Особливо важливе у деяких випадках питання стабільності магнітних властивостей.

Найважливішими матеріалами для постійних магнітів є сплави Fe-Ni-Al. Велику роль в утворенні висококоерцитивного стану цих сплавів грає механізм дисперсійного твердіння.

Такі матеріали мають велике значення коерцитивної сили, тому що їх намагнічування відбувається в основному за рахунок процесів обертання.

Сплави Fe-Ni-Al без легуючих елементів не застосовують через їх порівняно низькі магнітні властивості. Найбільше поширеними є сплави, леговані міддю і кобальтом. Висококобальтові сплави, що містять більше 15% Co, як правило, використовують з магнітною або з магнітною і кристалічною текстурою.

Магнітна текстура є результатом термомагнітної обробки, що полягає в охолодженні в магнітному полі з напруженістю 160-280 кА/м сплаву від високих температур (1250-13000 С) до приблизно 5000 С. При цьому зростання магнітних характеристик відбувається лише в напрямку дії поля, тобто матеріал стає магнітно-анізотропним.

Подальше істотне підвищення магнітних властивостей сплавів Fe-Ni-Al-(Co) можливе створенням магнітів із макроструктурою у вигляді стовпчастих кристалів. Кристалічну структуру одержують у процесі особливих умов охолодження сплаву.

Наведемо стислі рекомендації на вибір марок сплавів. Безкобальтові сплави (ЮНД та ін.) є найдешевші, їх властивості відносно низькі. Сплави ЮНДК15 і ЮНДК18 застосовують, коли потрібні відносно високі магнітні властивості і матеріал не повинен мати магнітну анізотропію. Сплави, що містять 24% Со (ЮН13ДК24 та ін.), мають високі магнітні властивості в напрямку магнітної текстури, добре технологічно освоєні і мають широке застосування.

Сплави зі спрямованою кристалізацією, наприклад ЮН13ДК25БА, та ін., мають найбільшу Wmax і, отже, можуть забезпечити найменші масу і габарити магнітних систем.

У тих випадках, коли система розімкнена, застосовують сплави з найбільш високою Нс, наприклад титанистий сплав ЮНДК35Т5.

Сплави з монокристалевою структурою (ЮНДК35Т5АА та ЮНДК40Т8АА) в порівнянні зі сплавами з спрямованою кристалізацією мають такі переваги: більш високі магнітні властивості за рахунок подальшого удосконалення структури; наявність трьох взаємно перпендикулярних напрямків, у яких властивості оптимальні; кращі механічні властивості.

Основні недоліки сплавів Fe-Ni-Al-(Co) — погані механічні властивості (високі твердість і тендітність), що значно ускладнює їх механічну обробку.

Магніти з порошків. Магніти, які одержують методами порошкової металургії, можна поділити на металокерамічні, металопластичні та оксидні.

Для перших двох груп фізичні процеси утворення висококоерцитивного стану залежать від тих же причин, що і для монолітних магнітів; для двох інших груп необхідною умовою одержання висококоерцитивних властивостей є здрібнений до визначеного ступеня дисперсії стан, якому відповідає однодоменна структура.

Металокерамічні магніти одержують із металевих порошків пресуванням їх без матеріалу, що їх зв’язує, і спіканням при високій температурі. За магнітними властивостями вони лише трохи поступаються литим магнітам, але дорожчі за останніх.

Металопластичні магніти виготовляють, як і металокерамічні, із металевих порошків, але пресують їх разом з ізолюючою зв’язкою і піддають нагріванню до невисокої температури, необхідної для полімеризації речовини, що їх зв’язує. У порівнянні з вилитими магнітами вони мають знижені магнітні властивості, але мають великий електричний опір, малу щільністю і відносно дешеві.

Серед окисних магнітів практичне значення мають магніти на основі феритів барію і кобальту.

Барієві магніти. Промисловість випускає дві групи барієвих магнітів: ізотропні (БИ) і анізотропні (БА).

Барієві магніти в порівнянні з вилитими мають дуже велику коерцитивну силу і малу залишкову індукцію. Питомий електричний опір r барієвих магнітів у мільйони разів вищий, ніж r металевих матеріалів, що дозволяє використовувати барієві магніти в магнітних колах, які піддаються впливу полів високої частоти. Барієві магніти не містять дефіцитних і дорогих матеріалів, вони приблизно в 10 разів дешевші ніж магніти із ЮНДК24.

До недоліків барієвих магнітів варто віднести погані механічні властивості (високі тендітність і твердість) і, саме головне, велику залежність магнітних властивостей від температури. Температурний коефіцієнт залишкової магнітної індукції ТК Вr барієвих магнітів приблизно в 10 разів більший, ніж ТК Br литих магнітів. Крім того, барієві магніти мають незворотність властивостей при охолодженні, тобто мають більш високу температурну стабільність, ніж барієві. Проте і вони мають температурний гістерезис, але він з’являється не в області негативних температур, як у барієвих магнітів, а при позитивних температурах (при нагріванні понад 80°С).

Інші матеріали для постійних магнітів.

Мартенситні сталі. Мартенситом називають вид мікроструктури сталі, що одержується при її загартуванні. Утворення мартенситу супроводжується значними об’ємними змінами, створенням великої внутрішньої напруги гратки і виникненням великих значень коерцитивної сили.

Мартенситні сталі почали застосовувати для виготовлення постійних магнітів раніше інших матеріалів. В данний час їх використовують порівняно мало через низькі магнітні властивості. Проте цілком від них ще не відмовилися, тому що вони недорогі і допускають механічну обробку на металорізальних верстатах.

Сплави, що пластично деформуються. Ці сплави мають високі у відношенні механічної обробки властивості. Вони добре штампуються, ріжуться ножицями, обробляються на металорізальних верстатах. Зі сплавів, що пластично деформуються, можна виготовити стрічки, пластини, листи, дріт. В окремих випадках (при виготовленні дрібних магнітів складної конфігурації) доцільно застосування металокерамічної технології. Марок сплавів, що пластично деформуються багато, і фізичні процеси, завдяки яким вони мають високі магнітні властивості, різноманітні. Найбільш поширені сплави куніфе (Cu-Ni-Fe) і вікалой (Co-V). Сплави куніфе анізотропні, намагнічуються в напрямку прокатування, часто застосовуються у вигляді дроту малих товщин, а також штампування. Вікалой застосовують для виготовлення дуже дрібних магнітів складної або ажурної конфігурації і як високоміцні магнітні стрічки або дріт.

Сплави на основі благородних металів. До них відносяться сплави срібла з марганцем і алюмінієм (сільманал) і сплави платини з залізом (77,8% Pt; 22,2% Fe) або платини з кобальтом (76,7% Pt; 23,3% Со). Матеріали цієї групи, особливо ті, що містять платину, дуже дорогі, тому їх застосовують тільки для надмініатюрних магнітів масою в декілька міліграмів. При виготовленні магнітів із усіх сплавів цієї групи широко використовують металокерамічну технологію.

Еластичні магніти. Як відзначалося, найважливішим недоліком основних груп матеріалів для постійних магнітів — литих сплавів і магнітотвердих феритів – є їх погані механічні властивості (високі твердість і крихкість). Застосування ж сплавів, що пластично деформуються обмежено їх високою вартістю. Останнім часом з’явилися магніти на гумовій основі. Вони можуть бути будь-якої форми, що дозволяє технологія гуми – у вигляді шнурів, довгих смуг, листів і т.п. Такий матеріал легко ріжеться ножицями, штампується, згинається, скручується. Відоме застосування “магнітної гуми” як листів магнітної пам’яті для обчислювальних машин, магнітів для систем відхилення в телебаченні, магнітів, що корегують, та ін.

Еластичні магніти виготовляють із гуми і дрібного порошку магнітотвердого матеріалу (наповнювач). Як наповнювач найчастіше використовують ферит барію.

Матеріали для магнітних стрічок. Під магнітними стрічками розуміють носії магнітного запису інформації. Найбільше поширення мають суцільні металеві стрічки з нержавіючої сталі, біметалічні стрічки і стрічки на пластмасовій основі з порошковим робочим прошарком. Суцільні металеві стрічки використовують, головним чином, в спеціальних цілях і при роботі в широкому температурному діапазоні; стрічки на пластмасовій основі мають більш широке застосування. Основне призначення носія магнітного запису полягає в створенні на поверхні відтворювальної головки магнітного поля, напруженість якого змінюється (при протяжці стрічки) у часі так само, як і сигнал, що записується. Властивості стрічок із покриттям магнітними порошками істотно залежать не тільки від властивостей вихідних матеріалів, але і від ступеня здрібнювання часток, об’ємної щільності магнітного матеріалу в робочому прошарку, орієнтації часток при наявності в них анізотропії форми і т.п.

Робочий прошарок (або товщина металевої стрічки) повинен бути якомога тоншим, а сама стрічка — гладкою і гнучкою для забезпечення максимальної взаємодії (магнітного контакту) між магнітними матеріалами стрічки і головки. Залишкова намагніченість матеріалу повинна бути можливо більш високою.

До коерцитивної сили пред’являють суперечливі вимоги: для зменшення саморозмагнічування необхідно по можливості більш високе значення Нс (не менше 24 кА/м), а для полегшення процесу стирання запису бажана мала Нс. Вимоги високої залишкової намагніченості і мінімальної чутливості до саморозмагнічування найкращим чином задовольняються при прямокутній формі ділянки розмагнічувальної петлі гістерезису, тобто бажано мати максимальне значення коефіцієнта опуклості. Температурні й інші зміни магнітних властивостей матеріалу стрічки повинні бути найменшими.

Промисловість випускає магнітофонні стрічки зі сплаву, що не іржавіє, ЕП-31А і біметалу ЕП-352/353. Стрічки мають товщину 0,005-0,01 мм;  Нс= 24 — 40 кА/м; Вr = 0,08 Тл.

Вітчизняні стрічки на пластмасовій основі виготовляють переважно типів А2601-6 (тип 6 – для студійних магнітофонів) і А4402 — 6 (тип 10 – для побутових і репортажних). У відповідності до Держстандарту у позначеннях стрічок використовують таке: перший елемент – буквений індекс означає призначення стрічки: А — звукозапис, Т — відеозапис, В — обчислювальна техніка, И — точний запис: другий елемент — цифровий індекс (від 0 до 9), позначає матеріал основи: 2 — діацетилцелюлоза, 3 — тріацетилцелюлоза, 4 — поліетилентерефталаг (лавсан); третій елемент — цифровий індекс (від 0 до 9), означає товщину стрічки:
2 — 18 мкм, 3- 27 мкм, 4- 36 мкм, 6 — 55 мкм, 9- понад 100 мкм; четвертий елемент — цифровий індекс (від 01 до 99), означає номер технологічної розробки; п’ятий елемент — числове значення номінальної ширини стрічки в міліметрах. Після п’ятого елемента повинен бути додатковий буквений індекс: П – для перфорованих стрічок; Р – для стрічок, що використовуються у радіомовленні; Б — для стрічок до побутових магнітофонів.

Як матеріали для магнітних порошків знаходять застосування: ферит заліза (магнетит), ферит кобальту, двоокис хрому та ін. Кожний із них має свої переваги і недоліки. Найбільше застосування одержав гамма-окис заліза (g -Fe2 О3) голчастої форми з довжиною часток біля 0,4 мкм і відношенням довжини до діаметра, приблизно рівним трьом. Одержують порошок (g -Fe2 О3) за рахунок окислення магнетита (ферита заліза) FeО× Fe2О3 нагріванням його на повітрі при температурі біля 150о С.

Виготовлення магнітних стрічок може бути різноманітним. Найчастіше робочий прошарок (магнітний лак) наносять на готову основу, наприклад, поливом лаку з фільєри. Магнітний лак готується заздалегідь і складається з магнітного порошку, зв’язувальної речовини, розчинника, пластифікатора і різноманітних добавок, що сприяють змочуванню і поділу часток порошку і зменшенню абразивності робочого прошарку.

При використанні порошків з анізотропією форми часток (наприклад, голчастих g-Fe) у процесі виробництва стрічки частки орієнтуються певним чином у результаті впливу на них магнітного поля. Остаточне опрацювання стрічки складається в каландруванні і поліруванні для поліпшення якості її поверхні.

Стрічка типу 6 забезпечує високу якість запису і відтворення звуку при використанні у фаховій апаратурі на швидкості 19,05 см/с та в побутових магнітофонах на швидкості 9,53 і 4,75 см/с.

Стрічки необхідно зберігати при температурі 10-25о С та відносній вологості повітря 50-60%; неприпустимою є температура вища 30°С, температура нижча 10 оС не рекомендується.

Крім типів 6 і 10 вітчизняна промисловість виробляє і інші типи стрічок, наприклад стрічку Т4402–50 шириною 50,8 мм для поперечно-рядкового запису чорно-білого зображення.

Сплави на основі рідкоземельних металів (РЗМ). Ряд з’єднань і сплавів із РЗМ має дуже високі значення коерцитивної сили і максимальної питомої енергії. З цієї групи матеріалів найбільш цікаві інтерметалічні з’єднання типу RСо5, де R — рідкоземельний метал.

Крім розглянутих основних груп магнітних матеріалів в техніці використовують і деякі інші, які мають обмежену область застосування.

Термомагнітні матеріали. Термомагнітними називають матеріали із суттєвою залежністю магнітної індукції (точніше, намагніченості насичення, тому що зазвичай термомагнітний матеріал працює в режимі насичення) від температури у визначеному інтервалі (у більшості випадків +60 ¸ -600С). Термомагнітні матеріали використовують, головним чином, як магнітні шунти або додаткові опори. Вмикання таких елементів у магнітні ланцюги дозволяє здійснити компенсацію температурної похибки або забезпечити зміну магнітної індукції в повітряному зазорі за заданим законом (терморегулювання).

Магнітострикційні матеріали. Магнітострикція має безпосереднє технічне застосування в магнітострикційних вібраторах (генераторах) звукових та ультразвукових коливань, а також у деяких радіотехнічних схемах і пристроях (замість кварцу для стабілізації частоти, в електромеханічних фільтрах і т.д.).

В якості магнітострикційних матеріалів застосовують нікель, пермендюри (сплави Fe-Co, що відрізняються найвищою намагніченістю насичення), альфери (сплави Fe-Al), нікелевий і нікелькобальтовий ферити та ін.

Нікель має велике абсолютне значення коефіцієнта магнітострикції насичення lS = Dl/l=-35×10-6 (l – довжина пластини до впливу поля, Dl – зміна довжини в результаті впливу поля; знак мінус означає зменшення довжини). Звичайно застосовують нікель марки Н товщиною 0,1 мм у вигляді жорсткої необпаленої стрічки. Після вирубування пластини оксидують нагріванням на повітрі до 800оС напротязі 15-25 хв. Утворена таким чином оксидна плівка служить для електричної ізоляції пластин при складанні пакета. Нікель має високі антикорозійні властивості і малий температурний коефіцієнт модуля пружності.

Останнім часом більш широко застосовують магнітострикційні ферити, особливо в прецизійних фільтрах.

Сплави з високою індукцією насичення. Із звичайних матеріалів найвищу індукцію має залізо (»2,1 Тл).

У тих випадках, коли висуваються найбільш високі вимоги до габаритів пристрою, його маси і розміру потоку, застосовують залізокобальтові сплави, у яких індукція насичення досягає 2,43 Тл, що дозволяє одержати економію у масі та об’ємі в порівнянні з залізом на 15-20%. На практиці використовують сплави, що містять 30-51% Со і 1,5-2,0% V, що покращує технологічні властивості сплавів, зокрема можливість обробки їх у холодному стані. Ці сплави називають пермендюрами.

Індукція насичення сплавів з великим і малим вмістом кобальту приблизно однакова. Висококобальтові сплави в слабких і середніх полях мають більші значення магнітної проникності, ніж низькокобальтові, проте останні дешевші.

Крім великого значення індукції насичення пермендюр має значну оборотну проникність, що робить його особливо цінним як матеріал для телефонних мембран. Недоліки пермендюра: малий питомий електричний опір r, висока вартість і дефіцитність кобальту і ванадію. Пермендюр застосовують у постійних магнітних полях або в слабких змінних полях із сильним підмагнічуванням постійним полем. Із матеріалів цієї групи нормований сплав 50 КФ (49,0-51 % Со; 1,5-2,0% V). Сплав має індукцію насичення не менше 2,35 Тл  та q = 980 о С.

Перевага залізокобальтових сплавів перед технічно чистим залізом відчувається при магнітній індукції вище 1,0 Тл. Відмінність в значеннях магнітної проникності досягає максимуму при значенні магнітної індукції біля 1,8 Тл; при цьому проникність кобальтових сплавів більша від проникності м’яких сортів заліза в десятки раз.

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”

Оставьте комментарий к статье