Магнитно-мягкие материалы

Магнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно слабых магнитных полях напряжённостью Н ~ 8—800 а/м (0,1—10 э). При температурах ниже Кюри точки (См. Кюри точка) (у армко-железа (См. АРМКО-железо), например, до 768 °С) М.-м. м. спонтанно намагничены, но внешне не проявляют магнитных свойств, так как состоят из хаотически ориентированных намагниченных до насыщения областей (доменов (См. Домены)). М.-м. м. характеризуются высокими значениями магнитной проницаемости — начальной μ_a ~ 10²—10⁵ и максимальной μ_max ~ 10³—10⁶. Коэрцитивная сила H_c М.-м. м. колеблется от 0,8 до 8 а/м (от 0,01 до 0,1 э), а потери на магнитный гистерезис очень малы ~ 1—10³ дж/м² (10—10⁴ эрг/см²) на один цикл перемагничивания. Способность М.-м. м. намагничиваться в слабых магнитных полях обусловлена низкими значениями энергии магнитной кристаллической анизотропии, а у некоторых из них (например, у М.-м. м. на основе Fe — Ni, у некоторых ферритов (См. Ферриты)) также низкими значениями магнитострикции (См. Магнитострикция). Это связано с тем, что Намагничивание происходит в результате смещения границ между доменами, а также вращения вектора намагниченности доменов. Подвижность границ, способствующая намагничиванию, снижается в случае присутствия в материале различных неоднородностей и напряжений, изменяющих энергию границ при их смещении. Поэтому свойствами М.-м. м. обладают также магнитные материалы, имеющие значительную энергию магнитной кристаллической анизотропии, но в которых отсутствуют (вернее, присутствуют в малых количествах) вредные примеси внедрения (углерод, азот, кислород и другие), Дислокации и другие дефекты, искажающие кристаллическую решётку, а также включения в виде других фаз или пустот размером существенно больше параметров решётки. Однако процесс вращения вектора намагниченности в таких материалах требует приложения более сильных полей. Получение таких малодефектных материалов связано с большими технологическими трудностями. К М.-м. м. принадлежат ряд сплавов (например, перминвары) и некоторые ферриты с малой энергией магнитной кристаллической анизотропии, но с хорошо выраженной одноосной анизотропией, которая формируется при отжиге материала в магнитном поле. Некоторые М.-м. м. (например, Пермендюр) имеют слабую анизотропию, но большие значения магнитострикции.

По назначению М.-м. м. подразделяют на 2 группы: материалы для техники слабых токов и электротехнической стали. Важнейшими представителями М.-м. м., применяемых в технике слабых токов, являются бинарные и легированные сплавы на основе Fe — Ni (пермаллои (См. Пермаллой)), имеющие низкую H_c» 0,01 э и очень высокие µ_a (до 10⁵) и µ_max (до 10⁶). К этой же группе относятся сплавы на основе Fe — Со (например, пермендюр), которые среди М.-м. м. обладают наивысшими точкой Кюри (950—980 °С) и значением магнитной индукции насыщения B_s, достигающей 2,4· 10⁴ гс (2,4 тл), а также сплавы Fe — Al и Fe — Si — Al. Для работы при частотах до 10⁵ гц используются сплавы на Fe — Со — Ni основе с постоянной магнитной проницаемостью, достигаемой термической обработкой образцов в поперечном магнитном поле, которое формирует индуцированную одноосевую анизотропию (кристаллическая магнитная анизотропия при этом должна быть как можно меньше). Постоянство магнитной проницаемости (в пределах 15%) сохраняется при индукциях до 8000 гс и обеспечивается тем, что при намагничивании таких М.-м. м. процесс вращения является доминирующим. В области частот 10⁴—10⁸ гц нашли применение Магнитодиэлектрики, представляющие собой тонкие порошки карбонильного железа, пермаллоя или альсифера, смешанные с кем-либо диэлектрической связкой.

Широко применяются в технике слабых токов смешанные ферриты (например, соединение из цинкового и никелевого ферритов), а также ферриты-гранаты, кристаллическая структура которых одинакова с природными гранатами (См. Гранаты). Для них характерно исключительно высокое электрическое сопротивление и практическое отсутствие Скин-эффекта. Ферриты-гранаты применяются при очень высоких частотах (если невелики диэлектрические потери).

Магнитно-мягкие сплавы выплавляют в металлургических печах, для придания необходимой формы слитки подвергают ковке или прокатке. Ферриты получают спеканием окислов металлов при высоких температурах, изделия прессуют из порошка (для чего феррит размалывают) и обжигают. Из магнитно-мягких сплавов изготавливают сердечники трансформаторов (микрофонных, выходных, переходных, импульсных и других), магнитные экраны, элементы памяти ЭВМ, сердечники головок магнитной записи; из ферритов, кроме того, — магнитные антенны, волноводы и др.

К электротехническим сталям относятся сплавы на основе железа, легированные Si (0,3—6% по массе); сплавы содержат также 0,1—0,3% Mn. Стали вырабатываются горячекатаные — изотропные, и холоднокатаные — текстурованные. Потери энергии при перемагничивании текстурованной стали ниже, а магнитная индукция выше, чем горячекатаной. Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.

Для улучшения магнитных свойств все холоднокатаные магнитно-мягкие сплавы и стали подвергают термической обработке (при 1100—1200 °С) в вакууме или в среде водорода. Сплавы Fe — Со, Fe — Ni и Fe — Al склонны упорядочивать структуру при температурах 400—700 °С, поэтому в этой области температур для каждого сплава должна быть своя скорость охлаждения, при которой создаётся нужная структура твёрдого раствора.

К М.-м. м. специального назначения относятся Термомагнитные сплавы, служащие для компенсации температурных изменений магнитных потоков в магнитных системах приборов, а также Магнитострикционные материалы, с помощью которых электромагнитная энергия преобразуется в механическую энергию.

В таблице приведены характеристики наиболее распространённых М.-м. м.

Основные характеристики важнейших магнито-мягких материалов

Марка материала	Основной состав, % (по массе)	Bs·10–3, гс	Tk, °C	ρ·106, ом·см	µa·10–3, гс/э	µmax·10–3, гс/э	Hc, э	Потери на гистерезис при B = 5000 гс, эрг/см3
80 НМ (суперпермаллой)	80Ni, 5Mo, ост. Fe	8	400	55	100	1000	0,005	10
79 НМ (молибденовый пермаллой)	79Ni, 4Mo, ост. Fe	8	450	50	40	200	0,02	70
50 Н	50Ni, ост. Fe	15	500	45	5	40	0,1	150
50 НП1	50Ni, ост. Fe	15	500	45		100	0,1	600 (при B = 15000 гс)
40 НКМП (перминвар прямоугольный)2	40Ni, 25Co, 4Mo, ост. Fe	14	600	63		600	0,02	200 (при B = 14000 гс)
40 НКМЛ (перминвар линейный)3	40Ni, 25Co, 4Mo, ост. Fe	14	600	63	2	2,0+ (<15%)	–	–
47 НК (перминвар линейный)3	47Ni, 23Co, ост. Fe	16	650	20	0,9	0,90+ (<15%)	–	–
49 КФ–ВИ (пермендюр)	49Co, 2V, ост. Fe	23,5	980	40	1	50	0,5	5000
16 ЮХ	16Al, 2Cr, ост. Fe	7	340	160	10	80	0,03	100
10 СЮ	9,5Si, 5,5Al, ост. Fe	10	550	80	35	100	0,02	30
Армко-железо	100Fe	21,5	768	12	0,5	10	0,8	5000
Э 44	4Si, ост. Fe	19,8	680	57	0,4	10	0,5	1200
Э 330	3,5Si, ост. Fe	20	690	50	1,5	30	0,2	350
Ni–Zn феррит	(Ni, Zn) O·Fe2O3	2–3	500–150	1011	0,05–0,5	–	1,5–0,5	–
Mn–Zn феррит	(Mn, Zn) O·Fe2O3	3,5–4	170	107	1	2,5	0,6	–

Примечание: µ_a и µ_max – начальная и максимальная магнитные проницаемости магнито-мягких материалов; Tk – температура Кюри; ρ – электрическое сопротивление; H_c – коэрцитивная сила; B_s, B_r, B_m – индукция насыщения, остаточная и максимальная в поле 8–10 э.

¹Кристаллически текстурирован. ²После обработки в продольном магнитном поле. ³После обработки в поперечном магнитном поле. 1 гс = 10^–4 тл; 1 э = 79,6 а/м.

Лит. см. при ст. Магнитные материалы.

И. М. Пузей.