Электротехнические стали

Электротехнические стали — сплавы железа с 0,5¸5% кремния, которые образуют с железом твердый раствор.

Кремний переводит углерод из формы цементита в графит, действует как раскислитель, связывая вредные газы, прежде всего кислород; способствует росту зерен, уменьшению констант магнитной анизотропии и магнитострикции; увеличивает удельное сопротивление, то есть уменьшает потери на вихревые токи. При содержании Si > 5% ухудшаются механические свойства, повышаются твердость, хрупкость. Основные вредные примеси: углерод, сера, кислород, марганец.

Свойства стали существенно улучшаются при создании магнитной текстуры, создаваемой холодной прокаткой и отжигом, при этом потери уменьшаются приблизительно в два раза.

При ребровой текстуре (рис. 9.17) наилучшие магнитные свойства получаются в направлении прокатки, наихудшие — под углом 55о к направлению прокатки.

При кубической текстуре наилучшие магнитные свойства обеспечиваются в направлении всех ребер куба элементарных ячеек.

В обозначении марок электротехнических сталей используются четыре цифры, обозначающие: первая – структурное состояние и вид прокатки: 1 – горячекатанная изотропная; 2– холоднокатанная изотропная; 3 – холоднокатанная анизотропная с ребровой текстурой; вторая — содержание кремния в весовых процентах — классы 0, 1, 2, 3, 4, 5 с содержанием кремния от 0,4% для класса 0 до 3,8¸4,8% для класса 5; третья, четвертая — гарантированные удельные потери и магнитная индукция. В таблице приведены характеристики различных типов электротехнических сталей с толщиной листа 0,35 мм, применяемых в энергетическом машиностроении. Для рассматриваемых сталей большое значение имеют удельные потери.

Для оценки характеристик электротехнических сталей в сопоставлении с другими магнитными материалами приведены их удельные значения: m нач =200¸600; m макс =3000¸ 8000; Hc =10¸65 А/м; Bs =1,95¸2,02 Тл; r =0,25¸0,6 мкОм × м. Электротехнические стали с высоким содержанием следует применять, если требуются малые потери на гистерезис и вихревые токи и высокая проницаемость в слабых и средних полях. Холоднокатанные текстурированные стали имеют более высокую магнитную проницаемость в области слабых полей и более низкие удельные потери по сравнению с горячекатанными сталями. После резки, штамповки и других операций с электротехнической сталью, вызывающих появление налета, ухудшающего магнитные свойства, необходим отжиг в неокислительной среде при температуре 750¸800 oС. 9.16.3.

Пермаллои.

Пермаллои — железоникелевые сплавы с высокой проницаемостью в слабых полях. По составу выделяют низконикелевые (40¸50% Ni) и высоконикелевые (72¸80 % Ni). Такое подразделение обусловлено смещением магнитных и электрических характеристик в зависимости от процентного содержания никеля. Из рисунка 9.18 видно, что mнач имеет два максимума: относительный (1) и абсолютный (2): 1 - область с содержанием никеля 40¸50% соответствует низконикелевому пермаллою; 2 - область с содержанием 72¸80% — высоконикелевому, обладающими и наибольшими значениями mмакс.

Из характеристик следует, что r у низконикелевого пермаллоя значительно выше (примерно в два раза), чем у высоконикелевого пермаллоя. Это приводит к разграничению области применения низконикелевых и высоконикелевых пермаллоев.

Обе группы пермаллоев для улучшения электромагнитных свойств легируются различными элементами, например молибденом, хромом, медью и некоторыми другими элементами. Плавка осуществляется в вакууме или нейтральных газах. Тонкие листы и ленты выпускаются или штампуются холоднокатаными с последующим высокотемпературным отжигом для получения высоких магнитных свойств. Поверхность ленты для навивки (при изготовлении тороидальных сердечников) и последующего отжига покрывается тонким слоем окислов кремния, магния или алюминия способом катафореза или осаждением из суспензии, жидкой фазой которой является легко испаряющаяся жидкость, например ацетон. В процессе сборки и эксплуатации сердечников из пермаллоя не допустимы механические напряжения (удары, рихтование, сдавливание обмоткой и другие) из-за ухудшения магнитных характеристик.

Высокие магнитные свойства пермаллоев, их способность легко намагничиваться объясняют близостью к нулю констант кристаллографической анизотропии и намагниченности насыщения, но это же приводит и к большей чувствительности магнитных свойств от внешних напряжений. По основным магнитным свойствам выделяются несколько групп пермаллоев. Посмотрите свойства нелегированного высоконикелевого и низконикелевого пермаллоев.

Основные свойства некоторых наиболее распространенных марок пермаллоев приведены в следующей таблице. Цифра в обозначении марки указывает процентное содержание никеля.

Сплавы с наибольшей m макс и m нач рекомендуются для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов при их толщинах менее 0,02 мм – для сердечников импульсных трансформаторов, магнитных усилителей и реле.

Сплавы с повышенным удельным сопротивлением реализуют для сердечников импульсных трансформаторов и аппаратуры звуковых и высоких частот, работающих без перемагничивания.

С увеличением частоты следует применять более низконикелевые пермаллои тонкого проката.

Альсиферы.

Альсиферы — сплавы Al-Si-Fe, оптимальный состав (9.6% Si, 5.4% Al) имеет следующие свойства: m нач =35400; m макс =117000; Hc =1,76 А/м. Это нековкий, с высокой твердостью хрупкий материал (легко размалывается в порошки).

Однако максимум магнитных свойств соответствует очень точному соблюдению состава, что можно обеспечить только для лабораторных образцов. Промышленные образцы имеют более низкие значения магнитных свойств, чем альсифер оптимального состава (у отожженных образцов m нач = 6000—7000).

Магнитная анизотрония и константа магнитострикции у альсиферов близки к нулю.

Из-за низкого r v изделия из альсифера не используют в цепях переменного тока.

Область применения — магнитные экраны, корпуса приборов и аппаратов, фасонные детали магнитопроводов и другие изделия, работающие в постоянных магнитных полях. Из-за хрупкости толщина стенок должна быть не менее 1¸2 мм. Тонкие порошки альсифера применяются в качестве ферромагнитной составляющей магнитодиэлектриков. 9.16.5.