Магнитомягкий материал

Магнитомягкий материал — это вещество, обладающее высокой магнитной проницаемостью и способное намагничиваться и размагничиваться в слабых магнитных полях с малыми потерями энергии. В отличие от магнитотвёрдых материалов, магнитомягкие материалы не сохраняют остаточную намагниченность после снятия внешнего поля. Основными характеристиками являются высокая начальная и максимальная магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила (обычно менее 1000 А/м), малое значение гистерезисных потерь и высокое электрическое сопротивление для снижения вихревых токов. Магнитомягкие материалы широко применяются в электротехнике, электронике и приборостроении для изготовления сердечников трансформаторов, дросселей, электромагнитов, магнитных головок и экранов.

История

Первые магнитомягкие материалы были созданы в конце XIX века с развитием электротехники. В 1880-х годах для сердечников трансформаторов начали использовать низкоуглеродистую сталь, однако она обладала значительными потерями на гистерезис. В 1900 году английский инженер Роберт Хэдфилд разработал кремнистую сталь (сплав железа с 2–4 % кремния), которая благодаря повышенному удельному электрическому сопротивлению резко снизила потери на вихревые токи. В 1930-х годах были созданы пермаллои — сплавы железа с никелем (около 50–80 % Ni), обладающие рекордно высокой магнитной проницаемостью. В 1940-х годах появились ферриты — керамические магнитомягкие материалы на основе оксида железа с добавками марганца, цинка, никеля, которые обеспечили работу на высоких частотах. В 1970-х годах были разработаны аморфные и нанокристаллические сплавы, получаемые сверхбыстрой закалкой расплава, с ещё более низкими потерями.

Классификация

Магнитомягкие материалы классифицируют по химическому составу, структуре и области применения.

По составу

• Электротехнические стали — сплавы железа с кремнием (0,5–6,5 % Si). Делятся на горячекатаные (устаревшие) и холоднокатаные текстурованные (с ориентированной зеренной структурой), обеспечивающие наименьшие потери вдоль направления прокатки. Применяются в силовых трансформаторах и крупных электрических машинах.
• Пермаллои — железоникелевые сплавы (45–80 % Ni) с добавками молибдена, меди, хрома. Отличаются очень высокой начальной проницаемостью (до 100 000 и более). Используются в слаботочных трансформаторах, магнитных усилителях, измерительных приборах.
• Ферриты — керамические материалы с формулой MFe₂O₄ (M = Mn, Zn, Ni, Co). Обладают высоким удельным сопротивлением (10²–10⁶ Ом·м), что позволяет работать на частотах до сотен мегагерц. Делятся на марганцево-цинковые (низкочастотные) и никель-цинковые (высокочастотные). Применяются в импульсных блоках питания, фильтрах, антеннах.
• Аморфные и нанокристаллические сплавы — сплавы на основе Fe, Co, Ni с добавками B, Si, P, полученные в виде лент толщиной 20–30 мкм. Аморфные сплавы (металлические стёкла) имеют неупорядоченную структуру, нанокристаллические — структуру с зёрнами 10–20 нм. Отличаются сверхнизкими потерями и высокой проницаемостью. Используются в высокочастотных трансформаторах, дросселях, магнитных экранах.
• Карбонильное железо — порошок чистого железа (99,5–99,9 %), получаемый разложением пентакарбонила железа. Применяется для изготовления прессованных сердечников (магнитодиэлектриков) и в высокочастотной технике.

По структуре

• Кристаллические — имеют упорядоченную кристаллическую решётку (электротехнические стали, пермаллои, ферриты).
• Аморфные — не имеют дальнего порядка в расположении атомов.
• Нанокристаллические — состоят из кристаллитов нанометрового размера, разделённых аморфной прослойкой.

Основные характеристики

Магнитомягкие материалы оцениваются по нескольким ключевым параметрам:

• Коэрцитивная сила (Hc) — напряжённость магнитного поля, необходимая для полного размагничивания образца. Для магнитомягких материалов Hc обычно составляет от 0,1 до 1000 А/м. Чем ниже Hc, тем легче материал перемагничивается.
• Магнитная проницаемость (μ) — способность материала усиливать магнитное поле. Различают начальную проницаемость (μн) при слабых полях и максимальную (μmax). Для пермаллоев μн достигает 100 000, для электротехнической стали — 1000–10 000.
• Потери на перемагничивание — энергия, рассеиваемая в виде тепла за цикл. Складываются из гистерезисных потерь (пропорциональны площади петли гистерезиса) и потерь на вихревые токи (зависят от частоты, толщины листа и удельного сопротивления).
• Индукция насыщения (Bs) — максимальная магнитная индукция, достигаемая в материале. Для железа Bs ≈ 2,15 Тл, для пермаллоев — 0,6–1,5 Тл, для ферритов — 0,3–0,5 Тл.
• Удельное электрическое сопротивление (ρ) — определяет величину вихревых токов. Чем выше ρ, тем меньше потери на высоких частотах. У ферритов ρ на 6–10 порядков выше, чем у металлических сплавов.

Применение

Магнитомягкие материалы являются основой для работы большинства электромагнитных устройств.

Силовая электротехника

• Сердечники силовых трансформаторов — изготавливаются из холоднокатаной текстурованной кремнистой стали (толщина листов 0,23–0,5 мм). Обеспечивают передачу энергии с КПД до 99 %.
• Сердечники электрических машин — статоры и роторы генераторов и двигателей набираются из листов электротехнической стали для снижения вихревых токов.
• Дроссели и реакторы — для фильтрации гармоник и ограничения токов короткого замыкания.

Высокочастотная и импульсная техника

• Импульсные трансформаторы — в блоках питания компьютеров, зарядных устройствах, инверторах. Часто используют ферриты или аморфные сплавы.
• Магнитные усилители — для регулирования тока в цепях управления.
• Фильтры электромагнитных помех — ферритовые кольца и стержни подавляют высокочастотные помехи в кабелях.

Измерительная техника и приборостроение

• Магнитные головки — для записи и считывания информации в магнитофонах, винчестерах (пермаллои, аморфные сплавы).
• Магнитные экраны — для защиты чувствительных приборов (электронно-лучевых трубок, датчиков) от внешних полей. Изготавливаются из пермаллоя или аморфной ленты.
• Трансформаторы тока и напряжения — для измерений в энергосистемах.

Специальные области

• Магнитодиэлектрики — прессованные сердечники из порошка карбонильного железа или пермаллоя, скреплённые изолятором. Используются в радиочастотных катушках индуктивности.
• Магнитные датчики — на основе аморфных сплавов (магнитоимпедансные датчики) для измерения слабых полей.

Технология производства

Методы получения магнитомягких материалов зависят от их типа.

• Электротехнические стали — выплавляются в дуговых или индукционных печах, затем подвергаются горячей и холодной прокатке. Для получения текстуры (ориентации зёрен) проводят рекристаллизационный отжиг в водороде.
• Пермаллои — плавятся в вакууме или инертной атмосфере для предотвращения окисления. После прокатки проводят отжиг в водороде при 1000–1200 °C для снятия напряжений и роста зёрен.
• Ферриты — изготавливаются по керамической технологии: смешивание оксидов, обжиг (предварительное спекание), размол, прессование и окончательное спекание при 1200–1400 °C.
• Аморфные сплавы — получают методом спиннингования расплава: струю расплава выливают на быстро вращающийся медный барабан, что обеспечивает скорость охлаждения 10⁶ К/с и формирование аморфной ленты.
• Нанокристаллические сплавы — сначала получают аморфную ленту, затем проводят контролируемый отжиг для частичной кристаллизации.

Интересные факты

• Первый промышленный магнитомягкий материал — кремнистая сталь — был запатентован в 1903 году. Её внедрение позволило снизить потери в трансформаторах в 2–3 раза по сравнению с чистым железом.
• Пермаллой с содержанием 78,5 % никеля и 21,5 % железа (пермаллой 78) обладает начальной магнитной проницаемостью до 100 000, что в 1000 раз выше, чем у обычной стали.
• Аморфные сплавы на основе кобальта (например, CoFeSiB) имеют практически нулевую магнитострикцию, что делает их идеальными для прецизионных магнитных головок.
• Ферриты были впервые синтезированы в 1945 году японским учёным Ёсио Като. Они произвели революцию в радиоэлектронике, позволив создавать компактные высокочастотные компоненты.
• Нанокристаллический сплав FINEMET (FeCuNbSiB), разработанный в 1988 году в Японии, сочетает высокую проницаемость (до 100 000) с индукцией насыщения 1,2 Тл и потерями в 3–5 раз ниже, чем у ферритов.

Источники

• Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы. — М.: Высшая школа, 1986.
• Мишин Д. Д. Магнитные материалы. — М.: Высшая школа, 1991.
• Гольдман А. С. Магнитомягкие материалы. Свойства и применение. — М.: Металлургия, 1982.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1988.
• Каталоги и технические описания производителей (НПО «Магнетон», «Ашинский металлургический завод», Ferroxcube, Vacuumschmelze).