Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей
и измерения магнитных параметров


Статьи

Статьи » Электротехнические стали

Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая изотропная и анизотропная электротехническая сталь (ЭТС) нашла широкое применение в ленточных сердечниках, силовых и низкочастотных трансформаторов, электромагнитах, роторов и статоров электрических машин, работающих в динамических электромагнитных полях с частотой до 20кГц. Применению кремнистых ЭТС способствуют высокие значения удельного сопротивления, нанесение электроизоляционных покрытий и малая толщина лент. По содержанию кремния (Si) сталь классифицируется на несколько групп: нелегированную: до 0.5%, слаболегированную: 0.5 – 0.8%, легированную ниже среднего: 0.8 – 2.1%, среднелегированную: 1.8 – 2.8%, с повышенным легированием: 2.5 – 3.8% и высоколегированную 3.8 – 4.8%. Легирование ЭТС кремнием (Si) и алюминием (Al) позволяет повысить значения начальной µн и максимальной µmax магнитных проницаемостей, а так же удельного сопротивления, что в свою очередь позволяет сократить удельные магнитные потери. Так при толщине листа 0.27 мм удельные потери P1,5/50 не превышают 1,5Вт/кг за счет снижения потерь на гистерезис и вихревые токи соответственно. В зависимости от технологии изготовления лент, кремнистая ЭТС выпускается с анизотропией и изотропией магнитных свойств. Кремнистая ЭТС поставляется в виде рулонов с толщиной листа от 0.05мм до 0.8мм с нанесенным электроизоляционным покрытием, покрытием для облегчения штамповки или без покрытия. С целью снятия внутренних напряжений и восстановления кристаллической решетки возникающих в процессе механической обработки кремнистую сталь поставляемую без термообработки в зависимости от содержания кремния отжигают при температурах от 800°С до 1150°С с медленным охлаждением.


Содержание

  1. Область применения кремнистых электротехнических сталей.
  2. Химический состав ЭТС легированных кремнием.
  3. Классификация кремнистых ЭТС по магнитным параметрам.
  4. Термообработка (отжиг) кремнистых сталей.
  5. Основные магнитные параметры кремнистых электротехнических сталей.
  6. Список источников.

Область применения кремнистых электротехнических сталей

Кремнистая изотропная ГОСТ 21427.2-83 и анизотропная ГОСТ 21427.1-83 и ГОСТ 21427.4-78 электротехническая сталь (ЭТС) нашла широкое применение в ленточных сердечниках, силовых и низкочастотных трансформаторов, генераторах, электромагнитах, роторов и статоров электрических машин, работающих в динамических электромагнитных полях с частотой до 20кГц. Применению кремнистых ЭТС способствуют высокие значения удельного сопротивления, нанесение электроизоляционных покрытий и малая толщина лент, что в совокупности позволяет достичь низких удельных магнитных потерь PB/f. Достижение малых значений удельных потерь осуществляется легированием ЭТС кремнием (Si) и другими химическими элементами: алюминием (Al), фосфором (P) и марганцем (Mn).

Химический состав кремнистых ЭТС

Легирование ЭТС кремнием (Si) от 0,4% способствует выделению углерода (C) в виде графита и связыванию остаточного кислорода в расплаве в оксид кремния, который удаляют в виде шлака при выплавке стали. Это приводит к увеличению значений начальной µн и максимальной µmax магнитных проницаемостей и уменьшению коэрцитивной силы Hc и как следствие – снижению потерь на гистерезис за счет уменьшения констант магнитной анизотропии и магнитострикции. Так же легирование кремнием позволяет повысить удельное сопротивление, что способствует снижению потерь на вихревые токи. Легирование кремнистой ЭТС алюминием (Al) в процессе выплавки, содержание которого не превышает 0.5%, позволяет удалить из стали кислород (O2) и азот (N2), что также приводит к повышению удельного сопротивления, при этом наблюдается уменьшение магнитной индукции насыщения Bs. Наиболее низкие потери на вихревые токи удается достичь при содержании кремния в ЭТС более 4%, вследствие повышения удельного электрического сопротивления в 6 раз по отношению к нелегированным ЭТС. При этом установлено, что предельное содержание кремния в ЭТС может достигать 4.8%, это связано с тем, что легирование кремнием приводит не только к ухудшению механических свойств, но и к снижению индукции технического насыщения до Тл и температуры кюри до °С. Также на увеличение удельного сопротивления положительное влияние оказывает легирование марганцем (Mn) и фосфором (P), образующий с железом (Fe) твердый раствор замещения, что в свою очередь приводит к ухудшению основных магнитных параметров электротехнической стали. Кроме того на ухудшение магнитных параметров ЭТС оказывают влияние углерод, сера (S) и азот, поскольку они искажают кристаллическую решетку электротехнической стали. При увеличении содержания углерода более 0,04% наблюдается рост удельных потерь и снижение магнитной индукции и магнитной проницаемости в слабых и средних полях, рост коэрцитивной силы. Азот способствует увеличению коэрцитивной силы и потерь на гистерезис за счет образования мелкодисперсных нитридов и карбидов.

Классификация кремнистых ЭТС

В зависимости от технологий изготовления кремнистая ЭТС по распределению магнитных свойств является как анизотропной – выпускаемой по ГОСТ 21427.1-83 и ГОСТ 21427.4-78, так и изотропной – ГОСТ 21427.2-83. Наиболее высокими значениями магнитной проницаемости и индукции и меньшими потерями на гистерезис анизотропная кремнистая ЭТС обладает вдоль направления проката.

Маркировка кремнистых ЭТС. По структурному состоянию и виду проката кремнистые электротехнические стали классифицируются (первая цифра в номере ЭТС) на горячекатаную изотропную – 1, холоднокатаную изотропную – 2, холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой – 3, холоднокатаную изотропную с плоской кубической текстурой – 4. По содержанию кремния (вторая цифра в номере ЭТС) сталь классифицируется на нелегированную – 0: до 0.5%, слаболегированную – 1: 0.5 – 0.8%, легированную ниже среднего – 2: 0.8 – 2.1%, среднелегированную – 3: 1.8 – 2.8%, с повышенным легированием – 4: 2.5 – 3.8% и высоколегированную – 5: 3.8 – 4.8%. По нормируемой характеристике (третья цифра в номере ЭТС): 0 – удельные потери при магнитной индукции P1.7/50, 1 – удельные потери P1.5/50, 2 – P1.0/400, 4 – P0.5/3000, 6 – магнитная индукция в слабых магнитных полях при Н=0.4А/м, 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при Н=10А/м. Четвертая цифра порядковый номер типа стали. Пример условного обозначения ленты кремнистой электротехнической стали 2421 толщиной 0,27мм: Лента 0,27х250-П-С-2-ТО-Т1-Б-2421 ГОСТ 21427.2-83

Классификация кремнистой стали по содержанию кремния

Влияние электроизоляционных покрытий.

Влияние толщины ленты.

В зависимости от технологии изготовления лент кремнистая ЭТС поставляется как термически обработанная с изоляционным покрытием, так и без термообработки с изоляционным покрытием и без него. Для снятия возникших в процессе механообработки внутренних напряжений и восстановления кристаллической решетки кремнистую ЭТС в зависимости от содержания легирующих элементов отжигают в вакууме или в среде инертного газа при температурах от 800°С до 1150°С с медленным нагревом и охлаждением. В зависимости наличия покрытия...

Термообработка кремнистых ЭТС: отжиг в вакууме, водороде

В зависимости от марки кремнистая ЭТС поставляется как термически обработанная, так и без термообработки. Для снятия возникших в процессе механообработки внутренних напряжений и восстановления кристаллической решетки кремнистую ЭТС в зависимости от содержания легирующих элементов отжигают в вакууме при температурах от 800°С до 1150°С с медленным нагревом и охлаждением.

Температура отжига кремнистой ЭТС в вакууме зависит от содержания в стали легирующих элементов, а также от требуемых магнитных параметров. Наиболее значительное влияние на рост зерна в процессе отжига способствует кремний, который приводит к замедлению процессов рекристаллизации, в связи с чем, необходимо повышать температуру отжига с целью достижения оптимального размера зерна. Это способствует получению минимальных удельных потерь, росту магнитной проницаемости и индукции в слабых и средних полях, уменьшению коэрцитивной силы. При этом значительное увеличение размера зерна приводит к увеличению потерь от вихревых токов.

Рекомендуемые режимы отжига для кремнистых ЭТС.

Режимы термообработки кремнистой электротехнической стали

Подтверждение магнитных свойств деталей сборочных единиц из кремнистых электротехнических сталей при межоперационном контроле или поставки металла при входном контроле на соответствие требованиям ГОСТ 21427 осуществляют измерениями статических и динамических магнитных характеристик основной кривой намагничивания и предельной петли гистерезиса тороидальных шихтованных и прямолинейных образцов-свидетелей установленной формы после высокотемпературного отжига в инертной среде. Образцы для измерений необходимо изготовить из той же партии металла, что и сборочные единицы манитопроводов. Это связано с тем, что измерение магнитных параметров непосредственно магнитопроводов является сложной технической задачей, ввиду того, что в большинстве случаев форма сборочных единиц магнитопроводов не позволяет достоверно оценить их свойства вследствие сложной геометрии. При этом образцы-свидетели должны отжигаться в одной садке с аттестуемыми деталями. Перед измерением основных магнитных параметров образцы-свидетели подготавливаются в соответствие с методикой подготовки образцов к измерениям магнитных параметров кривой намагничивания и петли гистерезиса

Измерение основных магнитных параметров кремнистых электротехнических сталей выполняют по методикам ГОСТ 8.377-80 и ГОСТ 12119 на тороидальных и прямолинейных образцах-свиетелях на измерителях параметров магнитомягких материалов, в основу которого заложен индукционно-импульсный режим изменения напряженности магнитного поля – для измерения статических магнитных характеристик и индукционно-непрерывный – для измерения динамических магнитных характеристик. С целью снижения методической погрешности измерения индукции технического насыщения, максимальной и начальной магнитных проницаемостей до уровня менее 1% рекомендуется применять методики определения основных магнитных параметров в статических и динамических магнитных полях. Результаты измерений тороидальных образцов-свидетелей ленты толщиной 0.27мм кремнистой электротехнической стали марки 2421 после отжига в вакууме по режиму, рекомендуемому ГОСТ 21427.2-83 показаны на рисунке 3.

     Основная кривая намагничивания стали 2124Электротехническая кремнистая сталь 2124

Рисунок 3. Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса ленты стали 2421

В настоящее время доступно значительное количество справочной литературы и научных работ, в которых представлены как диаграммы состояния кремнистых электротехнических сталей с разработанными режимами термической обработки, так и технологии термообработки и измерений основных магнитных параметров.

К основным причинам, по которым после отжига электротехнической стали легированной кремнием в вакууме или в среде инертного газа по режиму, указанному в сертификате на поставленный метал, не удается достичь нормированные магнитные параметры, относятся:

  1. некачественная подготовка деталей и образцов-свидетелей к отжигу в инертной среде;
  2. несоблюдение технологии и режима отжига в инертной среде;
  3. отсутствие навыков измерения основных магнитных параметров кольцевых и прямолинейных образцов-свидетелей в статических и динамических магнитных полях.

Если у вас есть вопросы по технологиям термообработки и измерениям магнитных параметров тороидальных и прямолинейных образцов-свидетелей в статических и динамических магнитных полях, вы можете задать их по электронной почте или через форму обратной связи, автор проекта всегда ответит на все технические вопросы, связанные с термообработкой и измерениями магнитных параметров.

В настоящее время доступно значительное количество справочной литературы и научных работ, в которых представлены как диаграммы состояния тройных систем железо – углерод – кремний с разработанными режимами высокотемпературного отжига в вакууме и среде инертного газа, так и технологии термообработки и измерений основных магнитных параметров в статических и динамических магнитных полях. Основную информацию об электротехнической стали легированной кремнием можно почерпнуть из следующих открытых источников:

  1. Ванчиков, В. А. Основы производства изотропной электротехнической стали / В. А. Ванчиков. − М: Металлургия, 1985. − 207 с.
  2. Миндлин, Б.И. Изотропная электротехническая сталь / Б. И. Миндлин, В. П. Настич, А. Е. Чеглов. − М.: Интермет Инжиниринг, 2006. − 240 с.
  3. Казаджан, Л.Б. Магнитные свойства электротехнических сталей и сплавов / Под ред. В. Д. Дурнева. − М.: ООО «Наука и технологии» −2000. − 224 с.
  4. ГОСТ 21427.1-83. Сталь электротехническая холоднокатаная анизотропная тонколистовая. Технические условия. – М. : Изд-во стандартов, 1984. – 19 с.
  5. ГОСТ 21427.2-83. Сталь электротехническая холоднокатаная изотропная тонколистовая. Технические условия. – М. : Изд-во стандартов, 1984. – 14 с.
  6. ГОСТ 21427.4-78. Лента стальная электротехническая холоднокатаная анизотропная. Технические условия. – М. : Изд-во стандартов, 1990. – 18 с.
  7. ГОСТ Р 53934-2010 Прокат тонколистовой холоднокатаный из электротехнической анизотропной стали. Технические условия. – М. : Стандартинформ, 2011
  8. Справочник по электротехническим материалам / под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. – Изд. 3-е. – М. : Энергоатомиздат, 1988. – Т. 3. – 728 с.
  9. Мишин, Д. Д. Магнитные материалы : учеб. пособие для вузов / Д. Д. Мишин. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Высшая школа, 1991. – 384 с.
  10. Стародубцев, Ю. Н. Мир материалов и технологий. Магнитомягкие материалы : энциклопедический словарь-справочник / Ю. Н. Стародубцев. – М. : Техносфера, 2011. – 664 с.

Ключевые слова:

Электротехническая сталь, кремнистая сталь, трансформаторная сталь, холоднокатанная сталь, термообработка, отжиг в вакууме, химический состав, магнитные свойства, ГОСТ 21427.1–75ГОСТ 21427.2–75ГОСТ 21427.3–75ГОСТ 21427.4–75


© Magnetlab.ru - Лаборатория магнитных материалов и измерений 2019 г. При использовании материалов, ссылка на сайт обязательна
5
1
Назад
Нет комментариев. Почему бы Вам не оставить свой?
Ваше имя:
Комментарий:
Секретный код:Для обновления секретного кода нажмите на картинку
Повторить:
Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей и измерения их магнитных параметров
Top.Mail.Ru