Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Ферриты

Механическое свойство — феррит

Механические свойства ферритов близки к свойствам керамики. Удельное сопротивление ферритов велико, поэтому при намотке их не изолируют.

Механические свойства ферритов близки к механическим свойствам фарфора и изделий из тонкой керамики. Ферритовые детали могут обрабатываться при помощи карборундового порошка и некоторыми типами шлифовальных камней. Основным методом механической обработки ферритов является шлифование с помощью кругов из синтетических алмазов.

Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий. Поэтому их иногда называют металлокерамикой. Они не поддаются обработке резанием, но хорошо шлифуются и полируются.

Механические свойства ферритов подобны свойствам керамических изделий. Они не поддаются обработке резанием, но хорошо шлифуются и полируются.

Твердость и механические свойства феррита зависят от наличия и количества элементов, присутствующих в нем в твердом растворе.

Твердость и механические свойства феррита зависят от количества присутствующих в нем в твердом растворе элементов, из которых в простой стали и чугуне наибольшее влияние оказывают кремний и фосфор.

Влияние легирующих элементов на механические свойства феррита

Таким образом, механические свойства феррита могут меняться в достаточно широких пределах в зависимости от состава и термической обработки вследствие изменения величины зерна, размеров блоков и.

Влияние легирующих элементов на механические свойства феррита также зависит от близости их к железу в периодической системе Менделеева, от электронных оболочек у них, а также от атомных объемов и разницы в кристаллических решетках.

Из факта влияния легирующих элементов на механические свойства феррита вытекает важный вывод о том, что одно только их присутствие в твердом растворе может оказывать заметное действие на механические свойства стали.

Влияние легирующих элементов на твердость и ударную вязкость феррита ( Гуляев и Емелина.

Из рассмотрения приведенных данных следует, что легированием и термической обработкой можно существенно повысить механические свойства феррита.

Следовательно, рациональное легирование применяемой в незакаленном состоянии стали обязательно должно быть также увязано с действием элементов на механические свойства феррита.

Ферриты представляют собой комплексные металлические окислы. На практике наибольшее применение находят магниево-марган-цевые ферриты с петлей гистерезиса, очень близкой к прямоугольной. Механические свойства ферритов близки к свойствам керамики. Удельное сопротивление ферритов велико, поэтому при намотке они не изолируются.

Феррит представляет собой твердый раствор углерода в а-железе. В а-железе при 700 растворяется до 0 02 % углерода. Феррит характеризуется незначительными величинами твердости и прочности и высокой пластичностью. Механические свойства феррита сильно зависят от величины зерна.

Классификация ферритов

Ферриты подразделяются на 3 основных класса:

  1. Железные сплавы с гарантированными потерями и высокой магнитной проницаемостью.
  2. Материалы с гистерезисом (зависимости намагниченности от напряжений внешнего поля) в виде прямоугольной петли.
  3. 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:

  1. 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.
  2. Термостойкие: металлы с устойчивой магнитной проницаемостью, не изменяющейся при резком перепаде температур. Они используются при производстве антенных и сердечников.
  3. 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.

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:

  1. Никель-цинковые: отличаются высоким электрическим сопротивлением и чаще всего используются при высоких диапазонах частот: 500 КГц до 200 МГц.
  2. Магний-марганцевые: характеризуются низкой магнитной проницаемостью и чаще всего применяются для работы с частотами звука.
  3. Марганцево-цинковые: имеют низкие потери на вихревых токах и располагают высокими показателями диэлектрической проницаемости.
  4. Иттриевые: обладают небольшими диэлектрическими потерями. Они устойчивы к ферромагнитному резонансу.
  5. Литиевые: располагают высокими показателями намагниченности насыщения и термической стабильности.

Химический состав феррита определяется эксплуатационными характеристиками материала и сферой его применения.

Структура и свойства ферритов

Ферриты-шпинели

Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Fd3m, Z = 8. Их общая формула MeFe2O4, где Me — двухвалентный металл: никель, кобальт, марганец, магний, медь, железо, цинк, кадмий.

Ферриты-гранаты

Ферриты со структурой граната кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Ia3d, Z = 8. Общая формула: Me3Fe5O12, где Me — тяжёлый редкоземельный элемент (от самария до лютеция) или иттрий. Примером широко используемого феррита из этого класса является иттрий-железный гранат Y3Fe5O12.

Гексаферриты

Ферриты с гексагональной решёткой (гексаферриты) имеют кристаллическую структуру типа магнетоплюмбита PbFe12O19 с пространственной группой P63/mmc или близкую к ней. В эту группу ферритов входит несколько типов, различающихся общей формулой.

Ортоферриты

Ферриты с ромбической решёткой (ортоферриты) имеют кристаллическую структуру типа искажённой структуры перовскита с пространственной группой Pcmn, Z = 4 и общую формулу MeFeO3, где Me — редкоземельный элемент. Ортоферриты, в отличие от трёх вышеописанных групп (ферримагнетиков), при нормальной температуре являются антиферромагнетиками и становятся ферримагнетиками лишь при температуре ниже нескольких кельвинов.

Строение и свойства

При повышении температуры аустенитные стали превращаются в жидкий раствор с определённым процентным отношением железа и углерода. Если температура раствора превышает линию так называемого ликвидуса (это около 1700 °C),образовавшийся расплав становится статически неустойчивым. Его состояние оценивают по двум составляющим:фазовой и структурной.

Для первой составляющей основным показателем является фаза состояния полученной смеси. Она определяет состояние металла по следующим показателям:

  • раствора углерода в железе;
  • количество различных образований (непосредственно феррит, в том числе высокотемпературный, аустенит, цементит).

Структурная составляющая часть образца определяется как гомогенная или квазигомогенная форма. Общая структура образовавшегося феррита составляет равноосные кристаллы. В трёхмерном пространстве решётка ферритной фазы представляет объёмно-центрированный куба. Эти кристаллы определяют твёрдость феррита и способность углерода в нём растворяться. Опыт показывает, что при температуре равной 727 градусов в феррите растворяется только 0,02% углерода.

Кроме этого к основным свойствам феррита относятся:

  • обладает сильными ферромагнитными свойствами (до температуры 770 °С — точка Кюри);
  • является теплопроводным элементом;
  • хорошим проводником электрического тока;
  • обладает повышенной пластичностью.

К основным недостаткам относятся невысокая прочность и недостаточная твёрдость. Последний показатель зависит от величины образованного зерна и находится в интервале от 65 до 130 НВ.

В зависимости от этапа проходящих превращений ферритная фаза находится в следующих состояниях:

  • как основа кристаллической решётки образовавшегося сплава;
  • второе или избыточное состояние (располагается по границам так называемых перлитных образований);
  • элемент феррито-графитного эвтектоида.

Каждое состояние требует точного определения и выявления возникающих преобразований. От них во многом зависят характеристики конечного продукта.Полное отсутствие ферритного образования или незначительное его содержание проявляется с образованием горячих трещин. Завышенное содержание этого показателя снижает пластичность, ударную вязкость и антикоррозийную стойкость.

Основные способы получения ферритов

Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных ферритообразующих компонентов применяются смеси оксидов, гидроксидов, оксалатов и карбонатов (иногда их совместно осаждают из раствора) или совместно упаренные растворы солей (нитраты, сульфаты, двойные сульфаты типа шенитов. Монокристаллы ферритов выращивают зонной плавкой или методами Вернейля или Чохральского, обычно под давлением кислорода в несколько десятков или сотен атмосфер. Для растворимых ферритов используют гидротермальное выращивание в растворах гидроксида или карбоната натрия, хлорида аммония или смеси хлоридов под давлением от 200 до 1200 атмосфер. Монокристаллы некоторых ферритов (при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов) выращивают также из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или более сложные).

Для выращивания ферритовых плёнок со структурой шпинели обычно применяют метод химических транспортных реакций с хлороводородом или другими галогеноводородами в качестве носителя, а для плёнок феррит-гранатов и гексаферритов используют метод жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также метод разложения паров (в качестве газообразных исходных материалов применяются, например, β-дикетонаты металлов).

Основные способы получения ферритов

Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных ферритообразующих компонентов применяются смеси оксидов, гидроксидов, оксалатов и карбонатов (иногда их совместно осаждают из раствора) или совместно упаренные растворы солей (нитраты, сульфаты, двойные сульфаты типа шенитов. Монокристаллы ферритов выращивают зонной плавкой или методами Вернейля или Чохральского, обычно под давлением кислорода в несколько десятков или сотен атмосфер. Для растворимых ферритов используют гидротермальное выращивание в растворах гидроксида или карбоната натрия, хлорида аммония или смеси хлоридов под давлением от 200 до 1200 атмосфер. Монокристаллы некоторых ферритов (при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов) выращивают также из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или более сложные).

Для выращивания ферритовых плёнок со структурой шпинели обычно применяют метод химических транспортных реакций с хлороводородом или другими галогеноводородами в качестве носителя, а для плёнок феррит-гранатов и гексаферритов используют метод жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также метод разложения паров (в качестве газообразных исходных материалов применяются, например, β-дикетонаты металлов).

Превращение ферритных зерен в аустенитные

Когда ферритное железо нагревают до температуры 912 °С, старый состав ферритных зерен изменяется  в новый состав зерен, уже аустенитных – в железе происходит превращение.

Представьте, что ферритная зеренная структура только что достигла температуры превращения. Сначала мы видим образование новых, очень мелких аустенитных зерен, которые накладываются на старые границы ферритных зерен. Потом эти зерна растут, пока все старые ферритные зерна не исчезнут.

При превращении феррита в аустенит происходит два важных явления:

1)      Также как и при превращении  льда в воду, превращение железе из феррита в аустенит требует тепловой энергии. Поэтому при нагреве температура железа будет оставаться при температуре около 912 °С, пока все ферритные зерна не превратятся в аустенитные.

2)      При превращении феррита в аустенит происходят объемные изменения. Плотность аустенита на 2 % выше, чем феррита, что означает, что атом аустенита занимает меньший объем, чем атом феррита.

Все превращения в железе, которые происходят при его нагреве, изображены схематически на рисунке 3.

Основные способы получения ферритов

Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных ферритообразующих компонентов применяются смеси оксидов, гидроксидов, оксалатов и карбонатов (иногда их совместно осаждают из раствора) или совместно упаренные растворы солей (нитраты, сульфаты, двойные сульфаты типа шенитов. Монокристаллы ферритов выращивают зонной плавкой или методами Вернейля или Чохральского, обычно под давлением кислорода в несколько десятков или сотен атмосфер. Для растворимых ферритов используют гидротермальное выращивание в растворах гидроксида или карбоната натрия, хлорида аммония или смеси хлоридов под давлением от 200 до 1200 атмосфер. Монокристаллы некоторых ферритов (при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов) выращивают также из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или более сложные).

Для выращивания ферритовых плёнок со структурой шпинели обычно применяют метод химических транспортных реакций с хлороводородом или другими галогеноводородами в качестве носителя, а для плёнок феррит-гранатов и гексаферритов используют метод жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также метод разложения паров (в качестве газообразных исходных материалов применяются, например, β-дикетонаты металлов).

Структура и свойства ферритов

Ферриты-шпинели

Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Fd3m, Z = 8. Их общая формула MeFe2O4, где Me — двухвалентный металл: никель, кобальт, марганец, магний, медь, железо, цинк, кадмий.

Ферриты-гранаты

Ферриты со структурой граната кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Ia3d, Z = 8. Общая формула: Me3Fe5O12, где Me — тяжёлый редкоземельный элемент (от самария до лютеция) или иттрий. Примером широко используемого феррита из этого класса является иттрий-железный гранат Y3Fe5O12.

Гексаферриты

Ферриты с гексагональной решёткой (гексаферриты) имеют кристаллическую структуру типа магнетоплюмбита PbFe12O19 с пространственной группой P63/mmc или близкую к ней. В эту группу ферритов входит несколько типов, различающихся общей формулой.

Ортоферриты

Ферриты с ромбической решёткой (ортоферриты) имеют кристаллическую структуру типа искажённой структуры перовскита с пространственной группой Pcmn, Z = 4 и общую формулу MeFeO3, где Me — редкоземельный элемент. Ортоферриты, в отличие от трёх вышеописанных групп (ферримагнетиков), при нормальной температуре являются антиферромагнетиками и становятся ферримагнетиками лишь при температуре ниже нескольких кельвинов.

Структура и свойства ферритов

Ферриты-шпинели

Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Fd3m, Z = 8. Их общая формула MeFe2O4, где Me — двухвалентный металл: никель, кобальт, марганец, магний, медь, железо, цинк, кадмий.

Ферриты-гранаты

Ферриты со структурой граната кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Ia3d, Z = 8. Общая формула: Me3Fe5O12, где Me — тяжёлый редкоземельный элемент (от самария до лютеция) или иттрий. Примером широко используемого феррита из этого класса является иттрий-железный гранат Y3Fe5O12.

Гексаферриты

Ферриты с гексагональной решёткой (гексаферриты) имеют кристаллическую структуру типа магнетоплюмбита PbFe12O19 с пространственной группой P63/mmc или близкую к ней. В эту группу ферритов входит несколько типов, различающихся общей формулой.

Ортоферриты

Ферриты с ромбической решёткой (ортоферриты) имеют кристаллическую структуру типа искажённой структуры перовскита с пространственной группой Pcmn, Z = 4 и общую формулу MeFeO3, где Me — редкоземельный элемент. Ортоферриты, в отличие от трёх вышеописанных групп (ферримагнетиков), при нормальной температуре являются антиферромагнетиками и становятся ферримагнетиками лишь при температуре ниже нескольких кельвинов.

Структура и свойства ферритов

Ферриты-шпинели

Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Fd3m, Z = 8. Их общая формула MeFe2O4, где Me — двухвалентный металл: никель, кобальт, марганец, магний, медь, железо, цинк, кадмий.

Ферриты-гранаты

Ферриты со структурой граната кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Ia3d, Z = 8. Общая формула: Me3Fe5O12, где Me — тяжёлый редкоземельный элемент (от самария до лютеция) или иттрий. Примером широко используемого феррита из этого класса является иттрий-железный гранат Y3Fe5O12.

Гексаферриты

Ферриты с гексагональной решёткой (гексаферриты) имеют кристаллическую структуру типа магнетоплюмбита PbFe12O19 с пространственной группой P63/mmc или близкую к ней. В эту группу ферритов входит несколько типов, различающихся общей формулой.

Ортоферриты

Ферриты с ромбической решёткой (ортоферриты) имеют кристаллическую структуру типа искажённой структуры перовскита с пространственной группой Pcmn, Z = 4 и общую формулу MeFeO3, где Me — редкоземельный элемент. Ортоферриты, в отличие от трёх вышеописанных групп (ферримагнетиков), при нормальной температуре являются антиферромагнетиками и становятся ферримагнетиками лишь при температуре ниже нескольких кельвинов.

Структура и свойства ферритов

Ферриты-шпинели

Ферриты со структурой шпинели кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Fd3m, Z = 8. Их общая формула MeFe2O4, где Me — двухвалентный металл: никель, кобальт, марганец, магний, медь, железо, цинк, кадмий.

Ферриты-гранаты

Ферриты со структурой граната кристаллизуются в кубической решётке с пространственной группой Ia3d, Z = 8. Общая формула: Me3Fe5O12, где Me — тяжёлый редкоземельный элемент (от самария до лютеция) или иттрий. Примером широко используемого феррита из этого класса является иттрий-железный гранат Y3Fe5O12.

Гексаферриты

Ферриты с гексагональной решёткой (гексаферриты) имеют кристаллическую структуру типа магнетоплюмбита PbFe12O19 с пространственной группой P63/mmc или близкую к ней. В эту группу ферритов входит несколько типов, различающихся общей формулой.

Ортоферриты

Ферриты с ромбической решёткой (ортоферриты) имеют кристаллическую структуру типа искажённой структуры перовскита с пространственной группой Pcmn, Z = 4 и общую формулу MeFeO3, где Me — редкоземельный элемент. Ортоферриты, в отличие от трёх вышеописанных групп (ферримагнетиков), при нормальной температуре являются антиферромагнетиками и становятся ферримагнетиками лишь при температуре ниже нескольких кельвинов.

Основные способы получения ферритов

Поликристаллические ферриты производят по керамической технологии. Из ферритового порошка, синтезированного из смеси исходных ферритообразующих компонентов и гранулированного со связкой, прессуют изделия нужной формы, которые подвергают затем спеканию при температурах от 900 до 1500 °C на воздухе или в специальной газовой атмосфере. В качестве исходных ферритообразующих компонентов применяются смеси оксидов, гидроксидов, оксалатов и карбонатов (иногда их совместно осаждают из раствора) или совместно упаренные растворы солей (нитраты, сульфаты, двойные сульфаты типа шенитов. Монокристаллы ферритов выращивают зонной плавкой или методами Вернейля или Чохральского, обычно под давлением кислорода в несколько десятков или сотен атмосфер. Для растворимых ферритов используют гидротермальное выращивание в растворах гидроксида или карбоната натрия, хлорида аммония или смеси хлоридов под давлением от 200 до 1200 атмосфер. Монокристаллы некоторых ферритов (при применении в качестве исходных веществ смеси оксидов) выращивают также из растворов в расплаве (смеси PbO + PbF2, PbO + B2O3, BaO + B2O3 или более сложные).

Для выращивания ферритовых плёнок со структурой шпинели обычно применяют метод химических транспортных реакций с хлороводородом или другими галогеноводородами в качестве носителя, а для плёнок феррит-гранатов и гексаферритов используют метод жидкостной эпитаксии из растворов в расплаве, а также метод разложения паров (в качестве газообразных исходных материалов применяются, например, β-дикетонаты металлов).

Эксперименты с превращениями в железе

Два простых эксперимента наглядно демонстрируют фазовые превращения в железе.

Эксперимент №1. Нагреть железный пруток до температуры выше 770 °С и подвесить его охлаждаться на воздухе. Поднести к прутку магнит. Когда температура достигнет 770 °С, горячий пруток начнет притягиваться к магниту. Как показывает диаграмма на рисунке 4 феррит (альфа-железо) является магнитным только ниже 770 °С, аустенит (гамма-железо) никогда не бывает магнитным.

Эксперимент №2. Железную проволоку натянуть горизонтально между двумя электрическими изоляторами на расстоянии около 1 м. Подвесить небольшой груз в центре проволоки. Пропустить через проволоку электрический ток так, чтобы нагреть проволоку выше 912 °С – до оранжево-желтого цвета. Поднимать напряжение нужно медленно с помощью источника тока с переменной мощностью. Когда проволока нагреется, она удлинится и груз немного опустится. После этого нужно отключить от проволоки напряжение и наблюдать ее охлаждение в затемненной комнате. При достижении проволокой температуры 912 °С можно наблюдать два явления:
1)    Когда проволока будет охлаждаться, будет происходить уменьшение ее длины, и грузик начнет подниматься. Однако при 912 °С будет наблюдаться временное опускание груза: как раз в то время, когда аустенит перейдет в феррит с меньшей плотностью и от этого проволока немного удлинится.
2)    Тепло, которое выделяется при превращении аустенита в феррит, будет приводить к видимому мерцанию цвета нагретой проволоки.

Оба эти явления можно наблюдать в обратном порядке и при нагреве, но в этом случае они не так хорошо видны из-за трудности быстрого нагрева проволоки.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации