Электротехническая сталь. Электротехническая сталь, тонколистовая магнитомягкая

• Название: Электротехническая сталь, тонколистовая магнитомягкая
• Дата: 24.06.2021
• Размер: 22.45 Kb.
• Имя файла: Электротехническая сталь.docx
• Тип: Документы; #221311

Электротехническая сталь, тонколистовая магнитомягкая сталь для магнитопроводов (сердечников) электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т. д.). К электротехническим сталям относятся кремнистая электротехническая сталь и чистое железо.

Кремнистая сталь

Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. По составу она представляет собой сплавы железа с (0.5-5)% кремния, которые образуют с железом твердый раствор. Сплавы содержат также 0, 1-0, 3% Mn.

В зависимости от требуемого уровня магнитных свойств, электротехническая сталь содержит различное количество кремния. Введение кремния уменьшает потери на вихревые токи, так как увеличивает удельное сопротивление материала. Легирование кремнием приводит к увеличению начальной и максимальной магнитных проницаемостей, уменьшению коэрцитивной силы и снижению потерь на гистерезис, уменьшает константы магнитной анизотропии и магнитострикции.

Кремний способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO₂, который в виде шлака выделяется из расплава. Но при содержании Si более 5% ухудшаются механические свойства, повышаются твердость, хрупкость, сталь становится непригодной для штамповки

Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией, подобной анизотропии чистого железа, т. е. направление легкого намагничивания совпадает с кристаллографическим направлением, а наиболее трудное намагничивание совпадает с пространственной диагональю кубической элементарной ячейки.

В соответствии с технологией производства электротехнические стали подразделяют на холоднокатаные (изотропные или анизотропные; до 3, 3% Si) и горячекатаные (изотропные; до 4, 5% Si); в качестве легирующей добавки электротехнические стали могут содержать до 0, 5% Al. При холодной прокатке возникают деформации, вызывающие преимущественную ориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000^оС снимает внутренние напряжения, и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен), в результате которой кристаллические зерна осями легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката: получается ребровая текстура. Свойства стали существенно улучшаются при создании магнитной текстуры, создаваемой холодной прокаткой и отжигом, при котором происходит рекристаллизация. Текстурированная сталь анизотропна по свойствам. Потери энергии при перемагничивании текстурованной стали ниже, а магнитная индукция выше, чем горячекатаной. Ее эффективное использование возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников. При ребровой текстуре наилучшие магнитные свойства получаются в направлении прокатки, наихудшие — под углом 55^о к направлению прокатки, которое соответствует направлению трудного намагничивания.

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

Иногда электротехнические стали условно разделяют на динамную (0, 8-2, 5% Si) и трансформаторную (3-4, 5% Si). Электротехническая сталь выпускается в виде листов (часто в рулонах) и узкой ленты толщиной 0, 05-1 мм.

Чистое железо

Сплавы, в которых углерода менее 0, 02%, называются технически чистым железом. Технически чистое железо относится также к электротехническим сталям.

Техническое железо(армко-железо) содержит менее 0, 04% С и имеет высокую магнитную проницаемость (μ = 4500 Гс/Э). Оно является электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд.

Железо в чистом виде является магнитомягким материалом, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2, 2 Тл).

У технически чистого железа магнитная проницаемость составляет μ_н — (250-400), μ_мах — (3500-4500), коэрцитивная сила H_c — (50-100) А/м, индукция насыщения B_s 2.18 Тл.Особо чистое железо, содержащее малое количество примесей получают двумя сложными способами:

Электролитическое железо — путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. Магнитная проницаемость электролитического железа μ_н — 600, μ_мах — 15000, коэрцитивная сила Hc —30 А/м, индукция насыщения B_s 2.18 Тл

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа: Fe(CO)5 = Fe+5CО. У карбонильного железа магнитная проницаемость μ_н —, μ_мах — 15000, коэрцитивная сила Hc —30 А/м, индукция насыщения B_s 2.18 Тл

На магнитные свойства железа влияют химический состав, структура, размер зерна, искажения кристаллической решетки, механические напряжения. Магнитные свойства железа улучшаются при выращивании крупного зерна, в результате многократных переплавок в вакууме. Внутренние напряжения в деталях снимаются отжигом.

Качество электротехнической стали характеризуется величиной и изотропностью магнитных свойств, геометрическими размерами и качеством листов и полос, механическими свойствами, а также параметрами электроизоляционного покрытия. Снижение удельных потерь в стали обеспечивает уменьшение потерь энергии в магнитопроводах; повышение магнитной индукции стали позволяет уменьшить габариты магнитопроводов; снижение анизотропии магнитных свойств улучшает характеристики устройств с вращающимися магнитопроводами.

Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.
Ферриты

Феррит – материал, представляющий собой соединение оксида железа и оксидов ферримагнетиков. Он имеет формулу MFe₂O₄. Это химическое соединение обладает кубической кристаллической решеткой и активно используется в радиоэлектронике, благодаря большому удельному сопротивлению и наличию магнитных свойств.

Феррит обладает следующими физическими характеристиками:

1. 
   Плотность: 4000 до 5000 кг/м³ (параметр определяется маркой железного сплава).Теплоемкость вещества: до 890 Дж/кг×К.
   
2. 
   Средний модуль упругости: 5500 МПа.
   
3. 
   Предел прочности на сжатие равняется 850 МПа, на растяжение – 110 МПа.
   
4. 
   Коэффициент Пуансона: до 0,4.
   
5. 
   Модуль Юнга: до 21 000 000 кПа.
   

Одним из основных физических свойств феррита является высокое электрическое сопротивление и магнитная проницаемость, что обуславливает низкие энергетические потери в высокочастотных зонах. Основным фактором, влияющим на этот параметр, является большая концентрация двухвалентных ионов железа. При повышенном количестве частиц Fe2+ увеличивается проводимость железного сплава и понижается его энергия активации. Высокое содержание двухвалентных ионов железа также приводит к снижению зависимости металла от различных свойств среды и состояния намагниченности.

Выделяют следующие механические свойства феррита:

1. 
   Металлы склеиваются при помощи клея марки БФ-4 и нарезаются инструментами, изготовленными из алмаза.
   
2. 
   Материал поддается полировке и шлифовке.
   
3. 
   При больших механических нагрузках (соударениях, вибрациях) появляются дополнительные напряжения в сердечниках, что приводит к возникновению трещин и иных внешних дефектов.
   

Главными отличительными особенностями феррита являются его магнитные свойства. Они зависят от величины магнитной проницаемости железной модификации и тангенса угла потерь. На эти характеристики оказывают влияние интенсивность резонансных явлений и механические напряжения. Для сохранения магнитных свойств материала нужно ограничить величину физических нагрузок на поверхность металла.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэле́ктрики, ферромагнитные порошки, смешанные с диэлектриками (смола, пластмасса) и спрессованные при высокой температуре в монолитную массу; имеют большое удельное электрическое сопротивление и малые потери на вихревые токи.

Магнитодиэлектрики могут быть магнитно-твердыми и магнитно-мягкими материалами.

Магнитно-мягкие магнитодиэлектрики изготавливают из тонких порошков карбонильного железа, молибденового пермаллоя и альсифера с различной связкой. Их применяют для производства сердечников катушек индуктивности, фильтров, дросселей, радиотехнических броневых сердечников, работающих при частотах 104-108 Гц.

Магнитно-твердые магнитодиэлектрики вырабатывают на основе порошков из ални сплавов, альнико сплавов (железо-никель-алюминий-кобальт), ферритов. 

Коэрцитивная сила этих магнитодиэлектриков ниже, чем массивных материалов, на несколько десятков процентов, а остаточная индукция меньше почти в два раза. Они применяются в телефонии и приборостроении (постоянные магниты, эластичные герметизаторы для разъемных соединений).