Группы материалов, используемые в настоящее время в промышленности, могут быть клас­сифицированы по четырем категориям, каж­дая из которых включает ряд подгрупп:

• Металлы: кованые, штампованные, прокат­ные, листовые, литые, металлокерамика;
• Неметаллические неорганические мате­риалы: керамические материалы, стекло;
• Неметаллические органические матери­алы: природные материалы, пластмассы и эластомеры;
• Композиционные материалы.

 

Магнитные материалы, образующие группу материалов со специфическими техниче­скими характеристиками, выделены в от­дельную группу.

 

 

Металлы

 

Металлы, имеющие кристаллическую струк­туру с атомами, расположенными в кристал­лической решетке в регулярном порядке и свободными электронами атомов, перемеща­ющимися по ней, характеризуются высокой электропроводностью, снижающейся с уве­личением температуры; хорошей теплопро­водностью; низкой светопроницаемостью; высокой оптической отражательной способ­ностью; высокой пластичностью.

Сплавы — это металлические соединения, состоящие из двух и более компонентов, из которых как минимум один представлен ме­таллом.

 

Штампованные, прокатные, литые и другие металлы

 

За исключением небольших дефектов изго­товления, таких как усадочные раковины и неметаллические включения, в таких металлах отсутствуют пустоты. Составляющие ком­поненты могут соединяться непосредственно в процессе плавки (например, серый чугун, литой алюминий) или формоваться из полу­фабрикатов (путем механической обработки или прессования).

 

Металлокерамические материалы

 

Металлокерамические материалы обычно изготавливаются прессованием или спеканием порошкообразных смесей под давлением. Термическая обработка метал­локерамических материалов производится при температурах 800-1300 °С. Область их применения определяется, помимо приобре­тенных химических свойств, степенью пори­стости. Компоненты сложной формы могут выполняться из спеченных металлов либо из легкосменных деталей, либо из деталей с не­большой отделкой.

 

Неметаллические неорганические материалы

 

Характеризуются ионными связями (напри­мер, керамические материалы), смешанными гетерополярными/гомополярными связями (например, стекло) и гомополярными свя­зями (например, углерод). Имеют малые тепло- и электропроводность (последняя увеличивается с повышением температуры), низкую отражательную способность, боль­шую хрупкость, препятствующую формова­нию материала в холодном состоянии.

 

Керамика

 

Большинство природных керамических ма­териалов (порядка 70%) имеют аморфную структуру и высокую пористость. Изготав­ливается керамика аналогично металло­керамическим материалам, но при этом используются лишь порошкообразные не­металлические компоненты или их смеси. Спекание исходных компонентов обычно происходит при температурах свыше 1000 °С.

 

Стекло

 

Стекло имеет вид замороженной при сильном переохлаждении жидкости. Его атомы распо­лагаются в виде коротких цепочек и в целом образуют аморфную структуру. Расплав­ленное стекло превращается в твердое тело при температуре, называемой температурой преобразования (стеклования) T_g. Поскольку температура T_g зависит от многих факторов, однозначная ее оценка невозможна.

 

Неметаллические органические материалы

 

Неметаллические органические материалы состоят, в основном, из сое­динений углерода и водорода, а также азота, кислорода и других элементов. Большинство этих материалов обладает низкой термо- и электропроводностью, подвержено возгора­нию.

 

Природные материалы

 

Природные материалы (дерево, кожа, смола, сырой каучук, волоконные материалы, изго­товленные из шерсти, хлопка, льна, пеньки и шелка) используются в качестве отделочных материалов и сырья для изготовления синте­тических материалов.

 

Пластмассы

 

Имеются три различных типа пластмасс: термопластические смолы, термореактивные пластмассы (иногда называемые терморе­активными смолами) и эластомеры (по­лимеры), обладающие высокоэластичными свойствами. Температура преобразования T_Е для термопластических и термореактив­ных пластмасс находится на уровне, превы­шающем температурный диапазон их применения, для эластомеров эти температуры сопоставимы. Температура преобразования пластмасс T_Е (сравнимая с температурой преобразования стекла T_g) представляет со­бой температуру, ниже которой молекуляр­ное движение в материале прекращается. Большое преимущество термопластов и реактопластов заключается в том, что они могут принимать определенную форму отливки без обработки. Подробнее о пластмассах вы можете прочитать в статье «Свойства пластмасс применяемых в маштностроении«.

 

Термопластические пластмассы

 

Термопластические пластмассы размягчаются при температуре, превы­шающей T_Е. Для снижения зависимости их физико-механических характеристик от тем­пературы применяют соединения термопла­стических полимеров.

 

Термореактивные пластмассы

 

Термореактивные пластмассы сохраняют свои габаритные размеры до тем­пературы, превышающей T_Е. Механические свойства в меньшей степени, по сравнению с термопластическими смолами, зависят от температуры. В целях повышения стойкости к хрупкому разрушению, термореактивные смолы упрочняют различными наполните­лями.

 

Эластомеры

 

Находят широкое применение благодаря своим упругим свойствам, сохраняющимся при температуре, превышающей T_Е. Для стабилизации молекулярных связей эластомеры подвергают вулканизации.

 

Композиционные материалы

 

Композиционные материалы состоят из двух и более различных физических или хими­ческих компонентов, прочно соединенных между собой по определенным поверхно­стям раздела. Формирование поверхностей раздела не должно оказывать негативное воздействие на соединяемые компоненты. При соблюдении этих условий возможно соединение воедино нескольких материа­лов. Композиционные материалы обладают комбинацией свойств, которые не присущи отдельным компонентам. Композиционные материалы подразделяются на классы: композиционные материалы, сформирован­ные из частиц (например, порошкообразные наполнители смол, прочные металлы, упруго­пластичные соединения магнитных материа­лов, металлокерамика); слоистые композиционные материалы (на­пример, слоеные панели, соединенные смо­лами ткани); волокнистые композиционные материалы (например, стекловолокно, углеродное во­локно, упрочненное синтетикой хлопковое волокно).

 

Магнитные материалы

 

Материалы, обладающие ферромагнитными свойствами, называются магнитными мате­риалами и относятся к одной из двух групп: металлы (литые или спеченные) или неметал­лические неорганические материалы. Компо­зиционные материалы также играют все бо­лее важную роль. Все они характеризуются способностью сохранять магнитную энергию (постоянные магниты) либо проводить маг­нитные потоки (слабые магниты). Кроме ферромагнитов, существуют диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнитные мате­риалы. Они отличаются друг от друга магнит­ной проницаемостью μ или магнитной вос­приимчивостью k).

μ_r = 1 + к

 

Диамагнетики

 

Магнитная восприимчивость диамагнетиков k_dia не зависит от температуры.

 

Парамагнетики

 

Магнитная восприимчивость к_рarа изменяется по закону Кюри:

к_рarа = С/Т;

где:

С — постоянная Кюри;

Т — температура в градусах К.

 

Ферромагнетики и ферродиэлектрики

 

Ферромагнетики и ферродиэлектрики лавинообразно намагничива­ются до достижения точки Кюри (темпера­туры Кюри Т_с). При температуре выше точки Кюри они приобретают свойства парамаг­нетиков. При Т > Т_с описываемая законом Кюри-Вейсса магнитная чувствительность равна:

к = С/(Т-Т_с).

Индукция насыщения ферромагнетиков выше, чем у ферродиэлектриков. При этом ферродиэлектрики являются магнитными.

 

Антиферромагнитные материалы

 

Примеры: MnO, MnS, FeCI₂, FeO, NiO, Or, V2O3, V2O4.

Как и в случае с ферродиэлектриками, маг­нитные моменты лежат в непараллельных плоскостях. Эффективность намагничивания такого материала равна нулю. При темпера­туре выше точки Нееля (температуры Нееля T_N), антиферромагнитные материалы подобны парамагнетикам. При T > T_N антиферромагнитная восприимчивость описывается выражением:

к = С/(T+Θ),

где Θ — асимптотическая температура Кюри.

 

Магнитомягкие материалы

 

Определение материалов этого класса при­ведено в соответствии с Германскими про­мышленными стандартами DIN. Магнитомягкие металлы (DIN-IEC 60404- 8-6).

Многие материалы, определяемые этим стандартом, включены также в стандарты DIN 17405 (реле постоянного тока) и DIN- IEC 740-2 (преобразователи и электрические реакторы).

Обозначение (состав):

буква, цифра 1, цифра 2 — цифра 3. Буква обозначает основной компонент сплава: «А» — чистое железо, «С» — кремний, «Е» — никель, «F» — кобальт.

Цифра 1 в обозначении материала указы­вает на концентрацию основного легирую­щего элемента. Цифра 2 определяет форму кривой гистерезиса: 1 — круговая, 2 — пря­моугольная. Цифра 3 обозначает свойства, придаваемые легирующим элементом материалу. Она указывает на минимальную на­чальную магнитную проницаемость μ_a/1,000 никелевых сплавов; в других сплавах она ука­зывает на наибольшую коэрцитивную напря­женность магнитного поля (в А/м). В зависи­мости от геометрической формы материалов меняются их свойства и область применения. Данные материалов, указанные в извлече­ниях из стандарта, представляют собой очень общий обзор свойств этих материалов.

Тонколистовая электросталь (входит в стандарт DIN 46400).

Обозначение: буква 1, цифра 1 — цифра 2, буква 2. Первая буква «М» обозначает металличе­ские материалы. Цифра 1 указывает на сто­кратную максимальную потерю на перемагничивание при 1,5 или 1,7 Тл и 50 Гц в Вт/кг. Цифра 2 указывает на номинальную глубину намагничиваемого слоя в мм.

Буква 2 обозначает: «А» — холоднокатанная термически обрабо­танная электросталь без ориентации зерен (DIN-EN 10106). У термически обработан­ной электростали с ориентацией зерен (DIN-EN 10107): «N» обозначает стандарт­ную потерю магнитных свойств; «S» — ограниченную потерю магнитных свойств; «Р» — нижний предел потери магнитных свойств; «D» — холоднокатанную нелегиро­ванную электросталь без термообработки (DIN-EN 10126); «Е» — холоднокатанную леги­рованную электросталь без термообработки (DIN-EN 10165).

Материалы для преобразователей и электри­ческих реакторов (DIN-IEC 740-2). Включают классы сплавов С21, С22, Е11, Е31 и Е41, относящиеся к стандарту мягкомагнит­ных материалов (DIN-IEC 60404-8-6).

Стандарт, главным образом, содержит значе­ния минимальной магнитной проницаемости листовых сердечников для установленных секций тонколистовых сердечников (YEI, YED, YEE, YEL, YUI и YM).

Материалы для реле постоянного тока (DIN 17405).

Обозначения:

• Буква «R» (материал для реле);
• Буквы для обозначения легированных материалов: Fe — нелегированное железо; Si — кремние­вые стали; Ni — никелевые или легированные стали;
• Код для обозначения наибольшей коэрци­тивной напряженности магнитного поля;
• Буквы для обозначения условий поставки материла: «U» — в необработанном виде; «GB» — штампованный термически обработанный; «GT» — предварительно термически обработанный для холодной штамповки; «GF» — окончательно термически обработан­ный.

 

Обозначения по DIN-IEC 60404-8-10 маг­нитных материалов для реле, основанных на железе и стали:

• Буква «М»;
• Наибольшая величина коэрцитивной на­пряженности магнитного поля в А/м;
• Буква, обозначающая состав материала: «F» — чистое трехвалентное железо; «Т» — легированная сталь; «U» — нелегированная сталь;
• Буква для обозначения условия поставки: «Н» — горячекатанная; «С» -холоднокатан- ная или холоднотянутая;
• Пример: М 80 ТН.

 

Металлокерамические материалы для слабо­магнитных элементов (DIN-IEC 60404-8-9). Обозначения:

• Буква «S» — металлокерамические мате­риалы;
• Далее — основные легирующие элементы, например, Fe плюс Р, Si, Ni или Со;
• Далее — наибольшая величина коэрцитив­ной напряженности магнитного поля в А/м.

 

Магнитомягкие ферритные сердечники (DIN 41 280).

Формируются из деталей, изготовленных из металлокерамических материалов с общей формулой МО • Fe₂0₃, где М — один или бо­лее двухвалентных металлов Cd, Со, Са, Мд, Mn, Ni, Zn.

Обозначение: заглавными буквами с класси­фикацией по группам в соответствии с но­минальной начальной магнитной проницаемостью. Для подразделения на подгруппы используются дополнительные цифры.

Стандартный диапазон коэрцитивной на­пряженности магнитного поля слабомагнит­ных ферритов Н_с составляет 4-500 А/м. При напряженности магнитного поля 3000 А/м, магнитная индукция В находится в диапазоне 350-470 мТл.

 

Порошковые композиционные материалы

 

Порошковые композиционные материалы еще не стандартизированы, но находят все большее применение. Они состоят из ферромагнитного металлического порошка (желез­ного или из сплавов железа) и органического или керамического связующего. Порошко­вые материалы изготавливаются по тем же технологиям, что и спеченные металлы. К от­дельным этапам производства относятся:

• Смешивание сырья (металлического по­рошка и связующего);
• Формирование материала штамповкой или прессованием;
• Термическая обработка ниже температуры плавления (< 600°С).

 

В зависимости от типа и количества связую­щего, можно создавать порошковые матери­алы с насыщенной поляризацией, повышенной магнитной проницаемостью или высоким электрическим сопротивлением.

Порошковые материалы в настоящее время покрывают следующий спектр свойств:

 

 

Порошковые материалы используются в тех областях, где важны вышеуказанные ха­рактеристики и предъявляются не слишком высокие требования к механической прочно­сти и качеству обработки. В настоящее время они применяются при изготовлении быстро­действующих исполнительных механизмов систем управления дизелей, а также высо­коскоростных небольших электродвигателей для автотранспортных средств.

 

Материалы постоянных магнитов (DIM 17410, заменен на DIM IEC 60404-8-1)

 

Используемые в наименовании этих ма­териалов химические символы указывают на легирующие присадки. Цифры слева от диагональной разделительной линии указы­вают на значение (ВН)_max в кДж/м³; цифры справа — на величину H_cj в кА/м (в десятых долях). Постоянные магниты со связующим материалом обозначены в конце буквой р.

Обозначение сокращенных названий или цифровых кодов:

Структура цифр кода (DIM IEC 60404-8- 1:2005-8):

Буква кода (группы)

+ 1-я цифра (тип материала),

+ 2-я цифра 0 (изотропный) или 1 (анизо­тропный),

+ 3-я цифра (различные уровни качества).

R — металлические материалы постоянных магнитов, например,

R1 — сплавы алюминия-никеля-кобальта- железа-титана (AIMiCo).

S   — керамические материалы постоянных магнитов, например,

S1 — магнитотвердые ферриты.

U — комбинированные материалы постоян­ных магнитов, например,

U1 — комбинированные магниты из алюминия- никеля-кобальта-железа-титана (AIMiCo),

U2 — комбинированные магниты из редкозе­мельного элемента — кобальта (RECo).

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: