История электротехники

Коллектив авторов

Для получения высокой магнитной проницаемости ферритов, относящихся к группе поликристаллических материалов с кубической гранецентрированной решеткой, необходимо стремиться к уменьшению внутриструктурных напряжений и кристаллической анизотропии. Другими словами, магнитострикция и константа кристаллографической анизотропии должны быть близкими к нулевому значению. Исследованиями было установлено, что если образовать твердый кристаллический раствор оксида железа Fe₂O₃ с немагнитной присадкой, то точку Кюри можно сместить в область, близкую к комнатным температурам, и таким образом резко повысить магнитную проницаемость в рабочем диапазоне температур. В качестве немагнитного компонента наиболее пригодным оказался оксид цинка, так как феррит цинка кристаллизуется не в обращенной магнитной форме, а в форме нормальной немагнитной шпинели. В последующие годы была разработана большая группа магнито-мягких ферритов для различных диапазонов частот путем

присадки цинка и никеля или цинка и марганца. По сравнению с никель-цинковыми марганец-цинковые ферриты обладают более высокой магнитной проницаемостью и намагниченностью насыщения. Наряду с этим тангенс угла диэлектрических потерь возрастает быстрее у марганец-цинковых ферритов начиная с частоты около 1 МГц; причина этого явления — смещение в сторону более низких частот гиромагнитной граничной частоты, увеличение размеров зерен структуры и уменьшение удельного электрического сопротивления материала. Поэтому в катушках высокой добротности марганец-цинковые ферриты применяют только для работы на частоте до 2 МГц, а для работы на частотах до 300 МГц сердечники изготовляют из никель-цинковых ферритов, имеющих также кубическую поликристаллическую структуру, но более низкую магнитную проницаемость.

Редкоземельные ферриты со структурой граната заняли в технике столь же важное место, как и ферриты со структурой шпинели. Формула гранатов может быть записана следующим образом: Me₃Fe₅O₁₂, где Me обозначает ион редкоземельного металла. Изучение редкоземельных гранатов было затруднено тем, что их структуру относили к типу искаженного перовскита. В 50-х годах X. Форестье и Г. Гийо-Гийен (Франция) изготовили несколько соединений класса Fe₂O₃Me₂O₃, где Me обозначает лантан, празеодим, неодим, самарий, эрбий, иттрий, гадолиний, тулий, диспрозий и иттербий. Они обнаружили, что намагниченность насыщения этих соединений несколько ниже, чем намагниченность насыщения никелевого феррита, и что существует две температуры Кюри — выше 400 °С и около 300 °С, в которых намагниченность принимает нулевое значение. Одна из этих «точек Кюри» представляет собой температуру компенсации, характерную для некоторых ферримагнитных гранатов. Г. Гийо считал, что этот материал обладает кубической структурой типа перовскита, и установил соответствие между температурами Кюри и диаметрами металлических ионов. В 1954 г. Р. Потенэ и X. Форестье (Франция) опубликовали дополнительные данные о температурных зависимостях намагниченности для ферритов гадолиния, диспрозия и эрбия. Е.Ф. Берто и Д. Форра (Франция) в 1956 г. рассмотрели подробнее систему Fe₂O₃Me₂O₃ и предположили наличие новой структуры для этого класса материалов. Эта структура состоит из кубических элементарных ячеек, содержащих восемь формульных единиц 5Ре₂О₃3Ме₂О₃.

Эта структура оказалась изоморфной с классическим природным гранатом Ca₃Fe₂Si₃O₁₂. Л. Неель, Ф. Берто, Д. Форра и Р. Потенэ (Франция) назвали эту новую группу ферримагнитных материалов редкоземельными гранатами.

В 1958–1970 гг. Д. Геллер и А. Джилео (США), А.Г. Титова, В.А. Тимофеева и Н.Д. Урсуляк (СССР) продолжили изучение структуры граната и ферримагнитных свойств иттриевого граната. Это соединение оказалось наиболее важным представителем данного класса веществ. Такие материалы оказались незаменимыми в сверхвысокочастотных устройствах.

10.4.4. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

До 1910 г. постоянные магниты изготовлялись из углеродистой стали, так как эта сталь обладает относительно небольшим значением коэрцитивной силы Н_с и большим значением индукции В_r, отношение длины магнитов к поперечному сечению было большим. Чтобы уменьшить рассеяние, магниты выполнялись в виде подковы, которая и стала условным обозначением постоянного магнита. Наибольшее значение магнитной энергии для таких материалов составляло 1,6 кДж/м³.

Возможность повышения магнитной энергии была показана еще в 1885 г. при исследовании вольфрамовой стали. В период первой мировой войны нашли применение хромистые стали (до 6% Cr), в которых энергия достигала 2,5 кДж/м³.

В 1917 г. находят, что добавки в сталь до 36% кобальта приводят к значительному повышению энергии — до 8 кДж/м³. Кобальтовые стали в ограниченном объеме изготовляются и применяются в настоящее время.

В 1926–1927 гг. на заводе «Красный путиловец» исследуются свойства и технология производства вольфрамовой стали. В 1926 г. на Ижевском заводе отливаются

слитки нескольких марок кобальтовой стали для постоянных магнитов. Исследование кобальтовых сталей проводилось в Горной академии и ВЭИ.

В 1934 г. кобальтовую сталь, которая имеет коэрцитивную силу в 2,5–3,5 раза выше, чем вольфрам истая, начинает выпускать завод «Электросталь». Сталь находит широкое применение в приборостроении.

Высокие механические параметры стали позволяют изготовлять магниты достаточно тонкими и сложной формы. Во время второй мировой войны была разработана магнитная сталь МТ, без дефицитных добавок кобальта и никеля с добавками алюминия и углерода, обладающая высокими магнитными свойствами (магнитная энергия до 3,6 кДж/м³ и коэрцитивная сила больше 16 кА/м).

Начиная с середины 30-х годов среди лабораторий, занимающихся исследованием магнитных материалов в СССР, на первое место выдвигается магнитная лаборатория (МЛ) ВЭИ, заслуга которой состоит не только в исследовании материалов, но и в их внедрении в производство. Большую работу МЛ ВЭИ проделала в области исследования сплавов для постоянных магнитов.

В 1931 г. Т. Мишимой (Япония) и В. Кестером (Германия) были созданы сплавы для постоянных магнитов, которые приобретают свои магнитные свойства в результате процессов дисперсионного твердения. Это сплавы типа Fe-Co-W, Fe-Co-Mo и Fe-Ni-A (прежнее название альни). Исследование этих сплавов в нашей стране началось в 1933 г. в МЛ ВЭИ, где были получены первые образцы, имеющие следующие параметры: В_r = 0,7:0,8 Тл и Н_с = 34 кА/м.

В 1934 г. К. Хонда (Япония) разрабатываются сплавы Fe-Ni-Al-Co (альнико), которые наиболее подробно исследовались в различных вариантах составов. Значение магнитной энергии в этих сплавах, легированных медью, достигает 15,2 кДж/м³.

Магнитотвердые сплавы на основе системы железо-никель-алюминия позволили отечественной электротехнической промышленности освоить выпуск литых постоянных магнитов из сплавов альни для генераторов, не уступавших по свойствам зарубежным. Сплавы альни имеют меньшую остаточную магнитную индукцию, чем мартенситные стали, но значительно превосходят их по значению коэрцитивной силы и удельной магнитной энергии.

В истории исследований магнитных сплавов важное значение имеют работы Д.А. Оливера и Дж. Шедцена (Англия) по исследованию влияния магнитного поля в процессе охлаждения на свойства сплавов типа Fe-Ni-Al с повышенным содержанием кобальта, опубликованные в 1938 г. Благодаря их работам удалось довести магнитную энергию сплавов до 32 кДж/м³. Следующий шаг в области улучшения характеристик постоянных магнитов был сделан в 1948 г. при исследовании процессов направленной кристаллизации таких сплавов. Путем регулирования скорости охлаждения изделий удалось получить согласованную ориентацию по ребрам кубов кристаллитов, причем этот процесс усиливается при воздействии магнитного поля на образец. Методом направленной кристаллизации удается повысить остаточную магнитную индукцию до 1,3 Тл и магнитную энергию до 87,5 кДж/м³. Такие результаты в настоящее время достигаются только при специальном изготовлении магнитов. В промышленных условиях, которые обеспечивают частичную ориентацию кристаллов, магнитная энергия достигает не более 58 кДж/ м³. В ряде случаев необходимы материалы со специфическими механическими свойствами. Так, например, в производстве специальных измерительных приборов нужны постоянные магниты, изготовленные из тонколистового или пруткового сортамента; для роторов высокоскоростных машин требуются магниты с высокой прочностью на разрыв. Этим требованиям хорошо удовлетворяют исследованные в 1935 г. сплавы на основе Fe-Ni-Cu, которые имеют исключительно высокие магнитные свойства и способны подвергаться прокатке. В 1937 г. было найдено, что свойства этих сплавов существенно улучшаются, если подвергнуть их деформации в холодном состоянии. В 1940 г. был разработан сплав викалой — Fe-Co-V, по магнитным свойствам превосходящий тройные сплавы Fe-Ni-Cu, но несколько хуже поддающийся механической обработке.

В 1930 г. Н.Н. Разумовскому в СССР было выдано авторское свидетельство на способ улучшения свойств постоянных магнитов путем охлаждения их в магнитном поле. В 1944 г. А.С. Заимовскому, К.В. Нащокину и Л.М. Львовой удалось разработать сплав магнико (ЮНДК24), который превосходит альнико в 1,5–2 раза по остаточной магнитной индукции и в 3 раза по энергии. Появление анизотропных магнитов, или магнитов, имеющих магнитную текстуру, позволило уменьшить массу систем с постоянными магнитами и расширить область их применения. Высококоэрцитивные сплавы системы ЮНДК хрупки и обрабатываются только шлифованием или электроискровым методом. Поэтому постоянные магниты из этих сплавов изготовляются в основном фасонным литьем. Однако для небольших постоянных магнитов этот способ затруднителен. Для решения задачи были выбраны два пути: использование металлокерамической технологии и поиск деформируемых магнитотвердых материалов, из которых можно было бы изготовлять магниты резанием, штамповкой и точением. В табл. 10.2 приведены магнитные свойства сплавов ЮНДК.