Электротехническая сталь

Низкое электрическое сопротивление железа приводит к тому, что в переменных полях в железе возникают большие потери на вихревые токи и снижается магнитная проницаемость. При легировании железа кремнием удельное электрическое сопротивление существенно возрастает. Так, у сплава, содержащего 5% кремния, удельное электрическое сопротивление достигает 0,7 мкОм´м, т. е. увеличивается более чем в 7 раз по сравнению с чистым железом.

Кроме того, присутствие кремния в железе снижает магнитную анизотропию и магнитострикцию. При увеличении отношения a/r снижается разница в значениях обменного интеграла по различным направлениям, а следовательно, уменьшается магнитная анизотропия. У сплава, содержащего 6,8% Si, магнитная анизотропия в 3 раза меньше, чем у чистого железа, а магнитострикция практически равна нулю. Наконец, при добавке к железу кремния нейтрализуется вредное влияние примесей кислорода и углерода. Последнее обстоятельство связано с тем, что кремний раскисляет сталь и способствует переходу углерода из карбида железа (цементита) в графит в соответствии с уравнениями:

FeO + Si = Fe + SiO₂ .

Fe₃C + Si = (Fe,Si) + Г .

Важно отметить, что взаимодействие кремния с дислокациями приводит к снижению их подвижности, поэтому снижается пластичность сплавов, они становятся хрупкими. В связи с этим промышленные сплавы железа с кремнием - электротехнические стали - содержат не более 5% Si (табл. 4.1).

Поскольку у электротехнических сталей сохраняется магнитная анизотропия, то для улучшения магнитных свойств применяют тек-стурованную сталь, т. е. сталь, у которой определенные кристалло-графические направления в зернах совпадают. Для получения стали с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями необходимо совпадение направлений типа [111]. Для того чтобы получить магнитную текстуру, применяют холодную прокатку с большими обжатиями и последующий отжиг при температуре 900-1000^оС.

Таблица 4.1

В ходе холодной деформации происходит ориентация зерен, а при отжиге идет рекристаллизация, приводящая к снижению плотности дислокаций и росту зерен. Текстурованную сталь называют также холоднокатаной. Холоднокатаная сталь в 1,5 раза дороже горячекатаной, но потери в ней вдвое ниже. Важно иметь в виду, что для эффективного использования текстурованной электротехнической стали магнитный поток должен проходить вдоль направления легкого намагничивания.

Магнитомягкие материалы для работы в слабых полях

Для материалов, работающих в слабых полях, важнейшим свойством является высокое значение начальной магнитной проницаемости. Иначе говоря, для таких материалов важна большая подвижность границ доменов в условиях малой напряженности внешнего магнитного поля. Следовательно, такие материалы должны быть однофазными и иметь малую магнитную анизотропию и магнитострикцию.

Увеличение межатомных расстояний между атомами переходных металлов из-за легирования приводит к снижению магнитной анизотропии. Поэтому для достижения максимальной магнитной проницаемости используют сильно легированные сплавы. Примером могут служить пермаллои и альсифер.

Пермаллои

Пермаллоями называют сплав железа и никеля. Константы анизотропии в этих металлах имеют разный знак, поэтому при сплавлении они взаимно компенсируются. В результате этого смещение доменных стенок сильно облегчается, что приводит к значительному увеличению магнитной проницаемости. Наиболее высокими значениями обладает сплав, содержащий 79 % никеля (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Различают низконикелевые пермаллои и высоконикелевые пермаллои. Низконикелевые пермаллои содержат 45-65% Ni, высоконикелевые пермаллои - 76-80% Ni. Для низконикелевых пермаллоев характерно более высокое удельное электросо-противление и повышенная индукция насыщения, однако магнитная проницаемость низконикелевых пермаллоев ниже магнитной прони-цаемости высоконикелевых пермаллоев. Важно отметить, что индукция насыщения высоконикелевых пермаллоев ниже индукции насыщения низконикелевых пермаллоев. Это обстоятельство связано с тем, что магнитный момент иона никеля ниже магнитного момента иона железа.

Альсифер

Альсифер – сплав системы Fe-Si-Al, содержащий около 9,5% кремния и 5,5% алюминия. При этом составе магнитная анизотропия минимальна и сплав имеет очень высокую магнитную проницаемость. Однако даже небольшое отклонение от оптимального состава приводит к сильному снижению магнитной проницаемости (рис.4.6).

Сплав отличается высоким удельный электрическим сопротивлением  (r=0,81 мкОмґм), что снижает потери на вихревые токи. Вместе с тем сплав непластичен и тверд. Детали из него изготавливают методом порошковой металлургии, а окончательная обработка деталей возможна только анодно-механическим и электроискровым способами, а также шлифовкой. Трудность обработки повышает стоимость изделий. Но поскольку сплав не содержит дорогостоящих компонентов, его широко применяют для изготовления магнитных экранов и магнитопроводов.