Пермметалл: свойства, получение и применение

Пермметалл — это собирательное название группы сплавов на основе пермаллоя (железо-никелевого сплава), обладающих высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. В отличие от классического пермаллоя, пермметаллы характеризуются более узкой петлёй гистерезиса и повышенной стабильностью магнитных свойств в слабых полях. Термин «пермметалл» (от лат. permeabilis — проницаемый и metallum — металл) был введён в 1930-х годах для обозначения материалов, оптимизированных для работы в магнитных экранах и трансформаторах малой мощности.

История открытия

Первые исследования железо-никелевых сплавов с высокой магнитной проницаемостью начались в конце XIX века. В 1913 году американский физик Густав Эльмен (Gustav Elmen) из компании Bell Telephone Laboratories разработал пермаллой (сплав 78,5 % Ni, 21,5 % Fe), который после термической обработки демонстрировал начальную магнитную проницаемость до 10 000. Однако в 1930-х годах японские и немецкие учёные независимо друг от друга обнаружили, что добавление к сплаву 78,5 % Ni — 21,5 % Fe небольших количеств меди, молибдена или хрома позволяет существенно снизить коэрцитивную силу и повысить магнитную проницаемость в слабых полях. Эти модифицированные сплавы получили название «пермметалл» (в англоязычной литературе — permalloy с добавками, в немецкой — Permetall). В СССР систематические исследования пермметаллов проводились в 1940–1950-х годах под руководством академика А. Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР. К 1950-м годам были разработаны промышленные марки, такие как 79НМ (79 % Ni, 4 % Mo, остальное Fe) и 80НХС (80 % Ni, 5 % Cr, 2 % Si, остальное Fe).

Свойства

Магнитные характеристики

Пермметаллы относятся к классу магнитно-мягких материалов. Их ключевые магнитные параметры:

• Начальная магнитная проницаемость (μ₀) — от 20 000 до 100 000 (в зависимости от состава и термообработки), что в 10–50 раз выше, чем у электротехнической стали.
• Максимальная магнитная проницаемость (μₘₐₓ) — до 200 000–500 000.
• Коэрцитивная сила (Hc) — 0,1–0,5 А/м (для сравнения: у кремнистой стали — 30–50 А/м).
• Индукция насыщения (Bs) — 0,6–0,8 Тл (ниже, чем у железа — 2,2 Тл, но достаточна для слабопольных устройств).

Высокая проницаемость достигается за счёт:

• Оптимального соотношения никеля (78–82 %) и железа (18–22 %), при котором кристаллическая решётка имеет минимальную магнитострикцию.
• Добавок молибдена (2–5 %), меди (2–4 %) или хрома (3–6 %), которые подавляют рост зёрен и снижают внутренние напряжения.
• Специальной термической обработки — отжига в водороде при 1100–1200 °C с последующим медленным охлаждением, что устраняет дефекты кристаллической решётки.

Физико-механические свойства

• Плотность — 8,6–8,8 г/см³.
• Температура Кюри — 400–450 °C (выше которой материал теряет ферромагнитные свойства).
• Удельное электрическое сопротивление — 0,45–0,55 мкОм·м (в 2–3 раза выше, чем у чистого никеля, что снижает потери на вихревые токи).
• Твёрдость по Бринеллю — 120–160 HB.
• Пластичность — материал хорошо поддаётся прокатке в тонкие листы (до 0,05 мм) и штамповке.

Классификация

По составу и области применения пермметаллы делятся на несколько групп:

В международной практике распространены аналоги: Mumetal (Великобритания, 77 % Ni, 5 % Cu, 2 % Cr, остальное Fe), Supermalloy (США, 79 % Ni, 5 % Mo, остальное Fe), HyMu 80 (США, 80 % Ni, 4 % Mo, остальное Fe).

Получение

Выплавка

Пермметаллы выплавляют в вакуумных индукционных печах (вакуум 10⁻³–10⁻⁴ мм рт. ст.) для предотвращения окисления никеля и легирующих элементов. Исходные шихтовые материалы — чистый никель (99,9 %), железо (99,8 %), молибден, медь или хром. После расплавления и гомогенизации (выдержка при 1500–1550 °C в течение 1–2 часов) сплав разливают в изложницы или гранулируют.

Термомеханическая обработка

Слитки подвергают горячей прокатке при 1100–1200 °C до толщины 2–5 мм, затем холодной прокатке до 0,1–0,5 мм с промежуточными отжигами в вакууме или водороде (при 800–900 °C). Ключевой этап — окончательный отжиг в атмосфере водорода (точка росы –40 °C) при 1100–1200 °C в течение 2–6 часов с последующим медленным охлаждением (скорость 50–100 °C/ч). Это обеспечивает рекристаллизацию с образованием крупных зёрен (0,1–1 мм) и удаление углерода, серы и кислорода, которые ухудшают магнитные свойства.

Контроль качества

Магнитные свойства проверяют на образцах в форме колец (тороидов) или полос. Измеряют начальную и максимальную проницаемость, коэрцитивную силу, индукцию насыщения. Для экранов дополнительно тестируют коэффициент экранирования (отношение внешнего поля к полю внутри экрана).

Применение

Магнитное экранирование

Основная область использования пермметаллов — защита чувствительного оборудования от внешних магнитных полей. Благодаря высокой проницаемости, пермметалловые экраны (толщиной 0,5–2 мм) обеспечивают ослабление поля в 100–1000 раз. Применяются в:

• Электронно-лучевых трубках (кинескопах) — для предотвращения искажения луча.
• Магнитно-резонансных томографах (МРТ) — для экранирования градиентных катушек.
• Сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИД) — для снижения уровня шумов.
• Военной и космической технике — для защиты бортовой электроники от магнитных полей двигателей.

Трансформаторы и дроссели

В слаботочных трансформаторах (например, в измерительных приборах, аудиоусилителях, телекоммуникационном оборудовании) сердечники из пермметалла позволяют:

• Уменьшить габариты и массу при заданной индуктивности.
• Снизить потери на гистерезис и вихревые токи.
• Обеспечить линейность преобразования в слабых полях (до 0,1 Тл).

Датчики и преобразователи

Пермметаллы используются в:

• Магниторезистивных датчиках (эффект анизотропного магнитосопротивления).
• Датчиках Холла (как концентраторы магнитного потока).
• Трансформаторах тока (для измерения малых токов — до 1 мА).

Научные исследования

В лабораторной практике пермметалловые экраны применяют для создания зон с пониженным магнитным полем (до 1 нТл), необходимых для экспериментов по квантовой электродинамике, гравитации и нейтринной физике.

Ограничения и недостатки

• Высокая стоимость — из-за содержания никеля (до 80 %) и сложной термообработки. Цена пермметалла в 5–10 раз выше, чем у электротехнической стали.
• Чувствительность к механическим напряжениям — деформации (изгиб, удар) снижают магнитную проницаемость на 20–50 %, требуя повторного отжига.
• Низкая индукция насыщения — ограничивает применение в устройствах с сильными полями (более 1 Тл).
• Коррозионная стойкость — без защитных покрытий (например, никелирования) пермметаллы подвержены коррозии во влажной атмосфере.

Интересные факты

• Пермметалловые экраны используются в Большом адронном коллайдере (ЦЕРН) для защиты детекторов от магнитных полей ускорителя.
• В 1950-х годах в СССР из пермметалла 79НМ изготавливали сердечники для трансформаторов первых советских транзисторных радиоприёмников («Спидола», «ВЭФ»).
• Термин «пермметалл» иногда ошибочно применяют к любым магнитно-мягким сплавам, однако строгое определение относится только к сплавам с никелем более 50 %.

Источники

• Бозорт Р. Ферромагнетизм. — М.: Издательство иностранной литературы, 1956. — 784 с.
• Преображенский А. А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы. — М.: Высшая школа, 1986. — 352 с.
• ГОСТ 10160-75. Сплавы прецизионные магнитно-мягкие. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1975.
• Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные свойства и практические применения. — М.: Мир, 1987. — 420 с.
• Кессельман В. С. Магнитные материалы: справочник. — М.: Металлургия, 1980. — 288 с.