Магнитные свойства электротехнической стали - Влияние кремния на магнитные и электрические свойства электротехнической стали

1-4. ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЯ НА МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ
СТАЛИ

Электротехническая сталь обычно представляет собой сплав железа с кремнием. Легирование железа кремнием производится с целью улучшения его магнитных и электрических свойств за счет: увеличения удельного электросопротивления; выклинивания у области на диаграмме железо — кремний при Si=2,0-2,5% (рис. 1-19), что создает возможность нагрева стали до высоких температур без перекристаллизации и получения текстурованной стали; уменьшения постоянных магнитной анизотропии и магнитострикции; укрупнения зерна; энергичного раскисления жидкого металла и некоторой графитизации углерода.
По данным [Л. 1-25] постоянная магнитной анизотропии стали, содержащей l% Si, составляет 45Х104 эрг/см³, а с 4,5% Si — 28-104 эрг/см³ (рис. 1-20). Учитывая, что величина коэрцитивной силы связана определенной зависимостью с постоянной анизотропии (Нс≈Кп), можно объяснить этим наблюдаемое снижение коэрцитивной силы с увеличением содержания кремния в стали. 

Рассмотрим изменение постоянной магнитострикции λ100 и λ111 в монокристальных образцах железокремнистого сплава с разным содержанием кремния. 

Рис. 1-19. Диаграмма состояния Fe—Si.
По данным [Л. 1-26] в монокристаллах кремнистого сплава с Si = 3,5% λ100=24·10-6, a λ111= 2,3·10-6. В. Карр [Л. 1-27] исследовал зависимость λ100 и λ111 от содержания кремния (рис. 1-21). Было установлено, что λ100 с увеличением содержания кремния с 1,5 до 5% уменьшается с 27Х10-6 до 17-10-6, а при Si = 6,5% близка к нулю.
Различие по знаку и величине постоянных магнитострикции λ100 и λ111 в монокристаллах с разным содержанием кремния накладывает свой отпечаток на вид кривых магнитострикции нетекстурованной стали с разной степенью легирования кремнием [Л, 1-28]. На рис. 1-22 видно, что в образцах с малым содержанием кремния на кривых λ(Η) имеется максимум, связанный с отрицательным значением  λ111.  

Рис. 1-20. Зависимость постоянной магнитной анизотропии К от содержания кремния.
С увеличением содержания кремния абсолютное значение λ111 заметно уменьшается и максимум на кривой λ(Η) сглаживается.

Рис. 1-21. Зависимость постоянных магнитострикции (λ100 и λ111) от содержания кремния.
На рис. 1-23 показано изменение максимальной проницаемости от содержания кремния в нетекстурованной стали по данным [Л. 1-29]. При Si=6,5% имеет место наибольшее значение максимальной магнитной проницаемости, что связано с близким к нулю значением магнитострикции и малой постоянной магнитной анизотропии.

Рис. 1-22. Зависимость продольной магнитострикции железокремнистого сплава от напряженности магнитного поля.
Максимальная магнитная проницаемость после отжига при температуре 1 330 °C достигает 50 000, а после отжига в магнитном поле — более 200 000.
Из приведенных данных следует, что для получения наибольшей максимальной проницаемости и минимума потерь содержание кремния в электротехнической стали целесообразно увеличивать до 6,5%. Практически содержание кремния ограничивается 4,5%, так как при дальнейшем повышении кремния сталь становится весьма хрупкой.
Введение кремния приводит к увеличению удельного электрического сопротивления стали. Зависимость удельного электрического сопротивления, ом-м, от процентного содержания кремния определяется приближенной эмпирической формулой

При изменении содержания кремния с 1 до 4% удельное электрическое сопротивление сплава возрастает в 2,5 раза, что приводит к соответствующему уменьшению потерь от вихревых токов.

Рис. 1-23. Зависимость максимальной проницаемости от содержания кремния.
а — отжиг при 1 000 °C; б — отжиг при 1 300 °C в водороде; в — отжиг при 1 300 °C в водороде, при охлаждении с 700 °C в магнитном поле.
Введение кремния положительно сказывается на коэффициенте магнитного старения, который снижается с 6—8% при Si = l% до 2—3% при Si = 4%. Увеличение содержания кремния приводит также к резкому снижению температурного коэффициента электрического сопротивления стали (табл. 1-1).
Таблица 1-1
Температурный коэффициент электрического сопротивления железокремнистых сплавов

Это обеспечивает в стали с повышенным содержанием кремния незначительную температурную зависимость потерь от вихревых токов.

Рис. 1-24. Зависимость магнитной индукции при Н=4,8-104 а/м от содержания кремния.

Рис. 1-25. Зависимость температуры Кюри от содержания кремния.

Отрицательное действие кремния на магнитные свойства сводится к снижению магнитной индукции насыщения. По данным [Л. 1-30] при Si=l% магнитная индукция насыщения Bs снижается на 0,048 тл. Такое изменение наблюдается до Si= 14%. При дальнейшем увеличении содержание кремния индукция насыщения уменьшается более значительно. Излом на кривой Bs=f(Si) связывается с появлением соединений Fe3Si. При Si=33% ферромагнитные свойства сплава исчезают (рис. 1-24). Точка Кюри с повышением содержания кремния по данным Фалло [Л. 1-3] снижается (рис. 1-25).