КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Магнитомягкие материалы
На протяжении многих лет для массивных магнитопроводов применялась конструкционная низкоуглеродистая сталь марки Ст 10 с содержанием углерода 0,1 %. Требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели к разработке технически чистого железа, соответствующего марке «армко» в США, Швеции и других странах. Промышленные опыты но производству железа «армко» были проведены на заводе им. А.А. Андреева в конце 1932 г. Развитию производства этого железа в значительной степени способствовали исследования, проведенные в 1933 г. на московском заводе «Серп и молот», который с тех пор является основным поставщиком высококачественного технически чистого железа. Впервые в СССР технология производства специальной низкоуглеродистой стали под маркой ВИТ-железа была разработана в начале 30-х годов. Но своему составу ВИТ-железо близко к железу «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства. Фундаментальные исследования кремнистых сталей связаны с именем английского инженера Р.А. Гадфилда, подробное сообщение об этих работах опубликовано в 1902 г. Оптимальным является легирование железа до 6 % 81. Однако присадки кремния снижают магнитную индукцию в средних и сильных магнитных полях и повышают хрупкость железа. На протяжении десятилетий работы ученых и металлургов были направлены на совершенствование технологии плавки, горячей прокатки и термообработки листовых электротехнических сталей с целью получения сплавов, максимально свободных от вредных примесей, неметаллических включений и обладающих зернами максимального размера. В результате за период с 1931 по 1958 г. удалось почти вдвое снизить гистере-зисные потери энергии в горячекатаной трансформаторной стали. Задача освоения и внедрения в производство трансформаторной стали сгавится перед ВИМЗ. Работа ведется под руководством С.С, Штейн-берга, и с конца 1928 г. начинается выпуск этой стали. В первые годы сталь имела невысокие магнитные свойства, но в результате совместной работы коллективов ВИМЗ, ВЭИ и Ленинградского института металлов качество стали улучшалось из года в год, и в 1941 г. удается выпустить сталь на уровне зарубежных аналогов. Во время и после Великой Отечественной войны продолжается разработка и внедрение новых марок электротехнических сталей. Появляются стали с улучшенными свойствами, предназначенные для работы в слабых магнитных полях и на повышенных частотах. В 1935 г. Н.Р. Госсом (Германия) разработана технология холодной прокатки, и термообработки так называемой малотекстурованной динамной стали, позволяющая получить исключительно высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. В результате совместной работы коллективов ПИМЗ и Нижнетагильского завода в 1937 г. выпускается сталь ХВП (холоднокатаная с высокой проницаемостью, имеющая свойства, аналогичные свойствам заграничной стали «гайпер-сил». Принципиально новой явилась технология изготовления анизотропной трансформаторной стали с ребровой текстурой. Железо и сплавы железа с кремнием имеют объемно центрированную кубическую решетку, оси легкого намагничивания которой совпадают с ребрами куба. В обычной горячекатаной стали в плоскости листов зерна расположены хаотически, в результате чего получаются некоторые усредненные магнитные свойства, примерно одинаковые во всех направлениях. При изготовлении холоднокатаной стали с содержанием кремния 2,8—3,2 % холодная прокатка чередуется с промежуточными отжигами, после чего проводят рекристализаци-онный отжиг. При определенных режимах термической обработки и проката удается получить направленное расположение кристаллитов (текстуру). В этом случае в плоскости листа лежит •плоскость грани куба (110) и большинство кристаллитов имеет ребро куба вдоль направления прокатки (отсюда «ребровая текстура»). Сталь с ребровой текстурой обладает лучшими магнитными свойствами вдоль листа, худшими под углом 55° к направлению прокатки и некоторыми промежуточными свойствами во всех остальных направлениях. Сталь с ребровой текстурой освоена в нашей стране и выпускается в промышленном масштабе с 1949 г. Анизотропия потерь энергии отечественной стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90° к потерям под углом 0) равна примерно 2, тогда как соответствующее отношение удельных магнитодвижущих сил — от 3 до 8. Поэтому при конструировании магнитопроводов необходимо, чтобы направление магнитного потока возможно ближе совпадало с направлением прокатки. Для маломощных трансформаторов эта задача успешно решена созданием витых ленточных магнитопроводов. Таким образом, удалось полностью использовать высокую магнитную проницаемость стали, резко повысить рабочую магнитную индукцию, уменьшить массу и габариты трансформаторов почти на 30 %. Большой интерес представляет трансформаторная сталь с кубической текстурой. Определенные технологические режимы разливки, холодной прокатки и термообработки позволяют получить рулонную сталь, в которой в плоскости прокатки лежит плоскость куба. Ребра куба направлены как вдоль, так и поперек прокатки, Таким образом, в листах стали имеется не одно, А два направления легкого намагничивания: вдоль и под углом 90° к направлению прокатки. В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки. Сталь с кубической текстурой успешно выпускается и отечественной промышленностью. В настоящее время широким фронтом продолжаются исследования магнитных материалов с целью достижения экстремальных характеристик. Направлениями повышения качества этих материалов являются уменьшение вредных примесей в стали, разработка методов выплавки стали при малых скоростях кристаллизации, разработка оптимальных режимов термической обработки, применение термомагнитной обработки, уменьшение констант магнитной анизотропии и магнитострикции, разработка технологии получения электротехнических сталей с повышенным содержанием кремния, применение методов порошковой металлургии и другие способы. Для большинства элементов устройств автоматического регулирования требуются магнитные материалы с высокими значениями магнитной проницаемости при форме петли гистерезиса, близкой к прямоугольной. Отечественная металлургия выпускает две группы таких сплавов: железоникелевый сплав с 50 % никеля и 50 % железа, известный под маркой 50НП, и железоникелевые и железоникелькобальтовые, легированные в некоторых случаях молибденом, медью, хромом и кремнием. Исследование железоникелевых сплавов было начато в 1913 г. Г. Элменом (Канада). К этой работе его побудило желание найти сплав с высокой магнитной индукцией. Он хотел обойтись без дефицитного кобальта, влияние которого на увеличение магнитной индукции насыщения было открыто им же. Он установил, что сплавы с содержанием никеля более 30 % (от 36 до 80 %) дают возможность резко повысить как начальную, так и максимальную магнитные проницаемости, но одновременно снижается намагниченность насыщения по сравнению с чистым железом, Бинарные железоникелевые сплавы, которые были названы пермаллоями, с высоким содержанием никеля отличаются сравнительно низким удельным электрическим сопротивлением. Поэтому уже в самом начале работ над пермаллоями были сделаны попытки повысить удельное сопротивление введением дополнительных легирующих присадок — молибдена и хрома. К этому периоду относится и первое применение пермаллоя в технике связи при конструировании телеграфного реле. Систематическое изучение тройных сплавов (железо-никель-медь) было предпринято О. Ауверсом и X. Нейманом (Германия). В 1935 г. они установили, что если в исходном сплаве, содержащем от 70 до 80 % никеля (остальное железо), уменьшать содержание никеля вплоть до 50 %й вводить в сплав до 40 % меди, то можно получить целый ряд сплавов, характеризующихся максимумом начальной магнитной проницаемости. Другой, четырехкомпонентный, сплав на основе хром пермаллоя, известный под названием мюметалл (75 % никеля, 18 % железа, 5 % меди и 2 % хрома), который долго являлся материалом с наибольшей магнитной проницаемостью, был разработан И. Рандаллом в 1937 г. в Германии. С этого времени начинается интенсивная и очень успешная работа над улучшением качества металлических магнитных материалов. Для высокочастотных цепей в сердечниках долгое время применялся так называемый феррокарт. Это было торговое название материала, изготовленного из прессованных слоев бумаги и слоев мелкого железного порошка с лаком в качестве связки- В 1928 г. Д. Мигташ (Германия) из нентакарбонила железа изготовил железный порошок с размером частиц от 1 до 10 мк, который стал использоваться для изготовления колец и стержней карбонильных сердечников. В 1930 г. В. Шаселтоном и Г. Барбером в Англии были изготовлены сердечники из порошка пермаллоя, превосходившие по свойствам карбонильные сердечники. Такой материал был получен в 1935 г. в Японии X. Маеумото и известен под названием альсифер. Он представляет собой сплав на основе железа, легированный кремнием и алюминием. Современные высокие требования электротехники могут быть выполнены благодаря новым видам магнитных материалов. Систематические экспериментальные исследования металлических материалов, начатые 30—40 лет назад, почти исчерпали свои возможности. Из простых, двойных и более сложных сплавов были использованы лишь самые лучшие. Совершенствовались технологические процессы: были применены вакуумные плавки и отжиг. Новые свойства материалы получили при термомагнитной обработке, действие которой известно со времени, когда отыскивали средства увеличения магнитной индукции насыщения кремнистой стали. Следующий этап был связан с разработкой в 1947 г. Р. Бозортом (США) новой технологии термообработки пермаллоев, а именно: были введены отжиг при температуре 1200— 1300 °С в среде чистого водорода и длительный отпуск при температуре 400—550 °С. После подобной обработки одной из промышленных марок пермаллоя — так называемого супермаллоя (79 % никеля, 16 % железа, 5 % молибдена) удается получить начальную проницаемость более 100 тыс. В 1958 г. Ф. Ассмус (Германия) доказал, что эффект удаления примесей в процессе высокотемпературного отжига и последующего отпуска имеет место не только в супермаллое и что таким способом достигается очень высокая магнитная проницаемость в целой группе тройных сплавов, например в мюметалле и сплаве 1040. Дальнейшие исследования привели к получению двойных сплавов алюминий-железо, к которым относятся, например, альфенол (16 % алюминия) и терменол (16 % алюминия, 3 % молибдена), которые по магнитным свойствам не уступают низконикелевым пермаллоям, Альфенол удается изготавливать в виде лент толщиной до 0,1 мм, что позволяет использовать его в головках для звукозаписи. Отечественный альфенол марок 12Ю с магнитной проницаемостью 1000 и 12ВИ с ц,. = 10 000 характеризуется высокой прочностью, износоустойчивостью и стойкостью к коррозии, что позволяет изготовлять изделия с высокой чистотой обработки поверхности. Технически чистое железо и электротехническая сталь. Наиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа и никеля с различным содержанием никеля, получившие название пермаллоев, и альсиферы — сплавы железа, кремния и алюминия. Все эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, весьма малой коэрцитивной силой, большой магнитной индукцией и малыми потерями на гистерезис. Технически чистое железо называется армко-железо. Оно содержит небольшое количество примесей: углерода 0,025 %, кремния 0,02 %, марганца 0,035 %, серы 0,01 %; кислород почти полностью отсутствует. Удаление кислорода, вредно влияющего на магнитные свойства железа, достигается введением кремния и марганца, которые с растворенным в железе кислородом образуют окислы, переводимые в шлак. В результате этого железо восстанавливается, а окислы удаляются со шлаком. Другим видом технически чистого железа является электролитическое железо. Ere получают методом электролитического осаждения из раствора сернокислого или хлористого железа, затем промывают и размалывают в шаровых мельницах. Существенным недостатком такого изготовления железа является наличие в нем водорода. Для удаления водорода железо переплавляют или отжигают в вакууме. Значительное применение получило технически чистое железо высокой химической чистоты, называемое карбонильным железом. Оно представляет собой порошок, который выделяется из соединения Fe(CO)5 (карбонил железа) при температурах 200—250° С и давлении 150 am. При таком нагреве карбонил железа (жидкость) распадается на железо и окись углерода по формуле Fe(CO)6→Fe+5CO Железо осаждается в виде мелкого порошка. Оно совершенно не содержит таких примесей, как кремний, фосфор и сера; кислород и углерод содержатся в очень небольших количествах. Для удаления из него углерода производят отжиг металла в среде водорода. Карбонильное железо используется главным образом для изготовления магнитных сердечников, работающих на высоких частотах. Для этого порошок карбонильного железа предварительно смешивается с порошком какого-либо органического диэлектрика (полистирол, бакелит и др.). Из этой смеси получают горячим прессованием сердечники различной формы. Наличие в сердечниках изоляционных прослоек между зернами железа приводит к уменьшению потерь на вихревые токи, которые особенно велики на высоких частотах. В табл. 42.1 приведены основные магнитные характеристики технически чистых сортов железа. Таблица 42.1. Основные магнитные характеристики технически чистого железа.
На рис. 42.1 приведена кривая намагничивания для электролитического железа, переплавленного в вакууме.
Рис. 42.1. Кривые намагничивания электролитического железа, переплавленного в вакууме. Наибольшее применение в электротехнике получила листовая электротехническая сталь. Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8 — 4,8 %. Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными (легировать - сплавлять). Кремний вводится в железо в виде ферросилиция (сплава силицида железа FeSi с железом) и находится в нем в растворенном состоянии. Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью-кислородом, восстанавливая железо из окислов его FeO и образуя кремнезем SiO2, который переходит в шлак. Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fe3C (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FeO и Fe3C), которые вызывают увеличение коэрцитивной силы и увеличивают потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4 % и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи. Несмотря на то что индукция насыщения Bs железа с увеличением кремния в нем значительно повышается и достигает при 6,4 % кремния большой величины (Bs = 2800 гс), все же кремния вводят не более 4,8 %. Увеличение содержания кремния более 4,8 % приводит к тому, что стали приобретают повышенную хрупкость, т. е. механические свойства их ухудшаются. Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холоднокатаную и горячекатаную электротехническую сталь. Железо имеет кубическую кристаллическую структуру. По исследованию намагничивания оказалось, что оно может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньше — по диагонали грани и самым малым — по диагонали куба. Поэтому важно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба. Это достигается повторными прокатками с сильным обжатием (до 70 %) и последующим отжигом в атмосфере водорода, что способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, что ребра кристаллов совпадают с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными. У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали. Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов. Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали. Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурированной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции В=1,0 Тл в направлении прокатки магнитная проницаемость µм = 50 000, а в направлении перпендикулярно прокатке µм = 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°.
Рис. 42.2. Кривые намагничивания электротехнических сталей: а – сталь Э330А (текстурованная), б – сталь Э41 (не текстурованная). На рис. 42.2 приведены кривые намагничивания электротехнических сталей Э330А и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля 0— 2,4; 0—24 и 0—240 а/см. Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками — высокой индукцией, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам оно широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов. Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам. Выпускается сталь следующих марок шести групп: 1) Э11, Э12, Э13; 2) Э21, Э22; 3) Э31, Э32; 4) Э41, Э42, Э43А, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48; 5) Э310, Э320, ЭЗЗОА, Э340, Э370, Э380; 6) Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200. Буква Э означает «электротехническая сталь», первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования (содержания кремния в стали) стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах: для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8 %; для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8 %; для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8%; для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8 %. Средняя величина удельного электрического сопротивления электротехнической стали ρ тоже зависит от количества кремния. Оно тем выше, чем больше содержание кремния встали. Стали марок Э1 имеют сопротивление ρ = 0,25 ом·мм2/м; марок Э2 — ρ = 0,40 ом·мм2/м; марки ЭЗ — ρ = 0,5 ом·мм2/м и марок Э4 — ρ = 0,6 ом·мм2/м. Вторые цифры после буквы Э характеризуют удельные потери при перемагничивании (вт/кг). Эти потери тем меньше, чем больше эта цифра, т. е. больше степень легирования. Нули означают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная мало-текстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали. Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной о 720 до 2000 мм и толщиной 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 и 1,0 мм. Магнитно-мягкие сплавы. Хорошими магнитными свойствами обладает тройной сплав на основе железа, содержащий алюминий 5,4 %, кремния 9,6 %, железа 85 %. Такой сплав называется альсифером (по первым слогам наименований, входящих в сплав веществ – алюминия, силиция, феррума). Его магнитные свойства следующие: µн = 35 000; µм = 115 000; Нс = 0,018 а/см; Bs = 0,335 тл; ρ = 0,81 ом·мм2/м. Существенным недостатком таких сплавов является то, что они хрупки, тверды и не могут коваться. Поэтому детали из них изготовляют лишь литьем, обрабатывать детали из альсифера можно лишь шлифованием. В технических сплавах химический состав несколько отличается от приведенного выше, в результате чего и магнитные свойства альсифера могут быть несколько отличными. Широкое применение в электротехнике нашли различные сплавы железа и никеля, которые называют пермаллоями. Они обладают высокими магнитно-мягкими свойствами, а именно: большой начальной и максимальной магнитной проницаемостью, малой коэрцитивной силой и большой магнитной индукцией. Эти свойства присущи сплавам лишь с содержанием от 40 до 80%. При содержании никеля 78,5 % сплав имеет наибольшие значения µн и µм и очень низкую коэрцитивную силу. Однако достаточно небольших отклонений от этого содержания никеля (в обе стороны), как величина µн и, особенно, µм резко уменьшаются. Величина удельного электрического сопротивления сплавов также изменяется в зависимости от содержания никеля. В сплавах с содержанием до 30 % никеля эта величина возрастает, затем на всем диапазоне изменения содержания падает до величины сопротивления никеля. Температура Кюри ΘК пермаллоев также сильно зависит от содержания никеля. Таким образом, можно считать, что железоникелевые сплавы по своим магнитным свойствам весьма чувствительны к составу. Особенно же чувствительны они к тепловой и механической обработке. Свойства сплавов с содержанием никеля 40—80 % зависят от режима тепловой обработки после их отливки. Наиболее эффективна двойная термообработка, заключающаяся в выдержке сплава при температуре 900—950° С в течение часа, последующем охлаждении со скоростью 100° С в час, повторном нагреве до 600° С и охлаждении его на медной плите со скоростью примерно 150° С в минуту. Эта термообработка получила название пермаллойной обработки. Однако следует отметить, что для таких сплавов с различным содержанием никеля технология термообработки может отличаться от описанной. Исследованиями было показано, что наиболее сильно улучшаются магнитные свойства пермаллоев, если термообработку вести в слабом магнитном поле. Так, в сплаве с 65 % никеля термообработка в магнитном поле Н = 8 а/см увеличивает µм с 20 000 до 200 000. Замечено, что наиболее эффективное действие магнитного поля проявляется при охлаждении сплава, начиная с точки Кюри, в данном случае ΘК = 550 - 400° С. Часто эту термообработку производят в водородной среде при быстром охлаждении. Однако свойства, приобретаемые сплавом при быстром охлаждении, можно ухудшить, если нагреть его снова до высокой температуры и затем температуру в печи медленно снижать, до комнатной. В табл. 42.2 приведены магнитные характеристики нелегированных пермаллоев. Таблица 42.2. Магнитные характеристики нелегированных пермаллоев.
Из железо-никелевых сплавов изготовляют ленты следующих шести видов в зависимости от их толщины: 0,05 — 0,08; 0,10 — 0,15; 0,18 — 0,25; 0,28 — 0,40; 0,50 — 1,00 и 1,10—1,40 мм. В табл. 42.3 приведены характеристики легированных пермаллоев. Таблица 42.3. Магнитные характеристики легированных пермаллоев.
Каждый пермаллой применяется в соответствии с его свойствами в различных электромагнитных устройствах. Главные области применения пермаллоев следующие: измерительные приборы, сердечники трансформаторов тока, магнитные экраны, реле, магнитные усилители, катушки индуктивности в автоматике и т. п. При использовании пермаллоев не следует забывать, что они чувствительны к механическим воздействиям и обработке — штамповке, ударам, внешним механическим напряжениям. Все эти механические воздействия резко повышают коэрцитивную силу и уменьшают магнитную проницаемость, а петля гистерезиса расширяется и искажается. Поэтому необходимо по возможности предохранять пермаллой от таких воздействий или по окончании штамповки и других механических операций подвергать материал дополнительной тепловой обработке; отжигу при высокой температуре и охлаждению с определенной скоростью.
Дата добавления: 2014-12-25; Просмотров: 3008; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |