Лекции по "Металлургии"

 

При намагничивании изменяется доменная структура поликристалла ферромагнетика. На участке ОА намагничивание достигается посредством такого обратимого перемещения стенок доменов, что те из них, у которых направление намагничивания совпадает с направлением приложенного магнитного поля, растут за счет доменов с противоположным намагничиванием. На этом этапе движение стенок обратимо: если поле исчезает, они возвращаются в исходное положение. Затем процесс становится необратимым и сопровождается интенсивным ростом индукции (участок АВ). Процесс смещения доменных стенок продолжается до тех пор, пока не исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Доменная структура при этом исчезает и каждый кристалл становится однодоменным.

При увеличении напряженности  поля до величины Н_s (участок ВС), характерной для каждого материала, векторы намагниченности кристалла поворачиваются из положения легкого намагничивания до полного совпадения с направлением внешнего поля.

Процессы намагничивания характерны своей необратимостью. При  уменьшении напряженности от Н_s до нуля изменение индукции следует не по первоначальной кривой, а по линии СЕ. При Н=0 остаточная индукция сохраняет определенное значение В_r, называемое остаточной индукцией.

При изменении направления  тока в соленоиде и его увеличении образец размагничивается (участок  ЕF). При дальнейшем увеличении напряженности магнитного поля до величины - Н_s образец намагничивается в обратном направлении до индукции равной -В_s. Полный цикл изменения индукции образца при увеличении поля до насыщения сначала в одном направлении, а потом в другом и снова в первом характеризуется петлей гистерезиса, площадь которой пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание в течение одного цикла.

Важнейшими являются следующие характеристики, определяемые по кривой намагничивания.

Остаточная  индукция В_r. Это магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля (измеряется в теслах, Тл).

Коэрцитивная  сила Н_с - напряженность поля, которая должна быть приложена к образцу для того чтобы его размагнитить ( измеряется в А/м).

Как видно из первоначальной кривой намагничивания, интенсивность намагничивания изменяется с изменением напряженности поля. Интенсивность намагничивания пропорциональна тангенсу угла наклона касательной к кривой начального намагничивания и численно равна отношению В/Н.

Интенсивность намагничивания называется магнитной проницаемостью; магнитная проницаемость в слабых магнитных полях называется начальной магнитной проницаемостью; размерность магнитной проницаемости Тл/(А/м).

Различают три группы магнитных сталей и сплавов: магнитотвердые, магнитомягкие и парамагнитные.

Магнитомягкие и магнитотвердые стали и сплавы отличаются формой гистерезисной кривой и значениями основных магнитных характеристик. Магнитотвердые материалы характеризуются главным образом большим значением Н_с > 4 кА/м (рис. 2.2.а) и применяются для постоянных магнитов. Магнитомягкие материалы характеризует малое значение Н_с < 4 кА/м (рис. 2.2.б) и малые потери на гистерезис. Их применяют как сплавы, подвергаемые переменному намагничиванию (например, сердечники трансформаторов).

 

Рисунок 2.2 – Гистерезисные кривые магнитотвердого (а) и магнитомягкого материала (б)

 

2.1.2  МАГНИТОМЯГКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

 

Описанные ниже материалы применяют  для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д.

Требования к магнитомягким  материалам:

• высокая магнитная проницаемость;
• низкая коэрцитивная сила;
• малые потери на перемагничивание;
• высокое электросопротивление.

Для обеспечения вышеуказанных  свойств должны выполняться следующие требования к структуре и состоянию:

• максимальное приближение к равновесному состоянию;
• крупное зерно;
• отсутствие искажений в кристаллической решетке;
• минимальное содержание примесей.

Наклеп уменьшает магнитную  проницаемость. В связи с этим стали подвергают рекристаллизационному отжигу.

К магнитомягким материалам относятся:

• технически чистое железо;
• электротехническая сталь с пониженным и повышенным содержанием кремния;
• сплавы с высокой начальной магнитной проницаемостью;
• сплавы с большой индукцией насыщения;
• ферриты.

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО

К этой группе сплавов  относится практически  чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными примесями и поэтому их содержание строго ограничивается. Содержание углерода допускается не более 0,1%.

Технически чистое железо обладает сравнительно малым удельным электросопротивлением, что ограничивает его применение. Оно применяется для изготовления сердечников реле и электромагнитов, магнитных экранов, полюсов электрических машин.

Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще и от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна - улучшает. Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высоких температурах.

Промышленность изготавливает  две марки технически чистого железа (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (табл. 2.1 и 2.2).

В зависимости от способа  получения различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо получают путем электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях. Карбонильное железо получают термическим разложением Fe(CO)₅. Получают в виде порошка. Удобно использовать для изготовления сердечников для повышенных частот.

 

Таблица 2.1 - Химический состав технически чистого железа,

% (не более)

Марка железа	Si	С	Mn	S	P	Cu
А	0,025	0,035	0,03	0,025	0,015	0,15
Э	0,040	0,20	0,20	0,030	0,025	0,15

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ НЕЛЕГИРОВАННАЯ

Поставляется в виде сортового проката, ленты и тонкого листа.

Сортовой прокат поставляется в соответствии с ГОСТ 11036 - 75. Маркируется пятью цифрами:

Первая цифра - класс по виду обработки давлением (1 - горячекатаная или кованная; 2 - калиброванная);

Вторая цифра -  тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения; 1 - с заданным коэффициентом старения);

Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике (8 - коэрцитивная сила);

 

         Таблица 2.2 - Магнитные свойства  технического железа

Марка железа	Коэрцитивная  сила Нс, А/м
Э	15
ЭА	12,5
ЭАА	10

 

Четвертая и пятая  цифра - количественное значение коэрцитивной силы в А/м.

Пример марки такой  стали:

10895:

1 - сталь горячекатаная или кованная;

0 - сталь нелегированная без нормируемого коэффициента старения;

8 - основная нормируемая характеристика - коэрцитивная сила;

95 - значение коэрцитивной силы в А/м.

Коэффициент старения - процент увеличения коэрцитивной силы образца после старения. Старение производят при температуре 120°С в течении 120 часов. Определение старения производится в соответствии с ГОСТ 11036 - 75. Коэффициент старения не должен превышать 10%.

Лента и тонкий лист поставляется в соответствии с ГОСТ 3836 - 83. Маркируется пятью цифрами:

Первая цифра - класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная);

Вторая цифра - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная без нормируемого коэффициента старения; 1 - сталь нелегированная с нормируемым коэффициентом старения);

Третья  цифра - основная нормируемая характеристика (8 - коэрцитивная сила);

Четвертая и пятая  цифры - значение коэрцитивной силы в А/м.

Старение не должно превышать 6 А/м.

КРЕМНИСТАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

В качестве магнитомягкого материала широко применяют низкоуглеродистые  железокремнистые сплавы (0,05 - 0,005% С; 0,8 - 4,8% Si). Кремний образуя с a - железом твердый раствор, увеличивает электросопротивление. Так при 0% Si удельное электросопротивление составляет 0,1 мкОмּм, а при 5% Si - 0,6 мкОмּм. Si уменьшает потери на вихревые токи. Кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании 3 - 4%. Холоднокатаные кремнистые стали поставляют в отожженном состоянии с термостойким покрытием.

Электротехническую сталь  изготавливают в виде листов, рулонов и резаной ленты.

Сталь подвергают обезуглероживающему  отжигу при 720 - 800°С (выдержка 25 часов), рекристаллизационному отжигу после прокатки и окончательному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100 - 1200°С в течение 25 - 30 часов. После проведения высокотемпературного отжига в рулонах проводят дополнительный отжиг в атмосфере, состоящей из 4% Н₂ и 96% N₂, для снятия напряжений и рулонной кривизны.

Стали этой группы предназначены для  изготовления магнитопроводов. На них может быть нанесено электроизоляционное покрытие. Качество можно повысить путем уменьшения примесей, разработки оптимальных технологий получения сталей с ребровой текстурой.

Ребровая структура сталей получается в результате прокатки. При деформации зерен получается анизотропная структура, которая улучшает магнитную проницаемость стали в определенных направлениях. Конструируя изделия из стали с ребровой текстурой можно улучшить магнитную проницаемость. Схема изделий с ребровой текстурой и изотропных приведена на рисунке 2.3.

 

 

 

 

 

ребровая текстура                                 изотропный материал

Рисунок 2.3 - Ребровая текстура электротехнических сталей

 

Магнитная проницаемость  кремнистых электротехнических сталей увеличивается с уменьшением  толщины металла.

Поставляются и маркируются  кремнистые электротехнические стали в соответствии с ГОСТ 21427.0 - 75. Маркируются четырьмя цифрами:

Первая цифра - класс по структурному состоянию и виду прокатки:

                       1 - горячекатаная изотропная;

                       2 - холоднокатаная изотропная;

                       3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой.

Вторая цифра - содержание кремния:

                                0 -  ≤ 0,4%Si;                          3 - 1,8 - 2,8% Si;

                                1 -0,4 - 0,8% Si;                      4 - 2,8 - 3,8% Si;    

                                2 - 0,8 - 1,8% Si;                     5 - 3,8 - 4,8% Si.

   Третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике:

           0 - удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл  и

                 частоте 50 Гц;

            1 - удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл;

            2 - удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и

                 частоте 400 Гц;

            6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при

                напряженности поля 0,4 А/м;

             7 - магнитная индукция в средних магнитных полях

                   (Н_с= 10 А/м или 5 А/м).

Четвертая цифра - порядковый номер стали.

Примеры марок сталей: 1211; 1311; 2011; 3425; 3472.

В кремнистых электротехнических сталях также определяется коэффициент старения в соответствии с ГОСТ 21427.0 - 75. Коэффициент старения не должен превышать 2 - 10%. Кроме того, для данных сталей производят испытания  на перегиб.

 

 

 

 

 

 

СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ НАЧАЛЬНОЙ  МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ