Кремнистая электротехническая сталь | Лаборатория магнитных материалов и измерений

Технологии термообработки магнитомягких сплавов, электротехнических сталей
и измерения магнитных параметров

Статьи

Статьи » Электротехнические стали

Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая изотропная и анизотропная электротехническая сталь нашла широкое применение в ленточных сердечниках, силовых и низкочастотных трансформаторах, электромагнитах, роторах и статорах электрических машин, работающих в динамических электромагнитных полях с частотой до 20 кГц. Применению кремнистых электротехнических сталей способствуют еевысокие значения удельного сопротивления, нанесение электроизоляционных покрытий и малая толщина лент. По содержанию кремния (Si) электротехническая 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 электротехнических сталей 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 электротехнической стали 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 электротехническая сталь выпускается с анизотропией и изотропией магнитных свойств. Кремнистая электротехническая сталь поставляется в виде рулонов с толщиной листа от 0.05 мм до 0.8 мм без покрытия, с нанесенным электроизоляционным, термостойким, или покрытием для облегчения штамповки. С целью снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе механической обработки и приводящих к смещению доменных границ, дроблению и перестройки доменной структуры, что в приводит к ухудшению магнитных свойств, кремнистую электротехническую сталь поставляемую без термообработки в зависимости от содержания кремния отжигают при температурах от 800°С до 1150°С с медленным охлаждением в инертной среде.


Содержание

  1. Область применения кремнистых электротехнических сталей.
  2. Химический состав электротехнических сталей легированных кремнием.
  3. Классификация кремнистых электротехнических сталей по магнитным параметрам, их марки и свойства.
  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 нашла широкое применение в ленточных сердечниках, силовых и низкочастотных трансформаторах, генераторах, электромагнитах, роторах и статорах электрических машин, работающих в динамических электромагнитных полях с частотой до 20 кГц. Применению кремнистых электротехнических сталей способствуют высокие значения удельного сопротивления, нанесение электроизоляционных и термостойких покрытий и малая толщина лент, что в совокупности позволяет достичь низких удельных магнитных потерь PB/f в магнитопроводе. Достижение малых значений удельных потерь осуществляется легированием электротехнической стали кремнием (Si) и другими химическими элементами: алюминием (Al), фосфором (P) и марганцем (Mn).

Химический состав кремнистых электротехнических сталей

Легирование электротехнической стали 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. Легирование приводит к повышению магнитных свойств, поскольку с повышением чистоты и однородности сплава уменьшается энергия магнитной кристаллографической анизотропии и магнитоупругая энергия. Это способствует увеличению значений начальной µн и максимальной µmax магнитных проницаемостей и уменьшению коэрцитивной силы Hc и как следствие – снижению потерь на гистерезис при перемагничивании электротехнической стали. Так же легирование кремнием позволяет повысить удельное сопротивление, что приводит к снижению потерь на вихревые токи при перемагничивании в низкочастотных магнитных полях. Легирование кремнистой электротехнической стали 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 в электротехнической стали при содержании в ней кремния более 4%, вследствие повышения удельного электрического сопротивления в 6 раз по отношению к нелегированным электротехническим сталям. При этом установлено, что предельное содержание кремния в электротехнической стали 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 электротехнической стали 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, марки и свойства кремнистых электротехнических сталей

В зависимости от технологий изготовления листов, кремнистая электротехническая сталь 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 электротехническая сталь обладает вдоль направления проката.

Маркировка кремнистых электротехнических сталей. По структурному состоянию и виду проката кремнистые электротехнические стали классифицируются (первая цифра в номере стали) 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) электротехническая 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 электротехнической стали): 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 = 0.4 А/м, 7 – магнитная индукция в средних магнитных полях при Н = 10 А/м. Четвертая цифра порядковый номер типа кремнистой электротехнической стали. Пример условного обозначения ленты кремнистой электротехнической стали 2421 толщиной 0,27 мм: Лента 0,27х250-П-С-2-ТО-Т1-Б-2421 ГОСТ 21427.2-83

Классификация кремнистой электротехнической стали по содержанию кремния

По виду покрытия кремнистая электротехническая сталь классифицируется на сталь:

  • без покрытия (с металлической поверхностью);
  • без электроизоляционного покрытия, но с грунтовым слоем — БП;
  • с электроизоляционным термостойким покрытием — ЭТ;
  • с изоляционным покрытием, не ухудшающем штампуемость — М;
  • с нетермостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость — НШ;
  • с термостойким электроизоляционным покрытием, улучшающим штампуемость — ТШ;
  • с термостойким электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость — Т.

Влияние толщины ленты.

В зависимости от технологии изготовления лент кремнистая электротехническая сталь поставляется как термически обработанная на магнитные свойства и с нанесенным покрытием, так и без термообработки с покрытием и без него.

Магнитные свойства кремнистых электротехнических сталей
Физические свойства кремнистых электротехнических сталей
Механические свойства кремнистых электротехнических сталей
Иностранные аналоги кремнистых электротехнических сталей

Термообработка кремнистых электротехнических сталей: отжиг в вакууме, водороде

Для восстановления кристаллической решетки и снятия возникших в процессе механообработки внутренних напряжений в листах кремнистой электротехнической стали, под действием которых происходит смещение доменных границ, дробление и перестройка доменной структуры, что препятствует свободному перемещению доменных стенок кремнистую электротехническую сталь 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 электротехнических сталей 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 кремнистых электротехнических сталей.

Режимы термообработки кремнистой электротехнической стали

Подтверждение магнитных свойств деталей сборочных единиц из лент и листов кремнистых электротехнических сталей при межоперационном контроле или поставки лент и листов 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 электротехнической стали 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 электротехнических сталей 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-свидетелях 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 кремнистой электротехнической стали 2124Электротехническая кремнистая сталь 2124

Рисунок 3. Основная кривая намагничивания и петля гистерезиса ленты кремнистой электротехнической 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, холоднокатаная сталь, термообработка, отжиг в вакууме, химический состав, магнитные свойства, ГОСТ 21427.1–75, ГОСТ 21427.2–75, ГОСТ 21427.3–75, ГОСТ 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