Материалы с особыми магнитными свойствами

06.04 2020. 5БС82 ВАМ НЕОБХОДИМО ИЗУЧИТЬ МАТЕРИАЛЫ ЛЕКЦИИ, СДЕЛАТЬ КОНСПЕКТ ОРИЕНТИРУЯСЬ НА ПОСТАВЛЕННЫЕ ВОПРОСЫ, ко второму вопросу сделать схему, к третьему вопросу сделать таблицу, заголовки колонок определить самостоятельно. ТЕМА: Материалы с особыми магнитными свойствам 1. Классификация материалов по их магнитным свойствам. 2. Стали и сплавы для постоянных магнитов (магнитотвердые сплавы) 3. Магнитомягкие материал. ВОПРОС №1 Все материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, в той или иной степени намагничиваются. Это связано с наличием у составляющих материал атомов микроскопических магнитных моментов. В зависимости от восприимчивости к намагничиванию материалов различают диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Они намагничиваются п ротивоположно приложенному магнитному полю и таким образом ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры), ряд непереходных металлов, таких как Ве, Cu, Ag, Pb. Парамагнетики характеризуются слабой намагниченностью под действием внешнего поля. К парамагнетикам относятся К, Na, Al, а также такие переходные металлы, как Мо, W, Ti. Ферромагнетики обладают высокой магнитной восприимчивостью. Из всех металлов только четыре — железо, кобальт, никель и гадолиний — обладают высокими ферромагнитными свойствами, т. е. способностью значительно сгущать магнитные силовые линии, что характеризуется магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных металлов достигает десятков и сотен тысяч единиц; для остальных она близка к единице. Основные сведения о магнитных свойствах дают кривые намагничивания, приведенные на рис. 22.1. Рис. 22.1 Кривые намагничивания: I — гистерезисная; 2 — первичная   Кривая 2 является начальной кривой намагничивания, кривая 1 показывает изменение магнитной индукции в материале в зависимости от напряженности поля при последующем размагничивании и намагничиванин. Важнейшими являются следующие магнитные характеристики, определяемые по кривой намагничивания: Остаточная индукция Вr. Это магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля; измеряется в гауссах (Гс) или теслах (1Тл = 104 Гаусс). Коэрцитивная сила Нc — напряженность поля, которая должна быть приложена к образцу для того, чтобы его размагнитить; измеряется в эрстедах (Э). Магнитная проницаемость характеризует интенсивность намагничивания и определяется как тангенс угла наклона касательной к кривой начального намагничивания В = f(Н); размерность магнитной проницаемости Гс/Э. Видно, что при перемагничивании от +Н к -Н и обратно кривые не совпадают. Площадь, ограниченная этой кривой (которая называется гистерезисной петлей), представляет собой так называемые потери на гистерезис, т. е. энергию, которая затрачена на перемагничивание. Ферромагнитные сплавы подразделяют на две группы, резко отличающиеся формой гистерезисной кривой и значениями основных магнитных характеристик. К первой группе относятся магнитнотвердые сплавы. Они характеризуются широкой петлей гестерезиса, большим значением коэрцитивной силы Нc (рис. 24.1) и применяются для постоянных магнитов. Ко второй группе относятся магнитномягкие сплавы. Для них характерно малое значение Нс и малые потери на гистерезис. Их применяют как сплавы, подвергаемые переменному намагничиванию (например, сердечники трансформаторов). Особую группу составляют сплавы с высокой магнитной проницаемостью, которые должны интенсивно намагничиваться в слабых полях.   Легирование металла вызывает повышение коэрцитивная силы Нc (магнитной твердости). В соответствии с законом Курнакова если образуется только твердый раствор (в железе или в другом ферромагнитном металле), то магнитная твердость повышается незначительно; образование же второй фазы при легировании активно повышает коэрцитивную силу. Чем выше дисперсность второй фазы в сплаве, тем выше его коэрцитивная сила. Напряжения в решетке, вызванные наклепом или фазовыми превращениями, измельчение зерна и другие отклонения от равновесного состоянии вызывают повышение коэрцитивной силы. Это значит, что изменения в строении, вызывающие повышениемеханической твердости, повышают и магнитную твердость (коэрцитивную силу). Этим оправдывается применение терминов: магнитная твердость или мягкость. ВОПРОС №2 Магнитная энергия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная индукция Вr и коэрцитивная сила Нс. Магнитная энергия пропорциональна прооизведению Вr х Нс. В этой связи от материалов для постоянных магнитов требуется высокое значение коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Вr, а также их постоянство во времени. Учитывая, что величина Вr ограничена магнитным насыщением ферромагнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы Нс. Для получения высоких значений Нс стали должны иметь неравновесную структуру, обычно - мартенсит с большим количеством дефектов строения, являющихся источником искажений кристаллической решетки и внутренних напряжений. Высококоэрцитивные сплавы, используемые для постоянных магнитов: Высокоуглеродистые стали со структурой мартенсита - применяются для изготовления небольших по размеру магнитов. Обычно для этой цели используется сталь У10 — У12, которая после закалки имеет Нс = 60 — 65 эрстед и Вr = 8000 — 8500 гаус. Хромистые стали ЕХ, ЕХ3 (1 % С и 1,5 или 3 % Сг) имеют приблизительно такие же магнитные свойства, что и углеродистая. Эти стали обладают большой прокаливаемостью, и поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров. Хромокобальтовые стали ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 (содержащие наряду с хромом 5 или 15 % Со) обладают наиболее высокими магнитными свойствами (Нс = 100 — 170 Э и Вr = 8000 — 8500 Гс) по сравнению с другими сталями. Однако дефицитность кобальта и то обстоятельство, что более высокие магнитные свойства достигаются в сплавах Fe — Ni — Аl (менее дефицитных), крайне ограничили применение кобальтовых сталей. Сплавы системы Fe — Ni — Аl (11 — 14 % Al; 22 — 34 % Ni; остальное — железо) так называемые сплавы «Альнико» или ЮНДК; в них можно получить коэрцитивную силу 400 — 500 Э при остаточной индукции 6000 — 7000 гаус. Столь высокое значение магнитных свойств позволяет изготавливать мощные магниты весьма малых габаритов и массы, что имеет большое значение. Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной терми- ческой обработке, состоящей из предварительной нормализации (воздушной закалки), закалки с обычной температуры в воде или масле и низкого отпуска (желательно с предварительной обработкой холодом). Первая, высокая воздушная закалка (или нормализация), необходима для растворения крупных включений карбидных фаз, которые могли образоваться при предшествующем отжиге и которые при нормальном нагреве под закалку могут не растворяться в аустените, что не обеспечит получения высоких магнитных свойств. Обработка холодом устраняет парамагнитный остаточный аустенит и тем самым повышает магнитные свойства; отпуск при 1000С хотя немного и снижает коэрцитивную силу, но стабилизирует ее величину во времени. Стальные магниты изготавливают таким же образом, как и другие стальные детали, т. е. ковкой с последующим отжигом и механической обработкой. Сплавы Fe — Ni — Al не поддаются механической обработке, и поэтому их следует изготавливать или отливкой или методами порошковой металлургии. Термическая обработка состоит из закалки с температуры 1250 — 12800С с определенной для каждого сплава скоростью охлаждения и отпуска при 580 — 6000С. Магнитные свойства можно улучшить, если охлаждение после закалки проводить в сильном магнитном поле. ВОПРОС №3 В отличие от магнитно твердых материалов — сплавов для постоянных магнитов, где требуется высокая коэрцитивная сила, большую группу магнитных сплавов представляют так называемые магнитномягкие сплавы, которые в первую очередь должны иметь низкую коэрцитивную силу. Если высокая магнитная твердость достигалась получением неравновесной, высокодисперсной структуры, то для получения магнитной мягкости необходимо максимальное приближение к равновесному состоянию, а также необходимо получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков. Кроме низкой коэрцитивной силы, магнитномягкие материалы должны иметь еще и высокую магнитную проницаемость в слабых, средних или сильных полях, низкие потери на перемагничивание и т. д. Естественно, что наиболее подходящими магнитномягкими материалами являются чистые металлы, в первую очередь чистое (технически чистое) железо. Т е х н и ч е с к о е ж е л е з о — практически почти чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными и поэтому их содержание строго ограничивается (содержание углерода, например, не должно быть более 0,025 %). Промышленность изготавливает две марки технического железа А и Э (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (Э, ЭА, ЭАА). Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна — улучает. В обычных промышленных сортах железа коэрцитивная сила получается порядка 1 эрстед или немного ниже, тогда как минимальное значение коэрцитивной силы (0,01 Э) получено на очень крупнозернистом чистом железе. Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высокой температуре в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока, магнитных экранов, полюсов электрических машин и других деталей. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем. Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные 0,8 — 4,8 % кремния. Кремний образует с α-железом легированный твердый раствор. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Введение кремния одновременно повышает магнитную проницаемость, а вследствие роста зерна снижаются потери на гистерезис. Однако при содержании около 4 % Si происходит охрупчивание стали, что затрудняет получение тонколистового металла. Кристаллы α-железа характеризуются ярко выраженной анизотропией магнитных свойств. Ребро куба является осью наиболее легкого намагничивания. Поэтому, получение в стали кристаллической структуры с одинаковой ориентировкой всех кристаллов (получение текстурированной листовой стали с ребровой текстурой) способствует повышению магнитной проницаемости параллельно направлению прокатки и уменьшению ее в другом (перпендикулярном к первому) направлении. Современная технология производства высших сортов электротехнической стали заключается в следующем: выплавка стали с заданным содержанием кремния и минимальным углерода (практически содержание углерода получается около 0,05 %), затем прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину 0,5 — 0,35 мм. IIepeд холодной прокаткой проводят отжиг при 8000С. При этом содержание углерода уменьшается до (0,02 % С). Заключительный отжиг проводят для снятия наклепа и укрупнения зерна при 1100 — 12000С в атмосфере водорода. Если предшествовавшая холодная деформация была значительной (45 — 60 %), то получается текстурированная структура (степень текстурованности порядка 90 ); если деформация была меньше 7 — 10 %, то получается так называемая малотекстурованная структура. Наконец, если прокатку проводить только в горячем состоянии, то текстуры не будет — магнитные свойства вдоль и поперек прокатки становятся одинаковыми. Текстурованная электротехническая сталь называется трансформаторной сталью, а не текстурованная — динамной. Следует добавить, что удельные потери на перемагничивание тем меньше, чем тоньше лист, поэтому электротехническую сталь изготавливают только в виде тонких листов толщиной 0,35 и 0,50 мм. Если в процессе изготовления деталей трансформатора сталь была подвергнута даже незначительной пластической деформации (например, рубке листов, загибу) то магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств рекомендуется проводить отжиг для снятия напряжений (устранения искажений в решетке) при 750 — 8000С с медленным ((500С/ч) охлаждением. Использование текстурированной электротехнической стали в производстве трансформаторов позволяет существенно снизить потери мощности и уменьшить размеры изделий. Согласно современной маркировке электротехнические стали обозначаются цифрами, например, 1311, 1411, 1511, 3411 и др. Первая цифра определяет структуру и вид проката: 1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная с кристаллической струтурой направления [100]. Вторая цифра в марке определяет содержание кремния: 0 — содержание < 0,4 %; 1 — (0,4 — 0,8) %; 2 — (0,8 — 1,8) %; 3 — (1,8 — 2,8) %; 4 — (2,8 — 3,8) %; 5 — (3,8 — 4,8) %. По старой маркировке электротехнические стали обозначаются буквой Э, за которой следуют две или больше цифр. Первая цифра за буквой Э показывает содержание кремния: содержание кремния в пределах: 0,8 — 1,8%, 1,8 — 2,8%, 2,8 — 3,8 %, 3,8 — 4,8 % обозначается соответственно цифрами: 1, 2, 3, 4. Вторая цифра характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше эти свойства). После первых двух цифр иногда ставят один или два нуля. Один нуль показывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, два нуля — холоднокатаная малотекстурованная. Таким образом марка Э12 означает электротехническую горячекатаную сталь с 1% Si и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка Э1200 — такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.