ВОПРОС 24

6. МАРКИРОВКА МАГНИТНЫХ СПЛАВОВ

Применяемые в радиотехнике магнитные материалы делят на магнитомягкие и магнитотвердые.

6.1. МАГНИТОМЯГКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Магнитомягкие материалы используются в качестве сердечников катушек индуктивности и трансформаторов, через которые текут переменные токи. Для увеличения эффективности устройства потери в сердечниках должны быть сведены к минимуму. Поэтому петля гистерезиса магнитомягких материалов должна быть как можно более узкой.

Потери в сердечнике трансформатора складываются не только из потерь на перемагничивание (гистерезисных потерь), но и потерь на токи Фуко (вихревые токи), индуцируемые переменными магнитными полями в проводящих материалах. Поэтому, такие сплавы должны иметь как можно меньшую проводимость.

Магнитомягкие материалы (с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью) можно разделить на четыре группы:

− сталь электротехническая тонколистовая и сортовая нелегированная ГОСТ 3836–83 и техническое железо 11036–75;

− сталь электротехническая кремнистая ГОСТ 21427–75 и ГОСТ 21427.4–78;

− сплавы прецизионные магнитомягкие ГОСТ 10160–75 и ГОСТ 10994–74;

− магнитомягкие ферриты (на основе оксида железа).

6.1.1. Сталь электротехническая нелегированная тонколистовая ГОСТ 3836–73

Применяется для магнитопроводов на постоянном токе и переменном токе промышленной частоты (сердечники реле, трансформаторы, электрические машины).

Марку стали обозначают пятизначным числом:

− Первая цифра в марке указывает способ изготовления: 1 – горячекатаная; 2 – холоднокатаная изотропная.

− Вторая цифра (0) указывает низкое содержание кремния (не более 0,03 %). Если вместо нее стоит цифра 1, сталь изготовляют с нормированным коэффициентом старения (процент увеличения коэрцитивной силы образца после старения).

− Третья цифра – 8 определяет основное нормируемое свойство, гарантируемое для стали – коэрцитивную силу Hc .

− Четвертая и пятая цифры читаются вместе и обозначают максимальное значение коэрцитивной силы в А/м.

6.1.2. Сталь электротехническая тонколистовая кремнистая

ГОСТ 21427.0–75 и ГОСТ 21427.4–78

Применяют для генераторов, динамомашин, трансформаторов с частотой не выше 25 кГц.

Марку стали обозначают четырехзначным числом по ГОСТ 21427.0–75:

− Первая цифра в марке указывает способ изготовления и структурное состояние стали: 1 – горячекатаная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 – холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

− Вторая цифра указывает содержание кремния: 0 – до 0,4 % включительно (нелегированная); 1 – свыше 0,4 до 0,8 % вкл.; 2 – свыше 0,8 до 1,8 % вкл.; 3 – свыше 1,8 до 2,8 % вкл.; 4 – свыше 2,8 до 3,8 % вкл.; 5 – свыше 3,8 до 4,8 % вкл.

− Третья цифра определяет основное нормируемое свойство, гарантируемое для стали: 0 – удельные потери при индукции 1,7 Т и частоте 50 Гц (Р1,7/50); 1 –дельные потери при индукции 1,5 Т и частоте 50 Гц (Р1,5/50);

2 – удельные потери при индукции 1,0 Т и частоте 400 Гц (Р1,0/400); 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля H = 0,4 А/м (В0,4); 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля H = 10 А/м (B10).

Первые три цифры в обозначении марки указывают тип стали.

− Четвертая цифра в марке стали означает порядковый номер стали в пределах одного типа.

Коэрцитивная сила всех сплавов данной категории находится в пределах 0,2…0,4 А/см.

6.1.3. Прецизионные магнитомягкие сплавы

Эти сплавы могут быть двойные железо-никелевые с содержанием 40…8 % Ni, железо-кобальтовые и тройные железо-никель-кобальтовые (табл. 6.4 и 6.5). Марки этих сплавов и химические составы устанавливаются по ГОСТ 10994–74.

6.1.4. Магнитомягкие материалы на основе оксида железа

Для работы при высоких и сверхвысоких частотах используются ферриты – магнитные материалы на основе оксида железа III (типа MeFe2O4 и других оксидов, где Me – один или несколько металлов). За счет высокого электрического сопротивления (в 106…1011 раз больше, чем у железа) они имеют очень малые потери энергии на перемагничивание, поэтому широко применяются в радиоэлектронике.

6.1.5. Ферриты для радиочастот

К магнитомягким ферритам для радиочастотного диапазона (табл. 6.6) относятся никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты системы NiO-ZnO-Fe2O3 и MnO-ZnO-Fe2O3 , а также литий-цинковые, свинцово-никелевые и другие типы ферритов. Ферриты используют в полях малой и средней напряженности из-за их малой индукции насыщения (0,15…0,7 Тл). Тангенс угла магнитных потерь tg δ изменяется от 0,005 до 0,1. Для ферритов важно значение критической частоты (fкр ) – той частоты, при которой tg δ = 0,1. Для низкочастотных ферритов fкр = 0,01…30 МГц, а для высокочастотных никель-цинковых ферритов fкр = 25…250 МГц. Относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости ТКµ сильно зависит от температуры, так как точка Кюри для ферритов относительно низка (Тк < 373 °К), и при температурах, близких к Тк , магнитная проницаемость и другие свойства резко изменяются.

6.1.6. Магнитомягкие СВЧ-ферриты

СВЧ-ферриты (табл. 6.7) должны отвечать ряду специфических требований:

− высокая активность материала к управляющему полю (возможность управления относительно слабым внешним полем);

− высокое удельное электрическое сопротивление ρ (105 …1011 Ом·м);

− низкий уровень диэлектрических потерь tg δ = 10–4…10–3, а также магнитных потерь вне области резонанса, что обеспечивает малое затухание сигнала в феррите;

− ширина кривой ферромагнитного резонансного поглощения (∆Н меньше 1 кА/м);

− температурная стабильность свойств;

− высокое значение точки Кюри TK.

Материалы, полученные на основе магниевого феррита (Mg-Mn-шпинель), предназначены в основном для работы в средней части сантиметрового диапазона.

6.2. МАГНИТОТВЕРДЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Maгнитотвердые материалы разделяют по способу получения и технологии обработки. В соответствии с этим можно указать следующие группы:

1. Литые сплавы на основе Fe-Ni-А1 и Fe-Ni-Al-Co, легированные медью, титаном, ниобием и некоторыми другими элементами.

2. Деформируемые магнитотвердые материалы.

3. Порошковые магнитотвердые материалы, получаемые прессованием и спеканием порошков с последующей термообработкой.

В табл. 6.8 представлены сравнительные характеристики современных магнитотвердых сплавов. Наиболее перспективными являются магниты Nd-Fe-B, обладающие высокой энергией и недорогие.

6.2.1. Сплавы магнитотвердые литые для постоянных магнитов (ГОСТ 17809–82)

По ГОСТ 17809–82 выпускаются 25 марок сплавов (табл. 6.9, 6.10). Сплавы Fe-Ni-Al-Co (открыты в 1932 г.) являются важнейшими материалами для постоянных магнитов. Основной недостаток – высокая твердость и хрупкость. Поэтому обрабатываются они лишь шлифованием или электроискровым способом.

Маркировка литых магнитотвердых материалов на основе железа состоит из буквенного обозначения основных легирующих элементов без указания их содержания. После букв К (кобальт) и Т (повышенное содержание титана) указано их содержание в весовых процентах. Иногда содержание кобальта не указывают и о его количестве можно догадаться по содержанию титана. Буквы в конце марки означают: А – столбчатая кристаллическая структура; АА – монокристаллическая структура.

6.2.2. Магниты системы самарий-кобальт

Самарий-кобальтовые магниты (открыты в 1960 г.) получают методом порошковой металлургии. Это химическое соединение состава SmCo5 обладает высокой константой магнитной анизотропии, что позволяет получить большие значения коэрцитивной силы и магнитной энергии.

По ГОСТ 21559–76 выпускают сплавы типа КС37 или КСП37. Буква К означает кобальт, С – самарий, П – празеодим. Число указывает содержание в процентах редкоземельных металлов Sm или Sm + Pr. Остальное – кобальт. Буква А в конце марки указывает на повышенные магнитные свойства.

Для улучшения магнитных свойств и температурной стабильности эти сплавы легируют медью (Д), цир-конием (Ц) и тяжелыми РЗМ – гадолинием (Гд) и эрбием (Э). При этом получится соединение типа R2T17 (где R – элементы-лантаноиды, а T – железо, цирконий и т.д.). Для снижения стоимости магнитов вместо дорогостоящего самария частично используют мишметалл (ММ) – сплав редкоземельных металлов на основе церия (мишметалл используют в качестве кремня в зажигалках). Число после ММ указывает содержание мишметалла в весовых %. После марки через дефис может быть указано значение магнитной энергии (ВН)max .

6.2.3. Магниты системы неодим-железо-бор

Магниты системы Nd-Fe-B (табл. 6.12) обладают наивысшей магнитной энергией (открыты в 1984 г.), поэтому все шире применяются для изготовления роторов шаговых электродвигателей, приводов дисководов и винчестеров в компьютерах, а также для создания мощных магнитных сепараторов и подъемных устройств.

6.2.4. Деформируемые магнитотвердые материалы

К деформируемым магнитотвердым материалам относятся сплавы системы Fe-Со-V, легированные мартенситные стали, пластически деформируемые сплавы и материалы для магнитных лент. У деформируемого сплава ниже твердость и лучше обрабатываемость, чем у литого. Повышенная пластичность при высоких температурах позволяет применить горячую вырубку и штамповку заготовок магнитов.

6.2.5. Сплавы систем Fe-Co-V-Cr и Fe-Co-V-Ni

Эти мтериалы предназначены для изготовления активной части гистерезисных двигателей (табл. 6.13).

Эти сплавы имеют заданные параметры частной (в поле максимальной проницаемости) петли гистерезиса. Оптимальные магнитные свойства они получают после холодной пластической деформации и отпуска. Викаллои 52К10Ф и 52К11Ф (табл. 6.14), кроме этого, используют для получения малогабаритных постоянных магнитов.

6.13. Сплавы систем Fe-Co-V-Cr и Fe-Co-V-Ni

Сплавы 35КХ4Ф, 35КХ6Ф и 35КХ8Ф анизотропны, но могут изготовляться с пониженной анизотропией.

Сплавы 25КФМН и 35КФ10Н имеют прямоугольную петлю гистерезиса при изотропности свойств.

6.14. Сплавы системы Fe-Co-V (ГОСТ 10994–74)

Проволока из сплава 52К13Ф после специальной термомеханической обработки имеет коэрцитивную силу

32…40 кА/м при индукции 0,8…1,0 Тл.

6.2.6. Легированные мартенситные стали

В качестве недорогих постоянных магнитов могут использоваться стали с содержанием углерода до 1 %, легированные хромом, вольфрамом, молибденом и кобальтом (табл. 6.15). Высокую коэрцитивную силу они получают после закалки и низкого отпуска (на структуру мартенсита отпуска) и намагничивания. Марка расшифровывается как у качественных сталей

6.2.6. Легированные мартенситные стали

В качестве недорогих постоянных магнитов могут использоваться стали с содержанием углерода до 1 %, легированные хромом, вольфрамом, молибденом и кобальтом (табл. 6.15). Высокую коэрцитивную силу они получают после закалки и низкого отпуска (на структуру мартенсита отпуска) и намагничивания. Марка расшифровывается как у качественных сталей.