Всего на сайте:
236 тыс. 713 статей

Главная | Материаловедение

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 4 страница  Просмотрен 1504

2. Высокая начальная магнитная проницаемость, которая во много раз больше, чем у магнито-диэлектриков. К тому же у ферритов можно получить любой тип гистерезисного цикла.

Ферриты имеют и недостатки:

1. У них малая величина намагниченности (индукции насыщения). Это объясняется тем, что у ферритов проявляется антиферромагнетизм. К тому же большая часть узлов кристаллической решетки в ферритах занята ионами кислорода, которые не вносят своего вклада в общий суммарный момент ферритов. Даже у лучших марок ферритов индукция насыщения не бывает больше 0,4 Тл. Это означает, что ферриты нецелесообразно применять для изготовления магнитных сердечников, работающих в сильных магнитных полях, т.к. в этом случае требуется большая площадь поперечного сечения магнитопровода.

2. У ферритов, как правило, не очень высокая точка Кюри (во всяком случае, у ферритов с высокой начальной магнитной проницаемостью). Чем выше магнитная проницаемость, чем ниже точка Кюри, что ясно из всего вышесказанного. Поэтому ферриты, как правило, имеют плохую термическую стабильность и сравнительно небольшие изменения температуры окружающего воздуха приводят к значительным изменениям всех магнитных характеристик ферритов. Существуют и другие причины нестабильности магнитных характеристик ферритов.

 

1.10 Магнитотвердые материалы

 

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов и классифицируют по способу получения (технологии), основе сплава и назначению.

Различают следующие группы магнитотвердых материалов: литые материалы на основе железа-никель-алюминиевых и железо-никель-алюминий-кобальтовых сплавов; мартенситные стали; пластически деформируемые сплавы; сплавы на основе благородных металлов; магнитотвердые ферриты; сплавы на основе редкоземельных элементов; композиционные материалы.

Постоянные магниты всегда выступают в качестве источников магнитной энергии, которую можно отобрать только в воздушном зазоре.

Поэтому цепи постоянных магнитов всегда разомкнуты.

Из этого утверждения вытекает основное требование к материалам постоянных магнитов: удельная магнитная энергия в воздушном зазоре должна быть максимальна.

На рисунке 53 изображены кривые намагничивания и размагничивания магнитотвердых материалов.

Рисунок 53

 

Если бы у постоянного магнита, не было воздушного зазора, то намагничивание до насыщения осуществлялось бы по кривой Оа, а после выключения намагничивающего поля в материале сохранилась бы остаточная индукция Вr. В действительности в системе постоянного магнита есть воздушный зазор и этому воздушному зазору соответствует определенный угол размагничивания, который зависит от конфигурации магнитной цепи. Если из точки 0 под углом размагничивания α провести луч, то получим точку пересечения d, которая определяет действительную индукцию в образце Вd и действительную напряжен­ность поля Нd.

Удельная магнитная энергия в воздушном зазоре (энергия, которую единица объема магнитотвердого материала отдает в воздушный зазор)

 

 

В некотором масштабе эту энергию можно представить в виде площади прямо­угольника со сторонами, равными действительной величине магнитной индукции и напряженности магнитного поля (на рисунке 53 прямоугольник заштрихован).

Если величина зазора меняется, то меняется и угол размагничивания, а точка 9 перемещается по кривой размагничивания, что в свою очередь, вызывает изменение удельной магнитной энергии. Можно найти оптимальный угол размагничивания, которому соответствует такая конфигурация магнитной цепи, когда в воздушном зазоре может быть получена максимальная удельная магнитная энергия, как это изображено.

Этот параметр является наиболее важной характеристикой магнитотвердого материала. Иногда вместо максимальной удельной магнитной энергии используют пропорциональную ей величину - энергетическое максимальное произведение, которое равно удвоенному значению максимальной удельной энергии.

Максимальная удельная энергия тем больше, чем больше остаточная индукция и коэрцитивная сила магнитотвердого материала, а также больше коэффициент выпуклости кривой размагничивания γ, который тоже является важной характеристикой магнитотвердого материала

 

 

Литые магнитотвердые материалы изготавливают из сплавов на основе железо-никель-алюминий и железо-никель-алюминий-кобальтовых сплавов с некоторыми дополнительными присадками. Высокая коэрцитивная сила этих сплавов объясняется их однодоменным строением.

При охлаждении сплавов (при высокой температуре сплавы имеют структуру однородного твердого раствора) происходит распад твердого раствора на две фазы, одна из которых близка по составу к чистому железу, а вторая состоит из сплава никеля с алюминием и является по существу немагнитной. Задача заключается в том, чтобы выбрать такую скорость охлаждения, при которой частицы магнитной фазы имели бы размеры однодоменных частиц и были равномерно распределены в немагнитной матрице. Такая структура и обеспечивает большую величину коэрцитивной силы сплавов и высокое значение удельной магнитной энергии (таблица 3). Из-за высокого уровня магнитных свойств эта группа материалов является в настоящее время основной для изготовления постоянных магнитов, которые характеризуются к тому же высокой стабильностью (нагрев до 500°С не вызывает структурных изменений в материале).

К недостаткам сплавов следует отнести высокую твердость и хрупкость; сплавы можно механически обрабатывать только шлифованием.

Мартенситные стали являются наиболее старой группой магнитотвердых материалов. Они имеют многодоменную структуру, а их магнитная жесткость достигается закалкой на мартенсит. При такой закалке в материале создается высокий уровень внутренних напряжений, что согласно теории коэрцитивной силы и делает материал магнитотвердым. Удельная магнитная энергия обычно невелика (0,6 - 1,4 кДж/м3).

В настоящее время применение магнитов из этих сталей весьма ограничено из-за низкого уровня свойств, малой временной и температурной стабильности. Полностью от этих материалов не отказываются, так как они сравнительно дешевы и допускают механическую обработку.

Пластически деформируемые сплавы включают большое количество различных систем: железо-никель-медь (кунифе), железо-никель-кобальт и др. В связи с появлением литых магнитотвердых материалов эта группа сплавов утратила свое значение и в нас­тоящее время применяется ограниченное количество сплавов систем железо-кобальт-ванадий (викаллой) и железо-хром-кобальт.

Основное достоинство сплавов - способность к пластической деформации, что позволяет изготавливать из них магниты сложной формы, когда затруднено изготовление методом литья. Материал имеет высокую стоимость из-за повышенного содержания ко­бальта.

Свойства викаллоев (52К12Ф, 52К13Ф): остаточная индукция - 0,90 - 0,95 Тл, коэрцитивная сила - 30 - 38 кА/м, удельная магнитная энергия - 8-14 кДж/м.

 

Таблица 3 - Свойства магнитотвердых материалов

 

Вид материала и марка   Wmax, кДж/м3   Hc, кА/м   Br, Тл
   
Литые МТМ ЮНД8 ЮНДК24 ЮНДК35Т5БА ЮНДК40Т8АА     5,1     0,60 1,20 1,02 0,90
Сплавы на основе благородных Ме ПлК78 ПлК76             0,75 0,70
   
Магнитотвердые ферриты 6БИ240 22БА220 30РА190               0,19 0,36 0,40
Сплавы на основе редкоземельных элементов КС37 КС37А КСП37П КСП37А   72,5     0,77 0,82 0,85 0,90

 

Сплавы на основе благородных металлов. К настоящему времени из всех сплавов этой группы не утратили своего значения только сплавы системы платина-кобальт (выпускают всего два сплава) (таблица 3). Их применяют для изготовления магнитов измерительных приборов, роторов миниатюрных шаговых двигателей и т.д., во всех случаях, когда требуется высокая коэрцитивная сила (до 350 кА/м).

Магнитотвердые ферриты являются неметаллическими (оксидными) материалами, обладающими магнитными свойствами. Практическое применение нашли ферриты бария и стронция с гексагональной структурой и феррит кобальта со структурой шпинели. Как и все ферриты, они имеют невысокую остаточную индукцию (из-за низкой индукции насыщения), то вследствие большой магнитной анизотропии - большую коэрцитивную силу. Последнее обстоятельство позволяет применять эти материалы в магнитных цепях с большим коэффициентом размагничивания, как и сплавы на основе платины (таблица 3).

В настоящее время эта группа материалов вытесняет другие группы особенно те, которые традиционно применялись для открытых магнитных цепей; их доля в общем объеме производства составляет больше половины и продолжает возрастать. Это объясняется высоким уровнем свойств, низкой стоимостью и удобной технологией.

Сплавы на основе редкоземельных элементов были открыты в конце 60-х годов. Существует несколько соединений интерметаллического типа металлов группы железа и редкоземельных элементов (самария, празеодима, церия, иттрия, лантана), которые обладают магнитными свойствами. Наилучшие результаты получены у соединения SmCO₅. Благодаря специальной технологии удается создать промышленные марки сплавов с хорошими свойствами. В настоящее время промышленность выпускает четыре марки сплавов на основе кобальта, самария и празеодима (таблица 3).

Эта группа материалов является рекордсменом в области магнитных свойств (в лаборатории уже получены образцы с энергией 128 кДж/м³). Материалы могут работать в любых условиях, но дефицитны и имеет высокую стоимость.

Композиционные материалы являются перспективными материалами для практического применения вследствие более производительной технологии. Основой являются однодоменные частицы наполнителя, распределенные в немагнитной матрице (связке).

В качестве связки используют резины, каучуки и получают магниты, которые называют магнитоэластами. Если для связки применяют пластмассы, то магниты называют магнитопластами. В качестве наполнителей применяют: порошки ферритов бария, стронция и реже сплавов кобальта с редкоземельными элементами. Наполнители из литых сплавов типа ЮНДК. в настоящее время не применяют. Магнитные свойства композиционных материалов ниже, чем у компактных аналогичных применяемому наполнителю.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО ТЕМЕ МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

1. Перечислите основные характеристики магнитных свойств

2. Дайте характеристику классов материалов в зависимости от их магнитных свойств

3. В чем особенность ферромагнитных материалов

4. Объясните природу магнетизма

5. Объясните суть обменного взаимодействия

6. Раскройте сущность доменного строения ферромагнетиков

7. Дайте понятие магнитной анизотропии

8. Охарактеризуйте основные механизмы процесса намагничивания и определите основные характеристики по кривой намагничивания

9. Дайте характеристику явления магнитного гистерезиса

10. Поясните зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля

11. Расскажите о потерях, возникающих при перемагничивании

12. Что представляет собой коэффициент размагничивания, угол размагничивания

13. Что такое Wmax

14. Расскажите основную идею теории внутренних напряжений

15. Расскажите основную идею немагнитных включений

16. Как влияет анизотропия формы частиц на коэрцитивную силу

17. Как зависит величина Bs ферромагнетика от температуры и химического состава

18. Поясните сущность текстурирования ферромагнетика

19. Назовите основные группы магнито-мягких материалов, используемых в области низких частот, их состав и свойства

20. Сформулируйте основные требования к высокочастотным ферромагнетикам

21. Дайте краткую характеристику магнитодиэлектрикам ( структура, состав, свойства)

22. Простые и сложные ферриты, их достоинства и недостатки

23. Область применения и основные характеристики магнито-твердых материалов

24. Назовите основные группы магнито-твердых материлов

25. Расскажите об особенностях стуктуры и технологии ее получения для магнито-твердых материалов (виды термической обработки)

26. Высококоэрцитивные сплавы и их состав

27. Какие ферриты используются в качестве магнито-твердых материалов

28. Что представляют собой металлопорошковые материалы

 

 

2 Лабораторная работа №8. Исследование свойств магнито-твердых материалов

 

Цель работы: изучение влияния на рабочую индукцию Bd постоянного магнита химического состава МТМ, термической обработки и коэффициента размагничивания;

освоение инженерной методики расчета рабочей индукции постоянных магнитов, сопоставление расчетных и экспериментальных значений Bd; исследование влияния частичного размагничивания постоянного магнита на стабильность его магнитного потока при следующем воздействии посторонних магнитных полей.

 

2.1 Описание лабораторной установки

 

Лабораторная установка включает в себя электромагнит для намагничивания образцов, милливеберметр М119, набор образцов из магнито-твердых материалов.

На лабораторном стенде и в данных методических указаниях приведены необходимые исходные данные для определения Bd расчетным и графическим путем:

- кривая зависимости коэффициента размагничивания N от соотношения l/d;

- длина постоянного магнита, l;

- расчетный диаметр, d;

- площадь поперечного сечения,S;

- размагничивающие участки гистерезисных циклов для МТМ, изучаемых в работе.

Катушки электромагнита (рисунок 54) питаются постоянным током от выпрямителя.

Тумблер 5 служит для подачи напряжения на катушки электромагнита при намагничивании

образцов. Образец 3 устанавливается между неподвижным 2 и подвижным 4 полюсами

электромагнита.

Определение рабочей индукции Bd постоянного магнита основано на экспериментальном измерении потокосцепления ψ милливеберметром. Потокосцепление ψ

определяется как произведение ψ= Фd·ω, где Фd= Bd·S – магнитный поток через один виток

измерительной катушки М119, создаваемый данным постоянным магнитом с площадью

поперечного сечения S; ω- число витков в имерительной катушке милливеберметра, ω=50.

Размерность потокосцепления и магнитного потока одна и таже, мВб.

Измерение ψ производится методом сдергивания образца 1 с нейтральной линии

измерительной катушки К (рисунок 55). При этом отклонение стрелки милливеберметра 2

пропорционально изменению магнитного потока, сцепленного с имерительной катушкой.

шкала прибора М119 отградуирована в единицах магнитного потока- милливеберах

( 1 деление= 0,1 мВб ).

 

 

 

Рисунок 54 - Схема электромагнита Рисунок 55 - Схема милливеберметра

2.2 Порядок выполнения работы

Включить электромагнит в сеть. Исследовать влияние химического состава материала и термической обработки на рабочую индукцию постоянного магнита Bd. При этом рабочая магнитная индукция в образцах определяется экспериментально и расчетным путем.

2.3 Для экспериментального определения рабочей индукции образцов №1,2,4,5,6,7,8

необходимо сделать следующее:

- вставить образец продольно между полюсами электромагнита, на выступ подвижного полюса, и зажать его, как показано на рисунке 54;

- включить тумблером 5 на 2 секунды питание обмоток электромагнита;

- выдвинув подвижный полюс, достать образец.

2.4 После намагничивания необходимо измерить потокосцепление в образце с помощью милливеберметра М119.

Перед каждым измерением левую ручку установить в положение “коррекция” и правой ручкой установить стрелку прибора на середину шкалы, после чего левую ручку перевести в положение “арретир” и вставить образец в рамку, как показано на рисунке 55.

Затем, левую ручку перевести в положение “измерение” и аккуратно вынуть образец, отклонение стрелки от середины шкалы и даст величину потокосцепления ψ. Повторить п.п.2.3 и 2.4 для каждого образца и данные занести в таблицу 4.

2.5 Определить рабочую индукцию разомкнутого магнита на основе экспериментальных данных по формуле

 

,

 

где ψ- потокосцепление, мВб;

ω- число витков в измерительной катушке, ω= 50;

S- площадь поперечного сечения образца, м2.

Полученные данные для каждого образца занести в таблицу 4.

 

Таблица 4 - Значение Bd для МТМ различного химического состава с различными видами

термообработки и разными типоразмерами

 

№ обр Материал и вид термической обработки Длина см Расч. диам., d,см Сече- ние, см2 Измерение Расчет
Ψ, мВб Bd, Тл   l/d   N   α°   Bd,Тл  
Вольфрамовая сталь Е7В6 (закалка)      
Вольфрамовая сталь Е7В6 (отжиг)      
Сплав ЮНДК (без дисперс. твердения)      
Сплав ЮНД4(диспер- сионное твердение)      
Вольфрамовая сталь Е7В6 (закалка)      
Вольфрамовая сталь Е7В6 (закалка)      
Вольфрамовая сталь Е7В6 (закалка)      

 

2.6 Определить рабочую индукцию расчетным путем для постоянных магнитов

№1,2,4,5,6,7,8.

Для этого необходимо:

- определить отношение l/d для каждого магнита;

- определить угол сдвига по формуле

 

,

 

где N- коэффициент размагничивания, определяемый по кривой N= f (l/d), представленный на рисунке 56, а Мвн - соответственно масштабы индукции и напряженности магнитного поля для размагничивающего участка гистерезисной кривой данного материала (рисунок 57), при этом Мвн = 624·10-7, Тл/(A/м); а µ0= 4π·10-7, Гн/м;

- провести прямую сдвига оа под углом α к оси ординат (рисунок 58).

Искомая индукция Bd в образце будет равна ординате точки пересечения прямой

сдвига с размагничивающим участком кривой гистерезиса для данного материала.

Результаты занести в таблицу 4.

 

Рисунок 56 - Зависимость коэффициента размагничивания N

от соотношения размеров цилиндрического образца

 

Рисунок 57 - Размагничивающие участки петель гистерезиса

для различных материалов

 

2.7 Исследование влияния коэффициента размагничивания на рабочую индукцию

постоянного магнита

Влияние коэффициента размагничивания на рабочую индукцию Bd изучается на постоянных магнитах из закаленной вольфрамовой стали Е7В6 (образцы 1,7,8). Магнитная

индукция определяется экспериментальным и расчетным путем, и результаты заносятся в

таблицу 4.

2.8 Исследование частичного размагничивания на стабильность магнитного потока

при воздействии внешних магнитных полей

Измерения производятся на развинчивающемся цилиндрическом образце 9, состоящем из двух половин, в следующей последовательности:

- намагнитить свинченный образец, измерить потокосцепление;

- разъединить половинки и намагнитить одну из них в том же направлении, что и целый, измерить потокосцепление;

- соединить обе половинки и измерить потокосцепление не намагничивая образец;

- вновь разъединить образец, намагнитить ту же половинку и измерить потокосцепление;

- рассчитать рабочую индукцию Bd для каждого пункта и все данные занести в таблицу 5.

 

Таблица 5 - Влияние частичного размагничивания на величину Bd

 

изм Наименование Образца   Длина l,см Диам., d,см Cечен., см2   Ψ, мВб Bd, Тл   l/d   N   α
№9,намагниченный         
1/2, намагниченная         
№9,ненамагниченный         
1/2, намагниченная         

 

- определить по формуле 2 угол сдвига α1 для свинченного и угол α2 для одной из половин цилиндрического магнита и результат занести в таблицу 5;

- выключить электромагнит из сети;

- выполнить на миллиметровой бумаге построение, показанное на рисунке 58, при этом соотношение масштабов индукции и напряженности поля (Мвн= 624·10-7, Тл·м/А)

использовать для определения ∆Н0.

 

Рисунок 58 – Определение нестабильности магнитного потока от воздействия внешних

магнитных полей

2.9 Содержание отчета

 

Отчет должен содержать:

- цель работы;

- краткое изложение сущности метода;

- описание материалов, изучаемых в работе (химический состав, основные магнитные характеристики, применение);

- результаты измерений и расчетов, сведенные в таблицы 4 и 5;

- построение по данным таблицы 5, выполненное на миллиметровой бумаге;

- расчет значений ∆Н, ∆В1/∆H, ∆В11/∆Н, характеризующих нестабильность магнитного потока при частичном размагничивании и последующем воздействии размагничивающих полей;

- выводы, полученные по результатам лабораторной работы и при анализе рекомендованной технической литературы.

 

2.10 Список рекомендуемой литературы

 

2.10.1 Мишин Д.Д. Магнитные материалы. - М.: Высшая школа, 1991. 354 с.

2.10.2 Пасынков В.В. Материалы электронной техники. – М.: Лань, 2004. 368 с.

2.10.3 Бондаренко Г.Г., Кабанова Т.А., Рыбалко В.В. Материаловедение. – М.: Издательство Юрайт, 2012. 359 с.

 

3 Лабораторная работа №9. Исследование свойств магнито-мягких материалов

 

Цель работы: изучение процессов, протекающих в магнитомягких материалах в

магнитном поле и исследование их основных характеристик по кривой намагничивания.

 

Cтруктурная схема измерений представлена на рисунке 59.Она включает в себя: персональный компьютер, с установленной в него звуковой картой; усилитель мощности с регулируемым коэффициентом усиления; интегрирующий преобразователь и образец, выполненный в виде тороидального трансформатора.

 

 

Рисунок 59 - Схема измерений

 

ЭВМ при помощи звуковой карты вырабатывает синусоидальное напряжение в диапазоне частот 40-1000 Гц. Переменное напряжение поступает на вход усилителя, к выходу которого подключена намагничивающая обмотка трансформатора. Трансформатор представляет собой образец исследуемого магнитного материала с намотанными на него двумя обмотками: намагничивающей обмоткой 1 и измерительной обмоткой 2. Напряженность магнитного поля в материале определяется током I в намагничивающей обмотке по формуле H= I·n, где n- плотность витков обмотки 1 (количество витков/м). Значение тока намагничивания и, следовательно, напряженности поля в образце определяется по значению падения напряжения на измерительном резисторе R, который включается последовательно с обмоткой 1. Номинальное сопротивление резистора 2,7 Ом.

Напряжение с измерительного резистора подается на линейный вход звуковой карты ЭВМ. Амплитуда напряженности поля устанавливается с помощью регулировки величины сигнала, поданного на усилитель.

ЭДС, наводимая в измерительной обмотке 2, пропорциональна производной от индукции магнитного поля (В) в исследуемом образце. Напряжение обмотки 2 интегрируется интегратором, на выходе которого напряжение измерительного сигнала пропорционально уже непосредственно В. Напряжение с выхода интегратора резистора подается на линейный вход звуковой карты ЭВМ.

Таким образом, в ЭВМ имеется информация о напряженности Н, индукции В магнитного поля в исследуемом образце и их частоте, на основании которой программное обеспечение автоматизированного лабораторного стенда осуществляет построение кривых намагничивания и расчет всех магнитных параметров материалов.

3.1 Управление лабораторной работой

 

Лабораторная работа позволяет:

- производить измерения;

- сохранять результаты в базе данных;

- представлять результаты в графическом и текстовом виде;

- формировать отчет и получать твердую копию.

Только при проведении измерений ваш компьютер связывается с измерительным стендом, а в остальных случаях вы работаете только с результатами измерений.

Все управление лабораторной работой осуществляется с помощью ЭВМ.

Управляют работой при помощи команд, которые можно вводить либо из меню, либо кнопками панели управления.

Предыдущая статья:МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 3 страница Следующая статья:МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 5 страница
page speed (0.0159 sec, direct)