Типовые материалы, применяемые в качестве магнетиков

Магнитомягкие материалы представляют собой весьма широкий набор материалов как по составу и свойствам, так и по назначению.

Классификация МММ приведена на рис. 4.

Рис. 4. Классификация магнитомягких материалов

МММ должны удовлетворять следующим требованиям:

• легко намагничиваться и размагничиваться;

• обладать узкой петлей гистерезиса, т.е. малой Н_с и большими μ_нач и μ_mах;

• иметь высокую индукцию насыщения B_s, т.е. обеспе­чивать прохождение максимального магнитного потока через единичное сечение магнитопровода, что уменьшает его габариты и массу;

• обеспечивать малые потери при работе в переменных полях, что снижает температуру нагрева изделия, габари­ты и массу, повышает КПД и рабочую индукцию;

• удовлетворять дополнительным требованиям, связан­ным с механическими свойствами, стабильностью во вре­мени и при разных температурах, низкой стоимостью.

К наиболее употребляемым магнитомягким материалам относятся технически чистое, электролитическое и карбонильное железо.

Особо чистое железо (электролитическое, карбонильное), со­держащее малое количество примесей (менее 0,05 %), получают двумя сложными способами.

Электролитическое железо изготовляют путем элект­ролиза раствора сернокислого или хлористого железа, причем ано­дом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо (толщина слоя 4...6 мм) после тща­тельной промывки снимают и измельчают в порошок в шаровых мельницах, подвергают вакуумному отжигу или переплавляют в вакууме.

Карбонильное железо получают посредством термиче­ского разложения пентакарбонила железа согласно уравнению

Пентакарбонил железа представляет собой продукт воздействия оксида углерода на железо при температуре около 200 °С и давле­нии примерно 15 МПа. Карбонильное железо имеет вид мелко­дисперсного порошка, что делает его удобным для изготовления прессованных магнитных сердечников. В карбо­нильном железе отсутствуют кремний, фосфор и сера, но содер­жится углерод.

Примеси относительно слабо влияют на магнитные свойства железа, если их концентрация ниже предела раствори­мости. Низким пределом растворимости в железе обладают угле­род, кислород, азот и сера. Соответственно эти примеси оказыва­ются и наиболее вредными. При охлаждении металла после тер­мообработки такие примеси из-за ограниченной растворимости выделяются в виде микровключений побочных фаз, которые зат­рудняют смещение доменных границ в слабом магнитном поле.

Свойства железа зависят не только от содержания примесей, но и от структуры материала, размера зерен, наличия механиче­ских напряжений.

Технически чистое железо является наиболее деше­вым, технологичным, а потому легкодоступным магнитомягким материалом. Оно хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках. По химическому составу технически чистое железо представляет собой малоуглеродистую нелегиро­ванную электротехническую сталь с содержанием углерода не бо­лее 0,05 % и минимальным количеством примесей серы, марган­ца, кремния, фосфора и других элементов.

Его приме­няют в качестве сердечников электромагнитов, полюсных нако­нечников, деталей реле и как магнитный экран для защиты изме­рительных приборов от внешних электромагнитных наводок.

Основной недостаток железа заключается в его малом удель­ном сопротивлении, что ограничивает возможности его примене­ния как магнитного материала областью постоянных магнитных полей. Свойства железа можно улучшить путем переплавки в ваку­уме или с помощью различных видов отжига в водороде или в вакууме.

Кремнистая электротехническая сталь. Эта сталь (по ГОСТу— электротехническая тонколистовая) является основным магнито­мягким материалом массового потребления. Она сочетает в себе достаточно высокие магнитные свойства с низкой стоимостью и удовлетворительной технологичностью. Введением в состав этой стали кремния достигается повышение удельного сопротивления, что вызывает снижение потерь на вихревые токи. Кроме того, на­личие в стали кремния способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали благодаря химическому связыванию кислорода в SiO₂. Последний в виде шлака выделяется из расплава. В результате легирование кремнием приводит к увеличению μ_нач и μ_mах, уменьшению Н_с и снижению потерь на гистерезис.

Положительное влияние кремния на магнитную проницаемость стали обусловлено также уменьшением констант магнитной ани­зотропии и магнитострикции. При таком содер­жании кремния сталь обладает наибольшей магнитной проница­емостью. Однако промышленные марки электротехнической ста­ли содержат не более 5 % Si. Это объясняется тем, что кремний ухудшает механические свойства стали, придает ей хрупкость и ломкость. Такая сталь непригодна для штамповки. Кроме того, при введении кремния несколько уменьшается индукция насыщения (примерно 0,05 Тл на 1 % Si), так как кремний является немаг­нитным компонентом. Одновременно наблюдается понижение тем­пературы Кюри. Например, у стали, содержащей 4 % Si, Т_к = 740 °С против 769 °С для чистого железа. Вместе с тем легирование крем­нием повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Низкокоэрцитивные сплавы. Пермаллои — железоникелевые спла­вы, обладающие весьма большой магнитной проницаемостью в области слабых полей и очень маленькой коэрцитивной силой. Пермаллои подразделяются на высоко- и низконикелевые. Высо­коникелевые пермаллои содержат 72...83 % никеля, а низконике­левые — 40...50 % никеля.

Наибольшая начальная и максималь­ная магнитная проницаемость получается у сплава, содержащего 78,5 % Ni. Очень легкое намагничивание этого сплава в слабых полях объясняют практическим отсутствием у него магнитной ани­зотропии и явления магнитострикции. Вследствие слабой анизот­ропии облегчается поворот магнитных моментов из направления легкого намагничивания в направление поля, а благодаря отсут­ствию магнитострикции при намагничивании не возникает меха­нических напряжений, затрудняющих смещение доменных гра­ниц под действием слабого поля.

Магнитные свойства пермаллоев очень чувствительны к вне­шним механическим напряжениям, зависят от химического со­става и наличия инородных примесей в сплаве, а также очень резко изменяются в зависимости от режимов термообработки ма­териала (температуры, скорости нагрева и охлаждения, окружа­ющей среды и т.д.). Термическая обработка высоконикелевых пер­маллоев сложнее, чем низконикелевых.

Для придания сплавам необходимых свойств в состав пермал­лоев вводят ряд добавок. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость пермал­лоев и уменьшают чувствительность к механическим деформаци­ям. Кремний и марганец в основ­ном только увеличивают удельное сопротивление пермаллоев.

Вследствие различия свойств низконикелевые и высоконикеле­вые пермаллои имеют различные применения.

Низконикелевые сплавы 45Н и 50Н применяются для изготов­ления сердечников малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей, работающих при по­вышенных индукциях в широком диапазоне частот преимуществен­но без подмагничивания.

В марках пермаллоев буква Н означает никель, К — кобальт, М — марганец, X — хром, С — кремний (силициум), Д — медь; допол­нительная буква У — сплав с улучшенными свойствами. Цифра в марке указывает процентное содержание никеля.

Наиболее распространенные высоконикелевые сплавы 79НМ, 80НХС, 76НХД используются для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов, а при толщине ленты менее 0,05 мм — для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и бесконтактных реле.

Кроме наиболее освоенных в промышленном производстве марок пермаллоев представляет интерес сплав, получивший на­звание супермаллой с очень высокими магнитными свойствами в слабых полях. Указанные свойства достигают­ся не только при точном воспроизведении состава сплава, но и после обязательной его термообработки в атмосфере чистого водорода при Т = 1 300 °С и охлаждения по определенной про­грамме.

В качестве более дешевых заменителей пермаллоев в некоторых случаях используются магнитомягкие сплавы, не содержащие ни­келя. К их числу следует отнести альсиферы и альферы.

Альсиферы — тройные сплавы железа с кремнием и алюминием. Оптимальный состав альсифера: 9,5 % Si, 5,6% А1, остальное—Fe. Такой сплав отличается твердостью и хрупкостью, но может быть изготовлен в виде фасонных отливок.

Изделия из альсифера — магнитные экраны, корпуса прибо­ров — изготовляют методом литья с толщиной стенок не менее 2...3 мм ввиду хрупкости сплава. Эта особенность ограничивает применение данного материала.

Благодаря хрупкости альсифера его можно размалывать в по­рошок и использовать наряду с карбонильным железом для изго­товления высокочастотных прессованных сердечников.

Альферы — железоалюминиевые сплавы марки 12Ю (12% А1), по магнитным свойствам близки к низконикелевым пермаллоям, характеризуются высокой прочностью, износоустойчивостью, жаростойкостью и стойкостью к коррозии. Из них изготовляют изделия с высокой чистотой обработки по­верхности (например, магнитные головки для звукозаписи).

Среди магнитомягких материалов, пред­назначенных для работы в диапазоне частот до 10 кГц, особое место занимают аморфные металлические сплавы. Как уже отмечалось, термин «аморфный» означает отсутствие координационной кристаллической решетки. Отсюда следует, что аморфные вещества являются разупорядоченными системами. Но не все разупорядоченные материалы аморфны. Например, в твер­дых растворах имеет место хаотическое распределение атомов сме­шиваемых компонентов по объему вещества, но при этом сохра­няются координационная решетка и элементы трансляционной симметрии, т. е. неупорядоченность наблюдается только в ближай­шем окружении атомов: в составе первой координационной сфе­ры. Таким образом, следует различать «химический» и «структур­ный» беспорядок.

Неупорядоченные кристаллические сплавы (твердые растворы) имеют только химический беспорядок, тогда как аморфные ме­таллические сплавы (АМС) обладают одновременно и тем и дру­гим беспорядком. Однако в магнитомягких АМС структурный атом­ный беспорядок может сочетаться с дальней ферромагнитной упорядоченностью. Дело в том, что энергия обменного взаимодей­ствия, а соответственно, и ферромагнитные свойства, определя­ются взаимодействием только между ближайшими соседними ато­мами. Почти во всех проявлениях аморфные магнетики ведут себя подобно кристаллическим системам со сходным локальным хи­мическим окружением атомов.

Наиболее распространенные металли­ческие стекла, как правило, содержат ферромагнитные элемен­ты: Fe, Co, Ni. Поэтому вполне закономерно, что многие из этих АМС сами являются ферромагнетиками. Можно выделить два тех­нологически важных класса аморфных магнетиков: переходный металл —металлоид (ПМ— М) и редкоземельный металл —пере­ходный металл (РЗМ —ПМ). Сплавы типа ПМ —М обычно содер­жат около 75 % Fe, Co или Ni, а остальные 25 % составляют В, Si, С или Р. Наиболее изученные системы РЗМ —ПМ состоят из 67 % Fe или Со, а 33 % приходится на редкоземельные элементы, обычно тяжелые, такие как Gd, To, Dy, Но, Tm, Yb и др. Аморф­ные материалы ПМ —М чаще всего получают методом спиннин-гования расплава (см. подразд. 3.6), а также электролитическим осаждением из водных растворов солей или конденсацией веще­ства из газовой фазы на холодную подложку.

В аморфных фер­ромагнетиках отсутствуют традиционные для кристаллов струк­турные дефекты, препятствующие смещению доменных стенок (границы зерен, поры, микровключения и т.п.). Кроме того, от­сутствие периодичности в структуре аморфных сплавов является причиной исчезновения кристаллографической анизотропии, препятствующей повороту магнитных моментов атомов под дей­ствием внешнего поля. Отсутствие кристаллографической анизо­тропии должно приводить к исчезновению направлений легкого и трудного намагничивания. Это означает, что в идеальном случае полностью изотропного магнетика доменные стенки должны от­сутствовать, а магнитные моменты свободно поворачиваться под действием внешнего поля в любом элементе объема образца. Бла­годаря этим факторам аморфные ферромагнетики обладают вы­сокой начальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитив­ной силой и слабыми полями насыщения. По указанным парамет­рам ферромагнитные АМС превосходят кристаллические сплавы того же состава.

По физической природе и строению высо­кочастотные магнитомягкие материалы подразделяют на ферриты и магнитодиэлектрики.

Магнитодиэлектрики. Магнитодиэлектрики получают путем прессования порошкообразного ферромагнетика с изолирующей органической или неорганической связкой. В качестве основы при­меняют карбонильное железо, альсифер, пермаллой (как высо­коникелевый, так и низконикелевый) и ферритовые порошки на основе марганцево-цинковых и никель-цинковых ферритов. Изо­лирующей связкой служат бакелитовый лак, вспененный поли­стирол, полипропилен, эпоксидные смолы, легкоплавкие стек­ла, стеклоэмали и др. Основа должна обладать высокими магнит­ными свойствами, а связка — способностью образовывать между зернами сплошную (без разрыва) электроизоляционную пленку. Такая пленка должна быть по возможности одинаковой толщины и прочно связывать зерна между собой. Магнитодиэлектрик дол­жен иметь малые потери и отличаться достаточной стабильно­стью магнитной проницаемости во времени и при колебаниях тем­пературы. Иногда для снижения потерь на вихревые токи исполь­зуют двойную изоляцию частиц. Например, в магнитодиэлектриках из карбонильного железа первичный слой изоляции форми­руют обработкой частиц в ортофосфорной кислоте или путем по­крытия их прослойкой из жидкого стекла, а уже затем добавляют связующее вещество. В зависимости от требуемых магнитных свойств содержание вводимой связки может изменяться в пределах от 4 до 50 % от общей массы изделия.

Магнитодиэлектрики характеризуются относительно невысо­кой магнитной проницаемостью (μ_нач = 10...250), которая суще­ственно меньше магнитной проницаемости монолитных ферро­магнетиков. Это различие объясняется двумя основными причи­нами.

Во-первых, из-за разобщенности ферромагнитных частиц на их концах при намагничивании образца возникают свободные полюсы, создающие внутреннее поле, направленное навстречу внешнему.

Во-вторых, в пределах малой частицы энергетически невыгод­но образование многодоменной структуры. Поэтому слабо выра­жен механизм намагничивания за счет смещения доменных гра­ниц, определяющий значение ц.

Магнитодиэлектрики на основе молибденового пермаллоя име­ют наибольшую начальную магнитную проницаемость; потери на гистерезис и вихревые токи для этих магнитодиэлектриков при равных значениях μ меньше, чем у сердечников из альсифера, а стабильность параметров выше. Обычные пермаллои весьма пластичны и плохо размалываются в порошок. Для придания сплавам необходимой хрупкости в их со­став вводят небольшое количество серы.

Ферриты В качестве магнитомягких мате­риалов наиболее широко применяют никель-цинковые и марган­цево-цинковые ферриты. Они кристаллизуются в структуре шпи­нели и представляют собой твердые растворы замещения, образо­ванные двумя простыми ферритами, один из которых (NiFe₂O₄ или MnFe₂O₄) является ферримагнетиком, а другой (ZnFe₂O₄) — немагнитен.

Чтобы объяснить наблюдаемые зако­номерности, необходимо принять во внимание, что катионы цинка в структуре шпинели всегда занимают тетраэдрические кислород­ные междоузлия, а катионы трехвалентного железа могут находиться как в тетра-, так и в октаэдрических про­межутках. Состав твердого раствора с учетом распределения кати­онов по кислородным междоузлиям можно охарактеризовать сле­дующей формулой:

где стрелки условно указывают направление магнитных моментов ионов в соответствующих подрешетках.

Отсюда видно, что вхождение цинка в кристаллическую ре­шетку сопровождается вытеснением железа в октаэдрические по­зиции. Соответственно уменьшается намагниченность тетраэдрической (А) подрешетки и снижается степень компенсации маг­нитных моментов катионов, находящихся в различных подрешет­ках (А и В). В результате уве­личение концентрации немагнитного компонента приводит к уве­личению намагниченности насыщения,следовательно, и ин­дукции насыщения твердого раствора. Однако раз­бавление твердого раствора немагнитным ферритом вызывает ос­лабление основного обменного взаимодействия типа А—О —В, что выражается в монотонном снижении температуры Кюри Т_к при увеличении мольной доли ZnFe₂O₄ в составе феррита-шпи­нели.

Ослабление обменного взаимодействия между катионами при увеличении содержания немагнитного компонента приводит к уменьшению констант магнитной кристаллографической анизот­ропии и магнитострикции. Благодаря этому облегчается перемагничивание ферримагнетика в слабых полях, т. е. возрастает началь­ная магнитная проницаемость μ_нач.

Для ферритов, используемых в перемен­ных полях, кроме начальной магнитной проницаемости одной из важнейших характеристик является тангенс утла потерь tgδ. Благо­даря низкой проводимости составляющая потерь на вихревые токи в ферритах практически мала и ею можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на ги­стерезис. Поэтому значение tgδ в ферритах на высоких частотах в основном определяется магнитными потерями, обусловленными релаксационными и резонансными явлениями. Для оценки допу­стимого частотного диапазона, в котором может использоваться данный материал, вводят понятие критической частоты f_Kp. Обы­чно под /_кр понимают такую частоту, при которой tgδ достигает значения 0,1.

Среди многих факторов, влияющих на удельное электрическое сопротивление ферритов, основным является концентрация в них ионов двухвалентного железа Fe²⁺. Под влиянием теплового дви­жения слабосвязанные электроны перескакивают от ионов двух­валентного железа Fe²⁺ к ионам трехвалентного железа Fe³⁺ и по­нижают валентность последних. Процесс «прыжковой» электро­проводности можно представить следующей схемой:

С увеличением концентрации двухвалентных ионов железа ли­нейно возрастает электропроводности материала и одновременно уменьшается энергия активации Э_о. Отсюда следует, что при сбли­жении ионов переменной валентности понижается высота энер­гетических барьеров, которые должны преодолевать электроны при переходе от одного иона к соседнему. У ферритов-шпинелей энергия активации электропроводности обычно лежит в преде­лах от 0,1 до 0,5 эВ. Наибольшей концентрацией ионов двухва­лентного железа и, соответственно, наименьшим удельным со­противлением обладает магнетит Fe₃O₄ (феррит железа.

По аналогичному механизму электропроводность может осу­ществляться при наличии разновалентных ионов марганца, нике­ля, кобальта и др. Содержание разновалентных ионов зависит от состава материала и условий спекания.

Экспериментально установлено, что присутствие в ферритах-шпинелях определенного числа ионов двухвалентного железа при­водит к ослаблению анизотропии и магнитострикции; это благо­приятно отражается на значении начальной магнитной проница­емости. Отсюда вытекает следующая закономерность: ферриты с высокой магнитной проницаемостью, как правило, обладают не­высоким удельным сопротивлением.

Для ферритов характерна относительно большая диэлектриче­ская проницаемость, которая зависит от частоты и состава мате­риала. С повышением частоты диэлектрическая проницаемость ферритов падает.

Магнитомягкие ферриты широко применяются в качестве сер­дечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивностей, фильтров в аппаратуре радиосвязи и проводной свя­зи, сердечников импульсных и широкополосных трансформато­ров, трансформаторов развертки телевизоров, магнитных моду­ляторов и усилителей, делителей напряжения, магнитных экра­нов. Из них изготовляют также стержневые магнитные антенны, индуктивные линии задержки и другие детали и узлы электрон­ной аппаратуры.