5.2. Технически чистое железо
Термин «железо» соответствует названию химического элемента. В промышленном же применении железо представляет собой сплав, в котором обязательно присутствует углерод. Принято считать, что технически чистое железо содержит менее 0,05% углерода и минимальное количество серы, фосфора, марганца и других примесей. В стандартах на магнитные материалы (ГОСТ 11036—75) термин «железо» заманен термином «низкоуглеродистая электротехническая сталь».
Железо является основным компонентом почти всех современных магнитных материалов, и его качество как составляющей шихты во многом определяет их свойства. Кроме того, железо применяют и как самостоятельный магнитомягкий, а в последнее время и как магнитотвердый материал. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовлении изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.
Магнитные свойства железа и в первую очередь магнитная проницаемость в слабых и средних полях и коэрцитивная сила могут меняться в очень широких пределах в зависимости от количества и состава примесей. Свойства железа, полученного лабораторным путем, в 100—200 раз выше свойств технически чистого железа, что объясняется большим влиянием примесей, которые трудно удалить. Самыми вредными примесями являются углерод, кислород, сера, азот и водород.
Кроме химического состава, значительное влияние на магнитные свойства железа оказывает его структура, особенно размер зерна (деформированного кристалла округлой формы). Искажения кристаллической решетки, а также концентрация примесей на границах зерен затрудняют процессы смещения доменных границ и приводят к увеличению коэрцитивной силы. Поэтому чем крупнее зерна (меньше протяженность границ зерен на единицу объема), тем выше магнитные свойства.
Выращивание крупного зерна достигается главным образом соответствующей термообработкой (отжигом).
Улучшить свойства железа в процессе производства можно 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 (иногда более чем в 1,5—2 раза), что объясняется структурными превращениями — образованием немагнитных включений определенной степени дисперсности. Повышение температуры ускоряет процессы старения.
Уменьшение старения достигается легированием железа некоторыми элементами, например кремнием или алюминием, а также путем искусственного старения, 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 значительно ухудшить магнитные свойства. Деформация на 0,5—1 % вызывает снижение M на 25—30% и возрастание HC на 15—20%. Внутренние напряжения снимаются отжигом после обработки деталей.
Магнитные свойства у тонких листов железа (меньше 0,5— 1 мм), как отмечалось, обычно хуже, чем у толстых. Это относится к магнитным свойствам железа в слабых и в средних полях. Проницаемость в сильных полях и индукция насыщения от перечисленных причин зависят мало.
Наибольшее распространение имеют низкоуглеродистая нелегированная электротехническая сталь, электролитическое и карбонильное железо.
Низкоуглеродистую электротехническую сталь изготавливают тонколистовой и в виде ленты. На последнем этапе обработки ее подвергают горячей или холодной прокатке. Магнитные свойства некоторых марок низкоуглеродистой электротехнической стали приведены приложении 2.
Марки низкоуглеродистых сталей состоят из пятизначных чисел: первая цифра — горячекатаная (1) или холоднокатаная (2); вторая — содержание кремния (0 до 0,3% Si включительно) и коэффициент старения (0 —сталь нелегированная без нормирования коэффициента старения; 1 — сталь нелегированная с заданным коэффициентом старения); третья — группу по основной нормируемой характеристике (8 — по коэрцитивной силе); четвертая и пятая — количественное значение основной нормируемой характеристики для наиболее широко применяемой толщины (для восьмой группы — коэрцитивная сила). Например, марка 10895 означает: сталь низкоуглеродистая горячекатаная, с содержанием кремния не выше 0,3%, с количественно нормируемым - значением Нс, которое не должно превышать 95 А/м.
Некоторые марки этой стали иногда называют «армко-железо».
Типичная кривая намагничивания низкоуглеродистой электротехнической стали приведена на рис. 5.1. Указанные свойства материал имеет после отжига без доступа воздуха при температуре 900° С в течение 2—4 ч и медленного охлаждения до 600° С со скоростью не более 20—40° в час.
Электролитическое железо изготавливают путем электролиза. Осажденное железо после тщательной промывки измельчается в порошок в шаровых мельницах. Ввиду большого насыщения водородом магнитные свойства такого железа весьма низки (HC 160—640 А/м). После переплавки в вакууме и многократных отжигов электролитическое железо характеризуется следующими магнитными свойствами: н = 500;M=15000; HC=30 А/м, что в несколько раз лучше, чем у армко - железа. Ввиду высокой стоимости электролитическое железо применяют редко.
Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа Fе(СО)5. Карбонильное железо широко применяют в качестве ферромагнитной фазы магнитодиэлектриков, его изготавливают также в виде листов различной толщины.
Иногда вместо технически чистого железа в электропромыш-лепности используют углеродистые и легированные стали с содержанием 0,1—0,4% углерода. Магнитные свойства таких сталей ниже, чем у железа, но их можно улучшить отжигом изготовленных деталей. На рис. 5.2 приведены кривые намагничивания некоторых малоуглеродистых и низколегированных сталей, применяющихся в магнитопроводах машин и аппаратов.
Рис 5.1 Кривая намагничивания низкоуглеродистой электротехнической
стали (армко-железо)
Рис 5.2. Кривые намагничивания углеродистой стали с содержанием 0,1% (1),0,2%(2) и 0,3%(3) углерода после отжига при 9000С и стали 30X3B2M (4) после закалки и отпуска.