Основной конструкционный металл с магнитными свойствами

Натрадзе, А. Т. Особенности намагничения конструкционных сталей / А. Т. Натрадзе, А. А. Ярошенко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2018. — № 25 (211). — С. 134-137. — URL: https://moluch.ru/archive/211/51688/ (дата обращения: 23.06.2022).



Широкое распространение конструкционных сталей и других ферромагнитных материалов во всех областях человеческой деятельности определяет и наибольший практический интерес к закономерностям их намагничения, тем более что эти закономерности связаны с проявлением и других физических свойств этого материала, прежде всего, тепловых и механических.

Изучение закономерностей намагничения железа и стали, начатое с работ В. Гильберта, Ш. Кулона и С. Пуассона в настоящее время продолжает интенсивно развиваться в рамках специального раздела физики — теории ферромагнетизма.

Число научных публикаций по этой проблеме к настоящему времени насчитывает десятки тысяч.

Однако, несмотря на это, до сих пор отсутствует аналитическое и даже, в определенной мере, качественное представление о характере зависимости между намагниченностью и напряженностью суммарного магнитного поля в веществе стали в общем трехмерном случае, которую можно условно представить в виде:

где параметры: Т — абсолютная температура и — тензор упругих напряжений в веществе стали оказывают не менее существенное влияние на величину намагниченности чем напряженность .

Условность представления зависимости между и в виде (1) связана с тем, что эта зависимость имеет неоднозначный, гистерезисный характер: эта зависимость видоизменяется при смене характера изменения и с нарастания на убывание и наоборот.

Это происходит, когда Т меньше температуры Кюри .

Кардинальное видоизменение зависимости между и происходит вблизи : при , как уже отмечалось, зависимость между и становится однозначной как у парамагнетиков, при этом величина уменьшается более чем на десять порядков.

Анализ экспериментальных данных о намагничении стального шара в однородном внешнем магнитном поле при различных вариантах медленного изменения компонент этого поля в широких пределах позволил бы получить представление об этой зависимости. Однако, такой эксперимент еще ждет своей постановки [1].

В обширной литературе по намагничению ферромагнетиков подробно разработан лишь одномерный вариант зависимости (1), в котором и все время направлены вдоль одной и той же оси.

Учитывая данное обстоятельство, ниже будут рассмотрены характерные черты именно этого частного случая зависимости (1) при постоянной температуре ~ 3000 К, полагая вначале, что внешние механические воздействия на вещество отсутствуют.

В этом случае будем условно представлять зависимость (1) в виде:

.(2)

Рассмотрение характерных свойств зависимости (2) начнем с описания метода ее экспериментального определения.

Рис. 1 Экспериментальная установка для измерения эффективной намагниченности

Образец материала рассматриваемой стали в виде длинного цилиндрического или сфероидального стержня помещается на оси подключенного к регулируемому источнику постоянного тока (РТ) соленоида, который обеспечивает однородное продольное магнитное поле HH0e в объёме стержня.

Величина напряженности магнитного поля может быть определена по показаниям амперметра (А). Миниатюрный магнитоизмерительный датчик (Д), измеряющий продольную компоненту напряженности магнитного поля, размещен на середине образца непосредственно на его поверхности и подключен к магнитометру (М).

Устройство компенсации геомагнитного поля и помех в объёме образца на схеме не указано.

Датчик Д измеряет величину продольной (вдоль оси соленоида) компоненты напряженности магнитного поля в центральном сечении стержня, которая, являясь касательной составляющей напряженности суммарного магнитного поля на поверхности образца, равна напряженности суммарного магнитного поля внутри образца в этом же сечении и поэтому связана с полем соленоида и намагниченностью соотношением:

где — центральный коэффициент размагничивания стержня, который может быть определен экспериментально для цилиндрического образца или рассчитан для сфероидального.

Соотношение (3) позволяет экспериментально определить зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля , приложенного к элементу объема среднего сечения цилиндрического стержня.

Возможны и другие методы получения этой зависимости [1–2].

Далее рассмотрена электромагнитная обработка. Пусть рассматриваемый элемент объёма конструкционной стали находится в размагниченном состоянии при и . Если дать малое приращение поля , затем уменьшить поле до — и снова увеличить до и так проделать несколько раз; затем дать приращение 2, -2, +2 и т. д., и так увеличивать приращение до тех пор, пока n не будет равно , то в результате получим семейство симметричных петель гистерезиса, вершины которых будут лежать на кривой, изображенной на рис. 2 пунктиром. Эта кривая весьма близка к кривой первоначального намагничения и сливается с ней, если . Процесс обратный описанному представляет собой один из вариантов процесса размагничивания.

• Размагничиванием элемента объема ферромагнитного материала называется процесс воздействия на него (и образец в целом) внешним магнитным полем, в результате которого этот элемент объема переходит в размагниченное состояние.
• Размагничивание может быть осуществлено одним, двумя и сколь угодно большим числом импульсов напряженности внешнего магнитного поля.
• Размагничивать образец можно воздействием на него знакопеременным магнитным полем, изменяющимся во времени по гармоническому (например, синусоидальному) закону с медленно уменьшающейся амплитудой и малой (порядка 1 Гц) частотой :

1. где — медленно убывающая функция, такая, что . Для характеристики убывания величины амплитуд знакопеременного магнитного поля используются понятия декремента затухания d или величины убывания амплитуды q:
2. , .
3. Для экспоненциального убывания амплитуд постоянен декремент затухания, для линейно убывающих амплитуд — величина убывания [2].

Следует отметить, что при воздействии знакопеременного убывающего магнитного поля на образец с большим значением декремента затухания или величины убывания, размагниченное состояние может быть и не достигнуто: элемент объема образца может получить значительную остаточную намагниченность в направлении первого импульса.

Анализ результатов экспериментов показывает, что в пределах погрешности измерений, остаточная намагниченность не возникает, если при импульсном воздействии, или , при гармоническом.

Полученное при этом размагниченное состояние характеризуется повышенной стабильностью по отношению к действию упругих напряжений, о чем далее еще пойдет речь.

Если, кроме затухающего знакопеременного магнитного поля , на образец одновременно действует некоторое постоянное магнитное поле , то в результате рассматриваемый элемент объёма образца приобретёт намагниченность , однозначно определяемую величиной напряженности поля , при этом окончанию процесса, т. е.

после завершения воздействия знакопеременного магнитного поля и при продолжении действия поля будет соответствовать точка G на рис. 2. Если затем уменьшить поле до нуля, то точка G перейдет в точку F на оси ординат, которой будет соответствовать намагниченность .

Намагниченность называется восстановленной намагниченностью (в магнитном поле ), намагниченность — предельной остаточной намагниченностью, полученной при восстановлении (в поле ). При воздействиях на образец знакопеременным магнитным полем для различных значений поля в интервале от до , получается кривая BSOGA на рис.

2 (при построении этой кривой значения откладываются на оси абсцисс), называемая кривой безгистерезисного намагничения или кривой идеального намагничения [3–4].

• При имеет место линейная зависимость:
• ,(5)
• гденазывается безгистерезисной магнитной восприимчивостью, которая для сталей имеет порядок 104 ÷ 109. В случае когда величина остаточной намагниченности, получаемая при восстановлении (безгистерезисном намагничении) может быть определена по величине или по значению :
• — .

В случае если начальная амплитуда напряженности знакопеременного поля меньше , кривая намагничения в постоянном поле (как функция), называемая промежуточной безгистерезисной кривой, пойдет ниже кривой безгистерезисного намагничения; однако до уровня отличие такой кривой от безгистерезисной будет незначительным, в пределах 2–4 %.

Дальнейшее уменьшение величины первоначальной амплитуды приводит к существенному отличию результата от безгистерезисной кривой; при этом не всегда могут быть получены однозначные результаты: конкретный ход кривой определяется предысторией намагничения, т. е.

тем, какие внешние поля и процессы оказывали воздействие на рассматриваемый элемент объема до применения данного знакопеременного затухающего процесса.

1. Процесс воздействия знакопеременного затухающего по амплитуде магнитного поля на образец или реальное ферромагнитное тело (конструкцию), при одновременном действии постоянного магнитного поля называется электромагнитной обработкой (ЭМО) этого образца или тела.
2. Эксперименты показывают, что результаты электромагнитной обработки тел или конструкций при не зависят от направления действия поля , а определяются направлением и величиной магнитного поля .
3. При намагничении ферромагнитного тела или конструкции в процессе ЭМО, зависимость определяет уравнение Пуассона — Томсона:
4. — ,(6)
5. где — напряженность внешнего магнитного поля, действующего на данное тело или конструкцию одновременно с воздействием знакопеременным магнитным полем .
6. Величина остаточной намагниченности, полученной при восстановлении может быть определена из выражения:

• если
• — ,
• при этом величина индуцированной намагниченности , соответствующая действию магнитного поля удовлетворяет уравнению (12) с заменой в нем на и χ на χ0
• Таким образом, восстановленная намагниченность и остаточная намагниченность, получаемая при восстановлении могут быть определены для произвольного изотропного ферромагнитного тела [4].

Процесс изменения намагниченности цилиндрического образца под действием упругих напряжений позволяет качественно характеризовать изменение намагниченности корабля при его эксплуатации, например, килевая качка корабля на сильном морском волнении приводит к периодическим сжатиям — растяжениям верхней палубы и днища корабля; действие значительной слабозатухающей упругой нагрузки по всему кораблю возникает при слеминге — мощном ударе волны по корпусу корабля. Эти процессы практически не контролируются корабельными средствами и обуславливают нестабильность остаточной намагниченности корабля и создаваемого ею магнитного поля; на практике, однако, эта нестабильность, как правило, имеет порядок величины индуцированной намагниченности в максимальной широтной зоне.

Литература:

1. Гропянов А. В., Теплухин Г. Н. «Металловедение и термическая обработка» Учебное пособие, 2011.
2. Дема Р. Р., Молочкова О. С., Нефедьев С. П. «Материаловедение», 2014.
3. Краснов И. П. «Основы классической теории намагничения тел» намагничения тел» Центральный НИИ им. академика А. Н. Крылова. — СПб., 2008.
4. Сандомирский С. Г. «Магнитный контроль структуры стальных и чугунных изделий. Современное состояние». Литье и металлургия, 2008.

Основные термины (генерируются автоматически): магнитное поле, остаточная намагниченность, размагниченное состояние, безгистерезисное намагничение, зависимость, кривой, суммарное магнитное поле, внешнее магнитное поле, знакопеременное магнитное поле, цилиндрический образец.

Стали и сплавы с магнитными и электрическими свойствами

Стали и сплавы с магнитными свойствами. Магнитные стали и сплавы делятся на две группы: магнитотвердые и магнитомягкие.

Магнитотвердые стали и сплавы обладают высоким значением коэрцитивной силы Нс и остаточной индукции Вr. Они применяются для изготовления постоянных магнитов. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей УЮ-У12.

Коэрцитивная сила углеродистых сталей резко возрастает после закалки на мартенсит вследствие появления больших напряжений.

У стали У12 после закалки в воде Нс = 4800 А/м, Вr = 0,8 Тл. Однако низкая прокаливаемость, малая стабильность остаточной ин­дукции привели к вытеснению углеродистых сталей легированными.

Легирование металла вызывает повышение магнитной твердо­сти (т.е. коэрцитивной силы). Коэрцитивная сила возрастает при образовании в твердом растворе второй фазы, с повышением дис­кретности второй фазы, при возникновении напряжений в крис­таллической решетке, при из­мельчении зерна.

В настоящее время для из­готовления постоянных маг­нитов широко используют стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими эле­ментами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Буквой Е обозначает­ся магнитная сталь.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из нормализации, за­калки в масле или в воде и низкотемпературного отпуска (при 100°С в течение 10-24 ч).

Высокое содержание углерода и легирующих элементов в этих сталях придает им повышенную твердость, поэтому перед холодной механической обработкой их подвергают смягчающему отжигу при 700—850 °С.

При отжиге происходит образование карбидов, что ухуд­шает магнитные свойства («магнитная порча»).

Поэтому перед за­калкой для устранения «магнитной порчи» проводят нормализацию, при которой происходит растворение крупных карбидных фаз.

Во избежание «магнитной порчи» при закалке нагрев должен быть кратковременным (не более 15 мин). Охлаждение можно про­водить в воде или в масле, но обычно охлаждают в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя при этом не­сколько снижаются магнитные свойства.

Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как ус­траняет немагнитный (парамагнитный) аустенит.

Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечива­ет стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации.

Высокие магнитные свойства имеют железоникелькобальтовые сплавы, в частности магнит (8% А1, 24% Со, 14% Ni, 3% Си, остальное железо).

Магниты из этого сплава получают литьем, так как сплав не под­дается деформации и обработке резанием. Сплав подвергают закалке в магнитном поле. Сущность закалки в следующем.

Нагретый до 1300°С сплав помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до температуры ниже 500°С, дальнейшее ох­лаждение проводят на воздухе.

После такой обработки сплав облада­ет анизотропией магнитных свойств.

Магнитные свойства достигают высокого уровня в том направ­лении, в котором действовало внешнее магнитное поле при закал­ке. Затем сплав подвергают отпуску при 600 °С. Магнитные свой­ства: Я = 40 000 А/м, Вг = 1,2 Тл.

Последнее время находят применение сплавы на основе кобаль­та (52% Со, 14% V, остальное железо). Сплав поставляется в виде лент, полос и т.д.

Магнитомягкие сплавы и стали имеют низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Их применя­ют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работаю­щих в переменных магнитных полях. Магнитомягкие материалы дол­жны иметь однородную (гомогенную) структуру, крупное зерно.

Незначительный наклеп сильно снижает магнитную проницае­мость и повышает коэрцитивную силу. Поэтому магнитомягкие сплавы для снятия напряжений и искажений структуры подверга­ют рекристаллизационному отжигу.

Широкое применение получило чистое железо, в котором со­держание углерода и всех примесей строго ограничено. Железо при­меняют для изготовления сердечников реле, электромагнитов постоянного тока, полюсов электрических машин и др.

Широкое применение в промышленности нашла электротех­ническая сталь — сплав железа с кремнием (0,05—0,005% С, 1,0— 1,8% Si).

Легирование кремнием повышает электросопротивление стали и тем самым уменьшает потери на вихревые токи, повыша­ет магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и по­тери на гистерезис, способствует росту зерна, улучшает магнит­ные свойства за счет графитизирующего действия.

Маркируют электротехнические стали следующим образом: пер­вая цифра означает вид проката и структурное состояние (1 — го­рячекатаная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная); вторая — содержание кремния: 0 — до 0,4%; 1 — 0,4- 0,8%; 2 — 0,8-1,8%; 3 — 1,8-2,8%; 4 — 2,8-3,8%; 5 — 3,8-4,8%; третья — основную нормируемую характеристику (0, 1 и 2 — удельные потери при различных значениях магнитной индукции и частоты, 6 и 7 — магнитная индукция соответственно в слабых и средних полях). Вместе первые три цифры обозначают тип стали; четвертая — порядковый номер типа стали. Чем он выше, тем меньше удельные потери, тем больше магнитная индукция.

Электротехническую сталь для снятия наклепа после прокатки и для укрупнения зерна подвергают отжигу при 1100-1200 °С в атмосфере водорода.

При рубке листов, резке, штамповке, гибке магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств электротехни­ческой стали рекомендуется отжиг при 750—800 °С в течение 2 ч с медленным (- 50 град/ч) охлаждением до 400 °С. При этом необхо­димо исключить окисление и науглероживание стали.

Электротехническую сталь изготавливают в виде листов толщи­ной от 1 до 0,05 мм.

Железоникелевые сплавы (от 40 до 80% Ni) — пермаллои — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для прибо­ров, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Маг­нитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обра­ботки.

Для улучшения магнитных свойств после механической обра­ботки пермаллои подвергают отжигу при 1100—1200 «С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняют­ся остаточные напряжения и удаляются примеси углерода.

Охлаждение в магнитном поле также ведет к повышению маг­нитных свойств.

Немагнитные стали. В электромашиностроении и приборост­роении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Рань­ше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает ме­ханические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в элек­троаппаратуре.

Применение марганцовистой аустенитной износоустойчивой стали (11ОГ13Л) в качестве немагнитной ограничивается ее пло­хой обрабатываемостью резанием, что обусловлено высокой склон­ностью ее к наклепу, а также нестабильностью прочностных свойств.

Широкое применение находят аустенитные коррозионно-стой­кие стали 12Х18Н9, 12Х18Н9Т. Желательно, чтобы содержание ни­келя в них соответствовало верхнему пределу, так как в противном случае при больших степенях холодной деформации возможно ча­стичное протекание γ→α — превращения, ведущего к появлению фер­рита, обладающего ферромагнитными свойствами.

Кроме того, применяются более дешевые стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен мар­ганцем.

Стали и сплавы с электрическими свойствами. Элементы электросопротивления должны иметь низкую электропроводность или вы­сокое электросопротивление. Так как образование твердых раство­ров при легировании сопровождается повышением электросопро­тивления, то все сплавы высокого сопротивления, как правило, представляют собой твердые растворы.

• Различают сплавы реостатные (для изготовления реостатов) и окалиностойкие сплавы высокого электросопротивления (для нагре­вательных элементов печей и электроприборов).
• Сплавы высокого электросопротивления должны удовлетворять следующим требованиям:
• иметь большое удельное электросопротивление;

иметь малый температурный коэффициент электросопротивле­ния (т.е. электросопротивление должно мало изменяться при изме­нении температуры);

обладать высокой окалиностойкостью, т.е. способностью проти­востоять образованию окалины при высоких температурах.

В качестве реостатных сплавов широкое применение нашли спла­вы меди с никелем — константан и никелин. Константан содер­жит 40% Ni, 1—2% Мn, остальное медь; никелин — 45% Ni, ос­тальное медь.

В качестве сплавов высокого электросопротивления применяют сплавы Ni — Сг (нихромы), Fe — Ni — Cr (ферронихромы) и Fe — Cr — А1 (фехраль) и др.

На свойства сплавов высокого электросопротивления вредное влияние оказывают такие примеси, как углерод, сера, фосфор и т.д. Примеси способствуют окислению границ зерен и тем самым уменьшают окаливаемость и повышают хрупкость.

В приборостроении часто требуются сплавы с определенным ко­эффициентом линейного расширения, например таким же, как у стекла, равным нулю. Для удовлетворения этих требований в каж­дом конкретном случае изготавливают сплавы строго определен­ного состава.

Износостойкие стали. Износ деталей в процессе эксплуатации может быть вызван двумя причинами: трением деталей друг о друга и царапанием твердых частиц о поверхность деталей (абразивный износ).

При обычном трении поверхность металла наклёпывается и со­противление износу возрастает. Следовательно, износостойкость определяется способностью металла к наклепу.

В случае абразивного износа, когда твердые частицы, абразивы, вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа определяется сопротивлением металла отрыву и твердостью.

Для изготовления деталей, работающих на износ в условиях тре­ния и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцовис­тую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 1,0-1,3% С и 11,5-14,5% Мn. Сталь применяют в литом и реже в горячедеформированном состоянии.

Структура литой стали состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Mn)3C, выделяющихся по границам зе­рен и снижающих прочность и вязкость стали. Для повышения проч­ности и вязкости сталь подвергают закалке с температуры 1050— 1100°С в воде. При такой температуре карбиды растворяются, а быс­трое охлаждение в воде полностью задерживает их выделение.

После закалки сталь имеет аустенитную структуру и обладает следующими механическими свойствами: σв= 800-900 МПа, σ0,2 = 310…350 МПа, δ=15 … 25%, ψ= 20 … 30%, 180 … 220 НВ.

1. Высокая износостойкость стали 110Г13Л при трении с давлени­ем и ударами объясняется повышенной способностью к наклепу.
2. Если при эксплуатации наблюдается только абразивный износ без значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то сталь не обнаруживает повышенной износостойкости.
3. Таблица 8

Cтали и сплавы с особыми физическими свойствами (общие сведения)

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами условно можно разделить на следующие группы: магнитные стали и сплавы; немагнитные  cтали и сплавы; стали и сплавы с высоким электросопротивлением; сплавы с особенностями теплового расширения; сплавы с высокими упругими свой­ствами; криогенные и термобиметаллы.

Сталь электротехническая тонколистовая — один из наиболее широ­ко используемых магнитно-мягких материалов. Она предназначена для из­готовления деталей магнитных цепей электротехнических машин, аппара­тов и приборов, которые работают в переменных магнитных полях.

Допол­нительная работа, затрачиваемая на перемагничивание магнитопроводов, должна быть минимальной, так как она обусловливает потерю мощности и снижает коэффициент полезного действия машин. Электротехническая стал должна иметь малую коэрцитивную силу и большую магнитную проницае­мость, следовательно, малые гистерезисные потери.

Важно также, чтобы потери на вихревые токи в сердечнике были малы, для этого нужно повы­сить электросопротивление стали, что достигается легированием ее крем­нием. Чтобы уменьшить эти потери, детали машин и трансформаторов из­готавливают из тонких листов, покрытых электроизоляционным покрыти­ем.

Уменьшению гистерезисных потерь способствует чистота стали по не­металлическим включениям и увеличение размера зерна. Однако, при очень крупном зерне возникают большие потери на вихревые токи.

При использовании в мощных силовых трансформаторах сталь должна иметь минимальные удельные потери и высокую индукцию в сильных по­лях. Применение стали в трансформаторах для автоматики и телефонии требует высокой проницаемости в слабых полях и при подмагничивании постоянным током.

Хорошую штампуемость наряду с высокими магнитны­ми свойствами должна иметь сталь, применяемая в мелких специальных электрических машинах.

Двигатели и генераторы повышенных частот (от 400 до 25000 Гц и выше), а также различные трансформаторы в радиотех­нических и радиолокационных установках требуют применения стали с особо высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями.

В этих случаях применяют ленты толщиной 0,05—0,20 мм вместо листов обычной толщи­ны (0,27—0,50 мм). Для стали, применяемой в трансформаторах тока, важ­ны высокие свойства в широком диапазоне величин индукции.

Большое значение имеет анизотропия магнитных свойств.

Для сердеч­ника трансформатора достаточно иметь лист с высокими магнитными свой­ствами в одном направлении, так как в этом случае можно соответственно набирать магнитопровод; для генераторов и других аппаратов с разветвлен­ным магнитным потоком необходимо, чтобы анизотропия свойств была минимальной. Анизотропия свойств определяется кристаллографической текстурой. Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная обла­дает ребровой текстурой (текстурой Госса) {110}. Ось легчайшего на­магничивания в ней направлена вдоль направления прокатки в листе, и сборку сердечника трансформатора осуществляют таким образом, чтобы направления и магнитного потока в сердечнике совпадали. Сталь без текстуры называется изотропной.

К электротехническим сталям предъявляются определенные требова­ния по пластичности, оцениваемой путем гибов листа. При изготовлении магнитопроводов листы подвергают штамповке, поэтому хрупкость метал­ла недопустима. Весьма важное значение имеют внешние параметры листа — разнотолщинность, волнистость и коробоватость. Конкретные требова­ния по этим параметрам оговариваются в стандартах.

Широкий круг сплавов с особыми физическими свойствами состав­ляют сплавы прецизионные, в которых необходимый комплекс свойств определяется точным химическим составом, чистотой сплава от включе­ний и вредных примесей, структурным состоянием и высокой точностью изготовления.

Сплавы прецизионные магнитно-мягкие — это ферромагнитные сплавы, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса, они обладают высокой маг­нитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Условно считается, что она не превышает 1000-1200 А/м.

Сплавы используют в качестве сер­дечников магнитопроводов, а также магнитных экранов аппаратуры ра­диосвязи, радиолокации, автоматики и др.

По основным магнитным, элек­трическим, механическим свойствам прецизионные магнитно-мягкие спла­вы подразделяют на 12 групп :

• сплавы с наивысшей магнитной прони­цаемостью в слабых полях;
• сплавы с высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электрическим сопротивлением;
• сплавы с высо­кой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения;
• сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса; сплавы с высокой индукцией насыщения;
• сплавы с низкой остаточной индукцией;
• сплавы с повышен­ной деформационной стабильностью и износостойкостью;
• сплавы с задан­ным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР);
• спла­вы с высокой коррозионной стойкостью;
• сплавы с высокой магнитострикцией;
• термомагнитные сплавы и материалы;
• сплавы для работы на сверх­высоких частотах.

Магнитные свойства магнитно-мягких сплавов определя­ются химическим составом, структурой и текстурой сплава после оконча­тельной термической обработки. Некоторые свойства (намагниченность насыщения, температура Кюри) сравнительно слабо изменяются при не­больших изменениях состава и обычно не зависят от условий изготовления и термической обработки.

Другие характеристики, такие как проницаемость, коэрцитивная сила, потери на гистерезис, сильно зависят от этих факто­ров.

Поэтому нормируемые ГОСТом и техническими условиями свойства магнитно-мягких сплавов гарантируются после изготовления изделия (магнитопровода) из нагартованной ленты (листа, прутка) и после тер­мической обработки в нормируемых условиях по рекомендованному режи­му.

В связи с высокой чувствительностью основных магнитных свойств к локальным или макроскопическим воздействиям, вызывающим пласти­ческую или упругую деформацию (вырубка, рихтовка пластин, резка и навивка ленты, зачистка, сверление отверстий, сварка, электроизоляци­онное покрытие и т.д.), все технологические операции по изготовлению магнитопроводов необходимо проводить до окончательной термической обработки.

1. Магнитно-твердые сплавы обладают высокой магнитной энергией и в соответствии с главными областями их применения подразделяются на 4 группы :
2. сплавы для постоянных магнитов;
3. для активной части ро­торов гистерезисных электродвигателей;
4. для элементов памяти систем управления автоматизации и связи;
5. для носителей магнитной записи ин­формации.

Постоянные магниты используют для создания заданной напряжен­ности магнитного поля или заданного магнитного потока в определенном рабочем пространстве. Магнитное состояние сплавов для постоянных маг­нитов описывается параметрами кривой размагничивания предельного гистерезисного цикла.

Максимальная энергия постоянного магнита, которую можно получить для данного материала определяется максимальным про­изведением (ВН)maхиз этой кривой. При определенных значениях Вrи Нс произведение (ВH)mах тем больше, чем больше выпуклость петли гистере­зиса от Br   до Нс.

Эта выпуклость определяется отношением (ВH)mах /BrHc. Поэтому в стандартах и технических условиях, кроме Вr и Нс, оговаривают также (ВН)mах.

Повышение выпуклости достигают созданием одноосной анизотропии, при которой направление легкого намагничивания по воз­можности совпадает с тем направлением постоянного магнита, вдоль ко­торого он намагничен. Реализация такого совпадения возможна только для некоторых сплавов.

Деформируемые сплавы для постоянных магнитов со­зданы на основе большого количества систем (Fe—Со—Ni—Al, Fe—Ni—ΑΙ, Fe—Сr— Со, Fe—Со—V и т.д.) и отличаются один от другого природой маг­нитного твердения, сочетанием магнитных свойств, степенью технологич­ности при изготовлении, механической обрабатываемостью и т.д.

В роторах гистерезисных электродвигателей магнитно-твердые сплавы .используются для создания крутящего момента роторов и работают в пере­менном магнитном поле, напряженность которого составляет от 1,6 до 32 кА/м в зависимости от конструкции и назначения двигателя.

Магнитное состояние таких сплавов характеризуется полной рабочей петлей гистере­зиса, имеющей вершину в точке максимальной проницаемости (Нμmах Вμmах).

При расчете и конструировании двигателей используются зависимости ги­стерезисных параметров от намагничивающего поля и индукции, а также данные о ТКЛР и удельном электросопротивлении сплава для согласова­ния магнитно-твердого материала (активной части ротора) с конструктив­ными элементами ротора и правильного учета используемых и вредных потерь на вихревые токи. Сплавы для гистерезисных двигателей можно разделить на 2 подгруппы: сплавы систем Fe—Со—V, Fe—Со—Ni—V и Fe—Со—Cr—V для шихтованных роторов и сплавы систем Fe—Cr—Wи Fe—Со—W—Mo для сплошных роторов.

Сплавы для элементов памяти систем управления, автоматизации и связи используют в качестве так называемых полупостоянных или пере­менных магнитов, подвергаемых в процессе эксплуатации большому числу циклов перемагничивания (109—1010).

Магнитное состояние таких материа­лов изменяется под воздействием кратковременных изменений тока в уп­равляющих катушках и описывается параметрами полной рабочей петли гистерезиса, соответствующей принятой стандартной максимальной напря­женности намагничивающего поля Нmaх, равной 8 или 16 кА/м.

Основны­ми магнитными характеристиками таких сплавов при указанном Нmaхявля­ются: заданное в интервале от 1,5 до 5 кА/м значение коэрцитивной силы, высокие значения остаточной индукции и коэффициента прямоугольности, с которым связано малое время перемагничивания порядка микросе­кунд.

Специфика требований, предъявляемых к материалам этого назначе­ния, обусловила выделение их в особую группу полутвердых магнитных сплавов. Магнитные свойства всех магнитно-полутвердых сплавов форми­руются в процессе холодной деформации с высокой степенью обжатия более 80 % и последующего отпуска в интервале 500—700 °С. Сплавы поставляют в холоднодеформированном состоянии.

Операции, необходимые для изго­товления деталей, проводятся до отпуска, так как после него сплавы теряют пластичность и их твердость увеличивается. Сплавы для элементов памяти можно разделить на две подгруппы: а) сплавы на основе систем Fe—Со—Сr и Fe—Ni (для элементов с внешней памятью); б) сплавы на основе системы Fe—Со—Ni (для элементов с внутренней памятью).

Материалы для носителей магнитной записи в виде проволоки диа­метром 0,02—0,05 мм и ленты толщиной 0,01—0,02 мм используются для записи и воспроизведения как гармонических сигналов (звука), так и им­пульсных (закодированной информации).

Во время записи магнитное со­стояние сплавов формируется под воздействием периодических магнитных полей записывающей головки при одновременном высокочастотном подмагничивании или под воздействием импульсных магнитных полей при подмагничивании постоянным полем.

В результате таких воздействий про­исходит локальное перемагничивание материала на глубину, зависящую от напряженности действовавших полей и длины волны записываемых сигна­лов.

Поэтому рабочее состояние носителя неоднородно и характеризуется набором значений остаточной намагниченности, соответствующих различ­ным гистерезисным циклам.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расшире­ния (ТКЛР) используют для спаев металла с неорганическим диэлектри­ком в конструкциях электровакуумных, газоразрядных и полупроводнико­вых приборов, для деталей измерительных приборов, для бескомпенсаци­онных трубопроводов для перекачки сжиженных газов. Сплавы обладают достаточной прочностью и высокой пластичностью при заданном значе­нии ТКЛР. Их классифицируют с учетом их магнитных свойств (ферромаг­нитные сплавы и немагнитные) и значений ТКЛР (минимальные, низкие, средние и высокие). Ферромагнитные сплавы составляют большую часть номенклатуры сплавов с заданным тепловым расширением. Эти сплавы являются двойными или сложнолегированными на железоникелевой осно­ве, что связано с наличием в системе Fe—Ni области, в которой сплавы обладают резко выраженной аномалией теплового расширения и рядом других свойств. В области содержания никеля 36—60 % в зависимости от концентрации сплавы могут иметь ТКЛР от 1 · 10-6 до 11,5 · 10-6 К-1, т.е. температурный коэффициент увеличивается более, чем в 11 раз. Мини­мальное расширение соответствует сплаву, содержащему 36 % Ni. Этот сплав назван инваром.

Кроме ферромагнитных сплавов аустенитного класса со средним по величине ТКЛР, производятся также ферритные сплавы на основе систе­мы Fe—Сr. Легирование в этом случае проводят для стабилизации α-фазы в области температур соединения сплава со стеклом. Сплавы системы Fe—Сr имеют ТКЛР порядка 11 · 10-5 К-1 до 580 °С.

Немагнитные сплавы с низким и средним ТКЛР разработаны на ос­нове хрома с небольшими легирующими добавками железа, кобальта, мар­ганца и других элементов.

Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, твердостью, однако они имеют низкую пластичность. Сплавы на основе хрома имеют ТКЛР от 1 до 6 · 10-6 К-1 в интервале температур не выше 100 °С.

Немагнитные сплавы со средним ТКЛР разработаны также на основе систем Ni—W, Ni—Mo.

Сплавы с заданными свойствами упругости  должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и релаксационной стой­костью в условиях статического и циклического нагружения.

К ним предъяв­ляются требования по ряду свойств: высокий или, наоборот, низкий мо­дуль упругости, низкий температурный коэффициент модуля упругости или частоты, высокая добротность, малый упругий гистерезис и упругое пос­ледействие, высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость, немагнитность, электропроводность, износостойкость, а также стабильность этих характеристик при температурах эксплуатации. Они должны обладать технологической пластичностью для получения упругих элементов задан­ной конфигурации и свариваемостью. Сплавы применяют в качестве пру­жин и пружинных элементов, упругочувствительных элементов измеритель­ных приборов, мембран расходомеров, резонаторов фильтров для выбора, генерирования и настройки на заданную частоту.

Сплавы прецизионные сверхпроводящие  предназначены для работы только при низких температурах и характеризуются определенным комплексом тепловых, электрических, магнитных и механических свойств при этих тем­пературах. В этом комплексе для конкретной группы сплавов выделяют доминирующий и сопутствующие параметры.

Сплавы прецизионные с высоким электрическим сопротивлением  облада­ют сочетанием высокой жаростойкости с высоким удельным электричес­ким сопротивлением, в ряде случаев низким и регулируемым температур­ным коэффициентом электросопротивления и применяются в качестве та­рированных сопротивлений в радиоэлектронике, термо- и тензодатчиков для аппаратуры, регистрирующей и управляющей тепловыми и механичекими нагрузками, нагревательных элементов в промышленных печах, в приборах бытовой техники. Важными характеристками являются колебание электрического сопротивления по длине и срок службы в интервале рабо­чих температур. Соблюдение технологии изготовления сплавов контроли­руется испытанием на живучесть (ГОСТ 2419—78), которое заключается в циклическом нагреве электрическим током (нагрев 2 мин, охлаждение 2 мин) проволочных образцов диаметром 0,8 мм до заданной температуры. Термобиметаллы представляют собой материал, состоящий из двух и более слоев металлов или сплавов с различными ТКЛР, сваренных между собой по всей поверхности соприкосновения, и применяются для автоматичес­кого регулирования заданной нагрузки и температуры в различного рода компенсационных устройствах, терморегуляторах, а также в приборах бы­товой техники. Основным свойством термобиметаллов является термочув­ствительность, т.е. способность изгибаться при изменении температуры. Термочувствительность термобиметаллов пропорциональна разности ТКЛР составляющих и характеризуется величиной удельного изгиба — изменени­ем кривизны термобиметаллической пластинки единичной толщины при изменении температуры на 1 К. Другой характеристикой термочувствитель­ности, применяемой для ленты толщиной 0,3 мм и менее, является коэф­фициент чувствительности, определяемый как угол раскручивания свер­нутой в спираль биметаллической ленты единичной длины и толщины при нагреве ее на 1 К.

Стали немагнитные повышенной прочности  используют для немагнит­ных бандажных колец электрогенераторов.

В этих сталях аустенитного клас­са повышенные прочностные свойства, соответствующие уровню свойств конструкционных улучшаемых сталей, достигаются холодной или теплой пластической деформацией, упрочнением в результате дисперсионного твер­дения, упрочнением посредством фазового наклепа при последовательном проведении прямого и обратного мартенситных превращений.