Важную роль в жизни каждого занимает металлургическая промышленность, потому что ежедневно приходится сталкиваться с различными изделиями из металла. А сделаны они из всевозможных сплавов, которые получены благодаря выплавке. При производстве этих материалов используют как минимум два металла, а для улучшения свойств - специальные присадки. В этой статье будет рассмотрено несколько сплавов железа с никелем, их свойства и применение.
О свойствах железа
Чистое железо - серебристо-серого цвета, обладает пластичностью и ковкостью. Самородные слитки, встречающиеся в природе, имеют ярко выраженный металлический блеск и значительную твердость. На высоте и электропроводность материала, он с помощью свободных электронов легко передает ток. Металл обладает средней тугоплавкостью, размягчается при температуре +1539 градусов по Цельсию и теряет ферромагнитные свойства. Это химически активный элемент. При нормальной температуре легко вступает в реакцию, а при нагревании эти свойства усиливаются. На воздухе покрывается пленкой оксида, которая мешает продолжению реакции. При попадании во влажную среду появляется ржавчина, которая уже не препятствует коррозии. Но, несмотря на это, железо и его сплавы находят широкое применение.
Немного истории
Инвар - это сплав железа с никелем, в состав которого входит 36 % легирующей добавки. Впервые он был открыт во Франции в 1896 году физиком Шарлем Гийомом. В это время он вел работы по поиску недорогого металла для эталонов мер массы и длины, которые изготовляли из очень дорогостоящего платиноиридиевого сплава. Благодаря этому открытию ученый в 1920 году получил Нобелевскую премию в области физики.
Слово «инвар» в переводе с латинского означает неизменный. Это значит, что у сплава железа с никелем коэффициент остается постоянным при широком диапазоне изменения температур - от -80 до 100 градусов по Цельсию. Этот сплав имеет и несколько других названий: нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл. Invar является торговой маркой компании Imphy Alloys Inc., которая принадлежит сталелитейному концерну Arcelor Mittal.
Сплав железа с никелем
Для улучшения свойств железа, используя различные добавки, получают сплавы. Ученые считали, что получить железоникелевый сплав, учитывая термодинамические свойства металлов, не составит никакого труда. Но на практике они столкнулись с проблемами. При взаимодействии металлов, во время получения сплава железа с никелем, в результате побочного окислительного процесса железо из двухвалентного состояния переходит в трехвалентное.
В результате снижается выход сплава и ухудшаются определенные физические свойства. Для решения этой проблемы в электролит добавляют амины и органические кислоты, которые образуют с трехвалентным обладающие малой растворимостью. В связи с этим эластичность осадка становится лучше, а для его равномерного распределения электролиты перемешивают. Полученный сплав железа с никелем называется инвар.
Применение сплава инвар
Незначительный температурный коэффициент расширения позволяет использовать его для производства:
- деталей контрольно-измерительных приборов;
- лент и проволоки для геодезических работ;
- несущих конструкций лазера;
- деталей часовых механизмов, маятников хронометров;
- проката: горячекатаного прутка и листа, холоднокатаной ленты, бесшовных труб, кованых прутков.
Для увеличения прочности производят холодную пластическую деформацию сплава железа с никелем, а затем делают низкотемпературную термообработку. Для большей стойкости к коррозии при обычных атмосферных условиях его поверхность полируют и наносят защитный слой, если изделие предназначается для использования в агрессивных средах. Антикоррозийные свойства инвара также повысятся при добавлении в его состав около 12 % хрома, при этом он сохраняет постоянную упругость при нагревании до 100 градусов.
Магнитные сплавы
Эти сплавы находят широкое применение в электротехнике. Из них изготовляют постоянные магниты, сердечники трансформаторов, электроизмерительные приборы, электромагниты. Людям давно известно, что железо обладает магнитными свойствами и в результате этого оно находит множество применений.
Много позже было обнаружено, что такое же свойство присуще никелю и некоторым другим металлам. Изделия, изготовленные из магнитного сплава железа с никелем, также обладают способностью сохранять собственное магнитное поле, когда внешнее уже отсутствует. Причем это личное поле снова способно воздействовать на другие магнитные тела.
Никель, кобальт и их сплавы
Кобальт и никель являются элементами подгруппы железа. Все три элемента имеют схожие свойства, но есть и существенные различия. Оба металла обладают большей плотностью, чем железо, и значительно тверже и прочнее его. Они менее активны в химическом плане, отличаются коррозийной устойчивостью. Кроме этого, металлы ценят за большую стойкость по отношению к
Недостатками кобальта и никеля является их высокая токсичность и значительная стоимость относительно железа. Свое применение они находят для антикоррозийного наружного покрытия изделий из углеродистых сталей и железа путем электрохимических реакций. А также они применяются для изготовления узлов и деталей, требующих усиленной прочности и твердости. Следует отметить особое значение сплавов железа, никеля и кобальта, которые носят названия коинвар, инвар, супермаллой, пермаллой и маллой. Основное их достоинство заключается в высоких магнитных свойствах. Эти сплавы используют для производства магнитопроводов различных электромагнитных устройств.
Сплав ковар
Смесь состоит из металлов, обладающих отличными механическими свойствами. Их легко обрабатывать, они без труда подвергаются прокатке, протяжке, ковке и штамповке. А сплав кобальта, никеля и железа иначе называется ковар. Удачно подобранное сочетание химических элементов обеспечивает материалу отличные характеристики. Данный сплав имеет хорошую теплопроводность, высокий коэффициент удельного электрического сопротивления и близкие к нулю показатели линейного расширения в большом интервале температур. Единственным недостатком является низкая коррозийная стойкость в сырой среде, поэтому часто используют защитные покрытия из серебра. Ковар широко применяется в промышленности для производства:
- труб, лент и проволоки;
- конденсаторов;
- корпусов оборудования в приборостроении;
- деталей в радиоэлектронике;
- корпусов в электровакуумной отрасли.
Содержание в сплаве дорогого кобальта и никеля увеличивает стоимость материала, но хорошие характеристики и продолжительная эксплуатация покрывают первоначальные вложения.
Сплавы ални
Ални - это групповое название магнитных сплавов "железо-никель-алюминий". При увеличении концентрации алюминия и никеля в определенных пределах остаточная индукция уменьшается, а коэрцитивная сила возрастает. Чаще всего применяются сплавы, в которых алюминия от 11 до 18 %, а никеля - 20-34 %. Основными свойствами таких сплавов является электропроводность, теплопроводность и пластичность. Все они характеризуются хорошим свариванием.
Для использования сплавов при их легируют кобальтом и медью. В этом случае материал приобретает твердость и хрупкость и имеет крупнозернистую структуру. Сплавы ални применяют как конструкционный материал для деталей газотурбинных и реактивных двигателей, работающих под воздействием высоких температур более 1000 градусов Цельсия продолжительное время, сохраняя металл без повреждений.
Заключение
Все металлы, интенсивно используемые в современной промышленности, являются сплавами. Например, практически все железо, которое получают в мире, используется для производства чугунов и сталей. Объяснить это можно тем, что сплавы характеризуются лучшими свойствами, чем те металлы, из которых их получают. Следует отметить, что выпускаемые промышленностью сплавы имеют общие для них свойства: прочность, твердость, упругость и пластичность. А железоникелевые еще обладают и которые при производстве усиливаются с помощью дополнительного легирования.
В заключение мы остановимся на некоторых магнитных свойствах железа и его сплавов. Вообще говоря, в обычной практике мы пока еще редко пользуемся железом в чистом виде, а применяем его соединения или сплавы. Наиболее часто встречающимися примесями являются углерод (С) и сера (S); от этих примесей избавиться чрезвычайно трудно.
За последние годы техника изготовления химически чистого железа начала развиваться. Для получения чистого металла железо электролитически раффинируют, а потом переплавляют в вакууме для освобождения от водорода и других газов. Полученное таким путем железо обладает очень ценными магнитными качествами, но пока сравнительно дорого. Нижеприведенные цифры потерь на гистерезис (в эргах на см 3 , на 1 цикл) позволяют судить о качествах вакуумного железа.
В настоящее время в электротехнике наиболее широко применяются сплавы железа с кремнием (Si).
В нижеследующей таблице в виде примера того, что в этом случае может быть достигнуто, приведены величины потерь на
гистерезис для двух сортов кремнистого железа (сплав вакуум-железа с кремнием):
Величина потерь на гистерезис для сплавов Fe с Si резко колеблется с изменением содержания Si, как это иллюстрируется кривыми рисунка 100.
Эти данные относятся к сплавам обычного железа с кремнием. Из кривых видно также, что минимальными потерями на гистерезис обладает сплав с процентным содержанием кремния в 1,7%. Однако, на практике содержание кремния доводят нередко до 3,5-4% (трансформаторное железо), чтобы увеличить электрическое сопротивление железа и понизить потери на токи Фуко.
Зависимость между содержанием кремния и удельным сопротивлением показана в таблице:
В настоящее время в электротехнической практике наиболее употребительны следующие сорта кремнистого железа: динамное. содержащее 1,7% Si, и трансформаторное, содержащее от 3,5 до 4% Si
Из других сплавов представляют особенный интерес сплавы железа с никкелем. Оба эти материала в отдельности обладают высокими магнитными качествами, в сплаве же железо и нвккель дают целый ряд материалов - от совершенно практически немагнитных до обладающих исключительно высокими магнитными свойствами. Сплавы эти отличаются еще одной особенностью. Именно, они в известных условиях обнаруживают весьма сильно выраженную неустойчивость своих магнитных свойств. Давно известная немагнитная сталь, имеющая состав 75% Fe+25% Ni, имеет при обычной температуре магнитную проницаемость m=1,4. Охлажденная до -200°С она оказывается сильно магнитным материалом и при медленном нагревании может сохранить свою магнитность и при комнатной температуре. Однако, механические сотрясения опять приводят к прежней величине магнитной проницаемости m= 1,4. Аналогичная неустойчивость наблюдается и у некоторых сильно магнитных сплавов железа с никкелем, о чем скажем ниже.
Интересно проследить изменение магнитных свойств рассматриваемых сплавов при изменении содержания Ni. Характер изменения
показан на рисунке 101.
Здесь показана наибольшая магнитная проницаемость как функция процентного содержания никкеля. Из этой кривой видно, что в весьма узких пределах, около 78,5% никкеля, мы имеем резкое повышение магнитной проницаемости. Сплав в 78,5% Ni+21,5% Fe называется пермаллоем. Он обладает самой высокой магнитной проницаемостью из всех известных материалов. При Н =0,06 гаусса mдоходит до 90000. Для сравнения свойств пермаллоя и мягкого железа приведены кривые на рисунках 102 и 103, из которых следует, что для получения одной и той же индукции в слабых полях пермаллой требует приблизительно в 20 раз меньшую намагничивающую силу.
Однако, пермаллой быстро насыщается, и при больших индукциях проницаемость его ниже, чем у железа. Этим в значительной степени определяется область применений пермаллоя. Ясно, что он может оказаться полезным только в тех случаях, когда мы имеем дело с очень слабыми магнитными полями. Подобные условия очень часто имеют место в различных устройствах, встречающихся в технике слабого тока. Между прочим, ленты из пермаллоя с большим успехом применены были недавно для компенсации емкости подводных телеграфных кабелей по способу Крарупа. Как показывает опыт, для того чтобы пермаллой обладал надлежащими магнитными качествами, он должен быть подвергнут очень тщательной термической обработке. При этом необходимо еще иметь в виду, что высокие магнитные качества пермаллоя весьма неустойчивы, как было выше уже указано. Механические сотрясения или хотя бы только большие механические напряжения легко разрушают ту структуру пермаллоя, которая обладает ценными для техники свойствами. Таким образом, устройства, в которых применен пермаллой, требует очень внимательного к себе отношения и большой осторожности при работе с ними. Ввиду такой неустойчивости пермаллоя в некоторых случаях идут на некоторое понижение магнитных качеств, лишь бы иметь более стойкий материал. Так, например, в последнее время начинают применять сплав с составом 50% Fe+50% Ni.
ОП ИСАНИЕ
ИЗОВРЕТЕН ИЯ Союэ Советсиик
С 22 С 38/16 с присоединением заявки ре—
3ЬеударстаенаМ кемнтет
АЗССР ае «анам нзеаретеннй
М. Н. Раевская, С. С. Коднер, А. А. Черняк и В.;"М. Пришлюк
Изобретение относится к металлургйи, конкретнее к изысканию магнитных сплавов на основе железа, используемых в коммутационных приборах связи.
Инвестен магнитный сплав 1) на ос5 нове железа следующего химического со става, вес. %:
Кобальт 40, 1 — 41.6
Ниобий 2,5- 3,5
Никель, 195- 205 1о"
Берий 0,2 -0,5
Вольфрам 0,05 - 0,8
Железо Остальное
Недостатком этого сплава является низкая коэрцитивная сила. 15
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является магнитный сплав(2) на основе железа следующего химичес- 20 кого состава, вес. %:
Никель 12 - 25
Железо Остальное
В качестве технологических примесей известный сплав содержит кремний и мар ганец в количестве 0,3 вес. % каждого.
Недостаток известного сплава - низкие магнитные свойства.
Бель изобретения — повышение магнит- . ных свойств.
Указанная цель достигается тем, что сплав, содержащий никель, медь и железо, содержит один или более элементов, взятых из группы, содержащей молибден, титан, ниобий, вольфрам при следующем соотношении -компонентов, вес. %:
Никель 18 -25
Один или более элементов иэ группы, содержащей молибден, титан, ниобий, вольфрам 2 - 2,5.
Железо. Остальное.
В качестве технологических примесей предлагаемый сплав содержит кремний и маргайец в количестве 0,03 вес. % каждого.
700 агае- ° ый
2, 1 1,5-3 1,2-1,4
2,5 2-4,5 1,4-1,2
2,0 2,0 1,5-4 1,3-1, 1 0,2
2,1 2,1 1,5-4 1,3-1,1 0,2
Известный
Пример. В открытой индукционной печи выплавлено 25 плавок. Из спла вов изготовлена проволока диаметром
В таблице приведены химический состав и магнитные свойства проволочных образцов длиной 200 мм в состоянии пос. ле отпуска при 530 -600оС, измеренных баллистическим.методом.
Как видно из таблицы, предлагаемый to сплав имеет более высокие значения коэрцитивной силы и магнитной проницаемости, чем известный.
Ь,з предлагаемых сплавов были изго товлены контакты гезаконов для матричных координатных соединителей. Основные параметры гезаконов:
Магнитодвижущая сила срабатывания, А 85
М агнитодвижушая сила отпускания, А
Пробивное напряжение, В
Применение предлагаемых сплавов для гезаконов позволяет повысить надежность коммутационных приборов.
2,8-4,2 1,25-1,4 0,3
1, 5-3 1,3-1,45 0,35
2,5-4,5 1,4-1,2 0,35
2,2-4 1,4-1,2 0,3
Магнитный сплав на основе железа, содержащий никель и медь, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения магнитных свойств, оч дополнительно содержит один или более элементов из группы, содержащей молибден, ти» тан, ниобий, вольфрам, при следующем соотношении компонентов, вес. %: е
5 985127 6 и з о б р е т е н и я Один ипи более элементов из группы, содержащей молибден, титан, ниобий, вольфрам 2-2,5
Железо Ос тальное
Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, предназначенным для изготовления магнитопроводов трансформаторов и других магнитных элементов радиотехники и электротехники. Предложен магнитный сплав с улучшенными механическими свойствами, в который дополнительно введен никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: никель 0,1 - 2,0; медь 0,5 - 2,0; молибден 0,5 - 5,0; ниобий 0,1 - 4,5; кремний 5 - 18; бор 4 - 12; железо остальное. Сумма компонентов молибден и ниобий составляет 2 - 5 ат.%. Для получения высокой магнитной проницаемости сплав должен обладать структурой, в которой не менее 50% кристаллитов имеют размер менее 100 нм. Также предложен магнитопровод, изготовленный из данного магнитного сплава. 2 с. и 4 з.п.ф., 1 ил., 3 табл.
Изобретение относится к металлургии, а именно к магнитным сплавам на основе железа, предназначенным для изготовления магнитопроводов трансформаторов тока, силовых трансформаторов, высокочастотных трансформаторов и других магнитных элементов радиотехники и электроники. Известен магнитный сплав , содержащий железо, медь, молибден, ниобий, кремний, бор, имеющий следующее соотношение компонентов, ат.%; медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,001-4,5, кремний 12-18, бор 7-12, железо - остальное, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2-5 ат%. Из сплава указанного состава с помощью сверхбыстрого охлаждения расплава на барабане-холодильнике получают металлическую ленту с аморфной структурой. В результате отжига в ленте формируется структура, в которой не менее 50% составляют кристаллиты размером менее 100 нм. Именно такая нанокристаллическая структура обеспечивает высокую магнитную проницаемость в магнитопроводе, изготовленном из данного сплава. Лента, полученная разливкой сплава-прототипа, обладает повышенной хрупкостью при толщине ленты около 25 мкм, так что из ленты такой толщины практически невозможно намотать магнитопроводы. Целью данного изобретения является магнитный сплав с улучшенными механическими свойствами. Указанная цель достигается тем, что в магнитный сплав, содержащий железо, медь, молибден, ниобий, кремний и бор, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2-5%, дополнительно вводят никель при следующем соотношении компонентов, ат.%: никель 0,1-2,0, медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,1-4,5, кремний 5-18, бор 4-12, железо - остальное. Добавка никеля позволяет снизить температуру плавления сплава, улучшить гомогенность расплава и его смачиваемость поверхности барабана-холодильника. Вследствие этого стабилизируется процесс получения металлической ленты, увеличивается выход годной продукции - пластичной аморфной ленты. Добавка никеля увеличивает толщину, при которой охрупчивается аморфная лента, примерно на 5 мкм. Следовательно, по сравнению с прототипом улучшаются механические свойства аморфной ленты. Обнаружено, что при добавке более 1 ат.%, толщина ленты, при которой начинается охрупчивание, уже не возрастает. С другой стороны, содержание никеля менее 0,2 ат.% почти не влияет на механические свойства ленты. Поэтому предпочтительное содержание никеля в сплаве составляет 0,2-1,0 ат%. В этом интервале никель слабо влияет на магнитные свойства и температуру кристаллизации сплава. По сравнению с прототипом несколько расширена область содержания кремния и бора. Для того чтобы получить сплавы с низкой чувствительностью магнитных свойств к сжимающим напряжениям, магнитный сплав должен содержать кремний в интервале 14-17 ат. % и бор в интервале 6-8 ат.%. Для получения магнитного сплава с высокой индукцией насыщения предпочтительно, чтобы содержание кремния составляло 7-11 ат.%, а бора 9-11 ат.%. Высокую магнитную проницаемость обеспечивает структура сплава, имеющая не менее 50% кристаллов размером менее 100 нм. В качестве прототипа выбран магнитопровод , изготовленный из ленты магнитного сплава на основе железа. Состав сплава выражается формулой (Fe 1-a Ma) 100-x- y-z-b R b Cu x Si y B z , где M - Co и/или Ni, R - по крайней мере один компонент из группы Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo. Численные значения индексов находятся в интервалах a = 0-0,5, b = 0,1-30, x = 0,1-3, y = 0-30, z = 0-30, (y+z) = 5-30. Одним из вариантов магнитопровода является ленточный кольцевой магнитопровод, который получают нививкой ленты на оправку круглого сечения (см. фиг. 1). При изготовлении ленточных магнитопроводов важно, чтобы лента была пластичной, поскольку хрупкая лента ломается при навивке. Для повышения пластических свойств ленты предлагается ленточный магнитопровод изготавливать из магнитного сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат. %: никель 0,1-2,0, медь 0,5-2,0, молибден 0,5-5,0, ниобий 0,1-4,5, кремний 5-18, бор 4-12, железо - остальное, причем сумма компонентов молибден и ниобий составляет 2-5 ат.%. Для получения высокой магнитной проницаемости предпочтительно, чтобы структура сплава не менее чем на 50% состояла из кристаллов размером менее 100 нм. На фиг. 1 изображен общий вид ленточного кольцевого магнитопровода. Примеры. В индукционной вакуумной печи выплавляли сплавы с разным содержанием никеля, кремния и бора. После расплавления сплава в тигле, расплав разливали на барабан-холодильник, в результате получали ленту толщиной около 25 мкм. Из начального участка ленты, имеющего значительную разнотолщинность, отбирали пробы разной толщины, которые затем изгибали на оправах различного диаметра до излома ленты. По кривым зависимости диаметра оправки, при которой происходил излом ленты, от толщины ленты определяли критическую толщину охрупчивания. Затем из ленты с различным химическим составом навивали ленточные кольцевые магнитопроводы размером 15/25-10 и отжигали их до получения в сплаве нанокристаллической структуры. После отжига на магнитопроводах измеряли магнитные свойства. В табл. 1 представлены результаты определения толщины охрупчивания аморфной ленты сплава Fe 73,5-a Ni a Cu 1 Mo 1,5 Si 13,5 B 9 в зависимости от содержания никеля. Из нее следует, что добавка никеля позволяет увеличить толщину ленты, при которой начинается охрупчивание. В табл. 2 приведены результаты измерений начальной относительной магнитной проницаемости н и магнитной индукции при напряженности магнитного поля 800 А/м (B 800) в магнитопроводах из сплава Fe 95,2-x-y Ni 0,8 Cu 1 Mo 1,5 Nb 1,5 Si x B y . Видно, что для получения магнитопроводов с высокой магнитной индукцией насыщения необходимо снижать в сплаве содержание кремния и бора. Окончательный химический состав сплава выбирают в зависимости от поставленной задачи: высокая магнитная индукция насыщения или высокая начальная магнитная проницаемость. В табл. 3 приведены результаты испытания магнитопроводов из сплава Fe 95,2-x-y Ni 0,8 Cu 1 Mo 1,5 Nb 1,5 Si x B y после отжига и после пропитки магнитопроводов клеем на основе силиката натрия и его сушки. После сушки клей создает в магнитопроводе сжимающие напряжения, которые снижают начальную магнитную проницаемость. Из табл. 3 следует, что с увеличением отношения содержания кремния к бору снижается чувствительность магнитной проницаемости к сжимающим напряжениям. Снижение чувствительности магнитных свойств магнитопровода к сжимающим напряжениям при сохранении высокого уровня этих свойств достигается при содержании кремния в интервале 14-17 ат.% и бора в интервале 6-8 ат.%.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Магнитный сплав, содержащий в качестве компонентов железо, медь, молибден, ниобий, кремний и бор, при сумме компонентов молибден и ниобий, составляющей 2 - 5 ат.%, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, ат.%:Никель - 0,1 - 2,0
Медь - 0,5 - 2,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Ниобий - 0,1 - 4,5
Кремний - 5,0 - 18,0
Бор - 4,0 - 12,0
Железо - Остальное
2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что его структура не менее, чем на 50% состоит из кристаллов размером менее 10 нм. 3. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 14 - 17 ат.% кремния и 6 - 8 ат.% бора. 4. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит 7 - 11 ат.% кремния и 9 - 11 ат.% бора. 5. Ленточный магнитопровод, содержащий ленту, выполненную из магнитного сплава, содержащего в качестве компонентов никель, медь, молибден, ниобий, кремний, бор, железо, отличающийся тем, что лента выполнена из магнитного сплава, содержащего компоненты при следующем соотношении, ат.%:
Никель - 0,1 - 2,0
Медь - 0,5 - 2,0
Молибден - 0,5 - 5,0
Ниобий - 0,1 - 4,5
Кремний - 5,0 - 18,0
Бор - 4,0 - 12,0
Железо - Остальное
Причем сумма компонентов молибдена и ниобий в сплаве составляет 2 - 5 ат.%. 6. Магнитопровод по п.5, отличающийся тем, что лента выполнена из сплава со структурой, не менее чем на 50% состоящей из кристаллов размером менее 100 нм.
Перминвар - тройной сплав (25%Со, 45%Ni, остальное – Fe). Магнитная проницаемость перминвара после специальной термической обработки в вакууме становится равной 300А/м. Индукция насыщения достигает 1,55Тл. Применение его ограничивается сложностью технологии получения и высокой стоимостью.
Пермендюр - сплав Fe-Со, который состоит из 30-50% кобальта, 1,5-2%V и остальное – Fe. Этот сплав может работать в магнитных полях с напряженностью 24000А/м и обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения до 2,43Тл.
Пермендюр из-за высокой стоимости применяется только в специализированной аппаратуре: для изготовления мембран телефонов, осциллографах и т. д.
В качестве термомагнитных материалов для магнитных шунтов применяют следующие сплавы: медно-никелевый сплав – кальмаллой, железоникелевый – термаллой, железоникель-хромовый компенсатор.
В этих материалах с увеличением температуры магнитный поток в рабочем зазоре магнита падает. Недостатком кальмаллоя является низкая индукция насыщения, для повышения ее в кальмаллой добавляют присадки железа. Для расширения работы в области низких температур железо-никелевые сплавы легируют хромом. Такие сплавы называют компенсаторами.
Аморфные магнитные материалы (АММ) . Такие материалы получаются при быстром охлаждении из расплавленного состояния без кристаллизации со скоростью охлаждения до 10 6 °С/с. Эти материалы обладают высокими магнитными свойствами с повышенным сопротивлением. К ним относятся сплавы железа и никеля с добавками хрома, молибдена, бора, кремния, фосфора.
АММ можно использовать в различных типах специальных трансформаторов, в магнитных усилителях, воспроизводящих и записывающих головках.
Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие из конгломерата частиц низкокоэрцитивного магнитного материала, изолированных между собой органическим или неорганическим диэлектриком, который играет роль и связующего элемента. Так как частицы ферромагнитной фазы изолированы, то магнитодиэлектрики обладают высоким удельным сопротивлением и малыми потерями на вихревые токи, но имеют пониженное значение магнитной проницаемости. Они характеризуются незначительными потерями на гистерезис и высокой стабильностью проницаемости.
Электрическая изоляция ферромагнитных частиц производится жидким стеклом, различными смолами (полистиролом, фенолформальдегидной смолой). Размеры ферромагнитных частиц составляют d =10 -2 -10 -4 см.
Наиболее широкое распространение получили магнитодиэлектрики на основе карбонильного железа, альсифера и молибденового пермаллоя.
Технология изготовления изделий из магнитодиэлектриков состоит из приготовления ферромагнитного порошка, прессования изделия и обработки.
Магнитодиэлектрики предназначаются для работы в слабых магнитных нолях, близких по значению к коэрцитивной силе, и используются в высокочастотной проводной связи, радиоэлектронике, так как их магнитная проницаемость слабо зависит от частоты
Ферриты. Основным достоинством ферритов является сочетание высоких магнитных параметров с большим электрическим сопротивлением в 10 3 -10 13 раз больше сопротивления ферромагнитных металлов.
Химический состав ферритов может быть записан химической формулой MeO-Fe 2 0 3 или Me 2+ Fe 2 3+ O 4 2- , где используются двухвалентные ионы металлов: Мn 2+ , Fе 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Cd 2
Название ферритов определяют по хорактеризующему металлическому иону, например NiFe 2 0 4 – никелевый феррит, ZnFe 2 0 4 – цинковый феррит. Структура феррита аналогична структуре природного минерала – благородной шпинели MgAl 2 O 4 , поэтому их называют феррошпинели. Такая структура представляет собой гранецентрированную плотноупакованную кубическую решетку, в которой плотнейшую упаковку образуют относительно большие ионы кислорода (ионный радиус 0,132нм). Металлические ионы с меньшим ионным радиусом (0,04-0,1нм), располагаются в промежутках между ионами кислорода. В структуре типа шпинели существует два типа промежутков: тетраэдрические - образованные четырьмя ионами кислорода, и октаэдрические , образованные шестью ионами кислорода. В центрах этих промежутков находятся ионы металла.
В элементарной кубической ячейке содержится 64 тетраэдрических и 32 октаэдрических промежутка. В структуре шпинели ионами металла занято восемь тетраэдрических (A -узлы), и 16 октаэдрических (B-узлы) промежутка.
Распределение ионов двух- и трехвалентного металла по узлам кристаллической решетки оказывает существенное влияние на магнитные свойства ферритов. В зависимости от распределения ионов металла рассматривают три типа шпинелей:
а) нормальная шпинель – в А -узлах размещены ионы двухвалентного металла, а в В-узлах – ионы трехвалентного железа. Химическая формула:
Me 2+ O 4 2-
б) обращенная шпинель – A -узлах находится часть ионов трехвалентного железа, а в B -узлах – оставшаяся часть ионов трехвалентного железа и ионы двухвалентного металла, химическая формула:
Fe 3+ O 4 2- ,
где х – доля ионов железа в А-узлах:
в) смешанная шпинель – ионы двух- и трехвалентного металла и железа одновременно появляются одновременно в A и B узлах:
Ме x 2- Fе 1- x 3+ [Ме 1- x 2+ Fе 1+ x 3+ ]О 4 2- .
Распределение ионов по A - и B -узлам определяется следующими факторами: а) ионным радиусом; 6) конфигурацией электронных оболочек ионов; в) электростатической энергией.
Выше отмечалось, что в ферритах осуществляется косвенное обменное взаимодействие, которое приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов. В феррошпинелях соседними ионами оказываются ионы, находящиеся в А - и В -узлах (А-В -взаимодействие), что можно представить решетку состоящую в магнитном отношении из двух подрешеток А и В . Причем внутри подрешеток магнитные моменты ионов оказываются параллельны друг другу и суммарная намагниченность феррита может быть представлена как разность намагниченностей подрешеток – октаэдрической Мв(В ) и тетраэдрической Ма (А ), т. е. М s = |М b -М а |.
Если намагниченность неодинакова, как это наблюдается в случае ферритов, возникает спонтанная намагниченность.
Цинковый и кадмиевый ферриты, которые обладают структурой нормальной шпинели, немагнитны, так как диамагнитные ионы Zn 2+ и Cd 2+ занимают A -узлы, тем самым взаимодействие А-В ликвидируется, взаимодействие в подрешетке В (В -В -взаимодействие) мало и не в состоянии создать упорядочение магнитных моментов.
При повышении температуры магнитное упорядочение разрушается и спонтанная намагниченность уменьшается, что аналогично зависимости для металлических магнитных материалов.
Технология получения ферритов. Ферриты получают методом керамической технологии, т.е. смешивают оксиды и карбонаты нерастворимых в воде металлов и метод термического разложения солей различных металлов. Технология получения ферритов путем смешивания оксидов или карбонатов наиболее проста и заключается в следующем: исходные компоненты взвешивают и подвергают первому помолу и тщательному перемешиванию в шаровых или вибрационных мельницах. Затем после сушки и прессования брикетов (или гранулирования) осуществляют предварительный обжиг при температуре на несколько сотен градусов ниже температуры окончательного обжига. После этого следует второй помол и порошок используют для получения изделий из ферритов путем прессования в стальных пресс-формах, выдавливания через мундштук, горячего литья под давлением. Для повышения пластичности в ферритовый порошок вводят пластификаторы (поливиниловый спирт, парафин). Окончательный обжиг ферритового изделия проводят при температуре 1100-1400°С. Для спекания частиц и окончательной ферритизации в твердой фазе по типу:
МеО + Fe 2 0 3 →MeFe 2 0 4
Ферритовые изделия отличаются высокой твердостью и хрупкостью, поэтому их обрабатывают алмазным инструментом путем резания, шлифования, полирования, пробивать отверстия ультразвуком и производить пайку ультразвуком ферритов между собой и с металлами. Ферритовые детали склеивают полистироловым и эпоксидным клеями.
Ферриты по своим свойствам делятся на магнитомягкие и магнитотвердые.
Магнитомягкими ферритами являются твердые растворы простых ферритов следующих видов:
а) никель-цинковые, представляющие твердые растворы никелевого феррита NiFe 2 0 4 , и феррита цинка ZnFe 2 О 4:
Ni 1- x Zn x Fe 2 0 4 ,
где х доля концентрации цинка в феррите.
Увеличение концентрации цинка до некоторого предела (x=0,4-0,6) приводит к увеличению намагниченности насыщения, индукции и магнитной проницаемости и постоянному уменьшению температуры Кюри;
б) марганец-цинковые - твердые растворы марганцевого феррита MnFe 2 0 4 и цинкового феррита ZnFe 2 0 4 . Такие ферриты имеют меньший тангенс угла потерь в области частот 1 МГц;
в) литиевые типа Li 0,5 Fe 2,5 0 4 обладают структурой обращенной шпинели, имеют наиболее высокую индукцию насыщения и используются на частотах до 200 МГц.
Магнитомягкие ферриты маркируются: на первом месте примерное значение магнитной проницаемости, а затем буквы, определяющие частотный диапазон: Н – низкочастотный диапазон (0,1-50МГц), ВЧ - высокочастотный (50-600МГц), а затем буквы, означающие состав материала: М – марганец-цинковые, Н – никель-цинковые, их маркируют также маркой ВЧ. Например, низкочастотные 20000НМ, высокочастотные 150ВЧ.
Ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса. Магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) особенно важны в устройствах автоматического управления аппаратуры телеграфной связи, вычислительной техники, коммутирующих дросселей.
Важным показателем свойств материалов с ППГ является коэффициент прямоугольности петли гистерезиса κ пу, который определяется как отношение остаточной индукции к максимальной магнитной индукции:
κ пу =В r / B max <1
Материалы с ППГ должны обладать малым временем перемагничивания (время изменения знака индукции с +В r на -В r , которое должно быть примерно 10 -7 -10 -9 с), иметь высокую температурную стабильность магнитных параметров.
ППГ имеют некоторые металлические сплавы железа и никеля (пермаллои) и сплавы железо-никель-кабальт с содержанием кобальта от 30 до 55%, легированные медью или другими металлами. Они изготовляются в виде лент толщиной от единиц до нескольких сотен микрометров, их коэффициент прямоугольности от 0,85 до 0,98. Прокатка микронной ленты, ее термообработка и изготовление сердечников сложнее, чем производство изделий из ферритов, поэтому ферриты с ППГ находят более широкое применение. ППГ в ферритах реализуется при определенном составе и условиях их спекания.
Промышленностью освоен выпуск свыше 25 марок ферритов с ППГ. Широкое распространение получили магний-марганцевые и литиевые ферриты со структурой шпинели. Для улучшения свойств используются легирование их ионами цинка, кальция, меди, натрия и др. Основные характеристики ферритов с ППГ следующие: коэффициент прямоугольности κ пу =0,9-0,94; остаточная индукция B r =0,15-0.25Тл, температура Кюри T k =110-250°С (для магний-марганцевых ферритов); 550-630°С (для литиевых), коэрцитивная сила для ферритов, используемых в схемах автоматического управления, лежит в пределах 10-20А/м, для материалов, используемых в вычислительной технике, - 100-1200А/м.
Ферриты с ППГ выпускаются в виде кольцевых сердечников различных типоразмеров или ферритовых пластин (плат) с большим количеством отверстий, выполняющих роль сердечников, например для запоминающих устройств выпускаются платы размером 15×15мм, которые содержат 16*16=256 отверстий.
К недостаткам ферритов с ППГ относится меньшая температурная стабильность параметров, чем металлических сплавов.
