פלדות סיליקון והיישומים שלהן

החומר המגנטי הרך הראשון היה ברזל, שהכיל זיהומים רבים. החוקרים מצאו שתוספת של סיליקון הגבירה את ההתנגדות, הפחיתה את אובדן ההיסטרזיס, הגבירה את החדירות ולמעשה ביטלה את ההזדקנות.

נעשה שימוש בכמויות ניכרות של פלדה מכוונת, בעיקר בשנאי חשמל והפצה. עם זאת, הוא לא החליף פלדת סיליקון לא מכוונת, שנמצאת בשימוש נרחב כאשר יש צורך בחומר בעלות נמוכה ובעל אובדן נמוך, במיוחד בציוד מסתובב. עלינו להזכיר גם את הפלדות לממסרים, בשימוש נרחב בממסרים, אבזור וסולנואידים. פלדות ממסר מכילות בין 1.25 ל-2.5 אחוזים Si ומשמשות ביישומי זרם ישר בשל החדירות הטובה יותר שלהן, כוח הכפייה הנמוך יותר והיעדר הזדקנות.

תכונות פיזיקליות חשובות של פלדות סיליקון הן התנגדות, אינדוקציית רוויה, אניזוטרופיה מגנטו-גבישית, מגנטוסטריה וטמפרטורת Curie. ההתנגדות, שהיא די נמוכה בברזל, עולה בצורה ניכרת עם תוספת של סיליקון. התנגדות גבוהה יותר מפחיתה את אובדן הליבה על ידי הפחתת רכיב זרם המערבולת. הגדלת תכולת הסיליקון מפחיתה את המגנטוסטרציה, אך העיבוד הופך לקשה יותר. טמפרטורת הקורי הגבוהה של הברזל תופח על ידי יסודות הסגסוגת, אך להורדה אין חשיבות מועטה למשתמש בפלדות סיליקון.

תהליך המגנטיזציה מושפע מזיהומים, כיוון גרגר, גודל גרגר, מתח, עובי פס וחלקות פני השטח. אחת הדרכים החשובות ביותר לשיפור חומרים מגנטיים רכים היא הסרת זיהומים, המפריעים לתנועה של קירות התחום; הם פחות מזיקים אם הם נמצאים בתמיסה מוצקה. בהשוואה לפלדות מסחריות אחרות, פלדת סיליקון היא טהורה במיוחד. מכיוון שפחמן, טומאה ביניים, עלול לפגוע בחדירות אינדוקציה נמוכה, יש להסירו לפני חישול הפלדה כדי לפתח את המרקם הסופי.

מנגנון צמיחת התבואה עם כיוון קצה הקובייה במהלך החישול הסופי אינו מובן במלואו. התהליך כרוך בגיבוש משני שמאופיין, בהגדרה, בצמיחה מואצת של קבוצה של גרגרים במטריצה ​​שכבר התגבשה מחדש.

לצורך התגבשות משני, יש לעכב צמיחה תקינה של תבואה בדרך כלשהי. ככל שהטמפרטורה עולה, חלק מהגרגרים משתחררים מהכוחות המעכבים וגדלים בהרחבה על חשבון שכניהם. היצרנים יודעים שבפועל יש לעקוב בקפידה אחר רצפי הגלגול וההתגבשות הקרים המתאימים כדי להשיג את גרעיני ההתגבשות המשניים הרצויים ואת המרקם הנכון. פלדות סיליקון נוכחיות משתמשות ב-MnS כמעכב צמיחת גרגרים, אך גם תרכובות אחרות כגון קרבידים, תחמוצות או ניטרידים יעילות.

ייצור ושימוש בפלדה מכוונת

לפלדת סיליקון מכוונת יש הרכב מוגבל יותר מאשר זנים לא מכוונים. המרקם מפותח באמצעות סדרה של פעולות עבודה וחישול קפדניות, והחומר חייב להישאר למעשה חד-פאזי לאורך כל התהליך, במיוחד במהלך החישול הסופי, מכיוון ששינוי השלב הורס את המרקם. כדי למנוע את לולאת ה-Y של מערכת הפאזה Fe-Si, הפלדה המסחרית של היום היא בערך 3.25 אחוז Si. זני סיליקון גבוהים יותר, שעשויים להיות מועדפים על ידי התנגדות מוגברת וירידה במגנטוסטיריון, נמנעים מהקשיים של גלגול קר.

הטמפרטורה, הרכב האטמוספירה ונקודת הטל נשלטים באופן הדוק כדי לשחרר את הפחמן של הרשת מבלי לחמצן את פני השטח. במהלך טיפול זה מתרחש התגבשות ראשונית היוצר גרגירים קטנים, אחידים ובמרחק שווה. חיפוי זכוכית מגנזיום סיליקט שנוצר יספק את הבידוד החשמלי בין יריעות עוקבות כאשר הן מורכבות לליבת שנאי. בשלב זה, הפלדה מסווגת על ידי חיתוך דגימות אפשטיין מהסליל; דגימות מחשלות ומשטחות ב-790°, ואובדן הליבה נבדק.

יישומים עבור פלדת סיליקון מכוונת כוללים שנאים (כוח, הפצה, נטל, מכשירים, אודיו והתמחויות) וגנראטורים לטורבינות קיטור וגלגלי מים.

באופן כללי, ליבות הטחנה משתמשות במגוון המלא של ציונים ומדדים מוכווני גרגרים. המדד ודרגת החומר עבור יישום נתון נקבעים על סמך כלכלה, כוח שנאי, דרישות רמת רעש, דרישות הפסד, צפיפות הפעלה ואפילו גודל הליבה. מכיוון שהרצועה חייבת להיות שטוחה כדי לייצר ליבה טובה, הסלילים משטחים לאחר חישול בטמפרטורה גבוהה. לאחר מכן הלהקה מצופה בפוספט אנאורגני לבידוד. דגימות מכל קצה של הסליל מדורגות לאחר חישול הפגת מתח במעבדה כמתואר לעיל. מרצועה כזו חותך יצרן השנאים את אורכו הנדרש לשיפור הבידוד של הפס. כתוצאה מכך, הוא מקטין את הפסדי זרם המערבולת והצטברות חום, דבר שחשוב במיוחד בשנאים שחייבים לעמוד במבחן דחף.

כפי שצוין לעיל, דרישה חשובה בייצור ליבות למינציה היא למזער את רעשי השנאים. רעש הוא פונקציה של גורמי ייצור ועיצוב ליבה, כאשר מאפיין חומר הליבה הוא אחד החשובים ביותר. כבר הצביעו על התלות של מגנטוסטרציה בתכולת הסיליקון. בנוסף, מגנטוסטרציה מופחתת על ידי שיפור המרקם והחדרת מתחי מתיחה על ידי מריחת ציפויים מבודדים דמויי זכוכית. מאחר ולחצי דחיסה משפיעים לרעה על המגנטוסטריציה, חשוב שהלמינציה תישאר שטוחה להרכבה. הפעלת אינדוקציה היא גם גורם המשפיע על הרעש ולמעשה משפיע על מאפייני הפעולה הכוללים של השנאי. אינדוקציות ההפעלה של שנאים למינציה הן בדרך כלל בטווח של 10.000 עד 17.000 G; ההספקים נעים בין 500 ל-1.000.000 kVA.

ליבות הפצע מפותלות בצורה טורואידית עם הכיוון הקריסטלוגרפי [100] סביב הרצועה. שלבי העיבוד שונים במקצת מאלה המשמשים עבור שנאי לגו, אם כי חומר המוצא זהה: סליל גדול בעל חישול טורואיד מצופה בסיליקט מגנזיום, המספק בדרך כלל בידוד מספיק.

עבור יישום ליבת הפצע, אבקת MgO שלא הגיבה מוסרת מפני השטח של הרצועה, ודגימה מכל קצה של הסליל נחתכת לרצועות Epstein לבדיקה כמו קודם. לאחר מיון, הסליל נשלח ליצרן השנאים, כפולות חתוכות או כסליל ברוחב מלא לחיתוך נוסף. מכפיל החתך, מלופף למימד הליבה הנתון, צריך להיות שחרור מתח מחושל ב-790 מעלות באווירה יבשה שאינה מחמצנת. מחבתות וצלחות חישול צריכים להיות פלדה דלת פחמן כדי להסיר כל זיהום פחמן, שעלול להזיק מאוד לאיכות.

לאחר חישול הפגת מתח, הליבות נחתכות ומרכיבים את ליבת השנאי על ידי קשירת הפלדה סביב סלילי זרם נושאי נחושת (או אלומיניום). במצב חישול הפגת מתח, פלדה מכוונת גרגר רגישה ללחץ מכני; לכן, יש להרכיב את הליבות בזהירות. ללא קשר להקפדה על ביצוע ההרכבה, האיכות הסופית של הליבה היא תמיד נחותה מזו של הפגת המתח המחושלת, לא חתוכה.

ההבדל באיכות, המכונה בדרך כלל "גורם ההרוג", נובע מהרגישות היחסית למתח של פלדה מוכוונת גרגר, מהליך הטיפול בייצור ומהאחידות וכמות החלל האוויר בליבה. בהיותו פונקציה של התכנון והייצור של השנאי, שני הגורמים האחרונים הם אלה שנשלטים בצורה הטובה ביותר על ידי היצרן. רוב פצעי הליבה משמשים ביישומי שנאי הפצה מ-25 עד 500 קילוואט.

ייצור ושימוש בפלדות סיליקון לא מכוונות

פלדות סיליקון שאינן מכוונות אינן משתמשות בתהליך התגבשות משני לפיתוח תכונותיהן, וחישול בטמפרטורה גבוהה אינו חיוני. לכן, גבול סיליקון נמוך יותר, כמו זה הנדרש עבור ציונים מכוונים, אינו חיוני.

ציונים לא מכוונים מכילים בין {{0}}.5 ל-3.25 אחוז Si פלוס עד 0.5 אחוז Al, שנוספו להגברת ההתנגדות ולהורדת טמפרטורת ההתגבשות הראשונית. גידול דגנים רצוי מאוד בכיתות לא מכוונות, אך בדרך כלל הרבה פחות מאשר בכיתות מכוונות.

עיבוד של רצועה מגולגלת חמה דומה לזה שתואר עבור מכוון איכות. לאחר מיזוג פני השטח, הרצועות בדרך כלל מגולגלות קר ישירות למדד הסופי ונמכרות ליצרן השנאים באחד משני תנאים: מעובדים מלאים או מעובדים למחצה. לאחר הגלגול הקרה הסופי, הרצועה מחושלת, משחררת אותה ל-0.005% C או פחות ומפתחת את מבנה הגרגירים הדרוש לתכונות מגנטיות. לאחר מכן נלקחות דגימות מכל קצה של הסליל ונבדקות.

פלדות סיליקון לא מעובדות במלואן משמשות בדרך כלל ביישומים שבהם:

הכמויות קטנות מכדי להצדיק הפגת מתח על ידי הצרכן, או

הסדינים כל כך גדולים שיהיה קשה לשמור על צורה פיזית טובה לאחר חישול הפגת מתחים של 843 מעלות.

פלדות לא מכוונות אינן רגישות לעיוותים כמו המוצר המכוון. כתוצאה מכך, מתיחות גזירה הן השפעות העיוות היחידות, שאמורות לפגוע באיכות המגנטית. מכיוון שהלמינציות בדרך כלל גדולות, ניתן לסבול עיוות גזירה אלה. רוב הציונים המעובדים במלואם משמשים כלמינציה מוטבעת ביישומים כגון רוטורים וסטטורים.

לפלדות לא מכוונות יש כיוון אקראי. הם משמשים בדרך כלל בציוד מסתובב גדול כגון מנועי AC, גנרטורים ואלטרנטורים. פלדות מעובדות במלואן עוברות חישול "מלא" (לפיתוח איכות מגנטית אופטימלית), מה שהופך אותן לרכות וקשות יותר לקידוח מאשר מוצרים מעובדים למחצה. ציונים עם תכולת סגסוגת גבוהה יותר קשים יותר ולכן קל יותר לנקב.

ניתן לשפר את יכולת הניקוב בפלדות מעובדות במלואן על ידי הוספת ציפוי אורגני, הפועל כחומר סיכה במהלך ההטבעה ומספק בידוד נוסף לסולם הבסיס. אם נדרש חוזק אינטרלמינציה טוב, ניתן לרכוש חומר מעובד במלואו עם פורניר בסיס.

מוצרים מעובדים למחצה עוברים בדרך כלל חישול בטמפרטורה נמוכה לאחר גלגול קר סופי. פחמן אינו מוסר בהכרח באותה רמה כמו בחומר מעובד במלואו. לאחר מכן, יצרן השנאים יחלה את החומר באווירת שחרור רטובה כדי לשחרר עוד יותר ולפתח את התכונות המגנטיות. לאחר חישול מפחמן במפעל, נלקחות דגימות, חותכות לקופונים, מפורקות ב-843 מעלות למשך שעה אחת לפחות, ונבדקות כדי לסווג את הסליל.

פלדות סיליקון ללא אוריינטציה מעובדות למחצה משמשות ליישומי חישול שחרור של לקוחות. באופן כללי, למוצרים אלו מאפייני ניקוב טובים והם משמשים ביישומים שונים כגון רוטורים קטנים, סטטורים ושנאי כוח קטנים. ניתן לרכוש פלדות מעובדות למחצה עם אבנית הדבקה גבוהה, או עם ציפוי מבודד מעל החלודה. הציפוי האורגני פועל כחומר סיכה במהלך ניקוב, אך אינו עומד בטמפרטורות חישול הפחתת מתח; לכן, הוא אינו חל על חומר מעובד למחצה.

טבלה 1. השמות החשובים ביותר של פלדת סיליקון המפורטים בסטנדרטים שונים