Курсовая работа по физическому материаловедению на тему: Магнитомягкие материалы. Выполнил студент физфака ОГУ. Работа оценена на отлично (стр. 3 )

Электротехническая сталь, кроме кремния, содержит примеси: углерод, серу, марганец, фосфор и др.

Наиболее вредной примесью является углерод. Его влияние на магнитные свойства определяется процентным содержанием, формой, в которой он находится (например, в виде цементита или в виде графита), и дисперсностью включений.

Влияние серы, кислорода и марганца на магнитные свойства электротехнической стали также отрицательно. Фосфор уменьшает потери как на гистерезис, так и на вихревые токи и, следовательно, может использоваться для легирования стали, но он повышает хрупкость.

Для улучшения свойств стали необходимо тщательно очищать ее от примесей, обезуглероживать и подвергать особой термообработке. Однако существенно улучшить этими методами свойства электротехнических сталей, выпускаемых промышленностью, не удается.

Свойства стали можно значительно улучшить путем их прокатки в холодном состоянии и последующего отжига. Прокатка — один из самых распространённых видов обработки металлов давлением. Заключается в обжатии металла между двумя, реже тремя, вращающимися в разные стороны валками (рисунок 2). Если температура прокатки выше температуры рекристаллизации (процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зёрен (кристаллитов) поликристалла за счёт других той же фазы), то прокатку называют горячей. Если температура прокатки ниже температуры рекристаллизации, то прокатку, в зависимости от температуры, называют тёплой, либо холодной.

Рисунок 2 – Прокатка

Как отмечалось, электротехнические стали, особенно с большим содержанием кремния, обладают большой хрупкостью, поэтому долгое время при их изготовлении применяли горячую прокатку. Применение холодной прокатки считалось нерентабельным.

В 1935 г. Госс обнаружил высокие магнитные свойства у холоднокатаной электротехнической стали вдоль направления прокатки. Во всех других направлениях свойства оказались хуже, т. е. такая сталь обладала магнитной текстурой и являлась магнитноанизотропной. Существенно улучшились механические свойства: качество поверхности листа, волнистость и штампуемость.

Элементарная ячейка железо – кремнистого сплава представляет собой объемноцентрированный куб, для которого направлениями легкого намагничивания являются его ребра, а направлению самого трудного намагничивания соответствуют пространственные диагонали.

При отсутствии текстуры (т. е. преимущественной ориентации элементов, составляющих материал) имеет место хаотическое расположение кристаллов. Вследствие этого материал приобретает изотропные свойства со статически постоянной средней намагниченностью по любому направлению.

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 (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схематическое изображение расположения кристаллов относительно направления прокатки: а — горячекатаная сталь; б — холоднокатаная сталь с ребровой текстурой

Такая сталь обладает 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 (рисунок 4).

Выполнение поставленного условия возможно, если применять ленточные сердечники и сердечники, у которых стержни изготовлены из текстурованных, а ярмо — из горячекатаных сталей. Схематическое изображение различных магнитопроводов представлено на рисунке 5.

Однако эти условия трудно выполнимы для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора. В этих случаях

Рисунок 4 – Кривые намагничивания холоднокатаной кремнистой стали (3% Si) под различными углами к направлению прокатки

Рисунок 5 – Схематическое изображение магнитопроводов трансформаторов из текстурованных материалов: а, б – сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники; д — сборный комбинированный магнитопровод; 1 — стержни из текстурованного материала; 2 – из горячекатаной изотропной стали

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 не существует в плоскости намагничивания.

Таким образом, холоднокатаную сталь выпускают как анизотропную, так и изотропную. Производят также горячекатаную сталь. Она изотропна, т. е. ее магнитные свойства одинаковы в различных направлениях относительно прокатки, дешевле, чем сталь холоднокатаная. 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. Например, холоднокатаная анизотропная сталь с ребровой текстурой (марка 3414; см. ниже) толщиной 0,35 мм имеет удельные потери (при и ) Вт/кг и магнитную индукцию (при ) , в то время как холоднокатаная изотропная сталь (марка 2411) той же толщины имеет Вт/кг и .

Сталь выпускается в виде рулонов, листов и резаной ленты. Она может быть без электроизоляционного покрытия или иметь его. Тол­щина листов стали 0,05—1 мм. Сталь различных классов предназнача­ется для изготовления магнитных цепей аппаратов, трансформаторов, приборов, электрических машин. Применение ленточных сердечников из текстурованной стали в силовых трансформаторах позволяет уменьшить их массу и габаритные размеры на 20—25%, а в радио­трансформаторах — на 40%.

Рисунок 6 – Зависимость коэрцитивной силы от толщины листов для электротехнической стали (3% Si) при 20ºC

Листы тонкого проката предназначены в основном для использова­ния в полях повышенной частоты (до 1 кГц). С уменьшением толщины листов уменьшаются потери на вихревые токи. Однако в очень тонких листах наблюдается резкое возрастание коэрцитивной силы (рисунок 6); соответственно увеличиваются и потери на гистерезис. [1,5,2]

1.2 Материалы с высокой магнитной проницаемостью

Для достижения больших значений индукций в очень слабых магнитных полях () применяют сплавы, отличающиеся большой начальной проницаемостью. Это сплавы Fe – Ni (пермаллой) и Fe – Al – Si (альсифер).

1.2.1 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.