Изобретён пермаллой был в 1913г. американским инженером Г. В. Элменом, работавшим на Bell Telephone Laboratories. Сплав применили для экранирования трансатлантического телеграфного кабеля в 1924 г., что говорит о его промышленном производстве уже в то время. Внедрение материала в СССР произошло несколько позже, первый ГОСТ появился в 1963 г. Однако, применение пермаллоев ограничивается из-за зависимости свойств этих сплавов от условий температурной обработки на производстве. И в наше время материал используют только в тех случаях, когда это оправдано с технической и экономической точек зрения.
Состав
Пермаллой относится к прецизионным сплавам, что означает строгое нормирование химического состава и его физико-механических характеристик. Состав этой группы материалов зафиксирован в ГОСТ 10994-74, там же указаны правила маркировки. Марка состоит из литерных обозначений легирующих компонентов и стоящих перед ними чисел, отражающих их массовую долю в сплаве.
Скачать ГОСТ 10994-74
Соответствие между буквами и химическими элементами следующее:
- Г – марганец;
- Х – хром;
- Н – никель;
- Д – медь;
- А – азот;
- Ф – ванадий;
- Б – ниобий;
- В – вольфрам;
- Е – селен;
- К – кобальт;
- Л – бериллий;
- М – молибден;
- Р – бор;
- Т – титан;
- Ю – алюминий;
- Ц – цирконий;
- П – фосфор;
- Ч – редкоземельные металлы.
Основным рабочим составом пермаллоя служит марка 79HM, у неё наибольшая магнитная проницаемость. В сплаве высокое содержание никеля и молибден в качестве легирующего компонента, который делает пермаллой более технологичным. Упрощается производственный процесс, материал становится более устойчив к механическим воздействиям, вырастает удельное электросопротивление, улучшается магнитная проницаемость соединения. У добавки молибдена есть отрицательный эффект – уменьшение индукции насыщения. Похожими особенностями в качестве улучшающего компонента обладает хром.
Для упрощения механической обработки металла, повышения температурной стабильности и получения постоянной магнитной проницаемости в узких интервалах напряжённости магнитного поля в пермаллой добавляют некоторое количество меди.
Марганец и кремний добавляют для увеличения удельного сопротивления. В сплавах с большой долей никеля для повышения электросопротивления и снижения темпа охлаждения в качестве легирующих добавок применяют хром, кремний, медь, ну и молибден, про который уже говорилось ранее.
Механические, электромагнитные свойства
Пермаллой устойчив к коррозии, благодаря наличию в составе никеля, сплав окисляется меньше железа, ведь для прохождения реакции между никелем и кислородом нужна температура от 500 °C. Вдобавок материал обладает неплохой ковкостью, что позволяет изготавливать достаточно тонкие листы из этого металла, он легко поддаётся механической обработке.
Магнитные свойства пермаллоя существенно варьируются, в значительной степени определяясь химическим составом соединения. В этой категории выделяют два основных вида сплавов: низконикелевые и высоконикелевые.
Типичным представителем второй группы будет 79НМ с пропорциональным содержанием никеля 78,5–80%. Для него характерными являются малая коэрцитивная сила, сильный магнитозащитный эффект и практически отсутствующая магнитострикция. 79НМ пермаллой имеет низкую электропроводимость. Дополнительными преимуществами являются мягкость и коррозийная устойчивость. Для повышения характеристик в 79НМ добавляют фосфор, получая сплав 79НМП, отличающийся более низким коэффициентом перемагничивания и повышенной прямоугольностью гистерезисной петли.
Похожий сплав, но с немного большей долей молибдена, 5% вместо 4%, носит название суперпермаллой. При соблюдении технологии изготовления и контроле качества в нём достигается показатели относительной магнитной проницаемости µ начальное равный 100000, и µ максимальное – 1000000.
В низконикелевых пермаллоях содержание этого металла колеблется в пределах 40–50%, типичным представителем является перменорм. Коэффициент относительной магнитной проницаемости перменорма находится в диапазоне 3500–35000. Его можно повысить путём дополнительной температурной обработки и созданием текстуры на поверхности пластин. Низконикелевые пермаллои 45Н и 50Н соединяют высокую магнитную проницаемость и индукцию насыщения. По второму показателю они превосходят высоконикелевые пермаллои примерно в 1,5 раза. Сплавы 45Н и 50Н имеют высокую электропроводность и легко намагничиваются, что находит применение в высокоточных электротехнических устройствах.
Область применения
Пермаллой применяется при создании сердечников для электромагнитных катушек. Этот элемент электротехнических схем используется в трансформаторах и электроприборах для изменения характеристик электрического тока. В сердечниках из пермаллоя чаще применяются пластины-кольца, изготовленные из этого материала.
Ещё одной сферой применения является защита кабелей и микросхем от воздействия магнитных полей. Пермалоевые ленты служат экранирующей оплёткой проводов. Они снижают уровень искажения сигналов при телекоммуникации.
Сплав используется в звуковой аппаратуре. Там материал встречается в элементах звукозаписывающих головок. Здесь ключевым эксплуатационным свойством является изменения векторов намагниченности.
Пермаллой находит применение в различных датчиках, к примеру, материал используется в двухосном магнитометре HMC1002.
Производство металла
Следует начать с того, что пермаллой достаточно сложен в производстве, цена на изделия из данного металла устанавливается, как правило, за килограмм или тонну. Чем тоньше прокатные листы, и чем более сложной обработке подвергся металл, тем выше итоговая стоимость. Ленты из ходовых сплавов 50Н и 79НМ стоят примерно 2500–3000 руб. за кг. Помимо этого пермаллой продают в виде прутов, листов и порошка.
Свойства пермаллоя существенно зависят от качества термической обработки металла и наличия в составе примесей. Первоначально высоконикелевые сплавы получались в два этапа. Сначала шло нагревание сплава до температуры 900º, далее он выдерживался в таком состоянии 1 час, а затем шло постепенное охлаждение на 100º в час. Второй этап производственного процесса начинался с повторного нагревания, в этот раз до температуры 600 ºC. После шла воздушная закалка металла на медной плите. Исследования пермаллоя выявили наличие зависимости между магнитными свойствами и скоростью нагрева и охлаждения сплава. С увеличением темпов остывания металла его характеристики снижаются.
Впоследствии выяснилось, что для классического пермаллоя с содержанием никеля 79% двойная термическая обработка вполне может быть заменена одинарной. При таком методе нагревание происходит в камерах заполненных чистым сухим водородом до температуры 1300° с последующим продолжительным отпуском до 400-500. Термическая обработка сплавов с меньшим содержанием никеля проще, поэтому они стоят дешевле. Стоит отметить, что без термической обработки магнитная проницаемость у пермаллоев хуже, чем у очищенного железа.
После проката металлические пластины и ленты подвергаются ещё одному этапу обработки – отжигу. Готовый продукт не должен иметь тёмных пятен, окислов и разноцветных участков. Механические повреждения должны отсутствовать.
После отжига пермаллоивые пластины отправляются на магнитные испытания, где их свойства проверяются на соответствие действующим стандартам.
