Технологии термообработки магнитомягких сплавов и измерения магнитных параметров


Статьи

Статьи » Электротехнические стали

Кремнистая электротехническая сталь

Аннотация

Кремнистая изотропная и анизотропная электротехническая сталь (ЭТС) нашла широкое применение в ленточных сердечниках, силовых и низкочастотных трансформаторов, электромагнитах, роторов и статоров электрических машин, работающих при частоте до 20кГц за счет высоких значений удельного сопротивления, и применения электроизоляционных покрытий. По содержанию кремния сталь классифицируется на 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 и алюминием приводит к увеличению значений начальной и максимальной магнитных проницаемостей и к повышению удельного сопротивления, что способствует снижению потерь на вихревые токи и позволяет достичь удельных потерь P1.5/50 1.5Вт/кг при толщине листа 0.27 мм. По своим магнитным свойствам в зависимости от выпускаемой марки кремнистая ЭТС является как анизотропной, так и изотропной. Кремнистая ЭТС выпускает в виде рулонов с толщиной листа от 0.05мм до 0.8мм. Для снятия возникших в процессе механической обработки внутренних напряжений и восстановления кристаллической решетки в зависимости от содержания кремния сталь поставляемую без термообработки отжигают при температурах от 800°С до 1150°С с медленным нагревом и охлаждением.


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 при частоте до 20кГц за счет высоких значений удельного сопротивления, достижение которых осуществляется легированием ЭТС кремнием и другими химическими элементами, а также применением электроизоляционных покрытий.

Химический состав кремнистых ЭТС

Легирование ЭТС кремнием от 0,4% способствует выделению углерода 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 и максимальной магнитных проницаемостей и снижению коэрцитивной силы и как следствие потерь на гистерезис за счет уменьшения констант магнитной анизотропии и магнитострикции и к повышению удельного сопротивления, что способствует снижению потерь на вихревые токи. Легирование кремнистой ЭТС алюминием в процессе выплавки, содержание которого не превышает 0.5%, позволяет удалить из стали кислород и азот, что приводит к повышению удельного сопротивления и уменьшению магнитной индукции насыщения. 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 предельное содержание кремния в ЭТС может достигать 4.8%, это связано с тем, что кремний приводит не только к ухудшению механических свойств, но и к снижению индукции технического насыщения и температуры кюри. Также на величину удельного сопротивления положительное влияние оказывает легирование фосфором, который образует с железом твердый раствор замещения, повышающий удельное сопротивление стали, что позволяет снизить потери на вихревые тока, а также потери на гистерезис, и марганцем. Это приводит к ухудшению основных магнитных параметров. Кроме того на ухудшение магнитных параметров ЭТС оказывают влияние углерод, сера и азот, поскольку они искажают кристаллическую решетку стали. При увеличении содержания углерода более 0,04% наблюдается рост удельных потерь и снижение магнитной индукции и магнитной проницаемости в слабых и средних полях, росту 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 своим магнитным свойствам 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 ЭТС обладает вдоль направления проката.

По структурному состоянию и виду проката кремнистые стали классифицируются на горячекатаную изотропную – 1, холоднокатаную изотропную – 2, холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой – 3, холоднокатаную изотропную с плоской кубической текстурой – 4. По содержанию кремния 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%. Третья цифра в номере ЭТС определяет нормируемые характеристики: 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.

Классификация кремнистой стали по содержанию кремния

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 прямым измерением их магнитных параметров является сложной технической задачей ввиду того, что в большинстве случаев форма сборочных единиц магнитопроводов не позволяет достоверно оценить их свойства вследствие сложной геометрии. В связи с этим подтверждение магнитных свойств при входном и межоперацинном контроле  на соответствие ГОСТ 21427 выполняют измерениями основных магнитных параметров шихтованных тороидальных образцов-свидетелей установленной формы, изготовленных из той же партии металла, что и сборочные единицы манитопроводов, и отожженные в одной садке с ними. Перед измерением основных магнитных характеристик 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 методике ГОСТ 8.377-80, ГОСТ 12119 на измерителе параметров магнитомягких материалов, в основу которого заложен индукционно-импульсный режим изменения напряженности магнитного поля. Для снижения методической погрешности измерения индукции технического насыщения, максимальной магнитной проницаемости и коэрцитивной силы до уровня менее 1% применяется методика определения основных магнитных параметров в статических магнитных полях. Результаты измерений ленты стали 2421 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.

Основными причинами, по которым после отжига в вакууме по режиму, указанному в сертификате на поставленный металл не удается достичь нормированные для сплавов 49К2ФА и 49КФ магнитные параметры, являются некачественная подготовка деталей и образцов-свидетелей к отжигу в вакууме и отсутствие навыков измерения основных магнитных параметров кольцевых образцов-свидетелей в статических магнитных полях.

Если у вас есть вопросы  по технологиям термообработки и измерениям магнитных параметров, вы можете задать их на форуме или через форму обратной связи, автор проекта всегда ответит на все технические вопросы связанные с  термообработкой и измерениями магнитных параметров.

Основную информацию о кремнистой электротехнической стали 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 сообщение будет опубликовано только после проверки и разрешения администратора.
Ваше имя:
Комментарий:
Секретный код:Для обновления секретного кода нажмите на картинку
Повторить:
Технологии термообработки магнитомягких сплавов и измерения их магнитных параметров
Обратная связь
Top.Mail.Ru