к чему приводит введение кремния в состав электротехнической стали

Кремнистая электротехническая сталь

Для улучшения магнитных свойств железа широко применяют легирование технически чистого железа кремнием или кремнием и алюминием.

Кремнистая электротехническая сталь – магнитомягкий материал массового потребления. Его широко применяют для изготовления магнитных цепей, работающих при частоте 50 – 400 Гц. Преимуществом этого материала является высокая индукция насыщения и относительно невысокая стоимость.

В зависимости от содержания основного легирующего элемента – кремния – электротехнические тонколистовые стали подразделяют на пять групп (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Группы легирования и свойства кремнистой электротехнической стали в зависимости от содержания кремния

Кремний, образуя с железом твердый раствор, увеличивает его удельное электрическое сопротивление, которое линейно возрастает от 0,1 мкОм•м при нулевом содержании кремния до 0,6 мкОм•м при содержании кремния 5% (таблица 2.1). При этом плотность сталей снижается. Положительное действие кремния заключается еще и в том, что способствует переходу углерода из наиболее вредной для магнитных свойств формы – цементита в графит. Кроме того, кремний выполняет роль раскислителя, а также способствует образованию крупнозернистой структуры и уменьшает магнитную анизотропию и константу магнитоскрипции. В результате указанных изменений улучшаются магнитные свойства стали: уменьшается Н_с, увеличиваются M, снижаются потери на вихревые токи и гистерезис. При содержании кремния 6,5 – 6,8% M достигает наибольшего значения, а константа магнитоскрипции приближается к нулю. Кремний также повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Однако с повышением содержания кремния механические свойства стали ухудшаются – увеличиваются твердость и хрупкость. Например, при содержании кремния 4 – 5% сталь выдерживает не более 1 – 2 перегибов на угол 90 о и, что очень нежелательно, снижается индукция насыщения B_r. Поэтому в кремнистой электротехнической стали содержание кремния не превышает 4,8%.

Электротехническую сталь производят горячекатаной и холоднокатаной. Горячекатаная сталь изотропна, то есть ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно направления прокатки. Она дешевле холоднокатанной и широко применяется в электромашиностроении.

Свойства стали можно значительно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига. В результате холодной прокатки происходит преимущественная ориентация границ зерен. Однако деформация в холодном состоянии приводит к образованию больших внутренних напряжений и, следовательно, к увеличению коэрцитивной силы. Внутренние напряжения снимают отжигом при температуре 900 – 1000 о С. При отжиге происходит рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерен и одновременной их ориентацией с образованием кристаллической текстуры материала.

Магнитные свойства текстурированной стали или стали с так называемой ребровой текстурой (рисунок 2.3) существенно выше вдоль направления прокатки.

Рисунок 2.3 – Положение элементарных ячеек кристаллической решетки в листе с ребровой текстурой (а) и кубической текстурой (б) (стрелкой показано направление прокатки)

Текстурированную сталь применяют в магнитопроводах такой конструкции, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, например, в трансформаторостроении. При производстве мощных трансформаторов замена горячекатаной стали текстурированной позволяет снизить потери энергии на 30%, массу трансформатора до 10% и расход стали до 20%. Однако это условие трудно выполнимо для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора. В этих случаях применяют малотекстурированные стали или стали не с ребровой, а с кубической текстурой. У последних наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока в трех направлениях – вдоль, поперек и перпендикулярно направлению прокатки.

Источник

Кремнистая электротехническая сталь

Находит гораздо большее применение, чем железо. Представляет собой основной магнитомягкий материал массового потребления, то есть все магнитопровода трансформаторов делаются из неё.

Введением в состав стали кремния добиваются повышения удельного сопротивления и, соответственно, снижения потерь на вихревые токи. Кроме того, введение кремния в железо способствует выделению из него углерода и кислорода. При этом углерод выделяется в виде графита, в кислород – в виде оксида кремния.

В результате, такая операция приводит к увеличению максимальной магнитной проницаемости и к снижению потерь на перемагничивание. Наилучший эффект достигается при содержании кремния 6,8%, однако в промышленно выпускаемых марках стали, редко превышает 5%, так как введение кремния приводит к охрупчиванию сталей.

Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией. Поэтому механическая обработка в виде прокатки стали существенно улучшает магнитные характеристики стали.

Прокатанная сталь называется структурированной. Применяется изготовления ленточных магнитопроводов трансформаторов. Кроме того, использование лент или пластин необходимо для снижения потерь на вихревые токи. Поверхности этих лент обычно покрывают изоляцией, и при наборе пачки мы получаем относительно тонкие металлические слои, изолированные друг от друга, что препятствует возникновению сильных токов. Толщина ленты определяет частоту, на которой может быть использован данный магнитопровод: чем тоньше, тем выше частота.

Пермаллои

Это железоникелевые сплавы, обладающие большой магнитной проницаемостью по сравнению с железом, с очень малой коэрцитивной силой, при меньшей индукции насыщения.

Делятся на высоконикелевые (содержание Ni – 72…80%) и низконикелевые (содержание Ni – 40…50%).

Очень лёгкое намагничивание в слабых магнитных полях объясняется отсутствием магнитной анизотропии. Слабая анизотропия облегчает поворот магнитных моментов доменов, так как и железо и никель – ферромагнетики.

Свойства пермаллоев очень чувствительны к внешним механическим воздействиям и к изменению состава. Кроме того их свойства сильно зависят от режимов термообработки (скоростей нагрева и охлаждения, а не только от температуры). Поэтому применение пермаллоев, как правило, не считается желательным, так как с ними сложно работать. Кроме того, из-за высокого содержания никеля они дороже, но пригодны для изготовления очень тонких лент (из-за пластичности никеля).

Mo, Cr увеличивают удельное сопротивление и магнитную проницаемость, уменьшает чувствительность к механической деформации и индукции насыщения.

Cu увеличивает постоянство магнитной проницаемости, температурную стабильность, удельное сопротивление, улучшает обрабатываемость.

Si, Mn увеличивают удельное сопротивление.

Маркировка состоит из букв: Н (никель), К (кобальт), М (марганец), Х (хром), С (кремний), Д (медь), У (с улучшенными свойствами), П (сплав обладает прямоугольной петлей гистерезиса). Число в маркировке – процент никеля. Например 80НХС.

Альсиферы

Это тройные сплавы Fe, Si и Al.

Оптимальный состав: 9,5% Si, 5,6% Al, остальное – железо.

Очень твёрды и одновременно очень хрупкий, вследствие чего не может быть подвергнут никакой механической обработке, за исключением лёгкой шлифовки. Он может быть отлит в деталь. Этот способ накладывает ограничение на размер, толщина проката не может быть менее 2мм, что ограничивает применение. Тем не менее по магнитным свойствам этот материал не уступает высоконикелевым пермаллоям, при этом он значительно дешевле.

Все вышерассмотренные магнитомягкие материалы низкочастотные, так как они ко всему прочему являются хорошими проводниками. С повышением частоты увеличиваются потери на гистерезис и вихревые токи. Поэтому для ВЧ материалов главным является большое значение удельного сопротивления.

К магнитомягким ВЧ материалам относятся ферриты – оксидные магнитные материалы с нескомпенсированным антиферромагнетизмом (с общей химической формулой МеFe₂O₄). Они имеют удельное сопротивление гораздо большее, чем сопротивление чистого железа: от 10 3 до 10 13 раз больше. Следовательно, у этих материалов мы имеем комбинированные характеристики магнитных свойств и низкие потери на высоких частотах.

Ферриты применяют в двух вариантах: либо в виде керамики (феррокерамики), либо в виде монокристаллов.

Керамические ферриты получают почти так же, как любую керамику. Единственное отличие заключается в том, что исходные компоненты должны быть очень тонко измельчены, для чего применяются водные шаровые мельницы и в технологический процесс вводится операция ферритизации продукта, то есть образование непосредственно феррита в результате термической обработки (спекание исходных компонентов). Как и всякая керамика, феррокерамика представляет собой твёрдый хрупкий материал, не допускающий применения операций резания, допускающий обработку только в виде мягкой шлифовки.

Ферриты в настоящий момент дёшевы: раньше выход годных изделий составлял 3%.

В качестве магнитомягких материалов применяются никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты. Они представляют собой твёрдые растворы замещения, образованные двумя простыми ферритами, один из которых либо NiFe₂O₄, либо MnFe₂O₄, является сильно магнитным, а второй ZnFe₂O₄ – немагнитный.

Для ферритов, используемых с переменных полях кроме начальной магнитной проницаемости, одной из важнейших характеристик является tgδ. Потери на вихревые токи стремятся к нулю, ими можно пренебречь. В слабых магнитных полях незначительными оказываются и потери на гистерезис, поэтому именно по значению tgδ и определяют возможность использования феррита в данном частотном диапазоне.

Критическая частота – это частота, выше которой использование феррита не допустимо, tgδ=0,1.

До частот в 1 МГц предпочтительнее использовать марганец-цинковые ферриты, так как они имеют значительно меньший tgδ, большую индукцию насыщения и термическую стабильность. В то же время, никель-цинковые ферриты обладают более высокими удельными сопротивлениями и лучшими частотными свойствами.

Наиболее распространённая маркировка феррита представляет собой: на первом месте стоит численное значение начальное магнитной проницаемости, затем буква, обозначающая частотный диапазон Н (до 50МГц), ВЧ (50-600МГц), далее буквы, определяющие состав М – марганец-цинковый, Н – никель-цинковый. Например, 600НН – никель-цинковый феррит, низкочастотный, с начальной проницаемостью 600.

Применение. Магнитомягкие материалы с начальной магнитной проницаемостью от 400 до 20000 в случае помех не редко заменяют с успехом листовые материалы и электротехническую сталь. В средних и сильных полях замена листовых ферромагнетиков ферритами нецелесообразна, так как у них меньшая индукция насыщения и, следовательно, размеры и масса магнитной системы увеличиваются. Применяются в качестве сердечников контурных катушек постоянной и переменной индуктивности, фильтров, сердечников импульсных и широкополосных трансформаторов, стержневых магнитных антенн, сердечников магнитных линий задержек (в основном это феррокерамика).

Монокристаллические магнитомякие ферриты в основном находят применение при изготовлении магнитных головок записи, воспроизведения различных сигналов. Выращиваются газоплазменным методом Вернейля.

Получают методом прессования порошкообразного ферромагнетика с изолирующей (в электрическом смысле) органической или неорганической связкой.

В качестве магнитной основы применяют порошки карбонильного железа, альсифера или молибденового пермаллоя. В качестве связки используется фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и другие.

Магнитная основа должна обладать как можно лучшими магнитными характеристиками, а связка должна образовывать тонкие, желательно одинаковой толщины, слои между кристаллитами ферромагнетика.

В результате получается материал с относительно невысокой магнитной проницаемостью (на более 250), с плохими механическими свойствами (хрупкий). При чём малая магнитная проницаемость объясняется разобщением частиц ферромагнетика.

Для магнитодиэлектриков характерны следующие положительные свойства: из-за сильного размагничивающего фактора они имеют близкую к линейной зависимость индукции от напряжённости внешнего магнитного поля, так как у них практически нет петли гистерезиса, следовательно, малые потери на гистерезис. По этой же причине магнитная проницаемость практически не зависит от внешнего магнитного поля, вследствие этого индуктивность катушки, в которую вставлен стержень из магнитодиэлектрика, растёт быстрее, чем активное сопротивление. Следовательно имеет место очень высокая добротность.

Область применения: катушки фильтров генераторов, частотомеров, контуров радиоприёмников.

Магнитотвёрдые материалы

Отличаются от магнитомягких большей коэрцитивной силой.

Следовательно, площадь петли гистерезиса у твердых значительно больше, чем у мягких.

По применению их можно разделить на материалы для постоянных магнитов, материалы для магнитной записи информации, и материалы специального назначения.

Источник

Что такое электротехническая сталь — где применяют, состав и свойства

Электротехническая сталь – разновидность черного металлопроката, нелегированная или легированная кремнием, алюминием с заданными ферромагнитными свойствами. Она широко применяется в сильноточном и слаботочном производстве электрооборудования и электротоваров общего потребления. Из нее изготавливают магнитопроводы, рассчитанные для работы в магнитных полях при изменении вектора намагниченности частотой до 400 Гц. При этом сталь отличается низкой доступной ценой и высоким уровнем индукции.

Влияние содержания кремния на свойства стали

Электротехническая сталь относится к мягким ферромагнетикам с улучшенными свойствами. Ее отличительная особенность ‒ устанавливать ниже температуры точки Кюри скачкообразное изменение свойств материала, следствием которого является спонтанная намагниченность. Сталь приобретает ферромагнитные свойства за счет упорядоченного параллельного расположения магнитный моментов электронов. То есть материал приобретает свойства магнита без присутствия магнитного поля.

Для увеличения магнитных свойств железа его легируют кремнием. При введении силицида железа FeSi увеличивается электрическое сопротивление, повышается индукция насыщения, сплав достигает максимально возможного уровня намагниченности. Наиболее вредная для магнитных свойств сплава форма углерода из цементита переходит в графит. Кремний помогает снизить до минимума магнитную анизотропию и установить стабильные показатели магнитного поля по всем направлениям стали. Уменьшение магнитострикции (изменение объема и размеров ферромагнитных деталей) снижает уровень шума, вибрации, что уменьшает дискомфорт и сохраняет приборы и детали от разрушения.

Количество легирующего элемента формирует свойства ферросплава и влияет на качественные характеристики. Но с добавлением кремния свыше 4,38% сталь приобретает крупнозернистую структуру, что повышает ее твердость и хрупкость, снижает пластичность и прочность. Кремний гарантирует стабильность магнитных свойств, снижает время ее старения.

Легирование алюминием применяют при производстве спокойных сталей для удаления со сплава кислорода, который образует в материале пустоты, снижает прочность, повышает хрупкость.

Содержание кремния строго регламентируется стандартами и нормативными документами и колеблется в зависимости от назначения и вида материала от 0,8% до 4,8%.

Свойства электротехнической стали

Изменения, связанные с добавлением кремния, улучшают свойства электротехнической стали:

Перечисленные свойства обеспечивают надежную работу электротехнических деталей, изготовленных из ферросплава и увеличивают срок их эксплуатации.

Производство ЭТС

Электротехническую сталь выплавляют в доменных печах при температуре 1500-1650 0 С методом полного окисления, при котором до минимума снижается содержание кислорода и вредных примесей в материале. Получают спокойную сталь, которую разливают на слитки или платины весом от 0,5 т или плиты размером 140Х630 мм и 140Х1000 мм.

Наиболее востребованные марки нелегированной стали: 10880, 10895, 10850, 10860, 11880, 11895, 20880, 21880, 21895 и другие, где первая цифра указывает на класс согласно виду обработки давлением:

Вторая цифра показывает содержание кремния в заготовке:

Цифра 8 указывает на основной качественный показатель, для данного вида это коэрцитивная сила.

Четвертая и пятая цифры устанавливают количественный показатель коэрцитивной силы для данного класса стали в целых единицах ампер/метра.

Виды, ферромагнитные свойства и физические показатели качества формируются в процессе прокатки заготовок в тонкие листы или ленты.

На этапе получения из стальных заготовок листового проката используют две технологии производства: горячекатаную и холоднокатаную обработку.

Горячекатаный метод предполагает предварительный нагрев слябов до температуры 800-1300 0 С. Затем нагретые заготовки подаются на прокатный стан. Прокатный стан представляет собой набор чередующихся валков с разной толщиной зазора между ними. Разогретая заготовка, проходя поочередно между ними, под давлением с помощью пластической деформации изменяет толщину с 7,5 мм-60 мм до 0,05 мм-2 мм. Предварительный нагрев повышает пластичность материала, но при этом повышенная температура изменяет свойства стали.

Горячекатаные электротехнические стали содержат максимально возможное количество кремния от 3,5% до 4,5%. Она имеет крупнокристаллическую структуру с хаотичным расположением зерен, что снижает ее магнитные характеристики. После прокатки физические свойства одинаковы во всех направлениях, поэтому горячекатаная сталь бывает только изотропной.

Холоднокатаную электросталь получают при температуре окружающей среды в два этапа. На первом этапе листовой прокат вальцуют толщиной более 0,5 мм. Затем сталь разрезают на листы или сворачивают в рулон и проводят отжиг при температуре 1150-1180 0 С с последующей прокаткой до необходимой толщины. Холоднокатаный прокат бывает изотропным и анизотропным. У анизотропных материалов физические свойства усиленные по ходу движения валков, что приводит к строгому структурированию электромагнитных потоков по горизонтальной оси зерен металла.

Виды и химический состав стали

Для улучшения адгезии и антикоррозийных свойств изделия из ЭТС покрывают слоем изоляции, который не влияет на магнитные свойства и способность пропускать электрический ток. К ним относятся покрытия на основе эмалей, лаков, стеклоэмали и полимеров.

В зависимости от содержания кремния сталь делится на:

Сталь считается нелегированной если содержание кремния не превышает 0,3%. Помимо него в состав электротехнической стали нелегированной входят: Mn до 0,3%, S минимум 0,03%, Р до 0,02% и Сu до 0,3%.

Магнито-мягкая легированная сталь помимо кремния 0,2% содержит до 0,3% марганца, от 15,5 до 16,5% хрома, 0,3% никеля, от 0,01% до 0,015% серы, фосфора соответственно не белее 0,015%, молибдена 0,1% и 0,2% титана.

Электротехническая трансформаторная сталь легируется силицидом железа FeSi. С его помощью восстанавливаются оксиды железа, углерод переходит в графит, сплав освобождается от кислорода, который оказывает негативное влияние на структуру металла и его магнитные свойства.

Трансформаторное железо производят методом горячего и холодного проката. Количество марок достигает 79, с заданными свойствами удельного сопротивления, противостояния образованию вихревых магнитных полей, узкой петлей гистерезиса, высокой индукцией. Легированные изотропные материалы идут на изготовление высокоточного силового оборудования: трансформаторов, выпрямителей, генераторов, электродвигателей.

Трансформатор представляет собой устройство с несколькими обмотками, который с помощью электромагнитной индукции меняет величины переменного тока и напряжение. Преобразование проходит без изменений частоты и мощности электротока.

Цели применения электротехнических сталей связаны с ростом использования электроэнергии. Ее необходимо транспортировать потребителю с наименьшими потерями, без изменения заданных параметров электросетей с различных источников ее производства.

Источник

К чему приводит введение кремния в состав электротехнической стали

Алфенол

Пермаллой

Электротехническое железо

Относительно чистое железо, используемое в качестве электротехнического магнитомягкого материала. Термин восходит к 19 в., когда в качестве магнитопроводов электрических машин использовали «мягкое» железо с минимальным содержанием примесей. В настоящее термин «электротехническое железо» не используется, его заменяет практически эквивалентный ему термин «нелегированная электротехническая сталь». Между понятиями «железо» и «сталь» существует граница, определяемая минимальным содержанием углерода, при котором в стали реализуется мартенситное превращение.

Электролитическое железо

Технически чистое железо

Устаревший термин, соответствующий современному термину «нелегированная электротехническая сталь». Иногда технически чистым железом называют сплав, в котором содержится менее 0,02% углерода. При этом термин «техническое железо» определяет сплав с содержанием углерода менее 0,04%.

Карбонильное железо

Железо, изготовленное посредством термического разложения пентакарбонила железа согласно уравнению Fe(CO)₅ = Fe + 5CO. Пентакарбонил железа представляет бесцветную жидкость, полученную воздействием окиси углерода на железо при температуре до 350 °С и давлении 15 МПа. Карбонильное железо в виде частиц диаметром менее 1 мкм получается при пропускании карбонильных паров через камеру, нагретую до 200—250 °С. После получения порошок содержит до 1 % углерода. Углерод удаляется, как правило, обезуглероживанием в водороде до содержания 0,007 %. Карбонильное железо используется в виде порошка или прессованный порошок спекается, проковывается и прокатывается в виде листов, или переплавляется. Начальная и максимальная относительная магнитная проницаемость карбонильного железа составляет 3000 и 20000, а коэрцитивная сила 6 А/м.

Железо

Химический элемент с относительной атомной массой 55,847, находящийся в периодической системе под номером 26. Железо — серебристо-серый металл, состоящий из основного химического элемента железа и других химических элементов, входящих в него в качестве примесей. Содержание железа в земной коре 4,65 % (второе место среди металлов после алюминия). Основные минералы железа: гематит Fe2O3, магнетит Fe3O4, гетит α-FeOОН, сидерит FeСO3, пирит FeS2. Во влажном воздухе покрывается ржавчиной (Fe2O3·nH2O). До температуры 769С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (α-Fe) с ферромагнитными свойствами. В интервале между 769—910°С решетка также объемно-центрированная кубическая, но с парамагнитными свойствами (β-Fe). Между 917—1394°С железо имеет гранецентрированную кубическую решетку (γ-Fe), а выше 1397°С решетка опять объемно-центрированная (δ-Fe). Физические свойства железа зависят от содержания примесей. После отжига при температуре выше 1300°С в водороде пможно получить железо с коэрцитивной силой до 3 А/м, начальной и максимальной относительной магнитной проницаемостью 25000 и 250000, соответственно.

Электротехническая сталь

Условное обозначение тонколистовой электротехнической стали состоит из четырех цифр. Первая цифра определяет класс по структурному состоянию и виду прокатки: 1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой. Вторая цифра определяет содержание легирующих элементов (кремния, алюминия): 0 — с массовой долей до 0,5% включительно (нелегированная), 1 — с массовой долей свыше 0,5 до 0,8% включительно, 2 — с массовой долей свыше 0,8 до 1,8% включительно, 3 — с массовой долей свыше 1,8 до 2,8% включительно, 4 — с массовой долей свыше 2,8 до 3,8% включительно, 5 — с массовой долей свыше 3,8 до 4,8% включительно. Третья цифра определяет группу по основной нормируемой характеристике: 0 — удельные магнитные потери P1,7/50 при частоте 50 Гц и максимальной магнитной индукции 1,7 Тл, 1 — удельные магнитные потери P1,5/50, 2 — удельные магнитные потери P1,0/400 для изотропной электротехнической стали или удельные магнитные потери P1,5/400 для анизотропной электротехнической стали, 6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях B0,4 при напряженности магнитного поля 0,4 А/м, 7 — магнитная индукция в средних магнитных полях B10 или B5. Вместе первые три цифры обозначают тип электротехнической стали, а четвертая цифра — порядковый номер, характеризующий качество электротехнической стали, например, 3408 — анизотропная электротехническая сталь с содержанием кремния 3%, основная нормируемая характеристика — удельные магнитные потери P1,7/50. Анизотропная электротехническая сталь имеет ребровую кристаллографическую текстуру, которая обеспечивает высокую магнитную проницаемость вдоль направления прокатки.

Анизотропная электротехническая сталь используется в электрических машинах, где магнитный поток можно направить вдоль направления прокатки, например, в силовых трансформаторах. Были разработаны также электротехнические стали с другими типами кристаллографической анизотропии, однако в промышленных масштабах такие материалы не производятся. В изотропной электротехнической стали кристаллографическая анизотропия слабо выражена. Изотропная электротехническая сталь применяется во вращающихся электрических машинах, в которых магнитный поток проходит как вдоль, так и поперек направления прокатки материала. Электротехническая сталь также различается по технологии производства. Изотропная электротехническая сталь должна содержать минимальное количество примесных элементов, чтобы обеспечить протекание собирательной рекристаллизации. В анизотропной электротехнической стали содержание примесных элементов регламентируется, поскольку они должны надежно блокировать движение границ зерен до начала вторичной рекристаллизации и обеспечивать рост наиболее совершенных ребровых зерен. Эти требования определяют особенности технологических схем производства и структуру электротехнической стали. Значительное количество электротехнической стали идет на изготовление электротехнического оборудования, предназначенного для производства и распределения электрической энергии: турбо- и гидрогенераторов, крупных силовых трансформаторов. Именно эти отрасли электротехнической промышленности определяют пути совершенствования электротехнической стали.

Источник