ГЛАВА XVII. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

В этой главе рассмотрены стали и сплавы, для которых основным предъявляемым к ним требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств.

Механические свойства этих сталей и сплавов чаще не имеют основного значения. Многие из этих сплавов являются прецизионными в смысле высокой точности химического состава и технологии производства.

1. МАГНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Различают три группы магнитных сталей и сплавов: магнитно-твердые, магнитно-мягкие и парамагнитные.

Магнитно-твердые стали и сплавы. Эти стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Магнитная энергия постоянного магнита тем выше, чем больше остаточная магнитная индукция и коэрцитивная сила Магнитная энергия пропорциональна произведению или точнее произведению Поскольку ограничена магнитным насыщением ферромагнетика (железа), увеличение магнитной энергии достигается повышением коэрцитивной силы

Для получения высокой коэрцитивной силы стали должны иметь неравновесную структуру, обычно — мартенсит с высокой плотностью дефектов строения.

Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали с , легированные хромом а также одновременно хромом и кобальтом, Легирующие элементы повышают, главным образом, коэрцитивную и магнитную энергию, а также улучшают температурную и механическую стабильность постоянного магнита. Хромистые и кобальтовые стали сравнительно легко обрабатываются давлением и резанием, но обладают относительно малой магнитной энергией. Коэрцитивная сила легированных сталей составляет и остаточная индукция Наиболее высокие магнитные свойства имеют стали после нормализации, высокого отпуска, закалки и низкого отпуска (при 100 °С).

В промышленности наиболее широко применяют сплавы типа алиико (табл. 31). Сплавы тверды, хрупки и не поддаются деформации, поэтому магниты из них изготовляют литьем. После литья проводят только шлифование.

Высокие магнитные свойства сплавы получают после нагрева до 1250-1280 °С и последующего охлаждения (закалки) с определенной (критической) для каждого сплава скоростью

Таблица 31 (см. скан) Химический состав (по содержанию легирующих элементов) и магнитные свойства некоторых литых сплавов для постоянных магнитов (ГОСТ 17809-72)

охлаждения; после закалки следует отпуск при 580-600 °С. При охлаждении от температуры закалки высокотемпературная фаза а распадается на две фазы осги которые имеют одинаковую кристаллическую ОЦК решетку с незначительным различием в периодах. Фаза — твердый раствор на базе железа, ферромагиита, — парамагнитная фаза на базе соединения После указанной термической обработки агфаза распределена в виде пластинок (игл) однодоменных размеров в -фазе. Отпуск усиливает обособление фаз, что увеличивает коэрцитивную силу. Большие внутренние напряжения, возникающие в процессе а-распада высокотемпературной фазы, анизотропия формы частиц образующей фазы, а также однодоменность этих частиц определяют высококоэрцитивное состояние сплавов. Дальнейшее повышение магнитной энергии достигается созданием в сплавах магнитной и кристаллографической текстур.

Для создания магнитной текстуры сплавы типа алнико подвергают термомагнитной обработке: нагреву до 1300 °С и охлаждению со скоростью (в зависимости от состава сплава) в магнитном поле, приложенном вдоль направления наиболее важного для магнита данной конфигурации. Затем магнит отпускают при При обработке в магнитном поле -фаза

выделяется в виде частиц, ориентированных вдоль поля параллельно направлению [100].

После такой обработки магнитные свойства сплавов становятся анизотропными, их магнитные характеристики сильно возрастают в направлении приложенного магнитного поля (магнитная текстура). Термомагнитной обработке подвергают сплавы, содержащие свыше . Кристаллическая текстура образуется в случае направленной кристаллизации отливки магнита, при этом возникают столбчатые кристаллы, растущие в направлении [100]. Это сильно повышает магнитные свойства, поскольку они зависят от кристаллографической ориентации ферромагнитных фаз.

Для изготовления магнитов применяют и порошковые сплавы Эти сплавы проходят такую же термическую обработку, как и литые сплавы. Сплавы не обладают хрупкостью.

Некоторое применение нашли деформируемые сплавы , остальное — изготовляемые в виде проволоки диаметром мм, полос и лент толщиной мм. После закалки и холодной деформации сплавы подвергают отпуску при Свойства сплавов после такой обработки: (в зависимости от полуфабриката). Сплавы содержащие (остальное Fe), в виде горячекатаных листов используют для изготовления малогабаритных магнитов., В промышленности используют сплавы на основе системы , достаточно хорошо деформируемые при прокатке. Свойства сплавов типа после термической обработки

Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь). Магнитно-мягкие стали применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для, магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т. д.

Общие требования, предъявляемые к магнитно-мягким материалам, — высокая магнитная проницаемость, низкая коэрцитивная сила, а для деталей магнитопроводов, работающих в переменных магнитных полях, - малые потери при перемагничивании и потери на вихревые токи.

Для получения минимальной коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости ферромагнитный материал должен быть чистым от примесей и включений, иметь гомогенную структуру (чистый металл или твердый раствор). Магнитная проницаемость возрастает, если зерно феррита крупнее. Даже слабый наклеп снижает магнитную проницаемость и повышает Поэтому материал должен быть полностью рекристаллизован для устранения внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы Кремний, образуя с а-железом твердый раствор, увеличивает электрическое сопротивление и, следовательно, уменьшает потери на вихревые токи; кроме того, кремний повышает магнитную проницаемость, немного снижает коэрцитивную силу и потери на гистерезис вследствие вызываемого им роста зерна, графитизирующего действия и лучшего раскисления сталей. Однако кремний понижает индукцию в сильных магнитных полях и повышает хрупкость, особенно при его содержании Холоднокатаные кремнистые стали поставляют в отожженном состоянии с термостойким покрытием.

Электротехническую сталь изготовляют в виде рулонов, листов и резаной ленты.

Листовую электротехническую сталь чаще подвергают обезуглероживающему (черновому) отжигу при 720-800 °С (выдержка 25 ч), рекристаллизационному отжигу после прокатки и окончательному отжигу в вакууме или в атмосфере сухого водорода при 1100-1200 °С в течение 25-30 ч. После проведения высокотемпературного отжига в рулонах проводят дополнительный отжир в атмосфере, состоящей из для снятия напряжений и рулонной кривизны.

Электротехническую сталь маркируют цифрами Первая цифра определяет структуру и вид прокатки: горячекатаная изотропная (1), холоднокатаная изотропная (2) и холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой в направлении [100] (3). Вторая цифра указывает содержание в стали кремния: 0 — до Третья цифра определяет потери на гистерезис и тепловые потери. Четвертая цифра — код числового значения нормируемого параметра. Чем цифра больше, тем меньше удельные потери

Горячекатаная изотропная сталь марок 1212, 1311, 1411, 1511, 1514 имеет высокие удельные потери. С увеличением в стали кремния потери на вихревые токи и перемагничивание уменьшаются. Удельные потери при магнитной индукции и частоте тока 50 Гц для листов толщиной 0,5 мм для стали 1212 составляют для стали 1514 эти потери не превышают

Холоднокатаную изотропную тонколистовую электротехническую сталь выпускают марок: 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412. Удельные потери у этих сталей ниже, чем у горячекатаных. В зависимости от содержания кремния удельные потери для толщины листа 0,5 мм лежат в пределах 3,8 (сталь 2011) — 1,3 (сталь

Чем тоньше лист, тем меньше удельные потери. Магнитная индукция при напряжении магнитного поля составляет для низкокремнистых сталей и для сталей с

Холоднокатаная анизотропная (текстурированная) листовая сталь содержит 2,8-3,8 % Si (марки 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406). Эта сталь относится к ферритному классу сталей, не испытывающих у а-превращения.

Магнитные свойства трансформаторной стали анизотропны. Магнитная проницаемость Цшах вдоль направления [111] в 30 раз меньше, чем в направлении [100]. Текстурованную листовую сталь изготовляют с ребровой текстурой, когда ребро куба [100], т. е. направление легкого намагничивания параллельно направлению прокатки, а плоскость (100) параллельна плоскости проката.

В текстурованной холоднокатаной стали по сравнению с изотропной сталыо, содержащей то же количество кремния, при больших значениях индукции потери на перемагничивание меньше и соответственно меньше удельные потери.

При толщине листа 0,5 мм потери 5/50 составляют (сталь 34) 1) и (сталь 3414), снижаясь до (сталь 3415, 3416) при толщине листа 0,28-0,3 мм. Листы, предназначенные для работы в силовых агрегатах, при высоких частотах переменного тока должны быть толщиной мм, так как при этом меньше снижается проницаемость и не столь сильно возрастают удельные потери с увеличением частоты тока.

Удельное электрическое сопротивление сталей с низким содержанием кремния (2011, 2111) составляет повышаясь до для высококремиистых сталей (2311, 2411).

Для получения больших значений индукции в очень слабых магнитных полях применяют сплавы получившие название пермаллой. Сплавы подразделяют на две группы: низконикелевые и высоконикелевые Низконикелевые пермаллои имеют повышенную магнитную проницаемость и индукцню насыщения Высоконикелевые пермаллои характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых полях при сравнительно небольшой индукции насыщения Пермаллои часто легируют которые уменьшают чувствительность к пластической деформации, повышают удельное электрическое сопротивление и магнитную проницаемость. Медь повышает удельное электрическое сопротивление и стабилизирует свойства. Пермаллои получают из чистейших сортов никеля и железа вакуумным переплавом. Изготовляют пермаллои в виде листов и лент магнитопроводов. Термическая обработка сводится к отжигу при в вакууме (водороде) с последующим медленным охлаждением со скоростью до 400 °С и дальнейшим быстрым охлаждением со скоростью при котором не происходит упорядочения твердого раствора. Такая обработка, кроме того, позволяет получить крупное зерно и уменьшить содержание в сплавах примесей. Применяют пермаллои в радиотехнике, и телефонии.

Парамагнитные стали. В электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники требуются немагнитные (парамагнитные) стали. Для этой цели используют парамагнитные аустенитные стали и др.

Недостатком этих сталей является низкий предел текучести что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин. Прочность может быть повышена за счет деформационного и дисперсионного упрочнения. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения, достигается азотированием (стали ).