§ 38. Технически чистое железо (низкоуглеродистая сталь)

Железо представляет собой магнитомягкий материал, свойства которого сильно зависят от содержания примесей.

Технически чистое железо содержит не более 0,1% углерода, серы, марганца и других примесей и обладает сравнительно малым удельным электрическим сопротивлением, что ограничивает его применение. Используется оно в основном для магнитопроводов постоянных магнитных потоков и приготовляется рафинированием чугуна в мартеновских печах.

Магнитные свойства железа сильно зависят от его чистоты и способа обработки. В зависимости от способа получения чистого железа различают железо электролитическое и карбонильное.

Электролитическое железо получают в процессе электролиза сернокислого или хлористого железа, оно применяется в постоянных полях.

Карбонильное железо получают термическим разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅. Карбонильное железо получают в виде порошка, и его удобно использовать для изготовления сердечников, работающих на повышенных частотах.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали марок 10895, 20864 и т.п. изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает стали различного сортамента, в том числе тонкий лист.

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (0,1 мкОм^.м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Кремнистая электротехническая сталь содержит менее 0,05 % углерода, от 0,7 до 4,8 % кремния и относится к магнитомягким материалам широкого применения. Легирование стали кремнием приводит к существенному повышению удельного электрического сопротивления, которое растет линейно от 0,1 мкОм·м при нулевом содержании кремния до 0,60 мкОм·м при содержании кремния 5,0 %, к увеличению _нач и _max, уменьшению Н_c, снижению потерь на гистерезис. Сталь с содержанием кремния 6,8 % обладает наивысшей магнитной проницаемостью, но в промышленности сталь применяют с содержанием кремния не выше 5,1 %. Это связано с тем, что кремний ухудшает механические свойства стали и при высоком его содержании сталь становится непригодной для штамповки.

Свойства стали можно значительно улучшить в результате холодной прокатки, которая вызывает преимущественную ориентацию кристаллитов, а также в результате отжига в среде водорода при температуре 900...1000 °С, снимающего механические напряжения и способствующего укрупнению кристаллических зерен. Оси легкого намагничивания кристаллитов ориентируются вдоль направления проката (о такой стали говорят, что она обладает ребровой текстурой). Магнитные свойства вдоль направления прокатки существенно выше.

Удельное электрическое сопротивление стали зависит от концентрации кремния.

Электротехническая сталь выпускается в виде отдельных листов, рулонов или ленты и предназначается для изготовления магнитопроводов. Для уменьшения потерь на вихревые токи на листы стали может быть нанесен электроизоляционный лак.

Качество электротехнической стали можно повысить, уменьшая количество примесей в ее составе, применением разработки оптимальной технологии производства стали с ребровой структурой и получением стали с повышенным содержанием кремния (до 6,3%).