Использование магнитных аморфных сплавов
|
Быстрозакаленные магнитно-мягкие аморфные сплавы прежде всего на основе Fe, Co и Ni, находят промышленное применение во все расширяющихся масштабах, особенно в электронике и электротехнике. Эта особая пригодность магнитных аморфных сплавов связана с отсутствием в них структурных дефектов большой протяженности и магнитокристаллической анизотропии. Обзор основных областей применения аморфных магнитных сплавов представлен в табл. 26. Аморфные сплавы на основе Fe используются в США, Японии и других странах прежде всего для изготовления сердечников распределительных сетевых трансформаторов на 25—35 кВА. Такие трансформаторы (из-за специфики условий работы) в течение иногда длительных промежутков времени могут быть практически без нагрузки. Использование аморфных металлических сплавов для изготовления сердечников таких трансформаторов выгодно, поскольку потери на них могут быть снижены приблизительно до 1/3 от потерь в обычных текстурированных кремниевых сталях, Однако у аморфных сплавов есть и недостатки. В самом общем случае выбор магнитного материала определяется решением сложной многопараметрической задачи. По-видимому, изменение конструкций трансформаторов применительно к использованию в них новых аморфных материалов и те капиталовложения, которые потребуются для решения подобной задачи, будут приемлемы при дальнейшем значительном уменьшении потерь в сердечниках трансформаторов, снижении стоимости аморфных материалов и большей доступности самых разнообразных аморфных сплавов (по сравнению с ситуацией, сложившейся на сегодня). Однако даже при удовлетворительном решении всех этих проблем все равно можно ожидать все возрастающую конкуренцию аморфным сплавам со стороны новых материалов на основе традиционных литых и быстрозакаленных микрокристаллических сплавов [например, Fe — 6,5% (по массе) Si].   Другой областью возможного применения больших количеств аморфных материалов с высоким значением индукции насыщения является создание компонентов мощных импульсных источников энергии. Высокая максимальная магнитная проницаемость и низкие потери аморфных материалов позволяют в значительной степени сократить время накопления энергии для нового импульса. Исследования в области создания магнитных лент с высокой плотностью записи привели к разработке соответствующих материалов с высокой коэрцитивной силой для головок магнитной записи. Для воспроизведения с такой ленты следует использовать магнитные головки, характеризующиеся высокой индукцией насыщения. Кроме того, материал, из которого изготовляется головка, должен иметь высокую магнитную проницаемость, термическую стабильность в определенном диапазоне температур и хорошее сопротивление к истиранию и коррозии. Особенно перспективны аморфные сплавы на основе Co (с нулевой магнитострикцией), обладающие уникальным сочетанием именно таких свойств. Вообще говоря, обладая чрезвычайно высокой твердостью, аморфные сплавы типа металл — неметалл не характеризуются достаточной устойчивостью к истиранию при прокручивании магнитной ленты. Однако имеется возможность повышения этой характеристики до уровня, превышающего таковой сплава сендаст, за счет уменьшения содержания неметалла и введения определенного количества Nb. Аналогичное изменение свойств было обнаружено и у тонких аморфных лент на основе Co и Ni. Стойкостью к истиранию, а также повышенными значениями магнитной проницаемости и термической стабильности обладают также аморфные сплавы, содержащие Ta. Предполагается, что большой размер атомов этого элемента понижает ползучесть материала. Добавки благородных и других переходных металлов (Cr, Ti, V, Mo, Ru) также оказывают аналогичное благоприятное действие. Термообработка во вращающемся магнитном поле вызывает только незначительную наведенную магнитную анизотропию и улучшает магнитную проницаемость аморфных сплавов. Такая обработка целесообразна для сплавов с высокими значениями индукции насыщения и температуры Кюри. Однако она, по-видимому, слишком дорога для большинства обычных аморфных сплавов. В настоящее время налажено промышленное производство магнитных головок из аморфных сплавов на основе Co для магнитофонов высшего и среднего классов. В год производится около трех миллионов магнитных головок такого типа. Таким образом, производство изделий для магнитной записи, по-видимому, в наибольшей степени связано с использованием аморфных металлических сплавов. К тому же потенциал аморфных сплавов здесь далеко не исчерпан. Для повышения плотности информации при видеозаписи на стандартной видеоаппаратуре (ширина ленты 8 мм) пытаются использовать ленты с тонким магнитным слоем, характеризующимся острым максимумом на кривой распределения коэрцитивной силы около 70 кА/см, а также с нанесенным порошкообразным покрытием (Нс=120 кА/см). Лента первого типа может быть намагничена с помощью обычной ферритовой головки. Для лент второго типа с более высоким значением коэрцитивной силы, требуется материал с индукцией насыщения ~0,8 Тл и выше. Ленты из аморфных сплавов на основе Co толщиной ~10 мкм характеризуются более высокой магнитной проницаемостью и повышенным значением сигнала на выходе по сравнению со сплавом сендаст и даже марганцовоцинковыми сплавами в частотном диапазоне 1—10 МГц. Дальнейший прогресс в этой области будет зависеть от улучшения свойств и качества магнитной ленты и головок для записи. В электронике больших мощностей в последнее время все большее применение находят импульсные источники питания работающие на частотах вплоть до 100 кГц, С ростом рабочей частоты все большее внимание приходится уделять уменьшению потерь в магнитном материале. Сочетание высокого электросопротивления аморфных металлических материалов микронных сечений с малыми гистерезисными потерями создает весьма удачный комплекс свойств для использования в этой области частот. Их применение перспективно даже по сравнению с недавно разработанными ферритовыми сердечниками. Аналогичные малые потери на сердечниках, изготовленных из кристаллического материала, достигались бы только при толщине лент 15 млм и меньше. Приготовление такой ленты из кристаллических материалов соответствующих составов связано с большими затратами. Аморфные же сердечники с малыми магнитными потерями и гистерезис ной петлей заданной формы уже находят широкое промышленное применение в качестве индуктивных элементов источников питания. Низкие потери и достаточно большая индукция насыщения материала, использованного для изготовления сердечника, обеспечивают повышение выходной мощности высокочастотных инвертирующих трансформаторов (на -20 кГц). Аморфные сердечники на основе железоникелевых и кобальтовых сплавов обеспечивают более высокую выходную мощность, чем ферритовые материалы. При использовании некоторых аморфных сплавов (например сплава CoMnFeMoSiB, табл. 27) удается избежать и дополнительных потерь, связанных с магнитострикционными колебаниями сердечников.  При изготовлении сердечников широко распространенных первичных трансформаторов необходимо использовать материалы с низкими значениями остаточной намагниченности, что позволяет получать высокое значение необходимых характеристик. Пологая петля гистерезиса у материалов с различными величинами магнитной проницаемости может быть получена после снятия напряжений термообработкой и охлаждения в поперечном магнитном поле (перпендикулярно оси сердечника). На рис. 70 показана зависимость импульсной магнитной проницаемости μпмп тороидального сердечника из аморфного сплава CoMnFeMoSiB (см. табл. 27) от величины изменения плотности потока AB. Проницаемость мало изменяется практически вплоть до насыщения, В результате удается получить весьма высокое значение ΔB, почти совпадающее с величиной индукции насыщения Bs. Подбором скорости охлаждения после отпуска в магнитном поле можно получить и необходимое значение μ (от 4000 до 8000). Такие значения магнитной проницаемости остаются практически неизменными до частот -0,5 МГц. Изменение скорости охлаждения материала фактически не влияет на величину потерь в железном сердечнике. Потери при 100 кГц (В = 0,3 Тл) составляют РFe = 70 мВт/г к совпадают с величиной, рассчитанной теоретически. При выдерживании аморфного сердечника в течение, 8000 ч при 120—150°С не обнаружено изменения величины потерь. Высокое значение ΔВ=0,7 Тл при 100°С в сочетании с малыми потерями позволяет значительно уменьшить размеры трансформатора. Для получения высоких выходных мощностей (1—10 кВт) сердечники трансформаторов можно изготовлять из сплава Virovac 6030 (см. табл. 27). Зависимость потерь в таком сердечнике размерами 127*(25—0,025) мм от индукции насыщения и возбуждающей частоты показана на рис. 71. Как видно, потери мощности несколько выше, чем для тороидальных сердечников. Однако в целом использование аморфных материалов в трансформаторах чрезвычайно перспективно.  В источниках питания типа рассмотренных выше непосредственно (с помощью контроля ширины импульса, подаваемого с транзисторов) можно регулировать только одни выход. Для независимого контроля каждого из выходов источника можно использовать дроссели с тороаидальными сердечниками, которые позволяют осуществлять подобный контроль с использованием чисто магнитных эффектов. Помимо низких потерь на намагничивание необходима также прямоугольная форма петли гистерезиса. Для достижения высокой эффективности целесообразно использовать материал с чрезвычайно низким значением коэрцитивной силы. Обычно для материалов, обладающих прямоугольными петлями гистерезиса, характерны большие величины коэрцитивной силы и потерь. На аморфных металлических сплавах при типичном для них отсутствии магнитокристаллической или магнитоупругой анизотропии можно достичь сочетания прямоугольной петли гистерезиса (даже в случае сравнительно небольшой наведенной магнитной анизотропии) с низкими значениями коэрцитивной силы и потерь. Типичные характеристики аморфного сплава CoFeMoSiB (Vitrovac 6025, см. табл. 27) после проведения оптимальной термообработки таковы; отношение Вr/Вs-0,9, Hс = 25 мА/см (при 400 Гц), потери PFe = 70 мВт/г (при 0,4 Тл и 50 кГц). Чрезвычайно благоприятные магнитные свойства этого сплава позволяют создавать на его основе новые простые регуляторы (с одной обмоткой) магнитных усилителей. При изучении работы сердечников дросселей из аморфного сплава на основе Co в практических условиях обнаружена их достаточная устойчивость до 10в5 ч при 120°С. Более того, на величины магнитных свойств практически не оказывает влияние вибрация или какие-либо ударные воздействия. Радиочастотные тококомпенсирующие прерыватели используются в различных быстропереключающихся и импульсных источниках питания для подавления радиочастотных помех в диапазоне от 10 кГц до 30 МГц. Прерыватель состоит из сердечника (высокая магнитная проницаемость) с двумя или более обмотками, соединенными специальным образом для компенсации магнитных полей, возникающих в результате протекания токов. Вследствие интерференции удается добиться эффективного затухания высокочастотных токопомех. Для эффективного подавления низких частот (до 150 кГц) необходимо использовать материал с высокой величиной индуктивности. Этим требованиям идеально удовлетворяют аморфные сплавы на основе Co с высокой начальной магнитной проницаемостью (μ-10в5 при 10 кГц), например сплав Vitrovac 6030 (см. табл. 27), термообработанные на пологую петлю гистерезиса. Частотная зависимость ослабления тока компенсированного прерывателя в системе с волновым сопротивлением 50 Ом приведена на рис. 72, До частот -30 МГц аморфный материал сохраняет более благоприятные характеристики, чем ферриты или пермаллой, что позволяет уменьшить размеры всего устройства в 2—3 раза. Об использовании небольших индукторов из аморфного кобальтового сплава с высокой магнитной проницаемостью в качестве модуляторов в источниках питания сообщалось в работе. Индуктор с несколькими витками медной обмотки (внешний диаметр 7 мм) и начальной индуктивностью от 10 до 400 мкГ дает возможность эффективно (приблизительно на порядок) подавлять шумы на выходе, возникающие при протекании тока через диоды.  Линейные индикаторы и прерыватели в цепях переключающих регуляторов требуют неизменной проницаемости вплоть до высоких значений поляризующего магнитного поля постоянного тока. Обычно это удается достичь введением в магнитную цепь воздушного зазора (например, в сердечниках силовых трансформаторов). При термообработке аморфных сплавов Fe—Si—B в области температур, незначительно отличающихся от температуры кристаллизации, протекает частичная кристаллизация с выделением частиц α-Fe, что приводит к измельчению зерна и понижению величины потерь. При дальнейшем повышении температуры термообработки намагничивание аморфного сплава идет по пологой, почти линейной, кривой, причем магнитная проницаемость сохраняется в пределах μ=1000—200 при напряженности магнитного поля 20—100 А/см соответственно. Р. Мейджор с сотр. предложили использовать сердечники, изготовленные из такого материала, в качестве элементов энергоаккумуляторов. Зависимость энергосберегающей способности сердечников из аморфного сплава на основе Fe для различных значений магнитной проницаемости показана на рис. 73. По сравнению со стандартными материалами свойства такого аморфного сплава весьма благоприятны, а из производственного цикла удается исключить целый ряд делающихся ненужными операций.  Внешние магнитные поля наводят в кабелях и кабельных системах паразитные токи. Из-за неработоспособности экранов из обычных проводящих материалов при частотах ≤10 кГц необходимо изготовлять их из магнитно-мягких сплавов. Коэффициент магнитного экранирования (отношение величин напряженности магнитного поля снаружи и внутри кабеля) зависит от его геометрии, а также от магнитной проницаемости материала, из которого он изготовлен. Для эффективного экранирования даже малых внешних полей следует использовать материалы с максимальной проницаемостью. Кроме того, необходимо, чтобы при сгибании или скручивании кабеля в материале экрана не происходили какие-либо неблагоприятные магнитные или механические изменения. Оптимально этим требованиям удовлетворяет аморфный сплав CoFeMoSiB (см. табл. 27). Тщательным подбором отношения содержаний Fe и Co величину магнитострикции материала можно понизить до чрезвычайно небольших значений. Этот аморфный сплав с высоким значением предела текучести и низкой магнитострикцией пригоден для производства гибких экранов. Его можно без опаски деформировать (при этом не происходит ухудшения магнитных характеристик). Это большое преимущество по сравнению с обычными кристаллическими материалами. В первых кабелях, экранированных аморфными лентами, последние наматывались так же, как это делается при изготовлении кабелей с обычными проводящими экранами. Однако в магнитных полях, перпендикулярных оси кабеля, возникают многочисленные воздушные, зазоры, препятствующие эффективному экранированию (из-за ограничения эффективной магнитной проницаемости). Значительно большего успеха удалось добиться при намотке экранов по спирали вокруг кабеля. Для сохранения полной гибкости кабеля следует при намотке аморфной ленты оставлять зазоры -0,5—1 мм. Эффективность экранирования значительно увеличивается при дополнительной намотке второго слоя в противоположном направлении. Зависимость коэффициента экранирования S такого двойного слоя от напряженности внешнего поля Н при частоте 60 Гц для различных значений зазора намотки показана на рис. 74. При зазорах до 1 мм удается получать почти полное экранирование (S=100). Интересно отметить, что коэффициент экранирования практически не чувствителен к внешнему полю при напряженности до 10 А/см; в частности, не происходит понижения значения S в слабых полях. Далее, коэффициент экранирования остается практически постоянным при повышении частоты до 10 кГц. По сравнению с обычным экраном, изготовленным из кристаллического сплава пермаллой, эффективность экранирования аморфным материалом повышается в 8 раз (при использовании для экрана практически одного и того же количества магнитного материала).  В последнее время возрастают потребности промышленности в надежных и дешевых чувствительных элементах и датчиках для систем электронного контроля в автомобилях, моторах, роботах, а также для производства различных измерительных инструментов. Чувствительные элементы с магнитными материалами уже много лет используются для измерения магнитных полей, электрических токов, механических напряжений, смешений и усилий. Уникальный комплекс свойств аморфных магнитных сплавов (высокие значения предела упругости и предела прочности, высокая магнитная проницаемость, низкое значение коэрцитивной силы) привел к многочисленным попыткам создания самых разнообразных новых сенсоров и датчиков. Аморфные ленты или проволока удовлетворяют практически всем требованиям, которые предъявляются к материалам, идущим на изготовление подобных изделий, а именно: высокие механическая прочность и надежность, термическая стабильность, чувствительность, широкий диапазон измеряемых усилий и напряжений, малая инерционность, небольшие габариты изделий. Применению аморфных металлических сплавов в сенсорах и датчиках посвящены недавно появившиеся работы. В большинстве из таких сенсоров используются малая коэрцитивная сила, а также зависимость характеристик петли гистерезиса аморфных сплавов от приложенною напряжения (магнитно-упругие чувствительные элементы для измерения смещений, механических напряжений и различных кручений). Одной из интересных областей применения сенсоров и датчиков из аморфных сплавов являются различные сигнализирующие устройства.  В большинстве используемых сегодня магнетометров применяются два сердечника, которые намагничиваются в противоположных направлениях. Асимметрический сдвиг петли гистерезиса, вызываемый приложенным извне постоянным магнитным полем, генерирует гармоники, которые после отфильтровывания дают сигнал, пропорциональный величине напряженности поля. Благодаря малым потерям на вихревые токи в тонких лентах или проволоках, изготовленных из аморфных металлических сплавов, такие магнетометры могут использоваться в области частот ≥100 кГц. Они могут быть изготовлены с миниатюрной катушкой (всего несколько витков) и, как следствие, характеризуются малой инерционностью на частотах 10 кГц. Для таких магнетометров требуются малые затраты энергии (~100—200 мВт), они устойчивы до -300°С. Характеристики (по полю) магнетометров в зависимости от длины зонда приведены на рис. 75. С катушкой в 250 витков при частотах 130 кГц удается достичь чувствительности 2 В/20 мкТл. Подобные магнетометры могут заменить элементы Холла в тех случаях, когда требуется высокая чувствительность и возникает потребность работы в широком диапазоне температур. При использовании нескольких катушек в электронных компасах можно с успехом проводить высокочувствительные измерения ориентации магнитного поля земли. В настоящее время разрабатываются навигационные системы для определения оптимального пути, например, при поездке на автомобиле; в них используются магнетометры с аморфными сердечниками для определения с высокой точностью координат автомобиля. Описаны магнетометры с миниатюрными сердечниками (Ø=0,6 мм), изготовленные из аморфной проволоки, для определения вихревых токов, возникающих в индукционных моторах. Определение с помощью этих магнетометров, возбуждаемых постоянным током, магнитных полей позволяет использовать их в качестве высокочувствительных датчиков нуль-фазного тока. Благодаря гибкости аморфной ленты небольшой датчик такого типа может быть легко размещен на проводнике, что позволяет контролировать работу различных электрических устройств (лампы автомобилей и др.). При соединении в одном устройстве такого магнетометра и малогабаритного постоянного магнита можно получить датчик смещения, обладающий весьма высокой чувствительностью (~1 мкм). Подобные датчики, помещенные непосредственно на поверхность тела, используются в диагностике сердечно-сосудистых заболеваний (в кардиографах и т, д.). Принципиальная схема датчика скорости, в котором на величину магнитного потока периодически воздействует специальный привод от шасси автомобиля, показана на рис, 76. Для снижения потребления топлива и уменьшения загрязнения окружающей среды были разработаны датчики смещения с использованием аморфной металлической ленты. Они позволяют эффективно контролировать процесс впрыскивания топлива в дизельных моторах (рис. 77). При Т≥180°С такой датчик может различать движение плунжера во вспрыскивающем сопле менее, чем за 0,0025 с.   В настоящее время уже разработано несколько ферромагнитных устройств для сигнализации о попытках похищения дорогих предметов или книг в больших универсальных магазинах и библиотеках. Хотя такие устройства могут отличаться друг от друга самыми разнообразными деталями, общая схема устройства остается примерно неизменной: на выходе устанавливается источник и приемник поля. Предохранительное устройство, которое устанавливают на дорогой предмет, представляет собой удлиненную полоску из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Благодаря нелинейному характеру магнитной петли гистерезиса, такие ферромагнитные полоски при возбуждении внешним полем (колебания порядка нескольких кГц) оказываются источником электромагнитных колебаний более высоких частот, которые и могут быть зафиксированы. Аморфные металлические сплавы с нулевой магнитострикцией, характеризующиеся пологой или квадратной петлей гистерезиса, а также малым значением коэрцитивной силы, оказываются наиболее подходящими для такой задачи, поскольку они дают гармоники более высокого порядка чем любой другой материал, уже при малых возбуждениях. Более того, на магнитные свойства подобного устройства не влияют механические напряжения, могущие возникать в процессе его производства или работы. При оплате купленного предмета, снабженного такой сигнализацией, магнитная полоска либо удаляется на контроле, либо деактивируется каким-либо способом. В библиотеках магнитные полоски, которые запрятываются в корешки книг, деактивируются на контроле и могут быть при необходимости впоследствии снова приведены в рабочее состояние. Аморфные сплавы, обладающие уникальным сочетанием механических и магнитных свойств, дали новый импульс разработке датчиков, использующих эффект магнитно-упругого взаимодействия. В подобных материалах наложение механического напряжения о приводит к появлению магнитной анизотропии (K-λsσ), Поскольку в аморфных материалах практически отсутствует анизотропия какого-либо другого происхождения, наложенное механическое напряжение может оказывать значительное влияние на величину магнитной проницаемости и форму петли гистерезиса. В то же время из-за высокого значения предела упругости аморфные металлические сплавы пригодны для измерения высоких напряжений. Благодаря непрерывному изменению постоянной магнитострикции λs аморфных сплавов с изменением состава можно получить сплав с необходимым уровнем чувствительности. Уже разработаны чрезвычайно-надежные датчики для измерения механических напряжений и смещений, использующие мультивибраторы с одиночным аморфным сердечником, имеющим выход на постоянном токе. При приложении внешней силы сердечник, имеющий круглую форму, упруго-деформируется и превращается (в сечении) в эллипс, что приводит к обратимому изменению магнитной проницаемости. Т. Мейдан и К. Овершотт разработали аналогичный датчик сил с линейной зависимостью проницаемости от приложенного напряжения в широком интервале изменения последнего (намагничивание осуществляется от источника синусоидальных колебаний, переменный ток). Возбуждение с помощью волн треугольной формы было рассмотрено в работе. Известно об использовании сердечника с единственным слоем аморфной ленты из сплава на основе Co в качестве чувствительного ключа или переключателя. Сегодня ощущается также большая потребность в надежных датчиках — торсиометрах, в частности, для осуществления электронного контроля транспортировки различных веществ по трубопроводам. Существенное преимущество торсиометров, использующих магнитные эффекты, заключается в возможности бесконтактного и быстрого измерения. Разработан торсиометр, в котором осевые напряжения приводят к искажению первоначально симметричной конфигурации магнитных силовых линий (рис. 78). Эта модуляция линий магнитного потока может быть обнаружена с помощью первичной и вторичной обмоток, развернутых одна по отношению к другой на 90° (рис. 78).  Чувствительность и воспроизводимость сигналов датчика в значительной степени зависят от материала, из которого он изготовлен. При использовании оси из закаленной стали чувствительность измерений весьма низкая; после отпуска она несколько повышается, но динамический диапазон измерения усилий снижен и появляется гистерезис (рис. 79). Этих недостатков удается избежать при покрытии оси торсиометра слоем магнитно-мягкого аморфного металлического сплава. Для еще большего уменьшения влияния неоднородностей в торсиометре устанавливается промежуточное кольцо, изготовляемое из немагнитной стали. Аналогичный подход к этой задаче реализован в работах, где для покрытия оси использовались две аморфные ленты. Возбуждение и обнаружение сигнала осуществляется катушкой, окружающей ось. Характерной особенностью этого варианта торсиометра является то, что два аморфных слоя должны обеспечивать магнитную анизотропию под углом ±45° (к продольному направлению оси). Анизотропия возникает при приложении к оси механического напряжения. Такую конструкцию труднее монтировать, однако она позволяет избежать флуктуаций сигнала на выходе при повороте оси.  |
