Магнитные стали и сплавы

Введение

Возможности ускорения научно-технического прогресса во многом зависят от рационального использования, улучшения качества уже существующих материалов и создания принципиально новых материалов, отвечающих требованиям новых поколений высокоэффективной техники.
Сталь является одним из наиболее востребованных материалов металлопроката. Она используется в промышленной, транспортной и строительной отраслях народного хозяйства. В зависимости от свойств, которым обладает этот материал, он разделяется на подкатегории.
Магнитная сталь представляет собой, не прошедший термообработку, сплав железа с углеродом, наделённый специальными магнитными свойствами, которые ему придают добавки кобальта и хрома. В нашей стране она изготавливается по ГОСТу 3836-80. Свое применение этот особый материал нашел в изготовлении магнитопроводов, сердечников трансформаторов, электромагнитов и некоторых электроизмерительных приборов.
Особую группу составляют сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью, которые должны интенсивно намагничиваться в слабых полях. Без преувеличения можно сказать, что в настоящее время нет почти ни одной отрасли промышленности, ни одного научного и технического направления, где бы не применялись, в том или ином качестве стали и сплавы.
Промышленные предприятия нашей страны выпускают более 200 марок сталей и сплавов, отличающихся по химическому составу, способам выплавки и методам оптимизации заданных физических свойств, уровню служебных характеристик, сочетанию основного («ведущего») физического свойства с другими свойствами — физическими, механическими, химическими.

Свойства магнитной стали

Основным свойством этого вида стали является ферромагнитизм – так называется способность привлекать магнитные силовые линии, которую обеспечивает магнитопроницаемость. Она у магнитной стали достигает нескольких сотен тысяч, в то время как у обычного металла она чуть выше 1.
В зависимости от вида этого магнитного материала, другие его специальные свойства будут характеризоваться следующими показателями: магнитным потоком; напряженностью магнитного поля; магнитной индукцией.
Магнитные свойства стали определяются путем построения петли гистерезиса – графической кривой, выражающей зависимости между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией. Это необходимо для вычисления величина переменного магнитного поля, которое провоцирует возникновение в магнитной стали вихревых токов. А они, в свою очередь, нагревая магнитопроводы, приводят к потерям мощности. Именно поэтому все виды этого материала характеризуются показателями удельной потери.
Из всех металлов только Fe, Co, Ni обладают ферромагнетизмом - способностью сильно намагничиваться во внешнем магнитном поле.
Основными характеристиками магнитных сталей и сплавов являются остаточная индукция В(гаусс), коэрцитивная сила Н (эрстед), магнитная проницаемость μ, имеющие между собой такую зависимость:

μ = В / Н

Остаточная индукция (Вг) в гс, т. е. индукция, сохраняющаяся в образце после его намагничивания и снятия намагничивающего поля. Практически остаточная индукция является той полезной величиной, которую стремятся сохранить в постоянном магните после его намагничивания.
Коэрцитивная сила (Не), т. е. напряженность поля в эрстедах, которая должна быть приложена к образцу в обратном направлении, чтобы сделать его остаточную индукцию равной нулю, т. е. его размагнитить.
Магнитная проницаемость. Величина магнитной проницаемости у так называемых немагнитных металлов (Си, Pb, А1 и др.) близка к единице, у железа, никеля и кобальта, представляющих ферромагнитные металлы, достигает значений порядка нескольких тысяч.
В зависимости от Н они могут быть: магнитомягкие и магнитотвердые.
Зависимости величин коэрцитивной силы Hc и остаточной индукции Br, измеренных по предельной петле магнитного гистерезиса, а также максимальной магнитной проницаемостиμмакс, определенной по начальной кривой намагничивания, от нормальных напряжений сжатия и растяжения σ показаны на рис.1 (а,б,в) Эти зависимости можно представить как результат формирования магнитной текстуры напряжений, получившей также название наведенной магнитной анизотропии. При увеличении упругих напряжений сжатия происходит возрастание величины коэрцитивной силы и уменьшение значений остаточной индукции и максимальной магнитной проницаемости. При возрастании одноосных растягивающих напряжений коэрцитивная сила уменьшается, остаточная индукция и магнитная проницаемость увеличиваются. Таким образом, наблюдается отрицательный магнитоупругий эффект (σλs < 0, λs – магнитострикция насыщения), что вполне характерно для сплавов на основе железа.
На рисунке 1 (г,д,е) приведены магнитные характеристики исследованной стали в зависимости от касательных напряжений τ. Характер зависимостей коэрцитивной силы и максимальной магнитной проницаемости от касательных напряжений аналогичен зависимостям от нормальных напряжений: с возрастанием касательных напряжений коэрцитивная сила уменьшается, максимальная магнитная проницаемость увеличивается. Характерная особенность заключается в том, что влияние касательных напряжений на остаточную индукцию не превосходит погрешность измерений.

Рисунок 1 - Зависимости магнитных характеристик от нормальных и касательных напряжений


Магнитомягкие стали

 Магнитомягкие стали и сплавы (рис. 2) имеют малую коэрцитивную силу Н и большую магнитную проницаемость μ (трансформаторная сталь – Э3, Э4, динамная сталь – Э1, Э2).

Рисунок 2 -  Магнитомягкие стали и сплавы
Магнитно-мягкие материалы, можно разделить на три группы: электротехнические стали, сплавы на основе железа с другими металлами (никель, кобальт, алюминий) и ферриты (неметаллические ферромагнетики).
Электротехнические стали наиболее дешевые материалы, имеющие большие индукции насыщения (порядка 1,8 … 2,3 Тл), и это позволяет создавать из них компактные и дешевые электромагнитные элементы. Но из-за относительно большой (по сравнению с железоникелевых сплавами) коэрцитивная силу электротехнической стали (порядка 0,1 ¸ 0,5 А / см) чувствительность стальных элементов к изменениям внешнего поля, которое образуется обмотками, невелика.
Техническое железо или по ГОСТ 3836-47 сталь низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая (Э, ЭА, ЭАА) содержит не более 0,04% углерода, μ = 3500-4500 гс/э; Н = 1,2-0,8 э. Недостатки: низкое электросопротивление и большие потери на вихревые токи

. Применяется для изготовления сердечников, полюсных наконечников электромагнитов и т.д.
Электротехническая сталь (ГОСТ 802-58) содержит большое количество кремния, растворенного в феррите, которая увеличивает электросопротивление, уменьшает потери на вихревые токи: μ = 6000-8000 гс/э; Н = 0,6-0,4 э. Высокие магнитные свойства имеет сталь с крупным зерном, которые располагаются вдоль листа. Для этого выплавляют сталь с содержанием углерода С < 0,05%, прокатывают в горячем состоянии, отжигают при температуре Т= 800-850 0С, прокатывают в холодном состоянии (наклеп) со значительной степенью деформации и отжигают при высокой температуре (1000-1200 0С) для получения крупного зерна. Электротехническую горячекатаную сталь делят на 4 группы:
Слаболегированная (0,8-1,8 %Si) – Э11, Э12, Э13.
Среднелегированная (1,8-2,8 %Si) – Э21, Э22.
Повышеннолегированная (2,8-3,8 %Si) – Э31, Э32.
Высоколегированная (3,8-4,8 %Si) – Э41-Э48.
Буква Э обозначает "электротехническая сталь", а цифра – содержание кремния в %.
Железоникелевые сплавы (пермаллои) содержат 45-80 % Ni. Наиболее высокие магнитные свойства имеет пермаллой 79НМА (79% Ni). После специальной термообработки (высокотемпературный отжиг при температуре Т= 1100-1200 0С в атмосфере водорода с медленным охлаждением в магнитном поле) сплав имеет μ = 50000 гс/э и μmax = 300000 гс/э. Их применяют в телефонах, радио и т.п.
Магнитомягкие стали (электротехническая сталь). (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79НМ, 81НМА) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей и др.
Парамагнитные стали (17Х18Н9, 12Х18Н10Т, 55Г9Н9Х3, 40Г14Н9Ф2, 40Х14Н9Х3ЮФ2 и др.) требуются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Недостаток этих сталей – низкий предел текучести (150-350 Мпа), что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин.
Ферриты — это неметаллические магнитные материалы (твердые растворы), изготовленные из смеси оксидов железа с оксидами магния, меди, марганца, никеля и других металлов. Общая формула ферритов имеет вид МеO × Fе2 Оз, где Me — любой металл.
Оксиды измельчают на маленькие куски и смешивают в определенной пропорции. Магнитопроводы необходимых размеров и конфигураций прессуют из полученной смеси при давлении 10-30 кН / см 2 (1-3 т / см 2) и выжигают при температуре 1200-1400 ° С. Готовые магнитопроводы серо-черного цвета имеют высокую твердость, но довольно хрупкие. Обмотки обычно наматывают без непосредственно на ферритовые магнитопроводы без дополнительной изоляции последних. Удельныйэлектрическое сопротивление ферритов в миллионы раз больше чем у металлических ферромагнетиков, что практически устраняет вихревые токи. Это позволяет перемагничиные ферриты с частотой в сотни килогерц и обеспечивать высокую скорость выполнения операций современных управляющих и вычислительных машин. Наиболее распространенные магниево-марганцевые ферриты марок ВТ (1.3ВТ, 0,16 ВТ и др.).. Они имеют относительно низкую точку Кюри (140 — 300 ° С), что обусловливает значительную изменение их магнитных параметров при нагревании. Ферриты на базе лития, с точкой Кюри 630 °С, имеют значительно лучшие температурные характеристики. Для магнитопроводов цифровых устройств широко применяют бифериты, есть ферриты с двумя металлами, например магниево-марганцевые или литий-натриевые ферриты, а также полифериты, которые являются твердыми растворами трех и более ферритов.


Магнитотвердые стали и сплавы

Магнитотвердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов.
Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с 1% C, легированные хромом (3%) EX3, а также одновременно хромом и кобальтом, EX5K5, EX9K15M2. Легирующие элементы повышают коэрцитивную и магнитную энергию. В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алнико. Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготавливают литьем, затем проводят шлифование. Сплав ЮНДК15 содержит 18-19% Ni, 8.5-9.5% Al, 14-15% Co, 3-4% Cu. Термообработка магнитотвердых сталей и сплавов заключается в нормализации от температуры Т = 1050-1200 0С для растворения крупных карбидов, закалке в масле от температуры Т = 850-1050 0С, старению в течение 15-20ч для стабилизации магнитных свойств. Углеродистые стали У10-У12 после закалки на небольшую глубину применяются для изготовления магнитов сечением 4-7 мм. Хромистые стали прокаливают значительно больше и из них изготавливают более крупные магниты, которые маркируются ЕХ, ЕХ3, Е7В6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М и т.д.). Хромокобальтовые стали имеют более высокие магнитные свойства.
Магнитно-твердые материалы. Магнитно-твердые материалы, как уже отмечалось, применяют:
— для изготовления постоянных магнитов;
— для записи информации (например, для звукозаписи).
При оценке свойств магнитно-твердых материалов могут оказаться существенными механические свойства (прочность), обрабатываемость материала в процессе производства, а также плотность, удельное электрическое сопротивление, стоимость и др.. Особенно важно в некоторых случаях вопрос стабильности магнитных свойств.
Важнейшими материалами для постоянных магнитов являются сплавы Fe-Ni-Al. Большую роль в образовании высококоэрцитивной состояния этих сплавов играет механизм дисперсионного твердения.
Такие материалы имеют большое значение коэрцитивной силы, потому что их намагничивания происходит в основном за счет процессов вращения.
Сплавы Fe-Ni-Al без легирующих элементов не применяют из-за их сравнительно низкие магнитные свойства. Наиболее распространенными являются сплавы, легированные медью и кобальтом. Висококобальтови сплавы, содержащие более 15% Co, как правило, используют с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой.
Магнитная текстура является результатом термомагнитного обработки, которая заключается в охлаждении в магнитном поле напряженностью 160-280 кА / м сплава от высоких температур (1250-1300 0 С) до примерно 500 0 С. При этом рост магнитных характеристик происходит только в направлении действия поля, т.е