ВЛИЯНИЕ ВЕЛИЧИНЫ ЗЕРНА И ТОЛЩИНЫ ЛИСТА НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ИЗОТРОПНОЙ СТАЛИ ТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ ЛЕГИРОВАНИЯ

Электротехническая сталь – это класс магнитно-мягких материалов, имеющий особые ферромагнитные свойства для применения в магнитных полях, использующихся для изготовления магнитоактивных частей разнообразных электротехнических приборов и устройств. Как металл, электротехническая сталь представляет собой сплав железа с кремнием, содержание которого составляет 0.8 – 4.8 %.

В изотропных электротехнических сталях в настоящий момент достигнут высокий уровень магнитных характеристик: в премиальных марках с 2,7 % кремния и более, а также с алюминием, магнитные потери составляют 2,2–2,4 и 2,0–2,2 Вт/кг при 0,50 и 0,35 мм соответственно. Изотропная электротехническая сталь с такими магнитными свойствами применяется для изготовления генераторов и электродвигателей, также применяется для изготовления трансформаторов средней величины с шихтованным из пластин сердечниками взамен, применявшейся для этого, анизотропной стали. В результате достигается улучшение магнитных свойств устройств при уменьшении себестоимости. Отметим, что электротехническая изотропная сталь (даже премиальных марок), заметно дешевле заменяемой анизотропной стали.

Для того, чтобы снизить магнитные потери в стали, добавляют легирующие элементы – в основном это кремний, либо кремний с алюминием (Al до 0,5 %) и другие элементы.

Существует обратно пропорциональная зависимость между размером зерна и коэрцитивной силой Hc. С увеличением диаметра зерна Hc умень­шается, следовательно, уменьшаются гистерезисные потери. В свою очередь, с увеличением размера зерна потери при перемагничивании изменяются в зависимости от величины зерна по кривой (рис.1). Также отмечается, что при увеличении количества Si в стали увеличивается средний размер зерна [1].

Рисунок 1. Зависимость удельных потерь от среднего диаметра зерна

1 – экспериментальная кривая для суммарных потерь; 2 – гистерезисные потери; 3 – потери на вихревые токи

Рисунок 2. Зависимость коэрцитивной силы от толщины листа для сплава Fe – 3% Si при 20º С

Влияние толщины листа на магнитные свойства электротехнической изотропной стали во многом сходно с влиянием величины зерна. С уменьшением толщины листа возрастают коэрцитивная сила (рис. 2) и потери на гистерезис.

Вместе с тем потери на вихревые токи при уменьшении толщины листа снижаются. Вследствие различного характера влияния толщины листа на составляющие удельных потерь зависимость полных удельных потерь от толщины листа носит экстремальный характер. Значение оптимальной толщины зависит от ряда факторов и, прежде всего, от текстурной характеристики материала. Так, нормализационный отжиг позволяет повысить кубические ориентировки текстуры подката, которые наследуются в текстуре готовой стали, что приводит к снижению уровня удельных магнитных потерь [2]. Минимум полных удельных потерь в изотропной стали с 3 % Si приходится на толщину 0,25–0,30 мм. При выборе варианта технологического процесса производства изотропной стали и ее основных параметров необходимо исходить из возможности регулирования величины зерен в готовом металле при сохранении совершенной текстуры, а толщину листа выбирать в зависимости от назначения металла. Различные составляющие удельных потерь по-разному зависят от размера зерна: с его увеличением потери на гистерезис снижаются, а потери на вихревые токи увеличиваются [3-4]. Оптимальная величина зерна составляет 100−200 мкм [5].

В данной работе была изучена микроструктура изотропной электротехнической стали третьей группы легирования, содержащей углерода 0,004 %, кремния 4,109 %, алюминия 0,49 %. Выплавка, разливка, горячая прокатка и другие операции производились согласно действующей технологической инструкции. После холодной прокатки металл подвергался совмещенному обезуглероживающему и рекристаллизационному отжигу в агрегате непрерывного отжига, а после всего происходила аттестация.

Таблица 1.

Результаты определения величины зерна после отжига сравнением с эталонными шкалами

Магнитные свойства, соответствующие такому размеру зерна, приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Магнитные свойства стали 2412Э (ГОСТ 21427.2-83, EN 10106)

Размер зерна оказывает существенное влияние на магнитные свойства электротехнической стали. С увеличением его возрастает магнитная проницаемость и магнитная индукция в слабых и средних полях, коэрцитивная сила уменьшается. Увеличение размера зерна, с одной стороны, приводит к снижению потерь на гистерезис, а с другой – к увеличению потерь от вихревых токов.

Исследованиями установлено, что оптимальный размер зерна, обеспечивающий минимальные удельные магнитные потери Р_1,5/50 в изотропной электротехнической стали с различным содержанием кремния (0,01–3,0 %), близок к 150 мкм. Следовательно, увеличение температуры отжига, которое приводит к росту зерна, может дать снижение удельных магнитных потерь. На практике доказано, что повышение содержания кремния в стали, замедляет процесс рекристаллизации и требует повышения температуры заключительного отжига для получения оптимального размера зерна.

Список литературы:

1. Медведко Л.Л. Влияние кремния на размер зерна изотропной электротехнической стали / Л.Л. Медведко, А.В. Шестопалов, А.Э. Клещина // Журнал: Научные исследования и разработки молодых ученых. Сборник материалов XV Международной молодежной научно-практической конференции. Новосибирск, 2016. –С. 58-63.
2. Бахтин А.С. Влияние параметров нормализационного отжига на магнитные свойства высоколегированной электротехнической изотропной стали. / А.С. Бахтин, С.В. Бахтин // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Часть 1. Липецк, 2016. –С. 127-128.
3. Чеглов А.Е. Освоение технологии производства новых электротехнических изотропных сталей в ОАО НЛМК / А.Е. Чеглов, В.П. Настич, А.В. Ярошенко и др. // В сборнике: Сталь. Москва, 2015. № 10. С. 62–67.
4. Чеглов А.Е. Разработка технологии производства электротехнических изотропных сталей для магнитных сердечников электромашин с высоким КПД / А.Е. Чеглов, В.А. Барыбин, С.С. Дегтев и др. // Журнал: Производство проката. Москва, 2013. С. 2–5.
5. Долженко М.В. Влияние нормализационного отжига на структуру и свойства изотропной электротехнической стали / М.В Долженко, И.П. Ивлева. И.А. Цыганов // Сборник тезисов докладов научной конференции студентов и аспирантов Липецкого государственного технического университета. Часть 1. 2016. –С. 191-193.