Стали і сплави з особливими фізичними властивостями
Сплави, що мають точно розцінка ?? енний склад і спеці-альні фізичні або фізико-механічні властивості, називають прецизійними. При їх виготовленні потрібно строго дотримуватися режими виплавки і обробки. При відхиленні від суворо регламентованих режі-мов недосяжні високі параметри, характерні для того чи іншого сплаву.
До прецизійним відносять сплави зі спеціальними електричними, тепловими, магнітними, пружними і іншими властивостями.
Більшість прецизійних сплавів створено на основі-ве Fe, Ni і Со. або на базі їх поєднання (наприклад, Fe - З, Fe - Ni, Ni - Со). Для посилення відповідаю-щих фізичних властивостей сплави легують елементами: Мо, Сr, Мn, Сu, Zr, Ti, Nb, Ве і іншими.
У матеріалознавстві за магнітними властивостями матеріали поділяють на магнітно-м'які, магнітно-тверді і немагнітні матеріали.
Перш ніж розглядати ці групи матеріалів, нагадаємо, як відбувається процес намагнічування матеріалів при додатку зовнішнього магнітного поля.
Відомо, що навіть в монокристалах, а тим більше в полікристалічних матеріалах весь обсяг тіла розділ ?? ен на області - домени, розділ ?? енние вузькими межі-цями, що носять назву стінок доменів. Розміри до-менів різні для різних речовин, і навіть в одному матеріалі вони залежать від структури і властивостей визна-ленного зразка. Як правило, розміри доменів со-ють 10 -3 ... 10 -2 см, а товщина стінок між будинку-нами - близько 10 ... 100 нм. Кожен з доменів ориен тірован в притаманному йому напрямку легкого намагні-чування (рис. 19).
При безладному розташуванні енергія стінок до-менів, вклади магнітокрісталліческой і магнітострикційному енергій - мінімальні і матеріал - немагні-тен. Додаток магнітного поля, перш нд ?? його, приво-дит до зростання доменів за рахунок приєднатися ?? ення сос ?? едніх доменів близькою орієнтації, а потім їх зростання відбувається шляхом звернення полів доменів, орієнтованих поблизу-ко до напрямів зворотним прикладеному полю. Кро-ме цього процесу, відбувається інший процес - обертаючи-ня доменів, що приводить до зміни напрямку їх спонтанної намагніченості, т. Е. До орієнтування їх у напрямку прикладеного поля.
Процесом технічного намагнічування прийнято називати створення в феромагнетиках результуючої намагні-ченности - М. рівній сумарній магнітного моменту атомів в одиниці об'єму. При цьому на відміну від пара-магнетиков, для яких характерна лин ?? ейная зв'язок між прикладеним зовнішнім полем і намагнічених-стю, для феромагнетиків при додатку поля намагніченість змінюється Нелін ?? ейно, досягає наси-щення, а потім, в разі якщо змінити напрямок намагнічені-вающего поля, крива піде вище, ніж первоначаль-ва, і при поле рівному нулю буде існувати осту-точна намагніченість.
Мал. 19. Орієнтація магнітних моментів в феромагнетиках
за відсутності зовнішнього магнітного поля:
а - монокристал; б - полікристал
При неодноразовому зміні напрямку намагнічує поле поступово форми-ється замкнута крива (петля гистерезиса). Максі-мальна магнітна індукція прийнято називати індукцією на-насичення. Величина магнітної індукції ± В, зберігаю-щаяся після зняття прикладеного магнітного поля, прийнято називати залишкової магнітної індукції.
Існування явища залишкової магнітної Індуктори ції призвело до створення постійних магнітів. Напря-боргованості магнітного поля Н (А / м), при якій магнітна індукція зводиться до нуля, називають коерці-нормативної силою Нс (затримує напруженістю). Магнітної енергією або енергією перемагничивания на-ни опиняються твір В. Нс.
Мал. 20. Петлі магнітного гистерезиса для магнітно-м'яких матеріалів (а) і магнітно-твердих матеріалів (б). Зверніть увагу на масштаб по осі абцісс
Магнітно-м'якими називають матеріали з високою початковою проникністю і малої коерцитивної сі-лій. Для цих матеріалів характерна мала робота перемагничивания (рис. 20).
Магнітно-твердими матеріалами називають ма-ли з високою коерцитивної силою Н і малої початкової проникністю. Для більшості магнітних ма-лов спостерігається лин ?? ейная залежність між началь-ної проникністю і коерцитивної силою.
Магнітно-м'які матеріали використовують в трансфор-матора, генераторах, перемикачах та інших устрій ствах. До числа цих матеріалів відносяться чисте жел ?? е-зо, трансформаторна і динамная стали (сплав жел ?? еза з кремнієм), альсифера (сплави Fe - Si - Al).
У приладобудуванні і слаботочной промисловості також застосовують магнитомягкие матеріали - пермалоя (Fe + 78,5% Ni) і супермалоі (Fe-5% Мо-79% Ni). Як правило, це однофазні матеріали.
Для зменшення втрат енергії вкрай важливо викорис-товувати матеріали з вузькою петлею гистерезиса. При ма-лій площі петлі гістерезису співвідношення між У і Нс практично лин ?? ейно. Коефіцієнт пропорційності-ності цього соотношеніяm - магнітна проникність. Для звичайного жел ?? еза проникність дорівнює кільком тисячам, а для сплаву супермалий - близько мил-Ліона.
Для виготовлення трансформаторів і Електромото-рів необхідні такі магнітно-м'які матеріали, в ко-торих намагніченість помітно змінюється навіть при при-додатку невеликих магнітних полів. Для цього стінки магнітних доменів повинні легко рухатися, що досягнень-гается в матеріалах з невеликою кількістю дефектів (включень другої фази, дислокацій).
Високі властивості пермаллоев обумовлені фізич-ськими властивостями компонентів, що входять в них. На-правління легкого намагнічування в нікель ?? е - <111> . а в жел ?? Езе - <100> . При змішуванні їх в определ ?? ен-ної пропорції виходить, що в сплаві ці два напрямки стають еквівалентними, т. Е. В сплаві нічого не буде пріоритетним напрямки легкого намагнічування і для намагнічування сплаву буде необхідна лише невелика енергія. Разом з тим, в цих сплавах практично не проявляється магнітострикція. Посколь-ку наклеп підвищує коерцитивної силу і знижує маг-нітних проникність, ці сплави зазвичай використовують в відпаленого стані. Велике зерно сприяє підвищенню магнітної проникності, в зв'язку з цим ма-ли намагаються рекрісталлізовать на велике зерно.
Технічне жел ?? ЕЗО (марки Е, ЕА, ЕАА) використовують для магнітопроводів постійного струму (електромагніт-ти, рел ?? е і т. П.). Недоліком чистого жел ?? еза є великі втрати потужності через вихрових токовФуко. що виникають при перемагничивании.
Легування жел ?? еза кремнієм (трансформаторна і динамная стали) значно підвищує електросопро-тивление і знижує втрати за рахунок вихрових струмів. Кремній також підвищує магнітну проникність і індукцію, знижує коерцитивної силу і втрати на гістерезис. Але кремній, при його вмісті в жел ?? Езе вище 3%, викликає крихкість.
Електротехнічну сталь випускають у вигляді листів холоднокатаних і гарячекатаних. Для збільшення раз-міра зерна при рекристалізації і випалювання вуглецю сталь піддають відпалу при 1100 ... 1200 ° С (в вакуумі, водні або диссоциированном аміаку). Динамную сталь випускають у вигляді листа товщиною 0,5 мм, причому відпалом домагаються ізотропної структури. Трансфор-маторную ж сталь (завтовшки 0,35 мм) випускають обя-ково у вигляді текстурованих листів і стрічки, т. Е. До-Біван переважної однаковою орієнтування нд ?? ех зерен вздовж напрямку прокатки. Найбільш рас-рення текстурою, яку намагаються отримати в трансформаторній стали, є текстура Госса - <001> . тому що в напрямку <100> жел ?? ЕЗО легко намагнічується. Останнім часом в промисловості починають використовувати стали з кубічної текстурою, т. Е. З такою переважної орієнтуванням зерен, коли з площиною прокатки сов-падає грань куба. а з напрямком прокатки його ребро <100> . При такій текстурі в площині прокатки розташовуються два напрямки легкого намагнічені-вання - уздовж і поперек напрямку прокатки. Як текстура Госса, так і кубічна текстура створюються в трансформаторних сталях шляхом складних технологічних переділів. Текстура Госса виходить шляхом спів-четанія гарячої прокатки, дво- або триразових холодних прокаток і остаточного високотемпературного-го відпалу в вакуумі або захисній атмосфері. Для отримання кубічної текстури використовують три способи: отримання її в результаті вторинної рекристалізації, в результаті багаторазової первинної рекристалізації з литих заготовок з кубічної аксиальной текстурою <100> . Для отримання кубічної текстури необхід-мо застосовувати дуже чисті шихтові матеріали і плавку проводити в вакуумі. Утворенню кубічної текстури сприяє легування стали марганцем (0,3 ... 0,35%) або нікель ?? їм (1 ... 2%). Сьогодні кубічна текстура виходить як в стрічці товщиною 0,10 ... 0,20 мм, так і в стрічці товщиною 0,35 ... 0,5 мм.
Електротехнічні стали прийнято маркувати бук-вої Е. перша цифра за якою відповідає утримуючи-ня кремнію у відсотках, друга цифра - питомою по-терям на перемагнічування (1 - нормальні питомі втрати, 2 - знижені, 3 - низькі), 0 в кінці марки вказує, що сталь холоднокатана текстуровані, 00 - холоднокатаная малотекстурованной. Слідчий-но, гарячекатані сорти сталей маркуються Е11, Е12, Е21, Е32, Е41, Е42, Е43. Холоднокатані стали марки-ються Е1100, Е310, Е3100 і т.д.
Зі збільшенням вмісту кремнію в стали втрати на перемагнічування (так звані ватні втрати) зменшуються. З ростом частоти струму втрати увеличива-ються. Важливо зауважити, що для суттєвого їх зниження слід підвищувати електроопір матеріалів. З цієї причини при висо-ких частотах цілий ?? есообразно використовувати ферити. Фер-рити отримують спіканням порошків Fe2 O3 і оксидів двовалентних металів: ZnO, NiO, MnO і ін.
Пермаллои широко використовують в слаботочной про-мисловості (радіо, тел ?? еграф, тел ?? Ефона). Широко при-міняють також альсифера (5,4% Аl, 9,6% Si, 85% Fe), перевага яких перед пермаллоев - їх неде-фіцітнимі.
Важливо зауважити, що для створення постійних магнітів використовують мате-ріал з широкою петлею гистерезиса (мал. 20, б), щоб при знятті зовнішнього що намагнічує поле намагні-ченность залишилася великий (магнітно-тверді ма-ли). Енергія постійних магнітів (В. hс) буде тим більше, чим вище значення обох співмножників ?? їй. По-кільки значення В обмежені магнітним насиченням феромагнітних матеріалів (Fe, Ni, Со), то для збіль-личен енергії збільшують коерцитивної силу.
Одним з дуже ефективних матеріалів, вико-мих для цих цілий ?? їй, є сплав типу альнико (51% Fe; 8% Аl; 14% Ni; 24% З; 3% Сu). Його ви-сокая магнітна енергія досягається в результаті за-Калки з температури 1250 ... 1300 ° С і подальшого ста-ренію при 600 ... 650 ° С. Структура сплаву після термічної-чеський обробки складається з феромагнітної матриці і вкраплених в неї дрібних магнітних же частинок. Фер-ромагнітная матриця забезпечує досить високу залишкову індукцію.
Дефіцит нікелю і кобальту привів до вкрай важливо сті створення нових сплавів, що поєднують високу магніт-ву енергію і хороші механічні властивості. Так, сплав 71ГЮ (71% Мn, Аl - інше) використовують при виготовленні багатополюсних магнітів і двополюсних, для роторів електродвигунами ?? їй і інших магнітів в при-боростроеніі. Магнітний сплав системи 70ГГл (системи Мn - Gа) застосовують для виготовлення дрібних маг-нітов з великим розмагнічувати фактором.
У техніці постійних магнітів застосовують і мате-ріали, в яких в парамагнітну матрицю вкраплені дрібні (практично однодоменних) феромагнітні частинки. До числа таких сталей відносяться ЕХ3 (3% Сr); ЕХ5К5 (5% Сr, 5% З); ЕХ9К15М (9% Cr, 15% Со, 1% Мо). Ці стали легко обробляються різанням і де-формуються, але поки застосовуються лише для не дуже відповідальних магнітів.
У радіоапаратурі і електромашинобудуванні іноді потрібні магнітодіелектрики, які відрізняються ви-соким постійністю магнітної проникності. Магни-тодіелектрікі виходять зазвичай методами порошко-вої металургії з карбонільного жел ?? еза і альсифера з ізолюючими матеріалами. Іноді в Електромаши-ностроеніі потрібні немагнітні матеріали з низькою електропровідністю і високими механічними свій-ствами. Для цих цілий ?? їй використовують аустенітні стали і чавуни. До числа таких сталей відносяться Н12ХГ, 45Г13Ю3, Х18Н9 і ін.