1.1.1 Железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемента. В промышленном же применении железо представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод.

Чистое железо содержит примесей не более 0,6%, в том числе углерода С < 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, азот, кислород, сера, фосфор и особенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита. Чистое железо является основным компонентом большинства современных магнитных материалов. Его достоинства — высокие показатели индукции насыщения (), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки — низкое удельное сопротивление () и, как следствие, большие потери на вихревые токи, стали причиной того, что чистое железо применяется только в изделиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде ферромагнитной фазы в магнитодиэлектриках. В зависимости от концентрации примесей магнитные свойства железа, и в первую очередь значения и µ, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства: больше значения , и меньше (таблица 1).

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа подвергают специальной термической обработке — отжигу (вид термической обработки металлов и сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении), проводимому при температуре 900°С в течение 2—4 ч, и затем медленному охлаждению до 600°С. Весь цикл термообработки осуществляют или в вакууме (для предохранения металла от окисления), или в активной среде (в чистом сухом водороде или в диссоциированном аммиаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота), обеспечивающей дополнительную очистку от вредных примесей. При термообработке у железа снижаются внутренние напряжения, уменьшается плотность дислокаций и концентрация других дефектов кристаллической решетки и, кроме того, укрупняется зерно и, следовательно, уменьшается суммарная удельная поверхность зерен.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Железо подвержено магнитному старению вследствие структурных превращений; в результате со временем увеличивается коэрцитивная сила, иногда более чем в 1,5—2 раза. Магнитное старение (изменение магнитных свойств (намагниченности и др.) ферромагнетиков и ферримагнетиков во времени, происходящее самопроизвольно или под воздействием различных внешних факторов) уменьшают путем легирования некоторыми химическими элементами (например, кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающимся в выдерживании материала при 100°С в течение 100 –150 ч.

Механические напряжения, возникающие при штамповке, резке и других видах обработки, а также при растяжении, сжатии или скручивании железа, могут значительно ухудшить магнитные свойства. Деформация на 0,5—1% вызывает снижение на 25—30% и возрастание на 15—20%. Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработки деталей. качестве чистого железа в электро - и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше углерода (цементита) и

Таблица 1 – Магнитные свойства некоторых магнитомягких материалов

других вредных примесей, чем конструкционные стали (это стали, которые применяются для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладают определёнными механическими, физическими и химическими свойствами), и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свойствами. Магнитные свойства отожженных образцов этих материалов приведены в таблице 1.

Технически чистое железо содержит углерода С < 0,025% и других примесей не более 0,08—0,1%. В электротехнике его иногда называют «армко железо» (от первых букв фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за низкого значения удельного сопротивления, его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда несущественны потери на вихревые токи.

Обычно технически чистое железо изготавливают рафинированием (процессы очистки первичных (черновых) металлов от нежелательных примесей или примесей представляющих самостоятельную ценность) чугуна в мартеновских печах (печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества) или в конверторах. [1,2,5]

1.1.2 Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная

Это разновидность технически чистого железа. Электротехническая сталь – тонколистовая магнитомягкая сталь для магнитопроводов (сердечников) и электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т. д.).

Низкоуглеродистая электротехническая сталь поставляется в неотожженном состоянии с невысокими магнитными свойствами. Такую сталь подвергают термообработке, в процессе которой ее медленно нагревают до температуры 900°С, выдерживают в течение 2...4 ч и медленно охлаждают со скоростью не более 30...40 градусов в час до температуры 600°С. Процесс ведут или в защитной среде, предохраняющей металл от окисления, или в активной среде (смесь азота с водородом), обеспечивающей дополнительную очистку сталей от примесей. В результате термообработки сокращается число зерен в единице объема (увеличиваются размеры отдельных кристаллических зерен), что улучшает магнитные свойства стали.

Термически обработанные стали обладают коэрцитивной силой , максимальной магнитной проницаемостью и содержанием углерода 0,1%. Магнитные свойства отожженных образцов электротехнической стали приведены в таблице 1.

В промышленности вместо технически чистого железа и стали низкоуглеродистой электротехнической нелегированной иногда применяют углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,1—0,4%. Магнитные свойства этих сталей ниже, чем у железа, однако их можно улучшить путем отжига изготовленных изделий.

Особо чистое железо содержит очень низкий процент примесей (менее 0,03%). К этой группе относится электролитическое и карбонильное железо, а также особо чистое железо и его монокристаллы, особо тщательно отожженные в водороде (таблица 1).

Электролитическое железо содержит углерода С < 0,02%. Его получают путем электролиза водных растворов сернокислого или хлористого железа. Анодом служит чистое железо, а катодом — пластина мягкой стали. Осажденное на катоде железо толщиной 2—6 мм тщательно промывают, снимают с катода и измельчают в порошок на шаровой мельнице. Электролитическое железо неизбежно содержит следы водорода, для удаления которого порошок переплавляют в вакууме или подвергают отжигу тоже в вакууме.

Карбонильное железо содержит углерода С < 0,005%. Его получают путем термического разложения пентакарбонила железа , представляющего собой желтоватую жидкость, устойчивую на воздухе (). При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа , который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент. В отсутствие воздуха пары при температуре 350°С разлагаются на окись углерода и металлическое железо:

Образовавшийся очень мелкий порошок (размер частиц 0,5— 20 мкм) для уменьшения содержания вредных примесей подвергают отжигу в водороде. Карбонильное железо применяют в качестве магнитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Из таблицы 1 видно, что с уменьшением содержания примеси и в результате специальной термической обработки магнитные свойства железа существенно улучшаются. В технике для улучшения магнитных свойств железа широко используют легирование технически чистого железа кремнием. [4,1]

1.1.3 Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая электротехническая сталь представляет собой сплав, образующий твердый раствор кремния в технически чистом железе в количестве от 0,4 до 4,8%. Это магнитомягкий материал массового потребления. Его широко применяют для изготовления магнитных цепей, работающих при частоте 50—400 Гц. Преимуществом этого материала является высокая индукция насыщения и относительно невысокая стоимость.

Кремний, образуя с железом твердый раствор, увеличивает удельное электрическое сопротивление, которое растет линейно от при нулевом содержании Si до при содержании Si 5,0% (таблица 2).

Таблица 2 – Удельное сопротивление и плотность кремнистой электротехнической стали в зависимости от содержания кремния

При этом плотность сталей снижается. Положительное действие кремния заключается еще в том, что он переводит углерод из вредной для магнитных свойств формы цементита в графит. Кремний, кроме того, действует как раскислитель, связывая часть газов (прежде всего кислород), а также способствует образованию крупнозернистой структуры и уменьшает магнитную анизотропию и константу магнитострикции. В результате указанных изменений улучшаются магнитные свойства: уменьшается , увеличиваются и , снижаются потери на вихревые токи и гистерезис. При содержании кремния 6,5—6,8% достигает наибольшего значения, а константа магнитострикции приближается к нулю. Однако с увеличением концентрации Si механические свойства стали ухудшаются — повышаются твердость и хрупкость. Например, при содержании Si 4—5% сталь выдерживает не более 1—2 перегибов на угол в 90° и, что очень нежелательно, снижается индукция насыщения . Поэтому в кремнистой электротехнической стали содержание Si не превышает 4,8 %. Кремний также повышает стабильность магнитных свойств стали во времени.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5