Быстрозакаленные электротехнические стали и сплавы
|
Проблема экономии энергии заставляет уделять в последнее время большое внимание разработке материалов, обеспечивающих ее экономное расходование в силовых трансформаторах, электродвигателях и других агрегатах, магнитопроводы которых изготовляются из электротехнической стали. В современных анизотропных сталях потери на гистерезис и вихревые токи при намагничивании составляют до ~20%, изотропных — до ~30% от общих потерь. Величина потерь зависит от содержания легирующих элементов и примесей, величины зерна, текстуры, толщины листа и многих других факторов. Обычно кремнистая сталь используется в производстве трансформаторов и электромоторов, а также других изделий, от сердечников которых требуется высокая индукция при приемлемых потерях и невысокой стоимости. Потери удается снижать повышением чистоты материала, текстурированием, тщательным контролем за ростом и размерами зерна, а также нанесением специальных покрытий. Совсем недавно с этой же целью были использованы еще два метода: уменьшение толщины стального листа с обычных 0,3 до 0,15—0,23 мм, а также лазерная обработка поверхности. Электротехническая кремнистая сталь и сплав сендаст (Fe—St—Al), который используют, главным образом, в магнитных головках, имеют один общий недостаток: улучшение магнитных свойств, в частности, снижение потерь на намагничивание, посредством легирования затрудняется охрупчиванием, которое проявляется при обычных условиях обработки. Этот недостаток устраняется быстрой закалкой расплавов, так как соответствующее измельчение зерен и частичное или полное подавление реакций упорядочения в твердом состоянии расширяют концентрационную область удовлетворительной пластичности и вязкости до более высоких концентраций легирующих элементов.  Быстрая закалка сплавов Fe—Si с повышенным содержанием кремния по сравнению с обычными для электротехнической стали 3% (по массе) открывает возможность снизить потери на намагничивание при сохранении удовлетворительных механических свойств. Основные фактические данные, на которых основано это улучшение, суммированы на рис, 80, При повышении содержания кремния наиболее сильно изменяются постоянные магнитострикции λs(100) и λs(111), которые равны нулю при 6,5 и 5% (по массе) Si соответственно. Это означает, что магнитно-упругое взаимодействие и, следовательно, потери становятся минимальными в этом интервале концентраций. Другие магнитные свойства (Bs, Tc, Ki и т. д.) меняются меньше. Уменьшение Ki при возрастании концентраций Si также способствуют уменьшению потерь. Минимум РFе наблюдается при содержании около 6,5% (по массе) Si (см. рис. 80). Однако в этой области сплавы исключительно хрупки. Их невозможно прокатать в тонкий лист. Это объясняется протеканием в сплавах Fe — Si в указанной области концентраций процесса упорядочения (твердый раствор с решеткой о.ц.к, переходит в структуру о.ц.к. типа CsCl), который и вызывает охрупчивание. При больших содержаниях Si температура процесса упорядочения твердого раствора Fe(Si) достаточно высока. Поэтому обычной технологии обработки сопутствуют упорядочение и охрупчивание сплавов. Однако процесс упорядочения можно частично или полностью подавить быстрой закалкой расплава. Таким образом, в магнитно-мягких сплавах Fe — 5—6,5% (по массе) Si быстрая закалка расплавов служит для подавления реакции в твердом состоянии, В итоге gереход от вязкого к хрупкому разрушению смещается к более высоким концентрациям Si (см. рис. 80). Концентрационная граница этого перехода определяется скоростью охлаждения от температуры кристаллизации расплава до температур ниже температуры упорядочения твердого раствора. Быстрозакаленные высококремнистые сплавы с разупорядоченной структурой находятся в ковком состоянии. Кроме того, быстрая закалка обеспечивает получение тонких лент непосредственно из расплава. Микроструктура быстрозакаленной ленты Fe — 6,5% (по массе) Si содержит столбчатые кристаллы, проросшие сквозь ленту с небольшим наклоном к поверхности. Темные поля на электронно-микроскопическом изображении (на просвет) показывают, что упорядоченное состояние обычно не полностью подавляется и что образуется тонкодисперсная доменная структура с антифазными границами (~0,1 мкм). Магнитные свойства быстрозакаленной ленты в исходном состоянии довольно низкие из-за мелкозернистой структуры и многочисленных дефектов, мешающих движению стенок Блоха. Из зависимости потерь в сердечнике из свежезакаленных сплавов с различным содержанием Si от величины индукции видно, что минимум соответствует сплаву с 6,5% (по массе) Si (рис. 81). Этого и можно было ожидать, поскольку λs(100) остается равной нулю. Отжиг улучшает свойства благодаря уничтожению дефектов, росту зерен и образованию текстуры. Для достижения максимального снижения потерь необходимо оптимальное сочетание ряда условий: благоприятная микроструктура (возможно, с холодной прокаткой после литья), пригодные температура и длительность отжига, контролируемая атмосфера. Лучшие результаты достигаются на лентах, имеющих текстуру рекристаллизации (100) [0kl], что устраняет направление магнитной твердости [111] из плоскости ленты. Почти неупорядоченное распределение направлений [100] в плоскости ленты обеспечивает магнитную однородность в плоскости ленты, что весьма удобно для практического использования во вращающихся магнитных полях, например, электромоторов. Значительное улучшение свойств быстрозакаленных железокремнистых материалов для трансформаторов и сердечников достигается при создании текстуры с направлением [100], параллельным направлению намагничивания.  Из рис. 81 и 82 видно, что быстрозакаленная и отожженная после быстрой закалки лента с 6,5% (по массе) Si имеет более низкие потери, чем обычная нетекстурованная кремнистая сталь и может быть серьезным конкурентом для текстурованных кремнистых сталей и аморфных сплавов в частотном диапазоне 50—60 Гц. Аморфные металлические сплавы характеризуются наименьшим значением потерь. Однако к ним приближается текстурованная кремнистая сталь, которая может использоваться при больших значениях магнитной индукции. Серьезную конкуренцию оказывают и быстрозакаленные сплавы Fe с 4,5—6,5% (по массе) Si, если учесть, что работа над этими материалами ведется сравнительно недавно. Отметим, что величины потерь на рис. 82 приводятся для комнатной температуры, тогда как рабочая температура таких изделий -100°С. Потери аморфных сплавов с повышением температуры растут гораздо быстрее, чем у кристаллических материалов. Помимо величин потерь» имеют большое значение и другие технико-экономические показатели, которые подробно обсуждены в работах. Наконец, в результата проведения дальнейших исследований соотношения между преимуществами в стоимости, рабочих характеристиках и пр. могут изменяться. Потенциальное улучшение сплавов типа сендаст при помощи быстрой закалки основано на том же механизме, как и для сплавов Fe—Si; подавление упорядочения. В тройной системе Fe—Si—Al [сендаст обычно содержит 6—12% (по массе) Si и 3—10% (по массе) Al] могут образоваться две упорядоченные фазы (типа CsCl и типа Fe3Al), что и приводит к охрупчиванию. Использование быстрой закалки хрупкого сплава позволяет получить ленту, которая в исходном быстрозакаленном состоянии способна упруго изгибаться до радиуса 8 мм. Начальная магнитная проницаемость быстрозакаленного материала составляет -34000 при 1—3 кГц и 10000 при 85 кГц. Другие авторы получили сходные благоприятные результаты и дальнейшее улучшение механических свойств благодаря добавкам Mo, Ni и Ca, которые, по-видимому, влияют на процессы упорядочения. Быстрозакаленный микрокристаллический сендаст в общем успешно конкурирует с аморфными сплавами в магнитных головках, так как технологически обусловленные различия магнитных свойств и износостойкости могут быть решающими при выборе материала в тех или иных случаях использования. |
