«Магнитно-мягкие материалы»

Магнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряжённостью Н Магнитно-мягкие материалы 8—800 а/м(0,1—10 э). При температурах ниже Кюри точки (См. Кюри точка) (у армко-железа (См. АРМКО-железо), например, до 768 °С) М.-м. м. спонтанно намагничены, но внешне не проявляют магнитных свойств, так как состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения областей (доменов (См. Домены)).М.-м. м. характеризуются высокими значениями магнитной проницаемости — начальной μ_a Магнитно-мягкие материалы 10²—10⁵ и максимальной μ_max Магнитно-мягкие материалы 10³—10⁶. Коэрцитивная силаH_c М.-м. м. колеблется от 0,8 до 8 а/м(от 0,01 до 0,1 э), а потери на магнитный гистерезис очень малы Магнитно-мягкие материалы 1—10³ дж/м²(10—10⁴эрг/см²) на один цикл перемагничивания. Способность М.-м. м. намагничиваться в слабых магнитных полях обусловлена низкими значениями энергии магнитной кристаллической анизотропии, а у некоторых из них (например, у М.-м. м. на основе Fe — Ni, у некоторых ферритов (См. Ферриты)) также низкими значениями магнитострикции (См. Магнитострикция). Это связано с тем, что Намагничивание происходит в результате смещения границ между доменами, а также вращения вектора намагниченности доменов. Подвижность границ, способствующая намагничиванию, снижается в случае присутствия в материале различных неоднородностей и напряжений, изменяющих энергию границ при их смещении. Поэтому свойствами М.-м. м. обладают также магнитные материалы, имеющие значительную энергию магнитной кристаллической анизотропии, но в которых отсутствуют (вернее, присутствуют в малых количествах) вредные примеси внедрения (углерод, азот, кислород и другие), Дислокации и другие дефекты, искажающие кристаллическую решётку, а также включения в виде других фаз или пустот размером существенно больше параметров решётки. Однако процесс вращения вектора намагниченности в таких материалах требует приложения более сильных полей. Получение таких малодефектных материалов связано с большими технологическими трудностями. К М.-м. м. принадлежат ряд сплавов (например, перминвары) и некоторые ферриты с малой энергией магнитной кристаллической анизотропии, но с хорошо выраженной одноосной анизотропией, которая формируется при отжиге материала в магнитном поле. Некоторые М.-м. м. (например, Пермендюр) имеют слабую анизотропию, но большие значения магнитострикции.

По назначению М.-м. м. подразделяют на 2 группы: материалы для техники слабых токов и электротехнической стали. Важнейшими представителями М.-м. м., применяемых в технике слабых токов, являются бинарные и легированные сплавы на основе Fe — Ni (пермаллои (См. Пермаллой)), имеющие низкую H_c» 0,01 э и очень высокие µ_a (до 10⁵) и µ_max (до 10⁶). К этой же группе относятся сплавы на основе Fe — Со (например, пермендюр), которые среди М.-м. м. обладают наивысшими точкой Кюри (950—980 °С) и значением магнитной индукции насыщения B_s, достигающей 2,4· 10⁴ гс (2,4 тл), а также сплавы Fe — Al и Fe — Si — Al. Для работы при частотах до 10⁵ гц используются сплавы на Fe — Со — Ni основе с постоянной магнитной проницаемостью, достигаемой термической обработкой образцов в поперечном магнитном поле, которое формирует индуцированную одноосевую анизотропию (кристаллическая магнитная анизотропия при этом должна быть как можно меньше). Постоянство магнитной проницаемости (в пределах 15%) сохраняется при индукциях до 8000 гс и обеспечивается тем, что при намагничивании таких М.-м. м. процесс вращения является доминирующим. В области частот 10⁴—10⁸ гц нашли применение Магнитодиэлектрики, представляющие собой тонкие порошки карбонильного железа, пермаллоя или альсифера, смешанные с кем-либо диэлектрической связкой.

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также ферриты-гранаты, кристаллическая структура которых одинакова с природными гранатами (См. Гранаты). Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие Скин-эффекта. Ферриты-гранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).

Магнитно-мягкие сплавы выплавляют в металлургических печах, для придания необходимой формы слитки подвергают ковке или прокатке. Ферриты получают спеканием окислов металлов при высоких температурах, изделия прессуют из порошка (для чего феррит размалывают) и обжигают. Из магнитно-мягких сплавов изготавливают сердечники трансформаторов (микрофонных, выходных, переходных, импульсных и других), магнитные экраны, элементы памяти ЭВМ, сердечники головок магнитной записи; из ферритов, кроме того, — магнитные антенны, волноводы и др.

К электротехническим сталям относятся сплавы на основе железа, легированные Si (0,3—6% по массе); сплавы содержат также 0,1—0,3% Mn. Стали вырабатываются горячекатаные — изотропные, и холоднокатаные — текстурованные. Потери энергии при перемагничивании текстурованной стали ниже, а магнитная индукция выше, чем горячекатаной. Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.

Для улучшения магнитных свойств все холоднокатаные магнитно-мягкие сплавы и стали подвергают термической обработке (при 1100—1200 °С) в вакууме или в среде водорода. Сплавы Fe — Со, Fe — Ni и Fe — Al склонны упорядочивать структуру при температурах 400—700 °С, поэтому в этой области температур для каждого сплава должна быть своя скорость охлаждения, при которой создаётся нужная структура твёрдого раствора.

К М.-м. м. специального назначения относятся Термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов, а также Магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию.

В таблице приведены характеристики наиболее распространённых М.-м. м.

Основные характеристики важнейших магнито-мягких материалов

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Марка материала    | Основной состав, % (по массе)      | B_s·10^–3, гс     | T_k, °C     | ρ·10⁶, ом·см       | µ_a·10^–3, гс/э    | µ_max·10^–3, гс/э        | H_c, э      | Потери на гистерезис при        |

|       |       |      |      |          |      |     |      | B = 5000 гс, эрг/см³        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 80 НМ (суперпермаллой) | 80Ni, 5Mo, ост. Fe          | 8   | 400        | 55      | 100        | 1000     | 0,005     | 10   |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 79 НМ (молибденовый пермаллой)          | 79Ni, 4Mo, ост. Fe          | 8   | 450        | 50      | 40  | 200      | 0,02       | 70   |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 50 Н       | 50Ni, ост. Fe          | 15         | 500        | 45      | 5           | 40        | 0,1         | 150         |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 50 НП¹    | 50Ni, ост. Fe          | 15         | 500        | 45      |   | 100      | 0,1         | 600 (при          |

|       |       |      |      |          |      |     |      | B = 15000 гс)   |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 40 НКМП (перминвар прямоугольный)²    | 40Ni, 25Co, 4Mo,    | 14         | 600        | 63      |   | 600      | 0,02       | 200 (при          |

|       | ост. Fe   |      |      |          |      |     |      | B = 14000 гс)   |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 40 НКМЛ        | 40Ni, 25Co, 4Mo,    | 14         | 600        | 63      | 2           | 2,0+     | –    | –     |

| (перминвар линейный)³   | ост. Fe   |      |      |          |      | (<>  |      |        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 47 НК     | 47Ni, 23Co, ост. Fe         | 16         | 650        | 20      | 0,9 | 0,90+           | –    | –     |

| (перминвар линейный)³   |       |      |      |          |      | (<>  |      |        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 49 КФ–ВИ (пермендюр)   | 49Co, 2V, ост. Fe           | 23,5      | 980        | 40      | 1           | 50        | 0,5         | 5000        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 16 ЮХ    | 16Al, 2Cr, ост. Fe           | 7   | 340        | 160    | 10  | 80        | 0,03       | 100         |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 10 СЮ    | 9,5Si, 5,5Al, ост. Fe        | 10         | 550        | 80      | 35  | 100      | 0,02       | 30   |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Армко-железо         | 100Fe     | 21,5      | 768        | 12      | 0,5 | 10        | 0,8         | 5000        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Э 44       | 4Si, ост. Fe    | 19,8      | 680        | 57      | 0,4 | 10        | 0,5         | 1200        |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Э 330      | 3,5Si, ост. Fe         | 20         | 690        | 50      | 1,5 | 30        | 0,2         | 350         |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ni–Zn феррит         | (Ni, Zn) O·Fe₂O₃      | 2–3       | 500–150         | 10¹¹           | 0,05–0,5 | –  | 1,5–0,5   | –     |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Mn–Zn феррит        | (Mn, Zn) O·Fe₂O₃    | 3,5–4     | 170        | 10⁷    | 1           | 2,5       | 0,6         | –     |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Примечание: µ_a и µ_max – начальная и максимальная магнитные проницаемости магнито-мягких материалов; Tk – температура Кюри; ρ – электрическое сопротивление; H_c – коэрцитивная сила; B_s, B_r, B_m – индукция насыщения, остаточная и максимальная в поле 8–10 э.

¹Кристаллически текстурирован. ²После обработки в продольном магнитном поле. ³После обработки в поперечном магнитном поле. 1 гс = 10^–4 тл; 1 э = 79,6 а/м.

Лит. см. при ст. Магнитные материалы.

И. М. Пузей.

МАГНИТНО-МЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

- магнитные материалы, гл. обр. ферро- и ферримагнетики, обладающие малой коэрцитивной силой (условно ) и рядом др. физ. свойств, определяющих широкое применение этих материалов в технике.

Наряду с коэрцитивной силой мерой магн. мягкости может служить также величина статич. магнитной проницаемости - начальной и максимальной В перем. полях, где б. ч. используются М.-м. м., важными характеристиками их являются: уд. магн. потери - магн. индукция, Тл; f - частота, Гц) и динамич. проницаемость m. С ростом В и f величина Р возрастает, а m снижается тем значительнее, чем ниже уд. электросопротивление М.-м. <м. При частотах Гц в качестве М.-м. м. применяются в основном металлич. сплавы, при более высоких частотах - тонкие магнитные плёнки, магнитные диэлектрики и ферриты.

Металлич. М.-м. м. подразделяются на 3 большие группы: I - железо различной степени чистоты и низкоуглеродистые стали; II - сплавы Fe - (0,05-5)% Si, или электротехнич. стали, и III - прецизионные М.-м. м.

Примечание. Значение s_B -временнбго сопротивления (предела прочности)-приведено в виде дроби, где числитель-значение s_g после механич. обработки (деформации) материала, а знаменатель-после термич. обработки.

Состояние М.-м. м., характеризуемое высокой магн. проницаемостью, достигается снижением энергий магнитокристаллич. и магнитоупругой анизотропии (малые константы кристаллографич. анизотропии K и магнитострикции , малые упругие напряжения) и повышением чистоты и однородности материалов. Этим облегчается перестройка доменной структуры, существующей в М.-м. м. при темп-pax ниже Кюри точки Тс, поскольку уменьшается плотность энергии доменных стенок и кол-во дефектов, препятствующих их смещению и вращению вектора намагниченности. У ряда сплавов (Fe- Ni, Fe-Si, Fe-Si-Al, Fe-Al, Fe-Co и др.) существуют области составов с малыми К и или одним из них. Наиб. известны имеющие высокую магн. проницаемость сплавы Fe-Ni, т. н. пермаллои, преимуществом к-рых является хорошая технологичность, допускающая получение лент толщиной до 0,5 мкм и тем самым возможность расширения частотного диапазона их применения. Разработана также технология закалки из расплава, помогающая решить проблему произ-ва лент и проволок на основе трудно деформируемых сплавов Fe-Si, Fe-Al и др., что существенно повысило число используемых М.-м. м. По этой же технологии осваивается произ-во М.-м. м. с аморфной структурой на основе Fe, Co и Ni, содержащих ок. 20 ат. % элементов из III, IV и V групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева: В, С, Si, Р и др. Благодаря особенностям хим. состава и структуры, аморфные М.-м. м. (см. Аморфные магнетики )обладают в ряде случаев уникальным сочетанием магн., электрич., механич. и др. свойств и значительно расширяют номенклатуру М.-м. м. Промышленное произ-во М.-м. м. составляет миллионы тонн, применяются они в разл. отраслях техники в качестве сердечников и полюсных наконечников магнитов, в силовых трансформаторах и электромашинах, импульсных трансформаторах и модуляторах, датчиках и преобразователях, различного рода устройствах СВЧ и др. Этим объясняется большое число марок М.-м. м., выпускаемых в СССР и за рубежом, примеры к-рых приведены в таблице.

Лит.: Преображенский А. А., Бишард Е. Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986; Прецизионные сплавы. Справочник, под ред. Б. В. Молотилова, 2 изд., М., 1983; Золотухин И. В., Физические свойства аморфных металлических материалов, М., 1986.

А. Ф. Прокошин, В. В. Соснин.