Состав и область применения конструкционных чугунов и сталей в электротехнике

Эти материалы, применяемые в электромашиностроении, аппаратостроении, приборостроении, должны отличаться высокими механическими свойствами и достаточно широкими технологическими возможностями. В отношении магнитных свойств их можно разделить на материалы магнитные и материалы немагнитные. К первым могут быть отнесены серый чугун, углеродистые и легированные стали, ко вторым - немагнитные стали и немагнитный чугун.

Серый чугун. Содержит 3,2—3,5 % углерода, кремний, марганец, фосфор, серу. Предел прочности при изгибе серого чугуна составляет 200-450 МПа. Серый чугун применяется для отливок корпусов электрических машин, крепежных деталей, плит и пр.

Углеродистая сталь. Для отливок обычно используют углеродистую сталь с содержанием от 0,08 до 0,2 % углерода, подвергая изготовленные из нее изделия медленному отжигу при 850-900 °С. Для особо ответственных и специальных электрических машин, а также для машин с облегченной конструкцией требуется сталь с повышенными механическими свойствами - легированная никелем, ванадием, хромом, молибденом.

Немагнитный чугун. Употребляется в тех случаях, когда наличие магнитных свойств в конструкционном материале может повредить работе прибора или аппарата. Широко применяемым типом немагнитного материала является чугун, содержащий в своем составе никель и марганец, которые обеспечивают аустенитную структуру. Примерный состав такого чугуна: 2,6-3,0 % С; 2,5 % Si;
5,6 % Mn; 9-12 % Ni; остальное Fe. Магнитная проницаемость немагнитного чугуна указанного состава μ_r=1,03; удельное сопротивление ρ=1,4 мкОм×м. Предел прочности при изгибе 250-350 МПа. Немагнитные чугуны легко обрабатываются резцом. При нагреве до 400 °С они сохраняют свои парамагнитные свойства. Большое электрическое сопротивление немагнитного чугуна дает ему преимущество перед цветными сплавами в отношении снижения потерь на вихревые токи. Немагнитный чугун используют при изготовлении крышек, кожухов, втулок масляных выключателей, обойм силовых трансформаторов, кожухов сварочных трансформаторов и т.д.

Немагнитная сталь. Изготовляют путем введения в состав стали никеля и марганца, способствующих понижению температуры перехода γ-железа в α-железо до 20 °С и ниже. В виде примера немагнитной стали можно указать никелевую сталь, имеющую состав: 0,25-0,35 % С, 22-25 % Ni, 2-3 % Cr, остальное Fe. Предел прочности при изгибе для такой стали 700-800 МПа, магнитная проницаемость μ_r=1,05-1,2. Немагнитная сталь ввиду ее высоких механических свойств может применяться для изготовления деталей, которые ранее выполнялись из сплавов меди и алюминиевых сплавов и не обладали достаточно высокими механическими свойствами.

Магнитодиэлектрики

Магнитодиэлектрики представляют собой одну из разновидностей магнитных материалов, предназначенных для использования при повышенных и высоких частотах, так как они характеризуются большим удельным электрическим сопротивлением, а следовательно, и малым тангенсом угла магнитных потерь. Магнитодиэлектрики получают способом прессовки порошкообразного ферромагнетика с изолирующей зерна друг от друга органической или неорганической связкой. В качестве основы применяют карбонильное железо, размолотый альсифер и др. Изолирующей связкой служат фенолформальдегидные смолы, полистирол, стекло и т.п. От основы требуется наличие высоких магнитных свойств, от связки - способность образовывать между зернами сплошную, без разрыва электроизоляционную пленку. Такая пленка должна быть по возможности одинаковой толщины и должна прочно связывать зерна между собой. Магнитодиэлектрики характеризуют эффективной магнитной проницаемостью, которая всегда меньше μ_r ферромагнетика, составляющего основу данного магнитодиэлектрика. Это объясняется двумя причинами: наличием неферромагнитной связки и тем, что магнитную проницаемость магнитодиэлектриков часто приходится измерять у готовых сердечников, а не у тороидов.

Сердечники на основе карбонильного железа отличаются достаточно высокой стабильностью, малыми потерями, положительным температурным коэффициентом магнитной проницаемости и могут быть использованы в широком диапазоне частот.

Особенностью сердечников из альсифера является наличие у них отрицательного температурного коэффициента магнитной проницаемости. Это позволяет создавать магнитодиэлектрики из смеси карбонильного железа и альсифера с необходимым уровнем и знаком температурного коэффициента магнитной проницаемости.

Магнитная проницаемость магнитодиэлектриков практически неуправляема внешним магнитным полем. В связи с широким выпуском ферритов различных марок, обладающих преимуществами по сравнению с магнитодиэлектриками, последние сохранили ограниченные области применения.