Основные сведения о магнитных материалах

Магнитным материалом называют материал с высокой магнитной проницаемостью. Общепринято выделение двух основных групп магнитных материалов: магнитомягких и магнитотвёрдых. Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения в слабых полях и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы имеют высокую остаточную индукцию и большую коэрцитивную силу .

Магнитные материалы принято классифицировать по их основному химическому составу, который в значительной степени определяет технологию производства, электрические, магнитные, механические свойства и область применения материала.

Одним из наиболее широко применяющихся магнитомягких материалов является электротехническая сталь, представляющая собой сплав железа с кремнием (от 0,5% до 5% кремния). Кремний при соединении с железом образует твердый раствор, который способствует увеличению удельного сопротивления сплава. При введении в железо кремния его электрическое сопротивление увеличивается, что способствует уменьшению вихревых токов в магнитопроводе и, следовательно, снижению потерь в трансформаторе с этим магнитопроводом. Магнитные свойства технически чистого железа при легировании его кремнием также улучшаются (возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшается коэрцитивная сила, существенно улучшается его временная стабильность свойств). Положительное действие кремния на магнитные свойства технически чистого железа объясняется рядом причин. Кремний переводит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Действуя как раскислитель, он связывает часть растворенных в металле газов, способствует росту зерен и уменьшению констант магнитной анизотропии и магнитострикции. Наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости наблюдается при содержании от 6,5% до 6,8% кремния, чему соответствует близкая к нулю магнитострикция. Однако, в технике применяют сплавы с содержанием кремния не выше 5%. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства сплава, повышая его твердость и хрупкость.

Влияние углерода, серы, кислорода, марганца, фосфора на магнитные свойства электротехнической стали отрицательно. Для улучшения магнитных свойств стали необходимо тщательно очищать ее от примесей и подвергать особой термообработке.

Для получения свойств, характеризующих магнитотвердые материалы, применяют высокоуглеродистые стали, а также стали, легированные хромом, кобальтом, молибденом, которые способствуют образованию высокодисперсионных карбидов. Однако магнитные свойства материалов в значительной степени определяются видом и качеством термообработки.

Термическая обработка — это специальная тепловая операция, которая заключается в нагреве материала до определённой температуры, выдержки при ней и быстром или медленном охлаждении.

В зависимости от температуры нагрева материала и скорости его охлаждения различают четыре основных вида термической обработки: закалку; отпуск; нормализацию и отжиг [4].

Закалка применяется для получения магнитотвердых материалов. Она состоит из следующих технологических операций: нагрева стали до определенной температуры (для стали «У9», например, температура закалки равна 723 °С); выдержке при этой температуре; охлаждении в воде (масле, эмульсиях, расплавах солей и других охладителях). В результате закалки получается неравновесная мартенситная структура, отличающаяся высокой твердостью.

Вследствие мелкодисперсной структуры суммарная удельная поверхность зерен больше. В местах соприкосновения зерен кристаллическая решетка искажается. Внутренние напряжения при намагничивании препятствуют росту доменов и ориентации магнитных моментов в направлении поля. Искажение кристаллической решетки и создание внутренних напряжений приводят к повышению коэрцитивной силы, т.е. сталь становится магнитотвёрдой.

Исследования показали, что оптимальные магнитные свойства магнитотвёрдого материала можно получить в том случае, если в структуру, кроме мартенсита, ввести, высокодисперсные карбиды. Такое состояние, условно названное «дисперсионным твердением», обеспечивается специальной термообработкой, при которой не все карбиды переходят в твердый раствор и часть выделяется в высокодисперсном виде. Это способствует не только увеличению коэрцитивной силы, но и увеличению остаточной индукции, так как при меньшем растворении карбидов мартенсит содержит меньше углерода и, следовательно, имеет более высокое магнитное насыщение.

Отпуск применяется для снятия внутренних напряжений. Он приводит к улучшению магнитных свойств; понижению коэрцитивной силы и увеличению магнитной проницаемости.

Отжиг и нормализация используются для получения магнитомягких материалов. Температура нагрева при отпуске сталей всегда ниже критической точки А_or = 723 °С, при отжиге и нормализации значительно выше точки А_or . При отжиге сталь охлаждается вместе с печью. При нормализации и отпуске сталь охлаждается на воздухе. Наиболее полное снятие внутренних напряжений кристаллической решетки осуществляется при отжиге, а, следовательно, материал при этом обладает более высокой магнитной проницаемостью.

Элементарная ячейка железокремнистого сплава представляет собой объемноцентрированый куб, для которого направлениями «легкого» намагничивания являются его ребра, а направлению самого «трудного» намагничивания соответствуют пространственные диагонали. Поэтому свойства электротехнической стали значительно улучшаются в результате образования текстуры при её холодной прокатке (структуры материала, характеризующейся ориентацией ребер объемноцентрированного куба вдоль направления холодной прокатки). Таким образом, при холодной прокатке получают преимущественную ориентацию кристаллов, которую называют текстурой прокатки. При отсутствии текстуры имеет место хаотическое расположение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства.

Однако деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений и, следовательно, к росту H_С. Поэтому эти напряжения обычно снимают отжигом.

При нагреве холоднокатаной стали до температуры выше 800 °С наблюдается рекристаллизация, сопровождающаяся бурным ростом кристаллов и одновременной ориентацией их вдоль направления легкого намагничивания. В результате ребра кубов оказываются расположенным параллельно к направлению прокатки. Такую текстуру называют ребровой текстурой рекристаллизации [1].

Технологический процесс производства стали с ребровой текстурой весьма сложен и включает: горячую и холодную прокатки; промежуточный отжиг; холодную прокатку и окончательный отжиг при высокой температуре (1100…1500) °С.

В этой работе изучаются материалы:

а) электротехническая сталь (ГОСТ 21427-78) марки 1512 (горячекатаная, изотропная, с содержанием кремния до 4,8%, нормированная по удельным потерям, определенным при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц);

б) марки 3-111 (холоднокатаная: анизотропная, с ребровой текстурой, с содержанием кремния до 3,8%, нормированная по удельным потерям, определяемым при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц);

в) углеродистая сталь У9 (с содержанием углерода 0,9 % после закалки, отпуска, отжига);

г) специальные мартенситные стали ЕХ, ЕХЗ, Е7В6 и др.

При приемо-сдаточных испытаниях магнитные характеристики материалов определяют обычно в постоянных магнитных полях. Но так как эксплуатация материалов производится в переменных полях, то необходимо умение определять и знать магнитные свойства сталей в динамических условиях, в частности, в магнитном поле промышленной частоты 50 Гц [2].

В отличие от статических магнитных характеристик, определенных в постоянных магнитных полях, которые можно считать характеристиками материала, магнитные характеристики в переменных магнитных полях зависят от многих факторов и лишь условно могут быть названы характеристиками материала.

При помещении образца из ферромагнитного материала в переменное поле, в нем возникают вихревые токи, создающие свой магнитный поток, направленный в данный момент времени противоположно магнитному потоку от внешнего магнитного поля. Это приводит к неравномерности индукции и напряженности поля по сечению образца. И индукция, и напряженность поля внутри образца убывают с удалением от поверхности. При определении характеристик в переменных магнитных полях мы можем определить напряженность поля только на поверхности образца, а индукцию только среднюю по сечению образца (независимо от метода испытания). Вследствие этого при той же максимальной напряженности поля на поверхности образца, что и при испытании

в постоянном магнитном поле, измеряется меньшая по величине индукция, причем получаемые значения В и Н не соответствуют истинным их значениям, меняющимся от точки к точке в сечении образца.

Распределение В и Н зависит также от статических магнитных свойств испытуемого материала, так как, чем выше его магнитная проницаемость, тем больше выражен поверхностный эффект, т.е. тем сильнее уменьшается напряженность поля и индукция, с увеличением глубины проникновения в образец [3].

Обычно при работе в переменных магнитных полях используются листовые материалы. Чем тоньше листы, из которых изготовлен образец, тем ближе (при прочих равных условиях) получаемые характеристики к аналогичным характеристикам в постоянных магнитных полях. Влияние поверхностного эффекта тем сильнее, чем выше частота переменного магнитного поля, следовательно, магнитные характеристики зависят и от частоты. Наконец, магнитные характеристики в переменных магнитных полях зависят от формы кривой индукции и напряженности поля, т.е. от наличия и величины высших гармоник и кривых индукции и напряженности магнитного поля. Из сказанного выше ясна условность магнитных характеристик, определяемых в переменных магнитных полях.

Чтобы использовать магнитные характеристики в переменных магнитных полях, необходимо знать условия, в которых они определены, а именно:

— материал образца (марку);

— толщину (в некоторых случаях форму образца);

— частоту переменного магнитного поля;

— форму кривой индукции или напряженности поля;

— метод определения характеристик.

Ферромагнитное вещество, находящееся в периодически изменяющемся магнитном поле, меняет свое магнитное состояние за период по динамической петле гистерезиса. Геометрическое место вершин этих петель даст динамическую кривую намагничивания, т.е.

,

где — максимальное значение индукции за период, в течение которого напряженность магнитного поля достигла максимального значения .

Амплитудная магнитная проницаемость ферромагнетика в переменном магнитном поле выражается формулой [1]

,

где , Гн/м — магнитная постоянная.

Площадь петли гистерезиса определяет потери на перемагничивание и вихревые токи (при переменном поле).

Возможности применения той или иной стали определяются численными значениями всех или части перечисленных параметров или же соотношениями между ними.