Феррит
Микроструктура большинства низкоуглеродистых сталей более чем на 99 % состоит из железа. Однако, независимо от плотности упаковки атомов железа, между ними имеются зазоры, где размещаются более мелкие атомы углерода и азота. Такая микроструктура получила название феррит.
Свойства феррита
Обычно имеет объёмно-центрированную кубическую кристаллическую решётку (ОЦК), которая, из-за преобладания атомов железа, является мягкой и пластичной. Существует предел того, сколько углерода в зазорах ферритной микроструктуры может поместиться. Максимально это 0,02 % при 725 °С, но для комнатных температур количество углерода снижается до 0,006 %. Максимальную стабильность структура приобретает при температуре ниже 912 °C.
Первичную фазу при комнатной температуре представляет ферромагнитное α-железо, макроструктура которого представлена на рис.1.
Феррит существует в двух формах — α-феррит и δ-феррит. δ-феррит — это высокотемпературный твёрдый раствор углерода в железе, образующийся при охлаждении низких концентраций углерода из жидкого состояния перед превращением в аустенит. При высоком содержании легирующих элементов может сохраняться до комнатной температуры, а плавится при 1538 °С.
- плотность упаковки атомов, % — 68;
- твёрдость по Бринеллю, НВ – 80;
- жаропрочность, °С, не выше – 910;
- сопутствующие структуры – цементит, перлит.
Количество α-феррита в составе сплавов зависит от процесса их охлаждения.
Наличие в сталях и сплавах
К ферритному классу относятся серые чугуны, низкоуглеродистые (не более 0,20 % С) и некоторые нержавеющие стали.
Низкоуглеродистая сталь обладает высокой ковкостью и пластичностью, что объясняется наличием в макроструктуре равноосных зёрен (см. рис.2).
Такая микроструктура состоит из сотен отдельных микрочастиц, разделенных более тёмными по тону границами. Каждая микрочастица представляет собой отдельный кристалл, а границы зёрен устанавливаются по разным кристаллическим ориентациям. Следовательно, размеры зёрен для равноосного феррита во всех направлениях примерно одинаковы. Такой феррит в материаловедении иногда называют многоугольным.
Гораздо менее благоприятной является структура игольчатого феррита или Видманштеттова структура, при которой частицы имеют форму игл (см. рис. 3).
В данном случае преобладающей является деформация сдвига, а микрочастицы характеризуются сниженной прочностью и ударной вязкостью, поэтому часто разрушаются из-за повышенной хрупкости. Такой металл подлежит обязательному отжигу.
Содержание углерода в ферритных нержавеющих сталях сохраняется практически на том же уровне (не более 0,08 %), но добавляется хром (от 10,5 до 30,0 %) и – иногда — молибден. Структура металла остаётся неизменной при любых температурах, поэтому такая сталь не упрочняется термообработкой и не подлежит закалке.
Область рационального применения — детали с относительно тонкими сечениями. Не рекомендуется использование в сварных соединениях, поскольку ударная вязкость в зоне сварного шва недостаточна. Преимущество — высокая стойкость к коррозионному растрескиванию.
Для ферритно-аустенитного класса (так называемых дуплекс-сталей) описываемая структура наблюдается на границах первичных аустенитных зёрен в процессе охлаждения. Типичная микроструктура представлена на рис. 4. Твёрдость достигает 2000 HV.
Основные области применения металлопродукции ферритного класса – изготовление кузовов автомобилей, оборудования для пищевой, фармацевтической промышленности и т.п.
Виды феррита
Игольчатый феррит — это микроструктура феррита в стали, зарождающаяся между зёрен на неметаллических включениях и образующая совокупность мелких, взаимосвязанных зерен. Трёхмерные зёрна игольчатого феррита имеют тонкую линзовидную форму. Эта структура является более упорядоченной, что существенно улучшает свойства стали, особенно её ударную вязкость. На образование игольчатого феррита влияют состав стали, скорость охлаждения, форма включений и размер аустенитного зерна.
Игольчатый феррит образуется внутри исходных аустенитных зерен в результате прямого зародышеобразования на включениях, в результате чего образуются короткие ферритовые иглы с произвольной ориентацией, имеющие вид плетёной корзины. Игольчатый феррит характеризуется также большеугловыми границами между зёрнами. Это дополнительно снижает вероятность скола, поскольку такие границы препятствуют распространению трещин. Со своей стороны, оксидные включения положительно сказываются на прочности сварных швов.
Микроструктура игольчатого феррита состоит из тонких ферритных пластин, которые были впервые обнаружены в зонах сварных швов высокопрочной низколегированной стали. Было обнаружено, что ударная вязкость металла таких швов выше, чем у сталей со структурой обычного бейнита.
Считается, что игольчатый феррит представляет собой мелкодисперсный компонент Видманштеттовой структуры, зарождающийся в результате оптимальной внутризёренной дисперсии:
- окислов;
- сульфидов;
- силикатных частиц.
Сцепление игольчатого феррита вместе с его малым размером зерна обеспечивает максимальное сопротивление распространению трещин скалывания.
Игольчатый феррит получают путём изотермической обработки и непрерывного охлаждения среднеуглеродистых микролегированных сталей. Более низкие скорости охлаждения вызывают появление и развитие других фаз — аллотриоморфного феррита, перлита и/или мартенсита. Поэтому высокая объёмная доля игольчатого феррита достигается использованием двухступенчатых циклов непрерывного охлаждения.
Проэвтектоидный феррит представляет собой первый продукт диффузии, образующийся из аустенита при его медленном охлаждении или в результате изотермических преобразований низкоуглеродистых сталей.
Проэвтектоидный и эвтектоидный ферриты имеют одинаковую кристаллическую структуру. Различие между ними заключается в следующем. Для эвтектоидного феррита весь γ-аустенит переходит в перлит, образуя пластинчатую смесь феррита и цементита.
При охлаждении доэвтектоидных сталей α-феррит + γ-аустенитное фазовое поле встречаются до появления α-феррита + перлита. Поэтому участки α-феррита зарождаются по границам зерен аустенита, а оставшийся γ-аустенит переходит в перлит.
Следовательно, доэвтектоидный феррит существует как отдельная фаза, а проэвтектоидный феррит входит в состав перлита, другой составляющей которого является цементит.
Видманштеттовый феррит образуется в виде зародышей по механизму, аналогичному механизму формирования мартенсита, но с непрерывно протекающей диффузией углерода. Можно предположить, что рост Видманштеттового феррита может поддерживаться только тогда, когда химическая движущая сила превышает определенную часть запасённой энергии.
Образование такой формы феррита Видманштетта включает одновременный рост двух кристаллографических пластин, причём деформации этих пластин взаимно приспосабливаются друг к другу.
Для улучшения микроструктуры чистых, высокопрочных мартенситных сталей производят разделение зёрен аустенитной структуры и зародышевых пластин феррита Видманштетта. Поскольку зарождение пластин на оксидных частицах, присутствующих в сталях, неоднородно, то сначала на поверхностях аустенитных зёрен образуются однородные тонкие слои неактивного аллотриоморфного феррита. Это эффективно удаляет границы зёрен аустенита как потенциальные места для зарождения Видманштеттового феррита. Установлено, что ферритовые пластины с внутризерновыми зародышами излучают во многих направлениях от каждой частицы оксида. Закалка, которая проводится после такого частичного превращения в аллотриоморфный феррит и феррит Видманштетта, обеспечивает мартенситное разложение блоков остаточного аустенита, тем самым улучшая микроструктуру стали.
Равноосный феррит определяется как ключевой компонент микроструктуры сталей. Критическое событие заключается в распространении трещины наиболее крупного зерна через его границу.
Микроструктуры сталей с различным начальным соотношением равноосных кристаллов феррита имеют незначительные отличия от кристаллов, образующихся после отжига; все зёрна практически полностью представляют собой равноосный феррит. Такая текстура волокон способствует улучшению пластичности сталей. Вместе с тем исходное соотношение кристаллов равноосного феррита не является основным фактором, влияющим на деформируемость и характеристики ферритных нержавеющих сталей.
Улучшение текстуры и микроструктуры равноосного феррита достигается обработкой отжигом, даже, если исходная структура содержит смешанные столбчато-равноосные зёрна.
Сфера применения ферритных сталей
Это — высокохромистые, магнитные нержавеющие стали с низким содержанием углерода. Ферритные стали известны своей хорошей пластичностью, устойчивостью к коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением. Они обычно используются в автомобильной промышленности, при производстве кухонной посуды, а также различного промышленного оборудования.
Применение ферритных сталей сдерживается тем, что их нельзя упрочнить термической обработкой. Зато такие стали хорошо деформируются и повышают пластичность после отжига, что используется при сложных процессах формоизменения в холодном состоянии. Нержавеющие стали ферритного класса имеют ограничения по свариваемости, поэтому применение технологий сварки выполняется только относительно тонколистового проката.
Ферриты (оксиферы)
Феррит – материал, представляющий собой соединение оксида железа и оксидов ферримагнетиков. Он имеет формулу MFe2O4. Это химическое соединение обладает кубической кристаллической решеткой и активно используется в радиоэлектронике, благодаря большому удельному сопротивлению и наличию магнитных свойств.
Основные свойства
Феррит обладает следующими физическими характеристиками:
- Плотность: 4000 до 5000 кг/м 3 (параметр определяется маркой железного сплава).Теплоемкость вещества: до 890 Дж/кг×К.
- Средний модуль упругости: 5500 МПа.
- Предел прочности на сжатие равняется 850 МПа, на растяжение – 110 МПа.
- Коэффициент Пуансона: до 0,4.
- Модуль Юнга: до 21 000 000 кПа.
Одним из основных физических свойств феррита является высокое электрическое сопротивление и магнитная проницаемость, что обуславливает низкие энергетические потери в высокочастотных зонах. Основным фактором, влияющим на этот параметр, является большая концентрация двухвалентных ионов железа. При повышенном количестве частиц Fe2+ увеличивается проводимость железного сплава и понижается его энергия активации. Высокое содержание двухвалентных ионов железа также приводит к снижению зависимости металла от различных свойств среды и состояния намагниченности. Выделяют следующие механические свойства феррита:
- Металлы склеиваются при помощи клея марки БФ-4 и нарезаются инструментами, изготовленными из алмаза.
- Материал поддается полировке и шлифовке.
- При больших механических нагрузках (соударениях, вибрациях) появляются дополнительные напряжения в сердечниках, что приводит к возникновению трещин и иных внешних дефектов.
Главными отличительными особенностями феррита являются его магнитные свойства. Они зависят от величины магнитной проницаемости железной модификации и тангенса угла потерь. На эти характеристики оказывают влияние интенсивность резонансных явлений и механические напряжения. Для сохранения магнитных свойств материала нужно ограничить величину физических нагрузок на поверхность металла. На магнитные свойства феррита воздействуют следующие факторы:
- Влияния высоких или низких температур: при термообработке железного сплава также могут произойти изменения магнитной проницаемости.
- Увлажнение металла: на средних и высоких частотах увеличиваются магнитные потери металла, что связано с изменением электропроводности материала. По этой причине рекомендуется герметизировать металл во время работы с влажными поверхностями.
- Радиационное облучение: воздействие интегральных потоков нейтронов с высокой интенсивностью приводит к изменению электромагнитных характеристик железного сплава.
- Слияние двух магнитных полей: происходит наложение частот, что повышает вероятность возникновения явления резонанса.
Для большей части железных модификаций характерна нестабильность магнитной проницаемости при длительном хранении металла в теплых или холодных помещениях. Ферриты являются полупроводниками и диэлектриками. Их электрические свойства зависят от процессов ионного обмена и температурного режима. При высоких температурах возрастает подвижность отрицательных зарядов химического соединения, что приводит к изменению электропроводности и удельного сопротивления феррита.Электрические свойства могут также изменяться при разных концентрациях ионов железа.
На многие параметры феррита влияют условия изготовления. Выделяют следующие способы производства этого материала:
- При помощи ферритовых порошков: железный сплав изготавливается из специальных химических соединений. Растворы железа осаждают из специальных солей. Полученное вещество смешивают с гидратами щелочей. Смесь сушится и ферритизируется. Этот метод изготовления чаще всего используется в металлургии, что связано с большим эксплуатационным сроком ферритовых порошков.
- Окисная технология: представляет собой смешение и помол окислов металлов. Главными преимуществами этого способа являются безотходность и экономичность. В этом случае для изготовления феррита необходимо минимальное количество сырья. Во время смешивания окисей металлов в атмосферу не выделяются вредные химические соединения. Недостатком этой технологии является трудность измельчения окислов при получении однородных смесей.
- Химические методы: предоставляют возможность изготавливать высокочастотные ферриты без применения этанола и иных соединений с высокой воспроизводимостью структурных параметров.
- Термическое разложение: требуется сернокислые соли, где содержится кристаллизационная вода. В них добавляется небольшое количество H2O. Полученная смесь разлагается на окислы (их температура составляет не менее 900°С. Преимуществом этого способа является однородность распределения всех компонентов при термообработке.
- Бездиффузионный(шенитный) способ: для изготовления железных модификаций необходимы ферритные порошки, состоящие из растворов шенита. Для предельной гомогенизации вещества проходят процесс кристаллизации и ферритизации. Стабильность протекания этих процессов обуславливается состоянием поверхностных частиц шенита и доли полиморфных модификаций.
Для производства качественного феррита необходимо соблюдать основные условия изготовления и использовать высокоактивные ферритовые соединения или порошки.
Химический состав
Ферриты являются смесью оксидов железа и иных легирующих металлов, включающих в себя медь, цинк, магний, ниобий, кобальт, никель, литий и марганец. Средняя молярная масса вещества зависит от процентного содержания химических элементов в растворе. Она равняется 152 – 160 г/моль. В зависимости от химического состава и структуры выделяют следующие разновидности феррита:
- Никель-цинковые: отличаются высоким электрическим сопротивлением и чаще всего используются при высоких диапазонах частот: 500 КГц до 200 МГц.
- Магний-марганцевые: характеризуются низкой магнитной проницаемостью и чаще всего применяются для работы с частотами звука.
- Марганцево-цинковые: имеют низкие потери на вихревых токах и располагают высокими показателями диэлектрической проницаемости.
- Иттриевые: обладают небольшими диэлектрическими потерями. Они устойчивы к ферромагнитному резонансу.
- Литиевые: располагают высокими показателями намагниченности насыщения и термической стабильности.
Химический состав феррита определяется эксплуатационными характеристиками материала и сферой его применения.
Классификация ферритов
Ферриты подразделяются на 3 основных класса:
- Железные сплавы с гарантированными потерями и высокой магнитной проницаемостью.
- Материалы с гистерезисом (зависимости намагниченности от напряжений внешнего поля) в виде прямоугольной петли.
- Модификации железа с уникальными свойствами.
В зависимости от основных параметров металла были созданы марки ферритов:
- 2000 H: никель-цинковый феррит с магнитной проницаемостью 2000 Гн/м;
- 100 ВНП: железный сплав с магнитной проницаемостью 100 Гн/м, состоящий из никеля, цинка и меди;
- 6000 HM1: материал из магния и цинка, магнитная проницаемость составляет 6000 Гн/м;
- 300 П: железная модификация с магнитной проницаемостью 300 Гн/м, состоящий из магния, марганца и калия.
В соответствии с марками металлов была создана классификация ферритов, демонстрирующая виды применения данной модификации железа:
- Общепромышленные: отличаются высокой магнитной проницаемостью и применяются при частоте до 25 МГц. При его изготовлении применяют чистый феррит, представляющий собой частицы ферритовой пыли. Используются в большинстве отраслей радиоэлектроники.
- Термостойкие: металлы с устойчивой магнитной проницаемостью, не изменяющейся при резком перепаде температур. Они используются при производстве антенных и сердечников.
- Высокопроницаемые: благодаря повышенной магнитной проницаемости, они применяются при низких частотах. Используются при изготовлении комплектующих для статических преобразователей.
Отдельные марки ферритов могут применяться для производства определенной аппаратуры. В ионных аккумуляторах может использоваться только феррит цинка, являющийся магнитомягким металлом. Для магнитных головок изготавливают железные сплавы на основе никель-цинковых материалов. При сборке датчиков и специальных детекторов используют ферриты с высокой термочувствительностью. Ферриты, способные работать при импульсном намагничивании, используются во время производства трансформаторов. Модификации железа, имеющие низкие потери при частоте, могут применяться в телевизионных приборах.
Ферриты: от компаса до сверхмощного коллайдера
Примерно пару тысячелетий назад людям стало известно о чудесных камнях, которые притягиваются к железным изделиям. Позже человечество научилось пользоваться не только природными магнитами – были созданы искусственные сплавы, например, ферриты. Интерес к ним возрос благодаря спросу на изделия из высокочастотных магнитных материалов, которые очень нужны в электронике, машиностроении, космической промышленности.
Родиной отечественных ферритов является Санкт-Петербург. Именно здесь в 1959 году был организован Институт по изучению ферритов, на базе которого позже сформировался НИИ «Феррит-Домен». Сегодня это предприятие холдинга «Росэлектроника» разрабатывает целую линейку ферритовых приборов, которые применяются в различных отраслях: от цифрового телевидения до сверхмощных коллайдеров.
Естественное и искусственное происхождение магнита
Еще на заре цивилизации стало известно о камнях, способных притягивать к себе железные предметы. Собственно, само происхождение названия «магнит» имеет древнегреческие корни. В местечке Магнисия впервые были найдены залежи необычной горной породы, которая была названа «камень из Магнисии». В те времена такие камни наделялись и мистическими свойствами. Какие только чудеса магнитам не приписывались – ими лечили различные болезни (кстати, и сегодня существует магнитотерапия), из них изготовляли амулеты для отпугивания злых духов и т.д. Пока наконец-то магниты не нашли вполне разумное практическое применение – легли в основу первых компасов.
На протяжении столетий использование естественных, или природных, магнитов было единственным способом для генерации магнитного поля. Позже было создано поле искусственного происхождения, под воздействием электричества, а затем появились искусственные магниты. Это материалы, которые изготавливаются человеком и представляют собой специальные сплавы.
Так в 1930-х годах был получен сплав альнико (алюминий-никель-кобальт). Доступная стоимость наряду с хорошими магнитными свойства сделали этот материал популярным на несколько десятилетий вперед. Попытки найти более эффективную и выгодную альтернативу альнико не приостанавливались. Исторической родиной магнитотвердых ферритов считается Япония, где в 1955 году появился первый коммерческий образец данного материала. Вскоре и в СССР узнали, что такое ферритовые магниты, и уже к середине 1960-х годов советской промышленностью был освоен их массовый выпуск.
Родиной отечественных ферритов считается Ленинград, где в 1935 году были начаты работы по созданию магнитодиэлектриков, открывших возможности для разработки разнообразных ферритов. А в 1959 году в городе на Неве начал работу НИИ ферритов для изучения магнитных материалов. Сегодня это Научно-исследовательский институт «Феррит-Домен», который по-прежнему остается лидером ферритовой отрасли России.
Что такое феррит и как его «добывают»
Феррит образуется из химического соединения оксидов железа с оксидами других металлов, такими как марганец, барий, цинк и никель. Оксид железа является базой для любого феррита – до 90% их состава приходится на оксид железа. Поэтому ферритовые магниты остаются самыми выгодными в производстве. В первую очередь, потому что оксид железа очень распространен в природе. Кроме того, ежегодно металлургическая отрасль в качестве отходов выдает огромное количество синтетического оксида железа. Таким образом, это практически бесконечный источник дешевого сырья для изготовления ферритовых магнитов.
Сам процесс создания ферритового изделия довольно прост. Нужную смесь помещают в печь при температуре около 1000 градусов. Затем ферритовый порошок передается на прессование. В итоге образуется заготовка различной формы – это может быть стержень, диск, кольцо или пластина. После этого заготовки еще раз обжигаются и шлифуются. Несмотря на простой принцип технологии, в процессе своего «рождения» ферритовая деталь может пройти до ста технологических операций.
Ферриты стратегического значения
Уникальные магнитные характеристики и низкая электропроводность сделала ферриты ведущим магнитным материалом в высокочастотной технике. Встретиться с ферритами в повседневной жизни можно практически повсеместно. Например, феррит стал основой для защиты электронных приборов. Ферритовое кольцо, надетое на кабель, помогает снизить влияние радиочастотных и электромагнитных помех на сигнал, который передается по проводу. Многие видели на кабелях питания компьютера небольшие цилиндры – это и есть то самое «ферритовое кольцо». Компьютерный кабель, как и кабели другого силового оборудования, могут работать как антенны – излучать различные шумы, тем самым создавая помехи для электроники вокруг. И наоборот, сам компьютерный кабель может стать «жертвой» помех от других устройств. Вот для устранения всех этих неурядиц и используется ферритовое кольцо.
Это, конечно, далеко не единственный пример применения ферритов в повседневном окружении. Ферриты используются в изготовлении бесконтактных датчиков для электронных пропускных систем, во встроенных антеннах мобильных телефонов для усиления сигнала, в слуховых аппаратах для уменьшения их размера. Как и тысячелетия назад нашли они свое применение и в лечении – ферриты применяются в магнитотерапии при остеохондрозе, для улучшения кровообращения.
В оборонной промышленности также множество примеров использования ферритов. Например, они входят в состав деталей антенных систем сухопутных, морских и авиационных радиолокаторов. На основе ферритов созданы фазовращатели, которые используются в фазированных антенных решетках (ФАР). Иногда такие ферриты называют «излучающими».
«Поглощающие» ферриты прямо противоположны по своему назначению. Например, их можно обнаружить в составе покрытий военных объектов, которые должны обладать малой заметностью. Плиткой из «поглощающих» ферритов покрывают стены помещений, в которых работает секретное оборудование. Такие материалы используются и для изготовления безэховых камер.
Специалистами «Феррит-Домен» ведется разработка инновационного радиопоглощающего материала на основе феррита для безэховых камер. Среди основных преимуществ новинки – минимальные массогабаритные характеристики. Кроме того, новый материал на основе феррита обеспечит высокий уровень поглощения. Как сообщили в НИИ «Феррит-Домен» серийное производство новых радиопоглощающих покрытий планируется начать в 2025 году.
Ферритовые циркуляторы и вентили производства «Феррит-Домен». |
Это не единственная «ферритовая» новинка предприятия. В рамках программы импортозамещения «Феррит-Домен» разрабатывает линейку ферритовых приборов – узкополосных циркуляторов высокого уровня мощности. Такие компоненты могут использоваться как в устройствах широкого потребления, например, в оборудовании для цифрового телевидения, так и в крупнейших научных проектах. Например, для исследования элементарных частиц в ядерной энергетике. Ожидается, что ферритовые циркуляторы от «Феррит-Домена» будут работать и в перспективных сверхмощных коллайдерах, строительство которых запланировано в Сарове, Новосибирске и на Дальнем Востоке.
Феррит — свойства и применение
О минерале, который притягивается к стальным изделиям, человечеству стало известно еще в 3 веке до нашей эры. Люди были поражены, но дальнейшего развития способов его применения не последовало. Второе рождение феррита произошло после открытия компаса. Кусок минерала, закрепленный на плавающей доске, всегда указывал в одну сторону, облегчая морякам поиск нужного направления.
Окончательное признание феррит получил после опубликования теории взаимодействия электрических и магнитных полей Фарадеем. Это позволило миру взглянуть по-новому на свойства и применение феррита. Так что же это за материал и почему он так интересен радиоэлектроникам.
Феррит это твердый раствор
Фазовый компонент, или фаза, представляет собой однородную часть системы определенного состава и агрегатного состояния, отделенную от остальной части системы поверхностью раздела.
В отличие от фазового компонента, структурный компонент представляет собой однородную или квазиоднородную часть системы, состоящую из 1 или более фаз, и в силу особенностей механизма ее образования имеет одинаковый усредненный химический состав и регулярную структуру по всему объему этого компонента.
- К фазовым компонентам системы железо-углерод относятся жидкий раствор (L), твердый раствор: феррит (α), аустенит (γ), горячий феррит (δ), цементит и графит (G).
Жидкий раствор на основе железа и углерода представляет собой раствор углерода в расплаве iron. At при гораздо более высокой температуре, чем Ликвидус (в основном при температурах выше 1700°C), жидкость представляет собой статистически неравномерный раствор со статистически плотной упаковкой.
Железо-серебристо-белый металл. В настоящее время имеющееся чистое железо содержит 99,999% железа и 99,8-99,9% железа.
Температура плавления железа составляет 1539°С.
Железо известно для 2 полиморфных модификаций α и γ. Альфа-железо существует при температурах ниже 910°C и выше 1392 ° C(Рис. 1). В диапазоне температур 1392-1539°C α-железо часто называют δ-железом.
Свойства и особенности
Это — полупроводники, свойства проводить ток которых повышается с увеличением температуры. Плотность ферритов зависит от марки, и колеблется в пределах от 4000 до 5000 кг\м3. Ферриты обладают повышенными теплофизическими свойствами. Коэффициент тепловой проводимости равен 4,1 Вт/(м·К). Теплоемкость 600-900 Дж\кг*К.
Главным достоинством ферритовых сплавов является наличие повышенного удельного электросопротивления с сочетанием высоких магнитных свойств. Наиболее выгодным будет применение феррита при таких эксплуатационных характеристиках как малое значение индукции и высокие частоты.
При низких значениях частот повышается относительная диэлектрическая проницаемость феррита. При одновременном наличии высокой магнитной проницаемости это может привести к наложению волн друг на друга. Как результат возникает объемный резонанс, при котором вихревые токи увеличиваются в разы, а, следовательно, потери.
Ухудшение магнитных свойств в ферритах происходит по следующим причинам:
- Механическое воздействие на ферритовый сплав. Образование трещин на поверхности магнитного сердечника может привести к смене знака магнитного поля. Особенно опасны силы, векторы которых направлены параллельно или перпендикулярно линиям магнитного поля.
- Одновременное наложение постоянного и переменного полей. Происходит наложение частот друг на друга, что в результате увеличивает вероятность образования резонанса.
- Выход за пределы рабочих температур согласно условиям эксплуатации приводит к возникновению остаточной магнитной проницаемости феррита. Также наблюдается нестабильность магнитных свойств в ферритах при долгом нахождении под воздействием плюсовой температуры.
- Повышенная влажность может стать причиной изменения в феррите электропроводных свойств, которые, в свою очередь, способствуют увеличению потерь. Из-за этого ферриты, работающие при частоте выше 3 МГц и в условиях высокой влажности, требуют нанесения на их поверхность водоизолирующего материала.
- Радиационное излучение сильно снижает магнитные характеристики и электрические свойства ферритов, особенно ферритных сплавов на основе марганца и цинка.
Феррит обладает незначительными механическими свойствами. Не отличаются ни прочностью, ни пластичностью.
Модуль упругости составляет в среднем 45 000 МПа. Модуль сдвига ферритовых сплавов 5500 МПа. Предел прочности на растяжение равен 120 МПа. На сжатие 900 МПа. Значение коэффициента Пуансона колеблется в пределах 0,25-0,45.
Виды применения
В силу вышеперечисленных свойств главным потребителем ферритов является радиоэлектроника. Применение определенного сплава феррита ограничивается значением критических частот, выход за пределы которых увеличивает потери и снижает эксплуатационные свойства, в частности магнитную проницаемость. Ферритовые сплавы по свойствам и применению делят на:
- Общепромышленного применения (400НН,1000НМ, 1500 НМ). По своим магнитным свойствам относятся к ферритам высокой частоты. Магнитная проницаемость ферритовых сплавов колеблется в пределах от 100 до 4000. Такие ферритовые сердечники используются при частоте до 30 МГц. Также в их область применения входит изготовление сердечников магнитных антенн, трансформаторов и прочего оборудования, от которого не требуется повышенные свойства устойчивости к температурам.
- Термически стабильные. Содержат в себе высокочастотные (20ВН,7ВН) и низкочастотные (1500НМ3, 1500НМ1) типы. Их главные свойства — высокая добротность и стабильная начальная магнитная проницаемость. Кроме того, указанные ферритные сплавы в эксплуатации отличаются такими свойствами как низкий относительный температурный коэффициент магнитной проницаемости. Низкочастотные ферриты нашли применение в работе со слабым полем и частоте до 2,9 МГц, а высокочастотные до 99 МГц. В основном они служат сырьем для броневых сердечников и сердечников для антенн.
- Ферриты высокопроницаемые (6000НМ1, 6000НМ, 4000НМ). Отличительными свойствами являются повышенная начальная магнитная проницаемость при низкой частоте и высокая добротность. Вышеперечисленные ферритные сплавы применяют при изготовлении статических преобразователей и делителей напряжения. Магнитные свойства ферритов позволяют заменить в данных приборах дефицитные пермаллоевые сердечники.
- Для телевизионной аппаратуры (4000НМС, 3500НМС1). Ферритовые сплавы этой категории имеют низкие потери при частоте, используемой в телевизионном оборудовании. Также среди их свойств выделяется повышенная магнитная индукция при высоком значении температур. Из данных ферритов изготавливают сердечники трансформаторов и сердечники спецузлов телевизора.
- Ферриты импульсных трансформаторов (300ННИ, 300ННИ1). Особенность данных сплавов в их использовании — работа в режиме импульсного намагничивания. Главное применение ферритов – изготовление сердечников импульсных трансформаторов.
- Для производства контуров радиотехнических приборов (10ВНП, 35ВНП). Своим применением в радиоэлектронике они обязаны таким свойствам как высокий показатель коэффициента перестройки по частоте и низким потерям при работе на частотах до 250 МГц. Основное их техническое применение – это сердечники контуров, настраиваемые подмагничиванием.
- Для широкополосных трансформаторов. Объединяющие свойства – высокая добротность, низкое значение нелинейных искажений и более высокая точка Кюри. Самые популярные ферриты данной категории в использовании — 200ВНС, 90ВНС и 50ВНС. Их свойства позволили найти такое применение как изготовление сердечников широкополосных трансформаторов.
- Для магнитных головок. Ферритовые сплавы данной категории производят на основе никель-цинковых ферритов: 500НТ и 1000НТ. Воздействие сердечников с носителем информации требует наличия в ферритах минимальной поверхности пористости.
- Для магнитного экранирования. Сюда относятся 2 марки: 800ВНРП и 200ВНРП. Ферритные сердечники данных сплавов применяют в радиопоглощающих приборах для устранения радиопомех.
- Для датчиков (1200НН, 1200НН1 и 1200НН2). Отличительные свойства приведенных ферритов – это повышенная термочувствительность и высокая магнитная проницаемость. Это позволило найти им применение при производстве термореле.
Структура феррита
кристаллическая решетка α-железа представляет собой объемно-центрированный куб с циклом решетки 0,28606 Нм. При температуре 768°с α-железо является магнитным (ферромагнетизм).Критическая точка (768°С), соответствующая магнитному преобразованию, то есть переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называется точкой Кюри и обозначается символом A2.
Критические точки α-γ превращения при 910°с (Рис.1) представлены соответственно Ac3 (при нагревании) и Ar3 (при охлаждении). Критические точки α-γ превращения железа при 1392 ° С называются Ac4 (при нагревании) и Ar4 (при охлаждении).
кристаллическая решетка γ-железа представляет собой граневой куб с периодом 910 Нм при температуре 0,3645°С. плотность железа выше, чем у железа, 8,0-8,1 г / см3. при преобразовании α-γ происходит сжатие. Эффект объемного сжатия составляет около 1%.
Углерод полиморфен. В нормальных условиях это форма модификации графита, но она также может присутствовать в виде квазистабильной модификации алмаза.
Углерод растворим в железе в жидком и твердом состоянии, он может быть в виде химических соединений-цементита, а также в виде высокоуглеродистых сплавов и графита.
Растворимость
В то же время следующие структурные компоненты образуют сплавы: феррит, аустенит, цементит, перлит и редебилит.
Феррит представляет собой твердый раствор углерода и других примесей в α-железе. Потому что растворимость углерода в железе очень мала(0,006… 0.03%), это почти чистое железо. Феррит устойчив к температуре 911°с, твердость и прочность очень низкие, но благодаря своей высокой пластичности он достаточно деформируется в холодных условиях(штамповка, валок, растяжение).Чем больше феррит из железоуглеродистых сплавов, тем выше пластичность сплава.
- Аустенит представляет собой твердый раствор углерода и других примесей, содержащихся в γ-железе. конечная растворимость углерода в Y-железе составляет 2,14%.Конечная растворимость углерода в железе составляет 2,14%.Особенностью аустенита является то, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах(1539-727°с).Пластичность аустенита сравнима с ферритом, но твердость превышает его примерно в 2 раза.
Цементит представляет собой соединение железа и карбида-карбид железа Fe3C. цементит содержит 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку, в которой атомы плотно упакованы. Температура плавления цементита составляет около 1600°С. содержание углерода в цементите составляет 6,67%, что делает его самым твердым и хрупким структурным компонентом железоуглеродистого сплава. Цементит обладает высокой твердостью и не является пластичным. Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем он тверже и тем более хрупким он будет.
Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, которая подразделяется на пластинки и гранулярность в зависимости от формы кристалла цементита и выглядит как небольшое зерно, пластинчатое или круглое.
- Эта смесь похожа на эвтектику, но в отличие от эвтектики, она называется эвтектоидной, потому что образовалась при разложении твердого раствора, а не при кристаллизации.
Структуры сталей при различных температурах
, как указывалось выше, являются сплавами железа с углеродом.
Структуры углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода, а также структурные превращения, которые происходят в этих сталях при нагреве и медленном охлаждении, изучаются по диаграмме Fe—С.
На рисунке приведена часть диаграммы
Fe—С
, характеризующая
структуры сталей
. Диаграмма дана в несколько упрощенном виде.
Прежде чем рассматривать структурные превращения в сталях, выясним, какие структуры в них встречаются при комнатных температурах и при нагреве.
Линии диаграммы
определяют
температуры
, при которых в сталях происходят какие-либо структурные, превращения.
Феррит
— твердый раствор углерода в железе
а.
При комнатной температуре в феррите может растворяться не более чем 0,006% углерода.
Если содержание углерода встали больше чем 0,006%, то, кроме феррита, в структуре стали имеются другие структурные составляющие.
Феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, но высокой пластичностью. Он имеет хорошие магнитные свойства.
Цементит
— химическое соединение железа с углеродом, отвечающее формуле Fe3C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления.
Цементит является самой твердой структурной составляющей стали. Он имеет высокую прочность, но чрезвычайно
хрупок
.
Перлит
— механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив).
Перлит бывает пластинчатым (цементит в виде пластинок) и зернистым (цементит в виде зернышек). Твердость перлита выше, чем у феррита, но меньше, чем у цементита.
Аустенит
(название дано в честь английского металловеда Аустена) — твердый раствор углерода в железе γ (модификация железа с гранецентрированной кристаллической решеткой). Максимальная растворимость углерода в железе γ составляет 2% при температуре 1130°.
Аустенит имеет невысокую твердость, обладает достаточно высокой прочностью наряду с хорошей пластичностью, большой стойкостью против коррозии, высоким электросопротивлением. Он немагнитен.
Диаграмма железоуглеродистых сплавов
Вернемся к вышеприведенной диаграмме, так линия АС
показывает, при каких температурах при охлаждении начнется процесс кристаллизации в стали. Линия АЕ показывает, при каких температурах кристаллизация закончится, т.е. сплав
затвердеет.
Из диаграммы видно, что чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (1539°).
Сталь с содержанием С=0,8% кристаллизуется не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Точка 1 определяет температуру начала кристаллизации, точка2
— температуру конца кристаллизации стали с содержанием С = 0,8%.
Таким образом, при температурах ниже линии АЕ сталь будет находиться в твердом состоянии и структура стали будет аустенит.
При этом весь углерод, который в стали имеется, будет растворен в аустените.
Структура аустенита сохранится в стали и при последующем охлаждении до температур, определяемых линиямиGS
Кривые нагрева и охлаждения
Красный Бритт представляет собой эвтектическую смесь аустенита и цементита. Температура образования редебрита составляет 1147°C. Он может существовать до температуры 727 ° С, и если он падает ниже этой температуры, аустенит разлагается на перлит и цементит.
Структура феррита представляет собой относительно высокоугольный многогранный Кристалл, разделенный тонкой высокоугольной границей. Структура феррита обычно выявляется при его травлении в растворе азотной кислоты.
Ферриты до температуры точки Кюри (770°C) очень ферромагнитны и проводят тепло и ток well. In в равновесном состоянии феррит является пластичным (относительное удлинение около 40%), с низкой прочностью и твердостью (HB = 65-130, в зависимости от размера частиц).
Феррит может принимать форму различных структурных состояний в структуре железоуглеродистых сплавов в зависимости от характера протекающего фазового превращения.
Феррит (Ф) как основа структуры сплава.
- Феррит как 2-я (избыточная) фаза расположен вдоль границы колонии перлита. Форма отдельных включений изометрической или игольчатой формы. Феррит, фазовый компонент другого структурного компонента-перлит или феррит-графитовое соосаждение
Химический состав
Ферриты являются смесью оксидов железа и иных легирующих металлов, включающих в себя медь, цинк, магний, ниобий, кобальт, никель, литий и марганец. Средняя молярная масса вещества зависит от процентного содержания химических элементов в растворе. Она равняется 152 – 160 г/моль. В зависимости от химического состава и структуры выделяют следующие разновидности феррита:
- Никель-цинковые: отличаются высоким электрическим сопротивлением и чаще всего используются при высоких диапазонах частот: 500 КГц до 200 МГц.
- Магний-марганцевые: характеризуются низкой магнитной проницаемостью и чаще всего применяются для работы с частотами звука.
- Марганцево-цинковые: имеют низкие потери на вихревых токах и располагают высокими показателями диэлектрической проницаемости.
- Иттриевые: обладают небольшими диэлектрическими потерями. Они устойчивы к ферромагнитному резонансу.
- Литиевые: располагают высокими показателями намагниченности насыщения и термической стабильности.
Химический состав феррита определяется эксплуатационными характеристиками материала и сферой его применения.
Кристаллическая решетка
При температурах выше критической точки A4 модификация высокотемпературного δ-феррита стабильна и имеет объемно-центрированную кубическую решетку, аналогичную решетке низкотемпературного α-феррита, но при больших параметрах δ-феррит является парамагнитным.
Реферат на тему | На заказ | Образец и пример |
Феррит твердый раствор внедрения углерода и других элементов в α-железе | Содержание углерода в феррите очень мало, оно составляет до 727% при температуре 0,02°С. | Благодаря такому низкому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). |
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в γ-железе. Аустенитная решетка представляет собой гранецентрированный куб (fcc).Атом углерода находится в пустотах большой октаэдрической решетки.