1. Краткая теория

1.1. Общая характеристика электротехнической стали

Электротехническая сталь представляет собой сплав железа с кремнием (0,5÷5 ат.%). Свое название эта сталь получила из-за широкого применения в сильноточном машиностроении. Из нее изготавливают магнитопроводы электрических машин, трансформаторов и других устройств, рассчитанных на работу при частоте перемагничивания до 400 Гц. Наиболее важными характеристиками электротехнической

Наиболее важными характеристиками электротехнической стали является кривая намагничивания в средних и сильных магнитных полях, а также электромагнитные потери энергии при динамическим перемагничивании. Чем круче идет кривая намагничивания, тем эффективнее «работает» материал, т.е. для создания большего изменения магнитного потока требуется меньшее магнитное поле. Термин «потери» возник в связи с тем, что часть энергии магнитного поля, воздействующего на магнетик, идет на нагрев последнего, т.е. расходуется бесполезно. В частности, введение в железо кремния как раз и продиктовано стремлением к снижению потерь энергии. Кремний увеличивает удельное электросопротивление материала, что уменьшает т.н. вихревые токи. Эти токи возникают в любом проводящем материале при наличии в нем изменения магнитного потока. Именно они обуславливают большую часть потерь энергии. Однако добавка кремния даёт и отрицательный эффект. Она уменьшает индукцию насыщения и повышает хрупкость материала. Эти нежелательные факторы ограничивают концентрацию кремния.

Свойства электротехнической стали в значительной степени определяются способом изготовления. В связи с этим выделяется три основных группы сталей: горячекатаная, холоднокатаная изотропная и холоднокатаная с анизотропией магнитных свойств. Это обозначается первой цифрой в марке стали (1; 2; 3 соответственно). Всего в марке четыре цифры. Вторая цифра определяет содержание кремния в атомных процентах. Третья цифра указывает группу по основной нормирующей характеристик: 0 – удельные потери Р_1,7/50 (при максимальной индукции 1,7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц); 1 – Р_1,5/50; 2 – Р_1,0/400; 6 – магнитная индукция В_0,4 (в магнитном поле 0,4 А/м); 7 – В₁₀. Четвертая цифра в марке обозначает порядковый номер.

Горячекатаная сталь (ГОСТ 21427.3-75) имеет наибольшую историю. В соответствии с названием прокат (получение листа) производится в нагретом состоянии заготовки. Это позволяет изготовить стальной лист с большим содержанием кремния, что в холодном состоянии затруднено из-за хрупкости материала. Тем не менее, в связи с не очень высоким уровнем магнитных и механических свойств, производство этой стали сворачивается. Ее заменой можно считать холоднокатаную изотропную сталь (ГОСТ 21427.2-75). Она обладает повышенными магнитными свойствами, качественной поверхностью и хорошей штампуемостью.

Однако меньшими (в 2 раза) потерями энергии обладает холоднокатаная анизотропная сталь (ГОСТ 21427.4-78). Кремнистое железо имеет объемоцентрированную кубическую решетку и является магнитотрехосным материалом с осями легкого намагничивания (ОЛН) типа [100]. В результате определенных комбинаций механической и термической обработок зерна материала преимущественно ориентируются так, что плоскость (110) лежит в плоскости листа, а ось [100] расположена вдоль направления прокатки (ребровая текстура рис.1, а).

В этом направлении в листе возникает результирующая ОЛН, что приводит к упрощению доменной структуры, возрастанию доли 180-градусных доменных границ, ориентированных по ОЛН. Сформированная таким образом магнитная текстура способствует уменьшению потерь энергии.

Наличие анизотропии магнитных свойств имеет и свою отрицательную сторону. При отклонении направления перемагничивания от направления прокатки потери энергии заметно возрастают. Это ограничивает применение сталей с ребровой текстурой. Сравнительно недавно разработана технология получения сталей с плоскостной и кубической текстурами. В первом случае плоскость листа содержит разориентированые между собой грани куба (рис.1, б). Таким образом, сталь оказывается изотропной по своим свойствам. Но поскольку в плоскости листа не содержится осей трудного намагничивания типа [111], уровень свойств такого материала выше, чем нетекстурированной стали. Во втором случае текстура повышается за счет выстраивания вдоль направления прокатки осей типа [100] (рис.1, в). В такой стали потери энергии минимальны в двух направлениях перемагничивания. Это расширяет сферу и упрощает технологию применения стали. Правда, сложность получения сталей с кубической текстурой заметно повышает их стоимость.

Электромагнитные свойства и удельное сопротивление (β) некоторых марок сталей приведены в таблице 1. Следует обратить внимание, что сталиодной и той же марки могут выпускаться в листах разной толщины от 1 до 0,05 мм. Тонколистовая сталь является специальной и используется при повышенных частотах перемагничивания (до 10 кГц).