1.5. Классификация магнетиков

Ni, Co) и 4f-металлы (Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm).

Однако имеется огромное число ферромагнитных сплавов и химических соединений.
Общий признак для всех ферромагнетиков – недостроенные d- и f-электронные подуровни атомов. Такие атомы имеют нескомпенсированный магнитный момент.
Наличие спонтанной намагниченности свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов ориентированы упорядоченно (параллельно) друг другу. Ферромагнетизм связан с упорядочением спиновых магнитных моментов.
В ферромагнетиках магнитное упорядочение имеет место в интервале температур от 0 К до некоторой критической TC – температуры Кюри. При температуре Кюри происходит фазовый переход 2-го рода: превращение ферромагнетик  парамагнетик.
При T > TC магнитная восприимчивость описывается законом Кюри–Вейсса, где поправка Вейсса равна TC.

20оС K = 4,2  104 Дж/м3.
В поликристаллических материалах эффекты анизотропии усредняются, поэтому

магнитная анизотропия не обнаруживается.
Кристаллографическую анизотропию, которая облегчает намагничивание, можно создать прокаткой.

Если зерна трансформаторной стали ориентированы так, что их направления <100> примерно совпадают с направлениями намагниченности сердечника трансформатора, то это позволяет усилить магнитную индукцию, не повышая напряженности поля и не увеличивая потерь энергии от индуцированных токов.

все спиновые моменты атомов с недостроенными d- или f-оболочками (электронными

подуровнями) ориентируются параллельно друг другу. В результате этого M макроскопического образца должна быть близка к намагниченности насыщения Ms.
Однако такое состояние энергетически невыгодно, и кристалл при отсутствии магнитного поля уменьшает свою энергию за счет разбиения своего объема на магнитные области – домены – размером 10–410–6 м, где магнитные моменты атомов ориентированы параллельно определенному кристаллографическому направлению.
Каждый домен спонтанно намагничен до насыщения, но равновероятное пространственное расположение векторов магнитных моментов приводит к образованию замкнутых магнитных цепей внутри образца, и результирующий магнитный момент равен нулю.

происходит смещение доменных границ, увеличение объема доменов, имеющих Ms ||

H. Появляется суммарная намагниченность M  0.
Ферромагнитные домены широко применяются в магнитных носителях для хранения и обработки информации. Это связано с возможностью использования единичного магнитного домена в качестве элементарного носителя информации.

Доменная структура магнитодвухосного кристалла.
Доменная структура магнитоодноосного кристалла. 

слой шириной 10100 нм от одного домена к другому, внутри

которого спиновые магнитные моменты постепенно поворачиваются.
Толщина доменной стенки w определяется конкуренцией неоднородного обменного взаимодействия (стремящегося увеличить w) и магнитной анизотропии (уменьшающей w): w ~ (A / K)1/2, где A – обменный интеграл; K – константа энергии анизотропии.

Число доменных стенок в ферромагнитном образце зависит от доменной структуры кристалла в основном состоянии и, в конечном счете, от числа эквивалентных осей легкого намагничивания.

Br (Mr) и др. существенно зависят от свойств образца: химического

состава, структурного состояния, распределения дефектов, деталей технологии получения и обработки.
Варьирование обработки позволяет широко изменять свойства магнитного материала. На движение стенок доменов влияют дефекты кристаллической решетки Например, металл после холодной механической обработки (деформации) обладает большей магнитной стабильностью, чем металл, подвергнутый отжигу.
По виду петли гистерезиса все ферромагнетики делятся на две большие группы: магнитомягкие, имеющие Hc < 800 А/м, и магнитотвердые с Hc > 4 кА/м.

магнитотвердые материалы, используемые для изготовления постоянных магнитов

Малую коэрцитивную силу

имеют
магнитомягкие материалы
(используются для изготовления
трансформаторов)

©Исаков В.А. - vokas@nextmail.ru

насыщения даже в слабых полях, т. е. обладают малой величиной

Hc и имеют малые потери p при перемагничивании вдоль направления магнитопроводов.
Магнитомягкие материалы используются в основном для изготовления магнитопроводов переменного магнитного поля. Применяются в электроэнергетике, электромашино- и моторостроении, в электро- и радиотехнической промышленности, измерительной и вычислительной технике, системах автоматики и телемеханики.
Магнитомягкие материалы: металлические – ферромагнитное чистое железо, низкоуглеродистые электротехнические стали, магнитомягкие сплавы на железной и железоникелевой основе, в том числе аморфные металлические сплавы; магнитомягкие ферриты – комплексные оксиды переходных металлов, содержащие группу Fe2O3; магнитодиэлектрики – композиты на основе порошка магнитомягкого ферро- или ферримагнетика в диэлектрической матрице.

Назначение: машины постоянного и переменного тока; силовые трансформаторы; силовая коммутирующая

аппаратура.
Виды материалов: технически чистое железо, электротехнические стали, магнитомягкие сплавы.
Высокие значения свойств: Bs, , max.
Низкие значения свойств: Hc, p.

Область применения

устройств;
значительный магнитный поток при минимальном использовании магнитного материала;
минимальные

потери на перемагничивание.
Приведенные выше требования выполняются:
выбором рабочей точки, соответствующей максимальной магнитной проницаемости max;
использованием материалов с большой индукцией насыщения Bs, основным компонентом которых является железо;
выбором материалов с соответствующим комплексом значений различных магнитных свойств.

примесей – до 0,80,1 %, в том числе углерода – до

0,05 %. Железо имеет малое удельное электрическое сопротивление, обладает повышенными потерями на вихревые токи, в связи с чем применение его ограничено: в основном для магнитопроводов постоянного магнитного потока (полюсные наконечники, магнитопроводы реле). Технически чистое железо – главный компонент большинства магнитных материалов.
В зависимости от способа получения особо чистое железо называется карбонильным или электролитическим. Карбонильное железо получают при термическом разложении пентакарбонила железа Fe(CO)5 и рафинируют в токе водорода. Электролитическое железо изготавливают электролитическим рафинированием в расплавленных солях и поставляют в виде порошка (ПЖЭ-1 и ПЖЭ-2) или кусков (ЖЭ-МП). Чистое железо марок 005ЖР и 008ЖР получают из продуктов прямого восстановления руд.

постоянных полях используется для изготовления магнитопроводов всех видов и самых

сложных форм: детали реле, сердечники, полюсные наконечники электромагнитов, элементы магнитоэлектрических, индукционных и электромагнитных приборов, экраны, телефонные мембраны, магнитопроводы двигателей переменного и постоянного тока малой и средней мощности и т. д.
Основной вид термической обработки – высокотемпературный отжиг (> 950°С).
Электротехническая нелегированная сталь подразделяется на сортовую и тонколистовую. У тонколистовой стали магнитные характеристики несколько выше.

класс по виду обработки давлением (1 – горячекатаная и кованая, 2 –

холоднокатаная и калиброванная); вторая – тип по содержанию кремния (0 – нелегированная, с содержанием Si до 0,3%; 1 – то же, но с заданным коэффициентом старения); третья – группа основной ноpмиpуемости (например, 8 – коэрцитивная сила); четвертая и пятая – значение нормируемой характеристики (например, коэрцитивной силы, в А/м). Марки: например, 10864, 20864, 11880, 10895, 20848, 21832.

взаимодействия, следовательно, TC и Ms уменьшаются.
Легирование кремнием вызывает:
уменьшение

магнитной анизотропии и магнитострикции, увеличение размеров зерна и, следовательно, уменьшение Hc;
увеличение  и снижение потерь на вихревые токи;
некоторое снижение Bs;
возрастание B в слабых и средних полях вследствие большой магнитной мягкости материала.
Применение: изготовление двигателей и генераторов всех типов, дросселей и трансформаторов, электромеханизмов и приборов, работающих как на постоянном, так и на переменном токе различной частоты. Разнообразные технические требования, предъявляемые к электротехническим сталям, удовлетворяются изменением их химического состава, толщины листов или ленты и применением специальных технологических процессов изготовления и термической обработки.

по структурному состоянию (1 – горячекатаная изотропная; 2 – холоднокатаная изотропная; 3 –

холоднокатаная анизотропная с ребровой структурой); вторая – по содержанию кремния (0 – Si  0,4 %; 1 – 0,4 % < Si  0,8 %; 2 – 0,8 % < Si  1,8 %; 3 – 1,8 % < Si  2,8 %; 4 – 2,8 % < Si  3,8 %; 5 – 3,8 % < Si  4,8 %); третья – по основной нормируемой характеристике (0 – удельные потери при магнитной индукции, равной 1,7 Тл и частоте 50 Гц; 1 – то же при 1,5 Тл и частоте 50 Гц; 2 – то же при 1 Тл и частоте 400 Гц; 4 – удельные потери при 0,5 Тл и 3000 Гц; 6 – магнитная индукция в слабых полях при напряженности магнитного поля 0,4 А/м; 7 – то же при напряженности 10 А/м); четвертая – порядковый номер типа стали (первые три цифры). Примеры марок: горячекатаная изотропная – 1211, 1311, 1411, 1511 и др., холоднокатаная изотропная – 2011, 2111, 1211, 2311, 2411 и др.

Ni и Co обладают при определенных составах исключительно высокими магнитными

свойствами, недостижимыми в других сплавах. Эти свойства еще больше повышаются при дополнительном легировании такими элементами, как Mo, Cr, Si, Cu, V и Ti. Высокие магнитные свойства этих сплавов обусловлены тем, что при определенных химических составах достигаются минимальные значения константы магнитной анизотропии K и константы магнито-стрикции s и, следовательно, максимальное значение .
По магнитным свойствам сплавы делятся на три класса: I – с нормальными магнитными свойствами, II – с повышенными, III – с высокими.
Необходимо учитывать, что стоимость магнитомягких сплавов выше, чем электротехнических сталей.

(в %) среднее содержание элемента, входящего в основу сплава (Ni,

Co, Cr, кроме Fe), и буквенных обозначений элементов (табл. для черных металлов). Буква П в конце означает, что в результате особой технологии и режима окончательной термической обработки сплав обладает прямоугольной петлей гистерезиса. Буква А означает суженные пределы химического состава (более точный состав); другие обозначения относятся к нормированию процесса выплавки: ВИ – вакуумно-индукционный; ЭЛ – электронно-лучевой; П – плазменный; Ш – электрошлаковый; ВД – вакуумно-дуговой.

информации; малогабаритные трансформаторы и дроссели, дефектоскопы, магнитные экраны.
Виды материалов: электротехнические

стали, магнитомягкие сплавы, ферриты, магнитодиэлектрики.
Высокие значения свойств: , нач.
Низкие значения свойств: Hc, p.

Область применения

вихревые токи.
Приведенные выше требования выполняются:
наличием узкой петли гистерезиса;
большой крутизной зависимости

B(H) в слабых магнитных полях;
высоким значением нач;
минимальными константами магнитострикции и анизотропии.

1562, работающие в звуковом диапазоне частот с амплитудой индукции 104103

Тл.
Высоконикелевые пермаллои – железоникелевые сплавы, характеризующиеся высокой магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и низкими потерями при перемагничивании (72НМДХ, 76НХД, 77НВ, 77НМД, 80НМ, 79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ).
Магнитомягкие сплавы на основе Fe, Ni и Co с низкой остаточной индукцией и постоянной магнитной проницаемостью после термической обработки в поперечном магнитном поле имеют линейный участок кривой намагничивания в широком интервале магнитной индукции (max / нач = 1,151,20) и применяются для изготовления аппаратуры связи, измерительных трансформаторов.

 (для уменьшения потерь на вихревые токи) и максимальной скоростью

установления намагниченности. Таким требованиям отвечают ферримагнетики, к которым в первую очередь относятся ферриты. Их  = 10–5108 Ом·м и сильно зависит от состава и структуры.
Магнитомягкие ферриты представляют собой в основном поликристаллические материалы. Наибольшее распространение получили марганцево-цинковые ферриты (твердые растворы MnFe2O4 и ZnFe2O4) и никель-цинковые ферриты (твердые растворы NiFe2O4 и ZnFe2O4). Разнообразие свойств этих ферритов определяется главным образом соотношением основных компонентов, легирующими добавками (Co, Li, Ti, Ca) и режимами синтеза.
Каждая марка магнитомягких ферритов обладает критической частотой – верхней частотной границей применения, начиная с которой резко возрастают потери и снижается  ввиду инерционности процессов намагничивания.

проводимость увеличивается с ростом температуры, эффективная проводимость растет с частотой.

По механическим свойствам поликристаллические ферриты подобны керамике и обладают высокой твердостью и хрупкостью.
Общий недостаток ферритов – сильная зависимость магнитной проницаемости  от температуры.
Маркировка: в марке феррита число означает среднее значение нач; следующая за ним буква соответствует назначению ферритов (Н – низкочастотный или общего применения; В (ВЧ) – высокочастотный); вторая буква соответствует: Н – никель-цинковым ферритам; М – марганцево-цинковым ферритам.
Примеры: 2000НН, 400НН, 100НН, 100ВЧ, 6000НМ, 3000НМ, 1500НМ, 1000НМ, 700НМ

от 1 до 100 мкм, разделенных изолирующим веществом (жидкое стекло,

синтетические смолы). Из-за внутреннего размагничивания частиц уменьшаются потери на вихревые токи, слабо изменяется проницаемость в магнитных полях до 2000 А/м, обеспечиваются высокая стойкость к подмагничивающим полям, хорошая стабильность во времени. Электромагнитные свойства магнитодиэлектриков сохраняются при механических нагрузках до полного их разрушения.
Выпускаются магнитодиэлектрики, в которых наполнителями являются: карбонильное железо (Р-10, Р-20, Р-100, З-100Ф, Пс), альсифер – тройной сплав Al, Si, Fe (ТЧ-90, ТЧ-60, ТЧК-55, ВЧ-32, ВЧ-22, ВЧК-22), пермаллои (П-250, П-160, П-140, П-100, П-60, П-20, ПК-20), ферритовые порошки (НМ-5, ВН-20, ВН-60, ВН-220).
Недостаток магнитодиэлектриков – поглощение влаги, что приводит к изменению их электромагнитных параметров. При эксплуатации в условиях повышенной влажности их необходимо герметизировать.

число означает максимальную частоту (в МГц), на которой используется соответствующий

магнитодиэлектрик; на основе альсифера – числа означают магнитную проницаемость, а буквы: ТЧ – тональная частота, ВЧ – высокая частота, К – компенсированный (пониженный) ТК; на основе пермаллоя – числа указывают на значение нач, буквы: П – пермаллой; на основе ферритов – буквы используются аналогично маркировке ферритов, а числа означают максимальную рабочую частоту (в МГц).

82НМП-ВИ, 79НМ) с кристаллографи-ческой кубической текстурой, образующейся в результате особой

технологии прокатки при последующей термической обработке. Такая текстура обеспечивает высокие магнитные свойства в двух направлениях в плоскости листа или ленты (вдоль и поперек направления прокатки).
Сплавы (65НП, 68НМП, 37НКДП, 34НКМП, 40НКМПЛ) – магнито-текстурованные, с п = 0,850,98. При термической обработке в продольном магнитном поле в этих сплавах возникает индуцирован-ная одноосная анизотропия, которая создает при намагничивании прямоугольную петлю гистерезиса. Эти сплавы обладают повышенной температурной стабильностью к воздействию радиации.
Исключительно высокие магнитные свойства сплавов после отжига очень чувствительны к воздействию механических напряжений и деформаций. Поэтому для защиты от случайных и конструктивно неизбежных механических воздействий необходимо применение защитных каркасов и амортизаторов.

на основе твердых растворов MgFe2O4 и MnFe2O4).
Высокое удельное электросопротивление ферритов

обеспечивает, ввиду отсутствия вихревых токов, малое время переключения и делает возможным изготовление деталей в виде монолита.
Марки ферритов с прямоугольной петлей гистерезиса обозначаются в зависимости от наличия или отсутствия в феррите свойств базового состава по-разному. Обозначение марок базового состава состоит из трех цифр и буквы П, например: 100П, 101П, 300П и др. Первая цифра указывает на порядковый номер базового состава, а две последующие (начиная с 00) – порядковый номер модификации базового состава.
Обозначение других марок ферритов состоит из числа (может быть дробное), указывающего значение коэрцитивной силы в эрстедах (1Э = 79,5775 А/м), характерное для этой марки феррита, и букв ВТ, например: 0,3ВТ; 2,1ВТ; 3ВТ и др.

по индукции не менее 4 кА/м, используемые для изготовления постоянных

магнитов.
Магнитотвердые материалы после намагничивания должны создавать внешние постоянные магнитные поля, нечувствительные по возможности к различным возмущающим факторам.
Основное требование к магнитотвердым материалам – высокое значение удельной магнитной энергии (BH), позволяющее при прочих равных условиях значительно уменьшить объем и массу конструктивных элементов различных устройств.
Выполнение этого требования достигается высокими значениями остаточной индукции Br, коэрцитивной силы Hc, коэффициента выпуклости  = (BH)max / BrHc и малым значением проницаемости возврата возв.
В существующих технических магнитотвердых материалах  = 0,250,75.

различия в химическом составе, природе высококоэрцитивного состояния и технологии изготовления.

Магнитотвердые материалы:
стали – закаливаемые на мартенсит углеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом;
дисперсионно-твердеющие сплавы;
диффузионно-твердеющие сплавы на основе системы железо–никель–алюминий с добавками кобальта, меди, титана;
сплавы с участием благородных металлов типа Pt–Co, Pt–Fe, Ag–Mn–Al;
сплавы кобальта с редкоземельными металлами (РЗМ);
магнитотвердые ферриты бария, стронция, кобальта;
композиционные.

Область применения

магнитной энергии могут быть получены легированием углеродистой стали (с содержанием

углерода около 1 %) хромом (ЕХ3), вольфрамом (ЕВ6), хромом и кобальтом (ЕХ5К5), хромом, кобальтом и молибденом (ЕХ9К15М2). Магнитные свойства этих материалов в значительной степени определяются термической обработкой. Эта зависимость объясняется тем, что высококоэрцитивное состояние этих материалов обусловлено магнитоупругим взаимодействием. Например, для кобальтовых сталей при увеличении содержания кобальта одновременно возрастают магнитострикция и коэрцитивная сила.
Высококоэрцитивное состояние в мартенситных сталях обеспечивается неоднородной двухфазной структурой после закалки на мартенсит (в виде мелкодисперсных пластинок цементита, равномерно распределенных в феррите) и обусловлено сочетанием магнитокристаллической и магнитострикционной анизотропий.

временную стабильность по сравнению с магнитами других групп. Несмотря на

относительно низкие магнитные свойства, мартенситные стали обладают преимуществами: они дешевы и допускают обработку на металлорежущих станках. Применяют их в тех случаях, когда к магнитным системам не предъявляются требования по габаритам и массе, а также в качестве «полутвердых» магнитных материалов для изготовления элементов магнитных систем, в которых магнитная индукция в рабочем зазоре должна переключаться, т.е. менять направление при подаче управляющего сигнала не слишком большой мощности.
Br = 0,81,0 Тл; Hc = 4,811,9 кА/м

Fe-Ni-Cu  кунифе, Fe-Ni-Cu-Co  кунико, Fe-Co-V  викалой, Fe-Co-Mo

 комоль, Fe-Cr-Co, подвергающиеся холодной и горячей механической обработке давлением. Их оптимальные магнитные свойства возникают в результате создания мелкодисперсной (обычно метастабильной или даже неравновесной) структуры, образующейся при выделении избыточной фазы, которая отличается от матрицы намагниченностью насыщения.
Как и у мартенситных сталей, высококоэрцитивное состояние этих сплавов обусловлено задержкой смещения доменных границ в результате сочетания магнитокристаллической и магнитострикционной анизотропии.
Часть сплавов кунифе, кунико и комоль потеряла свое значение и выпускается в ограниченных масштабах по техническим условиям предприятий ввиду разработки более высококачественных сплавов системы ЮНДК. Несколько шире применяются сплавы Fe-Co-V и сплавы Fe-Cr-Co.

викалой по пластичности приближается к Cu, а после обработки 

к стали. Эти сплавы приобретают магнитотвердые свойства только после холодной деформации на 7090 % (прокатка, волочение) и последующего отпуска. Из этих сплавов, ввиду их высокой стоимости, изготовляют очень мелкие магниты сложной или ажурной конфигурации, сердечники активной части гистерезисных двигателей и высоко-прочные ленты и проволоки. В этом преимущество сплавов викалой, так как из других магнитотвердых материалов (за исключением еще более дорогого сплава системы Co-Pt) изготовить изделия такой сложной формы очень сложно или невозможно из-за низких пластичности и прочности. (Br = 0,91,1 Тл; Hc = 1224 кА/м)
Сплавы Fe-Cr-Co применяются в магнитных системах замкнутого типа в тех случаях, когда форма магнита затрудняет его изготовление методом литья и требуется значительная механическая обработка, или когда к магнитам предъявляются повышенные требования по прочности. Применение этих сплавов ограничено высокой стоимостью и дефицитностью Co. (Br = 0,81,25 Тл; Hc = 2052 кА/м)

сплавов ЮНДК, имеют наилучшие магнитные свойства, а также – самые

стабильные среди магнитотвердых материалов и способны работать при самой высокой температуре. (Так, при испытаниях в течение года при температуре 500 °C структурных изменений в них не наблюдается.)
Механизм магнитного твердения сплавов ЮНДК имеет принципиальное отличие: в этих сплавах основную роль играет анизотропия формы выделений сильномагнитной фазы, когерентно связанных со слабомагнитной, почти немагнитной матрицей. В термообработанном состоянии эти сплавы представляют собой фактически совокупность однодоменных анизотропных по форме частиц, разделенных немагнитными прослойками, что и определяет механизм перемагничивания.
В зависимости от режима термической обработки коэрцитивная сила этих сплавов может меняться в сотни раз.

электроизмерительных, радиотехнических и других приборах.
Недостатки сплавов ЮНДК – их

высокая твердость и хрупкость, поэтому они могут обрабатываться только шлифованием. Магниты из этих сплавов изготавливают либо методом литья, либо методами порошковой металлургии. Прочность металлокерамических сплавов в 36 раз больше, чем у литых.
(Br = 0,51,4 Тл; Hc = 4096 кА/м)