Магнитные свойства некоторых магнитомягких материалов

Таблица 15.1

Материал	Ш,	Ш,	в* Тл	#с, А/м	р, мкОм м
Технически чистое железо (армко железо)	250-400	3500-4500	2,18	40-100	0,1
Сталь низкоуглеродистая электротехниче­
ская нелегированная	—	3500-4500	2,18	64-96	0,1
Электролитическое железо			2,18		0,1
Карбонильное железо	2000-3000	20 000-21 500	2,18	6,4	0,1
Особо чистое железо, отожженное в водо­
роде особенно тщательно	60 000	200 000	2,18	2,4	0,1
Монокристалл чистейшего железа, ото­
жженный в водороде особенно тщательно	—	1 430 000	—	0,8	—
Пермаллои:
низконикелевые (Ni~40—50%)	2000-4000	15 000-60 000	1,3	5-32	0,45-0,9
высоконикелевые (Ni~79%)	15 000-100 000	70 000-300 000	0,7	0,65-4	0,16-0,85
Суперпермаллой (состав: Ni~79%, Fe 15 %,
Мо~5% и Мп~0,5%)		600 000-1 500 000	0,79	0,3	0,6
Альсифер (сплав оптимального состава:
Si 9,6%, Al 5,4%, остальное Fe)	35 400	117 000	1,0	1,76	0,8
Магнитодиэлектрики на основе:
карбонального железа	10-20	—	—	—	—
альсифера	20-94	—	—	—	—
молибденового пермаллоя	60-250	—	—	—	—
Ферриты:
никель-цинковые	10-2000*	40-7000	0,2	1700-8	10—10^11 Ом-м
марганец-цинковые	700-20 000*	1800-35 000	0,15	28-0,25	Ю^-3—20 Ом-м

* При частоте / = 100 кГц.

вакууме (для предохранения металла от окисления), или в активной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном аммиаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополни­тельную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается плотнось дислока­ций и концентрация других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается сум­марная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структур­ных превращений; в результате со временем увеличивается коэрци­тивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение уменьшают путем легирования некоторыми химическими элемента­ми (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100 °С в течение 100—150 ч.

Деформация кристаллической решетки и внутренние напряже­ния, возникающие при механической обработке железа, ухудшают его магнитные свойства: возрастает Н_с и снижается р^. Деформацию решетки и внутренние напряжения снимают отжигом.

В качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше уг­лерода (цементита) и других вредных примесей, чем конструкцион­ные стали, и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свой­ствами. Магнитные свойства отожженных образцов этих материалов приведены в табл. 15.1.

Технически чистое железо содержит углерода С < 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называ­ют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.

Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная

Это разновидность технически чистого железа. Ее выпускают тонколистовой и сортовой. Тонколистовая сталь содержит примесей не более 0,64%, в том числе углерода С < 0,04%. В зависимости от со­держания примесей тонколистовую сталь выпускают в виде листов толщиной 0,2—4,0 мм трех марок: Э — низкий сорт, ЭА — средний сорт, ЭАА — высший сорт. Сортовую сталь выпускают трех марок Э12, Э10, Э8. С уменьшением цифры магнитные свойства улучша­ются. Сталь отжигают при 900 °С способом, изложенным выше. Магнитные свойства отожженных образцов электротехнической ста­ли приведены в табл. 15.1.

В промышленности вместо технически чистого железа и стали низкоуглеродистой электротехнической нелегированной иногда при­меняют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода
0,1—0,4%. Магнитные свойства этих сталей ниже, чем у железа, од­нако их можно улучшить путем отжига изготовленных изделий.

Особо чистое железо. Содержит очень низкий процент примесей (менее 0,03%). К этой группе относится электролитическое и карбо­нильное железо, а также особо чистое железо и его монокристаллы, особо тщательно отожженные в водороде (см. табл. 15.1).

Электролитическое железо содержит углерода С < 0,02%. Его по­лучают путем электролиза водных растворов сернокислого или хло­ристого железа. Анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо толщиной 2—6 мм тща­тельно промывают, снимают с катода и измельчают в порошок на шаровой мельнице. Электролитическое железо неизбежно содержит следы водорода, для удаления которого порошок переплавляют в ва­кууме или подвергают отжигу тоже в вакууме.

Карбонильное железо содержит углерода С < 0,005%. Его получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅, представляющего собой желтоватую жидкость, устойчивую на возду- ^хе (^кип ⁼ ЮЗ °С). При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа Fe₂0₃, который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент. В отсут­ствие воздуха пары Fe(CO)₅ при температуре 350 °С разлагаются на окись углерода и металлическое железо:

Fe(CO)₅ = Fe + 5СО.

Образовавшийся очень мелкий порошок (размер частиц 0,5— 20 мкм) для уменьшения содержания вредных примесей подвергают отжигу в водороде. Карбонильное железо применяют в качестве маг­нитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Из табл. 15.1 видно, что с уменьшением содержания примеси и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнит­ных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием.

Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая электротехническая сталь представляет собой сплав, образующий твердый раствор кремния в технически чистом железе в количестве от 0,4 до 4,8%. Это 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.

Кремний, образуя с железом твердый раствор, увеличивает удельное электрическое сопротивление, которое растет линейно от 0,1 мкОм м при нулевом содержании Si до 0,6 мкОм м при содержа­нии Si 5,0% (табл. 15.2). При этом плотность сталей снижается. По­ложительное действие кремния заключается еще в том, что он пере­водит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Кремний, кроме того, действует как раскислитель, связывая часть газов (прежде всего кислород), а также способствует образо­ванию крупнозернистой структуры и уменьшает магнитную ани­зотропию и константу магнитострикции. В результате указанных изменений улучшаются магнитные свойства: уменьшается #_с, увели­чиваются |х_н и р™, снижаются потери на вихревые токи и гистерезис. При содержании кремния 6,5—6,8% \i_M достигает наибольшего зна­чения, а константа магнитострикции приближается к нулю. Однако с увеличением концентрации Si механические свойства стали ухуд­шаются — повышаются твердость и хрупкость. Например, при со­держании Si 4—5% сталь выдерживает не более 1—2 перегибов на угол в 90° и, что очень нежелательно, снижается индукция насыще­ния B_s. Поэтому в кремнистой электротехнической стали содержание Si не превышает 4,8 %. Кремний также повышает стабильность маг­нитных свойств стали во времени.

Таблица 15.2 Удельное сопротивление и плотность кремнистой электротехнической стали в зависимости от содержания кремния

Степень легирования стали кремнием	Содержание крем­ния, %	Удельное сопро­тивление р, мкОмм	Плотность, Мг/м^3
Нелегированная	0-0,4	0,1-0,14	7,85
Слаболегированная	0,4-0,8	0,17	7,82
Нижесреднелегированная	0,8-1,8	0,25	7,80
Среднелегированная	1,8-2,8	0,40	7,75
Повышеннолегированная	2,8-3,8	0,50	7,65
Высоколегированная	3,8-4,8	0,60	7,55

Свойства стали можно значительно улучшить путем их прокатки в холодном состоянии и последующего отжига. В результате холод­ной прокатки происходит преимущественная ориентация 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 °С. При отжиге происходит рекристаллиза­ция, сопровождающаяся ростом зерен и одновременной их ориента­цией вдоль направления легкого намагничивания. В результате ребра кубов оказываются расположенными параллельно направлению про­катки (см. гл. 14.2.2). Такая сталь обладает ребровой текстурой; ее магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше. Текстурированные стали применяют в магнитопроводах такой конструкции, при которой магнитный поток проходит в направле-

161/4-Ко лесов нии наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под углом 55° к на­правлению прокатки. Однако эти условия трудно выполнимы 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 прокатке, а направление самого трудного намагничивания (см. рис. 14.5, а) не существует в плоскости намагничивания.

Таким образом, холоднокатаную сталь выпускают как анизо­тропную, так и изотропную. Производят также горячекатаную сталь. Она изотропна, т. е. ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно прокатки, дешевле, чем сталь холодно­катаная. Изотропные стали применяют, как указывалось выше, в электромашиностроении. В трансформаторостроении выгодно при­менять текстурированную сталь. Например, замена в мощных транс­форматорах изотропной горячекатаной стали на текстурированную позволяет снизить потери энергии на 30%, массу до 10%, расход ста­ли на 20%. Применение текстурированной стали для трансформато­ров малой мощности дает еще бблыиие преимущества. Например, холоднокатаная анизотропная сталь с ребровой текстурой (марка 3414; см. ниже) толщиной 0,35 мм имеет удельные потери (при В = 1,5 Тл и/= 50 Гц) Л,5/50 =1,1 Вт/кг и магнитную индукцию (при Н= 2500 А/м) i?25oo = 1,88 Тл, в то время как холоднокатаная изо­тропная сталь (марка 2411) той же толщины имеет P_h5/50 = 3,0 Вт/кг и В_2т = 1,5 Тл.

Кремнистую электротехническую сталь выпускают в виде руло­нов, листов и лент. Сталь производят в виде листов толщиной от 0,1 до 1,0 мм без покрытия, с термостойким, электроизоляционным термо­стойким или электроизоляционным покрытием. Ленты холодноката­ные анизотропные выпускают толщиной 0,05; 0,08; 0,15 и 0,20 мм и шириной от 5 до 240 мм без покрытия или с термостойким электро­изоляционным покрытием. Стали толщиной 0,05— 0,2 мм применяют для работы при частоте 400 Гц. Например, сталь марки 3425 толщиной 0,08 мм имеет Р_хл/т = 15 Вт/кг и В₁₅₅ = 1,82 Тл.

Маркировка кремнистой электротехнической стали в виде руло­нов, листов и лент производится четырьмя цифрами:

— первая цифра указывает структурное состояние и вид прокат­ки (1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой, 5 — холод­нокатаная изотропная с плоскостной кубической текстурой);

— вторая цифра — содержание кремния (0 — содержание Si до 0,4%, (сталь нелегированная), 1 — 0,4—0,8% Si, 2 — 0,8—1,8% Si, 3 — 1,8-2,8% Si, 4 - 2,8-3,8% Si, 5 - 3,8-4,8% Si);

— третья цифра — группу по основной нормируемой характери­стике (0 — удельные потери при магнитной индукции В= 1,7 Тл и частоте/= 50 Гц; 1 — удельные потери при 5=1,5Тли/= 50 Гц;

2 — удельные потери при В = 1,0 Тл и/= 400 Гц; 4 — удельные поте­ри при В = 0,5 Тл и /= 3000 Гц; 6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н = 0,4 А/м; 7 — магнит­ная индукция в средних магнитных полях при Н= 10 А/м);

— четвертая цифра указывает порядковый номер типа стали.

В табл. 15.3 приведены предельные значения удельных потерь и магнитной индукции для кремнистой электротехнической стали класса 2, а в табл. 15.4 — для стали класса 3. Качество стали можно улучшить путем уменьшения содержания вредных примесей в ее со­ставе.

Таблица 15.3

---

Дата добавления: 2015-08-09