Стали с особыми физическими свойствами

Магнитные стали и сплавы. Основные характеристики магнитных материалов: остаточная индукция Вr, коэрцитивная сила Нc и магнитная проницаемость µ.

Остаточная индукция Вr - магнитная индукция, остающаяся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля (измеряется в гауссах – Гс).

Коэрцитивная сила Нc – напряженность поля, которая должна быть приложена к образцу для того, чтобы его размагнитить (измеряется в эрстедах – Э).

Магнитной проницаемостью µ называется интенсивность намагничивания (размерность Гс/Э).

Магнитные сплавы подразделяются на магнитно-твердые (с большим значением Нc) -применяются для постоянных магнитов и магнитно – мягкие (с малым значением Нc и малыми потерями на гистерезис) – применяются при переменном намагничивании (например, для сердечников трансформаторов).

Магнитно – твердые сплавы. Углеродистая сталь У10 – У12 после закалки имеет Нc = 60 ÷ 65 Э и Вr = 8000 ÷ 8500 Гс.

Хромистая сталь ЕХЗ (1 % С, 1,5 – 3 % Сr) имеет такие же магнитные свойства, что и углеродистая. Она хорошо обрабатывается резанием и давлением; применяется для магнитов больших размеров и сложной формы.

Кобальтовые стали (15 % Со) обладают высокими магнитными свойствами: Нс = 100 ÷ 170 Э, Вr = 8000 ÷ 8500 Гс. Дефицитность кобальта ограничивает применение этих сталей.

Сплавы Fe – Ni – Al (11 – 14 % Al, 22 – 34 % Ni, остальное железо) – это сплавы «Альнико» или ЮНДК. Высокие показатели магнитных свойств (Нс = 400 ÷ 500 Э при Вr = 6000 ÷ 7000 Гс) позволяют изготовлять мощные магниты малых размеров. Это имеет большое значение для приборостроения.

Термическая обработка хромистой стали ЕХЗ – нормализация при 1000 – 1050 °С, закалка с 820 – 860 °С и обработка холодом при 203 К (– 70 °С). Затем старение при 100 °С в течение 10 – 24 ч.

Термическая обработка кобальтовой стали марки ЕХ9К5М: закалка (нормализация) с 1200 – 1220 °С для более полного растворения карбидов, отпуск при 700 °С и затем вторая закалка с 1030 – 1050 °С в масле, обработка холодом при 203 К (– 70 °С) и отпуск при 100 °С.

Термическая обработка сплавов Fe – Ni – Al – нагрев до температуры 1300 °С, охлаждение со скоростью 5 – 10 град/с в магнитном поле напряженностью 2000 – 3000 Э, отпуск при 600 °С. После такой обработки сплав имеет Hc = 500 Э, Вr = 12300 Гс.

Магнитно-мягкие сплавы имеют малую величину коэрцитивной силы, высокую магнитную проницаемость, незначительные потери на гистерезис.

В качестве магнитно-мягких материалов используют чистое железо, электротехническую сталь – низкоуглеродистую (0,05 – 0,005 % С), сплавы железа с кремнием (1,0 – 4,8 % Si). Кремний повышает электросопротивление, а следовательно, уменьшает потери на вихревые токи.

Магнитно-мягкие материалы применяют для изготовления сердечников, магнитных устройств, работающих в переменных магнитных полях.

Электротехнические стали маркируются следующим образом: Э11, Э12, Э22, Э32, Э42 и т. д. Буква Э указывает, что сталь электротехническая, первая цифра после буквы показывает содержание кремния в процентах, вторая цифра указывает гарантированные стандартом магнитные и электрические свойства.

Если сталь имеет текстуру, т. е. преимущественную ориентацию зерен, то к маркировке добавляют один нуль, а если сталь не имеет преимущественной ориентации зерен, то к маркировке добавляют два нуля.

Электротехническую сталь после прокатки подвергают отжигу при температуре 1100 – 1200 °С в атмосфере водорода.

Для восстановления магнитных свойств, ухудшение которых происходит в результате резания, штамповки, гибки и т. д., рекомендуется отжиг при температуре 750 – 800 °С в течение 2 ч с медленным охлаждением до 400 °С (~ 50 град/ч).

Электротехническую сталь изготовляют в виде листов толщиной от 1 до 0,05 мм.

Железоникелевые сплавы (от 40 до 80 % Ni) пермаллои имеют высокую магнитную проницаемость; применяются для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф).

Пермаллои подвергают отжигу при температуре 1100 – 1300 °С в вакууме или атмосфере водорода. При этом устраняются остаточные напряжения и примеси углерода. Зерно укрупняется. Охлаждение в магнитном поле также ведет к повышению магнитных свойств.

Ферриты - магнитно-мягкие материалы, получаемые спеканием смеси порошков окиси железа Fe₂0₃ и окислов металлов типа МО (NiO, MgO и др.). У ферритов высокая магнитная проницаемость и очень высокое удельное электросопротивление. Применяются в устройствах высоких и сверхвысоких частот.

Немагнитные стали – применяют для изготовления деталей в электромашиностроении и приборостроении взамен цветных металлов. Применение этих сталей снижает стоимость деталей, повышает механические свойства и уменьшает потери на вихревые токи.

Широкое применение находят аустенитные нержавеющие стали 12Х18Н9, 12Х18Н9Т. Применяются и более дешевые стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен марганцем.

Сплавы с высоким электросопротивлением применяются для элементов сопротивлений.

Сплавы для электронагревателей должны обладать высокой жаростойкостью, высоким электрическим сопротивлением, удовлетворительной пластичностью в холодном состоянии. Этим требованиям удовлетворяют железохромоалюминиевые и никелевые сплавы следующих марок: Х13Ю4 – фехраль (0,15 % С, 12-15% Сr, 3,5-5,5% А1), 1Х17Ю5 – сплав № 1 (0,12 % С, 16 – 19 % Сr, 4,6 – 6,0 % А1), 1Х25Ю5 – сплав №2 (0,12 % С, 23 – 27 % Сr, 4,6 – 6,5 % Al), Х20Н80 – нихром (0,15 % С, 20 – 23 % Сr, 75 – 78 % Ni), Х15Н60 – нихром (0,15 % С, 15 – 18 % Сr, 55 – 61 % Ni).

Стойкость нагревателей из железохромоалюминиевых сплавов выше, чем у нихромов.

Сплав № 2 с высоким содержанием хрома и алюминия малопластичен, и из него изготовляют литые элементы сопротивления, которые могут работать при температуре до 1200 – 1250 °С в атмосфере воздуха, кислорода, азота, сероводорода и углеводорода.

Предельная температура: фехраля – 1000 °С, сплава № 1 – 1000 °С, сплава №2 – 1150 °С, Х20Н80 – 1100 °С, Х15Н60 – 1050 °С.

Для элементов сопротивления и реостатов применяют и медные сплавы – никелин (45 % Ni, остальное медь), константан (39 – 41 % Ni, 1 – 2 % Мn, Сu – остальное), манганин (2,5 – 3,5 % Ni, 11,5 – 13,5 % Мn, Сu – остальное), копель (42,5 – 44 % Ni, 0,1 – 1,0 Мn, остальное Сu). Эти сплавы обладают высоким электросопротивлением, малой величиной температурного коэффициента электросопротивления в области рабочих температур (манганин – 0,00003, константан – 0,00002 и копель – 0,00014) и постоянством электрических свойств по времени.