Магнитомягкие материалы

Обычно технически чистое железо изготавливают рафинированием (процессы очистки первичных (черновых) металлов от нежелательных примесей или примесей представляющих самостоятельную ценность) чугуна в мартеновских печах (печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества) или в конверторах. [1,2,5]

 

1.1.2 Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная

 

Это разновидность технически чистого железа. Электротехническая сталь – тонколистовая магнитомягкая  сталь для магнитопроводов (сердечников) и электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т. д.).

Низкоуглеродистая электротехническая сталь поставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Такую сталь подвергают термообработке, в процессе которой  ее медленно нагревают до температуры 900°С, выдерживают в течение 2...4 ч и медленно охлаждают со скоростью не более 30...40  градусов в час до температуры 600°С. Процесс ведут или в защитной среде, предохраняющей металл от окисления, или в активной среде (смесь азота с водородом), обеспечивающей дополнительную очистку сталей от примесей. В результате термообработки  сокращается число зерен в единице объема (увеличиваются размеры  отдельных кристаллических зерен), что улучшает магнитные свойства стали.

Термически обработанные стали обладают коэрцитивной  силой , максимальной магнитной проницаемостью и содержанием углерода 0,1%. Магнитные свойства отожженных образцов электротехнической стали приведены в таблице 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 (таблица 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 , представляющего собой желтоватую жидкость, устойчивую на воздухе ( ). При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа , который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент. В отсутствие воздуха пары при температуре 350°С разлагаются на окись углерода и металлическое железо:

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 таблицы 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. [4,1]

 

1.1.3 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

при нулевом содержании Si до при содержании Si 5,0% (таблица 2).

Таблица 2 – Удельное сопротивление и плотность кремнистой электротехнической стали в зависимости от содержания кремния

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 ,  увеличиваются и , снижаются потери на вихревые токи и гистерезис. При содержании кремния 6,5—6,8% 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 . Поэтому в кремнистой электротехнической стали содержание Si не превышает 4,8 %. Кремний также повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит примеси: углерод, серу, марганец, фосфор и др.

Наиболее вредной примесью является углерод. Его влияние на магнитные свойства определяется процентным содержанием, формой, в которой он находится (например, в виде цементита  или в виде графита), и дисперсностью  включений.

Влияние серы, кислорода  и марганца на магнитные свойства электротехнической стали также  отрицательно. Фосфор уменьшает потери как на гистерезис, так и на вихревые токи и, следовательно, может использоваться для легирования стали, но он повышает хрупкость.

Для улучшения свойств  стали необходимо тщательно очищать  ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Однако существенно улучшить этими методами свойства электротехнических сталей, выпускаемых промышленностью, не удается.

Свойства стали можно  значительно улучшить путем их прокатки в холодном состоянии и последующего отжига. Прокатка — один из самых распространённых видов обработки металлов давлением. Заключается в обжатии металла между двумя, реже тремя, вращающимися в разные стороны валками (рисунок 2). Если температура прокатки выше температуры рекристаллизации (процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других той же фазы), то прокатку называют горячей. Если температура прокатки ниже температуры рекристаллизации, то прокатку, в зависимости от температуры, называют тёплой, либо холодной.

Рисунок 2 – Прокатка

Как отмечалось, электротехнические стали, особенно с большим содержанием  кремния, обладают большой хрупкостью, поэтому долгое время при их изготовлении применяли горячую прокатку. Применение холодной прокатки считалось нерентабельным.

В 1935 г. Госс обнаружил высокие  магнитные свойства у холоднокатаной электротехнической стали вдоль  направления прокатки. Во всех других направлениях свойства оказались хуже, т. е. такая сталь обладала магнитной  текстурой и являлась магнитноанизотропной. Существенно улучшились механические свойства: качество поверхности листа, волнистость и штампуемость.

Элементарная ячейка железо – кремнистого сплава представляет собой объемноцентрированный куб, для которого направлениями легкого намагничивания являются его ребра, а направлению самого трудного намагничивания соответствуют пространственные диагонали.

При отсутствии текстуры (т.е. преимущественной ориентации элементов, составляющих материал) имеет место хаотическое расположение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства со статически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

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 (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схематическое изображение расположения кристаллов относительно направления прокатки: а — горячекатаная сталь; б — холоднокатаная сталь с ребровой текстурой

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 направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под углом 55° к  направлению прокатки (рисунок 4).

Выполнение поставленного  условия возможно, если применять  ленточные сердечники и сердечники, у которых стержни изготовлены  из текстурованных, а ярмо — из горячекатаных  сталей. Схематическое изображение  различных магнитопроводов представлено на рисунке 5.

Однако эти условия  трудно выполнимы для магнитопроводов  электрических машин с круглой  формой статора и ротора. В этих случаях 

 

Рисунок 4 – Кривые намагничивания холоднокатаной кремнистой стали (3% Si) под различными углами к направлению прокатки

Рисунок 5 – Схематическое изображение магнитопроводов трансформаторов из текстурованных материалов: а, б – сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники; д — сборный комбинированный магнитопровод; 1 — стержни из текстурованного материала; 2 – из горячекатаной изотропной стали

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 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. 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 большие преимущества. Например, холоднокатаная анизотропная сталь с ребровой текстурой (марка 3414; см. ниже) толщиной 0,35 мм имеет удельные потери (при и ) Вт/кг и магнитную индукцию (при ) , в то время как холоднокатаная изотропная сталь (марка 2411) той же толщины имеет Вт/кг и .

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Толщина листов стали 0,05—1 мм. Сталь различных классов предназначается для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, приборов, электрических машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20—25%, а в радиотрансформаторах — на 40%.

Рисунок 6 – Зависимость коэрцитивной силы от толщины листов для электротехнической стали (3% Si) при 20ºC

 Листы тонкого проката предназначены в основном для использования в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы (рисунок 6); соответственно увеличиваются и потери на гистерезис. [1,5,2]

 

1.2 Материалы с высокой магнитной проницаемостью

 

Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных  полях ( ) применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы Fe – Ni (пермаллой) и Fe – Al – Si (альсифер).

 

1.2.1 Пермаллои

 

Пермаллои — это сплавы железа с никелем (Fe—Ni), железа с никелем и кобальтом (Fe—Ni—Со) и железа с кобальтом (Fe—Со). Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. При определенном химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропией и малой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницаемости.

Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем  дополнительного  легирования молибденом, хромом, медью, кремнием,  ванадием и др. Молибден и хром повышают удельное сопротивление  и начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим напряжениям, но снижают индукцию насыщения. Медь повышает температурную стабильность и удельное сопротивление, а также стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля в узком интервале. Сплавы, легированные медью, кроме того, лучше поддаются механической обработке. Кремний и молибден увеличивают только удельное  сопротивление. Недостатки пермаллоев — высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механической обработки и относительно высокая стоимость.