Роль магнитных материалов в электротехнике

Размещено на http:www.allbest.ru/

План

Введение

Раздел 1. Теоретическая часть

1.1 Магнитные материалы

1.2 Магнитомягкие магнитные материалы

1.3 Магнитотвердые магнитные материалы

1.4 Специальные магнитные материалы

Раздел 2. Практическая часть

2.1 Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов

2.2 Листовая электротехническая сталь

2.3 Технология производства и свойства холоднокатаной трансформаторной стали

2.4 Исследование электротехнической стали методами послойного спектрального и фракционного газового анализа

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Материал - это объект обладающий определенным составом, структурой и свойствами, предназначенный для выполнения определенных функций. Материалы могут иметь различное агрегатное состояние: твердое, жидкое, газообразное или плазменное. Функции, которые выполняют материалы - разнообразны. Это может быть обеспечение протекания тока - в проводниковых материалах, сохранение определенной формы при механических нагрузках - в конструкционных материалах, обеспечение непротекания тока, изоляция - в диэлектрических материалах, превращение электрической энергии в тепловую - в резистивных материалах. Обычно материал выполняет несколько функций, например, диэлектрик обязательно испытывает какие-то механические нагрузки, а, значит, является конструкционным материалом.

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Например, изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру, вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кг, у нас - 80 кг, а в Китае - 150 кг.

Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика является вода) в американском накопителе «Юпитер» выбирается 150 кВ/см, в нашем накопителе «Ангара» - всего 80 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно, лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец, последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Сейчас в Новосибирске действуют, по крайней мере, три фирмы, разработавшие конструкции быстромонтируемых опор. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.

Основные материалы, которые используются в энергетике, можно разделить на несколько классов - это проводниковые материалы, магнитные материалы, диэлектрические материалы. Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Одним из основных направлений является создание материалов, располагающих свойством сверхпроводимости. В этом отношении значительный интерес представляет применение металлического водорода. Являющийся отличным изолятором водород, при определённых для него условиях может быть безупречным проводником электрического тока. Вследствие быстрого развития химии и химической промышленности дало возможность получать многие материалы, заблаговременно задавая свойства, которыми они должны располагать. Эти материалы напрямую необходимы в различных областях народного хозяйства, в их число входит и энергетика и электротехническая промышленность. Немалый интерес отводится, например, формированию синтетического латекса, представляя собой лёгкую, гнущуюся, в тоже время прочную губчатую резину. В его образовании используют микроскопически малые частицы синтетического каучука, находящиеся в воде в состоянии взвешения, их вспенивают воздухом и подвергают вулканизации.

Синтетический латекс нашёл себе применение не только в электротехнической промышленности, но и также, в автомобилестроении, бумажной, строительной и других различных отраслях промышленности.

Различного вида изделия из пластмасс очень широко применяют в электротехнике. Тем не менее, проводятся постоянные работы в создании новейших видов пластмасс. К примеру, создан пенопласт изолан-1, который в свою очередь является прекрасным изолятором, легко поглощает звук и не горит. Ко всему этому прогрессивно использование композиционных материалов. В энергетике, также как и в ряде других отраслей народного хозяйства, например, стали использовать маслянит. Он несёт в себе композицию металлов и высокополимеров, обладая большой износостойкостью, антифрикционным свойством, не боится коррозии.

Для изготовления силовых кабелей вместо меди представляет интерес и возможность применения натрия. Натрий способен заменить своим 1кг до 3,5 кг меди или же 1,75 кг алюминия, и к тому же натрий приблизительно в 6-8 раз дешевле меди. Изготовить более гибкий кабель даёт возможность использование натрия в сочетании с полиэтиленовой изоляцией, чем кабель с медными или алюминиевыми жилами.

Гибкие магниты используют в различных переключателях, реле и других схожих устройствах. В изготовлении таких магнитов в резиновую смесь приобщают до 70% ферритовых частичек и затем пропускают её через формовочную машину. Этим магнитам находят применения в дверцах холодильников. магнитный материал электротехника

Одно из направлений в произведении новых материалов, используемых в электротехнике, - синтез термостойких, жаропрочных и ограниченно горючих волокон. В итоге материалы располагают повышенной эластичностью, термостойкостью, электроизоляционными свойствами, прочностью, химической инертностью и т.д. Например, из борных волокон и полиэпоксидных полимеров образованы слоистые пластики, имеющие вышеуказанными свойствами. Одним из главных направлений научно-технического прогресса во всех отраслях народного хозяйства является создание и использование новейших, более совершенных материалов. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно, что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических установок в основном зависит от качества и правильного выбора соответствующих электротехнических материалов. Анализ аварий электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из электроизоляционных материалов.

Важное значение для электротехники имеют магнитные материалы. Потери энергии и габариты электрических машин и трансформаторов определяются свойствами магнитных материалов.

Раздел 1. Теоретическая часть

1. Магнитные материалы

Магнитные материалы, вещества, магнитные свойства которых обусловливают их применение в технике (электротехнике, вычислительной технике, электронике, радиотехнике и других областях). Hаибольшее применение находят магнитоупорядоченные вещества: ферро-, ферри- и антиферромагнетики. в состав которых входят некоторые элементы с незаполненными 3d-или 4f-электронными оболочками, атомы или ионы которых обладают магнитными моментами. К ферромагнетикам относятся в основном металлы и сплавы Fe, Co и Сu, РЗЭ (Nd, Sm, Gd, Tb, Dy и др.), некоторые соединения Mn и Сr, например MnBi, MnAl, CrPt; к ферримагнетикам - ферриты-шпинели MFe₂O₄ (M - Fe, Ni, Со, Mn, Mg, Zn, Сu), ферриты-гранаты R₃Fe₅O₁₂ (R - РЗЭ), гексаферриты PbFe₁₂O₁₉, Ba₂Zn₂F₁₂O₂₂ и др., интерметаллические соединения RFe₂, RCo₅, RFe₁₄ и другие.

Магнитные материалы могут быть металлы (в основном ферромагнетики), диэлектрики и полупроводники (главным образом ферри- и антиферромагнетики.

Основная характеристика магнитных материалов - намагниченность М, которая определяется как магнитный момент единицы объема вещества. Единица намагниченности в СИ - А/м. Зависимость М от напряженности поля H для ферро- и ферримагнетиков определяется кривой намагничивания с петлей гистерезиса (рис.). Если напряженность поля достаточна для намагничивания образца до насыщения, соответствующая петля гистерезиса называют предельной; множество др. возможных петель, получаемых при меньших значениях H и лежащих внутри предельной петли, называют частными (непредельными). Если до начала действия внеш. поля образец был полностью размагничен, кривая зависимости М от H называют основной кривой намагничивания.

Кривые намагничивания и размагничивания ферромагнетика: Н - напряженность внеш. магнитного поля; М -намагниченность образца; Н_c - коэрцитивная сила; М_r - остаточная намагниченность; М_s - намагниченность насыщения; 1 - предельная петля гистерезиса; 2 - непредельная (частная) петля; 3 - начальная кривая намагничивания.

Другие важные параметры магнитных материалов: 1. Остаточная намагниченность М_r [или остаточная магнитная индукция В_r, единица измерения - тесла (Тл)]; количественно оценивается величиной намагниченности, сохраняющейся в образце после того, как он был намагничен внешнем магнитным полем до насыщения, а затем напряженность поля сведена до нуля. Величина М_r (В_r) существенно зависит от формы образца, его кристаллической структуры, температуры, мех. воздействий (удары, сотрясения и т.п.) и других факторов. 2. Коэрцитивная сила H_с; измеряется в А/м; количественно определяется как напряженность поля, необходимая для изменения намагниченности тела от значения М_r до нуля. Зависит от магнитной, кристаллографической и других видов анизотропии вещества, наличия дефектов. способа изготовления образца и его обработки, а также внеш. условий, например температуры. 3. Oтносительная магнитная проницаемость m; характеризует изменение магнитной индукции В среды при воздействии поля H; связана с магнитной восприимчивостью c соотношением: m = 1 + c (в СИ). В ферромагнетиках и ферритах m сложным образом зависит от H; для описания этой зависимости вводят понятия дифференциальной (m_диф), начальной (m_н) и максимальной (m_макс) проницаемостей. 4. Максимальная удельная магнитная энергия W_макс (в Дж/м³) или пропорциональная ей величина (BH)_макс на участке размагничивания петли гистерезиса. 5. Намагниченность насыщения М_s (или магнитная индукция насыщения B_s). 6. Кюри точка Т_K. 7. Уд. электрическое сопротивление r (в Ом * м). В ряде случаев существенны и др. параметры, например температурные коэффициенты остаточной индукции и коэрцитивной силы, характеристики временной стабильности основных параметров.

Из аморфных магнитных материалов наиболее распространены материалы на основе Fe, Ni, Со с аморфизующими добавками В, Р, С, Si, Ge, а также аморфные сплавы РЗЭ с Fe и Со. Аморфные Магнитные материалы получают из жидкой фазы сверхбыстрым охлаждением (скорость охлаждения св. 10⁵ К/с) либо осаждением из газовой фазы на холодную подложку. При нагревании до 300-450 °С аморфные магнитные материалы переходят в кристаллическое состояние. Композиционными магнитными материалами называют материалы, изготовленные из ферромагнитного металлического или ферритового порошка с диэлектрическим связующим (бакелитом, полистиролом. резиной. тальком. смолой, жидким стеклом. легкоплавкой стеклоэмалью и др.).

Для многих технических приложений, главным образом в электротехнике и радиоэлектронике, необходимы Магнитные материалы, обладающие большой величиной остаточной намагниченности. В зависимости от величины коэрцитивной силы различают магнитомягкие и магнитотвердые магнитные материалы.

1.2 Магнитомягкие магнитные материалы

Магнитомягкие магнитные материалы намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в сравнительно слабых магнитных полях (не св. 4 кА/м). Для них характерны высокие значения магнитной проницаемости (m_макс достигает 10⁶), узкая петля магнитного гистерезиса, малые потери энергии при перемагничивании.

Магнитомягкими магнитными материалами являются: 1) электротехническое железо и стали (низкоуглеродистые и кремнистые); 2) кристаллические сплавы на основе Fe-Ni - в т.ч. бинарные (пермаллои) и легированные Мо (суперпермаллои), Mn (муметалл), Сr, Ti, Nb, Сu, Аl (изопермы); на основе Fe-Co с добавками V (пермендюры); на основе Fe-Ni-Co с добавками Mn и Сr (перминвары); на основе Fe-Al (алферы, алфенолы) и Fe-Si-Al (алсиферы, сендасты и др.); 3) аморфные сплавы на основе Fe (типа 80% Fe, 20% В), Fe-Ni (типа 40% Fe, 40% Ni, 20% SiB), Co-Fe (типа 70% Co, 5% Fe, 10% Si, 15% B), Co-Zr, Co-Zr-Mo; 4) ферриты-шпинели, ферриты-гранаты, ортоферриты (со структурой перовскита); 5) композиты ферромагнитного металлического порошка (карбонильное железо, пермаллой. алсифер) с диэлектрическим связующим на основе смол (напр., шеллака), полистирола, жидкого стекла, талька и т.п. (магнитодиэлектрики).

Металлические магнитомягкие магнитные материалы обладают наибольшими значениями магнитной проницаемости (напр., у суперпермаллоя m_макс = 10⁶ при коэрцитивной силе H_с = 0,3 А/м) и магнитной индукции насыщения (напр., у пермендюра B_s = 2,4 Тл), температурной стабильностью свойств. Аморфные сплавы (обычно изготовляют в виде тонкой ленты) сочетают высокие магнитные свойства с хорошими прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, температурной и деформационной стабильностью. Ферриты и магнитодиэлектрики характеризуются сравнительно небольшими значениями магнитных характеристик (начальная магнитная восприимчивость m_н = 5.10⁴ - 2.10⁴, B_s = 0,3-0,5 Тл, H_с = 3.10³ А/м) и высоким удельным электрическим сопротивлением (r ~ 10¹⁴ Ом.м). Магнитные и электрические свойства ферритов можно регулировать изменением хим. состава, режимов спекания и термообработки.

Магнитомягкие магнитные материалы применяют для изготовления магнитопроводов, трансформаторов и магнитных усилителей, дросселей, реле, дефектоскопов, магнитных головок для видео- и звукозаписи, магнитных экранов, сердечников высокодобротных катушек индуктивности (в колебательных контурах, электрических фильтрах, элементах памяти и др.), линий задержки. Металлические магнитные материалы используют в основном для работы на частотах переменного поля до нескольких десятков кГц, т.к. из-за относительно низкого удельного электрического сопротивления при повышении рабочей частоты в них резко возрастают вихревые токи. Это приводит к снижению эффективного сечения магнитопроводов и повышению потерь на перемагничивание. Ферриты используют для работы на частотах до нескольких МГц. Композиционные Магнитные материалы применяют для создания экранирующих устройств от СВЧ полей; металлические компоненты материалов используют в виде пленок или мелкодисперсных порошков. Многокомпонентные слоистые материалы с ферромагнитной составляющей позволяют создавать поглотители полей с минимальными геометрическими размерами.

1.3 Магнитотвердые магнитные

Магнитотвердые магнитные материалы (магнитожесткие, высококоэрцитивные Магнитные материалы) намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в относительно сильных магнитных полях (св. 4 кА/м). Высококоэрцитивными магнитные материалы иногда наз. только Магнитные материалы с коэрцитивной силой Н_с > 20 кА/м. Магнитотвердые Магнитные материалы применяют как постоянные магниты, в качестве носителей магнитной памяти, в гистеррезисных двигателях, различных механических удерживающих устройствах, в узлах радиоаппаратуры и др.

Выделяют следующие группы магнитотвердых магнитных материалов:

1. Стали, закаливаемые на мартенсит (углеродистые, легированные Сr, W, Со). Они обладают сравнительно малыми H_с (4-12 кА/м) и W_макс (0,6-1,4 кДж/м³).

2. Диффузионно-твердеющие сплавы на основе Fe-Ni-Аl (ални) с добавками Со, Сu, Ti и др. Значения магнитных параметров этой группы магнитных материалов зависят от состава и наличия текстуры (кристаллографической, магнитной). В целом они характеризуются умеренными значениями Н_с (36-145 кА/м), высокими значениями В_r (0,5-1,4 Тл) и W_макс (3,6-40 кДж/м³), наименьшими из всех магнитных материалов температурными коэффициентами основных параметров (температурный диапазон использования до 770 К); эти магнитные материалы хрупки, обрабатываются только шлифованием.

3. Дисперсионно-твердеющие сплавы Fe-Ni-Сu (кунифе), Co-Ni-Cu (кунико), Fe-Co-V (викаллой), Fe-Cr-Co и др. По своим магнитным свойствам они близки к диффузионно-твердеющим сплавам, но менее хрупки и подвергаются обработке давлением, а некоторые - и термомагнитообработке. Применение диффузионно-твердеющих и дисперсионно-твердеющих сплавов ограниченно из-за дефицитности ряда компонентов (особенно Со).

4. Сплавы с использованием благородных металлов (напр., Pt, Ir, Pd) с высокими значениями коэрцитивной силы (до 400 кА/м). Применение их также весьма ограниченно из-за высокой стоимости. Сплавы Co-Pt, однако, применяют для изготовления сверхминиатюрных магнитов, т.к. они обладают высокой пластичностью, допускающей холодную вытяжку в тонкую проволоку.

5. Бариевые и стронциевые ферриты с гексагональной кристаллической решеткой и кобальтовый феррит со структурой шпинели. Характеризуются сравнительно низкими значениями В_r (0,19-0,42 Тл), весьма высокими H_c (130-350 кА/м) и W_макс (3-18 кДж/м³), температурной стабильностью (вплоть до 700 К), высоким удельным электрическим сопротивлением. Последнее обусловливает их широкое применение при высоких частотах переменного поля. Достоинство всех магнитотвердых ферритов - высокое удельное электрическое сопротивление, позволяющее применять их при высоких частотах переменного поля. Доступность компонентов гексагональных бариевых и стронциевых ферритов, возможность автоматизации производства постоянных магнитов из них и невысокая стоимость обусловили широкое применение этих магнитных материалов в различных областях техники. Основной недостатки ферритовых магнитных материалов - высокая твердость, хрупкость, ограниченный температурный диапазон использования (230-500 К).

6. Интерметаллические соединения металлов группы железа с РЗЭ. Обладают очень высокой кристаллической анизотропией. Распространены бинарные сплавы "редкая земля - кобальт", например SmCo₅, квазибинарные соединения "2-17" типа R₂(CoFe)₁₇. На основе таких сплавов разработаны магнитные материалы с рекордными значениями H_с (640-1300 кА/м) и W_макс (55-80 кДж/м³) при достаточно высоких В_r (0,77-1,0 Тл) и удовлетворит. характеристиках температурной стабильности. Недостатки этих Магнитные материалы - высокая твердость, хрупкость, дороговизна. Применяют их в основном в таких системах, где важно снижение массы и габаритных размеров магнитов. Разработаны также составы типа "редкая земля - железо - бор", например Nd₂Fe₁₄B, (YEr)₂Fe₁₄B. Такие магнитные материалы не только обладают высокими значениями магнитной энергии (BH)_макс но и значительно дешевле, чем SmCo₅.

7. Композиционные магнитные материалы на основе порошкообразных ферритов и интерметаллических веществ (5-я и 6-я группы) и связующего. Различают магнитопласты (связующее - пластическая масса) и магнитоэласты (связующее - каучук). Из-за сравнительно большого количества немагнитных компонентов эти магнитные материалы по своим магнитным параметрам хуже, чем материал исходного порошка, но они значительно более технологичны и позволяют изготовлять магниты сложной формы.

8. Материалы для магнитной записи, получаемые нанесением магнитных материалов в виде тонкой пленки или тонкодисперсного порошка на немагнитную подложку. Используют порошки оксидов переходных металлов, ферритов или покрытия из сплавов Co-Ni, Co-Pt, Co-W, Co-Ni-P, Co-Ni-Cr, Со-Сr и др., получаемые вакуумным напылением, гальванопластическим или химическим осаждением. При создании таких магнитных материалов стремятся получить наибольшую В_r и умеренную Н_с (обычно 20-80 кА/м в зависимости от плотности записи, способа записи информации и т. п.). Перспективными материалами для магнитооптической записи информации являются высококоэрцитивные аморфные пленки на основе соединений типа "редкая земля -железо - кобальт" (Tb-Fe, Cd-Tb-Co, Tb-Gd-Fe-Co, Nd-Dy-Fe-Со); их коэрцитивная сила Н_с = (1 - 5).10⁵ А/м.

1.4 Специальные магнитные материалы

Специальные магнитные материалы обладают свойствами, которые обеспечивают им важные, но сравнительно узкие области применения. Магнитострикционные магнитные материалы - ферромагнитные металлы и сплавы, а также ферриты, обладающие достаточно большой магнитострикцией, т.е. изменением размеров образца при его намагничивании и размагничивании. Магнитострикционные материалы используют в излучателях и приемниках звука и ультразвука и в др. устройствах, преобразующих энергию электромагнитного поля в механическую и обратно. Магнитострикционными материалами являются: никель, НП2Т (Ni св. 98%), сплавы - пермендюр, 49 КФ (49% Со, 2% V, остальное Fe), алфер (12,5% Аl, остальное Fe), никоей (4% Со, 2% Si, остальное Ni), керамич. ферриты-шпинели на основе Ni, Со, Сu. Перспективные магнитострикционные материалы - интерметаллические соединения типа RFe₂, где R - Y, Tb, Dy, например Тb_0,27Dy_0,73Fe₂. В приборостроении и измерительной технике широко применяют инварные сплавы с низким коэффициентом термического расширения и элинварные сплавы, обладающие малым температурным коэффициентом упругости. Такими свойствами обладают сплавы Fe-Ni, Fe-Pt, Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Сr, Fe-Co-Сr.

Термомагнитные материалы - ферромагн. сплавы с сильной зависимостью остаточной намагниченности от температуры. Их применяют для компенсации температурных изменений магнитных потоков в приборах и реле, момент срабатывания которых зависит от температуры. К термомагнитным материалам относятся сплавы Ni-Fe-Cr, Ni-Cu (кальмаллои), Ni-Fe (термаллои) и др.

Магнитооптические магнитные материалы способны вращать плоскость поляризации света, прошедшего через образец или отраженного от него, и используются для управления световыми потоками (в лазерной технике и оптоэлектронике). Относительно прозрачные в ближнем ИК диапазоне ферриты-гранаты [напр., (YBi)₃Fe₅O_l2], ферриты-шпинели, ортоферриты и другие применяют в устройствах, предназначенных для пространственно-временной модуляции света. Непрозрачные магнитные материалы на основе интерметаллических соединений, например РЗЭ с элементами подгруппы железа, а также на основе MnBi, MnAs служат в качестве запоминающей среды в магнитооптических запоминающих устройствах.

СВЧ Магнитные материалы применяют в радиоэлектронике, для изготовления волноводов, фазовращателей, преобразователей частоты, модуляторов, усилителей и т. п. Специфические требованиями к магнитным материалам для СВЧ диапазона являются: высокая чувствительность к управляющему магнитному полю, высокое удельное электрическое сопротивление, малые электромагнитные потери, высокая температура Кюри. Наиболее распространены никелевые, никель-медно-марганцевые ферриты-шпинели, иттриевый феррит-гранат, легированный РЗЭ. Применяют металлические сплавы Fe-Ni, Fe-Al, Fe-Al-Cr. Их используют главным образом для создания поглотителей мощности в различных изделиях СВЧ техники. Композиционные СВЧ Магнитные материалы используют для создания экранов для защиты от СВЧ полей. Металлическими наполнителями являются Fe, Co, Ni, сплавы сендаст; связующими - различные полимерные смолы и эластомеры.

Жидкие магнитные материалы, или магнитные жидкости, представляют собой однородную взвесь мелких (10^-3-10^-1 мкм) ферромагнитных частиц в воде, керосине, веретенном масле, фторуглеводородах, сложных эфирах, жидких металлах. Магнитные жидкости применяют для визуализации структуры постоянных магнитных полей и доменной структуры ферромагнетиков, в качестве рабочей среды магнитоуправляемых поляризационных светофильтров, а также при создании гидромеханических преобразователей и излучателей звука. Изучаются проблемы, связанные с использованием магнитных жидкостей в биологии и медицине, например для управляемого рентгеновского контрастирования полых органов, создания депо лекарственных препаратов, локального повышения температуры.

Раздел 2. Практическая часть

2.1 Применение магнитных материалов в энергетике. Свойства наиболее применяемых материалов

Магнитомягкие материалы используются в энергетике в качестве разнообразных магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах, электромагнитах и т.д.

Для уменьшения потерь на гистерезис выбирают материалы с пониженной коэрцитивной силой, а для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из отдельных пластин и используют металлы с повышенным удельным сопротивлением. Дело в том, что ЭДС самоиндукции, благодаря которой возникают вихревые токи, пропорциональна площади поперечного сечения контура. При рассечении площади n изолированными пластинами в каждой пластине наводится уменьшенная в n раз ЭДС. Мощность потерь при протекании вихревого тока пропорциональна квадрату напряжения (ЭДС) и обратно пропорциональна удельному сопротивлению. Поэтому уменьшение ЭДС в каждой из отдельных пластин и использование металлов с повышенным удельным сопротивлением приводит к уменьшению общих потерь.

Основой наиболее широко используемых в электротехнике магнитных материалов является низкоуглеродистая электротехническая сталь. Она выпускается в виде листов, толщиной от 0.2 мм до 4 мм, содержит не выше 0.04% углерода и не выше 0.6% других примесей. Максимальное значение магнитной проницаемости _max ~ 4000, коэрцитивной силы Н_с~ 65-100 А/м. Наблюдается интересная закономерность: чем чище железо и чем лучше оно отожжено - тем выше магнитная проницаемость и тем ниже коэрцитивная сила. Для особо чистого железа эти параметры составляют: более 1 миллиона и менее 1 А/м, соответственно.

Добавлением в состав кремния достигается повышение удельного сопротивления стали с 0.14 мкОм·м для нелегированной стали до 0.6 мкОм·м для высоколегированной стали. Это дает уменьшение потерь.

Электротехническую сталь маркируют следующим образом: первая цифра-структура (1-горячекатанная изотропная, 2-холоднокатанная изотропная, 3- холоднокатанная анизотропная с ребровой структурой), вторая цифра- содержание кремния (0-до 0.4%, 1 - до 0.8%. 2 - до 1.8%, 3-до 2.8%, 4 - до 3.8%, 4 - до 4.8%), третья цифра - тип нормируемых магнитных характеристик (0- удельные потери при В=1.7 Тл, f=50 Гц, 1- удельные потери при В=1.5 Тл, f=50 Гц, 2- удельные потери при В=1 Тл, f=400 Гц, 6- В при Н=0.4 А/м, 7- В в средних полях при Н=10 А/м ). Четвертая цифра в старых справочниках означала номер материала. В современных справочниках четвертая и пятая цифры являются одним числом, означающим численную характеристику нормируемого параметра.

Если к железу добавить никель, то полученные материалы будут обладать повышенной магнитной проницаемостью (до 100000 у 79НМ, 79% никеля и небольшое количество марганца). Такие сплавы называются пермаллои, они используются для изготовления сердечников малогабаритнгых силовых и импульсных трансформаторов. Практически такие же результаты по магнитной проницаемости можно получить, добавляя к железу кремний (9.5%) и алюминий(5.6%). Такие сплавы называются альсиферами.

Добавки к железу и никелю молибдена, хрома, меди приводит к еще большему росту начальной магнитной проницаемости, более 100 тысяч. Такие материалы используются в миниатюрных магнитных устройствах.

2.2 Листовая электротехническая сталь

Для изготовления сердечников электрических машин и магнитопроводов трансформаторов применяется электротехническая листовая сталь, являющаяся по своим магнитным свойствам магнитномягким материалом.

Применяемая сталь должна обладать высокой магнитной проницаемостью, а при работе в переменном магнитном поле, кроме того, малыми потерями та перемагничивание (гистерезис) и малыми потерями от вихревых токов.

Малые потери на гистерезис характеризуются узкой, с малой площадью, петлей гистерезиса. Снижение потерь от вихревых токов достигается увеличением удельного объемного сопротивления стали и выполнением сердечников те из массива, а из отдельных листов, изолиророванных друг от друга; чем выше частота, тем тоньше должны быть применяемые листы стали. Для работы при частоте 50 гц и ниже применяются главным образом листы толщиной 0,5 и реже 0,35 мм. Для работы при больших частотах обычно применяются листы толщиной 0,2 и 0,1 мм.

Для улучшения магнитных свойств применяется сталь, легированная кремнием. Такая легировка уменьшает потери на гистерезис и увеличивает удельное объемое сопротивление, но снижает механические свойства стали, делает ее хрупкой.

В зависимости от содержания кремния (Si) электротехническая листовая сталь подразделяется на слаболегированную (Si = 0,8-Hl,8%; р = 0,25 ом-мм2/м), среднелегированную (Si = 1,8-2,8%; р=0,4 ом-мм2/м), повышеннолегированную (Si = 2,8-4,0%; р = 0,5 ом * мм2/м) и высоколегированную (Si=4,0-f-4,8%; р=0,6 ом-мм2/м).

По характеру обработки сталь подразделяется на горячекатаную и холоднокатаную. Различают так называемую текстурованную сталь, в которой в результате повторной прокатки с сильным обжатием и последующим отжигом в атмосфере водорода сталь очищается от кислорода и углерода, а ее кристаллы укрупняются и ориентируются таким образом, что ребра кристаллов совпадают с направлением прокатки. Такие стали изготовляются при холодной прокатке листов и обладают лучшими магнитными свойствами, чем обычные горячекатаные стали; магнитная проницаемость холоднокатаной стали выше, а потери на гистерезис ниже, чем у горячекатаной.

Необходимо учитывать, что магнитная проницаемость текстурованных сталей в направлении, не совпадающем с направлением проката, меньше, чем у горячекатаной стали. В связи с этим при изготовлении Ш-образных магнитопроводов трансформаторов необходимо полосы стали вырезать и шихтовать таким образом, чтобы направление магнитного потока совпадало бы с направлением прокатки листов.

В зависимости от степени легирования, способа изготовления листов, магнитных и электрических свойств выпускаемая сталь подразделяется на марки: Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э43, Э43А, Э44, Э45, Э46, Э47, Э48, Э1100, Э1200, Э1300, Э3100, Э3200, Э310, Э320, ЭЗЗО, ЭЗЗОЛ, Э340, Э370, Э380.

Буквы и цифры в марках стали условно обозначают:

-- электротехническая сталь;

первая цифра после буквы Э (1, 2, 3, 4)

--степень легирования стали кремнием:

1 -- слаболегированная,

2 -- среднелегированная,

3 -- повышеннолегированная,

-- высоколегированная; вторая цифра после буквы Э (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) -- гарантированные удельные потери при перемагничивании, которые тем меньше, чем выше степень легирования: 1--нормальные удельные потери; 2--пониженные потери; 3--низкие потери; 4--гарантированные значения потерь при частоте 400 гц и магнитной индукции в средних по силе полях (от 0,03 до 10 а/см)\ 5--гарантированное значение магнитной проницаемости в слабых магнитных полях (от 0,002 до 0,008 а/см); 6 -- гарантированное повышенное значение магнитной проницаемости в слабых магнитных полях; 7--гарантированное значение магнитной проницаемости в средних по силе магнитных полях; 8--гарантированное повышенное значение магнитной проницаемости в средних по силе магнитных полях;

третья цифра (0) означает, что сталь холоднокатаная текстурованная, третья и четвертая цифры (00)--сталь холоднокатаная малотекстурованная;

буква А указывает на особо низкие удельные потери.

Электротехническая сталь поставляется в отожженном состоянии и цвета побежалости не являются признаком брака. Листы слаболегированной и среднелегированной стали поставляются нетравленными, а горячекатаные листы повышеннолегированной и высоколегированной стали поставляются в травленом виде.

Листы поставляются в пачках весом до 80 кг, скрепленных полосками мягкой стали шириной до 50 мм, предохраняющими пачки от распадения. Листы толщиной 0,1 и 0,2 мм должны быть обернуты толем или другим непромокаемым материалом и упакованы в деревянные решетчатые ящики.

2.3 Технология производства и свойства холоднокатаной трансформаторной стали

Одно из основных условий создания высокоэкономичных трансформаторов и электрических машин - применение для их изготовления высококачественной холоднокатаной трансформаторной стали, которая характеризуется меньшими удельными (ваттными) потерями и более высокой магнитной индукцией, чем горячекатаная. Магнитная индукция холоднокатаной трансформаторной стали на 25-30% выше, а удельные потери в 1,5-2 раза ниже, чем у горячекатаной.

Применение высококачественной холоднокатаной трансформаторной стали в трансформаторах, в крупных электрических машинах и приборах уменьшает их массу и габариты, значительно сокращает потери электроэнергии, расход материалов и средств.

Применение на заводах электротехнической промышленности рулонной трансформаторной стали вместо листовой позволяет значительно увеличить производительность труда в заготовительных цехах, обеспечивая механизацию и автоматизацию трудоемких операций штамповки и резки этой стали, сокращая на 10-20% расход металла благодаря более рациональному раскрою деталей из рулона. Все это позволяет организовать изготовление витых сердечников значительного диапазона размеров.

Обычно листовые заготовки из трансформаторной стали подвергают на заводах трансформаторостроения двух и трехкратной лакировке. Нанесение на заводах черной металлургии на поверхность стали электроизоляционной пленки позволяет не покрывать лаком заготовки для распределительных трансформаторов.

Холоднокатаную листовую трансформаторную сталь поставляют следующих размеров: толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,5 мм, шириной в основном 750, 860 и 1000 мм. Использование протяжных печей для обезуглероживающей обработки позволило поставлять сталь в рулонах такой же толщины и ширины, как и листовой прокат. Ленточный прокат, полученный роспуском рулонов на заданную ширину, поставляют шириной 170, 190, 200, 240, 250, 300 и до 500 мм. Ленту трансформаторной стали толщиной 0,04-0,08 мм и шириной 5-240 мм (в зависимости от толщины) ряд заводов поставляет по специальным техническим условиям. Магнитные свойства трансформаторной стали должны соответствовать требованиям стандартов.

У поликристаллических материалов, кристаллы которых ориентированы случайно, магнитные свойства в различных направлениях практически одинаковы. В процессе производства листовой холоднокатаной трансформаторной стали в ней создается преимущественная ориентировка кристаллов - текстура стали, вызывающая анизотропию магнитных свойств. Текстура характеризуется совмещением диагональной плоскости куба с плоскостью прокатки и ориентацией ребра куба вдоль направления прокатки.

Благодаря тому, что в решетке железа ребро куба является направлением легкого намагничивания вдоль направления прокатки, при такой текстуре магнитные свойства будут тем лучше, чем резче выражена текстура.

Следовательно, лучшие магнитные характеристики холоднокатаной трансформаторной стали получаются в направлении прокатки. В направлении, перпендикулярно прокатке, т. е. под углом 90° к направлению прокатки, располагается диагональ грани куба, т. е. направление более трудного намагничивания, и в этом направлении сталь обладает значительно худшими магнитными свойствами. Чем более текстурована сталь, тем выше анизотропия магнитных свойств.

Холоднокатаная трансформаторная сталь имеет в направлении прокатки меньшие потери на гистерезис и вихревые токи и более высокую магнитную индукцию, чем горячекатаная сталь. Это объясняется текстурой стали. Высокие магнитные свойства холоднокатаной трансформаторной стали объясняются также крупным зерном феррита, которое получается в результате высокотемпературного отжига. Различают электротехническую сталь с ребровой текстурой или текстурой Госса и электротехническую сталь с кубической текстурой. В ребровой текстуре (110) [100] диагональная плоскость куба (110) совпадает с плоскостью прокатки, а направление -- ребро куба [100] совпадает с направлением прокатки (рис, ). Таким образом, направление легкого намагничивания в решетке к-железа [100] совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания [111] находится под углом 45° к направлению прокатки, а направление среднего намагничивания [110] -- под углом 90° к направлению прокатки. Следовательно, магнитные свойства стали с ребровой текстурой зависят от направления, в котором они измеряются. Более высокая магнитная индукция и низкие ваттные потери у такой стали будут в направлении холодной прокатки

2.4 Исследование электротехнической стали методами послойного спектрального и фракционного газового анализа

Для получения высококачественной анизотропной электротехнической стали(АЭТС) с особо низкими удельными магнитными потерями и магнитострикцией необходимо уделять особое внимание формированию термостойкого, а затем и электроизоляционного покрытий(ЭИП). Особую роль в формировании качественного покрытия играет процесс обезуглероживающего отжига, во время которого происходит окисление поверхностного слоя образцов и образование в нем зоны внутреннего окисления (ЗВО), представляющей собой окисленный слой из металлической матрицы и мелкодисперсных оксидов, что способствует получению грунтового и электроизоляционного покрытий на следующих стадиях процесса производства. От глубины и состава ЗВО, полученной на поверхности электротехнической стали в процессе безуглероживающего отжига, в большей степени зависит качество электроизоляционного покрытия. В зарубежной патентной литературе нет однозначно сформулированных требований к составу и толщине оксидных пленок, а также условиям их формирования. Так, в патенте США [1] отмечается, что толщина пленки должна быть в пределах 0,5 - 4,0 мкм.

Если пленка тоньше 0,5 мкм, то сплошное покрытие в процессе высокотемпературного отжига (ВТО)вообще не образуется, если толще 4,0 мкм, то покрытие образуется слишком толстым, рыхлым, легко отслаивающимся. Ухудшаются также магнитные свойства стали. В работе [2] утверждается, что общее содержание связанного кислорода на поверхности стали после обезуглероживающего отжига должно быть в пределах 0,2 - 1,0 г/м2, но при этом не определяются требования к составуоксидной пленки, который также оказывает существенное влияние на процесс грунтообразования. В работе [3] подчеркивается необходимость создания при обезуглероживании условий, исключающих сколько-нибудь значительное окисление железа. Там же подробно рассматриваются варианты обезуглероживания кремнистой стали. Показано, что в зависимости от соотношения PH2O PH2 в атмосфере печи при окислительном отжиге на поверхности стали можно получить ЗВО, содержащую оксиды различного состава -- от чистого диоксида кремния до оксидной фазы, состоящей преимущественно из оксидов железа. Большинство исследователей склоняется к тому, что оптимальное качество обеспечивает ЗВО, имеющая состав преимущественно диоксида кремния.

Поскольку сформировавшаяся после обезуглероживающего отжига на поверхности электротехниеской стали ЗВО (0,5 - 4 мкм) существенно влияет на качество ЭИП в готовом металле, то контроль параметров ЗВО необходим для исключения брака в технологическом цикле. Более того, очень важно получить требуемые размер и состав оксидов. Из всего многообразия методов, применяемых для контроля поверхности, по количеству публикаций и эффективности применения выделяется оптическая эмиссионная спектрометрия тлеющего разряда.

Катодное распыление делает возможным проведение послойного анализа и позволяет определять содержание элементов в слоях при движении от поверхности в глубину образцов. Этот метод является хорошим инструментом при анализе химического состава всевозможных покрытий, оказывающих особое влияние на свойства таких объектов, как электротехническая сталь с электроизоляционным покрытием, разного рода инструментальные и конструкционные стали с покрытиями из хрома, никеля, цинка и т. д. [4]. Быстрый и точный послойный анализ позволяет оценить состав покрытия, толщину, а также равномерность его распределения на поверхности. В настоящее время количественный анализ оксидных неметаллических включений в сталях методом восстановительного плавления в потоке газаносителя находит все более широкое применение.

2.6 Динамика мирового производства электротехнической стали

Мировая электротехническая промышленность в последние годы претерпевает сильные изменения. Основой этой тенденции является сильный спрос на электроэнергию в азиатских странах. Структурные сдвиги в мире происходят главным образом за счет Китая, где особое развитие в последние годы имеет электроэнергетическая отрасль -- производство трансформаторов, электродвигателей различной мощности и другой электротехнической продукции.

При производстве указанной продукции используется специальный сортамент металлопроката, обладающий высокими электромагнитными свойствами. Развитию мирового рынка электротехнических марок сталей рассмотрим ниже.

В 2006 году производство электротехнической стали составило около 11 млн. т., что на 14% больше предыдущего года (рис.1). Если посмотреть на динамику производства этого материала за более длительный исторический период, то среднегодовые темпы роста производства за последние десять лет составляли около 7%.

Таким образом, темпы роста в 2006 году производства электротехнических марок сталей в мире выросли вдвое.

На фоне общемирового производства плоского холоднокатаного металлопроката выпуск электротехнической стали растет опережающими темпами. Следствием этой тенденции является возрастающая доля производства электротехнических марок сталей в общем объеме мировой выплавки стали. Стоит отметить, что доля производства данного вида металлопроката за последние десять лет увеличилась на три процентных пункта и в 2006 году составила более 11%. Этому способствовали два фактора. Первый фактор -- введение в строй новых мощностей, например, за последнее десятилетие освоили производство электротехнических сталей следующие предприятия: Wuhan Iron & Steel Group, Shanghai Baosteel и др.

Второй -- увеличение производства электротехнического сортамента на действующих предприятиях. Однако в мировой практике существуют примеры, когда действующие производственные мощности были закрыты. Например, в 2005 г. Thyssen Krupp закрыл свой завод в Италии (Terni). Здесь стоит отметить, что данный шаг немецкого концерна является лишь своего рода переносом производства высокотехнологичных электротехнических марок сталей с неэффективных мощностей на предприятия с более низкими издержками (ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH).

В целом мировой рынок электротехнических сталей является достаточно сильно концентрирован по производителям, т.е. количество производителей на рынке ограничено.

Особенно остро это наблюдается в сегменте рынка трансформаторной стали, где число основных производителей составляет всего лишь одиннадцать (рис. 2). Казалось бы, острый дефицит на высококачественный электротехнический металлопрокат в мире должен приводить к росту числа игроков на данном рынке, в том числе за счет ослабленной конкуренции. Однако это не происходит. Сдерживающим фактором является тяжелая технология производства электротехнических марок. Не все заводы могут освоить производство данного металлопроката. Например, в Китае, где спрос на электротехнические марки в последние года вырос столь значительно, существуют пять основных производителей электротехнических сталей и только два могу выпускать более ответственный трансформаторный металлопрокат.

Что же способствовало такой высокой динамики роста производства электротехнических марок сталей в мире? Чтобы ответить на этот вопрос мы должны непосредственно перейти к рассмотрению спроса.

Конечно же, высокие темпы производства были обусловлены стремительным ростом потребления электротехнических марок сталей в мире и в первую очередь в азиатском регионе. Именно благодаря этому факту основные экспортоориентированные страны, такие как Япония, Россия и ЕС направляют свои торговые потоки в этот привлекательный регион мира (рис. 3).

Прочное лидерство по объему потребления электротехнических марок сталей бесспорно «захватил» Китай. Его видимый объем потребления в 2006 году составил более 3,5 млн. т. Китай является страной нетто-импортером, т.к. объем импорта электротехнических сталей значительно превышает экспорт. Суммарно в 2006 году в Китай было импортировано около 1 млн. т. электротехнического металлопроката [3]. Превращение Китая в «мастерскую мира» привело к мощному росту потребления электротехнических сталей в секторе бытовых электроприборов и автомобильной промышленности, демонстрирующих интенсивную динамику развития. Фактически, Китай уже стал мировым центром производства бытовых электроприборов, по объемам выпуска которых опередил Японию и ЕС. При этом в ближайшем будущем ожидается дальнейшее стремительное расширение производства бытовой техники и электрогенераторов, что обеспечит быстрый рост потребления электротехнической стали.

Среди других стран нетто-импортеров в азиатском регионе можно также отметить Индию. По итогам 2006 года в Индии объем потребления превысил суммарный объем производства электротехнических марок сталей в этой стране на 180 тыс. т. Тем не менее, индийские металлурги в последнее время больше известны своими крупными покупками в Европе, чем развитием производства электротехнических марок сталей у себя в стране. Поэтому в перспективе Индия останется страной нетто-импортером, а потенциал роста потребления главным образом изотропных электротехнических марок сталей уже сегодня с высокой степенью вероятности, можно сказать, будет значительный.

Таким образом, Китай является ключевым потребителем электротехнических марок сталей в мире. Однако если в настоящее время все основные экспортные потоки данного металлопроката приходятся в Китай, а также структурные сдвиги в мире происходят главным образом за счет влияния растущего спроса на электротехнические марки стали в Китае, то что ждет нас в перспективе? Снизится ли экспортная волна электротехнических сталей в Китай и сможет ли китайская металлургия нарастить свои мощности в сортаменте электротехнических марок?

Как уже было отмечено выше, лидером роста производства электротехнических сталей в мире является Китай, где в прошедшем году рост составил 16% (рис.4). Следствием высоких темпов роста производства электротехнических марок сталей является возрастающая доля данного сортамента в общем объеме выпуска плоского холоднокатаного металлопроката. Так за последние десять лет доля электротехнических марок сталей возросла на 2,7% и в 2006 году практически достигла 4%. В перспективе рост прокатных электротехнических мощностей в Китае сохранится. Ожидается, что всего до 2011 года в Китае будет введено около 1 млн. т. новых прокатных мощностей. Однако данный прирост мощностей не сможет сбалансировать спрос и потребление в этой стране. Китай и в перспективе останется основным потребителем электротехнических марок сталей в мире.