Сегодня речь пойдет о применении стали в электротехнической промышленности. Материал, без которого невозможно представить современный мир. И для каждого рода деятельности, существуют свои марки стали.
Начнем с нескольких определений:
Сталь — это сплав железа и углерода
Леги́рованная сталь — содержит в себе специально вводимые в её состав элементы. Разные добавки могут увеличить механические свойства (прочность, пластичность, ударная вязкость, прокаливаемость), химическую или тепловую стойкость (нержавеющие и котловые, быстрорежущие стали), магнитные качества.
Электротехническая сталь – разновидность черного металлопроката, нелегированная или легированная кремнием, алюминием с заданными ферромагнитными свойствами. Она широко применяется в сильноточном и слаботочном производстве электрооборудования и электротоваров общего потребления. Из нее изготавливают магнитопроводы, рассчитанные для работы в магнитных полях при изменении вектора намагниченности частотой до 400 Гц. При этом сталь отличается низкой доступной ценой и высоким уровнем индукции.
Ферромагнетизм — появление спонтанной намагниченности ниже температуры Кюри. Это основной механизм превращения бруска железа в постоянный магнит.
Температура Кюри — точка перехода, после которой меняются внутренние свойства материала. Например в ферромагнетиках появляется магнетизм.
Легирование кремнием
Электротехническая сталь относится к мягким ферромагнетикам с улучшенными свойствами. Ее отличительная особенность ‒ устанавливать ниже температуры точки Кюри скачкообразное изменение свойств материала, следствием которого является спонтанная намагниченность. Сталь приобретает ферромагнитные свойства за счет упорядоченного параллельного расположения магнитный моментов электронов. То есть материал приобретает свойства магнита без присутствия магнитного поля.
Для увеличения магнитных свойств железа его легируют кремнием. При введении силицида железа FeSi увеличивается электрическое сопротивление, повышается индукция насыщения, сплав достигает максимально возможного уровня намагниченности. Наиболее вредная для магнитных свойств сплава форма углерода из цементита переходит в графит. Кремний помогает снизить до минимума магнитную анизотропию и установить стабильные показатели магнитного поля по всем направлениям стали. Уменьшение магнитострикции (изменение объема и размеров ферромагнитных деталей) снижает уровень шума, вибрации, что уменьшает дискомфорт и сохраняет приборы и детали от разрушения.
Добавление кремния более 4,38% приводит к тому, что сталь приобретает крупнозернистую структуру, что повышает ее твердость и хрупкость, снижает пластичность и прочность. Кремний гарантирует стабильность магнитных свойств, снижает время ее старения. Содержание кремния строго регламентируется стандартами и нормативными документами и колеблется в зависимости от назначения и вида материала от 0,8% до 4,8%.
Особенности электротехнической стали
Высокое сопротивление препятствует образованию вихревых токов, которые вызывают нагрев сердечника и защитных устройств электротехники.
У магнито-мягкого ферросплава из которого изготавливают трансформаторы, генераторы, контролеры, реле, передатчики, должна быть низкая коэрцитивная сила. Для стали, которую используют для производства магнитопроводов, сердечников и магнитов максимально высокая. Значение коэрцитивной силы показывает напряженность внешнего магнитного поля, которое приводит к полному размагничиванию стали. Ее повышают путем увеличения содержания кремния.
Петля гистерезиса характеризуется показателем ширины. Чем она шире, тем больше времени потребуется электродетали для восстановления своих изначальных параметров. При снижении ширины уменьшается временный промежуток для восстановления первоначальных значений и снятия механических напряжений.
Магнитная проницаемость характеризует способность магнитных моментов электронов ориентироваться параллельно при воздействии внешнего магнитного поля. Увеличение коэффициента магнитной проницаемости приводит к уменьшению потерь на вихревые токи, снижение петли гистерезиса. Коэффициент зависит от величины внешнего магнитного поля.
Толщина выпускаемых листов трансформаторной стали варьируется от 0,05 до 2 мм.
Производство электротехнической стали
Ее выплавляют в доменных печах при температуре 1500-16500 С методом полного окисления, при котором до минимума снижается содержание кислорода и вредных примесей в материале. Потом разливают на слитки или платины весом от 0,5 т или плиты.
Разбираемся в марках стали
Наиболее востребованные марки стали: 10880, 10895, 10850, 10860, 11880, 11895, 20880, 21880, 21895 и другие.
Первая цифра указывает на класс согласно виду обработки давлением:
- Цифра 1 (горячекатаная и кованая),
- Цифра 2 (калиброванная) показывает, что сталь подверглась дополнительной обработке методом холодного волочения с изменением размера заготовки с помощью обжатия валками.
Вторая цифра показывает содержание кремния:
- Цифра 0 – нелегированная с содержанием кремния до 0,03% без установленного коэффициента старения (изменения свойств металла с течением времени),
- Цифра 1 – установлен коэффициент старения, то есть гарантированно отсутствие изменения свойств и микроструктуры материала.
Цифра 8 указывает на основной качественный показатель, для данного вида сталей это коэрцитивная сила.
Четвертая и пятая цифры устанавливают количественный показатель коэрцитивной силы для данного класса стали в целых единицах ампер/метра.
Виды, ферромагнитные свойства и физические показатели качества формируются в процессе прокатки заготовок в тонкие листы или ленты.
Две технологии производства: горячекатаная и холоднокатаная обработка
Горячекатаный метод предполагает предварительный нагрев заготовок до температуры 800-13000 С. Затем они подаются на прокатный стан. Прокатный стан представляет собой набор чередующихся валков с разной толщиной зазора между ними. Разогретая заготовка, проходя поочередно между ними, под давлением с помощью пластической деформации изменяет толщину с 7,5 мм-60 мм до 0,05 мм-2 мм. Предварительный нагрев повышает пластичность материала, но при этом повышенная температура изменяет свойства стали.
Холоднокатаную электросталь получают при температуре окружающей среды в два этапа. На первом этапе листовой прокат вальцуют толщиной более 0,5 мм. Затем сталь разрезают на листы или сворачивают в рулон и проводят отжиг при температуре 1150-11800 С с последующей прокаткой до необходимой толщины. Холоднокатаный прокат бывает изотропным и анизотропным. У анизотропных материалов физические свойства усиленные по ходу движения валков, что приводит к строгому структурированию электромагнитных потоков по горизонтальной оси зерен металла.
Еще немного про химический состав
Для улучшения адгезии и антикоррозийных свойств изделия из ЭТС покрывают слоем изоляции, который не влияет на магнитные свойства и способность пропускать электрический ток. К ним относятся покрытия на основе эмалей, лаков, стеклоэмали и полимеров.
В зависимости от содержания кремния сталь делится на:
- Трансформаторную с содержанием кремния от 3,0% до 4,5% — используется для производства трансформаторов.
- Динамную со степенью легирования кремнием от 0,8% до 2,5% — используется для изготовления слаботочной продукции, к которой относятся дешевые электротехнические изделия для всех видов промышленного оборудования и электроприборов для быта.
Сталь считается нелегированной если содержание кремния не превышает 0,3%. Помимо него в состав электротехнической стали нелегированной входят: Mn до 0,3%, S минимум 0,03%, Р до 0,02% и Сu до 0,3%.
Магнито-мягкая легированная сталь помимо кремния 0,2% содержит до 0,3% марганца, от 15,5 до 16,5% хрома, 0,3% никеля, от 0,01% до 0,015% серы, фосфора соответственно не белее 0,015%, молибдена 0,1% и 0,2% титана.
Электротехническая трансформаторная сталь легируется силицидом железа FeSi. С его помощью восстанавливаются оксиды железа, углерод переходит в графит, сплав освобождается от кислорода, который оказывает негативное влияние на структуру металла и его магнитные свойства.
Промышленность производит порядка 80 марок электротехнических сталей под самые разные цели.
