Магнитомягкие материалы
В отличие от магнитнотвердых материалов — сплавов для постоянных магнитов, где требуется высокая коэрцитивная сила, большую группу магнитных сплавов представляют так называемые магнитномягкие сплавы, которые в первую очередь должны иметь низкую коэрцитивную силу.
Если высокая магнитная твердость достигалась получением неравновесной, высокодисперсной структуры, то для получения магнитной мягкости необходимо максимальное приближение к равновесному состоянию, а также необходимо получить крупное зерно, устранить источники, вызывающие искажения решетки и дробление блоков.
Кроме низкой коэрцитивной силы, магнитномягкие материалы должны иметь еще и высокую магнитную проницаемость в слабых, средних или сильных полях, низкие потери на перемагничивание и т. д.
Естественно, что наиболее подходящими магнитномягкими материалами являются чистые металлы, в первую очередь чистое (технически чистое) железо.
Т е х н и ч е с к о е ж е л е з о — практически почти чистое железо, в котором все примеси, особенно углерод, являются вредными и поэтому их содержание строго ограничивается (содержание углерода, например, не должно быть более 0,025 %).
Промышленность изготавливает две марки технического железа А и Э (по химическому составу), каждая из которых в свою очередь разделяется на сорта по магнитным характеристикам (Э, ЭА, ЭАА).
Магнитные свойства железа (кроме его чистоты) зависят еще от структурного состояния. Наклеп резко ухудшает магнитные свойства, укрупнение зерна — улучает. В обычных промышленных сортах железа коэрцитивная сила получается порядка 1 эрстед или немного ниже, тогда как минимальное значение коэрцитивной силы (0,01 Э) получено на очень крупнозернистом чистом железе.
Для получения крупного зерна и устранения наклепа металл подвергают отжигу при высокой температуре в безокислительной атмосфере. Технически чистое железо применяют для изготовления сердечников, реле и электромагнитов постоянного тока, магнитных экранов, полюсов электрических машин и других деталей. Низкое удельное электрическое сопротивление увеличивает потери при перемагничивании. Поэтому применение технически чистого железа ограничивается устройствами с постоянным магнитным полем.
Более высокое электрическое сопротивление имеют электротехнические низкоуглеродистые стали, дополнительно легированные 0,8 — 4,8 % кремния. Кремний образует с α-железом легированный твердый раствор. Благодаря более высокому электрическому сопротивлению снижаются потери на вихревые токи. Введение кремния одновременно повышает магнитную проницаемость, а вследствие роста зерна снижаются потери на гистерезис. Однако при содержании около 4 % Si происходит охрупчивание стали, что затрудняет получение тонколистового металла.
Кристаллы α-железа характеризуются ярко выраженной анизотропией магнитных свойств. Ребро куба является осью наиболее легкого намагничивания. Поэтому, получение в стали кристаллической структуры с одинаковой ориентировкой всех кристаллов (получение текстурированной листовой стали с ребровой текстурой) способствует повышению магнитной проницаемости параллельно направлению прокатки и уменьшению ее в другом (перпендикулярном к первому) направлении.
Современная технология производства высших сортов электротехнической стали заключается в следующем: выплавка стали с заданным содержанием кремния и минимальным углерода (практически содержание углерода получается около 0,05 %), затем прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину 0,5 — 0,35 мм. IIepeд холодной прокаткой проводят отжиг при 8000С. При этом содержание углерода уменьшается до (0,02 % С). Заключительный отжиг проводят для снятия наклепа и укрупнения зерна при 1100 — 12000С в атмосфере водорода. Если предшествовавшая холодная деформация была значительной (45 — 60 %), то получается текстурированная структура (степень текстурованности порядка 90 ); если деформация была меньше 7 — 10 %, то получается так называемая малотекстурованная структура. Наконец, если прокатку проводить только в горячем состоянии, то текстуры не будет — магнитные свойства вдоль и поперек прокатки становятся одинаковыми. Текстурованная электротехническая сталь называется трансформаторной сталью, а не текстурованная — динамной.
Следует добавить, что удельные потери на перемагничивание тем меньше, чем тоньше лист, поэтому электротехническую сталь изготавливают только в виде тонких листов толщиной 0,35 и 0,50 мм.
Если в процессе изготовления деталей трансформатора сталь была подвергнута даже незначительной пластической деформации (например, рубке листов, загибу) то магнитные свойства ухудшаются. Для восстановления магнитных свойств рекомендуется проводить отжиг для снятия напряжений (устранения искажений в решетке) при 750 — 8000С с медленным ((500С/ч) охлаждением.
Использование текстурированной электротехнической стали в производстве трансформаторов позволяет существенно снизить потери мощности и уменьшить размеры изделий.
Согласно современной маркировке электротехнические стали обозначаются цифрами, например, 1311, 1411, 1511, 3411 и др. Первая цифра определяет структуру и вид проката: 1 — горячекатаная изотропная; 2 — холоднокатаная изотропная; 3 — холоднокатаная анизотропная с кристаллической струтурой направления [100]. Вторая цифра в марке определяет содержание кремния: 0 — содержание < 0,4 %; 1 — (0,4 — 0,8) %; 2 — (0,8 — 1,8) %; 3 — (1,8 — 2,8) %; 4 — (2,8 — 3,8) %; 5 — (3,8 — 4,8) %.
По старой маркировке электротехнические стали обозначаются буквой Э, за которой следуют две или больше цифр. Первая цифра за буквой Э показывает содержание кремния: содержание кремния в пределах: 0,8 — 1,8%, 1,8 — 2,8%, 2,8 — 3,8 %, 3,8 — 4,8 % обозначается соответственно цифрами: 1, 2, 3, 4. Вторая цифра характеризует уровень электротехнических свойств (чем цифра выше, тем выше эти свойства). После первых двух цифр иногда ставят один или два нуля. Один нуль показывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, два нуля — холоднокатаная малотекстурованная.
Таким образом марка Э12 означает электротехническую горячекатаную сталь с 1% Si и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка Э1200 — такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.