«Металлические магнитомягкие материалы»

Основными металлическими магнитомягкими материалами, применяемыми в электротехнике, являются пермаллои, альсиферы и низкоуглеродистые кремниевые стали.

Пермаллои — пластичные железоникелевые сплавы содержанием никеля от 36 до 80 %. Для улучшения тех или иных свойств в них вводят молибден, хром или медь, получая легированные пермаллои. Пермаллои, содержащие 36—50 % никеля, называются низконикелевыми, а 60—80 % — высоконикелевыми.

Все пермаллои отличаются высокими магнитными характеристиками, что обеспечивается не только их составом и химической чистотой, а также специальной тепловой обработкой. При этом сплав нагревают со скоростью 400—500 °С в час, выдерживают при 1000—1150°С в течение 3—6 ч, затем охлаждают со скоростью 100—200 °С в час до комнатной температуры. Некоторым пермаллоям необходим повторный нагрев до 600 °С и быстрое охлаждение со скоростью 150 °С в минуту. Наилучшие магнитные характеристики имеют пермаллои, отжигаемые в вакууме.

Все пермаллои чувствительны к механическим деформациям, наклепу при резке, штамповке и другим механическим воздействиям. Поэтому детали из пермаллоя, полученные этими способами, подвергают дополнительной тепловой обработке — отжигу (по определенному режиму).

Пермаллои поставляют в виде лент толщиной 0,002—1,5 мм, листов толщиной 1—2,5 мм и прутков диаметром 8—60 мм и более. Низконикелевые пермаллои применяют для изготовления сердечников дросселей, малогабаритных трансформаторов и магнитных усилителей, а высоконикелевые — деталей аппаратуры, работающих на частотах несколько выше звуковых.

Альсиферы представляют собой нековкие хрупкие сплавы, состоящие из 5,5—13 % алюминия, 9—10 % кремния, остальное — железо. Альсиферы предназначались для замены дорогих пермаллоев, но удалось это сделать в сравнительно ограниченной области их применения. Из альсифера изготовляют литые сердечники, работающие в диапазоне частот не более 20 кГц, так как на более высоких частотах в них возникают большие потери на вихревые токи. Кроме того, из альсифера отливают полые детали с толщиной стенок не менее 2 мм.

Трансформаторные стали. Электротехнические кремнистые стали представляют собой низкоуглеродистые стали (0,04%), в которые вводят от 0,8 до 4,8 % кремния для улучшения магнитных свойств. Кремний, находящийся в стали в растворенном состоянии, реагирует с закисью железа FeO. При этом из стали выделяется чистое железо и образуется кремнезем 2FeO + Si →2Fe+Si02.

Кремнезем повышает удельное сопротивление стали, что снижает потери на вихревые токи. Кремний также способствует росту кристаллов железа, что повышает уровень магнитных характеристик стали. Введение больших количеств кремния в сталь улучшает все магнитные характеристики, но вызывает ее повышенную хрупкость, исключающую изготовление из нее штампованных деталей. Поэтому вводят кремний в сталь в количестве, не превышающем 4,8 %.

Листы кремнистой стали изготовляют прокаткой заготовок в нагретом или не нагретом состоянии. В соответствии с этим различают горячекатаную и холоднокатаную кремнистую сталь.

Как известно, железо имеет кубическую структуру кристаллов и намагничивается наиболее интенсивно, когда направление магнитного поля совпадает с направлением ребра куба кристалла. Поэтому для улучшения

магнитных свойств листы электротехнической стали прокатывают в холодном состоянии в одном и том же направлении, после чего отжигают в атмосфере водорода при 900 °С.

При прокатке листов стали в одном и том же направлении кристаллы железа ориентированы преимущественно в направлении прокатки. При последующем отжиге листов стали из материала удаляются примеси, снижающие его магнитные свойства (углерод, кислород). Кроме того, при отжиге деформированные прокаткой кристаллы железа принимают прежнюю форму.

Холоднокатаные кремнистые стали, кристаллы железа которых расположены преимущественно в направлении прокатки, называют текстурованными.

Улучшенные магнитные характеристики наблюдаются у холоднокатаных сталей только при совпадении направления их прокатки с направлением магнитного потока. В ином случае все магнитные характеристики холоднокатаных текстурованных сталей ниже, чем горячекатаных.

Поэтому холоднокатаные стали наиболее рационально применять в ленточных сердечниках и других конструкциях, где направление магнитного потока совпадает с направлением прокатки.

Электротехническую сталь прокатывают в листы и ленты толщиной от 0,05 до 1 мм. Это доступный и дешевый материал. Для сердечников электрических машин, имеющих круглую форму, применяют горячекатаные стали, а также холоднокатаные малотекстурованные, которые обладают лучшими магнитными свойствами, чем горячекатаные.

Обозначения марок электротехнической стали расшифровываются следующим образом: буква Э — «электротехническая сталь»; первые цифры 1, 2, 3 и 4 после буквы Э —степень легирования кремнием, а именно: 1 — слаболегированная сталь с содержанием кремния в пределах 0,8—1,8%, имеющая удельное объемное сопротивление 0,2·10 - 6 Ом·м; 2 — среднелегированная с содержанием кремния в пределах 1,8—2,8% (0,40-10 -6 Ом-м); 3 — повышенно легированная сталь с содержанием кремния в пределах 2,8—3,8% (0,50·10 -6 Ом· м); 4 — высоколегированная сталь с содержанием кремния 3,8—4,8% (0,60· 10-6 Ом-м). Вторые цифры (от 1 до 8) указывают на важнейшие магнитные свойства: 1 — нормальные удельные потери; 2 — пониженные потери; 3 — низкие потери; буква А — особо низкие потери; 4 — гарантированные значения потерь при частоте 400 Гц и магнитной индукции в средних по силе полях; 5 — гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 6 — гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 7 — гарантированное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях; 8 — гарантированное повышенное значение относительной магнитной проницаемости в средних магнитных полях. Третья цифра (0) означает холоднокатаную текстурованную сталь; третья и четвертая цифры (00) означают холоднокатаную малотекстурованную сталь. Примеры обозначения марок: Э41, Э48А, Э3100, Э330А.

В трансформаторостроении применяют листовую и рулонную электротехническую сталь преимущественно толщиной 0,35 и 0,5 мм. Применение стали пониженной толщины сказывается благоприятно на снижении потерь на вихревые токи.