Магнитно-мягкие и магнитно-твердые стали и сплавы

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Сплавы, имеющие точно определенный состав и специ­альные физические или физико-механические свойства, называют прецизионными. При их изготовлении требуется строго соблюдать режимы выплавки и обработки. При отклонении от строго регламентированных режи­мов недостижимы высокие параметры, характерные для того или иного сплава.

К прецизионным относят сплавы со специальными электрическими, тепловыми, магнитными, упругими и другими свойствами.

Большинство прецизионных сплавов создано на осно­ве Fe, Ni и Со, либо на основе их сочетания (например, Fe — Со, Fe — Ni, Ni — Со). Для усиления соответствую­щих физических свойств сплавы легируют элементами: Мо, Сr, Мn, Сu, Zr, Ti, Nb, Ве и другими.

Эти сплавы, как правило, безуглеродистые (содержа­ние углерода в них 0,005…0,05 %). Содержание дру­гих примесей также должно быть возможно более низ­ким. Очень важно для получения требуемых свойств пре­цизионных сплавов обеспечить строгое соблюдение режимов промежуточных и окончательных обработок на всех этапах их изготовления.

В материаловедении по магнитным свойствам материа­лы разделяют на магнитно-мягкие, магнитно-твердые и немагнитные материалы.

Прежде чем рассматривать эти группы материалов, напомним, как происходит процесс намагничивания ма­териалов при приложении внешнего магнитного поля.

Известно, что даже в монокристаллах, а тем более в поликристаллических материалах весь объем тела раз­делен на области — домены, разделенные узкими грани­цами, носящими название стенок доменов. Размеры до­менов различны для разных веществ, и даже в одном материале они зависят от структуры и свойств опреде­ленного образца. Как правило, размеры доменов со­ставляют 10-3…10-2 см, а толщина стенок между доме­нами — порядка 10…100 нм. Каждый из доменов ориен­тирован в присущем ему направлении легкого намагни­чивания (рис. 19).

При беспорядочном расположении энергия стенок до­менов, вклады магнитокристаллической и магнитострикционной энергий — минимальны и материал — немагни­тен. Приложение магнитного поля, прежде всего, приво­дит к росту доменов за счет присоединения соседних доменов близкой ориентации, а затем их рост происходит путем обращения полей доменов, ориентированных близ­ко к направлениям обратным приложенному полю. Кро­ме этого процесса, происходит другой процесс — враще­ние доменов, приводящий к изменению направления их спонтанной намагниченности, т. е. к ориентированию их в направлении приложенного поля.

Процессом технического намагничивания называется создание в ферромагнетиках результирующей намагни­ченности — М, равной суммарному магнитному моменту атомов в единице объема. При этом в отличие от пара­магнетиков, для которых характерна линейная связь между приложенным внешним полем и намагниченно­стью, для ферромагнетиков при приложении поля намагниченность изменяется нелинейно, достигает насы­щения, а затем, если изменить направление намагничи­вающего поля, кривая пойдет выше, чем первоначаль­ная, и при поле равном нулю будет существовать оста­точная намагниченность.

Рис. 19. Ориентация магнитных моментов в ферромагнетиках

в отсутствие внешнего магнитного поля:

а – монокристалл; б – поликристалл

При неоднократном изменении направления намагничивающего поля постепенно форми­руется замкнутая кривая (петля гистерезиса). Макси­мальная магнитная индукция называется индукцией на­сыщения. Величина магнитной индукции ± В, сохраняю­щаяся после снятия приложенного магнитного поля, называется остаточной магнитной индукцией.

Существование явления остаточной магнитной индук­ции привело к созданию постоянных магнитов. Напря­женность магнитного поля Н (А/м), при которой магнитная индукция сводится к нулю, называют коэрци­тивной силой Нс (задерживающей напряженностью). Магнитной энергией или энергией перемагничивания на­зывается произведение В.Нс.

Рис. 20. Петли магнитного гистерезиса для магнитно-мягких материалов (а) и магнитно-твердых материалов (б). Обратите внимание на масштаб по оси абцисс

Магнитно-мягкими называют материалы с высокой начальной проницаемостью и малой коэрцитивной си­лой. Для этих материалов характерна малая работа перемагничивания (рис. 20).

Магнитно-твердыми материалами называют материа­лы с высокой коэрцитивной силой Н и малой начальной проницаемостью. Для большинства магнитных материа­лов наблюдается линейная зависимость между началь­ной проницаемостью и коэрцитивной силой.

Магнитно-мягкие материалы используют в трансфор­маторах, генераторах, переключателях и других устрой­ствах. К числу этих материалов относятся чистое желе­зо, трансформаторная и динамная стали (сплав железа с кремнием), альсиферы(сплавы Fe — Si — Al).

В приборостроении и слаботочной промышленности также применяют магнитомягкие материалы — пермалои (Fe + 78,5 % Ni) и супермалои (Fe-5 % Мо-79 % Ni). Как правило, это однофазные материалы.

Для уменьшения потерь энергии необходимо исполь­зовать материалы с узкой петлей гистерезиса. При ма­лой площади петли гистерезиса соотношение между Ви Нс практически линейно. Коэффициент пропорциональ­ности этого соотношенияm — магнитная проницаемость. Для обычного железа проницаемость равна нескольким тысячам, а для сплава супермалой — порядка мил­лиона.

Для изготовления трансформаторов и электромото­ров необходимы такие магнитно-мягкие материалы, в ко­торых намагниченность заметно меняется даже при при­ложении небольших магнитных полей. Для этого стенки магнитных доменов должны легко двигаться, что дости­гается в материалах с небольшим количеством дефектов (включений второй фазы, дислокаций).

Высокие свойства пермаллоев обусловлены физиче­скими свойствами компонентов, входящих в них. На­правление легкого намагничивания в никеле — <111>, а в железе — <100>. При смешивании их в определен­ной пропорции получается, что в сплаве эти два направ­ления становятся эквивалентными, т. е. в сплаве не бу­дет предпочтительного направления легкого намагничивания и для намагничивания сплава будет необходима лишь небольшая энергия. Кроме того, в этих сплавах практически не проявляется магнитострикция. Посколь­ку наклеп повышает коэрцитивную силу и снижает маг­нитную проницаемость, эти сплавы обычно используют в отожженном состоянии. Крупное зерно способствует повышению магнитной проницаемости, поэтому материа­лы стараются рекристаллизовать на крупное зерно.

Техническое железо (марки Э, ЭА, ЭАА) используют для магнитопроводов постоянного тока (электромагни­ты, реле и т. п.). Недостатком чистого железа являются большие потери мощности из-за вихревых токовФуко, возникающих при перемагничивании.

Легирование железа кремнием (трансформаторная и динамная стали) значительно повышает электросопро­тивление и снижает потери за счет вихревых токов. Кремний также повышает магнитную проницаемость и индукцию, снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис. Но кремний, при его содержании в железе выше 3 %, вызывает хрупкость.

Электротехническую сталь выпускают в виде листов холоднокатаных и горячекатаных. Для увеличения раз­мера зерна при рекристаллизации и выжигания углерода сталь подвергают отжигу при 1100…1200 °С (в вакууме, водороде или диссоциированном аммиаке). Динамную сталь выпускают в виде листа толщиной 0,5 мм, причем отжигом добиваются изотропной структуры. Трансфор­маторную же сталь (толщиной 0,35 мм) выпускают обя­зательно в виде текстурованных листов и ленты, т. е. до­биваются преимущественной одинаковой ориентировки всех зерен вдоль направления прокатки. Наиболее рас­пространенной текстурой, которую стараются получить в трансформаторной стали, является текстура Госса{110}<001>, потому что в направлении <100> железо легко намагничивается. В последнее время в промышленности начинают использовать стали с кубической текстурой, т. е. с такой преимущественной ориентировкой зерен, когда с плоскостью прокатки сов­падает грань куба {100}, а с направлением прокатки его ребро <100>. При такой текстуре в плоскости прокат­ки располагаются два направления легкого намагничи­вания — вдоль и поперек направления прокатки. Как текстура Госса, так и кубическая текстура создаются в трансформаторных сталях путем сложных технологических переделов. Текстура Госса получается путем со­четания горячей прокатки, двух- или трехкратных холодных прокаток и окончательного высокотемпературно­го отжига в вакууме или защитной атмосфере. Для получения кубической текстуры используют три способа: получение ее в результате вторичной рекристаллизации, в результате многократной первичной рекристаллизации из литых заготовок с кубической аксиальной текстурой <100>. Для получения кубической текстуры необходи­мо применять очень чистые шихтовые материалы и плавку проводить в вакууме. Образованию кубической текстуры способствует легирование стали марганцем (0,3…0,35 %) или никелем (1…2 %). В настоящее время кубическая текстура получается как в ленте толщиной 0,10…0,20 мм, так и в ленте толщиной 0,35…0,5 мм.

Электротехнические стали принято маркировать бук­вой Э, первая цифра за которой соответствует содержа­нию кремния в процентах, вторая цифра — удельным по­терям на перемагничивание (1 — нормальные удельные потери, 2 — пониженные, 3 — низкие), 0 в конце марки указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, 00 — холоднокатаная малотекстурованная. Следователь­но, горячекатаные сорта сталей маркируются Э11, Э12, Э21, Э32, Э41, Э42, Э43. Холоднокатаные стали марки­руются Э1100, Э310, Э3100 и т.д.

С увеличением содержания кремния в стали потери на перемагничивание (так называемые ваттные потери) уменьшаются. С ростом частоты тока потери увеличива­ются. Для существенного их снижения следует повышать электросопротивление материалов. Поэтому при высо­ких частотах целесообразно использовать ферриты. Фер­риты получают спеканием порошков Fe2O3 и оксидов двухвалентных металлов: ZnO, NiO, MnO и др. Омиче­ское сопротивление ферритов высокое и составляет 106…107 Ом/см, у них сравнительно небольшая намаг­ниченность насыщения, равная 100…2000 Гс. Для ха­рактеристики ферритов обычно используют начальную магнитную проницаемость mо, которую указывают в на­чале марки феррита: 2000 НС, 6000 НМ и так далее (НС — означает никелькремниевый, НМ — никельмарганцевый). Применение ферритов позволило уменьшить размеры многих приборов. Их применяют также в запо­минающих устройствах ЭВМ. Ферриты производят с очень высоким электросопротивлением (108…109 Ом/см). Их недостатком является высокая твердость и хрупкость, низкая точка Кюри (ниже 200 0C) и низкая индукция насыщения.

Пермаллои широко используют в слаботочной про­мышленности (радио, телеграф, телефон). Широко при­меняют также альсиферы (5,4 % Аl, 9,6 % Si, 85 % Fe), преимущество которых перед пермаллоями — их неде­фицитность.

Для создания постоянных магнитов используют мате­риалы с широкой петлей гистерезиса (рис. 20, б), чтобы при снятии внешнего намагничивающего поля намагни­ченность осталась большой (магнитно-твердые материа­лы). Энергия постоянных магнитов .Hс) будет тем больше, чем выше значения обоих сомножителей. По­скольку значения В ограничены магнитным насыщением ферромагнитных материалов (Fe, Ni, Со), то для уве­личения энергии увеличивают коэрцитивную силу.

Структура, обеспечивающая такие свойства сплавов, должна быть очень неоднородной (либо это мартенсит с большим числом дислокаций, границ зерен, либо это стареющие сплавы с мелкодисперсной распределенной в матрице второй фазой, либо сплавы со сверхструкту­рой, т.е. упорядоченной структурой).

Одним из очень эффективных материалов, используе­мых для этих целей, является сплав типа альнико(51 % Fe; 8 % Аl; 14 % Ni; 24 % Со; 3 % Сu). Его вы­сокая магнитная энергия достигается в результате за­калки с температуры 1250…1300 °С и последующего ста­рения при 600…650 °С. Структура сплава после терми­ческой обработки состоит из ферромагнитной матрицы и вкрапленных в нее мелких магнитных же частиц. Фер­ромагнитная матрица обеспечивает достаточно высокую остаточную индукцию.

Дефицит никеля и кобальта привел к необходимости создания новых сплавов, сочетающих высокую магнит­ную энергию и хорошие механические свойства. Так, сплав 71ГЮ (71 % Мn, Аl — остальное) используют при изготовлении многополюсных магнитов и двухполюсных, для роторов электродвигателей и других магнитов в при­боростроении. Магнитный сплав системы 70ГГл (систе­мы Мn — Gа) применяют для изготовления мелких маг­нитов с большим размагничивающим фактором.

В технике постоянных магнитов применяют и мате­риалы, в которых в парамагнитную матрицу вкраплены мелкие (практически однодоменные) ферромагнитные частицы. К числу таких сталей относятся ЕХ3 (3 % Сr); ЕХ5К5 (5% Сr, 5% Со); ЕХ9К15М (9% Cr, 15% Со, 1 % Мо). Эти стали легко обрабатываются резанием и де­формируются, но пока применяются лишь для не очень ответственных магнитов.

В радиоаппаратуре и электромашиностроении иногда требуются магнитодиэлектрики, которые отличаются вы­соким постоянством магнитной проницаемости. Магни­тодиэлектрики получаются обычно методами порошко­вой металлургии из карбонильного железа и альсифера с изолирующими материалами. Иногда в электромаши­ностроении требуются немагнитные материалы с низкой электропроводностью и высокими механическими свой­ствами. Для этих целей используют аустенитные стали и чугуны. К числу таких сталей относятся Н12ХГ, 45Г13Ю3, Х18Н9 и др. Применение аустенитных сталей ограничено плохой обрабатываемостью.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *