Вопрос 36. Металлические магнитно-мягкие материалы

Основными металлическими магнитно-мягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремнистые
стали.

Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы с
содержанием никеля от 36 до 80%.

С целью улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или
медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50% никеля, называются низконикелевыми, а 60—80% — высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высоким уровнем магнитных характеристик

Это обеспечивается не только их составом и химической чистотой сплава, а
также специальной тепловой обработкой. Она заключается в нагреве со скоростью 400—500° С в час, выдержке сплава при 1000—1150° С в течение 3—6 ч и последующем охлаждении со скоростью 100—200° С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600° С и быстрое охлаждение со скоростью 150° С в минуту.

Лучшие магнитные характеристики пермаллоев достигаются при отжиге их в вакууме.

Наибольшими значениями удельного электрического сопротивления, а следовательно, малыми потерями на вихревые токи обладают легированные пермаллои. Эти пермаллои обладают также повышенными значениями магнитных характеристик.

Все виды пермаллоев чувствительны к механическим деформациям материала: наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали
из пермаллоя, полученные такими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке — отжигу.

Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0, 002— 0, 5 мм, листов толщиной

1—2 мм и прутков диаметром 5—50 мм и более.

Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, высоконикелевые — деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых. Магнитные характеристики пермаллоев стабильны в интервале температур
от —60 до +60° С.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5, 5—13% алюминия, 9—10% кремния, остальное железо.

Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но они заменили пермаллои в сравнительно ограниченной области применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм.

Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали [1], в которые вводят от 0, 8 до 4, 8% кремния с целью улучшения магнитных свойств стали. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем.

Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний вызывает распад цементита Fe₃C—вредной примеси в стали, резко понижающей ее магнитные характеристики. Кремний также способствует росту
кристаллов железа, что повышает уровень магнитных характеристик стали.

Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные
характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому в сталь вводят кремний в количестве, не превышающем 4, 8%.

Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или ненагретом состоянии, поэтому различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь. Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов. Оно намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900° С.

При отжиге из листов удаляются примеси, снижающие магнитные свойства материала (углерод, кислород), кроме того, деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму.

Холоднокатаные кремнистые стали, у которых кристаллы железа расположены преимущественно в направлении прокатки, называются текстурованными.

Улучшенные магнитные характеристики у холоднокатаных сталей наблюдаются только при совпадении направления магнитного потока с направлением их прокатки. При другом направлении магнитного потока величины всех магнитных характеристик у холоднокатаных текстурованных сталей меньше, чем у горячекатаных. Поэтому наиболее рационально применять холоднокатаные стали в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки. Электротехническая сталь прокатывается в листы и ленты толщиной от 0, 05 до 1, 5 мм и является доступным и дешевым материалом.