Железо — кремний — алюминий

ЛЕКЦИЯ № 10

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Введение

Порошковые магнитные материалы широко применяются в электротехнике, радиоэлектронике, измерительной технике, системах автоматики и телемеха­ники, акустических, магнитострикционных преобразователях и других обла­стях техники. Методами порошковой металлургии получают магнитомягкие и магнитотвердые материалы, ферриты, магнитодиэлектрики, магнитомягкие материалы с повышенным электросопротивлением для цельнопрессованных магнитопроводов и др. При этом резко повышается коэффициент использования материала, а также значительно улучшаются служебные свойства магнитных материалов в результате возможности изготовления изделий строго заданного химического состава, с заданной структурой, изолирующими прослойками с использованием исходных порошков высокой чистоты. Стоимость порошковых магнитных материалов на 30—60 %ниже стоимости деталей, изготовляемых тради­ционными методами.

Магнитомягкие материалы

От магнитомягких материалов требуется максимальная магнитная прони­цаемость, минимальные коэрцитивная сила, потери на гистерезис и на вихре­вые токи. Для получения комплекса таких свойств материал должен иметь гомогенную структуру, минимальный уровень внутренних напряжений, быть в максимальной степени очищенным от примесей внедрения и неметаллических включений. Для улучшения служебных свойств в магнитомягкие материалы на основе железного порошка вводят кремний, фосфор, алюминий и другие элементы.

Кремний повышает удельное электросопротивление, снижает коэрцитивную силу, потери на гистерезис и вихревые токи. Одновременно повы­шенное содержание кремния придает материалу твердость, хрупкость, вслед­ствие чего сплавы, содержащие более 6 % кремния, не находят применения. Магнитные свойства порошковых ферромагнитных материалов зависят от их пористости: при изменении последней от 2 до 30 % максимальная магнит­ная проницаемость сильно снижается, коэрцитивная сила Н возрастает.

Спеченное железо

Магнитомягкие спеченные изделия из железных порошков применяются при работе в статических полях в качестве магнитопроводов, статоров, роторов, деталей электроизмерительных приборов. Удельные потери спеченных мате­риалов из железных порошков зависят от пористости, их магнитные свойства Для работы в переменных нолях перспективны чешуйчатые порошки железа и его сплавов. Магнитные свойства образцов из разных железных порошков, полученных двойным прессованием и отжигом в водороде при 1300 °С в течение 20 ч таковы:В Тл 1,3-1,5. Удельные потери на частоте 50 Гц материала на основе чешуйчатых желез­ных порошков (толщина чешуек 5 мкм) и 0,5—0,6 % связующего лишь немного выше, чем у шихтованных сердечников из железокремнистой стали при сохра­нении достаточно высоких значений магнитной проницаемости.

Железо — кремний — алюминий

Железокремнистые спеченные изделия получают [420] из шихты, в которую кремний вводят в виде железокремнистой лигатуры или химико-термическим насыщением порошка железа кремнием. Для получения гомогенных твердых растворов кремния в железе требуются длительные отжиги при 1250— 1300 °С.

Процесс гомогенизации активируется при наличии жидкой фазы в коли­честве свыше 15 %.

Магнитомягкие спеченные изделия с большой магнитной проницаемостью и малыми потерями на вихревые токи получают из предварительно окислен­ного при 700—950 °С железокремнистого порошка с примесью 0,5—10 % оксида магния. Шихту прессуют при давлении 600—800 МПа с пластификатором, изде­лия спекают в водороде или вакууме при 1050 —1250 °С. При спекании обра­зуется стекловидная магнийсиликатная пленка, повышающая удельное элект­росопротивление материала. Так, материал, содержащий 4 % кремния и 3 % оксида магния, характеризуется потерями на вихревые токи 10 Вт/кг при ин­дукции 1 Тл.

Гомогенные порошки системы железо — кремний получают диффузионным насыщением из точечных источников.

Железо — фосфор

На магнитные свойства спеченных изделий влияет способ легирования фосфором и равномерность его распределения. Для получения железного по­рошка с равномерно распределенным в нем фосфором используют водный раствор диаммонийфосфата (NH₄)₂HPO₄, при разложении которого при 800 С образуется фосфор за счет восстановления водородом.

Получение изделий из легированного порошка включает холодное прессование при 800 МПа, предварительное спекание при 800 °С в течение 2 ч и высокотемпературное спекание при 1250 °С в течение 4 ч. Оптимальное со­держание фосфора 1,5 мас. %. Возможно также легирование порошкового железза порошком феррофосфора.

Пермаллои

Начальная и максимальная магнитная проницаемость пермаллоев (спла­вов железа и никеля) в 10—15 раз превышают эти значения для технически чистого железа, потери на гистерезис примерно во столько же раз меньше.

Методы порошковой металлургии позволяют получать материалы задан­ного состава, обеспечивая высокие значения магнитной проницаемости. В этом случае в противоположность литому или катаному пермаллою начальная магнитная проницаемость не зависит от толщины ленты.

Порошковый пермаллой марки 50Н, полученный совместным восстанов­лением смеси хлоридов железа и никеля, содержит 51,0 % Ni, 0,0010 % С, 0,002 % S (Fe — остальное). Магнитные характеристики сплава: коэрцитивная сила Н_с — 7,95—3,98 А/м, индукция — 1,5 Тл.

Магнитные характеристики порошкового пермаллоя марки 79Н, получен­ного смешиванием исходных компонентов, двойным прессованием и спеканием, приведены в табл. 10.7. Введение легирующих элементов повышает величину р от 2 до 0,55—0,60 мкОм • м.

Порошковые пермаллои рекомендуются для изготовления магнитопроводов измерительных трансформаторов и быстродействующих реле, материал которых работает в слабых магнитных полях.

Магнитотвердые материалы

Альнико

Магнитотвердые материалы должны иметь максимальную остаточную ин­дукцию В_г, коэрцитивную силу Н_с и максимальную магнитную энергию W_макс. Эти величины определяются микро- и макроскопическими свойствами ферромаг­нетика, а также его пористостью.

Технология получения порошковых магнитов включает операции при­готовления шихты, добавления в нее пластификатора (стеарат цинка или ли­тия), смешивания компонентов. Холодное двухстороннее прессование произво­дят при давлении 600 — 1000 МПа. При двойном уплотнении и спекании первое прессование производят при 400—600 МПа, повторное — при 1000 МПа. Спе­кание производят в остроосушенном водороде или в вакууме при 1200—1300 ^oС в течение 1—5 ч.

Магниты, содержащие более 15 % кобальта, подвергают термообработке: подогрев до 800 °С в течение 4—8 ч, нагрев до 1200—1280 °С с выдержкой 16— 45 мин и охлаждение на воздухе до комнатной температуры. Закаленные детали подвергают отпуску: нагреву до 580 °С, после выдержки 4—6 ч — охлаждение на воздухе.

Магниты, содержащие более 24 % кобальта, подвергают термообработке: подогрев до 800 °С в течение 6—8 ч, нагрев до 1280 °С с выдержкой при этой температуре 15—45 мин, охлаждение в магнитном поле 15—20 мин, отпуск с 630 °С после выдержки 2 ч или отпуска с 580 °С после выдержки 8 ч, охлаж­дение с печью до 100 °С в течение 10 ч.

Охлаждение от максимальной температуры до 900 °С на воздухе со скоро­стью 150—200 К/мин, от 900 до 650 °С со скоростью 15—25 К/мин в магнитном поле напряженностью до 350 кА/м.

Сплавы, содержащие не менее 5 % титана, подвергают изотермической магнитной обработке по режиму: подогрев до 800 ^СС в течение 6—8 ч, нагрев до 1250—1260 °С с выдержкой 30—40 мин, охлаждение на воздухе до 900 °С со скоростью 200 К/мин, изотермическая выдержка в металлическом или соля­ном расплаве при 800 °С в течение 10 мин в магнитном поле напряженностью 160 кА/м, отпуск 640 °С после выдержки 2 ч, от 560 °С после выдержки в тече­ние 8 ч, охлаждение с печью до 100 °С в течение 10 ч.

Горячее прессование позволяет получать беспористые материалы с повы­шенными магнитными свойствами.

Сплавы марганец-алюминий

Эти сплавы отличаются невысокой стоимостью, коррозионной стойкостью, не содержат дефицитных компонентов. Сплав 71,4 % марганца и 28,6 % алю­миния гомогенизируют при 1100 °С в течение 2—3 ч, закаливают в масло, от­пускают при 500 °С, дробят до кусков 2—3 мм, размалывают в порошок дисперс­ностью 5—10 мкм. Изделия прессуют при 500 °С с выдержкой под давлением 15 мин.

Свойства магнитов: В_г = 0,27 Тл; Н_с = 104 кА/м; у = 5,1 г/см³.