Свойства магнитных материалов.

 

На свойства магнитных материалов оказывают заметное влияние их химический состав, способ изготовления и виды теп­ловой обработки их после изготовления. Не все, однако, свойства одинаково чувствительны к этим влияниям. Например, индук­ция насыщения с изменением состава изменяется незначи­тельно, а коэрцитивная сила Н_с и магнитная проницаемость μ заметно изменяются. Большинство технических магнитных ма­териалов имеют сложный химический состав, так как эти мате­риалы создаются в виде двойных или тройных сплавов с добав­лением каких-либо отдельных веществ (легирующие вещества) в малых количествах. В этих случаях состав выбирается с целью получения магнитных материалов с определенными свойствами. Но, кроме намеренно вносимых примесей, в магнитном материа­ле могут быть случайные и зачастую неизбежные примеси, ко­торые содержатся в исходных сырьевых материалах и вместе с ними попадают в сплав. Такие примеси ухудшают магнит­ные свойства ферромагнетиков и поэтому нежелательны.

Влияние состава на магнитные свойства ферромагнитных сплавов можно видеть на примере сплава железа с другими веществами. В электротехнике широкое применение нашли сплавы железа с кремнием. На рис. 176 приведены величины В_$, θ_{к ,} μ_м и р для электротехнической кремнистой стали с различным содержанием кремния. Как видно из рис. , температура Кю­ри θ_К и индукция насыщения В_$ с увеличением содержания кремния плавно уменьшаются: первая незначительно, а вторая более заметно. Удельное же сопротивление непрерывно повы­шается. Магнитная проницаемость μ_м при содержании кремния от 5 до 7% резко увеличивается (более чем в пять раз). Из всех характеристик μ_м наиболее чувствительна к содержанию крем­ния в определенной его области.

В качестве второго примера можно привести изменение ин­дукции насыщения В_$ и температуры Кюри θ_к в сплаве желе­за с никелем. Это изменение в виде графиков приведено на рис.177 . Эти две характеристики резко падают при содержании нике­ля около 30%, затем снова повышаются, причем В_$, очень резко, а θ_К менее резко.

На основе этих двух зависимостей можно сделать следую­щие выводы. Сплавы на основе железа и кремния, содержащие около 5—7% кремния, обладают наибольшей величиной μ_м и могут представлять технический интерес. Однако по величине В_$ сплавы с этим содержанием кремния хуже, чем сплавы с со­держанием 1—4% Si. Сплавы же на основе железа и никеля, содержащие до 10—15% никеля, отличаются большой индукцией насыщения В_$, и высокой температурой Кюри (θ_к).

Из приведенных примеров видно, что химический состав маг­нитного материала должен быть подобран с учетом его влия­ния на магнитные свойства.

Случайными примесями, наиболее часто встречающимися в магнитных материалах в небольших количествах (около деся­тых долей процента), являются углерод, азот, марганец, сера, фосфор, медь, алюминий и др. Они попадают в магнитные мате­риалы вместе с исходными материалами как их неизбежная примесь или в процессе изготовления ферромагнитного материа­ла и его тепловой обработки. Эти примеси являются вредными, так как они сильно снижают магнитные свойства материала. Однако ввиду весьма малых количеств этих примесей не удается определить отдельно влияние каждого такого примесного веще­ства на магнитные свойства ферромагнетика, так как они всегда содержатся в материалах вместе.

Из всех примесей наибольшее влияние оказывают на маг­нитные и другие свойства углерод, кислород, сера и азот. Буду­чи растворенными в основном магнитном материале, одни из них увеличивают магнитные потери (потери на гистерезис), по­вышают коэрцитивную силу и снижают магнитную проницае­мость в магнитно-мягких материалах, другие (углерод и азот) способствуют старению ферромагнетиков, т. е. необратимо сни­жают магнитные свойства с течением времени.

 

 

 

Рис. 176.Зависимость магнитных свойств кремнистой стали

от содержания кремния (В_$ — Гс)

 

 

 

Рис.177 . Зависимость магнитных свойств железоникелевых

сплавов от содержания никеля (В_$ — Гс).

При изготовлении железа как магнитного материала в нем растворяется много азота, который потом при охлаждении об­разует соединение — нитрид железа, повышающий коэрцитив­ную силу. Углерод, растворенный в железе при высоких темпера­турах его изготовления, образует при охлаждении карбид железа Fе₃С, который повышает коэрцитивную силу Н_с и вызывает повышение потерь на гистерезис.

Магнитные материалы являются, как известно, поликристал­лическими веществами. Их отдельные кристаллики (зерна) сплав­лены друг с другом по своим поверхностям. Размер зерен магнит­ного материала одного и того же химического состава оказывает влияние на магнитные свойства материала. У мелкокристалли­ческого материала, например железа, коэрцитивная сила Н_с выше, чем у крупнокристаллического.

Чем меньше зерно, тем больше его поверхность, отнесенная к одному грамму его веса, называе­мая удельной поверхностью. Поэтому общая поверхность сплавления у мелкозернистого материала будет больше, чем у крупнозернистого. В местах же сплавления зерен кристаллическая решетка искажается, а следовательно, у мелкозернистого материала будет больше таких искажений, чем у крупнозернистого. Поэтому объем материала с искаженным кристаллическим строением будет больше у ферромагнетика с мелкими зернами. Искажение же решетки кристалла магнитного материала приводит к повышению коэрцитивной силы.

Поэтому мелкозернистый магнитный материал обладает свойствами магнитно-твердого, а крупнозернистый — свойствами магнитно-мягкого ферромагнетика.

В процессе изготовления магнитных материалов и их меха­нической обработки в них возникают внутренние механические напряжения, которые также оказывают влияние на магнитные свойства материалов.

Некоторые магнитные материалы при изготовлении из них магнитных сердечников подвергаются ударам, сжатию или рас­тяжению, приводящим к пластической деформации. Структура материала при этом испытывает большие изменения. В резуль­тате всех этих воздействий у магнитных материалов увеличи­вается коэрцитивная сила, увеличиваются потери на гистерезис и уменьшается магнитная проницаемость, т. е. материал становится более магнитно-твердым. В большинстве случаев механи­ческие внутренние напряжения и пластическая деформация для магнитно-мягких материалов являются вредным фактором и должны быть устранены, а для магнитно-твердых материалов могут оказаться полезными. Поэтому магнитно-мягкие материа­лы с целью устранения механических внутренних напряжений и пластической деформации подвергаются дополнительному нагре­ву до высоких температур чаще всего в водородной среде, в ре­зультате чего их магнитные свойства улучшаются. Такой про­цесс тепловой обработки называется отжигом. На рис. приве­дена зависимость от температуры отжига чистого железа в водороде. Магнитно-твердые материалы подвергаются термиче­ской обработке с противоположной целью, а именно: создать в них внутренние механические напряжения и тем самым усилить магнитную твердость, т. е. повысить Н_с и В_г. Это достигается тем, что магнитный материал нагревают до высоких температур, затем охлаждают на воздухе до определенной температуры, после чего резко охлаждают в воде или в масле (такой процесс называют закалкой)

 

 

Рис.178. Влияние температуры отжига (в водороде) на

максимальную магнитную проницаемость чистого железа.