Магнитомягкие стали и сплавы

Описанные ниже материалы применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д.

Требования к магнитомягким материалам:

· высокая магнитная проницаемость;

· низкая коэрцитивная сила;

· малые потери на перемагничивание;

· высокое электросопротивление.

Для обеспечения вышеуказанных свойств должны выполняться следующие требования к структуре и состоянию:

· максимальное приближение к равновесному состоянию;

· крупное зерно;

· отсутствие искажений в кристаллической решетке;

· минимальное содержание примесей.

Наклеп уменьшает магнитную проницаемость. В связи с этим стали подвергают рекристаллизационному отжигу.

К магнитомягким материалам относятся:

o технически чистое железо;

o электротехническая сталь с пониженным и повышенным содержанием кремния;

o сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью;

o сплавы с большой индукцией насыщения;

o ферриты.

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО

К этой группе сплавов относится практически чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными примесями и поэтому их содержание строго ограничивается. Содержание углерода допускается не более 0,1%.

Технически чистое железо обладает сравнительно малым удельным электросопротивлением, что ограничивает его применение. Оно применяется для изготовления сердечников реле и электромагнитов, магнитных экранов, полюсов электрических машин.

Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще и от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна - улучшает. Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высоких температурах.

Промышленность изготавливает две марки технически чистого железа (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (табл. 2.1 и 2.2).

В зависимости от способа получения различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо получают путем электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях. Карбонильное железо получают термическим разложением Fe(CO)₅. Получают в виде порошка. Удобно использовать для изготовления сердечников для повышенных частот.

Таблица 2.1 - Химический состав технически чистого железа,

% (не более)

Марка железа	Si	С	Mn	S	P	Cu
А	0,025	0,035	0,03	0,025	0,015	0,15
Э	0,040	0,20	0,20	0,030	0,025	0,15

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ НЕЛЕГИРОВАННАЯ

Поставляется в виде сортового проката, ленты и тонкого листа.

Сортовой прокат поставляется в соответствии с ГОСТ 11036 - 75. Маркируется пятью цифрами:

Первая цифра - класс по виду обработки давлением (1 - горячекатаная или кованная; 2 - калиброванная);

Вторая цифра -тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения; 1 - с заданным коэффициентом старения);

Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике (8 - коэрцитивная сила);

Таблица 2.2 - Магнитные свойства технического железа

Марка железа	Коэрцитивная сила Нс, А/м
Э
ЭА	12,5
ЭАА

Четвертая и пятая цифра - количественное значение коэрцитивной силы в А/м.

Пример марки такой стали:

10895:

1 - сталь горячекатаная или кованная;

0 - сталь нелегированная без нормируемого коэффициента старения;

8 - основная нормируемая характеристика - коэрцитивная сила;

95 - значение коэрцитивной силы в А/м.

Коэффициент старения - процент увеличения коэрцитивной силы образца после старения. Старение производят при температуре 120°С в течении 120 часов. Определение старения производится в соответствии с ГОСТ 11036 - 75. Коэффициент старения не должен превышать 10%.

Лента и тонкий лист поставляется в соответствии с ГОСТ 3836 - 83. Маркируется пятью цифрами:

Первая цифра - класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная);

Вторая цифра - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормируемого коэффициента старения; 1 - сталь нелегированная с нормируемым коэффициентом старения);

Третья цифра - основная нормируемая характеристика (8 - коэрцитивная сила);

Четвертая и пятая цифры - значение коэрцитивной силы в А/м.

Старение не должно превышать 6 А/м.

КРЕМНИСТАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

В качестве магнитомягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05 - 0,005% С; 0,8 - 4,8% Si). Кремний образуя с a - железом твердый раствор, увеличивает электросопротивление. Так при 0% Si удельное электросопротивление составляет 0,1 мкОмּм, а при 5% Si - 0,6 мкОмּм. Si уменьшает потери на вихревые токи. Кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3 - 4%. Холоднокатаные кремнистые стали поставляют в отожженном состоянии с термостойким покрытием.

Электротехническую сталь изготавливают в виде листов, рулонов и резаной ленты.

Сталь подвергают обезуглероживающему отжигу при 720 - 800°С (выдержка 25 часов), рекристаллизационному отжигу после прокатки и окончательному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100 - 1200°С в течение 25 - 30 часов. После проведения высокотемпературного отжига в рулонах проводят дополнительный отжиг в атмосфере, состоящей из 4% Н₂ и 96% N₂, для снятия напряжений и рулонной кривизны.

Стали этой группы предназначены для изготовления магнитопроводов. На них может быть нанесено электроизоляционное покрытие. Качество можно повысить путем уменьшения примесей, разработки оптимальных технологий получения сталей с ребровой текстурой.

Ребровая структура сталей получается в результате прокатки. При деформации зерен получается анизотропная структура, которая улучшает магнитную проницаемость стали в определенных направлениях. Конструируя изделия из стали с ребровой текстурой можно улучшить магнитную проницаемость. Схема изделий с ребровой текстурой и изотропных приведена на рисунке 2.3.

ребровая текстура изотропный материал

Рисунок 2.3 - Ребровая текстура электротехнических сталей

Магнитная проницаемость кремнистых электротехнических сталей увеличивается с уменьшением толщины металла.

Поставляются и маркируются кремнистые электротехнические стали в соответствии с ГОСТ 21427.0 - 75. Маркируются четырьмя цифрами:

Первая цифра - класс по структурному состоянию и виду прокатки:

1 - горячекатаная изотропная;

2 - холоднокатаная изотропная;

3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

Вторая цифра - содержание кремния:

0 - ≤ 0,4%Si; 3 - 1,8 - 2,8% Si;

1 -0,4 - 0,8% Si; 4 - 2,8 - 3,8% Si;

2 - 0,8 - 1,8% Si; 5 - 3,8 - 4,8% Si.

Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике:

0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и

частоте 50 Гц;

1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл;

2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и

частоте 400 Гц;

6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при

напряженности поля 0,4 А/м;

7 - магнитная индукция в средних магнитных полях

(Н_с= 10 А/м или 5 А/м).

Четвертая цифра - порядковый номер стали.

Примеры марок сталей: 1211; 1311; 2011; 3425; 3472.

В кремнистых электротехнических сталях также определяется коэффициент старения в соответствии с ГОСТ 21427.0 - 75. Коэффициент старения не должен превышать 2 - 10%. Кроме того, для данных сталей производят испытания на перегиб.

СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ

К этой группе относят в первую очередь железоникелевые сплавы - пермаллои. Существует две группы пермаллоев: высоконикелевые - 79НМ, 81НМА (72 - 80% Ni) и низконикелевые- 45Н, 50Н, 60НХС (45 - 50% Ni). У этой группы сплавов отсутствует магнитная анизотропия. Улучшить магнитные свойства пермаллоев позволяет высокотемпературный отжиг при температуре 1300°С в чистом сухом водороде и длительный отпуск при температуре 400 - 500°С.

На свойства пермаллоев отрицательно влияют примеси не образующие твердых растворов: С, S, О₂.

Пермаллои подвергают легированию: Mn, Cr, Cu, Co, Si.

Недостаток этой группы сплавов - высокая стоимость.

Применяются пермаллои в приборах работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Другим сплавом с высокой начальной магнитной проницаемостью относится сплав альсифер. Это тройной сплав в системе Al - Si - Fe. Примерный состав сплава: 9,6% Si, 5,4% Al, остальное Fe. По свойствам не уступает пермаллоям. Применяется для тех же целей, что и более дорогостоящий пермаллой. Однако альсифер обладает повышенной хрупкостью и из него нельзя изготавливать листы, поэтому его применяют в виде спеченных порошковых композиций.

Альсиферы также используют для изготовления магнитных экранов, деталей магнитопроводов, корпусов приборов машин.

СПЛАВЫ С ПОВЫШЕННЫМ ПОСТОЯНСТВОМ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ

Эта группа сплавов применяется в дросселях, трансформаторах, измерительных приборах.

Перминвар. Это сплавы с постоянной магнитной проницаемостью, изменение поля от 0 до 80 - 160 А/м не изменяет у этих сплавов магнитной проницаемости, что иногда существенно. В качестве примера укажем на некоторые сплавы: 45% Ni, 25% Со, остальное железо (45НК); или 45% Ni, 25% Co, 7,5% Мо, остальное железо (45НКМ); или 70% Ni, 7% Со, остальное железо (70НК). Сплавы подвергаются термообработке в вакууме.

Перминдюр - сплав (50% Со, 1,8% V, остальное железо) с высокой индукцией насыщения. Применяют для изготовления приборов при необходимости сконцентрировать в небольшом пространстве мощный поток силовых линий. Наибольшая индукция насыщения 2,43 Тл.

Термаллой – сплав, индукция которого весьма резко изменяется в интервале температур от -60 до +50°С. Применяют для автоматической корректировки погрешностей магнитоэлектрических приборов. Такое сильное изменение магнитных свойств обусловлено тем, что точка Кюри находится вблизи (немного выше) указанного интервала. Практическое применение получили сплавы с 30%Ni, остальное железо (термаллой); с 30%Сu, остальное железо (кальмаллой).

Изотерм - сплав четырех компонентов (Fe, Ni, Al, Cu). Используется в телефонных аппаратах.

Аморфные магнитомягкие материалы и ферриты будут рассмотрены позднее в соответствующих разделах (аморфные материалы и проводниковые материалы).

Дата добавления: 2014-01-11