МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО

Термин «железо» является условным, строго говоря, это на­звание химического элемента. В промышленном же применении железо всегда содержит примеси, т. е. представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Поэтому, напри­мер, в стандартах на магнитные материалы (ГОСТ 3836—47) термин «железо» заменен названием «низкоуглеродистая элект­ротехническая сталь». Однако такая терминология встречает воз­ражения *. Мы будем пользоваться обоими названиями, считая, что технически чистое железо содержит менее 0,1% углерода и минимальное количество серы, фосфора, марганца и других при­месей.

Железо является основным компонентом почти всех совре­менных магнитных материалов и его качество как составляющей шихты во многом определяет их свойства. Кроме того, железо применяется и как самостоятельный магнитномягкий, а в послед­нее время и как магнитнотвердый материал (см. § 23). Вслед­ствие низкого удельного электросопротивления железо приме­няется только в постоянных магнитных полях.

Магнитные свойства железа, в первую очередь значения маг­нитной проницаемости в слабых и в средних полях и коэрцитив­ная сила, могут меняться в очень широких пределах в зависимо­сти от количества и состава примесей, величины зерна, характера термообработки и других причин.

Например, чистейшее железо, полученное П. Чиоффи в ре­зультате длительного отжига в водороде при 1480° С, обладало следующими свойствами: (гтах = 680 ООО, Яс = 0,80 а/ж = 0,010 э; современное промышленное железо соответственно имеет Umax = 4500—3500; #с = 6,4—9,6 а/м = 0,8—1,2 э, т. е. свойства ла­бораторного железа в 100—200 раз выше свойств технического.

Такая значительная разница объясняется большим влиянием примесей на свойства железа и трудностями их удаления. Так, для удаления 90% всей содержащейся в железе серы из листа толщиной 0,36 мм требуется выдержка в водороде при 1250° С в течение 30 ч [JI. 18].

Влияние примесей на свойства чистейшего железа приведено в табл. 3. Из данных таблицы можно сделать вывод о том, что самыми вредными примесями являются углерод, кислород и сера.

Таблица 3

Влияние малых количеств вредных примесей (в °/о) на потери иа гистерезис и коэрцитивную силу чистейшего железа [Л. З]

* См., например, статью проф. Р. Януса «Электротехническое железо» или «сталь»? «Физика металлов и металловедение». Т. 6, вып. 2, 1958.

Кроме химического состава, большое влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно величина зерна. На границах зерен происходит искажение кристалличе­ской решетки и особенно легко выделяются содержащие углерод фазы, поэтому, чем меньше зерен приходится на единицу объема (чем крупнее зерна), тем выше магнитные свойства.

Влияние размера зерна на коэрцитивную силу можно оценить следующей эмпирической формулой:

Нс = 4 + D, (38)

А

Где Нс — коэрцитивная сила, э;

D — средний диаметр зерна, см; А и D — постоянные, зависящие от содержания примесей.

Для чистейшего железа

(39)

А

Для низкоуглеродистой электротехнической стали

Яс = °-^ + 0,55. (40)

D

Следовательно, для получения железа с высокими магнитны­ми свойствами необходимо стремиться не только к очистке его от примесей, но и к выращиванию крупного зерна, что достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом).

Железо выплавляется в мартеновских или электрических пе­чах. При этом листы одной плавки имеют магнитные свойства, соответствующие первому, второму, третьему сорту, а возможно и браку. Качество плавки оценивают по процентному соотноше­нию сортов.

Улучшение свойств железа в процессе производства может быть достигнуто в результате многократных переплавок в ва­кууме, а также различных видов отжига: в водороде, вакууме и др.

При использовании железа в качестве магнитного материала необходимо учитывать эффект старения и влияние на магнитные свойства механических напряжений.

Под магнитным старением обычно понимают увеличение ко­эрцитивной силы железа со временем, что объясняется структур­ными превращениями, а именно образованием немагнитные включений определенной степени дисперсности. Типичные кривые магнитного старения низкоуглеродистой стали при различных температурах показаны на рис. 18. Коэрцитивная сила может возрасти более чем в 1,5—2 раза. Повышение температуры ус­коряет процессы старения.

Уменьшение старения достигается легированием железа неко­торыми элементами, например кремнием или алюминием, а так­же искусственным остариванием, которое заключается в выдер­живании материала при 100° С в течение 100—150 ч.

Механические напряжения, возникающие при штамповке, резке и других видах обработки, а также при растяжении, сжатии или скручивании железа, могут вызвать значительное ухудшение магнитных свойств. Деформация на 0,5—1 % вызывает снижение Мтах на 25—30% и возрастание #с на 15—20% [Л. 3].

Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработки деталей.

Необходимо также иметь в виду, что магнитные свойства тонких листов железа (меньше 0,5—1 мм) обычно хуже, чем толстых листов.

Все это относится к магнит­ным свойствам железа в слабых и в средних полях. Проницае­мость в сильных полях и индук­ция насыщения от указанных выше причин зависят мало.

В настоящее время наиболь­шее применение имеют низкоуг­леродистая электротехническая тонколистовая и сортовая сталь, армко-железо [24], электролитиче­ское и карбонильное железо.

Низкоуглеродистая электро­техническая сталь и армко-желе­зо по существу не имеют между собой различия. Формальная разница между ними заключается в том, что первая изготовляется как тонколистовая (ГОСТ 3836—47) и как сортовая (ЧМТУ 2900—56), а армко-железо ис­пользуют обычно в виде поковок, полос, прутков и т. п., нормиро­ванных по размерам только местными условиями.

Иногда разделение этих сплавов на сталь и железо произво­дят на основе технологических особенностей их изготовления. Однако такое разделение является условным.

А_ м

10 100 1000 t. v

Рис. 18. Кривые магнитного старения низкоуглеродистой электротехнической стали при различных температурах [J1. 18]

3

І. Ц

7/2

96- 7,2 80 - 1,0

64- 0,8

48

0.6

В соответствии с ГОСТ 3836—47 сталь низкоуглеродистая электротехническая тонколистовая содержит не свыше 0,04% углерода и не свыше 0,6% других примесей.

Сталь выпускается трех марок (сортов по магнитным свойст­вам): Э (низший сорт), ЭА (средний сорт), ЭАА (высший сорт),
в виде листов тонкого проката, имеющих толщину d = 0,2— 4,0 мм. Листы поставляются потребителю в отожженном состоя­нии.

Магнитные свойства материала приведены в табл. 4, а типич­ная кривая намагничивания — на рис. 19.

Сортовая сталь выпускается согласно ЧМТУ 2900—56 марки Э в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сече­ния, а также полос. Из магнитных свойств нормируется только коэрцитивная сила (#с < 1,25 э).

20

15

10

1000 100 10 1

Z000 Z00

Го г

3000 300 30 3

Н. э

ЧЛ

І5 В §Г 0

Шй о

Рис. 19. Кривая намагничивания армко-железа [JI. 3]

В, кгс\ Таблица 4

Магнитные свойства низкоуглеро­дистой электротехнической тонко­листовой стали (ГОСТ 3836—47)

После изготовления изде­лий из железа для получения высоких магнитных свойств необходимо провести оконча­тельный (повторный) отжиг. Его можно исключить лишь в том случае, если для работы устройства существенными яв­ляются свойства в сильных по­лях, а значения коэрцитивной силы и проницаемостей в сла­бых и средних полях не играют роли.

ГОСТ 3836—47 рекомендует отжиг при температуре 900° С в течение 2 ч без доступа воздуха с медленным охлаждением до 600° С.

Применяя вместо отжига такого рода более сложные виды термической обработки, например повторные отжиги или рафи­нирующие отжиги в водороде, можно существенно улучшить маг­нитные свойства железа.

Электролитическое железо изготовляется - путем электроли­за. Осажденное железо после тщательной промывки измельча­ется в порошок в шаровых мельницах. Ввиду большого насы­щения водородом магнитные свойства такого железа являются весьма низкими (Нс ~ 2—8 э). Однако в результате переплав­ки в вакууме и многократных отжигов его свойства можно су­
щественно улучшить. Обработанное таким образом электроли­тическое железо характеризуется следующими средними маг­нитными свойствами: ра = 500; рШах = 15000; Нс = 0,36 э, что в несколько раз лучше, чем у армко-железа.

Ввиду высокой стоимости электролитическое железо при­меняется мало.

Карбонильное железо получается посредством термического разложения пентакарбонила железа Fe (CO)s. При этом в зави­симости от условий разложения можно получить железо различ­ного вида: порошкообразное, губчатое и т. п. Для получения вы­соких магнитных свойств карбонильное железо должно быть подвергнуто термической обработке в водороде, после чего его можно охарактеризовать следующими свойствами: ра = 2000—■ 3000; ртах = 20 000—21 500; Яс = 0,08 э, что намного выше свойств армко-железа.

Карбонильное железо находит широкое применение в каче­стве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков (см. § 15). Оно изготовляется также в виде листов различной толщины.

В некоторых случаях вместо технически чистого железа в электропромышленности применяются углеродистые и легиро­ванные стали с содержанием 0,1—0,4% углерода. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа. Эти свойства можно улучшить отжигом деталей после их изготовления.

На рис. 20 приведены кривые намагничивания некоторых уг­леродистых и легированных сталей, имеющих применение в маг - нитопроводах машин и аппаратов.