Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Электрические свойства магнитных материалов

Магнитные свойства магнитных материалов связаны с их электрическими свойствами, поскольку элементарные носители магнетизма — электроны — обладают как магнитным моментом, так и электрическим зарядом. Наряду с общими для всех твердых тел электрическими свойствами магнитные материалы обладают целым рядом специфических электрических свойств, зависящих от самопроизвольной намагниченности. К числу таких свойств относятся электрическое сопротивление в магнитном поле, эффект Холла и термоэлектрические свойства. Электрическое сопротивление металлов обусловлено различными видами рассеяния электронов проводимости. В случае металлов, не обладающих самопроизвольной намагниченностью, электроны проводимости рассеиваются квазичастицами тепловых возбуждений — фононами и дефектами кристаллической решетки. В первом приближении их удельное электрическое сопротивлениескладывается из двух компонентов:

(4.15)

где r₀ - остаточное сопротивление, обусловленное рассеиванием электронов на дефектах кристаллической решётки (вакансий, дислокаций и др.; r_Ф сопротивление электронов на фононах.

Согласно квантовой механической теории твёрдых тел электроны при своём движении в идеальном кристалле не испытывают сопротивления, т.е. все металлы должны иметь нулевое сопротивление. Причина конечного значения электрического сопротивления - отклонения от идеального периодического размещения атомов кристалла, обусловленные их тепловым движением, присутствием примесных атомов, вакансий, дислокаций и т.п. Предельно низкое значение электрического сопротивления, достигаемое при охлаждении металла является мерой дефектности его кристаллической решетки.

При низких температурах для тщательно очищенных и отожженных монокристаллических металлов остаточное сопротивление в 10⁴—10⁵ раз меньше, чем при комнатной температуре. При большой концентрации примесей (а также в сплавах) рассеяние электронов проводимости столь велико, что их электропроводность слабо зависит от температуры даже при значительном нагревании.

Удельное электрическое сопротивление металлических магнитных материалов, т. е. металлов с самопроизвольной намагниченностью, существенно зависит от вида примесного элемента и от направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости. В магнитных материалах возникают дополнительные эффекты рассеяния электронов проводимости на спиновых неоднородностях и локальных магнитных моментах.

В магнитных материалах возникают дополнительные эффекты рассеяния электронов проводимости на спиновых неоднородностях и локальных магнитных моментах.

В чистых монокристаллических образцах металлов имеет место значительная анизотропия электросопротивления. Так, например, в монокристаллах кобальта при комнатной температуре r_c=10,3 мкОм см, r_p=5,5 мкОм см, где r_c –электросопротивление вдоль оси С, r_P – в плоскости, перпендикулярной направлению этой оси.

Для никеля и кобальта и железа удельное электрическое сопротивление можно выразить общей формулой

, (4.16)

где А=9,5 10^-12 Ом см К^-2 для никеля, А=16 10^-12 Ом см К^-2для кобальта, А=15 10^-12 Ом см К^-2 для железа.

У чистых ферромагнитных металлов существует внутреннее магнитное сопротивление, которое не пропорционально концентрации включений. Этот эффект связан с самопроизвольной намагниченностью. Для размагниченного поликристаллического железа отношение r (300 К)/ r (4,2 К) составляет около 300. Доменные границы являются слишком тонкими, чтобы вызывать рассеяние электронов. Значительно большее рассеяние возникает из-за действия силы Лоренца.

В сплавах металлов рассеяние электронов намного больше, электросопротивление существенно зависит от вида металлов, составляющих сплав, или от вида примеси и меняется от сотых долей до 500%. Это связано с различием электронных структур металлов (см. Приложения 5,6).

Эффект Холла очень чувствителен к примесности магнитных материалов. Так, например, для никелевых сплавов аномальное сопротивление Холла может изменяться на порядок и даже менять знак. Коэффициент Холла R_S в чистом железе и сплавах железа с кремнием при изменении температуры и концентрации может изменяться на три порядка.

Термоэлектродвижущая сила для металла без самопроизвольной намагниченности, например для палладия, при изменении температуры изменяется монотонно, а для ферромагнитных металлов имеет сложный характер. Температурная зависимость термо - э. д. с. чувствительна к изменению химического состава.

Электротехничаская сталь

Общие требования

Как указывалось выше общепринято выделение двух основных групп магнитных материалов — магнитомягкие и магнитотвердые; в третью группу включают материалы специального назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

Характерными свойствами магнитомягких материалов являются их способность намагничиваться до насыщения даже в слабых полях (высокая магнитная проницаемость) и малые потери на перемагничивание.

Магнитотвердые материалы (материалы для постоянных магнитов) обладают большой удельной энергией. Эта энергия тем больше, чем больше остаточная индукция B_r и коэрцитивная сила H_C материала.

Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ доменов и вращения различно. Процессы смещения границ доменов требуют меньших затрат энергии, чем процессы вращения.

В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ доменов, а в магнитотвердых — за счет вращения вектора намагниченности. Однако это не всегда так. Например, для высококоэрцитивных (магнитотвердых) материалов на основе редкоземельных металлов процессы смещения границ доменов превалируют над процессами вращения.

Сравнивая петли гистерезиса, характерные для обеих групп материалов, можно отметить, что форма петли, индукция насыщения и остаточная индукция примерно одинаковы, а разница в коэрцитивной силе достигает очень большого значения. Для промышленных магнитомягких материалов наименьшая Нс» 0,4 кА/м, а для магнитотвердых наибольшая Нс»800 кА/м,. Следовательно, магнитомягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса с небольшой коэрцитивной силой, а магнитотвердые — широкую петлю с большой коэрцитивной силой.

Границы значений Н_С, по которым материал можно отнести к группе магнитомягких или магнитотвердых, являются условными. Можно считать, что для магнитомягких материалов Н_С <800 кА/м, а для магнитотвердых Н_С >4 кА/м. По мере прогресса техники границы значений Н_С расширяются в обе стороны. Термины «магнитомягкий» и «магнитотвердый» не относятся к характеристике механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы, и наоборот.

К группе магнитных материалов специального назначения можно отнести материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), магнитострикционные и термомагнитные, ферриты СВЧ, материалы со средней магнитной твердостью и др. В последнее время к ним относят быстро развивающиеся материалы со сложной петлей гистерезиса, отличающейся от показанной на рис. 4.2 и от прямоугольной по форме. Петли различных форм и конфигураций могут быть получены почти во всех материалах (магнитотвердых, магнитомягких) за счет специальных видов обработки: термической, термомеханической, термохимической я т. д. Технология изготовления композиционных материалов также позволяет синтезировать требуемую петлю гистерезиса.

В самостоятельную группу выделены материалы для микроэлектроники.

Магнитомягкие материалы принято классифицировать по их основному химическому составу, который в значительной степени определяет технологию производства, свойства и области применения материала. В соответствии с этим магнитомягкие материалы подразделяют на различные группы.

Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) — это железо, содержащее ограниченное количество примесей, прежде всего углерода, получаемое методами прямого восстановления чистых руд, а также с применением электролитического или карбонильного процессов.

Технически чистое железо является дешевым и технологичным материалом, хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках, обладает высокими магнитными свойствами в постоянных полях. Основной недостаток железа состоит в малом значении удельного электрического сопротивления, что ограничивает область его применения как магнитного материала с постоянными магнитными полями. В переменных полях железо применять нецелесообразно ввиду больших потерь на вихревые токи.

Технически чистое железо имеет очень большое значение как шихтовый материал для получения почти всех ферромагнитных сплавов.

Электротехнические (кремнистые) стали представляют собой твердый раствор кремния в железе.

К преимуществам электротехнических сталей относятся большие значения удельного электрического сопротивления и высокие магнитные свойства. Основными недостатками этих сталей являются повышенная твердость и хрупкость, а также пониженные по сравнению с железом значения индукции насыщения. Электротехнические стали изготавливают горячекатаными с изотропными магнитными свойствами и холоднокатаными — малотекстурованными и текстурованными с анизотропией магнитных свойств.

Электротехнические стали по сравнению с другими магнитными материалами наиболее широко применяются для изготовления магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, дросселей и других устройств, рассчитанных на работу при частоте до 400— 500 Гц в области малых, средних и сильных полей, иногда в постоянных полях и при повышенных частотах (до 10 кГц).

Пермаллои — это сплавы железа с никелем или железа с никелем и кобальтом, обычно легированные молибденом, хромом и некоторыми другими элементами.

Основное преимущество пермаллоев — очень высокие значения магнитной проницаемости в слабых полях и малое значение коэрцитивной силы. Недостатками пермаллоев являются большая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения и сравнительно высокая стоимость. Высокие магнитные свойства у пермаллоев получают лишь после отжига готовых изделий в водороде или вакууме, что усложняет их применение.

Пермаллои применяют для изготовления магнитных элементов измерительных, автоматических и радиотехнических устройств, работающих в слабых постоянных и переменных полях с частотой до нескольких десятков килогерц, а для сверхтонкого проката и до более высоких частот.

Магнитомягкие ферриты представляют собой твердый раствор определенных оксидов металлов, обладающих ферримагнетизмом, с коэрцитивной силой не более 4 кА/м. Например, высокопроницаемые ферриты — это смесь сильно и слабо магнитных ферритов. Наиболее широко применяются марганец-цинковые (низкочастотные) и никель-цинковые (высокочастотные) ферриты.

Удельное сопротивление ферритов во много раз больше удельного сопротивления металлических материалов на основе сталей, а потери на вихревые токи соответственно меньше. Это позволяет использовать ферриты при изготовлении изделий, предназначенных для работы в областях звуковых и радиочастот. К недостаткам ферритов следует отнести низкие значения индукции насыщения, сравнительно малые значения магнитной проницаемости, большую зависимость магнитных свойств от температуры, значительные хрупкость и твердость. Применение магнитомягких ферритов для получения изделий, рассчитанных на работу в постоянных полях или при промышленной частоте, нецелесообразно.

Магнитодиэлектриками называют конгломерат из измельченного ферромагнетика, частицы которого электрически изолированы друг от друга пленками из немагнитного материала, являющегося одновременно механической связкой.

Магнитодиэлектрики, как и ферриты, обладают большим удельным электрическим сопротивлением и являются высокочастотными материалами. Их преимущества перед ферритами заключаются в более высокой стабильности свойств и в хорошей воспроизводимости характеристик, а недостатком является более низкое значение магнитной проницаемости.

Прочие магнитомягкие материалы. Кроме указанных основных групп магнитомягких материалов в некоторых случаях применяют материалы с особыми свойствами, например сплавы железа с кобальтом, обладающие очень высокими значениями индукции насыщений (пермендюры).

Аморфные материалы — новая группа магнитомягких материалов со своеобразной атомной структурой, отличающейся от структуры кристаллических материалов. Уровень их электромагнитных свойств превышает уровень этих свойств у электротехнических сталей и соответствует уровню электромагнитных свойств пермаллоев, но они меньше подвержены влиянию механических напряжений, обладают высокими коррозионной стойкостью, прочностью и твердостью при сохранении пластичности.

В приложении 1 приведены некоторые характеристики различных групп магнитомягких материалов. Данные этой таблицы являются ориентировочными и могут служить лишь для общей сравнительной оценки этих групп.

В зависимости от назначения материала к нему предъявляют различные требования. Например, материал для магнитных экранов должен иметь высокие начальную и максимальную проницаемости; для материала, из которого изготовляют импульсные трансформаторы, важны скорость нарастания магнитной индукции и форма импульса и т. п.

Общие требования к магнитомягким материалам можно сформулировать следующим образом.

1. Материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, т. е. петля гистерезиса должна быть узкой, чему соответствует малое значение коэрцитивной силы и большое значение магнитного потока через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода.

2.Материал должен обладать большой индукцией насыщения. При выполнении этого требования можно получить наименьшие габаритные размеры и массу устройства. Поэтому рабочую точку часто выбирают значительно выше той, которой соответствует максимальная проницаемость. Наибольшей индукцией насыщения обладают сплавы железа с кобальтом, технически чистое железо и электротехнические стали.

3. При работе в переменных полях изделия из магнитомягкого материала должны иметь, возможно, меньшие полные потери, которые складываются из потерь на гистерезис, вихревые токи и дополнительных потерь.

Потери определяют рабочую тёмпературу изделия, которая не должна превышать допустимого значения. Снижение потерь повышает энергетический к. п. д., а также позволяет при заданной температуре перегрева повысить рабочую индукцию, что дает возможность уменьшить массу и габаритные размеры устройства.

Потери на гистерезис пропорциональны площади петли гистерезиса и частоте перемагничивания. Так как для различных материалов Н_С меняется в десятки и сотни раз, а В_S и В_R — только в несколько раз, то в первом приближении потери на гистерезис, отнесенные к одному циклу перемагничивания, пропорциональны коэрцитивной силе, которая должна быть минимальной.

Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления магнитопровода, максимальной индукции и частоты перемагничивания. Для уменьшения этих потерь увеличивают электрическое сопротивление магнитопровода, применяя материалы с большим удельным сопротивлением, а также шихтованные сердечники в виде пакета из тонких электрически изолированных друг от друга пластин. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с междувитковой электрической изоляцией.

Дополнительные потери зависят от химического состава магнитного материала и его дисперсности. Они существенны только на высоких частотах. Определение составляющих потерь позволяет найти пути уменьшения полных потерь. Например, с повышением частоты повышается доля потерь на вихревые токи и, казалось бы, для уменьшения полных потерь нужно применять более тонкие пластины. Однако известно, что уменьшение толщины проката сверх некоторого критического значения вызывает резкое увеличение потерь на гистерезис. Следовательно, применение очень тонких листов может вызвать не уменьшение, а даже увеличение полных потерь. Количественная оценка составляющих потерь в каждом случае дает возможность принять оптимальное решение.

Кроме перечисленных основных требований к магнитомягким материалам предъявляют и другие требования.

От листовых и ленточных металлических материалов требуются высокая пластичность, обеспечивающая хорошее качество штамповок и длительность работы штампов, хорошее качество поверхности (отсутствие ржавчины, отслаивающейся окалины, бугорков, вмятин и т. п.), отсутствие разнотолщинности; от листовых материалов, кроме того, — минимальные волнистость и коробоватость. Выполнение этих требований позволяет повысить степень заполнения магнитопроводов, что обусловливает меньшие габаритные размеры изделия.

Прокат желательно иметь не в виде листов, а в виде рулонов, что дает возможность автоматизировать как производство материалов, так и изготовление изделий из них.

Магнитные свойства большинства магнитомягких материалов зависят от механических напряжений. Чем меньше эта зависимость, тем больше материал можно обжать при сборке сердечника, т. е. тем выше коэффициент заполнения. Под влиянием механических напряжений сильно меняются начальная и максимальная проницаемости и коэрцитивная сила, но проницаемость в сильных полях и индукция насыщения зависят незначительно. Наиболее существенно механические напряжения влияют на свойства пермаллоев.

Магнитные свойства материалов после механической обработки восстанавливают путем термообработки (отжига).

В отдельных случаях существенными являются временная и температурная стабильности свойств, линейность кривой намагничивания (на определённом участке), прямоугольность петли и др. При выборе материала необходимо учитывать его стоимость и дефицитность.

Технически чистое железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемента. В промышленном же применении железо представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Принято считать, что технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода и минимальное количество серы, фосфора, марганца и других примесей. В стандартах на магнитные материалы (ГОСТ 11036—75) термин «железо» заманен термином «низкоуглеродистая электротехническая сталь».

Железо является основным компонентом почти всех современных магнитных материалов, и его качество как составляющей шихты во многом определяет их свойства. Кроме того, железо применяют и как самостоятельный магнитомягкий, а в последнее время и как магнитотвердый материал. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.

Магнитные свойства железа и в первую очередь магнитная проницаемость в слабых и средних полях и коэрцитивная сила могут меняться в очень широких пределах в зависимости от количества и состава примесей. Свойства железа, полученного лабораторным путем, в 100—200 раз выше свойств технически чистого железа, что объясняется большим влиянием примесей, которые трудно удалить. Самыми вредными примесями являются углерод, кислород, сера, азот и водород.

Кроме химического состава, значительное влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно размер зерна (деформированного кристалла округлой формы). Искажения кристаллической решетки, а также концентрация примесей на границах зерен затрудняют процессы смещения доменных границ и приводят к увеличению коэрцитивной силы. Поэтому чем крупнее зерна (меньше протяженность границ зерен на единицу объема), тем выше магнитные свойства.

Выращивание крупного зерна достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом).

Улучшить свойства железа в процессе производства можно в результате многократных переплавок в вакууме, а также различных видов отжига: в водороде, вакууме и др.

При использовании железа в качестве магнитного материала необходимо учитывать эффект старения и влияние на магнитные свойства механических напряжений.

Под магнитным старением обычно понимают увеличение коэрцитивной силы железа со временем (иногда более чем в 1,5—2 раза), что объясняется структурными превращениями — образованием немагнитных включений определенной степени дисперсности. Повышение температуры ускоряет процессы старения.

Уменьшение старения достигается легированием железа некоторыми элементами, например кремнием или алюминием, а также путем искусственного старения, которое заключается в выдерживании материала при 100° С в течение 100—150 ч.

Механические напряжения, возникающие при штамповке, резке и других видах обработки, а также при растяжении, сжатии или скручивании железа, могут значительно ухудшить магнитные свойства. Деформация на 0,5—1 % вызывает снижение m_M на 25—30% и возрастание H_C на 15—20%. Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработки деталей.

Магнитные свойства у тонких листов железа (меньше 0,5— 1 мм), как отмечалось, обычно хуже, чем у толстых. Это относится к магнитным свойствам железа в слабых и в средних полях. Проницаемость в сильных полях и индукция насыщения от перечисленных причин зависят мало.

Наибольшее распространение имеют низкоуглеродистая нелегированная электротехническая сталь, электролитическое и карбонильное железо.

Низкоуглеродистую электротехническую сталь изготавливают тонколистовой и в виде ленты. На последнем этапе обработки ее подвергают горячей или холодной прокатке. Магнитные свойства некоторых марок низкоуглеродистой электротехнической стали приведены приложении 2.

Марки низкоуглеродистых сталей состоят из пятизначных чисел: первая цифра — горячекатаная (1) или холоднокатаная (2); вторая — содержание кремния (0 до 0,3% Si включительно) и коэффициент старения (0 —сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения; 1 — сталь нелегированная с заданным коэффициентом старения); третья — группу по основной нормируемой характеристике (8 — по коэрцитивной силе); четвертая и пятая — количественное значение основной нормируемой характеристики для наиболее широко применяемой толщины (для восьмой группы — коэрцитивная сила). Например, марка 10895 означает: сталь низкоуглеродистая горячекатаная, с содержанием кремния не выше 0,3%, с количественно нормируемым - значением Н_с, которое не должно превышать 95 А/м.

Некоторые марки этой стали иногда называют «армко-железо».

Типичная кривая намагничивания низкоуглеродистой электротехнической стали приведена на рис. 5.1. Указанные свойства материал имеет после отжига без доступа воздуха при температуре 900° С в течение 2—4 ч и медленного охлаждения до 600° С со скоростью не более 20—40° в час.

Электролитическое железо изготавливают путем электролиза. Осажденное железо после тщательной промывки измельчается в порошок в шаровых мельницах. Ввиду большого насыщения водородом магнитные свойства такого железа весьма низки (H_C» 160—640 А/м). После переплавки в вакууме и многократных отжигов электролитическое железо характеризуется следующими магнитными свойствами: m_н = 500; m_M =15000; H_C =30 А/м, что в несколько раз лучше, чем у армко - железа. Ввиду высокой стоимости электролитическое железо применяют редко.

Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа Fе(СО)₅. Карбонильное железо широко применяют в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков, его изготавливают также в виде листов различной толщины.

Иногда вместо технически чистого железа в электропромыш-лепности используют углеродистые и легированные стали с содержанием 0,1—0,4% углерода. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа, но их можно улучшить отжигом изготовленных деталей. На рис. 5.2 приведены кривые намагничивания некоторых малоуглеродистых и низколегированных сталей, применяющихся в магнитопроводах машин и аппаратов.

Рис 5.1 Кривая намагничивания низкоуглеродистой электротехнической

стали (армко-железо)

Рис 5.2. Кривые намагничивания углеродистой стали с содержанием 0,1% (1),0,2%(2) и 0,3%(3) углерода после отжига при 900⁰С и стали 30X3B2M (4) после закалки и отпуска.

Электротехнические стали

Электротехнические стали, как отмечалось, представляют собой сплав железа с 0,5—5% кремния. Кремний, образуя с железом твердый раствор, обусловливает увеличение удельного сопротивления.

На магнитные свойства чистейшего железа кремний влияет отрицательно. Однако магнитные свойства технически чистого железа при легировании его кремнием улучшаются: возрастают начальная и максимальная проницаемости, уменьшаются коэрцитивная сила и потери на гистерезис, существенно улучшается стабильность свойств.

Положительное действие кремния на магнитные свойства технически чистого железа объясняется рядом причин. Кремний переводит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Действуя как раскислитель, он связывает часть растворенных в металле газов (прежде всего кислород), а также способствует росту зерен и уменьшению констант магнитной анизотропии и магнитострикции.

Наибольшее значение максимальной проницаемости наблюдается при содержании 6,5—6,8% Si, чему соответствует близкая к нулю магнитострикция. Но в технике применяют сплавы с содержанием кремния не свыше 5,0%. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства, повышая твердость и хрупкость. Уже при 4,0—5,0% Si материал выдерживает не более 1—2 перегибов на 90°.

Кроме того, кремний несколько снижает индукцию насыщения В_S, что является нежелательным. Кремний влияет также на плотность, теплоемкость и т. п.

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 значительно улучшаются в результате образования магнитной текстуры при ее холодной прокатке и последующем отжиге.

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.

Высокие магнитные свойства имеют место 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. Высокие свойства холоднокатаных сталей и их магнитная анизотропия объясняются образованием в процессе прокатки и отжига кристаллографической текстуры.

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

При отсутствии текстуры имеет место хаотическое расположение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства со статически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

При холодной прокатке зерна в кристаллографическом отношении получают преимущественную ориентацию, которую называют текстурой прокатки. Степень текстуры зависит от температуры прокатки, степени обжатия и толщины листа.

Однако деформация в холодном состоянии приводит к появлению больших внутренних напряжений и, следовательно, к росту коэрцитивной силы. Эти напряжения можно снять отжигом.

При нагреве холоднокатаной стали до температуры свыше 900° С наблюдается рекристаллизация, сопровождающаяся бурным ростом кристаллов и одновременной ориентацией их вдоль направления легкого намагничивания. В результате ребра кубов оказываются расположенными параллельно направлению прокатки, а плоскости ромбических додекаэдров — параллельно плоскости прокатки (рис. 5.3). Такую текстуру называют ребровой текстурой рекристаллизации. Ее интенсивность достигает 80— 90%.

Рис 5.3. Схематическое расположение кристаллов относительно направления прокатки: а - горячекатанная сталь; б-холоднокатанная сталь с ребровой структурой.

Технологический процесс производства стали с ребровой текстурой весьма сложен и включает горячую и холодную прокатки, промежуточный отжиг, холодную прокатку и окончательный отжиг при высокой температуре (1100—1500° С).

В результате усложнения технологического процесса текстурованная сталь дороже горячекатаной стали того же состава при одинаковой толщине ленты, Однако увеличение стоимости окупается уменьшением потерь (приблизительно в 2 раза), высоким качеством поверхности листа и хорошей штампуемостью.

Использование сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит только в направлении наилучших свойств, т. е. в направлении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под углом 55° к направлению прокатки.

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 рис. 5.4.

Рис 5.4. Схематическое изображение магнитопроводов трансформаторов из текстурированных материалов: а,б -сплошные ленточные сердечники; в,г - разрезные ленточные сердечники; д- из горячекатанной изотропной стали.

Для магнитопроводов электрических машин с круговой формой статора и ротора выполнить требование параллельности направлений намагничивания и прокатки значительно труднее. Наиболее рациональным решением в этом случае является применение малотекстурованных сталей, которые по сравнению с горячекатаными обладают несколько повышенными магнитными свойствами и хорошими механическими качествами, присущими холоднокатаным сталям, что обеспечивает высокий коэффициент заполнения при незначительной магнитной анизотропии.

Представляют большой интерес работы по получению электротехнических сталей не с ребровой, а с кубической текстурой. Из рис. 5.5 видно, что в случае кубической текстуры наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока в трех направлениях: вдоль, поперек и перпендикулярно прокатке, а направление самого трудного намагничивания (по пространственным диагоналям) вообще не существует в плоскости намагничивания. В настоящее время освоено промышленное производство лент электротехнической стали с кубической текстурой и плоскостной кубической текстурой, обладающих низкими удельными потерями вдоль и поперек направления прокатки или в любом направлении плоскости ленты.

Рис 5.5. Схематическое расположение кристаллов относительно направления прокатки. а - для материалов с ребровой текстурой; б – для материалов к кубической текстурой

Промышленность выпускает следующие виды электротехнической стали: холоднокатаную анизотропную тонколистовую (ГОСТ 21427.1—75), холоднокатаную изотропную тонколистовую (ГОСТ 21427.2—75), горячекатаную тонколистовую (ГОСТ 21427.3—75), ленту холоднокатаную анизотропную (ГОСТ 21427.4—78).

Марки стали обозначают четырьмя цифрами, из которых первые три означают тип стали, а четвертая — порядковый номер типа стали. Первая цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки: 1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой; вторая цифра — содержание кремния в весовых процентах: классы 0, 1, 2, 3, 4, 5 с содержанием кремния от 0,4% для класса 0 до 3,8—4,8% для класса 5; третья цифра — группу по основной нормируемой характеристике: 0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте 50 Гц (Р 1,7/50); 1 — удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и частоте 50 Гц (Р 1,5/50); 2 — удельные потери при магнитной индукции 1,0 Тл и частоте 400 Гц (Р 1,0/400); 6 — магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля 0,4 А/м; 7 — магнитная индукция в средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м. В последнее время разработаны специальные электротехнические стали с низкими удельными потерями на перемагничивание при повышенных частотах (до 20 кГц), обеспечивающие к тому же возможность изготовления высококачественных магнитопроводов сложной конфигурации.

Стали, предназначенных для работы в средних и сильных магнитных полях при частоте 50 Гц. Эта группа сталей является самой большой по количеству марок и объему применения. Ее используют главным образом для производства энергетического оборудования — генераторов, двигателей, силовых трансформаторов. Их часто называют динамными и трансформаторными сталями. Стали данной группы выпускают 33 марок, из них 9 марок анизотропных (текстурованных), 11 изотропных (малотекстурованных) и 13 горячекатаных. Все марки сталей этой группы производят в виде рулонов, листов и резаной ленты, кроме горячекатаной стали (производят в листах толщиной от 0,1 до 1 мм). Толщина рулонной стали от 0,28 до 0,65 мм. Сталь в листах и рулонах должна поставляться заказчику отожженной (термически обработанной). По требованию заказчика допускается поставка листов и рулонов в нагартованном виде (без отжига).

Основными электромагнитными характеристиками этой группы сталей являются кривая намагничивания в области средних и сильных полей, удельные потери при частоте 50 Гц и различных амплитудах магнитной индукции. Эти данные для некоторых марок стали приведены в приложении 3.

Согласно ГОСТ 12119—80, регламентирующего методы определения магнитных и. электрических свойств электротехнической стали, кривую

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒

Воспользуйтесь поиском по сайту: