Электротехническая 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 [100], а наиболее трудное намагничивание совпадает с пространственной диагональю [111] 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.

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.