Обычно от магнитомягкого материала ждут, чтобы он легко намагничивался и так же легко «забывал» о своём состоянии. Но существует класс сплавов, у которых ценится обратное: после снятия поля они сохраняют намагниченность почти на уровне насыщения и переключаются между двумя состояниями резко, как электрический ключ. Рассказываем, как устроены сплавы с прямоугольной петлёй гистерезиса и где они применяются.
Петля гистерезиса
Если намагничивать ферромагнитный материал во внешнем поле, а затем поле уменьшать и менять его направление, зависимость магнитной индукции B от напряжённости поля H образует замкнутую кривую — петлю гистерезиса. На ней выделяют несколько характерных точек:
-
Индукция насыщения Bs — максимальная индукция, которой можно достичь в материале;
-
Остаточная индукция Br — индукция, которая сохраняется после снятия внешнего поля;
-
Коэрцитивная сила Hc — поле обратного направления, необходимое для того, чтобы свести индукцию к нулю.
У обычного магнитомягкого материала петля узкая и наклонная: остаточная индукция заметно ниже индукции насыщения. У сплавов с прямоугольной петлёй гистерезиса (ППГ) петля узкая и практически прямоугольная: при снятии поля материал остаётся намагниченным почти до насыщения, а при достижении порогового поля обратного знака перемагничивается скачком.
Коэффициент прямоугольности
Степень «прямоугольности» оценивают коэффициентом Kп — отношением остаточной индукции к максимальной:
Kп = Br / Bm
Для обычных магнитомягких материалов он может составлять 0,5–0,7, а для сплавов с ППГ — 0,85–0,98 в зависимости от марки и режима обработки. Чем ближе коэффициент к единице, тем чётче материал различает два устойчивых состояния и тем резче переход между ними.
Откуда взялась «магнитная память»
Термин пришёл из истории вычислительной техники. В середине XX века оперативная память компьютеров строилась на крошечных кольцевых сердечниках с прямоугольной петлёй. Намагниченность «по часовой стрелке» соответствовала единице, «против часовой» — нулю. Благодаря прямоугольной форме петли сердечник надёжно хранил состояние без питания, а переключить его можно было только током, превышающим пороговое значение. Слабые помехи и токи соседних проводников на хранимую информацию не влияли.
В той памяти использовались в основном ферриты, но металлические сплавы с ППГ развивались параллельно и нашли собственные ниши.
Где применяются сплавы с ППГ сегодня
Принцип двух устойчивых состояний и резкого перехода между ними востребован везде, где сердечник должен работать как бесконтактный ключ или пороговый элемент.
-
Магнитные усилители и дроссели насыщения:
Сердечник с прямоугольной петлёй резко меняет индуктивность обмотки при насыщении: до него она велика, после — близка к нулю. Это позволяет управлять большими токами с помощью малого тока подмагничивания. На этом принципе построены магнитные усилители и дроссели насыщения в импульсных источниках питания, где они используются для стабилизации выходных напряжений.
-
Импульсная техника:
Сплавы с ППГ применяют в импульсных трансформаторах, магнитных генераторах и формирователях импульсов, в устройствах магнитного сжатия импульсов. Резкое насыщение сердечника позволяет формировать короткие импульсы с крутыми фронтами.
-
Датчики и измерительные преобразователи:
Магнитомодуляционные датчики слабых полей (феррозонды), датчики тока, бесконтактные пороговые элементы автоматики и магнитные логические схемы используют то же свойство: малое изменение внешнего воздействия вблизи порога вызывает большое изменение магнитного состояния.
Как получить прямоугольную петлю
Прямоугольная форма петли означает, что намагниченность в материале предпочтительно ориентирована вдоль одного направления — того, вдоль которого работает сердечник. Добиться этого можно двумя принципиально разными способами.
Кристаллографическая текстура
В кристаллах железоникелевых сплавов есть направления лёгкого намагничивания. Если ориентировать большинство зёрен так, чтобы такое направление совпадало с направлением прокатки, лента будет намагничиваться вдоль своей длины легко и «прямоугольно».
Классический пример — сплав 50НП с содержанием никеля около 50%. В нём формируют так называемую кубическую текстуру: плоскость куба кристаллической решётки лежит в плоскости ленты, а ребро куба направлено вдоль прокатки. Для этого ленту подвергают холодной прокатке с очень большим суммарным обжатием (порядка 95% и более), а затем высокотемпературному рекристаллизационному отжигу. Малейшие отклонения в режимах деформации или в чистоте металла приводят к рассеянию текстуры и снижению коэффициента прямоугольности.
Магнитная текстура и термомагнитная обработка
Второй способ не требует ориентации зёрен. Если при охлаждении сплава в интервале температур ниже точки Кюри, где атомы ещё сохраняют диффузионную подвижность, приложить постоянное магнитное поле, атомы разного сорта в решётке перераспределяются так, что пары одинаковых атомов преимущественно выстраиваются вдоль направления намагниченности. Возникает наведённая одноосная магнитная анизотропия: материал «запоминает» направление поля, в котором остывал.
Такую термомагнитную обработку применяют к сплавам типа 65НП, а также к сплавам системы железо — никель — кобальт с добавками молибдена, например 34НКМП и 40НКМП. Кобальтсодержащие сплавы отличаются очень низкой коэрцитивной силой при высокой индукции насыщения, что делает их привлекательными для импульсных устройств с высокими требованиями к быстродействию.
Ленточные сердечники
Из ленты навивают кольцевые сердечники. Между витками наносят изоляционное покрытие — обычно на основе оксида магния, — чтобы исключить электрический контакт и вихревые токи между слоями.
Важная особенность: навивка вносит в ленту упругие и пластические напряжения, которые из-за магнитострикции портят магнитные свойства. Поэтому окончательную термическую или термомагнитную обработку часто проводят уже на готовом навитом сердечнике. После этого сердечник помещают в защитный каркас или контейнер: даже небольшое механическое давление при последующей сборке способно заметно снизить коэффициент прямоугольности.
Как контролируют свойства
Для сплавов с ППГ стандартного набора магнитных характеристик недостаточно. Помимо индукции насыщения, коэрцитивной силы и проницаемости обязательно определяют коэффициент прямоугольности, а для импульсных применений — характеристики перемагничивания в заданном режиме. Измерения проводят на кольцевых образцах после термообработки по регламентированному режиму, поскольку только так можно оценить свойства, которые получит потребитель в своём изделии.
Вместо заключения
Прямоугольная петля гистерезиса — пример того, как свойства материала создаются не столько химическим составом, сколько технологией. Один и тот же сплав может иметь наклонную или почти идеально прямоугольную петлю в зависимости от того, как его прокатали, отожгли и охладили. Поэтому производство таких материалов требует точного соблюдения всей цепочки операций.
Петербургский завод прецизионных сплавов (ПЗПС)
Производство холоднокатаной ленты, листов и проволоки из прецизионных магнитно-мягких, резистивных сплавов и сплавов с заданным ТКЛР. Полный технологический цикл: от выплавки до тончайшего проката по ГОСТ и индивидуальным ТЗ.
-
Телефон: +7 (812) 740-76-87
-
Электронная почта: sales@pzps.tech
-
Сайт: pzps.tech
-
Адрес: 192029, Россия, Санкт-Петербург, пр. Обуховской Обороны, д. 38
Подписывайтесь на официальную рассылку ПЗПС, чтобы первыми получать экспертные материаловедческие статьи, обзоры стандартов ГОСТ/ТУ и новости производства.
