История электротехники - Коллектив авторов

В настоящее время широким фронтом продолжаются исследования магнитных материалов с целью достижения экстремальных характеристик. Направлениями повышения качества этих материалов являются уменьшение вредных примесей в стали, разработка методов выплавки стали при малых скоростях кристаллизации, разработка оптимальных режимов термической обработки, применение термомагнитной обработки, уменьшение констант магнитной анизотропии и магнитострикции, разработка технологии получения электротехнических сталей с повышенным содержанием кремния, применение методов порошковой металлургии и другие способы.

Для большинства элементов устройств автоматического регулирования требуются магнитные материалы с высокими значениями магнитной проницаемости при форме петли гистерезиса, близкой к прямоугольной. Отечественная металлургия выпускает две группы таких сплавов: железоникелевый сплав с 50% никеля и 50% железа, известный под маркой 50НП, и железоникелевые и железоникелькобальтовые, легированные в некоторых случаях молибденом, медью, хромом и кремнием.

Исследование железоникелевых сплавов было начато в 1913 г. Г. Элменом (Канада). К этой работе его побудило желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение магнитной индукции насыщения было открыто им же. Он установил, что сплавы с содержанием никеля более 30% (от 36 до 80%) дают возможность резко повысить как начальную, так и максимальную магнитные проницаемости, но одновременно снижается намагниченность насыщения по сравнению с чистым железом. Бинарные железоникелевые сплавы, которые были названы пермаллоями, с высоким содержанием никеля отличаются сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому уже в самом начале работ над пермаллоями были сделаны попытки повысить удельное сопротивление введением дополнительных легирующих присадок — молибдена и хрома. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле.

Систематическое изучение тройных сплавов (железо-никель-медь) было предпринято О. Ауверсом и X. Нейманом (Германия). В 1935 г. они установили, что если в исходном сплаве, содержащем от 70 до 80% никеля (остальное железо), уменьшать содержание никеля вплоть до 50% и вводить в сплав до 40% меди, то можно

получить целый ряд сплавов, характеризующихся максимумом начальной магнитной проницаемости.

Другой, четырехкомпонентный, сплав на основе хромпермаллоя, известный под названием мюметалл (75% никеля, 18% железа, 5% меди и 2% хрома), который долго являлся материалом с наибольшей магнитной проницаемостью, был разработан Н. Рандаллом в 1937 г. в Германии. С этого времени начинается интенсивная и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов.

Для высокочастотных цепей в сердечниках долгое время применялся так называемый феррокарт. Это было торговое название материала, изготовленного из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки. В 1928 г. Д. Митташ (Германия) из пентакарбонила железа изготовил железный порошок с размером частиц от 1 до 10 мк, который стал использоваться для изготовления колец и стержней карбонильных сердечников. В 1930 г. В. Шаселтоном и Г. Барбером в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя, превосходившие по свойствам карбонильные сердечники. Такой материал был получен в 1935 г. в Японии X. Масумото и известен под названием альсифер. Он представляет собой сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Современные высокие требования электротехники могут быть выполнены благодаря новым видам магнитных материалов. Систематические экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 30–40 лет назад, почти исчерпали свои возможности. Из простых, двойных и более сложных сплавов были использованы лишь самые лучшие. Совершенствовались технологические процессы: были применены вакуумные плавки и отжиг. Новые свойства материалы получили при термомагнитной обработке, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения магнитной индукции насыщения кремнистой стали.

Следующий этап был связан с разработкой в 1947 г. Р. Бозортом (США) [10.28] новой технологии термообработки пермаллоев, а именно: были введены отжиг при температуре 1200–1300 °С в среде чистого водорода и длительный отпуск при температуре 400–550 °С. После подобной обработки одной из промышленных марок пермаллоя — так называемого супермаллоя (79% никеля, 16% железа, 5% молибдена) удается получить начальную проницаемость более 100 тыс. В 1958 г. Ф. Ассмус (Германия) доказал, что эффект удаления примесей в процессе высокотемпературного отжига и последующего отпуска имеет место не только в супермаллое и что таким способом достигается очень высокая магнитная проницаемость в целой группе тройных сплавов, например в мюметалле и сплаве 1040.

Дальнейшие исследования привели к получению двойных сплавов алюминий-железо, к которым относятся, например, альфенол (16% алюминия) и терменол (16% алюминия, 3% молибдена), которые по магнитным свойствам не уступают низконикелевым пермаллоям. Альфенол удается изготавливать в виде лент толщиной до 0,1 мм, что позволяет использовать его в головках для звукозаписи. Отечественный альфенол марок 12Ю с магнитной проницаемостью μr = 1000 и 12ВИ с μr = 10 000 характеризуется высокой прочностью, износоустойчивостью и стойкостью к коррозии, что позволяет изготовлять изделия с высокой чистотой обработки поверхности.

10.4.2. АМОРФНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ (АММ)

Это новая группа магнитомягких материалов с перспективным сочетанием высоких магнитных, электрических и механических свойств. Упорядоченное расположение атомов в этих материалах существует только в ближнем порядке. Такое аморфное состояние формируется при высокой скорости охлаждения жидкого расплава металла или сплава, частицы при этом не успевают образовать кристаллическую решетку. На практике наиболее широко применяют метод быстрой закалки. Процесс производства АММ дешевле, чем традиционных листовых магнитомягких металлов (МММ).

Металлические АММ содержат 75–85% переходных металлов (железо, кобальт, никель), сплавленных с 15–25% металлоида — бора, углерода, кремния, фосфора, использующихся в качестве стеклообразующих. Дополнительно АММ легируются хромом, танталом, ванадием, марганцем и др. По магнитным свойствам АММ не уступают электротехническим сталям и пермаллоям. Удельное электрическое сопротивление АММ 1,25–1,8 мкОм∙м. Магнитные потери в АММ для переменных полей высоких частот (до 100 кГц) ниже, чем потери в электротехнических сталях. Основным разработчиком АММ в России являлся ЦНИИчермет. В настоящее время в России налажено производство АММ различных марок.

10.4.3. ФЕРРИМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В настоящее время большое внимание уделяется ферритам. Ферриты ведут свое происхождение от магнетита — естественного постоянного магнита, известного на протяжении всей истории человечества. Природный минерал — феррит железа, или магнетит Fe3O4, был давно известен как один из магнитных материалов. Учитывая низкую удельную электрическую проводимость магнетита (100 Ом∙см). С. Гильберт (Германия) уже в 1909 г. предложил использовать его в высокочастотных магнитных цепях. Однако из-за плохих магнитных свойств, и прежде всего из-за низкой магнитной проницаемости, ферриты железа не нашли практического применения; к тому же сама техника высоких частот делала в те годы первые шаги. Лишь после интенсивных исследований, начатых в Голландии в 1933 г., удалось существенно улучшить характеристики ферритов и организовать их широкое внедрение в технику.

В 1936 г. научные исследования в этом направлении начала лаборатория фирмы «Филипс». К концу второй мировой войны благодаря фундаментальным исследованиям Я. Сноека в Голландии был разработан ряд синтетических магнитомягких ферритов с начальной магнитной проницаемостью 103 [10.27].

В СССР пионерами разработки ферритов являлись коллективы ученых, возглавляемые ГА. Смоленским, Н.Н. Шольц, К.А. Пискаревым, С.В. Вонсовским, К.М. Поливановым, С.А. Медведевым, К.П. Беловым, Е.И. Кондорским, РВ. Телесниным, Я.С. Шуром, Т.М. Перекалиной, И.И. Ямзиным, Л.И. Рабкиным, А.И. Образцовым и многими другими [10.30, 10.31,10.33].

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.