Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

181

Влияние анизотропии формы велико у всех ферромагнетиков. Она

вызывает размагничивание поля Н

(рис. 74). Такое противоположное поле

снижает намагниченность и увеличивает Н

Магнитоупругая анизотропия проявляется при возникновении

неоднородных напряжений из-за магнитострикции или приложения внешних

сил. Максимальный вклад дает значение Н

для никеля. При толщинах

материала > 30 мкм отличается доменная структура. Домены

намагничиваются и вращаются во взаимно перпендикулярных направлениях

под действием внешних сил, что используют в информационных системах.

Многофазные сплавы имеют максимальную Н

, т.к. размагничивание в них

идет в результате вращения векторов ферромагнитных включений. В сплавах

с ферромагнитной основой и неферромагнитными включениями

размагничивание может развиваться из-за смещения доменной стенки.

Коэрцитивная сила имеет максимальное значение, если диаметр

неферромагнитных включений соизмерим с шириной доменной стенки (для

Fe = 10

-6

м). Поэтому преимущество имеют сплавы, а не чистые металлы. Для

ферромагнитных сплавов характерна неравноосная форма кристаллов, для

неферромагнитных – их количество и размер.

Основу представляет твердый раствор с искаженной кристаллической

решеткой (пересыщенный твердый раствор) и высоким уровнем внутренних

остаточных напряжений. Это способствует увеличению всех магнитных

характеристик (Н

, В

, ω

max

, Н

∙В

). Свойства оценивают при стабильных

условиях эксплуатации, т.к. изменение температуры может вызвать

изменение структуры (старение). Ферромагнитные материалы подразделяют

на литые, деформируемые и порошковые.

Литые материалы

Система Fe–Ni–Al имеет β-фазу, с большим содержанием Fe,

вкрапленную в ферромагнитную β

-фазу. При термической обработке

β → β

→ β

в результате удается получить однодоменные кристаллы β

пластинчатой формы, что увеличивает Н

, β

и ω

max

Закалка проводится от 1 200–1 280

С, охлаждение – со скоростью,

критической для дисперсности выделений β

. Отпуск при 590–625

С вызывает

дораспад фаз и улучшает магнитные свойства.

Углеродистая сталь имеет малую прокаливаемость и твердость, а также

большую склонность к старению с течением времени.

Введение хрома увеличивает прокаливаемость и твердость, что

способствует улучшению магнитных свойств стали. Дальнейшее улучшение

свойств может быть достигнуто введением таких элементов, как W, Мо, Ti.

Улучшает свойства и кобальт, вводимый совместно с карбидообразующими

элементами. Повышение индукции насыщения в сплавах Fe–Co происходит

до содержания 35 % Со. Наиболее распространенные марки сталей для

182

постоянных магнитов приведены в табл. 32. Их относят к мартенситному

классу (ГОСТ 6862-71).

Таблица 32

Химический состав и магнитные свойства

магнитотвердых материалов

Марка стали

Содержание элементов, % Магнитные

свойства

С Cr Co Mo W H

, Гс

∙B

∙10

EХ 0,95–1,10

1,3–1,6

– – – 58

9 000

550

ЕХ3 0,9–1,1 2,8–3,6

– – – 60

9 500

600

ЕХ7В6 0,68–0,78

0,3–0,5

– – 5,7–6,2

10 000

650

ЕХ5К5 0,9–1,05

5,5–5,6

5,5–6,5 – – 100

8 500

900

Нестандартная 0,9–1,2 7–10 8–11 1,0–1,5

– 152

8 200

1 250

ЕХ9К15М 0,9–1,05

8–10 13,5–16,5

1,2–1,7

– 170

8 000

1 400

Нестандартная 0,8–1,05

3,5–5,0

30–40 0,45 5–9 225

8 500

1 900

Термическая обработка сталей заключается в нормализации, отпуске и

закалке. Нормализация проводится при температуре 1200

С, отпуск – при

500–700

С (для получения дисперсных карбидов). Закалка от температур

850–1050

С в масле или в воде используется для получения мартенсита и

максимальной твердости. Сплавы имеют двухфазную структуру: α

-фаза

парамагнитная и ферромагнитная, α-фаза вкраплена в α

-фазу.

После нормализации проводят обработку холодом, которая устраняет

парамагнитный остаточный аустенит и повышает магнитные свойства.

Разработаны более дешевые, чем кобальтовые, стали с Fe–Ni–Al.

Отечественные исследователи создали сплав, содержащий 33–34 % Ni, 13–14

% Al, 10 % Si; магнитная индукция его 4000–4200 Гс и коэрцитивная сила

930 Э. Применяют эти сплавы для крупных магнитов. Литье таких сплавов

приводит к браку, изготавливают их металлокерамически, т.е. прессованием

смеси порошков и спеканием их при температуре порядка 1200–1300

С.

Выход годного составляет примерно 98–99 %, причем достигается

удовлетворительная точность размеров и состояние поверхности. Это

сплавы АЛНИКО или ЮНДК (ГОСТ 17809-72) (табл. 33).

183

Таблица 33

Химический состав и магнитные свойства сплавов типа ЮНДК

Название Марка

Содержание элементов, % Магнитные свойства

Ni Al Co Cu Si B

, Гс H

, Э H

∙B

∙10

АЛНИ1 ЮН1 22 11 – – 0,15 7 000 250 0,7

АЛНИ3 ЮН3 23,5 15,5 – 4 0,15 5 000 500 0,9

АЛНИСИ

ЮНС

33 13,5 – – 1,00 4 000 750 1,0

АЛНИКО18

ЮНДК18 19 10 18 3 0,15 9 000 650 1,7

МАГНИКО

ЮНДК24 13,5 9 24 3 0,15 12 300 500 1,9

Ост. Fe

ЮНДК35Т5АА 14–14,5 7–7,5 34–35 2,5–3,0 Nb Ti Si 10 500 1 400 10

ЮНДК35БА 14–14,5 6,8–7,2 34,5–35,5

3,3–3,7 Nb Ti Se 10 200 1 380 9 ∙ 10

ЮНДКЭП3БА 13–13,5 6,8–7,2 30,5–31,5

3,0–3,5 3–3,5 Ti 11 500 1 150 8

ДИАМАГНИТНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ.

Маркировка. Основные требования. ГОСТ 21424.4-78,21427.1-75.

Сплавы на основе Fe-Si. Роль кремния.

Динамная и трансформаторная стали.

Влияние углерода и примесей на свойства электротехнических сталей.

Влияние величины зерна на магнитные характеристики.

Электротехническая сталь представляет наиболее значительную группу

магнитомягких материалов для электротехники. Это изотропная сталь для

сердечников трансформаторов с изменяющимся направлением магнитного

потока (вращающиеся машины). Это анизотропная сталь с ярко выраженной

текстурой в определенном кристаллографическом направлении. Также стали

обладают максимальными магнитомягкими свойствами, особенно при

совпадении кристаллографического направления и направления прокатки.

В связи с перечисленными особенностями электротехническая сталь

должна иметь легкую намагничиваемость при малой напряженности

магнитного поля, чтобы обеспечить малый ток обмотки. Потери на

перемагничивание должны быть минимальными, чтобы наименьшее

количество электрической мощности превращалось в тепло и возрастал КПД

машины. С увеличением мощности и длительности непрерывной работы

машины возникает проблема теплоотвода и возрастают поте- ри на

перемагничивание. Петля гистерезиса в связи с этим требова-

нием должна иметь крутые, высокие и очень узкие кривые, т.к. площадь

гистерезиса соответствует потери энергии за цикл в единице объема (рис.75).

184

Рис. 75 Петля гистерезиса

Техническое железо – это железо с минимальным количеством

примесей, в том числе и углерода. Любые примеси оказывают отрицательное

влияние, и их содержание строго ограничено. По техническому составу

выпускают две марки технического железа (А, Э), которые в свою очередь

делят на сорта по магнитным характеристикам (табл. 34, 35).

Магнитные свойства железа зависят также от структурного состояния.

Наклеп снижает магнитные характеристики, а отжиг – повышает их. Так в

обычных промышленных сортах железа Н

= 0,01 Э [2].

Таблица 34

Химический состав технического железа, %

Марка С Mn Si S P Cu

А 0,025 0,035 0,03 0,025 0,015 0,15

0,040

0,20

0,030

0,025

0,15

Таблица 35

Магнитные свойства технического железа

Марка

Коэрцитивная сила

, Э

Максимальная магнитная проницаемость μ

max

, Гс/Э

1,2

3 500

Э 1,0 4 000

ЭАА

0,8

4 500

+Н

–

–Н

–B

μ, B

185

Техническое железо применяют для изготовления сердечников,

трансформаторов, реле и электромагнитов постоянного тока, полюсов

электрических машин, магнитных экранов и т.д.

В зависимости от количества кремния, входящего в состав сплава,

электротехнические стали делят на динамные и трансформаторные.

Магнитная проницаемость кремнистых сталей (μ = 17 000 Гс/Э) в

десять раз выше, чем у углеродистой стали (μ = 1 700 Гс/Э). Наличие

кремния в твердом растворе вызывает искажение кристаллической решетки,

что увеличивает коэрцитивную силу.

Магнитомягкие стали (электротехнические тонколистовые стали)

применяют для изготовления якорей и полюсов электротехнических машин,

магнитопроводов, статоров и роторов электродвигателей, для силовых транс-

форматоров и т.д.

Общие требования, предъявляемые к магнитомягким материалам: вы-

сокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила и малые потери

при перемагничивании.

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной

проницаемости ферромагнитный материал должен быть чистым от примесей

и включений, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый

раствор). Наиболее вредными примесями являются углерод (в виде Fe

C),

кислород и сера. Магнитная проницаемость возрастает с увеличением зерна

феррита. Наклеп, даже слабый, снижает магнитную проницаемость и

повышает Н

, поэтому материал должен быть полностью рекристаллизован

для устранения внутренних напряжений.

Магнетизм таких веществ определяется магнитными свойствами

атомов, так называемых переходных элементов, входящих в эти вещества.

Переходными они называются потому, что в их атомах некоторые из

электронных оболочек (d- и f-оболочки) не полностью «заселены»

электронами. Это является причиной сильного магнетизма подобных атомов.

Требования: высокая магнитная проницаемость, малые потери на

перемагничивание (узкая петля гистерезиса), высокая индукция насыщения.

Гомогенная структура – феррит, с минимальным содержанием примесей, т.к.

они уменьшают магнитные свойства. Сера, углерод, кислород находятся в

виде химического соединения.

Различают следующие группы магнитомягких сталей:

1) электротехническая тонколистовая (ГОСТ 3836-83);

2) сортовая (ГОСТ 11036-75);

3) кремнистая (ГОСТ 21427-75).

К электротехническим тонколистовым сталям относят восемь марок:

10895, 20895, 10880, 20880, 10864, 10848, 20848, 20832.

Первая цифра обозначает тип стали – изотропная (1 – горячекатаная,

2 – холоднокатаная); вторая цифра – ноль – содержание кремния, равное

186

0,3%; третья цифра – восемь – нормируемую характеристику; четвертая и

пятая – значение коэрцитивной силы (Н

= 95, 80, 64, 48, 32 А/м).

Эти стали подвергают отжигу при температуре 950

С, охлаждают на

воздухе до температуры 600

С, с выдержкой в течение 10 ч. После чего они

имеют σ

= 270 МПа, δ = 24 %. Содержание легирующих элементов, %:

0,04С; 0,3 Mn; 0,3 Si.

К сортовым сталям относят двенадцать марок, которые делят на две

группы:

для горячей обработки давлением (10895, 10880, 10864, 20895, 20880,

20864);

для механической обработки (11895, 11880, 11864, 21895, 21880,

21864).

Вторая цифра обозначает коэффициент старения: ноль – не

нормируется; единица – Н

< 10 %.

Электротехнические тонколистовые и сортовые стали применяют для

измерительных приборов, сердечников, электромагнитов, магнитных

экранов.

Кремнистая сталь бывает трех видов:

горячекатаная изотропная (ГОСТ 21427.3-75);

холоднокатаная изотропная (ГОСТ 21427.2-75);

холоднокатаная с ребровой текстурой (ГОСТ 21427.1-75).

Марки обозначают четырехзначным числом: первая цифра – вид

проката; вторая – содержание кремния; третья – группа по нормированной

характеристике; четвертая – номер стали в группе.

Кремнистые стали подвергают отжигу при 1150

С в защитной

атмосфере, время выдержки 4–6 ч, эти стали склонны к старению при

температуре 150

С.

Легирование кремнием повышает электрическое сопротивление

(например: ρ Fe = 10

-7

Ом⋅м, ρ Fe + 4,8 % Si = 70

-7

Ом⋅м), сокращает потери

на вихревые токи (возможна работа на переменном токе), увеличивает размер

зерна, степень раскисления, магнитную проницаемость, уменьшает

коэрцитивную силу, повышает твердость.

Данные стали обладают анизотропией свойств. Их применяют в

отожженном состоянии.

Остановимся наиболее подробно на электротехнической стали.

Применение текстурованной стали основано на использовании текстур

рекристаллизации. Свойства стали (магнитные, электрические,

механические) определяются химическим составом и характером конечной

структуры. Содержание кремния влияет на формирование структуры и

магнитные свойства. С увеличением количества кремния происходит

выклинивание γ-области. Чистый сплав Fe–Si имеет ферритную структуру

187

(Si > 2 %). Если углерода в стали содержится менее 0,2 %, то ферритная

структура будет при содержании кремния 2,8–3,2 %. С повышением

содержания Si > 4 % снижаются механические и технологические свойства.

При высокотемпературном отжиге наблюдается рост ферритных зерен

при наличии кремния.

Потери на перемагничивание тем меньше, чем чище металл. Поэтому

содержание углерода должно составлять менее 0,1 %, содержание серы и

фосфора – 0,01-0,02 %. Зерно феррита должно быть по возможности

крупным, текстура <100> по направлению.

Электротехнические стали маркируют буквой Э и цифрами,

содержание кремния равно 1–4 %. Кремний образует с железом твердый

раствор, повышает электросопротивление и сокращает потери на вихревые

токи, увеличивает магнитную проницаемость, уменьшает коэрцитивную

силу, потери на гистерезис, но повышает хрупкость.

Сталь для получения крупнозернистой структуры подвергают отжигу

(лучше проводить его в вакууме, водороде или диссоциированном аммиаке)

при температуре 1 100–1 200

С. Для восстановления магнитных свойств

проводят отжиг при температуре 750–900

С.

Электротехническая сталь применяется для изготовления магнитных

цепей электромашин, аппаратов, приборов и производится в виде листов,

рулонов, ленты.

Железокремнивые стали всегда содержат примеси:

специально вводимый марганец, способствующий увеличению

пластичности и улучшению деформирования;

ингибиторы (N, S), стабилизирующие матрицу при первичной

рекристаллизации;

вредные компоненты (C, Ti, Al, P и др.), образующиеся при

производстве (выплавке) стали.

Особая роль принадлежит углероду. Он может присутствовать в стали

в следующих состояниях: в твердом растворе, в виде карбидов, в форме

графита.

Если его содержание после отжига составляет менее 0,005 %, то он

находится в твердом растворе, если равно 0,006–0,012 %, то – в виде

карбидов. Вредное влияние углерода обусловлено его воздействием на

фазовые превращения и образование текстуры.

Азот и углерод могут выделяться в виде вторичных фаз, что тормозит

проявление магнитных свойств. Сталь не стареет только при содержании

0,004 % С и 0,0036 % N.

Листовая сталь подразделяется по сортаменту (по толщине), способу

производства (холоднокатаный и горячекатаный лист), степени анизотропии

и основным магнитным свойствам.

188

Для этих сталей принята своя маркировка:

Э – электротехническая;

первая цифра – содержание кремния;

вторая цифра – уровень электротехнических свойств;

один ноль – холоднокатаная текстурированная;

два нуля – холоднокатаная малотекстурированная.

Например:

Э12 – 1 % Si, горячекатаная;

Э1200 – холоднокатаная слаботекстурированная;

Э1, Э2 – динамная сталь;

Э3, Э4 – трансформаторное железо.

Кристаллы α-железа отличаются резко выраженной анизотропией

магнитных свойств. Ребро куба является осью легкого намагничивания.

Следовательно, повышение текстурированности ребра куба увеличило бы

магнитную проницаемость в одном направлении и уменьшило бы ее в

другом, перпендикулярном направлении.

После выплавки сталь прокатывают в горячем состоянии до 2,5 мм, затем

осуществляют холодную прокатку до 0,5–0,35 мм. Перед холодной

прокаткой «подкат» отжигают при 800 °С. Если холодная прокатка была

меньше 7–10 %, то получается так называемая малотекстурированная

структура. Если катать только в горячем состоянии, то текстура не

сформируется, магнитные свойства будут одинаковыми.

Стали, содержащие 3 % Cr и более, называют трансформаторными. В

такой стали с содержанием углерода более 0,016–0,018 % при температурах

800–1 100

С возможно образование устойчивых участков γ-фазы. Если

углерода содержится 0,05 %, то образование аустенита начинается при 750

С,

т.е. при более низких температурах, а повышение температуры до 950

способствует образованию 30–40 % аустенита.

Возможность получить чисто ферритную крупнозернистую структуру –

важнейшая особенность трансформаторной стали. Чем крупнее зерно, тем

выше магнитные свойства. Поэтому содержание углерода в стали должно

быть минимальным, чтобы не происходило образование аустенита и α → γ-

превращения, измельчающего зерно при термической обработке

трансформаторной стали.

Трансформаторную сталь (Э310, Э320, Э330) выпускают в виде

холоднокатаной текстурированной ленты и листов. В каждом зерне

текстурированной стали кристаллографическая решетка ориентирована так,

что в плоскости прокатки лежит плоскость (110), а в направлении прокатки –

ребро куба [100]. Такую текстуру называют ребровой. Для системы Fe–Si

направление ребра куба [100] является направлением легкого

намагничивания в решетке α-Fe.

189

В текстурированной холоднокатаной стали по сравнению с

горячекатаной, содержащей то же количество кремния, при больших

значениях индукции потери на перемагничивание меньше.

Появление вторичной фазы аустенита в интервале температур 800–1

100

С ухудшает свойства стали, изменяя условия роста благоприятно

ориентированных зерен феррита. Для устранения α → γ-превращения

необходимо, чтобы содержание углерода в холоднокатаной

трансформаторной стали перед высокотемпературной финишной обработкой

было менее 0,01–0,009 %.

Свойства трансформаторной стали ухудшаются при наличии карбидов

и нитридов алюминия. Необходимо избегать таких металлов, как алюминий

и титан, которые образуют тугоплавкие мелкодисперсные включения типа

нитридов и карбидов, снижают рост ферритных зерен и ухудшают магнитные

свойства.

Магнитная структура и подвижность границ доменов определяются

состоянием кристаллографической структуры и субструктуры материала, т.е.

зависят от величины зерна, морфологии и дисперсности вторичных фаз,

дефектов кристаллической решетки.

На основе всего ранее сказанного можно сделать вывод о том, что

трансформаторная сталь должна быть текстурирована. В текстурированной

листовой стали в результате холодной прокатки и отжигов зерна

приобретают такую ориентацию, что одна из осей наилегчайшего

намагничивания оказывается параллельной направлению прокатки, а

плоскость (011) – параллельной поверхности листа (рис. 76).

Рис. 76 Направления наилегчайшего намагничивания: μ

: μ

= 1 : 2 : 3, μ

max

= (100)

Характерной особенностью текстурированной стали является высокая

индукция, которая достигается без увеличения магнитного поля или потерь.

190

Кроме того, структура стали должна быть крупнозернистой. На

свойствах стали отрицательно сказывается разнозернистость. Сталь должна

иметь зерно в пределах одного-двух микрон и быть свободной от упругих

внутренних напряжений, вызванных наличием дефектов кристаллической

решетки и вторичных фаз.

При перемагничивании возникают потери энергии: на гистерезис, токи

Фуко, тепловые.

Магнитомягкие материалы подразделяют:

на низкочастотные – с высокой индукцией насыщения; с высокой

магнитной проницаемостью (μ

и μ

max

);

высокочастотные.

Материалы с высокой индукцией насыщения: железо, углеродистые и

легированные электротехнические стали. Они имеют В

≤ 2,15 Тл, Н

≤ 100

А/м, технологичны (таблица 36).

Таблица 36

Зависимость магнитных свойств железа от количества примесей

Железо

Содержание С, %

, А/м

Карбонильное 0,005–0,01 6,4

Электротехническое

0,01

7,2

Электролитическое 0,02–0,025 28

Техническое 0,02–0,04 64

Деформация способствует получению дефектов (дислокаций) и

повышению внутренних напряжений σ

max

, что понижает магнитные

характеристики.