Последние новости
Главная / Технологии / Усталостные трещины: обнаружить на ранних стадиях

Усталостные трещины: обнаружить на ранних стадиях

Усталостные трещины: обнаружить на ранних стадиях

Новый метод помогает ученым наблюдать трещины в металлах в момент их образования и поможет избежать катастроф.

В пластичных металлах усталостные трещины возникают в виде небольших микроструктурных коротких трещин, которые постепенно растут с увеличением числа циклов нагружения. Хотя стадии роста трещин посвящено множество исследований, переход от металла без трещин к металлу с трещинами остается одной из самых сложных тем при изучении усталости металла.

Зарождение микротрещин в пластичных металлах является следствием возвратно-поступательного движения дислокаций при циклическом нагружении, что приводит к самоорганизации дислокаций в структуры с дальним упорядочением.Дислокации возникают из-за неправильного расположения атомов в кристаллических материалах, и их движение приводит к пластической деформации.

Усталостные трещины: обнаружить на ранних стадиях

Эксперименты на высокочастотную микроусталость на монокристаллах Ni. Эксперимент проведен в сканирующем электронном микроскопе (SEM) на микрокристаллах, имеющих прямоугольное поперечное сечение с номинальными размерами 12 мкм на 13 мкм и калибровочной длиной 27 мкм.

Согласно новому исследованию,опубликованному в журналеScience, открыт новый способ тестирования металлов в микроскопическом масштабе: производить ускоренные нагрузки к материалам и одновременно проводить анализ превращения повреждений в трещины.

Разрушение металлических детали в мостах, самолетах и ​​других конструкциях приводит к трагедиям. В исследовании Университета Джона Хопкинса описывается новый метод надежного прогнозирования уязвимостей на более ранних стадиях разрушения, чем это можно сделать в предыдущих тестах.

«Теперь мы можем иметь более фундаментальное понимание того, что приводит к трещинам», — сказал Эль-Авади, один из авторов исследования.«Практическое значение состоит в том, что это позволит нам понять и предсказать, когда или как материал выйдет из строя».

«Усталостные отказы поражают все металлы, и их уменьшение имеет большое значение», — добавил Эль-Авади.«Это основная причина трещин в металлических компонентах самолетов».

Усталостные трещины: обнаружить на ранних стадиях

Новый метод помогает ученым наблюдать трещины в металлах в момент их образования и поможет избежать катастроф.

Вот почему авиационная отрасль должна подчиняться регулярным (и дорогостоящим) графикам замены множества деталей.Но срок службы каждого компонента можно точнее спрогнозировать, если точно изучить процесс о возникникновения трещин.Французские следователи призвалипровести анализконструкции Airbus A380 — чтобы изучить способность компании принимать меры предосторожности против риска усталости металла.

«Из-за отсутствия понимания механизмов, которые приводят к возникновению трещин, было трудно предсказать с какой-либо разумной точностью оставшийся срок службы циклически нагружаемого материала», — сказал Эль-Авади. «Компонент действительно может быть в порядке и никогда не выходить из строя, но его все равно выбрасывают, исключительно на основании статистических аргументов. Это огромные затраты».

Большинство современных тестов для выявления причин возникновения трещин обычно сосредоточены на моментах непосредственно до и после возникновения трещин — чтобы увидеть, как изменяется состав металла.

Смотрите также

Новый композитный материал защищает как от биологических, так и от химических угроз

Новый композитный материал защищает как от биологических, так и от химических угроз

Исследовательская группакитайских ученых разработала универсальную композитную ткань, которая может нейтрализовать как биологические угрозы, такие как коронавирус, вызывающий COVID-19, так и отравляющие вещества химического оружия.

Новый композитный материал защищает как от биологических, так и от химических угроз

Программируемый кристаллический композит губка-текстиль для устранения биологических и химических угроз.Предоставлено: Северо-Западный университет

Сочетание таких свойств материала крайне редко можно встретить в жизни. Плюс ко всему материал является многоразовым.Его можно восстановить в исходное состояние после того, как ткань была использована, с помощью простой обработки отбеливателем. Перспективная ткань может использоваться вмасках для лицаи защитной одежде.

Композитная ткань сделана на базе металлоорганического каркаса (MOF) на основе циркония.

Композитное MOF-волокноосновано на базе наноматериала, который ранее создала команда китайских ученых, для дезактивации токсичных нервно-паралитических веществ.С помощью некоторых небольших манипуляций исследователи смогли дополнительно включить в материал противовирусные и антибактериальные агенты.

По словам исследователей, MOF по структуре напоминает «сложную банную губку».Наноразмерные материалы имеют множество отверстий, где газы, пары и другие агенты задерживаются по принципу губки, которая впитывает воду.В новой композитной ткани полости MOF волокна содержат катализаторы, которые способны дезактивировать токсичные химические вещества, вирусы и бактерии.Пористый наноматериал легко вплетается в текстильные волокна.

Исследователи обнаружили, что композитное MOF-волокно проявляет быструю активность против SARS-CoV-2 , а также грамотрицательных бактерий и грамположительных бактерий.Кроме того, наполненный активным хлором композит MOF быстро разлагает сернистый иприт и его химический имитатор (2-хлорэтилэтилсульфид, CEES).При этом нанопоры MOF-материала, нанесенного на ткань, достаточно широки, чтобы пропускать пот и воду.

Композитный материал можно легко масштабировать, так как для него достаточно базового оборудования для производства текстиля, которое в настоящее время используется в промышленности.При включении материала в ткань лицевой маски появляется способность маски работать в обоих направлениях: защищать носителя маски от вируса в непосредственной близости от него, а также защищать людей, которые вступают в контакт с инфицированным человеком, носящим маску.

Исследователи также смогли получить представление об активных центрах материала вплоть до атомного уровня.Это позволяет вывести взаимосвязи между структурой и свойством материала, которые могут привести к созданию других композитов на основе MOF.

Статья «Иммобилизованный регенерируемый активный хлор в текстильном композите MOF на основе циркония для устранения биологических и химических угроз» , авторыЮк Ха Чеунг из Гонконгского политехнического университета и Кайкай Ма из Северо-Западного университета Исследование была опубликована вЖурнале Американского химического общества(JACS).

Новый композитный материал защищает как от биологических, так и от химических угроз

Исследовательская группакитайских ученых разработала универсальную композитную ткань, которая может нейтрализовать как биологические угрозы, такие как коронавирус, вызывающий COVID-19, так и отравляющие вещества химического оружия.

Новый композитный материал защищает как от биологических, так и от химических угроз

Программируемый кристаллический композит губка-текстиль для устранения биологических и химических угроз.Предоставлено: Северо-Западный университет

Сочетание таких свойств материала крайне редко можно встретить в жизни. Плюс ко всему материал является многоразовым.Его можно восстановить в исходное состояние после того, как ткань была использована, с помощью простой обработки отбеливателем. Перспективная ткань может использоваться вмасках для лицаи защитной одежде.

Композитная ткань сделана на базе металлоорганического каркаса (MOF) на основе циркония.

Композитное MOF-волокноосновано на базе наноматериала, который ранее создала команда китайских ученых, для дезактивации токсичных нервно-паралитических веществ.С помощью некоторых небольших манипуляций исследователи смогли дополнительно включить в материал противовирусные и антибактериальные агенты.

По словам исследователей, MOF по структуре напоминает «сложную банную губку».Наноразмерные материалы имеют множество отверстий, где газы, пары и другие агенты задерживаются по принципу губки, которая впитывает воду.В новой композитной ткани полости MOF волокна содержат катализаторы, которые способны дезактивировать токсичные химические вещества, вирусы и бактерии.Пористый наноматериал легко вплетается в текстильные волокна.

Исследователи обнаружили, что композитное MOF-волокно проявляет быструю активность против SARS-CoV-2 , а также грамотрицательных бактерий и грамположительных бактерий.Кроме того, наполненный активным хлором композит MOF быстро разлагает сернистый иприт и его химический имитатор (2-хлорэтилэтилсульфид, CEES).При этом нанопоры MOF-материала, нанесенного на ткань, достаточно широки, чтобы пропускать пот и воду.

Композитный материал можно легко масштабировать, так как для него достаточно базового оборудования для производства текстиля, которое в настоящее время используется в промышленности.При включении материала в ткань лицевой маски появляется способность маски работать в обоих направлениях: защищать носителя маски от вируса в непосредственной близости от него, а также защищать людей, которые вступают в контакт с инфицированным человеком, носящим маску.

Исследователи также смогли получить представление об активных центрах материала вплоть до атомного уровня.Это позволяет вывести взаимосвязи между структурой и свойством материала, которые могут привести к созданию других композитов на основе MOF.

Статья «Иммобилизованный регенерируемый активный хлор в текстильном композите MOF на основе циркония для устранения биологических и химических угроз» , авторыЮк Ха Чеунг из Гонконгского политехнического университета и Кайкай Ма из Северо-Западного университета Исследование была опубликована вЖурнале Американского химического общества(JACS).

Как создавалась электротехническая сталь

Как создавалась электротехническая сталь

Появление и развитие электротехники постоянного и переменного токов сформировали определенные требования к магнитным материалам. От них стали требовать больших значений магнитной индукции насыщения, малых потерь энергии на гистерезис и вихревые токи и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали. В самом начале прошлого века был достигнут значительный прогресс в разработке листовых электротехнических материалов. Об этом и об истории создания электротехнических сталей пойдет речь в этой статье.

ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЕВЫЕ СПЛАВЫ РОБЕРТА ГАДФИЛДА

В 1889 г. Роберт Аббот Гадфилд, владелец сталелитейного завода в Шеффилде, Англия, изобревший в 1882 г. высокомарганцовистую сталь, обладающую повышенной износоустойчивостью и высокой пластичностью (сталь Гадфилда), изучал свойства сплавов железа с кремнием, которые были изготовлены в разных пропорциях их компонентов. Целью этих экспериментов было желание продвинуть исследования по применению марганца в сталях. Однако результаты этих опытов оказались непродуктивными для стали Гадфилда.

Как создавалась электротехническая сталь

Роберт Аббот Гадфилд

В 1899 г. английский ученый сэр Вильям Баррет исследовал железо-кремниевые сплавы, ранее изготовленные Гадфилдом, и обнаружил, что они имеют улучшенные магнитные характеристики по отношению к низкоуглеродистой стали. Статья по этому вопросу В. Баррета, В. Брауна и Р. Гадфилда была в 1900 г. опубликована в трудах Дублинского королевского общества. Они отметили, что введение до 2,5 % кремния значительно повышает магнитную проницаемость материала; коэрцитивная сила такого сплава составляет примерно половину коэрцитивной силы стандартного железа, применявшегося ранее для сердечников трансформаторов. Образцы сплавов и результаты своих измерений они передали в Германию на завод Круппа для выяснения возможностей практического применения. От Круппа эти образцы получил немецкий ученый Эрнст Гумлих, профессор Имперского физико-технического института в Берлине, который в 1902 г. проверил результаты английских исследователей и дополнил их своими.

Гумлих обратил внимание на высокое электрическое сопротивление сплава железа с кремнием и первым высказал предположение о положительном влиянии этого явления на снижение потерь от вихревых токов в электротехническом железе. Гумлих не ограничился своими исследованиями, а довел свою идею до промышленной реализации. Фирмой «Капито и Клайн» были выплавлены партии динамного и трансформаторного железа. (Динамомашина — старое название электрогенератора постоянного тока). Затем была проведена горячая прокатка этих заготовок в листы. Первая промышленная партия электротехнического железа с добавкой кремния была выпущена в 1905 г.

В промышленности США железо-кремнистый сплав применялся также с 1905 г., в Англии — с 1906 г. Потерив этом электротехническом железе с добавками кремния составляли 2,2–4,4 Вт/кг при толщине листа 0,36 мм, максимальной индукции Вm = 10 000 Гс1 и частоте 60 Гц. Таким образом, величина потерь была в среднем в два раза меньше, чем у ранее применявшегося железа.

1 Гс (русское обозначение; международное — G) — Гáусс — единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.

Исследования, выполненные в 1905–1915 гг. учеными Германии, Англии, США (Гумлих, Аллен, Ллойд и др.), показали:

  • в железе, не содержащем кремний, со временем увеличиваются ваттные потери; добавление кремния практически полностью устраняет явление магнитного старения железа;
  • отрицательное действие кремния на магнитные свойства железокремнистого сплава сводится к снижению магнитной индукции насыщения;
  • с повышением содержания кремния резко возрастают твердость и хрупкость железо-кремнистого сплава, вследствие чего в технике стали применять эти сплавы с содержанием кремния не выше 5 %.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО ВИМЗ

До Первой мировой войны листовое железо для русских электротехнических заводов поставлялось из-за границы, преимущественно из Германии. Лишь небольшая часть динамного железа поставлялась фирмой «Гута Банкова», находящейся в Домбровском районе Царства Польского. Поэтому уже с осени 1914 г. ВерхИсетский металлургический завод (ВИМЗ) на Урале начал интенсивно заниматься освоением производства динамного и трансформаторного железа.

Как создавалась электротехническая сталь

Общий вид Верх-Исетского металлургического завода

Технология изготовления динамного железа включала в себя горячую прокатку выплавленных в мартеновской печи слитков весом 0,5–1 т на полосы, разрезаемые на сутунки весом от 7 до 30 кг, и прокатку сутунок в горячем состоянии на листы различной толщины. Следует отметить, что жесткость станин двухвалковых станов при плотном нажиме валков обеспечивает минимальную толщину проката 3–2,5 мм. При толщине проката менее 2 мм вытяжка металла прекращается вследствие упругой деформации станин и других деталей стана. Поэтому для получения более тонких листов несколько сутунок накладывали друг на друга, в связи с чем увеличивалась толщина раската (пакета) и обеспечивалась возможность его дальнейшей эффективной вытяжки. При этом и слитки, и пакеты сутунок подогревались до определенных температур. Затем прокатанные в пакете листы отделяли друг от друга, правили в холодном состоянии, отжигали, сортировали и контролировали их качество.

При прокатке кремнистого железа в тонкие листы неизбежно их сильное остывание и получение связанного с холодной деформацией наклепа, создающего внутренние напряжения в металле, а последние во много раз повышают магнитные потери. Отжиг снимает эти внутренние напряжения. Вот почему отжиг является важной операцией в производстве электротехнического железа.

На ВИМЗ к новому производству отнеслись серьезно: велись тщательные исследования получаемого железа, для чего были созданы магнитная и металлографическая лаборатории. Всего в 1915–1917 гг. ВИМЗ было изготовлено360 тыс. пудов динамного железа (содержание кремния до 3 %) с толщиной листов 0, 5 мм.

Содержание кремния в этом динамном железе колебалось от 0,6 до 0,8 %, а общее количество примесей было около 0,4 %, исключая кремний. В январе 1916 г. электротехнический отдел Военно-промышленного комитета России утвердил Временные технические условия на производство динамного и трансформаторного железа. В отношении листового железа для динамомашин из этих технических условий следовало: «Величина потерь при Вm = 10 000 Гс, частоте 50 периодов в секунду и синусной кривой приложенного напряжения не должна превосходить 3,5 Вт/кг при толщине листа 0,5 мм и 2,8 Вт/кг — при толщине листа 0,3 мм. 65,8 % изготовленного листового динамного железа удовлетворяло требованиям этих временных технических условий. Прокатка листов железа производилась только в одном направлении, благодаря чему была обнаружена заметная разница в магнитных свойствах железа вдоль прокатки и поперек.

По своим свойствам динамное железо было не хуже соответствующих марок заграничного динамного железа. Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить потребности промышленности ВИМЗ не имел возможности.

Освоение производства трансформаторного железа (содержание кремния до 4,5 %) на ВИМЗ продвигалось с большими трудностями, хотя сначала казалось, что нужно только в технологии изготовления динамного железа изменить мартеновский процесс для обеспечения химического состава металла и параметры отжигаготовых листов. Осенью 1916 г. при прокатке опытной плавки трансформаторного железа листы большей частью рвались, а те, что были целыми, ломались при первом изгибе, что совершенно неприемлемо с точки зрения механических требований, предъявляемых к этому железу. Все-таки в марте 1917 г. были получены образцы трансформаторного железа, удовлетворяющие Временным техническим условиям (потери при Вm = 10 000 Гс не должны превосходить 1,6 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм).

В это же время инженер Ф. Власов, занимавшийся на ВИМЗ внедрением в производство трансформаторного железа, был командирован в США. Исследуя взятые туда шлифы трансформаторного железа с содержанием кремния 3,8 %, он пришел к выводу о наличии в них немагнитных включений, уменьшающих полезное сечение железа и, следовательно, увеличивающих потери. Влияние это возрастало с увеличением содержания кремния. Для уменьшения потерь необходимо полное удаление немагнитных включений и связанной с ними закиси железа FeO. Удаление этой закиси из мартеновского процесса невозможно. Последовал вывод: необходимо для уменьшения потерь в трансформаторном железе использовать для него металл, выплавленный в электрической печи, в которой можно обеспечить низкое содержание закиси железа в этом металле.

Наконец в 1918 г. производство на ВИМЗ вообще остановилось. Всего на заводе за период с 1916 по 1918 гг. было произведено 6 000 пудов трансформаторного железа.

Позднее, в 1921 г., 8-й Всероссийский электротехнический съезд обратил внимание на то, что сплав железа с кремнием является сталью. Вследствие этого динамное железо стали называть динамной сталью, а трансформаторное – трансформаторной сталью. Тот же съезд утвердил «Технические условия для листовой электротехнической стали», разработанные Центральным электротехническим советом. Соответствующие значения магнитных потерь были ограничены величиной 3,3 Вт/кг для динамной стали толщиной 0,5 мм, и 1,6 Вт/кг — для трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. В дальнейшем эти нормы несколько облегчили: значения магнитных потерь для динамной и трансформаторной стали снизили, соответственно, до 3,5 и 1,7 Вт/кг.

Остро встал вопрос о производстве электротехнических сталей в советское время. Опытные работы по восстановлению производства динамной стали на ВИМЗ начались в конце 1923 г., а в феврале 1924 г. была изготовлена первая партия этой стали. В 1927 г. на этом заводе был введен в эксплуатацию новый цех по производству динамной стали, обеспечивший покрытие потребления страны в этой продукции.

В 1928 г. на ВИМЗ была предпринята попытка освоить производство трансформаторной стали в мартеновских печах, а в июле1929 г. на этом же заводе ввели в эксплуатацию электропечь, купленную за границей, предназначенную для выплавки такой же стали. Первые партии трансформаторной стали не отличались высокими свойствами: и мартеновский, и электропечной металлы имели средние магнитные потери около 1,7 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм. Постепенно качество электропечного металла улучшалось, и доля его в производстве возрастала. В 1931 г. всю трансформаторную сталь отливали только в электропечах. Работами по освоению производства трансформаторной стали, на ВИМЗ руководил известный ученый-металловед, профессор Уральского политехнического института Сергей Самойлович Штейнберг (член-корреспондент АН СССР с 1939 г.), разработавший рациональный метод ее отжига, эффективно улучшающий магнитные свойства этой стали.

Как создавалась электротехническая сталь

Сергей Самойлович Штейнберг

Причиной неудачи выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах, были неправильные представления о ее основах. Считалось, что главные условия, обеспечивающие высокий уровень магнитных свойств мартеновской стали, состоят в следующем: как можно более низкая температура металла при разливке для создания мелкой кристаллической структуры слитков; недопущение контакта шлака с металлом во время выпуска металла из печи и его разливки.

Для надежного отделения шлака металл один или даже два раза переливали из ковша в ковш перед разливкой. Ведение плавки на низком температурном режиме не обеспечивало удаление из металла примесей, а переливание металла из ковша в ковш зачастую приводило к авариям при разливке и большим потерям металла. И только в 1951–1952 гг. была разработана усовершенствованная технология выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах с высокой температурой нагрева металла, с применением легирования стали алюминием и обессериванием металла в ковше. Это обеспечило значительное улучшение свойств трансформаторной мартеновской стали.

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО МАРКИ «АРМКО»

Параллельно с развитием кремнистых электротехнических сталей требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели в 1909 г. к разработке американской фирмой American Rolling Mill Corporation (Мидлтаун, штат Огайо) технически чистого железа марки «армко» (сокращенное название фирмыизготовителя), получаемого в мартеновских и электрических плавильных печах при удлинении процесса выгорания примесей. Общее содержание примесей в этом железе около 0,16 %.

Как создавалась электротехническая сталь

Железо марки «армко»

Железо марки «армко» устойчиво против коррозии, хорошо сваривается, чрезвычайно пластично (поддается штамповке и глубокой вытяжке при комнатной температуре), отличается большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Однако оно имеет малое удельное электрическое сопротивление и обладает повышенными потерями на вихревые токи, в связи с чем его использование ограничено применениемв электротехнических изделиях, работающих в постоянных и медленно меняющихся магнитных полях (магнитопроводы реле, сердечники электромагнитов).

В Европе первая плавка технически чистого железа марки «армко» была проведена в Германии фирмой Thyssen-Krupp Steel в 1927 г.

В СССР производство технически чистого железа марки «армко» после ряда исследований было налажено в 1933 г. на московском металлургическом заводе «Серп и молот», ставшем с этого времени его основным поставщиком.

В 1926 г. в СССР на Мотовилихинском заводе (г. Пермь) был разработан способ производства в электрических и мартеновских печах технически чистого железа, получившего название «ВИТ-железо» в честь предложившего и поставившего данное производство инженера Всеволода Ивановича Тыжнова (ВИТ). Производят это железо при помощи скрап-процесса, представляющего собой разновидность процесса выплавки стали, при котором основной составляющей частью (60–70 %) металлической шихты является стальной лом (скрап), остальное – главным образом чугун. По своему составу ВИТ-железо близко к железу марки «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Следует отметить, что углеродистую сталь легируют для придания ей магнитных свойств не только кремнием. Добавление нескольких процентов вольфрама или кобальта к углеродистой стали увеличило в несколько раз коэрцитивную силу и остаточный магнетизм, создав новый материал для постоянных магнитов.

Как создавалась электротехническая сталь

Всеволод Иванович Тыжнов

ТЕКСТУРОВАННАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СТАЛЬ НОРМАНА ГОССА

В 1933 г. Норману П. Госсу, исследователю и изобретателю из Кливленда, штат Огайо, США, удалось путем двукратной холодной прокатки и термообработки получить трансформаторную сталь, имевшую при содержании кремния 3–3,5 % весьма высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. На эту технологию им был получен патент США № 1965559 «Электротехническая листовая сталь, способ и оборудование для ее производства и испытания» (заявка — 1933 г., опубликовано — 1934 г., автор Н. П. Госс, патентообладатель — фирма Сold Metal Process Co). Согласно этому патенту, процесс изготовления состоял из отжига горячекатаного материала при температуре 900 ºС, холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, вторичного отжига при 900 ºС, повторной холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, отжига сначала при 1 100 ºС, а затем — при 700 ºС для уменьшения старения. Максимальная магнитная проницаемость μm в первых образцах этой стали была равна 15 000 Гс/Э, что в 1,5–2 раза выше проницаемости лучшей марки горячекатаной трансформаторной стали. Ваттные потери имеют, соответственно, меньшую величину.

В 1937 г. американский ученый Вильямс (Williams H. J.) в результате лабораторных исследований доказал, что высокие магнитные характеристики стали, полученной Госсом, объясняются наличием в ней направленного расположения кристаллитов – зерен (текстуры), полученного при определенных режимах холодной прокатки и термообработки В холоднокатаной стали Госса направление легкого намагничивания и наименьшей коэрцитивной силы в ее элементарной ячейке (ребро объемно-центрированного куба кристаллической решетки ) совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания находится под углом 55º к направлению прокатки, а ось направления среднего намагничивания — под углом 90º к направлению прокатки. Последние два направления лежат в поперечной плоскости куба. Такая текстура получила название «ребровая текстура» или «госсовская текстура» (рис. 1, а).

После публикации сообщения Госса о его работе были предложены многие методы получения текстурованных сталей холодной прокаткой и отжигом. Сам Госс в 1937 г. изготавливал материал с хорошими свойствами, применяя прокатку при температуре приблизительно 800 ºС, отжиг, холодную прокатку и окончательный отжиг при 1 100 . В 1938 г. ºС. Хименц применял при прокатке последовательные понижения температур, заканчивая процесс холодной прокаткой. Полученный материал затем отжигался при температуре 1 250 ºС. В 1941 г. Карпентер обезуглероживал сплав перед холодной прокаткой отжигом горячекатаных листов с неудаленной окалиной и заканчивал процесс отжигом при температуре 800 ºС в регулируемой атмосфере для предотвращения загрязнения. В результате всех этих исследований было выявлено, что наилучший результат получается при комбинировании текстурирования материала и очистки его на различных стадиях изготовления — от выплавки до последнего отжига.

Промышленное производство текстурованной трансформаторной стали было освоенов 1940–1945 гг. сначала в США, а затем в европейских странах.

Как создавалась электротехническая сталь

Норман П. Госс

В СССР важные исследования по разработке технологии производства холоднокатаной трансформаторной стали были выполнены Центральной заводской лабораторией ВИМЗ и Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии (ЦНИИЧМ) в течение 1944–1945 гг. Несмотря на то, что производство холоднокатаной трансформаторной стали в США осуществлялось с 1942 г., опубликованных данных о ее свойствах и технологии производства не было. Поэтому разработка и освоение производства этой стали в СССР базировались в основном на данных отечественных исследований. После удачных лабораторных экспериментов ВИМЗ изготовил первую в СССР партию холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм, удельные потери в которой при Вm = 10 000 Гс и частоте 50 периодов в секунду приложенного напряжения были равны 0,79 Вт/кг.

Производство холоднокатаной трансформаторной стали впервые в Советском Союзе было организовано на Ленинградском сталепрокатном заводе в 1947 г. (лента толщиной 0,08 мм), затем в 1949 г. на Новосибирском металлургическом заводе (листы толщиной 0,35 и 0,50 мм). В дальнейшем производство холоднокатаной трансформаторной стали было освоено на заводе «Электросталь» (Москва) с термической обработкой в протяжных печах в атмосфере электролитического водорода, на заводе «Запорожсталь» и на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Трансформаторная сталь с ребровой текстурой изготавливается под различными заводскими и фирменными названиями (в США — грайн-ориентид, электрикал стил, М и др.; в СССР — ХВП, ХТ18, ЭЗ10, ЭЗ20, ЭЗ30, Э330А; в Англии — юнисил, алфасил; в ФРГ — гиперм), однако химический состав этих сталей во всех странах почти одинаков (содержание кремния 2,8–3,5 %, остальное — железо и примеси). Различие в магнитных свойствах объясняется степенью совершенства текстуры, содержанием вредных примесей и особенностями режимов холодной прокатки и термической обработки.

Снижение вредных примесей (обезуглероживание до 0,005 %С), совершенствование режимов выплавки, холодной прокатки и термической обработки, улучшение качества поверхности позволили к концу 50-х гг. прошлого столетия повысить максимальную магнитную проницаемость промышленной трансформаторной стали с ребровой текстурой до 50 000–60 000 Гс/Э, а потери на гистерезис при В = 15 000 Гс снизить до 0,4 Вт/кг при частоте 50 Гц. Анизотропия потерь энергии стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90º к потерям под углом 0º по направлению прокатки) равна примерно 2,5–3,0.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 1. Расположение кристаллитов: а) ребровая текстура, б) кубическая текстура

Наряду с высокими магнитными свойствами текстурованные стали имеют низкий коэффициент старения (0–3 %), высокую пластичность, высокий коэффициент заполнения и высокое качество поверхности. Поверхность текстурованной трансформаторной стали, как правило, имеет высокие электроизоляционные и антикоррозийные свойства, получаемые путем специальной обработки.

Следует отметить, что применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит только в направлении наилучших магнитных свойств, т. е. в направлении прокатки. Выполнение поставленного условия возможно в результате применения ленточных сердечников (рис. 2, где а, б — сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники).

Применение текстурованных сталей позволяет в мощных трансформаторах уменьшить потери энергии на 20–30 %, стоимость трансформаторов — на 5 %, вес — на 10 %, расход стали — на 20 %. Для трансформаторов малой мощности выигрыш в весе еще более значителен.

Важным для электромашиностроительных заводов (потребителей) также является изготовление электротехнических сталей в виде ленты, смотанной в рулоны, что позволяет механизировать и автоматизировать поточное производство на этих заводах, а также у изготовителя — на металлургических заводах. Поэтому, начиная с 1940– 1948 гг., стала широко применяться холодная рулонная прокатка электротехнической стали в виде ленты на непрерывных или реверсивных станах.

Как создавалась электротехническая сталь

Рулоны электротехнической стали

Создание и промышленное освоение в 30-х — 50-х гг. прошлого столетия холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой было выдающимся достижением в области разработки магнитомягких материалов, однако расширение области ее применения и увеличение количества ее марок выявили некоторые, не всегда положительные, особенности ее использования, а именно:

— высокие магнитные свойства холоднокатаной стали с ребровой текстурой получаются только вдоль направления прокатки, в то время как для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора необходимо, чтобы анизотропия магнитных свойств была минимальна, так как выполнить требование параллельности направлений намагничивания и прокатки в этом случае достаточно трудно;

— магнитные свойства трансформаторной стали, имеющей ребровую текстуру, сильно ухудшаются с уменьшением толщины ленты до 0,15–0,10 мм и меньше.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 2. Ленточные сердечники

В свете указанных причин усилия исследователей были направлены на создание холоднокатаной стали, имеющей одинаково высокие магнитные свойства как вдоль направления прокатки, так и поперек его, при этом не теряющей свои магнитные характеристики при уменьшении толщины холоднокатаной ленты до 0,1 мм и меньше. И такая изотропная сталь была создана.

ИЗОТРОПНАЯ ХОЛОДНОКАТАНАЯ СТАЛЬ ФРИЦА АССМУСА

В 1956 г. немецкий исследователь Фриц Ассмус и его сотрудники по работе в фирме «Вакуумшмельце» (г. Ханау, земля Гессен) провели лабораторные исследования, в результате которых была получена сталь в виде ленты толщиной 0,04 мм с достаточно высокими магнитными свойствами как вдоль, так и поперек направления прокатки. Полученный эффект в этой стали был достигнут за счет того, что в ней была сформирована кубическая текстура металла. При такой текстуре вдоль и поперек направления прокатки ориентируются ребра объемноцентрированного куба кристаллической решетки (направления легкого намагничивания в ее элементарной ячейке) (рис.1, б). В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки.

Во время этих лабораторных исследований сверхтонкая электротехническая лента с кубической текстурой была получена способом многократной холодной прокатки с обжатием 50–60 % с конечным обжигом в атомарном сухом водороде при температуре 1 100–1 300 ºС с применением газопоглотителей и катализаторов.

В конце 1957 г. в США одновременно две фирмы — «Дженерал электрик» и «Вестингауз электрик» — получили первые ленты толщиной 0,31 и 0,02–0,03 мм, имевшие кубические текстуры и высокие магнитные свойства.

В 1958–1960 гг. в СССР, в ЦНИИЧМ и Уральском НИИЧМ, также проводились эксперименты с целью получения стали с кубической текстурой. В результате была предложена сталь марки ЗСТА с высокой магнитной проницаемостью (μ0 = 3000–4000 Гс/Э; μm = 30 000– 40 000 Гс/Э) и низкой коэрцитивной силой (Нс = 0,08 Э) как вдоль, так и поперек направления прокатки при толщине ленты 0,05–0,10 мм.

Как создавалась электротехническая сталь

Следует отметить, что в конце 50-х гг. прошлого столетия в мировой практике отсутствовала надежная технология промышленного производства трансформаторной стали с кубической текстурой в виде ленты — ее еще предстояло создать.

ЭПИЛОГ

Таким образом, в первой половине прошлого столетия были созданы и освоены в промышленном производстве электротехнические стали, обладающие высокими магнитными, электрическими и механическими свойствами. Впереди был долгий и успешный путь усовершенствования, направленный на повышение качества этих сталей путем уменьшения в них вредных примесей, разработки и использования оптимальных режимов прокатки и термической обработки, но это — тема уже другой статьи.

Статья была опубликована в апрельском номере журнала «Наука и техника» за 2018 год

Как создавалась электротехническая сталь

Появление и развитие электротехники постоянного и переменного токов сформировали определенные требования к магнитным материалам. От них стали требовать больших значений магнитной индукции насыщения, малых потерь энергии на гистерезис и вихревые токи и меньшего старения, чем у использовавшейся в то время низкоуглеродистой стали. В самом начале прошлого века был достигнут значительный прогресс в разработке листовых электротехнических материалов. Об этом и об истории создания электротехнических сталей пойдет речь в этой статье.

ЖЕЛЕЗО-КРЕМНИЕВЫЕ СПЛАВЫ РОБЕРТА ГАДФИЛДА

В 1889 г. Роберт Аббот Гадфилд, владелец сталелитейного завода в Шеффилде, Англия, изобревший в 1882 г. высокомарганцовистую сталь, обладающую повышенной износоустойчивостью и высокой пластичностью (сталь Гадфилда), изучал свойства сплавов железа с кремнием, которые были изготовлены в разных пропорциях их компонентов. Целью этих экспериментов было желание продвинуть исследования по применению марганца в сталях. Однако результаты этих опытов оказались непродуктивными для стали Гадфилда.

Как создавалась электротехническая сталь

Роберт Аббот Гадфилд

В 1899 г. английский ученый сэр Вильям Баррет исследовал железо-кремниевые сплавы, ранее изготовленные Гадфилдом, и обнаружил, что они имеют улучшенные магнитные характеристики по отношению к низкоуглеродистой стали. Статья по этому вопросу В. Баррета, В. Брауна и Р. Гадфилда была в 1900 г. опубликована в трудах Дублинского королевского общества. Они отметили, что введение до 2,5 % кремния значительно повышает магнитную проницаемость материала; коэрцитивная сила такого сплава составляет примерно половину коэрцитивной силы стандартного железа, применявшегося ранее для сердечников трансформаторов. Образцы сплавов и результаты своих измерений они передали в Германию на завод Круппа для выяснения возможностей практического применения. От Круппа эти образцы получил немецкий ученый Эрнст Гумлих, профессор Имперского физико-технического института в Берлине, который в 1902 г. проверил результаты английских исследователей и дополнил их своими.

Гумлих обратил внимание на высокое электрическое сопротивление сплава железа с кремнием и первым высказал предположение о положительном влиянии этого явления на снижение потерь от вихревых токов в электротехническом железе. Гумлих не ограничился своими исследованиями, а довел свою идею до промышленной реализации. Фирмой «Капито и Клайн» были выплавлены партии динамного и трансформаторного железа. (Динамомашина — старое название электрогенератора постоянного тока). Затем была проведена горячая прокатка этих заготовок в листы. Первая промышленная партия электротехнического железа с добавкой кремния была выпущена в 1905 г.

В промышленности США железо-кремнистый сплав применялся также с 1905 г., в Англии — с 1906 г. Потерив этом электротехническом железе с добавками кремния составляли 2,2–4,4 Вт/кг при толщине листа 0,36 мм, максимальной индукции Вm = 10 000 Гс1 и частоте 60 Гц. Таким образом, величина потерь была в среднем в два раза меньше, чем у ранее применявшегося железа.

1 Гс (русское обозначение; международное — G) — Гáусс — единица измерения магнитной индукции в системе СГС. Названа в честь немецкого физика и математика Карла Фридриха Гаусса.

Исследования, выполненные в 1905–1915 гг. учеными Германии, Англии, США (Гумлих, Аллен, Ллойд и др.), показали:

  • в железе, не содержащем кремний, со временем увеличиваются ваттные потери; добавление кремния практически полностью устраняет явление магнитного старения железа;
  • отрицательное действие кремния на магнитные свойства железокремнистого сплава сводится к снижению магнитной индукции насыщения;
  • с повышением содержания кремния резко возрастают твердость и хрупкость железо-кремнистого сплава, вследствие чего в технике стали применять эти сплавы с содержанием кремния не выше 5 %.

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО ВИМЗ

До Первой мировой войны листовое железо для русских электротехнических заводов поставлялось из-за границы, преимущественно из Германии. Лишь небольшая часть динамного железа поставлялась фирмой «Гута Банкова», находящейся в Домбровском районе Царства Польского. Поэтому уже с осени 1914 г. ВерхИсетский металлургический завод (ВИМЗ) на Урале начал интенсивно заниматься освоением производства динамного и трансформаторного железа.

Как создавалась электротехническая сталь

Общий вид Верх-Исетского металлургического завода

Технология изготовления динамного железа включала в себя горячую прокатку выплавленных в мартеновской печи слитков весом 0,5–1 т на полосы, разрезаемые на сутунки весом от 7 до 30 кг, и прокатку сутунок в горячем состоянии на листы различной толщины. Следует отметить, что жесткость станин двухвалковых станов при плотном нажиме валков обеспечивает минимальную толщину проката 3–2,5 мм. При толщине проката менее 2 мм вытяжка металла прекращается вследствие упругой деформации станин и других деталей стана. Поэтому для получения более тонких листов несколько сутунок накладывали друг на друга, в связи с чем увеличивалась толщина раската (пакета) и обеспечивалась возможность его дальнейшей эффективной вытяжки. При этом и слитки, и пакеты сутунок подогревались до определенных температур. Затем прокатанные в пакете листы отделяли друг от друга, правили в холодном состоянии, отжигали, сортировали и контролировали их качество.

При прокатке кремнистого железа в тонкие листы неизбежно их сильное остывание и получение связанного с холодной деформацией наклепа, создающего внутренние напряжения в металле, а последние во много раз повышают магнитные потери. Отжиг снимает эти внутренние напряжения. Вот почему отжиг является важной операцией в производстве электротехнического железа.

На ВИМЗ к новому производству отнеслись серьезно: велись тщательные исследования получаемого железа, для чего были созданы магнитная и металлографическая лаборатории. Всего в 1915–1917 гг. ВИМЗ было изготовлено360 тыс. пудов динамного железа (содержание кремния до 3 %) с толщиной листов 0, 5 мм.

Содержание кремния в этом динамном железе колебалось от 0,6 до 0,8 %, а общее количество примесей было около 0,4 %, исключая кремний. В январе 1916 г. электротехнический отдел Военно-промышленного комитета России утвердил Временные технические условия на производство динамного и трансформаторного железа. В отношении листового железа для динамомашин из этих технических условий следовало: «Величина потерь при Вm = 10 000 Гс, частоте 50 периодов в секунду и синусной кривой приложенного напряжения не должна превосходить 3,5 Вт/кг при толщине листа 0,5 мм и 2,8 Вт/кг — при толщине листа 0,3 мм. 65,8 % изготовленного листового динамного железа удовлетворяло требованиям этих временных технических условий. Прокатка листов железа производилась только в одном направлении, благодаря чему была обнаружена заметная разница в магнитных свойствах железа вдоль прокатки и поперек.

По своим свойствам динамное железо было не хуже соответствующих марок заграничного динамного железа. Но по количеству и номенклатуре полностью удовлетворить потребности промышленности ВИМЗ не имел возможности.

Освоение производства трансформаторного железа (содержание кремния до 4,5 %) на ВИМЗ продвигалось с большими трудностями, хотя сначала казалось, что нужно только в технологии изготовления динамного железа изменить мартеновский процесс для обеспечения химического состава металла и параметры отжигаготовых листов. Осенью 1916 г. при прокатке опытной плавки трансформаторного железа листы большей частью рвались, а те, что были целыми, ломались при первом изгибе, что совершенно неприемлемо с точки зрения механических требований, предъявляемых к этому железу. Все-таки в марте 1917 г. были получены образцы трансформаторного железа, удовлетворяющие Временным техническим условиям (потери при Вm = 10 000 Гс не должны превосходить 1,6 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм).

В это же время инженер Ф. Власов, занимавшийся на ВИМЗ внедрением в производство трансформаторного железа, был командирован в США. Исследуя взятые туда шлифы трансформаторного железа с содержанием кремния 3,8 %, он пришел к выводу о наличии в них немагнитных включений, уменьшающих полезное сечение железа и, следовательно, увеличивающих потери. Влияние это возрастало с увеличением содержания кремния. Для уменьшения потерь необходимо полное удаление немагнитных включений и связанной с ними закиси железа FeO. Удаление этой закиси из мартеновского процесса невозможно. Последовал вывод: необходимо для уменьшения потерь в трансформаторном железе использовать для него металл, выплавленный в электрической печи, в которой можно обеспечить низкое содержание закиси железа в этом металле.

Наконец в 1918 г. производство на ВИМЗ вообще остановилось. Всего на заводе за период с 1916 по 1918 гг. было произведено 6 000 пудов трансформаторного железа.

Позднее, в 1921 г., 8-й Всероссийский электротехнический съезд обратил внимание на то, что сплав железа с кремнием является сталью. Вследствие этого динамное железо стали называть динамной сталью, а трансформаторное – трансформаторной сталью. Тот же съезд утвердил «Технические условия для листовой электротехнической стали», разработанные Центральным электротехническим советом. Соответствующие значения магнитных потерь были ограничены величиной 3,3 Вт/кг для динамной стали толщиной 0,5 мм, и 1,6 Вт/кг — для трансформаторной стали толщиной 0,35 мм. В дальнейшем эти нормы несколько облегчили: значения магнитных потерь для динамной и трансформаторной стали снизили, соответственно, до 3,5 и 1,7 Вт/кг.

Остро встал вопрос о производстве электротехнических сталей в советское время. Опытные работы по восстановлению производства динамной стали на ВИМЗ начались в конце 1923 г., а в феврале 1924 г. была изготовлена первая партия этой стали. В 1927 г. на этом заводе был введен в эксплуатацию новый цех по производству динамной стали, обеспечивший покрытие потребления страны в этой продукции.

В 1928 г. на ВИМЗ была предпринята попытка освоить производство трансформаторной стали в мартеновских печах, а в июле1929 г. на этом же заводе ввели в эксплуатацию электропечь, купленную за границей, предназначенную для выплавки такой же стали. Первые партии трансформаторной стали не отличались высокими свойствами: и мартеновский, и электропечной металлы имели средние магнитные потери около 1,7 Вт/кг при толщине листа 0,35 мм. Постепенно качество электропечного металла улучшалось, и доля его в производстве возрастала. В 1931 г. всю трансформаторную сталь отливали только в электропечах. Работами по освоению производства трансформаторной стали, на ВИМЗ руководил известный ученый-металловед, профессор Уральского политехнического института Сергей Самойлович Штейнберг (член-корреспондент АН СССР с 1939 г.), разработавший рациональный метод ее отжига, эффективно улучшающий магнитные свойства этой стали.

Как создавалась электротехническая сталь

Сергей Самойлович Штейнберг

Причиной неудачи выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах, были неправильные представления о ее основах. Считалось, что главные условия, обеспечивающие высокий уровень магнитных свойств мартеновской стали, состоят в следующем: как можно более низкая температура металла при разливке для создания мелкой кристаллической структуры слитков; недопущение контакта шлака с металлом во время выпуска металла из печи и его разливки.

Для надежного отделения шлака металл один или даже два раза переливали из ковша в ковш перед разливкой. Ведение плавки на низком температурном режиме не обеспечивало удаление из металла примесей, а переливание металла из ковша в ковш зачастую приводило к авариям при разливке и большим потерям металла. И только в 1951–1952 гг. была разработана усовершенствованная технология выплавки трансформаторной стали в мартеновских печах с высокой температурой нагрева металла, с применением легирования стали алюминием и обессериванием металла в ковше. Это обеспечило значительное улучшение свойств трансформаторной мартеновской стали.

ТЕХНИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ЖЕЛЕЗО МАРКИ «АРМКО»

Параллельно с развитием кремнистых электротехнических сталей требования увеличения магнитной индукции и снижения коэрцитивной силы привели в 1909 г. к разработке американской фирмой American Rolling Mill Corporation (Мидлтаун, штат Огайо) технически чистого железа марки «армко» (сокращенное название фирмыизготовителя), получаемого в мартеновских и электрических плавильных печах при удлинении процесса выгорания примесей. Общее содержание примесей в этом железе около 0,16 %.

Как создавалась электротехническая сталь

Железо марки «армко»

Железо марки «армко» устойчиво против коррозии, хорошо сваривается, чрезвычайно пластично (поддается штамповке и глубокой вытяжке при комнатной температуре), отличается большой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Однако оно имеет малое удельное электрическое сопротивление и обладает повышенными потерями на вихревые токи, в связи с чем его использование ограничено применениемв электротехнических изделиях, работающих в постоянных и медленно меняющихся магнитных полях (магнитопроводы реле, сердечники электромагнитов).

В Европе первая плавка технически чистого железа марки «армко» была проведена в Германии фирмой Thyssen-Krupp Steel в 1927 г.

В СССР производство технически чистого железа марки «армко» после ряда исследований было налажено в 1933 г. на московском металлургическом заводе «Серп и молот», ставшем с этого времени его основным поставщиком.

В 1926 г. в СССР на Мотовилихинском заводе (г. Пермь) был разработан способ производства в электрических и мартеновских печах технически чистого железа, получившего название «ВИТ-железо» в честь предложившего и поставившего данное производство инженера Всеволода Ивановича Тыжнова (ВИТ). Производят это железо при помощи скрап-процесса, представляющего собой разновидность процесса выплавки стали, при котором основной составляющей частью (60–70 %) металлической шихты является стальной лом (скрап), остальное – главным образом чугун. По своему составу ВИТ-железо близко к железу марки «армко», но отличается от последнего большим содержанием кремния и имеет более низкие магнитные свойства.

Следует отметить, что углеродистую сталь легируют для придания ей магнитных свойств не только кремнием. Добавление нескольких процентов вольфрама или кобальта к углеродистой стали увеличило в несколько раз коэрцитивную силу и остаточный магнетизм, создав новый материал для постоянных магнитов.

Как создавалась электротехническая сталь

Всеволод Иванович Тыжнов

ТЕКСТУРОВАННАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ СТАЛЬ НОРМАНА ГОССА

В 1933 г. Норману П. Госсу, исследователю и изобретателю из Кливленда, штат Огайо, США, удалось путем двукратной холодной прокатки и термообработки получить трансформаторную сталь, имевшую при содержании кремния 3–3,5 % весьма высокие магнитные свойства вдоль направления прокатки. На эту технологию им был получен патент США № 1965559 «Электротехническая листовая сталь, способ и оборудование для ее производства и испытания» (заявка — 1933 г., опубликовано — 1934 г., автор Н. П. Госс, патентообладатель — фирма Сold Metal Process Co). Согласно этому патенту, процесс изготовления состоял из отжига горячекатаного материала при температуре 900 ºС, холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, вторичного отжига при 900 ºС, повторной холодной прокатки с уменьшением толщины на 60 %, отжига сначала при 1 100 ºС, а затем — при 700 ºС для уменьшения старения. Максимальная магнитная проницаемость μm в первых образцах этой стали была равна 15 000 Гс/Э, что в 1,5–2 раза выше проницаемости лучшей марки горячекатаной трансформаторной стали. Ваттные потери имеют, соответственно, меньшую величину.

В 1937 г. американский ученый Вильямс (Williams H. J.) в результате лабораторных исследований доказал, что высокие магнитные характеристики стали, полученной Госсом, объясняются наличием в ней направленного расположения кристаллитов – зерен (текстуры), полученного при определенных режимах холодной прокатки и термообработки В холоднокатаной стали Госса направление легкого намагничивания и наименьшей коэрцитивной силы в ее элементарной ячейке (ребро объемно-центрированного куба кристаллической решетки ) совпадает с направлением прокатки, направление трудного намагничивания находится под углом 55º к направлению прокатки, а ось направления среднего намагничивания — под углом 90º к направлению прокатки. Последние два направления лежат в поперечной плоскости куба. Такая текстура получила название «ребровая текстура» или «госсовская текстура» (рис. 1, а).

После публикации сообщения Госса о его работе были предложены многие методы получения текстурованных сталей холодной прокаткой и отжигом. Сам Госс в 1937 г. изготавливал материал с хорошими свойствами, применяя прокатку при температуре приблизительно 800 ºС, отжиг, холодную прокатку и окончательный отжиг при 1 100 . В 1938 г. ºС. Хименц применял при прокатке последовательные понижения температур, заканчивая процесс холодной прокаткой. Полученный материал затем отжигался при температуре 1 250 ºС. В 1941 г. Карпентер обезуглероживал сплав перед холодной прокаткой отжигом горячекатаных листов с неудаленной окалиной и заканчивал процесс отжигом при температуре 800 ºС в регулируемой атмосфере для предотвращения загрязнения. В результате всех этих исследований было выявлено, что наилучший результат получается при комбинировании текстурирования материала и очистки его на различных стадиях изготовления — от выплавки до последнего отжига.

Промышленное производство текстурованной трансформаторной стали было освоенов 1940–1945 гг. сначала в США, а затем в европейских странах.

Как создавалась электротехническая сталь

Норман П. Госс

В СССР важные исследования по разработке технологии производства холоднокатаной трансформаторной стали были выполнены Центральной заводской лабораторией ВИМЗ и Центральным научно-исследовательским институтом черной металлургии (ЦНИИЧМ) в течение 1944–1945 гг. Несмотря на то, что производство холоднокатаной трансформаторной стали в США осуществлялось с 1942 г., опубликованных данных о ее свойствах и технологии производства не было. Поэтому разработка и освоение производства этой стали в СССР базировались в основном на данных отечественных исследований. После удачных лабораторных экспериментов ВИМЗ изготовил первую в СССР партию холоднокатаной трансформаторной стали толщиной 0,35 мм, удельные потери в которой при Вm = 10 000 Гс и частоте 50 периодов в секунду приложенного напряжения были равны 0,79 Вт/кг.

Производство холоднокатаной трансформаторной стали впервые в Советском Союзе было организовано на Ленинградском сталепрокатном заводе в 1947 г. (лента толщиной 0,08 мм), затем в 1949 г. на Новосибирском металлургическом заводе (листы толщиной 0,35 и 0,50 мм). В дальнейшем производство холоднокатаной трансформаторной стали было освоено на заводе «Электросталь» (Москва) с термической обработкой в протяжных печах в атмосфере электролитического водорода, на заводе «Запорожсталь» и на Магнитогорском металлургическом комбинате.

Трансформаторная сталь с ребровой текстурой изготавливается под различными заводскими и фирменными названиями (в США — грайн-ориентид, электрикал стил, М и др.; в СССР — ХВП, ХТ18, ЭЗ10, ЭЗ20, ЭЗ30, Э330А; в Англии — юнисил, алфасил; в ФРГ — гиперм), однако химический состав этих сталей во всех странах почти одинаков (содержание кремния 2,8–3,5 %, остальное — железо и примеси). Различие в магнитных свойствах объясняется степенью совершенства текстуры, содержанием вредных примесей и особенностями режимов холодной прокатки и термической обработки.

Снижение вредных примесей (обезуглероживание до 0,005 %С), совершенствование режимов выплавки, холодной прокатки и термической обработки, улучшение качества поверхности позволили к концу 50-х гг. прошлого столетия повысить максимальную магнитную проницаемость промышленной трансформаторной стали с ребровой текстурой до 50 000–60 000 Гс/Э, а потери на гистерезис при В = 15 000 Гс снизить до 0,4 Вт/кг при частоте 50 Гц. Анизотропия потерь энергии стали с ребровой текстурой (отношение потерь под углом 90º к потерям под углом 0º по направлению прокатки) равна примерно 2,5–3,0.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 1. Расположение кристаллитов: а) ребровая текстура, б) кубическая текстура

Наряду с высокими магнитными свойствами текстурованные стали имеют низкий коэффициент старения (0–3 %), высокую пластичность, высокий коэффициент заполнения и высокое качество поверхности. Поверхность текстурованной трансформаторной стали, как правило, имеет высокие электроизоляционные и антикоррозийные свойства, получаемые путем специальной обработки.

Следует отметить, что применение сталей, обладающих магнитной анизотропией, требует такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток проходит только в направлении наилучших магнитных свойств, т. е. в направлении прокатки. Выполнение поставленного условия возможно в результате применения ленточных сердечников (рис. 2, где а, б — сплошные ленточные сердечники; в, г — разрезные ленточные сердечники).

Применение текстурованных сталей позволяет в мощных трансформаторах уменьшить потери энергии на 20–30 %, стоимость трансформаторов — на 5 %, вес — на 10 %, расход стали — на 20 %. Для трансформаторов малой мощности выигрыш в весе еще более значителен.

Важным для электромашиностроительных заводов (потребителей) также является изготовление электротехнических сталей в виде ленты, смотанной в рулоны, что позволяет механизировать и автоматизировать поточное производство на этих заводах, а также у изготовителя — на металлургических заводах. Поэтому, начиная с 1940– 1948 гг., стала широко применяться холодная рулонная прокатка электротехнической стали в виде ленты на непрерывных или реверсивных станах.

Как создавалась электротехническая сталь

Рулоны электротехнической стали

Создание и промышленное освоение в 30-х — 50-х гг. прошлого столетия холоднокатаной анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой было выдающимся достижением в области разработки магнитомягких материалов, однако расширение области ее применения и увеличение количества ее марок выявили некоторые, не всегда положительные, особенности ее использования, а именно:

— высокие магнитные свойства холоднокатаной стали с ребровой текстурой получаются только вдоль направления прокатки, в то время как для магнитопроводов электрических машин с круглой формой статора и ротора необходимо, чтобы анизотропия магнитных свойств была минимальна, так как выполнить требование параллельности направлений намагничивания и прокатки в этом случае достаточно трудно;

— магнитные свойства трансформаторной стали, имеющей ребровую текстуру, сильно ухудшаются с уменьшением толщины ленты до 0,15–0,10 мм и меньше.

Как создавалась электротехническая сталь

Рис. 2. Ленточные сердечники

В свете указанных причин усилия исследователей были направлены на создание холоднокатаной стали, имеющей одинаково высокие магнитные свойства как вдоль направления прокатки, так и поперек его, при этом не теряющей свои магнитные характеристики при уменьшении толщины холоднокатаной ленты до 0,1 мм и меньше. И такая изотропная сталь была создана.

ИЗОТРОПНАЯ ХОЛОДНОКАТАНАЯ СТАЛЬ ФРИЦА АССМУСА

В 1956 г. немецкий исследователь Фриц Ассмус и его сотрудники по работе в фирме «Вакуумшмельце» (г. Ханау, земля Гессен) провели лабораторные исследования, в результате которых была получена сталь в виде ленты толщиной 0,04 мм с достаточно высокими магнитными свойствами как вдоль, так и поперек направления прокатки. Полученный эффект в этой стали был достигнут за счет того, что в ней была сформирована кубическая текстура металла. При такой текстуре вдоль и поперек направления прокатки ориентируются ребра объемноцентрированного куба кристаллической решетки (направления легкого намагничивания в ее элементарной ячейке) (рис.1, б). В каждом из них электромагнитные свойства стали с кубической текстурой аналогичны свойствам стали с ребровой текстурой в направлении прокатки.

Во время этих лабораторных исследований сверхтонкая электротехническая лента с кубической текстурой была получена способом многократной холодной прокатки с обжатием 50–60 % с конечным обжигом в атомарном сухом водороде при температуре 1 100–1 300 ºС с применением газопоглотителей и катализаторов.

В конце 1957 г. в США одновременно две фирмы — «Дженерал электрик» и «Вестингауз электрик» — получили первые ленты толщиной 0,31 и 0,02–0,03 мм, имевшие кубические текстуры и высокие магнитные свойства.

В 1958–1960 гг. в СССР, в ЦНИИЧМ и Уральском НИИЧМ, также проводились эксперименты с целью получения стали с кубической текстурой. В результате была предложена сталь марки ЗСТА с высокой магнитной проницаемостью (μ0 = 3000–4000 Гс/Э; μm = 30 000– 40 000 Гс/Э) и низкой коэрцитивной силой (Нс = 0,08 Э) как вдоль, так и поперек направления прокатки при толщине ленты 0,05–0,10 мм.

Как создавалась электротехническая сталь

Следует отметить, что в конце 50-х гг. прошлого столетия в мировой практике отсутствовала надежная технология промышленного производства трансформаторной стали с кубической текстурой в виде ленты — ее еще предстояло создать.

ЭПИЛОГ

Таким образом, в первой половине прошлого столетия были созданы и освоены в промышленном производстве электротехнические стали, обладающие высокими магнитными, электрическими и механическими свойствами. Впереди был долгий и успешный путь усовершенствования, направленный на повышение качества этих сталей путем уменьшения в них вредных примесей, разработки и использования оптимальных режимов прокатки и термической обработки, но это — тема уже другой статьи.

Статья была опубликована в апрельском номере журнала «Наука и техника» за 2018 год

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *