Магнитные материалы и точка Кюри
Классически, все существующие материалы по магнитным свойствам делятся на несколько групп, связанных со структурным строением материала:
Эта классификация отражает поведение материала при воздействии на него внешним магнитным полем. Существует ряд других групп, однако они более редкие и не представляют большого интереса для индукционного нагрева.
- диамагнетики
- парамагнетики
- ферромагнетики
Эта классификация отражает поведение материала при воздействии на него внешним магнитным полем. Существует ряд других групп, однако они более редкие и не представляют большого интереса для индукционного нагрева.
Диамагнетики
Диамагнетиками называют материалы, которые немагнитны в отсутствии внешнего магнитного поля, а при попадании в магнитное поле, диамагнетики ослабляют его. Магнитная проницаемость таких материалов меньше единицы. К ним относятся: медь, кварц, висмут и др.
Парамагнетики
Парамагнетиками называют слабомагнитные материалы, которые в отсутствии магнитного поля немагнитны, а при попадании в магнитное поле, существенно его не изменяют. Их магнитная проницаемость приблизительно равна единице. К ним относятся: алюминий, вольфрам, эбонит и др.
Ферромагнетики
Ферромагнетиками называют материалы с выраженными магнитными свойствами, отличающиеся наличием доменной структуры материала, при которой каждый из доменов имеет некоторую спонтанную намагниченность. Такие материалы могут сохранять намагниченность в условиях отсутствия внешнего магнитного поля, а при попадании в магнитное поле существенно усиливают его. Магнитная проницаемость таких материалов больше единицы и может составлять несколько тысяч единиц. К ним относятся: железо, никель и кобальт.
Сталь является классическим ферромагнетиком. Высокое значение магнитной проницаемости, способность сохранять намагниченность и усиливать магнитные поля - это уникальные свойства сплавов железа.
Многие нержавеющие стали также являются ферромагнетиками - они называются сталями ферритного класса. Однако есть ряд марок нержавеющих сталей - парамагнетиков, они называются сталями аустенитного класса. Несмотря на то, что они могут содержать более 70% железа в своем составе, эти марки не обладают ферромагнитными свойствами. Доменная структура в таких сплавах отсутствует.
Многие нержавеющие стали также являются ферромагнетиками - они называются сталями ферритного класса. Однако есть ряд марок нержавеющих сталей - парамагнетиков, они называются сталями аустенитного класса. Несмотря на то, что они могут содержать более 70% железа в своем составе, эти марки не обладают ферромагнитными свойствами. Доменная структура в таких сплавах отсутствует.
Домены
Доменами называют объемные области материала, в которых направления намагниченности атомов совпадают. Именно эта структура позволяет ферромагнетикам сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля и усиливать его. Ферромагнетики широко применяются при изготовлении постоянных магнитов, магнитопроводов трансформаторов, концентраторов магнитного потока и т.п.
Классическими представителями ферромагнетиков являются железо, кобальт, никель, а также сплавы на их основе и их оксиды.
Свойство сохранять намагниченность ферромагнетики также получают именно благодаря доменной структуре. Хаотично направленные, спонтанно намагниченные домены в процессе намагничивания во внешнем магнитном поле ориентируются вдоль линий магнитного поля и сохраняют остаточную намагниченность даже после его отключения.
Для ферромагнетиков характерно наличие фазового перехода второго рода, связанного с изменением структуры кристаллической решетки материала. При этом переходе тепловая энергия движения узлов кристаллической решетки становится достаточно высокой для дезориентации магнитных спиновых моментов атомов, что приводит к утрате материалом доменной структуры и ферромагнитных свойств.
Точка Кюри
Таким образом, при некоторой достаточной температуре ферромагнетик утрачивает доменную структуру и становится парамагнетиком. Температура, при которой происходит это магнитное превращение материала называется точкой Кюри. Значение этой температуры для материала варьируется в зависимости от типа металла и количества примесей. Для чистого железа эта температура составляет 1043K (770°C).
При нагреве заготовки из-за скин-эффекта переход через точку Кюри не происходит скачкообразно по всему объему детали - переход происходит постепенно, начиная с более нагретой поверхности. При этом материал заготовки становится как бы двухслойным: слой парамагнетика поверх слоя ферромагнетика с достаточно резкой границей раздела сред. Это связано с неравномерностью нагрева заготовки в сечении и сильно зависит от интенсивности поверхностного эффекта.
При нагреве заготовки из-за скин-эффекта переход через точку Кюри не происходит скачкообразно по всему объему детали - переход происходит постепенно, начиная с более нагретой поверхности. При этом материал заготовки становится как бы двухслойным: слой парамагнетика поверх слоя ферромагнетика с достаточно резкой границей раздела сред. Это связано с неравномерностью нагрева заготовки в сечении и сильно зависит от интенсивности поверхностного эффекта.
Для индукционного нагрева этот переход имеет огромное значение, поскольку тепловая мощность, выделяемая в заготовке непосредственно связана с магнитной проницаемостью материала. Снижение магнитной проницаемости, изображенное на графике, при нагреве заготовки в индукторе и переходе через точку Кюри приводит к следующим эффектам:
- снижается мощность нагрева
- увеличивается толщина скин-слоя
- повышается резонансная частота
- снижается КПД системы
Мы используем компьютерное конечно-элементное моделирование для решения данной задачи. Решение взаимосвязанных электродинамических и тепловых систем уравнений позволяет нам оценивать результат с достаточно высокой точностью еще задолго до того, как будут проведены первые испытания. Это значительно сокращает время на разработку и позволяет получать гарантированный результат.
