В постоянных и низкочастотных магнитных полях (на частотах до единиц килогерц) применяют металлические магнитомягкие материалы: технически чистое, электролитическое и карбонильное железо, низкоуглеродистую электротехническую сталь, кремнистую электротехническую сталь, пермаллои (железоникелевые сплавы).
Магнитомягкие материалы должны обладать следующими свойствами:
малая коэрцитивная сила Hc;
высокая магнитная проницаемость μ;
малые потери на перемагничивание для получения максимальных значений магнитной индукции материала;
высокая пластичность, обеспечивающая качественную вырубку пластин для магнитопроводов;
малые колебания толщины материала;
отсутствие окалины, бугров, вмятин, что позволяет повысить коэффициент заполняемости и соответственно уменьшить размеры изделий;
независимость магнитных свойств от механических напряжений, приложенных к магнитопроводу, что позволяет прикладывать большие усилия сжатия, обжимки без ухудшения его параметров.
Технически чистое железо содержит менее 0,05% примесей при минимальном количестве других примесей. Оно имеет наиболее
высокие значения индукции насыщения Bs из всех ферромагнитных
материалов, низкое удельное электрическоесопротивление ρ, поэтому его используют для изготовления изделий, работающих и постоянных магнитных полях.
Коэрцитивная сила Нс и магнитная проницаемость μ изменяются в широких пределах. Это железо технологично, хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, имеет низкую стоимость.
Свойства железа, полученного в лабораторных условиях, в 100. ..200 раз выше свойств технически чистого железа, что связано с наличием трудноудаляемых примесей. К самым вредным примесям относят углерод, кислород и серу.
На магнитные свойства железа, кроме химического состава, влияет его структура, особенно размеры зерна. На границах зерен происходит искажение кристаллической решетки. Особенно легко выделяются фазы, содержащие углерод, поэтому чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. Для укрупнения зерен железо подвергают специальной термообработке (отжигу).
Технически чистое железо применяют как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов. Широко применяют также электролитическое и карбонильное железо.
Электролитическое железо получают в результате электролиза FеSО4 или FеС12. Осажденное на катоде железо после тщательной промывки и измельчения в шаровых мельницах содержит большое количество водорода, поэтому не обладает высокими магнитными свойствами. После переплавки в вакууме и многократных отжигов его свойства существенно улучшаются. В результате такой обработки получают электролитическое железо, которое содержит меньшее количество примесей, чем чистое железо, поэтому оно обладает более высокими магнитными свойствами: коэрцитивная сила Нс= 30 А/м, максимальная магнитная проницаемость μmax = 15 000. Из-за высокой стоимости электролитическое железо используют редко.
Карбонильное железо получают в результате разложения пента-карбонила железа Fе (СО)5. При различных условиях разложения получают порошкообразное или губчатое железо. В результате термической обработки в водороде железо приобретает высокие магнитные свойства.
Применяют карбонильное железо в качестве ферромагнитнойфазы магнитодиэлектриков.
Свойства железа улучшают введением присадок, получая различные марки сталей. Применяют две основные разновидности магнитомягких электротехнических сталей: низкоуглеродистые стали и кремнистые стали.Низкоуглеродистая электротехническая сталь поставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Такую сталь подвергают термообработке, в процессе которой ее медленно нагревают до температуры 900°С, выдерживают в течении 2…4ч и медленно охлаждают со скоростью не более 30...40 градусов в час до температуры 600°С.Процесс ведут или в защитной среде, предохраняющей метал от окисления, или в активной среде(смесь азота с водородом), обеспечивающей дополнительную очистку сталей от примесей. В результате термообработки сокращается число зерен в единице объема (увеличиваются размеры отдельных кристаллических зерен), что улучшает магнитные свойства стали.
Термически обработанные стали обладают коэрцитивной силой Нс = 64...96 А/м, максимальной магнитной проницаемостью μmax = 3500...4500 и содержанием углерода 0,1%.
Кремнистые электротехнические стали представляют собой твердый раствор кремния в железе. Легирование кремнием используют как один из способов снижения потерь на вихревые токи в листах низкоуглеродистой стали за счет повышения удельного электрического сопротивления ρ.
Удельное электрическое сопротивление и плотность кремнистых электротехнических сталей в зависимости от содержания кремния приведены в табл. 6.1.
В результате легирования кремнием в низкоуглеродистых сталях улучшается состав вследствие того, что кремний связывает часть растворенных в металле газов и в первую очередь кислород; снижается магнитострикция, т.е. зависимость магнитных свойств от механических напряжений; увеличивается магнитная проницаемость μ; снижается коэрцитивная сила Нс и потери на перемагничивание; при содержании кремния свыше 5% снижается индукция насыщения и ухудшаются механические свойства (повышаются твердость и хрупкость).
Для улучшения свойств кремнистых электротехнических сталей необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Но применение этих методов не позволяет существенно улучшать магнитные свойства этих сталей.
Таблица 6.1. Удельное электрическое сопротивление и плотность кремнистых электротехнических сталей
| Параметр | Э1 | Э2 | ЭЗ | Э4 |
| Степень легирования стали кремнием | Слаболе- гированная | Среднеле-гированная | Повышенно- легированная | Высоколе- гированная |
| Содержание кремния, % Удельное электрическое сопротивление ρ,мкОм/м Плотность D Мг/м3 | 0,8...1,8 0,25 7,80 | 1,8. ..2,8 0,40 7,75 | 2,8. ..3,8 0,50 7,65 | 3,8. ..4,8 0,60 7,55 |
Более существенного улучшения магнитных свойств кремнистых электротехнических сталей добиваются созданием в материале магнитной текстуры. При отсутствии текстуры имеет место хаотичное расположение кристаллов в сплаве, поэтому сплав обладает изотропными свойствами со статически постоянной средней намагниченностью по любому направлению. Для создания магнитной текстуры сталь подвергают холодной прокатке. В результате большинство зерен сплава ориентируются легким намагничиванием вдоль проката, т.е. сплав текстурируется. Такую текстуру называют текстурой прокатки. Холоднокатаная сталь становится магнитно-анизотропной.Деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений, что вызывает рост коэрцитивной силы Нс. Эти напряжения снимают отжигом.
Применение текстурованной стали в трансформаторах различного назначения позволяет снижать их массу и размеры на 20.. .40%.
Горячекатаные стали в отличие от холоднокатаных не имеют магнитной текстуры, т.е. магнитно-изотропны. Однако незначительное упорядочение зерен и связанная с этим анизотропия свойств наблюдается и при горячей прокатке.
Термообработку кремнистых сталей ведут аналогично термообработке низкоуглеродистых сталей (технически чистого железа). Однако при изготовлении магнитопроводов из кремнистых текстурированных сталей необходимо учитывать анизотропию магнитных свойств, так как лучшими магнитными свойствами лист обладает в направлении проката, а худшими - под углом 55° к направлению проката.
Марку стали обозначают буквой «Э» и следующими за ней цифрами. Цифрами обозначают степень легирования и гарантированные электромагнитные свойства стали.
Листы и рулоны стали поставляются заказчику в отожженном виде. Однако допускается поставка сталей в нагартованном виде (без отжига). В этом случае к обозначению марки стали, добавляют букву «Т».
Пермаллои представляют собой сплавы железа с никелем Fе-Ni или железа с никелем и кобальтом Fе-Ni-Со, обычно легированных молибденом, хромом и другими элементами. К специфическим особенностям пермаллоев относят:
высокое значение начальной магнитной проницаемости в слабых полях (в 10...20 выше, чем у стали); изгибание пластины толщиной 0,1...0,3 ммпод углом 90° снижает начальную магнитную проницаемость в 2 раза;
большую чувствительность к деформациям, особенно если при этом возникает наклеп (пластина, которая подверглась сильному
наклепу, теряет свои преимущества в магнитных свойствах по сравнению с другими магнитомягкими материалами).
Без термической обработки магнитная проницаемость у пермаллоев меньше, чем у чистого железа; при переменном токе магнитная проницаемость μ падает в большей степени, чем у электротехнических сталей.
Все железоникелевые сплавы поставляют в виде горячекатаных листов, прутков и холоднокатаных лент толщиной от 2.5 мм до нескольких мкм только в не отожженном виде. Термообработку проводят при температуре 1000...1200°С. При этом гарантированные магнитные свойства получают при строгом контроле температурного режима отжига.
Отожженные изделия должны быть светлыми, свободными от оксидов, темных пятен, цветов побежалости. Изделия, прошедшие термообработку, необходимо оберегать от ударов, изгибов, рихтовки, сильного сдавливания обмоткой.
В зависимости от содержания никеля пермаллои делят на низконикелевые, высоконикелевые.
К низконикелевым относят пермаллои с содержанием никеля 40...50%. Низконикелевые сплавы в магнитных цепях используют чаще, чем высоконикелевые.
Низконикелевые пермаллои используют в качестве магнитных материалов для изделий, которые работают в переменных магнитных полях, особенно при повышенных частотах.
К высоко никелевые относят пермаллои с содержанием никеля 70...80%. Высоконикелевые сплавы обладают следующими свойствами:
малая кристаллографическая анизотропия;
малая магнитострикция, т.е. зависимость магнитных свойств от механических напряжений;
магнитная проницаемость μ в несколько раз больше, чем у низконикелевых, и в несколько десятков раз больше, чем у электротехнических сталей;
индукция насыщения Вs приблизительно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей, и в 1,5 раза меньше, чем у низконикелевых;
удельное электрическое сопротивление ρ приблизительно в 2 раза меньше, чем у низконикелевых;
термическая обработка сложнее, чем у низконикелевых:
дороже низконикелевых из-за содержания никеля:
магнитные свойства значительно сильнее зависят от механических напряжений, чистоты и состава, чем у низконикелевых сталей.
Высоконикелевые пермаллои применяют в качестве магнитного материала для сердечников мощных силовых трансформаторов и других устройств, для которых важно создание большого магнитного потока.