15-дәріс
Тақырыбы: Арнайы арналымды материалдар және магнитті-қатты материалдар
1. Арнайы арналымды материалдар. Ферриттер. Магнитті-диэлектриктер. Конструкциялық шойындар мен болаттар
2. Магнитті-қатты материалдар. Легирленген мартенситтік болаттар. Құйылған магнитті-қатты қорытпалар. Ұнтақтардан магниттер. Магнитті-қатты ферриттер.
Арнайы арналымды материалдар. Құрылысымен және құрамымен өзгешелік магниттік қасиеттері бар заттарды екі топқа бөлуге болады. Мұндай заттарға жатады: 1) өрістің кернеулігі өзгергенде магниттік өтімділігі шамалы өзгеретін қорытпалар; 2) температурадан магниттік өтімділігі өте тәуелді қорытпалар; 3) магнитистикасы бар қорытпалар; 4) ерекше жоғары қанығу индукциясы бар қорытпалар.
Біріншілерге перминвар деп аталатын, ішінде 29,4% Fe, 45% Ni, 25% Co, 0,6% Mn бар қорытпа жатады. Қорытпаны 1000 °С кезде өңдейді, ал содан кейін бәсеңдеп салқындатады. Перминвардың шамалы коэрцивтік күші бар, басты магниттік өтімділігі 300 тең, индукция 0,1 Тл кезде тұрақты мәнін кернеулік 250 А/м – ге дейін өскенде сақтайды, бірақ температурадан механикалық күштерден тәуелді.
Екіншілерге Ni – Cu, Fe – Ni немесе Fe –Ni-Cr негізінде құралған магниттік қорытпалар жатады. Бұл қорытпалар тұрақты магниттердің индукциясы өзгеру кезде қондырғылардың температуралық терістіктерін компенсациялауға қолданады. Ni–Cu қорытпа (30% Cu ішінде болғанда) температуралық терістіктерді температура 20 °С — ден 80 °С — ге дейін өзгергенде компенсациялайды. (15.1 – сурет). Техникада ең кең Fe – Ni – Cо (компенсаторлар) қорытпа қолданады.
Үшіншілерге жоғары магнитострикциялар бар (жүйелер) қорытпалар жатады. Заттардың сызықты мөлшерінің өзгеруі болымды, олар (40 – 120)∙10^(-6) шектерде жатады. (15.2 – сурет). Таза никельдің және ферридтердің үлкен теріс магнитострикциясы болады. Магнитострикция құбылысы дыбысты және ультра-дыбысты генераторларды, механикалық тербелісті электр тербеліске түрлендіретін құрылғыларда қолданылады.
Сурет 15.1 — Магниттік қорытпалардың индукциясының температуралық тәуелділігі
Сурет 15.2 — Магнит өрістің кернеулігінің магнитострикциялық деформацияның тәуелділігі
Төртіншілерге өте жоғары қанығу индукциясы бар (2,4 Тл – ға дейін) темір – кобальттік қорытпалар жатады. 50 – 70% Со бар қорытпалар пермендюр деп аталады; олар бағасы жоғары болғандықтан, осциллографтарда, телефондарда және т.б. аппараттарда қолданылады.
Ферриттер. Жалпы мәліметтер. Ферриттер – шамалы электронды электр өткізгіштігі бар магниттік керамика. Ферриттердің меншікті кедергісі темірдің кедергісінен 10^(-6) – 10^11 есе асады, ал сондықтан жоғары жиілік салада энергия шығындары шамалы, ал магниттік қасиеттері жоғары болғандықтан, ферриттер жоғарыланған және жоғары жиіліктер кезде өте кең қолданылады.
Кең тараған цинк – никельді ферромагниттердің формуласы
mNiO·〖Fe〗_2 O_3+nZnO·〖Fe〗_2 O_3+pFeО·〖Fe〗_2 O_3,
мұнда m,n,p сыңарлардың сандық қатынастарын белгілейтін коэффициенттер.
Ферриттер – қатты және осал зат, ал сол себептен олар кесу өңдеуге жарамайды, оларды тегістеп ажарлауға және жалтыратуға болады. Дайын бұйымдардың қасиеттеріне өте маңызды әсерлігін ферриттердің дайындау технологиясы білдіреді.
Жұмсақ магниттік ферриттер. Жоғары магниттік өтімділігі бар фериттердің максималды индукциясы 0,3 Тл, ал коэрцивтік күші 16 А/м тең (15.3 – сурет).
Ферриттердің негізгі физикалық сипаттамасы: тығыздығы 4–5 Мг/м^3, меншікті жылулық сыйымдылығы 0,7 кДж/(кг К), жылулық өткізгіштіктің коэффициенті 5 Вт/(м К), меншікті кедергісі 10^(-3) К^(-1). Ферриттердің жиілігінен және құрамынан тәуелді салыстырмалы үлкен диэлектрлік өтімділігі бар. Ферриттердің шығындарының тангенсі 0,005 – тен 0,1 – ге дейін. Ферриттерде магнитострикция құбылысы көрінеді.
Сурет 15.3 — Цинк – никельді ферриттің гистерезис ілмегі
Гистерезистің тура бұрыштық ілмегі бар ферриттер.
Мұндай ферриттер есептеу техниканың есте сақтайтын құрылғыларында қолданылады. Бұл түрге жататын заттарға және бұйымдарға арнайы талаптар қойылады, ал оларды мінездеу үшін қосымша параметрлерді пайдаланылады. Мұндай параметрлердің негізгілері: қалдық индукциясының максималды индукцияға қатынасын көрсететін гистерезистің ілмегінің тура бұрыштылық коэффициенті K_(т.б.).
К_п=В_r/В_(макс.) (15.1)
Кернеулік H_макс=5H_с тең кезде, анықтамалық үшін B_макс өлшейді. Көп мәні бірге жақын болуы қажетті. ТБI бар ферриттер металды жіңішке таспаларға қарағанда кең тарау себебі олардың дайындау технологиясының жеңілдігі.
Асқын жоғары жиіліктер үшін ферриттер. АЖЖ үшін қолданылатын ферриттердің арнайы маркаларының ерекше маңызы болады. Бұл жиіліктер саласында бірінші кезекте ферриттердің арнайы маркаларының ерекше маңызы болады. Бұл жиіліктер саласында бірінші кезекте ферриттердің электр және магнит параметрлерімен басқару мүмкіншілігі пайдаланылады. АЖЖ никельді және магнийлік ферриттер, никельді және магнийлік феррохромиттер қолданылады. АЖЖ – ферриттердің маркаларының саны 60 – тан асады.
Құрастырылған материалдар – шойындар мен болаттар. Бұл материалдар, электро машиналар жасауда, аспап жасауда қолданылатын, жоғары механикалық қасиетімен және кең технологиялық мүмкіндіктерімен ерекшеленуі керек. Магнитті қасиетіне қарай олар магнитті материалдар және магнитті материалдар емес болып бөлінеді. Біріншісіне сұр шойын, көмірқышқылданған және легирленген болаттар, екіншісіне – магнитті емес шойын және магнитті болат жатады.
Қатты магниттік заттар. Жалпы мәліметтер. Құрамы, күйі және шығару әдісі бойынша қатты магниттік заттар мынаған бөлінеді: 1) қоспалы мартенситті болаттар; 2) құйылған болаттар; 3) порошоктардан жасалған магниттер; 4) қатты магниттік ферриттер; 5) магниттік таспалар.Тұрақты магниттер үшін қолданылатын заттардың сипаттама — коэрцивтік күш, қалдық индукция және сыртқы кеңістікке магниттің беспетін максималды энергиясы. Тұрақты магниттердің магниттік өтімділігі жұмсақ магниттік заттардың өтімділігінен төмен болады.
Сақина тәрізді өзекшесі бар магниттің магнит ағыны, сондықтан магниттің энергиясы оның ішінде болады. Полюстер арасында ауа саңылауы болса, онда энергияның бір бөлігі магнит заттың көлемінің сыртындағы өріспен байланысты болады. Оның мөлшері саңылаудың ұзындығына тәуелді.
Ауа саңылауындағы меншікті магниттік энергия мынаған тең
W_d=(B_d H_d)/2 (15.2)
мұнда H_d — индукцияға B_dсәйкесті өрнектің кернеулігі, А/м
Сурет 15.4 — Магнитсіздендіру (1) және ауа саңылауында
магниттік энергияның (2) қисықтары
Кремний қосылған қорытпа альниси, кобальт қосылған альнико, ал егер де кобальт 24 % -ға тең болса – магнико деп аталады.
Қорытпалардың магниттік қасиеттерінің кенет өсуі тек құрамымен ғана емес, оған қосымша арнайы өндіру күшті магнит өрісте құйылғаннан кейін магнитті салқындату себепші болады.
Бұл қорытпалардың кемшіліктеріне олардан жасалған бұйымдар дәл өлшемдерін ұстап тұру жатады, ал оған себепші болатын жағдай – қорытпалардың беріктігі және осалдығы.
Ең арзан қорытпа – кобальт және қорытпа (ЮНД), ал кобальт бар қорытпалардың (ЮНДК) — көтеріңкі магниттік қасиеті бар және изотропты заттар болады.
Порошоктардан жасалған магниттер. Мөлшері қатал ұстамды бұйымдарды құйылған қорытпалардан жасау қиын болғандықтан, тұрақты магниттерді өңдеу үшін порошокты металлургияның әдістерін қолдануға мәжбүр етілді. Бұл кезде металл керамикалық және металл пластикалық магниттерді ажырату керек. Металл керамикалық магниттерді дайындау үшін майдаланған қатты магниттік қорытпалар құрылған порошокты престеу (қысу) керек, ал одан кейін қосымша өңдеудің қажеттігі жоқ. Металл пластикалық магниттерді дайындау пластмассаның престенуіне ұқсайды, бірақ порошок ішінде қатты магниттік қорытпаның майдаланған дәндері сияқты толтырғыш болады. Толтырғыш берікті болғандықтан, затқа 500 МПа – ға жететін меншікті қысым керек. Порошокты магниттер көпшілік автоматталған өндірісте магниттердің мөлшері шамалы және күрделі кескін үйлесімі болған кезде дайындау үнемді болады.
Металл керамикалық магниттер әдетте уақ тесікті болады, қорытылған электр энергия және қалдық индукция 10 – 20% — ға сәйкес құйылған магниттерге қарағанда төмен, ал беріктігі 5 – 6 есе жоғары. Металл пластикалық магниттердің құйылған магниттерге қарағанда коэрцивтік күші 10 – 20 % — ға, қалдық индукция 35 – 50 % — ға, ал қорытылған энергиясы 35 — 50 % — ға төмен. Металл пластикалық магниттердің меншікті кедергісі өте жоғары, сондықтан оларды жоғары жиілікті айнымалы магнит өрісі бар аппараттарда қолданады.
Дыбыс жазу үшін қолданатын металды және металды емес заттар. Дыбысты жазу және елестету үшін атты магниттік қорытпалар және болаттар қолданады. Олардан үстіне дыбыс түсіруші қорытпасы бар бейметалды таспалар және темірдің немесе кобальттің порошокты фериті бар пластмассалық таспалар жасалады.
Таспаны немесе сымды жасауға қолданатын 25 кА∙м тең коэрцивтік күші және 1 Тл тең қалдық индукциясы бар (34% Fe; 52% Co және 14% V) қорытпаны викаллой деп атайды. Қатты магниттік темір – никельді қорытпалар мыс таспаның бетіне қондырылады. Жоғары жиіліктердің кең диапозонның ең жақсы жазуына себепші болатын коэрцивтік күштердің қалдық индукцияға оптималды қатынасы болады (бұл қатынас H_c/B_r=8 кА/м∙Тл болуы керек). Мұндай жағдайларға арзан және қолайлы темір оксидтер 〖Fe〗_2 O_3 қанағаттандырады. Әдетте, екі қабатты және бір қабатты пленкалар қолданылады. Екі қабатты пленка – магниті бар лакты үстіне қондырған, кеңдігі 6,5 мм, қалыңдығы 35 мкм тең таспа. Сұйық лактың ішіндегі магниттің көлемі 40 %-ға жақын. Пленканың магниттік параметрлері: H_с=6 –20 кА/м, B_r=0,8 –0,4 Тл, яғни қатынас H_с/B_r=40 тең.
Бұл таспаларда жеткілікті жақсы елестеу кең хабар тарату аппаратурада 19,05 См/с, ал құрылысты магнитофондарда 9,53 және 4,75 См/м жетуге болады.
Таспаны ажыратуға күш салу 20 – 40 Н, пленканың созылуы 1 % — дан аспайды. Пленканың бөліктерін клей арқылы қосады. Пленка 15 – 20 °С температура және ауаның ылғалдылығы 50 – 60 % кезде ең жақсы сақталады.
Бір қабатты пленкалар магниттік толтырғышы бар пливинихлоридтен жасалады. Олардың даңғыры екі қабатты пленкаға қарағанда төмен болады және магниттік қасиеттері төмендеу.
Кейбір кристалды заттардың жүйесінің потенциалды энергияның минимумына спиндердің қарсы паралельді орналасуы сәйкес келеді. Олардың доменді құрылысы, Кюри нүктелері бар және оларға ферромагнит заттарға кіргізілген барлық мінездемелерді қолдануға болады. Әдетте оларды ферриттер деп атайды. Ферримагнетиктің, ферромагнетиктерге қарағанда қанығу индукциясы аз және меншікті кедергісі өте жоғары болады.