Magnetické materiály pro výkonovou elektrotechniku (Doc. Ing. Jiří Petr, CSc., FEL ČVUT) 1.Magneticky měkké materiály Vyznačují se úzkou hysterezní smyčkou. Zdůrazněnými vlastnostmi je počáteční a maximální permeabilita a maximální magnetická indukce, které mají být co největší. Dále malá koercitivní síla. Kromě těchto požadavků se vyžadují některé speciální vlastnosti, např. velký poměr B r /B max pro materiály s pravoúhlou hysterezní smyčkou, magnetostrikční vlastnosti, vysoká nebo i nízká Curieova teplota, malý nebo i velký teplotní součinitel indukce, konstantní permeabilita, vysoký elektrický odpor, malá tepelná roztažnost apod. Podle chemického složení rozdělujeme popisované materiály na oceli a slitiny na bázi Fe-Ni. Výroba magneticky měkkých materiálů je náročná. Požaduje se nízký obsah cizích nečistot, ať už ve formě pevné nebo plynné a definovaná krystalická struktura s anizotropní texturou. Těchto cílů se dosahuje výběrem surovin, legováním vhodnými příměsemi a vedením tavby tak, aby docházelo ke snižování obsahu cizích nečistot. Vhodné krystalické struktury se dosahuje kombinací tvářecích postupů se žíhacími operacemi. U materiálů se špičkovými magnetickými parametry je rozhodující závěrečné žíhání zformovaných součástí. Je třeba dodržovat žíhací a chladicí režim a čistotu ochranné atmosféry. 1.1 Technicky čisté Fe je vysoce čisté Fe pro stejnosměrná pole, má nízkou rezistivitu, pro střídavá pole má velké ztráty vířivými proudy. Vyrábí se elektrolyticky, tavením, litím a žíháním. Magnetické parametry jsou H c 7 A.m -1 ; B r 0,5 T; max 21000. Plechy a pásy z elektrotechnické oceli mají základní surovinu železo, které má nejvyšší hodnotu indukce nasycení (B s = 2,15 T). Koercitivní síla, permeabilita, hysterezní ztráty jsou silně ovlivněny 1
chemickou čistotou, krystalovými poruchami a vnitřním pnutím. Velmi nepříznivě se projevuje přítomnost kyslíku, dusíku a uhlíku, tj. prvků, které dávají předpoklad pro stárnutí. 1.2Křemíková ocel (Fe + 0,5-4,5 % Si) - nejlevnější magnetický materiál. Křemík snižuje hysterezní ztráty vířivými proudy, ale zhoršuje zpracovatelnost materiálu. Používá se pro točivé stroje a v transformovnách. Křemíkové oceli patří k nejrozšířenějším magnetickým materiálům používaným v elektrotechnice. Legující příměs křemík má rozhodující podíl na jejich magnetické, elektrické a mechanické vlastnosti. Křemík potlačuje vliv doprovodných příměsí, působí jako dezoxidační činidlo a podporuje vylučování uhlíku ve formě grafitu. Křemík způsobuje růst elektrického odporu a tím zmenšuje ztráty vířivými proudy. Křemík zvětšuje permeabilitu, zmenšuje koercitivní sílu a měrné ztráty. Zmenšuje ale magnetickou indukci železa. Tyto příznivé vlastnosti se zlepšují s růstem obsahu křemíku. Tím ale narůstají obtíže při mechanickém tváření. Do obsahu Si asi 2,5 % se plasticita oceli téměř nemění, potom ale prudce klesá. Hranice obsahu Si leží proto okolo 4,5 %. Dalším výrazným efektem, který zlepšuje magnetické vlastnosti pásů z křemíkových elektrotechnických ocelí, je krystalografická orientace zrn označovaná jako textura. Dosahuje se jí kombinacemi tváření a válcování. Pásy z elektrotechnické křemíkové oceli se vyrábějí izotropní, s malou texturou a anizotropní. Směr válcování je totožný se směrem snadné magnetizace. V poslední době se vyrábějí pásy z křemíkové oceli s tzv. kubickou strukturou. Převážná většina zrn je s ohledem na magnetické vlastnosti nejvýhodněji orientována. Rovina válcování je identická se stěnou krychle. Z těchto důvodů vykazují takto orientované plechy malou anizotropii magnetických vlastností, což je důležité zejména u plechů pro točivé stroje. Elektrotechnické křemíkové oceli se dělí podle způsobu tváření a textury na: Plechy válcované za tepla, izotropní ( 3,5 % až 4,6 % Si). Používají se zejména pro jádra sdělovacích transformátorů se zaručenou permeabilitou při malé intenzitě magnetického pole a pro jádra nízkofrekvenčních tlumivek. 2
Plechy válcované za studena, izotropní (2,5 % Si). Používají se zejména pro točivé stroje. Mají při stejném obsahu křemíku menší ztráty a jsou hladší (větší činitel plnění). Plechy válcované za studena, anizotropní (3 % Si). Vyrábějí se ve tvaru tenkých pásů a mají orientovanou strukturu. Povrch se často pokrývá izolačním povlakem. Používají se pro transformátory a pro přístroje. Použití orientovaných plechů u transformátorů vede k zmenšení rozměrů a hmotnosti, resp. ke zvýšení výkonů a snížení ztrát oproti použití neorientovaných plechů. Při tomtéž výkonu transformátoru se sníží jeho hmotnost asi o 25 %, spotřeba materiálu pro vinutí asi o 15 %. Speciální druhy orientovaných pásů pro výrobu malých transformátorů, tlumivek, měřících, regulačních a impulzních transformátorů se válcují na tloušťky až 0,05 mm v šířce do 100 mm, a pak se stříhají na šířky 10 až 30 mm. Vinou se z nich prstencová (toroidní) jádra nebo dělená jádra vzniklá rozříznutím navinutého jádra. Důležitá je izolace povrchů plechů. Plechy válcované za tepla mají povrch zoxidovaný, což pro jádra transformátorů a motorů pracujících s frekvencí 50 Hz je dostatečná izolace. Velké transformátory pro kmitočty vyšší než 120 Hz vyžadují plechy s jednostrannou izolační vrstvou vodního skla nebo laku. Pásy válcované za studena se musí izolovat, neboť se vyznačují hladkým, kovově čistým povrchem. Pro malé motory a transformátory s frekvencí 50 Hz postačí oxidická vrstva získaná v průběžných pecích při teplotě 550 až 800 C. 1.3 Slitiny Ni-Fe ( slitiny s velkou počáteční permeabilitou). Ni má z feromagnetických materiálů nejmenší krystalovou anizotropii, má ale také nejmenší magnetickou polarizaci v nasyceném stavu (nevýhoda). Slitiny Permalloy (35 až 80% Ni) mají velmi dobré magnetické vlastnosti. Vedle vysoce čistého Fe jsou magneticky nejměkčí materiály vůbec. Mají vysokou permeabilitu (80 000 až 100 000), nízkou koercitivní sílu a nízké hysterezní ztráty. Jejich rezistivita je dvakrát větší než u čistého Fe. Používají se ve sdělovací technice, pro jádra transformátorů, tlumivek a na magnetické stínění. Slitiny Ni-Fe s obsahem 75 až 80 % Ni se vyznačují největšími hodnotami počáteční a maximální permeability. Mají malou koercitivní sílu a malé hysterezní ztráty. Maximální indukce je asi 3
0,9 T. Vyrábějí se s dalšími příměsemi (Cu, Cr, Mo, Mn) a označují se obecně jako permalloy. Špičkové permeability se dosahuje pečlivě vedeným magnetickým žíháním. Žíháním se dá upravit hysterezní smyčka až na pravoúhlý tvar. Slitiny Ni-Fe s obsahem 50% Ni mají ze všech binárních slitin největší magnetickou indukci (1,55 T). Cílenými postupy a výběrem surovin lze vyrobit řadu slitin stejného složení o různých vlastnostech. Dá se zejména zvýšit počáteční a maximální permeabilita a lze nastavit hysterezní smyčku tak, aby měla pravoúhlý tvar. Slitiny Ni-Fe s obsahem niklu 36 % jsou slitiny označované obecně jako invar. Vykazuje ze všech slitin nejmenší teplotní součinitel délkové roztažnosti a největší rezistivitu. Má srovnatelnou permeabilitu a koercitivní sílu s kvalitními křemíkovými ocelemi. Počáteční permeabilita se pohybuje od 2000 do 3000, maximální magnetická indukce je asi 1,3 T. Vykazuje malý vzestup permeability při malé intenzitě magnetického pole. Slitiny Ni-Fe s obsahem niklu 30% se vyznačují nízkou Curieovou teplotou (30 až 100 C). Tím je způsobena velká závislost maximální magnetické indukce na teplotě. Změnami v obsahu niklu lze měnit Curieovu teplotu. 1.4 Slitiny Fe-Co s obsahem Co 35% mají vůbec nejvyšší dosažitelnou hodnotu saturace 2,43 T. Slitiny Fe-Co-Ni Perminvar (45 % Ni, 30 % Fe, 25 % Co) má podobné vlastnosti. Naopak pravoúhlou smyčku vykazuje slitina Permendur (49 % Fe, 49 % Co, 2 % V) s velkou hodnotou indukce nasycení 2,15 T). 1.5 Magnetická skla jsou amorfní magnetické materiály. Jde o novou skupinu magneticky měkkých materiálů. Kovová skla, nazývaná také amorfní kovy nebo amorfní kovové slitiny, nejsou krystalická jako běžné kovové materiály, zachovávají si však vzhled kovů a mají charakteristické fyzikální, mechanické a chemické vlastnosti, jimiž předčí kovové krystalické materiály podobného složení. Poněvadž tyto látky nemají krystalickou strukturu, tedy ani hranice zrn a jsou přitom velmi homogenní, je pohyb Blochových stěn snadný, a proto jsou ve 4
srovnání s obdobným materiálem v krystalickém stavu magneticky značně měkčí. Řada vlastností kovových skel (např. hustota, stlačitelnost) je shodná s vlastnostmi krystalických materiálů. Rozdíly jsou zaznamenány ve vlastnostech, které jsou závislé na orientaci krystalů. Krystalická struktura ovlivňuje anizotropii magnetických, elektrických a mechanických vlastností. Anizotropie se v kovových sklech neuplatňuje. Žádné kovové materiály nedosahují tak vysoké meze kluzu jako kovová skla, ačkoli některé oceli mají srovnatelnou úroveň lomové pevnosti. Kovová skla jsou při tahovém zatížení plasticky nestabilní. V ohybu, smyku a tlaku kovová skla však snášejí velké plastické deformace. Kovová skla vykazují extrémně vysokou odolnost proti korozi Vzhledem k vysoké odolnosti proti účinku roztoků chloridů, resp. H 2 SO 4, jsou kovová skla velmi perspektivní např. pro použití na námořní kabely, chemické filtry, elektrody, reaktory v chemickém průmyslu apod. Oceli o vysoké pevnosti se obtížně magnetují, kovová skla konstituovaná na bázi železa jsou charakterizována snadnou magnetizací. Magnetizace kovových skel je mnohem snadnější než magnetizace slitin typu Permalloy. Snadná magnetizace kovových skel je spjata s vysokou mobilitou stěn magnetických domén v matrici. Tato vysoká mobilita je dána tím, že zde nejsou přítomny překážky pohybu stěn (jako jsou hranice zrn), materiál má vysokou izotropii vlastností a díky vysokému elektrickému odporu kovových skel se tlumí vířivé proudy. Vysoká mobilita doménových stěn se odrazí i při dosahování vynikajících makroskopických magnetických vlastností. S tím souvisejí i nízké wattové ztráty. Využití kovových skel je např. při výrobě transformátorů, zesilovačů, spínačů, hlav záznamových přístrojů atd. Přednosti a charakteristické vlastností amorfních kovů oproti klasickým kovovým materiálům je vysoká tvrdost, vyšší poměr pevnost/hmotnost, vyšší mez pružnosti a kluzu, vysoká odolnost proti korozi, vysoká rezistivita a jedinečné zvukové vlastnosti. Další přednosti při aplikaci kovových skel jsou jejich výborné mechanické vlastnosti. Mimo to také kovová skla vykazují vysokou rychlost šíření vln a mají také vynikající clonící účinek. 5
Kovová skla se používají na magnetické obvody transformátorů. Mají vysokou permeabilitu, nízkou koercitivní sílu, nízké hysterezní ztráty a nízké ztráty vířivými proudy. Celkové ztráty bývají až pětkrát nižší než u klasických materiálů. Další možné využití je na magnetické stínění. Pro přípravu kovových skel byla vypracována celá řada metod. Hlavní podstata všech metod je dosažení velké rychlosti ochlazování, která je podmínkou získání amorfní struktury. Při překročení určité úrovně rychlosti ochlazování není dostatek času k dosažení krystalické struktury, takže se zachová struktura taveniny (amorfní mikrokrystalický kovy). Technika je založená na výrobě velmi tenkého pásu, vznikajícího při styku roztaveného kovu s chladícím rychle rotujícím měděným bubnem. Obvodová rychlost bubnu je100 km/h, pásek má tloušťku do 80 µm, šířku 1 až 150 mm. Jiná technika umožňuje atomizaci částic kovu pomocí rychle přiváděného proudu inertního plynu. Další technika je založená na ochlazování tenké povrchově natavené vrstvy samotného materiálu (laserový ohřev). Ve srovnání s běžnými metalurgickými metodami výroby pásků a drátů mají postupy používané při výrobě kovových skel značné ekonomické přednosti. Jsou rychlé, poměrně jednoduché a málo náročné na spotřebu energie. V některých případech je možno ušetřit ve srovnání s klasickou výrobou pásků až 80 % energie. Kovová skla jsou perspektivní magneticky měkké materiály. Je možné je ohýbat, tvářet, válcovat a stříhat. Nevýhodou kovových skel je teplotní nestabilita. Při ohřevu nad určitou teplotu dochází ke krystalizaci a tím i ke ztrátě příznivých vlastností. Tato teplota je závislá na typu slitiny, obvykle nepřesahuje 300 C. 2. Magneticky tvrdé materiály Magneticky tvrdých materiálů se používá v technické praxi k výrobě trvalých (permanentních) magnetů, které slouží k vytváření magnetického pole bez přítomnosti elektrického proudu (na rozdíl od elektromagnetů). Fyzikálním základem uvedených vlastností je zpravidla defektní struktura, znesnadňující přemagnetování. Jinou možností je použití jednodoménových částic, v nichž směr spontánní magnetizace a s tím související směr magnetických momentů lze změnit pouze účinkem velmi silného vnějšího magnetického pole. 6
U těchto materiálů vyžadujeme vysoké hodnoty koercitivní intenzity, remanence i energetického součinu (BH) max. Tento požadavek splňují např. oceli s velkým vnitřním pnutím. Do této skupiny patří dále vytvrditelné slitiny netvářitelné, vytvrditelné slitiny tvářitelné, práškové materiály, ferity a sloučeniny na bázi kobaltu. Základními vlastnostmi magneticky tvrdých materiálů je, že se nesnadno zmagnetují a zejména obtížně se přemagnetovávají. Mají širokou hysterezní smyčku, velkou koercitivní sílu (Hc > 800 A.m -1 ) a velkou remanentní indukci. 2.1 Kovové materiály jsou kalené oceli (0,8 až 1,5 % C) s martenzitickou strukturou. Procesy stárnutí materiálu vedou k získání dobrých magnetických vlastností. 2.2 Magneticky tvrdé materiály slitinové jsou wolframové, chromové, kobaltové a molybdenové oceli. 2.3 Slitiny Alnico jsou hlavně na bázi Fe Al Ni-Co, které dosahují vynikajících magnetických vlastností. Slévárenská technologie umožňuje vyrábět magnety s usměrněnou krystalickou strukturou. Hlavní přísadou je kobalt, dále hliník, nikl a další prvky, dle požadavků titan a měď. Existuje celá řada slitin, kdy snahou je úspora deficitního kobaltu, při dosažení uspokojivých vlastností pro daný účel. Všechny používané slitiny jsou velmi tvrdé, křehké a obrobitelné prakticky pouze broušením. Nutným předpokladem optimálních magnetických vlastností je vlastní lití magnetů do pískových forem a následné tepelné zpracování (homogenizační žíhání při teplotě 950 až 1200 C) v silném magnetickém poli. Vysoká Curieova teplota je předurčuje i pro nasazení při zvýšených teplotách. Např. Alnico Fe- Al-Ni-Co-Cu má B r = 0,5 1,4 T, H c = 44 110 ka.m -1 a (BH) max = 7 34 kj.m -3. Slitiny jsou křehké, netvářitelné. Magnety se vyrábějí odléváním a technikou práškové metalurgie. Zlepšení magnetických vlastností je dosaženo tepelným zpracováním v silném magnetickém poli. 2.4 Magnety vyráběné práškovou technologií jsou materiály, které umožňují dosáhnout velké rozměrové přesnosti a téměř zcela odstraňují pracné obrábění. Jsou to např. spékané (sintrované) kovové 7
magnety (typu Al-Ni a Al-Ni-Co), pro něž jsou výchozí materiály Fe, Ni a Co. Hliník se přidává v podobě práškové předslitiny se železem, niklem nebo mědí. Po promíšení, rozemletí a prosévání se směsi lisují a vypékají při vysokých teplotách 1250 až 1330 C. Výroba spékáním je vhodná pro magnety malých rozměrů. Velmi progresivní metodou je výroba magnetů z velmi jemných prášků, kdy rozměr zrna je srovnatelný s velikostí Weissovy domény. Směs prášku a pojiva se lisuje v magnetickém poli. Zrna se natočí vůči vnějšímu poli ve směru spontánní magnetizace domén. Takto je získána vysoká magnetická anizotropie. Prášky jsou vyráběny z čistého železa nebo slitiny Fe + 35 % Co. Uplatnění permanentních magnetů ve výkonové elektrotechnice je hlavně u alternátorů, magnetů zkratových motorů, dynam, stejnosměrných motorků, ventilátorů, gyroskopů a pulzních generátorů. 3. Magnetické oxidické materiály ferity Ferity jsou oxidické materiály (keramické) odvozené z oxidu železitého Fe 2 O 3. Jejich magnetismus je dán nevyváženým antiparalelním uspořádáním magnetických momentů v doménách (ferimagnetika). Podle krystalové mřížky se podobají ferity nerostům jako je spinel, granát nebo mají hexagonální uspořádání atomů. Krystalové mřížky feritů jsou velmi složité. Obecný vzorec je MeO. Fe 2 O 3, kde Me mohou být Cd, Mg, Zn, Cu, Mn, Fe, Co, Ni, Ba, Sr a další prvky. Ferity mají vysokou rezistivitu (10 2 10 10 Ω.cm), jsou dokonale homogenní, mají záporný teplotní součinitel rezistivity, nízkou magnetizaci nasycení, nízké ztráty elektromagnetické energie a malé ztráty vířivými proudy. Svým charakterem se ferity blíží keramice. Mají velkou tvrdost a křehkost. Výroba feritů vyžaduje zpracování velmi čistých surovin, oxidů příslušných kovů. Celkový obsah nečistot nesmí přesáhnout 0,2 %, zvláště škodlivá je přítomnost Ba, Si a Na. Výchozí suroviny jsou Fe 2 O 3 a oxidy CaO, CoO, MgO, SiO 2, ZnO, PbO, TiO 2. Suroviny se melou a mísí v kulových mlýnech. Po vysušení se prášek podrobuje kalcinaci, což je vypalování 8
v tunelových elektrických pecích za teploty 900 až 1100 C, kdy dochází k prodifundování kationtů a aniontů a tím ke vzniku zárodků feritových zrn. Vzniklé hrudky se drtí a třídí podle velikosti zrn. Příliš malé zrno snižuje permeabilitu, naopak velké zrno zvětšuje ztráty vířivými proudy. Dobré jakosti feritů se dosahuje při homogenní velikosti zrn a malé pórovitosti. Směs se mísí s pojivem a lisuje na požadovaný tvar. Výlisky se suší v plynových elektrických pecích. Konečnou operací je slinování při teplotách okolo 1400 C. Obrábění feritů je velmi obtížné, neboť jsou tvrdé a křehké. Použitelné je jen broušení, příp. ultrazvukové obrábění. Výroba práškovou technologií však poskytuje přesné tvary a dobrou jakost povrchu, takže obrábění nebývá nutné. 3.1 Magneticky měkké ferity jsou spinelové ferity. Mají typ struktury FeO. Fe 2 O 3. Základní buňka je složena z osmi krychlí. V prakticky užívaných feritech jsou ionty Fe 2 nahrazeny ionty dvojmocných prvků Mn, Zn, Mg atd. Nejvýznamnější jsou ferity MnO. Fe 2 O 3. Počáteční permeabilita µ poč průmyslově vyráběných feritů je od 10 do 10000. Teplotní součinitel počáteční permeability je u těchto materiálu snížen na 0,6.10-6 až 1,8.10-6 K v teplotním rozsahu 20 až 60 C, časová stabilita počáteční permeability je u materiálu s velkou počáteční permeabilitou menší než 8.10-6, u materiálu s malou permeabilitou menší než 50.10-6, což je v souladu s potřebami telekomunikační techniky. Aplikace magneticky měkkých feritů jsou ve vysokofrekvenční elektrotechnice (Mn-Zn, Ni-Zn), v radiotechnice a radioelektronice a mikrovlnné technice. 3.2 Magneticky tvrdé ferity jsou hexagonální ferity s magnetoplumbitovou strukturou. Mají složení MeO. 6Fe 2 O 3, kde Me je Ba, Sr, Co nebo Pb. Hexagonální mřížka se vyznačuje vysokou krystalovou anizotropií. Obvykle se používá ferit BaO. 6Fe 2 O 3, ve kterém je část iontů Ba nahrazena ionty Co, Ni, Mg apod. Vysoká rezistivita feritů umožňuje maximální snížení ztrát vířivými proudy. Nízká remanence dává malé hysterezní ztráty při strmé magnetizační křivce, což je příznivé z hlediska miniaturizace součástek. U magneticky tvrdých feritů se anizotropie dosahuje lisováním výlisků v magnetickém poli. Anizotropie je v tomto případě tak 9
vyhraněná, že součástka vykazuje i anizotropii mechanických a tepelných vlastností. Uplatnění magneticky tvrdých feritů je podobné jako u kovových permanentních magnetů. 3.3 Magnetické kompozity Klasické magnety mají zpravidla tvar válců, hranolů nebo kvádrů se všemi rozměry řádově srovnatelnými. Nelze většinou vyrobit magnety malé tloušťky nebo složitých tvarů, neboť se jedná o sintrované (spékané) nebo odlévané výrobky. Proto byla vyvinuta nová skupina trvalých magnetů, která toto omezení eliminuje. Magnetické kompozity jsou složeny z jemnozrnné feromagnetické nebo ferimagnetické látky a nosného média. Tímto médiem jsou roztoky přírodních nebo syntetických pryskyřic, případně granulát, který se tepelně vytvrdí. Existují dvě skupiny těchto kompozitů. Do první řadíme směsi, u nichž organický podíl má pouze úlohu pojidla, do druhé skupiny potom kompozity, u nichž pryskyřičný podíl ovlivňuje podstatněji vlastnosti (tzv. magnetická pryž). Do první skupiny patří magneticky tvrdé ferity, které se lisují spolu s plastem. Do druhé skupiny se řadí magnetické pryže. Používají se dnes nejen pro méně náročné účely (magnetické zámky, magnetická pryžová těsnění v ledničkách), ale i pro membrány reproduktorů, magnety pro korekci barev barevných obrazovek, magnetické spínače, magnetické spojky, rotory a statory malých motorků apod. Literatura: [1] Drápala, J.; Kursa, M.: Elektrotechnické materiály, VŠB technická univerzita Ostrava, 2012, ISBN 978-80-248-2570-0 10