Кремнистая электротехническая сталь

Свойства стали можно значительно улучшить путем холодной прокатки и последующего отжига. В результате холодной прокатки происходит преимущественная ориентация зерен. Однако деформа­ция в холодном состоянии приводит к образованию больших внут­ренних напряжений и, следовательно, к увеличению коэрцитивной силы. Внутренние напряжения снимают отжигом при температуре 900— 1000°С. При отжиге происходит рекристаллизация, сопровож­дающаяся ростом зерен и одновременной их ориентацией вдоль на­правления легкого намагничивания. В результате ребра кубов ока­зываются расположенными параллельно направлению прокатки (см. гл. 14.2.2). Такая сталь обладает так называемой ребровой тек­стурой; ее магнитные свойства вдоль направления прокатки суще­ственно выше. Текстурированные стали применяют в магнитопроводах такой конструкции, при которой магнитный поток проходит в направлении наилучших магнитных свойств, т.е. в направлении прокатки. Самые плохие магнитные свойства наблюдаются под уг­лом 55° к направлению прокатки. Однако эти условия трудно вы­полнимы для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора. В этих случаях применяют малотекстурированные стали или стали не с ребровой, а с кубической текстурой. У последних наилучшие магнитные свойства обеспечиваются при прохождении магнитного потока в трех направлениях: вдоль, попе­рек и перпендикулярно прокатке, а направление самого трудного намагничивания (см. рис. 14.5, а) не существует в плоскости намаг­ничивания.

В трансформаторостроении выгодно при­менять текстурированную сталь. Например, замена в мощных транс­форматорах изотропной горячекатаной стали на текстурированную позволяет снизить потери энергии на 30%, массу до 10%, расход ста­ли на 20%. Применение текстурированной стали для трансформато­ров малой мощности дает еще большие преимущества.

Кремнистую электротехническую сталь выпускают в виде руло­нов, листов и лент. Сталь производят в виде листов толщиной от 0,1 до 1,0 мм без покрытия, с термостойким, электроизоляционным термостойким или электроизоляционным покрытием. Ленты хо­лоднокатаные анизотропные выпускают толщиной 0,05; 0,08; 0,15 и 0,20 мм и шириной от 5 до 240 мм без покрытия или с термо­стойким электроизоляционным покрытием. Стали толщиной 0,05— 0,2 мм применяют для работы при частоте 400 Гц. Например, сталь марки 3425 толщиной 0,08 мм имеет P_1,1/400= 15 Вт/кг и В₂₅₀₀= 1,82 Тл.

Пермаллои

Пермаллои — это сплавы железа с никелем (Fe—Ni), железа с ни­келем и кобальтом (Fe—Ni—Со) и железа с кобальтом (Fe—Со). Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью и малой коэр­цитивной силой. При определенном химическом составе эти сплавы характеризуются также очень низкой магнитной анизотропией и ма­лой константой магнитострикции, что является одной из причин их особенно легкого намагничивания и высокой магнитной проницае­мости.

Магнитные свойства пермаллоев можно улучшить путем допол­нительного легирования молибденом, хромом, медью, кремнием, ва­надием и др. Молибден и хром повышают удельное сопротивление и начальную магнитную проницаемость, уменьшают чувствительность к механическим напряжениям, но снижают индукцию насыщения. Медь повышает температурную стабильность и удельное сопротив­ление, а также стабильность магнитной проницаемости при изменении напряженности магнитного поля в узком интервале. Сплавы, легированные медью, кроме того, лучше поддаются механической обработке. Кремний и молибден увеличивают только удельное со­противление. Недостатки пермаллоев — высокая чувствительность магнитных свойств к механическим напряжениям, пониженные значения индукции насыщения по сравнению с электротехническими сталями, необходимость проведения сложного отжига после механи­ческой обработки и относительно высокая стоимость.

Магнитные свойства пермаллоев сильно зависят от химического состава и наличия примесей. На их свойства отрицательно влияют примеси, не образующие твердых растворов (углерод, кислород, сера, фосфор). Кроме того, магнитные свойства резко изменяются от режима термической обработки. Для снятия механических напряже­ний, сильно ухудшающих магнитные свойства, все магнитные изде­лия из пермаллоя подвергают специальной термической обработ­ке — отжигу при температуре 1300°С в чистом сухом водороде и длительному отпуску при 400—500°С. Отожженные изделия должны быть светлыми, чистыми, без окислов, темных пятен и цветов побе­жалости. При сборке их нельзя подвергать ударам, изгибам, рихтов­ке, шлифовке, чрезмерной затяжке и сдавливанию обмоткой.

Магнитные свойства пермаллоев зависят от их толщины: чем тоньше материал, тем ниже его магнитная проницаемость и выше коэрцитивная сила, но ниже потери на вихревые токи. Сплавы изго­тавливают в виде холоднокатаных лент толщиной 0,005—2,5 мм, хо­лоднокатаных листов 0,2—2,5 мм, горячекатаных листов 3—22 мм, горячекатаных и кованых прутков диаметром 8—100 мм, холоднока­таной проволоки диаметром 0,05—5,0 мм. Ленты, листы, прутки и проволоки поставляются в термически необработанном виде. Термо­обработке подвергают, как указывалось выше, готовые магнитные изделия.

Зависимость основных магнитных свойств и удельного сопротив­ления железоникелевых сплавов от содержания никеля представлена на рис. 15.1. Сплавы с содержанием никеля 70—80%, имеющие наи­большие значения начальной и максимальной магнитной проницае­мостью, называют высоконикелевыми пермаллоями, а сплав с содержа­нием никеля 78,5% — классическим пермаллоем. Второй, меньший по величине, максимум ц„ и цм наблюдается у сплавов при содержании Ni 40—50%, их называют низконикелевыми пермаллоями. У высокони­келевых пермаллоев магнитная проницаемость в несколько раз выше, чем у низконикелевых, и в десятки раз больше, чем у электро­технических сталей (см. табл. 15.1). Индукция насыщения у них в 1,5 меньше, чем у низконикелевых пермаллоев, и примерно в 2 раза меньше, чем у электротехнических сталей. Из этого следует, что вы­соконикелевые пермаллои нецелесообразно применять в качестве сердечников в мощных силовых трансформаторах и других устройст­вах, в которых требуется создание мощного магнитного потока.

Высоконикелевые пермаллои применяют для изготовления сер­дечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, рабо­тающих в слабых магнитных полях, головок аппаратуры магнитной

Рис. 15.2. Петля гистерезиса железоникелевого сплава 65НП

Рис. 15.1. Зависимость магнитных свойств и удельного сопротивления железоникелевых сплавов от содержа­ния никеля

записи, в качестве магнитных экранов. В виде ленты толщиной 0,05 мм и менее высоконикелевые пермаллои используют в импульс­ных трансформаторах, магнитных пускателях и т.д.

У низконикелевых пермаллоев удельное электрическое сопро­тивление в 3 раза больше, чем у высоконикелевых. Они обладают не очень высокой магнитной проницаемостью, но более высокой ин­дукцией насыщения. Кроме того, магнитная проницаемость низко­никелевых пермаллоев с увеличением частоты, начиная ƒкр, сильно снижается и тем резче, чем больше первоначальное значение μ_н, (см. рис. 14.11). Поэтому низконикелевые пермаллои предпочтительно использовать в силовой аппаратуре и при повышенных частотах. Их применяют для магнитопроводов малогабаритных силовых транс­форматоров, дросселей и деталей магнитных цепей, работающих в области высоких индукций (высоких значений Н), а также в издели­ях, работающих при повышенных частотах.

Магнитные свойства магнитных изделий в переменных и им­пульсных полях существенно зависят от сопротивления электриче­ской изоляции, покрывающей их поверхности. Электроизоляцион­ное покрытие должно быть однородным, сплошным, с достаточно высоким удельным сопротивлением и быть термически стойким при температуре отжига в глубоком вакууме или в водороде. В качестве такого покрытия применяют оксиды MgO или А1₂О₃ .

Сплавы группы 1 обладают высокой μ и наивысшим значением Bs по сравнению со всеми железоникелевыми сплавами; рекомендова­ны в качестве сердечников малогабаритных силовых трансформато­ров, дросселей, реле и других деталей магнитных цепей, работающих при повышенных индукциях без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы группы 2 обладают прямоугольной петлей гистерезиса; применяются в виде сердечников при частотах в несколько кило­герц, а сердечники микронного проката — в переключающих уст­ройствах с рабочей частотой в сотни килогерц и работающих в ши­роком температурном диапазоне.

Сплав группы 3 обладает повышенной μ и высоким удельным сопротивлением; рекомендован для сердечников импульсных транс­форматоров и аппаратуры связи звуковых и высоких частот, рабо­тающих без подмагничивания или с небольшим подмагничиванием.

Сплавы группы 4 имеют высокую μ в слабых полях, а сплав 76НХД обладает к тому же повышенной температурной стабильно­стью в интервале от —60 до +60°С; эти сплавы рекомендованы для сердечников малогабаритных трансформаторов, реле и магнитных экранов.

Кроме рассмотренных девяти марок пермаллоев, выпускаемых в соответствии с ГОСТами, применяют и другие марки железоникелевых, железоникелькобальтовых и железокобальтовых сплавов.

Сплавы на железокобальтовой основе обладают наиболее высо­кой индукцией магнитного насыщения (Bs до 2,4 Тл), температурой Кюри (Tк до 1050°С) и магнитострикцией (λs до 10^─4). Применяют­ся для изготовления магнитопроводов, полюсных наконечников и сердечников электромагнитов, соленоидов, силовых трансформато­ров, магнитных усилителей, ультразвуковых генераторов и преобра­зователей, роторов и статоров электрических машин, телефонных мембран и т.д. Сплавы 27КХ и 48КНФ применяют преимущест­венно в электрических машинах. Сплавы 49КФ, 49К2Ф универ­сального назначения. Сплав 92К предназначен для всех магнито­проводов, работающих при температурах от —273 до +1000°С. Из-за высокого содержания кобальта эти сплавы более дорогие, чем дру­гие пермаллои.