126288 (Проект термического отделения высокотемпературного отжига анизотропной электротехнической стали толщиной 0,35 мм. Годовая программа 150 тысяч тонн), страница 5

В настоящее время широкое развитие получил рулонный способ производства электротехнических сталей. Рассмотрим, влияние легирующих элементов на свойства электротехнической анизотропной стали.

Кремний

Легирование железа кремнием производится с целью изменения его магнитных и электрических свойств путем увеличения удельного электросопротивления, уменьшения констант магнитной кристаллографической анизотропии и магнитострикции, укрупнения величины зерна, энергичного раскисления жидкого металла в процессе выплавки и некоторой графитизации углерода 4.

Рис. 1. Диаграмма Fe – Si

Введение кремния в железо приводит к существенному увеличению удельного электросопротивления стали, большему, чем при введении других легирующих элементов. Так, при изменении содержания кремния от 1% до 4% удельное электросопротивление сплава возрастает в 2,5 раза, что приводит к соответствующему уменьшению потерь на вихревые токи [1]

Рис. 2. Влияние кремния на максимальную магнитную проницаемость _max: 1 – отжиг при температуре 1000 °С; 2 – 1300 °С в водороде; 3 – 1300 °С в водороде с последующим охлаждением в магнитном поле)

Кремний ограничивает -область на диаграмме "железо-кремний", а уже при 2,0 – 2,5 % стабилизирует -твердый раствор. Это создает возможность, нагрева стали до высоких температур без фазовой перекристаллизации. Являясь сильным графитообразующим элементом, кремний способствует обезуглероживанию -твердого раствора, переводя углерод из цементита в графит. Кремний способствует также росту зерна в процессе отжига.

Все это приводит к снижению величины коэрцитивной силы и тем самым к снижению потерь на гистерезис [1].

При содержании кремния около 6,5 (% масс.) имеет место наибольшее значение магнитной проницаемости (рис. 2), что связано с близким к нулю значением магнитострикции и малой постоянной магнитной анизотропии (рис. 3 и рис. 4).

Рис. 3. Влияние легирующих элементов на константу магнитной кристаллографической анизотропии (к₁ )

К недостаткам кремния относится отрицательное действие на магнитную индукцию насыщения ( снижает) и механические свойства стали (рис. 5 и рис. 6).

Рис. 4. Влияние легирующих элементов на магнитострикцию насыщения (_S) железа

Рис. 5. Влияние легирующих элементов на индукцию насыщения (B_s) железа

Также снижается при введении кремния точка Кюри для сплавов железо – кремний.

Введение кремния положительно сказывается на коэффициенте магнитного старения, который снижается с 6 – 8 процентов при содержании кремния один процент до 2 – 3 процентов при содержании кремния 4 процента. Увеличение содержания кремния приводит, также к резкому снижению температурного коэффициента электрического сопротивления стали.

В связи с понижением пластичности при увеличении содержания кремния в стали, а также увеличением твердости и хрупкости, для холоднокатаных марок стали, используют содержание кремния не более 3,8 – 4 (% масс.), а для горячекатаных – не более 4,8 (% масс.).

Рис. 6. Влияние состава на температуру перехода из вязкого состояния в хрупкое для сплавов железо-кремний

Большое влияние кремний оказывает на механические, и технологические свойства стали, повышая предел текучести, предел прочности и твердость. Одновременно с повышением твердости, кремний сильно увеличивает хрупкость, что затрудняет холодную прокатку, и обработку стали. Поэтому сплавы с содержанием кремния больше 4,6 (% масс.) не имеют практического применения, несмотря на то, что удельные потери с дальнейшим повышением содержания кремния продолжают уменьшаться.

С возрастанием содержания кремния размеры ферритных зерен уменьшаются. Так, например, в горячекатаной электротехнической стали после высокотемпературного (1120°С – 1150°С) отжига в вакууме наблюдается следующая зависимость величины ферритных зерен от содержания кремния приведенная в таблице 12.

Таблица 12. Зависимость величины ферритных зёрен от содержания кремния

Углерод

Углерод является наиболее вредной примесью в электротехнической стали. С увеличением содержания углерода снижается проницаемость в слабых и средних полях, растет коэрцитивная сила, снижается магнитная индукция. Присутствие нескольких сотых долей процента углерода расширяет ( + ) – область и сдвигает границы между ( + ) – и – областями к 5 – 6 (% масс.) Si (рис. 7). Наличие превращения может приводить к возникновению фазового наклепа, измельчению зерна и нарушению кристаллической текстуры, а следовательно, к росту коэрцитивной силы и снижению магнитной проницаемости. При малых количествах углерод, образуя твердый раствор с железом, увеличивает электрическое сопротивление сплавов, снижая потери на вихревые токи. Однако при этом возрастают потери на гистерезис и коэрцитивная сила.

Рис. 7. Влияние содержания углерода на положение фазовых областей , + , для сплавов железо-кремний

Степень отрицательного влияния углерода на свойства стали, определяется не только его содержанием в материале, но и формой, в которой он находится в сплаве, и дисперсностью включений карбидов. Коэрцитивная сила при изменении вида углерода как структурной составляющей может измениться в два раза. Когда углерод переходит из цементита в графит, магнитные свойства улучшаются [1].

В то же время при содержании в стали около 0,09% (масс.) углерода интенсифицируется развитие первичной рекристаллизации с образованием мелкозернистой структуры и обеспечивается формирование при окончательном отжиге совершенной ребровой текстуры.

Присутствие 0,02 – 0,05 процента углерода приводит к образованию при горячей прокатке аустенитной фазы, что является ключевым фактором в управлении процессами формирования ингибиторных фаз в сталях. Он оказывает существенное влияние на структуру, магнитные и пластические свойства анизотропной электротехнической стали.

При снижении содержания углерода в готовом листе магнитные свойства улучшаются. Большое значение имеет содержание углерода перед окончательным высокотемпературным отжигом. Увеличение содержания углерода даже до 0,05 (% масс.) вызывает значительное снижение магнитной индукции и увеличение удельных потерь. Ухудшение свойств листа при увеличении содержания углерода более 0,04 (% масс.) объясняется недостаточным обезуглероживанием при рекристаллизационном отжиге.

С увеличением содержания углерода размеры зерен феррита в анизотропной электротехнической стали, уменьшаются и в связи с этим ухудшатся магнитные свойства. Требуется значительное повышение температуры отжига, чтобы устранить вредное влияние углерода на рост зерен феррита.

Выделение углерода в горячекатаной анизотропной электротехнической стали в форме структурно-свободных карбидов оказывает вредное влияние не только на магнитные, но также и на пластические свойства. Присутствие на границах зерен структурно-свободных карбидов приводит к повышенной и неоднородной хрупкости (устраняется повторным отжигом в вакууме при температуре 800 – 900 °С.

Хром

Хром вносится в сталь с исходной шихтой, ферросилицием, а также при восстановлении окислов хрома из магнезитохромитовых огнеупоров футеровки печи. Повышение концентрации хрома в стали с 0,03 до 0,12 (% масс.) приводит к увеличению удельных потерь на 2 – 3 (%масс.) и незначительному увеличению магнитной индукции. Хром затрудняет обезуглероживание листа при отжиге. Карбиды хрома препятствуют росту зерен. Наиболее четко вредное влияние хрома проявляется на свойствах холоднокатаного листа толщиной 0,35 мм. Допустимым содержанием хрома считают 0,06% (масс.) [5].

Марганец

Марганец влияет на электрические и магнитные свойства электротехнических сталей: снижает индукцию насыщения, увеличивает константу магнитной кристаллографической анизотропии, обеспечивает рост удельного электрического сопротивления на 0,7 – 0,8 Ом × мм на каждый один процент вводимого марганца. Как карбидообразующий элемент марганец несколько повышает потери на гистерезис [1].

Ощутимо влияние марганца на электротехнические свойства листа при его содержании в металле более 0,10 (% масс.). Марганец оказывает влияние на образование максимального количества аустенита при температуре 1150 °С. Увеличение аустенита заметно при небольших добавках марганца. Марганец является вредной примесью в анизотропной электротехнической стали и его удалению из плавки следует уделять большое внимание. Содержание марганца оказывает заметное влияние на фазовый состав стали. В результате фазовых превращений возникают напряжения в металле, и происходит измельчение зерен феррита. Как первое, так и второе ухудшает, магнитные свойства стали.

Марганец, как и углерод, стабилизирует – фазу.

Введение марганца способствует повышению пластичности стали, обеспечивая, таким образом, возможность дополнительного легирования стали кремнием при сохранении хорошей технологичности и повышении магнитных свойств.

В анизотропной электротехнической стали обычно содержится 0,1 – 0,3 (% масс.) марганца [1].

Никель

Никель является, неизбежной примесью любой стали, т.к. его удаление из плавки невозможно ни при каких переделах. Он расширяет γ – область и в электротехнической стали, действует в направлении ухудшения ее свойств. При увеличении содержания никеля от 0,05 до 0,15 (% масс.) установлено незначительное ухудшение свойств листа. В настоящее время содержание никеля в электротехнической стали незначительно, и ограничивается 0,1 (% масс) [5].

Медь

С повышением содержания меди наиболее значительно изменяется магнитная индукция в слабых и средних полях. Медь увеличивает удельные потери, начиная с содержания 0,3 (% масс.) и особенно с 0,5 (% масс.). При выделении меди в чистом виде или в виде сернистых соединений образуются гетерогенные смеси, ухудшающие магнитные свойства анизотропной электротехнической стали [5].

Фосфор

Фосфор является активным структурно формирующим элементом, положительно влияющим на рост зерна феррита в железе и связанные с этим структурно чувствительные магнитные характеристики. Он повышает удельное электросопротивление железа, что должно оказывать положительное влияние на вихревую составляющую удельных потерь.

При концентрациях в пределах содержания в электротехнических сталях целиком входит в состав твердого раствора и не образует фосфидов.

С увеличением фосфора до 0,33% (масс.) средний линейный размер зерна увеличивается в два раза.

Фосфор резко сужает – область в сплавах железо-кремний.

Фосфор существенно повышает удельное электросопротивление стали: с увеличением содержания фосфора до 0,33 (% масс.) удельное электросопротивление стали, увеличивается на 40 (% масс.).

С увеличением содержания фосфора площадь петли гистерезиса уменьшается, соответственно снижаются гистерезисные потери. Потери на вихревые токи также уменьшаются.

Магнитная проницаемость стали, увеличивается с увеличением содержания фосфора. На индукцию насыщения фосфор влияет незначительно.

Положительное влияние фосфора на уровень магнитных свойств связано с его рафинирующим действием. Он обладает большим сродством к кислороду, что способствует очистке, стали от этой вредной примеси.

Было изучено влияние фосфора, на уровень механических характеристик стали в отожженном состоянии. С увеличением содержания фосфора все прочностные характеристики стали повышаются.

Фосфор более интенсивно, чем кремний, упрочняет сталь. При содержании фосфора 0,33 (% масс.) холодная прокатка затрудняется из-за повышения жесткости металла. В связи с этим целесообразно содержание фосфора в стали ограничить пределом 0,12 – 0,20 (% масс.) [1].

Сера

По мере увеличения содержания серы в листах наблюдается повышение коэрцитивной силы, удельных потерь и снижение магнитной индукции в средних полях. Максимальная магнитная проницаемость по мере возрастания содержания серы также заметно снижается. С увеличением содержания серы размеры зерен феррита уменьшаются.