Классификация электротехнических сталей и их основные свойства

Электротехническую сталь классифицируют

Свойства электротехнических сталей, работающих в средних и сильных полях при частоте 50 Гц

Эти характеристики в значительной степени зависят от содержания кремния, типа и интенсивности кристаллической текстуры, совершенства кристаллической решетки, величины зерна, количества включений и степени их дисперсности, внутренних напряжений, толщины листа, состава и толщины окалины и от качества поверхности листов.

В табл. 1 представлены основные марки сталей и их удельные потери в зависимости от некоторых из перечисленных факторов.
Первые четыре марки сталей характеризуют влияние содержания кремния: с увеличением содержания кремния возрастает удельное электросопротивление, снижаются удельные потери и индукция в различных полях (в табл. 1 приведены значения индукции только при максимальных намагничивающих полях 30 кА/м).

Стали 4—7 иллюстрируют влияние качества сталей на снижение удельных потерь.
Влияние текстуры видно на примере сталей 8—9; при увеличении совершенства кристаллической текстуры повышается уровень рабочих индукций и снижаются удельные потери.
Стали 10 и 12 показывают влияние толщины листа на величину удельных потерь, чем тоньше сталь, тем меньше потери.
Стали 11—14 являются и в настоящее время лучшими марками электротехнических сталей с наименьшими полными удельными потерями.




По требованиям стандарта кривые намагничивания определяются коммутационным баллистическим методом в постоянных полях.
При работе на частоте 50 Гц и выше значения индукции будут меньше в диапазоне слабых и средних полей, в сильных полях кривые практически совпадают.


При высокой частоте перемагничивания возрастает влияние вихревых токов на удельные потери в стали.
Для уменьшения вихревых токов применяют стали с большим удельным электросопротивлением (повышенно—и высоко-легированные марки) преимущественно меньшей толщиной проката 0,05; 0,8; 0,1 и 0,15 мм.

Почти все марки сталей этой группы выпускаются как текстурованные в рулонах.
Малая толщина проката определяется не только снижением потерь на вихревые токи, но и тем обстоятельством, что с уменьшением толщины ленты уменьшается проявление скин-эффекта, влияющего на глубину проникновения магнитного поля.

В самом деле, переменный магнитный поток по сечению магнитопровода распределяется неравномерно, а преимущественно в поверхностном скин-слое.
При большой толщине листа относительная доля скин-слоя по сравнению с полной площадью поперечного сечения листа мала.
Это приводит к ухудшению использования сечения магнитопровода.
В этом случае средняя плотность магнитного потока по сечению всего магнитопровода резко уменьшается, что соответствует снижению эффективной магнитной проницаемости.
При этом не только сильно возрастают потери на перемагничивание в стали, но и возрастает намагничивавшийся ток.

При уменьшении толщины листа, но неизменной толщине скин-слоя, которая зависит только от частоты перемагничивания для данного материала, относительная доля сечения магнитопровода, по которой протекает магнитный поток, возрастает.
Это равносильно увеличению средней плотности магнитного потока, что в свою очередь увеличивает эффективную проницаемость материала.
Основные электромагнитные свойства некоторых марок сталей этой группы приведены в табл. 2.




Сравнение свойств сталей предыдущей и рассматриваемой группы показывает существенное увеличение потерь на частоте 400 Гц.

Например, для горячекатаной стали 1521 при толщине листа 0,35 мм удельные потери Р_1,0/400 = 19 Вт/кг, а для сталей того же химического состава (1511, 1512, 1513, 1514) и той же толщины листа Р_1,0/50 = 0,9—1,35 Вт/кг.

Для текстурованных сталей вместо P_1,0/50 = 0,5—1,1 Вт/кг имеем P_1,0/400 = 7,5—10 Вт/кг.
Следовательно, удельные потери увеличивались в 15—20 раз.
Магнитные свойства, измеренные в постоянных полях, несколько понизились.


Для работы в слабых полях предназначены стали 1561 и 1562, а для работы в средних полях стали 1571, 1572, 3471, 3472.
Толщина ленты в рулонах или листах составляет 0,20; 0,35 и 0,50 мм.
Основные электромагнитные свойства некоторых сталей этой группы приведены в табл. 3.




Kpоме указанных в таблице значений индукции, для характеристики всей кривой намагничивания для четырех последних сталей приводятся значения индукции в полях 10, 20, 70, 100, 200 и 500 А/м.

Главное требование к этим материалам состоит в высоких значениях магнитной проницаемости в области слабых и средних полей.
Удельные потери не имеют существенного значения, поэтому они не нормируются.
Высокие магнитные свойства в средних и особенно слабых полях обеспечиваются в результате очистки металла от примесей и снятия внутренних напряжений, а для текстурованных сталей — дополнительно высокой степенью текстуры.
В этих целях используется высокотемпературный (1090—1120 °С, 16—20 ч) отжиг с последующим регулируемым охлаждением в интервале 650—300 °С со скоростью 5 °С/ч.

Для сталей этой группы свойственна большая степень анизотропии магнитной индукции.
В горячекатаных сталях она достигает 30—40% в области слабых полей и 5—7% — в области средних полей.
Для текстурованных сталей свойства вдоль и поперек прокатки могут отличаться в десятки раз.


Все рассмотренные магнитно-мягкие сплавы разделены на группы по их химическому составу (табл. 4), который определяет принадлежность каждого сплава к той или иной диаграмме фазового равновесия.



¹ - остальное железо

Такая классификация, как уже было подчеркнуто, позволяет выделить металловедческие проблемы (фазовое состояние, формирование структуры, связь магнитных свойств со структурными и фазовыми превращениями, принципы оптимизации термической обработки), которые возникают в процессе разработки и совершенствования прецизионных сплавов.

При подобной классификации магнитно-мягкие материалы, обладающие каким-то характерным признаком, могут находиться в различных классификационных группах.
Например, сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса оказываются как в группе железоникелевых сплавов, так и в группе сплавов на основе железо—никель—кобальт, могут обладать как магнитной, так и кристаллографической текстурой.

Такая классификация, удобная для металлофизиков и металловедов, не позволяет достаточно легко ориентироваться в большом количестве магнитно-мягких материалов конструкторам, инженерам и техникам, которые решают вопросы практического применения магнитно-мягких материалов в конкретных условиях работы различных приборов, аппаратов и установок.

Для такой группы инженеров и научных работников важна другая классификация, по которой можно было бы легко из большого числа магнитно-мягких материалов выбрать нужный, обладающий только определенным специфическим свойством.

Для решения подобной задачи имеет смысл рассмотреть классификацию магнитно-мягких материалов по их основным свойствам и применению.
В перечне сплавов по различным группам приводятся не только уже рассмотренные, но и другие сплавы, представляющие интерес с точки зрения практического использования.
Формирование структуры и магнитных свойств в этих сплавах подчиняются таким же закономерностям, которые характерны для соответствующих диаграмм фазового равновесия.


1. Сплавы с наивысшей магнитной проницаемостью в слабых полях.
К этой группе относятся сплавы железоникелевой системы 79НМ, 80НХС, 81НМА, 83НФ, 80НМ, 77НМД, 76НХД, 74НМД, 72НМДХ, 78Н.
Сплавы характеризуются наивысшей начальной (20000—200000) и максимальной (100000—1000000) проницаемостью, наименьшей коэрцитивной силой (4—0,2 А/м) и индукцией насыщения около 0,5—0,8 Тл.
Применяются сплавы для изготовления сердечников малогабаритных трансформаторов, дросселей, реле, дефектоскопов, головок аппаратуры и магнитных экранов.

2. Сплавы с высокой магнитной проницаемостью и повышенным удельным электросопротивлением.
К этой группе относятся сплавы на основе железо—никель и железо—алюминий 50НХС, 38НС, 12Ю и 12Ю-ВИ.
Сплавы характеризуются высокой начальной (1500—6000) и максимальной (15000—100000) магнитной проницаемостью, удельным электросопротивлением от 0,9 до 1,0 мкОм · м и индукцией насыщения 1,0—1,4 Тл.
Применяются сплавы для изготовления сердечников аппаратуры связи, дросселей и импульсных трансформаторов.

3. Сплавы с высокой магнитной проницаемостью и повышенной индукцией насыщения.
К этой группе относятся железоникелевые сплавы 45Н, 50Н и 50Н-ВИ.
Сплавы характеризуются высокой начальной (2000—5000) и максимальной (20000—100000) магнитной проницаемостью и индукцией насыщения не менее 1,5 Тл. Применяются сплавы для изготовления витых и штампованных сердечников междуламповых и малогабаритных силовых трансформаторов, дросселей, реле и деталей магнитных цепей.

4. Сплавы с прямоугольной петлей гистерезиса.
К этой группе относятся сплавы на основе железо—никель и железо—никель—кобальт 50НП, 50НП-ИЛ, 65НП, 68НМП, 34НКМП, 35НКХСП, 37НКДП, 40НКМП, 82НМП-ВИ, 79НМ, 80Н2М.
Сплавы характеризуются прямоугольной петлей гистерезиса с коэффициентом прямоугольности (Br/Вs = 0,85—0,98), наивысшей максимальной магнитной проницаемостью (40000—1200000) и индукцией насышения до 1,5 Тл.
Применяются сплавы для изготовления сердечников магнитных усилителей, бесконтактных реле, контактных выпрямителей, дросселей модуляторов, импульсных трансформаторов и магнитных элементов счетно-решающих устройств.

5. Сплавы с высокой индукцией насыщения.
К этой группе относятся железокобальтовые сплавы 18КХ-ВИ, 27КХ, 49КФ, 49К2ФА, 48КНФ и 92К.
Сплавы характеризуются наивысшей индукцией насыщения (2,0—2,4 Тл) и высокой температурой Кюри (до 1050 °С).
Применяются сплавы для изготовления сердечников и полюсных наконечников электромагнитов, малогабаритных силовых трансформаторов, магнитных усилителей, экранов, роторов и статоров электрических машин, телефонных мембран и магнитострикционных преобразователей.

6. Сплавы с низкой остаточной индукцией.
К этой группе относятся сплавы в системах железо—никель—кобальт и железо—никель 47НК, 47НКХ, 64Н, 40НКМ, 68НМ, 79НЗМ и 53Н-ВИ.
Сплавы характеризуются низкими значениями остаточной индукции (5% от индукции насыщения), малой зависимостью магнитной проницаемости от величины намагничивающего поля и высокой стабильностью свойств при изменении температуры и воздействии внешних магнитных полей.
Применяются сплавы для изготовления сердечников катушек постоянной индуктивности, импульсных и широкополосных трансформаторов.

7. Сплавы с повышенной деформационной стабильностью и износостойкостью.
K этой группе относятся сплавы в системах железо—алюминий, железо—алюминий—кремний и железо—никель 16ЮХ-ВИ, 16ЮИХ-ВИ, 10СЮ-ВИ, 10СЮ-МП и 81НМА.
Сплавы характеризуются наивысшими значениями твердости (HV от 250 до 4500), прочности (до 760 МПа) и износостойкости в сочетании с высокой магнитной проницаемостью µ_0,08 = 10000—50000 и удельным электросопротивлением до 1,5 мкОм · м.
Применяются сплавы для изготовления сердечников магнитных головок записи и воспроизведения информации и видеоизображения.

8. Сплавы с заданным коэффициентом линейного расширения.
К этой группе относятся железоникелевые сплавы 52Н, 52Н-ВИ, 47НД и 47НД-ВИ.
Сплавы характеризуются температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения мягких стекол [(8,5—11,0) 10^-6 К^-1], коэрцитивной силой 10—20 А/м при индукции насыщения от 1,3 до 1,5 Тл.
Применяются сплавы для изготовления магнитных элементов герметизированных магнитных контактов (герконов).

9. Сплавы с высокой коррозионной стойкостью.
К этой группе относятся сплавы в системах железо—никель—кобальт и железо—хром 36КНМ, 16Х и ООХ13.
Сплавы характеризуются коррозионной стойкостью в условиях высокой влажности, морской воде и во многих агрессивных средах.
Применяются сплавы для изготовления магнитопроводов различных систем управления, якорей электромагнитов, магнитопроводов пневматических и гидравлических клапанов, работающих без защитных покрытий.

10. Сплавы с высокой магнитострикцией.
К этой группе относятся железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы 49К2Ф, 8Ю-ВИ и 14Ю.
Сплавы характеризуются наивысшими значениями магнитострикции и низкой коэрцитивной силой до 240 А/м.
Применяются сплавы для изготовления сердечников магнитострикционных преобразователей ультразвуковой и гидроакустической аппаратуры, электромеханических фильтров и линий задержки.

11. Термомагнитные сплавы.
К этой группе относятся железоникелевые сплавы 31НХЗГ2, 31НХ31, 32НХ3, ЗЗНХЗ, Н38Х14, НЗЗЮ1, ЗОНГ, 36Н11Х, 32Н6ХЮ.
Сплавы характеризуются линейной температурной зависимостью магнитной индукции при крутизне от 0,003 до 0,006 Тл/К в магнитных полях более 2400 А/м.
Применяются сплавы для изготовления многослойных термокомпенсационных материалов и магнитных шунтов электроизмерительных и электровакуумных приборов.

12. Магнитно-мягкий сплав 7ЮХ-ВИ для работы на сверхвысоких частотах в сантиметровом диапазоне длин волн характеризуется повышенным значением поверхностного сопротивления в этом диапазоне и применяется для изготовления волноводных нагрузок, аттенюаторов и термических измерителей мощности.

13. Специальные электротехнические стали.
К этой группе относятся железокремнистые стали.
Тончайшая анизотропная лента электротехнической стали толщиной 0,15—0,01 мм имеет низкие удельные потери на перемагничивание ( P_1,5/400 = 15—23 Вт/кг) и высокую индукцию насыщения (2,1 Тл).
Стали марок 3421—3425 используют для изготовления витых и разрезных ленточных магнитопроводов трансформаторов и дросселей.
Тончайшая изотропная лента из сталей 2421 и 3СЮ характеризуется низкими удельными потерями на перемагничивание при повышенных частотах (Р_1,0/400 = 10—13 Вт/кг в толщинах 0,10—0,20 мм) в сочетании с повышенной магнитной индукцией в средних и сильных полях (В₂₅₀₀ > 1,44 Тл).
Изотропная лента применяется для изготовления магнитопроводов электрических машин, работающих при повышенных частотах (400—20000 Гц).
Лента электротехнической стали с кубической текстурой толщиной 0,08—0,1 мм изготавливается из стали 5421 и используется для изготовления сердечников магнитопроводов сложной конфигурации.