Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61

исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Доменная структура исчезает, каждый кристалл становится однодоменным. Дальнейший процесс намагничивания (участок ВС) состоит в том, что векторы намагниченности кристаллов вращаются до полного совпадения с направлением внешнего поля. Полная ориентация векторов намагниченности вдоль поля соответствует индукции насыщения В

В действительности строгую ориентацию всех моментов атомов можно было бы наблюдать только при абсолютном нуле. При всех других температурах из-за теплового движения моменты приобретают не строго параллельную ориентацию, что ведет к уменьшению намагниченности и индукции. По мере повышения температуры дезориентация увеличивается, и при температуре точки Кюри О намагниченность вообще исчезает.

Процесс вращения векторов намагниченности кристаллов полностью обратим. Энергия, затрачиваемая на вращение вектора намагниченности, определяется константой анизотропии К. Процесс намагничивания на этой стадии происходит тем легче, чем меньше константа магнитной анизотропии.

Намагничивание в полях напряженностью меньше называют техническим намагничиванием, а в полях с большей напряженностью истинным намагничиванием, или парапроцессом. В последнем случае оставшиеся непараллельные магнитные моменты атомов ориентируются параллельно направлению поля.

На процесс намагничивания кроме магнитной анизотропии существенно влияют и маг-нитострикционные явления, которые могут как облегчать, так и тормозить намагничивание. При техническом намагничивании размер домена / в направлении магнитного поля изменяется на величину X = ±А1/1, называемую коэффициентом линейной магнито-стрикции. Величина и знак этого коэффициента зависят от природы ферромагнетика, кристаллографического направления и степени намагниченности.

При намагничивании в полях Н> увеличивается и объем кристалла. Относительное изменение объема называют коэффициентом объемной магнитострикции пара-процесса Xj. Он обычно мал, но у некоторых сплавов, называемых инварами, достигает значительных величин (см. гл. 16). Явление

магнитострикции используется при конструировании ультразвуковых генераторов волн и других магннтострикционных приборов.

При разработке магнитных материалов с заданными свойствами следует учитывать, что магнитные характеристики М, В,, Х,, К к в зависят только от химического состава ферромагнетика, а характеристики ц, Н, В„ зависят также и от вида термической обработки, так как являются структурно чувствительными.

-Пегко намагничиваются (малое значение химически чистые ферромагнитные металлы и однофазные сплавы на их основе. Количество кристаллических дефектов в них должно быть минимальным, например, границы кристаллов должны иметь минимальную протяженность, что обеспечивается крупнокристаллической структурой.

Если размер кристаллов ферромагнетика приближается к размерам доменов, то при намагничивании и размагничивании возможен только процесс вращения векторов намагничивания, что сопровождается небольшими изменениями намагниченности М и индукции В. Петля гистерезиса принимает прямоугольную форму.

Для намагничивания нежелательны дислокации и остаточные напряжения, для устранения которых в конце технологического процесса применяют термическую обработку-отжиг. Особенно вредны примеси, образующие в кристаллической решетке основного ферромагнетика примесные дефекты или собственные мелкодисперсные фазы. В обоих случаях смещение доменной стенки и вращение векторов намагничивания затрудняются.

Намагничивание ферромагнетика идет тем легче, чем меньше К и Х. Уменьшить их влияние можно путем изменения химического состава ферромагнетика. Если изготовлять сплавы из компонентов, образующих твердые растворы, один из которых имеет положительную, а другой отрицательную константу магнитной анизотропии, то для некоторых составов сплавов К = О, например, у сплавов системы Fe-Ni.

15.2. Магнитно-мягкие материалы

Магнитно-мягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (ж 5 10" А/м) вследствие большой магнитной проницаемости (ц„ 88 мГн/м и



цз, ООО мГн/м) и малых потерь на перемагничиванне.

Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, дина-момашин.

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничиванне для магнитно-мягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко и определяемых формулой

P = ABlf4lp. (15.4)

При заданной напряженности магнитного поля Н тепловые потери растут пропорционально квадратам амплитуды магнитной индукции В, частоты магнитного поля /, толщины сердечника d и обратно пропорционально удельному электрическому сопротивлению р.

В переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции В и напряженности поля Я. В таком поле магнитная проницаемость выражается комплексным числом

И = Hi + iV-2-

(15.5)

Потери энергии характеризуются tg5 = (x2/Hi. С ростом частоты поля снижается интенсивнее, чем растет (рис. 15.8).

По величине тепловых потерь и tg5 определяются допустимые рабочие частоты, поэтому магнитно-мягкие материалы подразделяются на низко- и высокочастотные.

Низкочастотные магнитно-мягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения В, и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью (х (начальной ц„ и максимальной \х.

Материалы с высокой индукцией насыщения. К ним прежде всего относятся железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции (Bj<2,15 Тл), малой коэрцитивной силе (Я < 1(Ю А/м), достаточно высокой магнитной проницаемости ((х„<79 мГн/м) и хорошей технологичности-их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 10 до 5 • 10* А/м.

Магнитные свойства железа приведены в табл. 15.1. Наибольшее количество примесей содержит технически чистое железо. При содержании 0,02-0,04% С и остальных примесей в количестве 0,6% железо обладает до-

-

0.05 0.04 0.03

о,ог

0.01 0,005,

50 100 МГЦ

10 100 1000 МГц а) Б)

Рис. 15.8. Влияние частоты магнитного поля на (Xi и (Xj (о) и tg6 (б) для высокочастотных магнитомягких материалов Л и £



ТАБЛИЦА 15.1. Магнитные свойства железа

Железо

С, "„

Мтах

мГн/м

Карбонильное

0,005-

0,01

Электролитиче-

0,01

ское переплав-

ленное в вакууме

Электролитиче-

0,02-

ское

0,025

Технически чи-

0,02-

стое

0,04

статочно хорошими магнитными свойствами: Я = 64 А/м и Umax = 9 мГн/м. в процессе изготовления проката в железе возникают внутренние напряжения, а в решетке-большое количество дислокаций. Это ухудшает магнитные свойства. Отжиг в вакууме или водороде устраняет дефекты и напряжения. В табл. 15.1 приведены свойства отожженного технически чистого железа.

Существенное улучшение магнитных свойств можно получить после очистки железа от углерода и примесей электролизом. Такое железо, особенно переплавленное в вакууме, имеет более высокую магнитную проницаемость, которая почти на порядок выше, чем в технически чистом железе. В той же степени снижается Н.

Наиболее чистое от углерода и примесей карбонильное железо получают термическим разложением в вакууме Ре(СО)5-карбонила, с последующим спеканием порошка железа.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитны-

ми свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает, стали различного сортамента, в том числе тонкий лист (табл. 15.2).

Первая цифра в марке указывает способ изготовления: горячекатаная сталь (1), холоднокатаная изотропная (2). Вторая цифра О указывает на низкое содержание кремния ( 0,03 %), Третья цифра определяет основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, а именно: цифра 8 обозначает коэрцитивную силу Н„ а ее значение (в А/м) показывают две последние цифры.

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (р<0,1 мкОм-м) увеличивает тепловые потери при перемагни-чивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Электрическое сопротивление стали можно повысить легированием кремнием, который не дефицитен. Растворяясь в железе, кремний образует легированный твердый раствор. Один процент кремния повьппает удельное сопротивление на 0,12 мкОм-м, но снижает на 0,48 Тл. При отжиге кремний способствует росту кристаллов и тем самым несколько уменьшает Н.

Снижение общих потерь при перемаг-ничивании кремнистой стали определяется главным образом увеличением удельного электрического сопротивле-

ТАБЛИЦА 15.2. Магнитные свойства нелегированной электротехнической тонколистовой стали (ГОСТ 3836 - 83)

Сталь

мГн/м

В(Тп) при Я = 30 кД/м

10895 20895

10864 20864

10848 20848

95 64 48

3,8 5,6 6,0

2,05 2,05 2,05



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 [ 35 ] 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61