10.4.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

10.4.1. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

На протяжении многих лет для массивных магнитопроводов применялась конструкционная низкоуглеродистая сталь марки Ст10 с содержанием углерода 0,1%. Требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели к разработке технически чистого железа, соответствующего марке «армко» в США, Швеции и других странах [10.28, 10.32].

Промышленные опыты по производству железа «армко» были проведены на заводе им. А.А. Андреева в конце 1932 г. Развитию производства этого железа в значительной степени способствовали исследования, проведенные в 1933 г. на московском заводе «Серп и молот», который с тех пор является основным поставщиком высококачественного технически чистого железа.

Впервые в СССР технология производства специальной низкоуглеродистой стали под маркой ВИТ-железа была разработана в начале 30-х годов. По своему составу ВИТ-железо близко к железу «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Фундаментальные исследования кремнистых сталей связаны с именем английского инженера Р.А. Гадфилда, подробное сообщение об этих работах опубликовано в 1902 г. [10.22]. Оптимальным является легирование железа до 6% Si. Однако присадки кремния снижают магнитную индукцию в средних и сильных магнитных полях и повышают хрупкость железа.

На протяжении десятилетий работы ученых и металлургов были направлены на совершенствование технологии плавки, горячей прокатки и термообработки листовых электротехнических сталей с целью получения сплавов, максимально свободных от вредных примесей, неметаллических включений и обладающих зернами максимального размера. В результате за период с 1931 по 1958 г. удалось почти вдвое снизить гистерезисные потери энергии в горячекатаной трансформаторной стали.

Задача освоения и внедрения в производство трансформаторной стали ставится перед ВИМЗ. Работа ведется под руководством С.С. Штейнберга, и с конца 1928 г. начинается выпуск этой стали. В первые годы сталь имела невысокие магнитные свойства, но в результате совместной работы коллективов ВИМЗ, ВЭИ и Ленинградского института металлов качество стали улучшалось из года в год, ив 1941 г. удается выпустить сталь на уровне зарубежных аналогов.

Во время и после Великой Отечественной войны продолжается разработка и внедрение новых марок электротехнических сталей. Появляются стали с улучшенными свойствами, предназначенные для работы в слабых магнитных полях и на повышенных частотах.

В 1935 г. Н.Р. Госсом (Германия) разработана технология холодной прокатки и термообработки так называемой малотекстурованной динамной стали, позволяющая получить исключительно высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки [10.28, 10.32, 10.33].

В результате совместной работы коллективов ВИМЗ и Нижнетагильского завода в 1937 г. выпускается сталь ХВП (холоднокатаная с высокой проницаемостью, имеющая свойства, аналогичные свойствам заграничной стали «гайперсил» [10.34].

Принципиально новой явилась технология изготовления анизотропной трансформаторной стали с ребровой текстурой. Железо и сплавы железа с кремнием имеют объемно центрированную кубическую решетку, оси легкого намагничивания которой совпадают с ребрами куба. В обычной горячекатаной стали в плоскости листов зерна расположены хаотически, в результате чего получаются некоторые усредненные магнитные свойства, примерно одинаковые во всех направлениях. При изготовлении холоднокатаной стали с содержанием кремния 2,8–3,2% холодная прокатка чередуется с промежуточными отжигами, после чего проводят рекристализационный отжиг. При определенных режимах термической обработки и проката удается получить направленное расположение кристаллитов (текстуру). В этом случае в плоскости листа лежит плоскость грани куба (110) и большинство кристаллитов имеет ребро куба вдоль направления прокатки (отсюда «ребровая текстура»). Сталь с ребровой текстурой обладает лучшими магнитными свойствами вдоль листа, худшими под углом 55° к направлению прокатки и некоторыми промежуточными свойствами во всех остальных направлениях. Сталь с ребровой текстурой освоена в нашей стране и выпускается в промышленном масштабе с 1949 г. Анизотропия потерь энергии отечественной стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90° к потерям под углом 0) равна примерно 2, тогда как соответствующее отношение удельных магнитодвижущих сил — от 3 до 8. Поэтому при конструировании магнитопроводов необходимо, чтобы направление магнитного потока возможно ближе совпадало с направлением прокатки. Для маломощных трансформаторов эта задача успешно решена созданием витых ленточных магнитопроводов. Таким образом удалось полностью использовать высокую магнитную проницаемость стали, резко повысить рабочую магнитную индукцию, уменьшить массу и габариты трансформаторов почти на 30%.

Большой интерес представляет трансформаторная сталь с кубической текстурой. Определенные технологические режимы разливки, холодной прокатки и термообработки позволяют получить рулонную сталь, в которой в плоскости прокатки лежит плоскость куба. Ребра куба направлены как вдоль, так и поперек прокатки. Таким образом, в листах стали имеется не одно, а два направления легкого намагничивания: вдоль и под углом 90° к направлению прокатки. В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки. Сталь с кубической текстурой успешно выпускается и отечественной промышленностью.

В табл. 10.1 приведены параметры некоторых промышленных магнитомягких материалов.

Таблица 10.1. Некоторые параметры промышленных магнитомягких материалов

В настоящее время широким фронтом продолжаются исследования магнитных материалов с целью достижения экстремальных характеристик. Направлениями повышения качества этих материалов являются уменьшение вредных примесей в стали, разработка методов выплавки стали при малых скоростях кристаллизации, разработка оптимальных режимов термической обработки, применение термомагнитной обработки, уменьшение констант магнитной анизотропии и магнитострикции, разработка технологии получения электротехнических сталей с повышенным содержанием кремния, применение методов порошковой металлургии и другие способы.

Для большинства элементов устройств автоматического регулирования требуются магнитные материалы с высокими значениями магнитной проницаемости при форме петли гистерезиса, близкой к прямоугольной. Отечественная металлургия выпускает две группы таких сплавов: железоникелевый сплав с 50% никеля и 50% железа, известный под маркой 50НП, и железоникелевые и железоникелькобальтовые, легированные в некоторых случаях молибденом, медью, хромом и кремнием.

Исследование железоникелевых сплавов было начато в 1913 г. Г. Элменом (Канада). К этой работе его побудило желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение магнитной индукции насыщения было открыто им же. Он установил, что сплавы с содержанием никеля более 30% (от 36 до 80%) дают возможность резко повысить как начальную, так и максимальную магнитные проницаемости, но одновременно снижается намагниченность насыщения по сравнению с чистым железом. Бинарные железоникелевые сплавы, которые были названы пермаллоями, с высоким содержанием никеля отличаются сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому уже в самом начале работ над пермаллоями были сделаны попытки повысить удельное сопротивление введением дополнительных легирующих присадок — молибдена и хрома. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле.

Систематическое изучение тройных сплавов (железо-никель-медь) было предпринято О. Ауверсом и X. Нейманом (Германия). В 1935 г. они установили, что если в исходном сплаве, содержащем от 70 до 80% никеля (остальное железо), уменьшать содержание никеля вплоть до 50% и вводить в сплав до 40% меди, то можно

получить целый ряд сплавов, характеризующихся максимумом начальной магнитной проницаемости.

Другой, четырехкомпонентный, сплав на основе хромпермаллоя, известный под названием мюметалл (75% никеля, 18% железа, 5% меди и 2% хрома), который долго являлся материалом с наибольшей магнитной проницаемостью, был разработан Н. Рандаллом в 1937 г. в Германии. С этого времени начинается интенсивная и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов.

Для высокочастотных цепей в сердечниках долгое время применялся так называемый феррокарт. Это было торговое название материала, изготовленного из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки. В 1928 г. Д. Митташ (Германия) из пентакарбонила железа изготовил железный порошок с размером частиц от 1 до 10 мк, который стал использоваться для изготовления колец и стержней карбонильных сердечников. В 1930 г. В. Шаселтоном и Г. Барбером в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя, превосходившие по свойствам карбонильные сердечники. Такой материал был получен в 1935 г. в Японии X. Масумото и известен под названием альсифер. Он представляет собой сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Современные высокие требования электротехники могут быть выполнены благодаря новым видам магнитных материалов. Систематические экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 30–40 лет назад, почти исчерпали свои возможности. Из простых, двойных и более сложных сплавов были использованы лишь самые лучшие. Совершенствовались технологические процессы: были применены вакуумные плавки и отжиг. Новые свойства материалы получили при термомагнитной обработке, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения магнитной индукции насыщения кремнистой стали.

Следующий этап был связан с разработкой в 1947 г. Р. Бозортом (США) [10.28] новой технологии термообработки пермаллоев, а именно: были введены отжиг при температуре 1200–1300 °С в среде чистого водорода и длительный отпуск при температуре 400–550 °С. После подобной обработки одной из промышленных марок пермаллоя — так называемого супермаллоя (79% никеля, 16% железа, 5% молибдена) удается получить начальную проницаемость более 100 тыс. В 1958 г. Ф. Ассмус (Германия) доказал, что эффект удаления примесей в процессе высокотемпературного отжига и последующего отпуска имеет место не только в супермаллое и что таким способом достигается очень высокая магнитная проницаемость в целой группе тройных сплавов, например в мюметалле и сплаве 1040.

Дальнейшие исследования привели к получению двойных сплавов алюминий-железо, к которым относятся, например, альфенол (16% алюминия) и терменол (16% алюминия, 3% молибдена), которые по магнитным свойствам не уступают низконикелевым пермаллоям. Альфенол удается изготавливать в виде лент толщиной до 0,1 мм, что позволяет использовать его в головках для звукозаписи. Отечественный альфенол марок 12Ю с магнитной проницаемостью ?_r = 1000 и 12ВИ с ?_r = 10 000 характеризуется высокой прочностью, износоустойчивостью и стойкостью к коррозии, что позволяет изготовлять изделия с высокой чистотой обработки поверхности.