Марки электротехнической стали. Смотреть что такое "электротехническая сталь" в других словарях

12.08.2018

Электротехнические стали и сплавы - специальные материалы, которые используются для изготовления различных деталей электрического оборудования. Эти металлы обладают специальными свойствами, которые позволяют минимизировать сопротивление, что снижает затраты энергии на передачу электрических импульсов. Также они обладают повышенной магнитной проницаемостью, узкой петлей гистерезиса и уменьшенной коэрцитивной силой. Перечисленные параметры позволяют материалу не только способствовать нормальной работе электроприборов, но и продляют их эксплуатационный срок.

Маркировка электротехнической стали зависит от ее основных технических характеристик. К ним относятся толщина, удельное сопротивление, магнитная индукция, плотность и массовая доля кремния в сплаве. Разные категории предназначаются для определенного вида изделий. Перед выбором материала лучше всего проконсультироваться со специалистом, который посоветует наиболее подходящий вариант. Если взять сталь, которая не соответствует техническому заданию, во время эксплуатации электроприбора могут возникнуть серьезные проблемы. Марки электротехнической стали являются взаимозаменяемыми лишь в очень узком диапазоне. Эту информацию всегда необходимо уточнять у знающих людей, если отсутствует собственный опыт в подобных вопросах.

Технология производства электротехничсекой стали

Производство электротехнической стали осуществляется несколькими способами. На этапе выплавки технологических отличий между методами изготовления нет. Они начинаются на этапе раскатки материала. Горячекатаная сталь подвергается окончательной обработке под воздействием температурного режима. Это позволяет проще придать ей необходимую толщину, но несколько снижает ее эксплуатационные характеристики. Под воздействием температуры происходит перестроение межмолекулярных связей в структуре сплава, что негативно сказывается на некоторых свойствах.

Холоднокатаная сталь обрабатывается при естественной температуре окружающей среды. На ее производство приходится затрачивать больше времени и ресурсов, но конечный результат оправдывает все издержки. Этот материал обладает наилучшими свойствами и идет на производство деталей для трансформаторов, электродвигателей и других объектов повышенной важности. Обработка электротехнической стали холоднокатаного производства осуществляется в несколько этапов.

Предварительной сжатие и промежуточный отжиг позволяют получить материал толщиной более 0,5 миллиметров. Эта сталь уже готова к производству и нередко отправляется к заказчикам уже в таком виде. Но для изготовления наиболее качественного материала производится дополнительный этап сжатия и обжига. Финальное сжатие после всех процедур составляет порядка 60%. Окончательный отжиг проходит при температурах 1150-1180 градусов по Цельсию в присутствии водорода. Это позволяет не только закалить материал для будущей эксплуатации, но и убирает из его состава лишний кислород и углерод.

Затем тонколистовая сталь сворачивается в рулоны и отправляется на склад готовой продукции. Холоднокатаная обработка дает лучший результат, так как металлическая решетка стали имеет кубическое строение и при прокатке без повышения температуры ребра выстраиваются в оптимальной последовательности, что положительно влияет на магнитные свойства материала. Также повышает качество стали кремний, который во время выплавки образует крупные кристаллы в металлической сетке. Под воздействием температуры они могут распадаться и деформироваться, поэтому горячекатаная сталь обладает более низким качеством.

Основные свойства электротехнической стали

Рассмотрим подробнее свойства электротехнической стали. На первом месте идет удельное сопротивление. Чем выше этот показатель, тем более качественным считается материал. Сопротивление означает способность вещества препятствовать прохождению электрического тока. Для проводников этот показатель должен быть минимальным. Но электротехнические стали используются для изготовления корпусов и экранирования проводников от воздействия внешней среды. Поэтому они наоборот должны сдерживать электричество внутри, чтобы оно не расходовалось понапрасну, а доходило до пункта назначения с минимальными потерями в пути.

Второе значимое свойство - низкая коэрцитивная сила. Этот параметр отвечает за способность внутреннего магнитного поля к размагничиванию. В электродвигателях и трансформаторах наличие магнитной среды ни к чему, поэтому для производства деталей для них используют сталь с высокой способностью к размагничиванию. Для электромагнитов наоборот необходима высокая коэрцитивная сила, поэтому нужна другая марка металла. Она называется анизотропная электротехническая сталь. До нужного уровня магнитные свойства доводят при помощи введения в сплав дополнительного количества кремния. Этот элемент добавляется в виде силицида железа, которое сплавляют со сталью. Кремнистая электротехническая сталь содержит до 4% кремния, который образует крупные кристаллы в структурной решетке металла.

Третий важный показатель - ширина петли гистерезиса. Он влияет на способность всех составляющих элементов электрической цепи возвращаться к своим изначальным состояниям после выключения прибора. Когда прекращается подача электричества в цепь, ее составные части все еще сохраняют так называемое механическое напряжение. Чем уже петля гистерезиса, тем быстрее восстановится нормальное состояние всех деталей в приборе.

Четвертую строчку ключевых показателей занимает магнитная проницаемость. Чем выше этот показатель, тем лучше материал может справляться со своими функциями. И последний значимый показатель - толщина стального листа. Обычно в электротехнике используются материалы толщиной не более 1 миллиметра. Такого уровня вполне достаточно, чтобы добиваться поставленных перед ними целей. Резка электротехнической стали может осуществляться ножницами по металлу или любым другим предназначенным для подобных целей инструментом.

Производство этого вида стали занимает главенствующее место среди прочих магнитных материалов. Сталь электротехническая - это сплав железа с кремнием, доля которого составляет от 0,5% до 5%. Широкую популярность изделий данного вида можно объяснить высокими электромагнитными и механическими свойствами. Изготавливают такую сталь из широко распространенных компонентов, дефицита в которых нет. Это объясняет ее низкую стоимость.

Влияние кремния

Данная составляющая во взаимодействии с железом образует плотный раствор с высоким удельным сопротивлением, величина которого зависит от того, какой процент кремния в сплаве. При воздействии его на чистое железо оно теряет свои магнитные свойства. А вот при воздействии на техническое, наоборот, сказывается положительно. Проницаемость железа возрастает и происходит улучшение стабильности металла. Благоприятное действие кремния (Si) можно объяснить следующим образом. Под влиянием этого элемента происходит переход углерода в графит из состояния цементита, который обладает меньшими магнитными свойствами. Элемент Si оказывает нежелательное воздействие на снижение индукции. Влияние его распространяется на теплопроводность и на плотность железа.

Примеси в составе

В своем составе сталь электротехническая может содержать и другие компоненты: серу, углерод, марганец, фосфор и прочие. Самый вредный из них - углерод (С). Он может находиться в форме как цементита, так и графита. Это по-разному влияет на сплав, так же, как и процент содержания углерода. Чтобы избежать нежелательных включений элемента С, нельзя сталь быстро охлаждать для следующего старения и стабилизации.

Отрицательное воздействие на свойства материала оказывают следующие компоненты: кислород, сера, марганец. Они снижают его магнитные качества. Техническое железо в своем составе обязательно имеет примеси. Здесь их приходится учитывать в совокупности, не так, как для чистого железа.

Можно улучшить свойства стали, применив очистку от примесей. Но такой метод не всегда выгоден на масштабном производстве. А вот с помощью холодной прокатки листовая электротехническая сталь образует в своей структуре магнитные свойства. Это позволяет добиться лучших результатов. Но обязательно необходим дальнейший обжиг.

Холодная прокатка

На протяжении длительного времени считали, что кремний увеличивает хрупкость стали. Производство проходило в основном с помощью горячей прокатки. Рентабельность холодной прокатки была низкой.

Только после того, как было обнаружено, что холодная обработка вдоль направления повышает магнитные свойства материала, она получила широкое применение. Другие направления показали себя только с худшей стороны. Холодная прокатка благотворно повлияла на механические свойства, а также на улучшение качества листовой поверхности, повысила его волнистость и дала возможность штампования.

Отличительные свойства, которые получила сталь электротехническая за счет применения холодной обработки, можно объяснить образованием в ней кристаллографической текстуры. Она отличается несколькими степенями. Они, в свою очередь, зависят от того, при какой температуре проходит прокатка, также от толщины необходимого листа и от того, в какой степени он обжат.

Себестоимость листа одной толщины горячекатаной стали в 2 раза ниже, чем холоднокатаной.

Но данное отрицательное качество полностью компенсируется низкими теплопотерями (их меньше примерно раза в два), высоким качеством и возможностью хорошей штамповки холоднокатаного сплава. Различие в этих сталях - содержание кремния. Его количество составляет от 3,3% до 4,5% соответственно.

ГОСТ

Производители выпускают всего два вида стали, которые соответствуют по ГОСТу.

Первый вид - 802—58 "Электротехническая тонколистовая". Второй - сталь электротехническая ГОСТ 9925—61 "Лента холоднокатаная рулонная из электротехнической стали".

Обозначение

Маркируется буквой «Э», за ней идет номер, цифры которого имеют определенное значение:

Первая цифра в значении маркировки означает степень с кремнием. От слаболегированной до высоколегированной, соответственно в цифрах от 1 до 4. Динамные - это стали из групп Э1 и Э2. Трансформаторные - Э3 и Э4.
Вторая же цифра маркировки имеет диапазон от 1 до 8. Она показывает электромагнитные свойства материала при применении ее в определенных эксплуатационных условиях. По этой маркировке можно узнать, в каких областях можно применять ту или иную сталь.

Цифра ноль следом за второй цифрой означает, что сталь текстурированная. Если стоят два ноля, то она мало текстурированная.

В конце маркировки можно встретить следующие буквы:

«А» - удельные потери материала очень низкие.
«П» - материал с высокой прочностью проката и высокой отделкой поверхности.

Сфера эксплуатации

Делится сплав по области применения на три вида:

пригодный для работы в сильных и средних магнитных полях (чистота перемагничивания 50 Гц);
подходящий для работы в средних полях при частоте до 400 Гц;
сталь, которая эксплуатируется в средних и малых магнитных полях.

Листы электротехнической стали выпускают следующих размеров: ширина от 240 до 1000 мм, по длине могут быть от 720 мм до 2000 мм, толщина - в диапазоне от 0,1 до 1 мм. Больше всего применение находят текстурированные стали, так как они обладают высоким значением электромагнитных свойств. Листы такого материала часто используют в электротехнике.

Электротехническая сталь - свойства

Свойства сплава:

От этого показателя напрямую зависит качество материала. Сталь применяется там, где необходимо сдержать электричество внутри проводника и доставить его по назначению.
Коэрцитивная сила. Отвечает за способность внутреннего магнитного поля к размагничиванию. Для определенных устройств это свойство требуется в разной степени. В трансформаторах и электродвигателях используют детали с высокой способностью размагничивания. У стали данный показатель имеет низкое значение. А вот в электромагнитах нужна, наоборот, высокая коэрцитивная сила. Чтобы скорректировать магнитные свойства, в сплав стали добавляют нужный процент кремния.

Ширина Этот показатель должен быть как можно меньше.
Чем выше данный показатель, тем лучше материал "справляется" со своими задачами.
Толщина листа. Для изготовления многих приборов и деталей используют материалы, толщина которых не превышает одного миллиметра. Однако при необходимости данный показатель уменьшают до значения 0,1 мм.

Применение

Из листовых материалов первого класса можно изготовить разные виды магнитопроводов для реле и регуляторов.

Электротехническая второго класса может быть использована для стартеров электромашин постоянного и переменного токов, сердечников роторов.

Третий класс будет пригоден для изготовления магнитопроводов для а также стартеров крупных синхронных машин.

Чтобы изготовить остов для электрической машины, нужно применить стальное литье, в котором содержание углерода равно не более 1%. Изделия из такого материала подвергают постепенному отжигу. применяют при изготовлении деталей машин, подвергающихся сварке. Из таких видов материалов делают главные полюсы для машин постоянного тока.

Для тех деталей машин, которые несут максимальную нагрузку (пружины, роторы, валы якорей), применяют сплавы с высокими механическими свойствами. Такой материал может содержать в себе никель, хром, молибден и вольфрам. Возможно изготавливать магнитопроводы из электротехнической стали. Они используются для трансформаторов низких частот - 50Гц.

Стержневой магнитопровод

Магнитопроводы делятся они на броневые и стержневые. Каждый вид имеет свои особенности.

Стержневой: у такого магнитопровода стержень вертикальный и имеет ступенчатое сечение, вписанное в окружность. На них особой цилиндрической формой расположены обмотки магнитопровода.

Броневой

Изделия такой конструкции имеют прямоугольную форму, а их стержни имеют поперечное сечение, расположены они горизонтально. Такой тип магнитопровода применяется только в сложных приборах и конструкциях. Поэтому такие конструкции не получили большого распространения.

Итак, мы выяснили, что собой представляет сталь электротехническая и где она используется.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ, тонколистовая магнитомягкая (см. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ) сталь для магнитопроводов (сердечников) электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т. д.). К электротехническим сталям относятся кремнистая электротехническая сталь и чистое железо.
Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. По составу она представляет собой сплавы железа с (0.5-5)% кремния, которые образуют с железом твердый раствор (см. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ) . Сплавы содержат также 0,1-0,3% Mn. В зависимости от требуемого уровня магнитных свойств, электротехническая сталь содержит различное количество кремния. Введение кремния уменьшает потери на вихревые токи (см. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ) , так как увеличивает удельное сопротивление материала. Легирование кремнием приводит к увеличению начальной и максимальной магнитных проницаемостей, уменьшению коэрцитивной силы (см. КОЭРЦИТИВНАЯ СИЛА) и снижению потерь на гистерезис (см. ГИСТЕРЕЗИС) , уменьшает константы магнитной анизотропии и магнитострикции. Кремний способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO 2 , который в виде шлака выделяется из расплава. Но при содержании Si более 5% ухудшаются механические свойства, повышаются твердость, хрупкость, сталь становится непригодной для штамповки
Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией (см. МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ) , подобной анизотропии чистого железа, т. е. направление легкого намагничивания совпадает с кристаллографическим направлением , а наиболее трудное намагничивание совпадает с пространственной диагональю кубической элементарной ячейки.
В соответствии с технологией производства электротехнические стали подразделяют на холоднокатаные (изотропные или анизотропные; до 3,3% Si) и горячекатаные (изотропные; до 4,5% Si); в качестве легирующей добавки электротехнические стали могут содержать до 0,5% Al. При холодной прокатке возникают деформации, вызывающие преимущественную ориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900-1000 о С снимает внутренние напряжения, и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен), в результате которой кристаллические зерна осями легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката: получается ребровая текстура. Свойства стали существенно улучшаются при создании магнитной текстуры, создаваемой холодной прокаткой и отжигом (см. ОТЖИГ) , при котором происходит рекристаллизация (см. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) . Текстурированная сталь анизотропна по свойствам. Потери энергии при перемагничивании текстурованной стали ниже, а магнитная индукция выше, чем горячекатаной. Ее эффективное использование возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников. При ребровой текстуре наилучшие магнитные свойства получаются в направлении прокатки, наихудшие - под углом 55 о к направлению прокатки, которое соответствует направлению трудного намагничивания.
При кубической текстуре наилучшие магнитные свойства обеспечиваются в направлении всех ребер куба элементарных ячеек.
Иногда электротехнические стали условно разделяют на динамную (0,8-2,5% Si) и трансформаторную (3-4,5% Si). Электротехническая сталь выпускается в виде листов (часто в рулонах) и узкой ленты толщиной 0,05-1 мм.
Чистое железо

Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, называются технически чистым железом. Технически чистое железо относится также к электротехническим сталям.
Техническое железо(армко-железо (см. АРМКО-ЖЕЛЕЗО) ) содержит менее 0,04% С и имеет высокую магнитную проницаемость (m = 4500 Гс/Э). Оно является электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.
Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд.
Железо в чистом виде является магнитомягким материалом, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2,2 Тл). У технически чистого железа магнитная проницаемость составляет m н - (250-400), m мах - (3500-4500), коэрцитивная сила H c - (50-100) А/м, индукция насыщения B s 2.18 Тл.Особо чистое железо, содержащее малое количество примесей получают двумя сложными способами:
Электролитическое железо - путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. Магнитная проницаемость электролитического железа m н - 600, m мах - 15000, коэрцитивная сила Hc -30 А/м, индукция насыщения B s 2.18 Тл
Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа: Fe(CO)5 = Fe+5CО. У карбонильного железа магнитная проницаемость m н - , m мах - 15000, коэрцитивная сила Hc -30 А/м, индукция насыщения B s 2.18 Тл
На магнитные свойства железа влияют химический состав, структура, размер зерна, искажения кристаллической решетки, механические напряжения. Магнитные свойства железа улучшаются при выращивании крупного зерна, в результате многократных переплавок в вакууме. Внутренние напряжения в деталях снимаются отжигом.
Качество электротехнической стали характеризуется величиной и изотропностью магнитных свойств, геометрическими размерами и качеством листов и полос, механическими свойствами, а также параметрами электроизоляционного покрытия. Снижение удельных потерь в стали обеспечивает уменьшение потерь энергии в магнитопроводах; повышение магнитной индукции стали позволяет уменьшить габариты магнитопроводов; снижение анизотропии магнитных свойств улучшает характеристики устройств с вращающимися магнитопроводами. Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.

Она является магнитно-мягким материалом, широко применяемым в электротехнических изделиях. В сталь вводят 0,8-4,8 % кремния, что резко повышает удельное электрическое сопротивление. В результате этого в электротехнической стали резко снижаются потери мощности от вихревых токов. Вместе с тем введение кремния снижает потери на гистерезис и увеличивает магнитную проницаемость в слабых и средних полях.

Электротехническая сталь обладает малой коэрцитивной силой и имеет высокую магнитную проницаемость, что делает ее основным материалом, используемым для изготовления различных магнитопроводов в электрических машинах и аппаратах. Электротехническую сталь изготовляют в виде листов толщиной 0,1-0,5 мм горячей или холодной прокатки. Эта сталь в зависимости от состава разделяется на ряд марок: 1111, 1112, 1311, 1411, 3411 и др. Первая цифра в обозначении марки электротехнической стали характеризует класс по структурному состоянию и виду прокатки:
1 - горячекатаная изотропная; 2 - холоднокатаная изотропная; 3 - холоднокатаная анизотропная. Вторая цифра характеризует содержание кремния: 0 - до 0,4 %; 1 - от 0,4 до 0,8 %; 2 - от 0,8 до 1,8 %; 3 - от 1,8 до 2,8 %; 4 - от 2,8 до 3,8 %; 5 - от 3,8 до 4,8 %. Третья цифра характеризует группу по основной нормируемой характеристике: 0 - удельные потери при магнитной индукции В = 1,7 Тл и частоте f = 50 Гц (p 1,7/50); 1 - удельные потери при B = 1,5 Тл и f= 50 Гц (p 1,5/50); 2 -удельные потери при B = 1,0 Тл и f = 400 Гц (p 1,0/400); 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при B = 0,4 А/М (B 0,4); 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при B=10 А/М (В 1,0). Четвертая цифра указывает порядковый номер типа стали.

Различие горячекатаной и холоднокатаной сталей объясняется в значительной степени их кристаллической структурой. Крупнокристаллические материалы обладают большей магнитной проницаемостью и меньшей коэрцитивной силой, чем мелкокристаллические. Механическая же и термическая обработки позволяют, как известно, изменять размеры кристаллов, а следовательно, а магнитные свойства ферромагнитных материалов. При механической обработке и закалке стали в металле возникают внутренние напряжения, которые препятствуют при намагничивании свободной ориентации элементарных магнетиков в направлении поля. Это вызывает уменьшение магнитной проницаемости и увеличение коэрцитивной силы.

Отжиг стали (нагрев с последующим медленным остыванием), наоборот, вызывает уменьшение внутренних напряжений и возрастание размеров кристаллов. В результате повышается магнитная проницаемость и уменьшается коэрцитивная сила. При горячей прокатке электротехнической стали происходит лишь слабая ориентация зерен стали в направлении прокатки. Такая изотропная сталь имеет приблизительно одинаковые Магнитные свойства в различных направлениях.

Путем повторной холодной прокатки стали и особой термической обработки (отжигом) изготовляют так называемую текстурованную сталь крупнокристаллического строения. В листе текстурованной стали 1 (рис. 353, б) отдельные кристаллы 2 расположены не беспорядочно, а имеют определенную пространственную ориентацию; ребрами куба они устанавливаются в направлении прокатки, вследствие чего направление прокатки совпадает с осью легкого намагничивания этой стали. Такая сталь называется анизотропной и при правильном ее использовании (если направление магнитного потока, проходящего через сердечник, составленный из стальных листов, совпадает с направлением их прокатки) имеет значительно большую магнитную проницаемость и меньшую коэрцитивную силу, чем нетекстурованная. Снижение толщины листа электротехнической стали благоприятно сказывается на снижении потерь от вихревых токов.

Из листовой электротехнической стали 1-го класса изготовляют магнитопроводы различных контакторов реле и регуляторов, из стали 2-го класса - сердечники роторов и статоров электрических машин переменного тока и якорей машин постоянного тока, из стали 3-го класса - магнитопроводы силовых трансформаторов и статоры крупных синхронных машин.

Для изготовления остовов электрических машин постоянного тока применяют стальное литье с содержанием углерода до 1 %. Отлитые из такой стали изделия подвергают медленнрму отжигу. Сварные детали электрических машин изготовляют из конструкционной углеродистой или слаболегированной стали. Из листов этой же стали выполняют главные полюсы машин постоянного тока.

Ответственные детали электрических машин - валы якорей и роторов, стяжные шпильки, пружины - изготовляют из стали с повышенными механическими свойствами - легированной, содержащей в своем составе хром, никель, вольфрам и молибден.

В некоторых электротехнических устройствах возникает необходимость применения немагнитных материалов и, в частности, немагнитных стали или чугуна. Из них выполняют, например, крышки, кожуха и крепежные детали силовых трансформаторов. Для получения такой стали и чугуна в их состав вводят значительные добавки никеля(20-25 % для стали и 9-12 % для чугуна), которые способствуют созданию особой кристаллической структуры, препятствующей образованию областей самопроизвольного намагничивания. Немагнитная сталь и чугун являются парамагнитными материалами. Относительная магнитная проницаемость их составляет 1,05-1,2.