Электротехнические стали (ЭТС) – класс ферромагнитных материалов, применяющихся для изготовления магнитно-активных частей электромашин и приборов, вырабатывающих и преобразующих электрическую энергию: генераторов, трансформаторов, электродвигателей, реле, электромагнитов. По способу изготовления ЭТС делятся на горячекатаные и холоднокатаные. Несмотря на то что химический состав ЭТС обычно не нормируется, они распределяются на группы в зависимости от массовой доли главного легирующего элемента (кремний или кремний совместно с алюминием), как это показано в табл. 1.
Стали могут изготовляться с незащищённой металлической поверхностью или иметь электроизоляционное покрытие. Термостойкость обозначается в марке буквой Т, улучшение штампуемости – буквой Ш, нетермостойкое покрытие – буквой Н. Если для листовой стали проводился контроль внутренних дефектов, то добавляется буква У.
Обозначение марки стали состоит из четырёх- пяти цифр с возможным добавлением одной-двух букв.
Первая цифра означает класс по структурному состоянию и виду прокатки:
- 1 – горячекатаная изотропная,
- 2 – холоднокатаная изотропная,
- 3 – холоднокатаная анизотропная.
Вторая цифра – группа стали по содержанию кремния (см. табл. 1).
Третья цифра – вид стали по основным нормируемым характеристикам магнитных свойств.
- при цифре 0 – это величина удельных магнитных потерь при частоте тока в 50 Гц и индукции 1,7 Тл, а также индукция при напряжённости поля 100 А/м;
- при цифре 1 – величина удельных магнитных потерь при частоте тока в 50 Гц и индукции 1 и 1,5 Тл, а также индукция при напряжённости поля 2500 А/м;
- при цифре 2 – величина удельных магнитных потерь при частоте тока от 200 Гц и индукции 0,75, 1 и 1,5 Тл;
- при цифре 6 – величина индукции в слабых полях при напряжённости поля 0,4 А/м;
- при цифре 7 – величина индукции в сильных полях при напряжённости поля 10 А/м;
- цифра 8 характеризует релейные стали.
Таким образом, первые три цифры определяют тип стали. Для всех сталей, кроме релейных, четвёртая (последняя) цифра означает уровень основных нормируемых характеристик: 1 – нормальный, 2 – повышенный, 3 – высокий, 4 и более – высшие уровни.
Для релейных сталей четвёртая и пятая цифры задают величину их характеристики (значение коэрцитивной силы в А/м).
По сортаменту и видам продукции ЭТС подразделяются следующим образом:
- для электромашин промышленной частоты тока (трансформаторы, генераторы, электродвигатели) они выпускаются в виде рулонов, листов и резаных лент;
- для аппаратов, работающих при повышенных частотах тока, – в виде лент;
- для магнитопроводов машин и приборов, работающих в режиме включение – отключение (реле, пускатели, электромагниты), – в виде листов, рулонов, лент и профилей из релейных сталей.
Ниже (табл. 2–5) приводятся основные показатели магнитных свойств (удельные магнитные потери, индукция и её разброс) ЭТС различных типов. Здесь и далее частота задаётся в герцах, магнитная индукция – в теслах. Таким образом, например, Р1,5/50 означает величину удельных магнитных потерь в Вт/кг при магнитной индукции, равной 1,5 Тл, и частоте тока 50 Гц.
Для релейных сталей содержание основных элементов обычно не должно превышать: 0,04% углерода; 0,3% кремния; 0,3% марганца.
В настоящий момент производятся 20 марок таких сталей, их магнитные свойства должны соответствовать нормам, приведённым в табл. 5.
Таблица 1.
1. Группы ЭТС
| Номер группы | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Наименование группы | Нелеги- рованная | Низко- легированная | Слабо- легированная | Средне- легированная | Повышенно- легированная | Высоко- легированная |
| Si+Al, % | ≤0,5 | 0,5-0,8 | 0,8-2,1 | 1,8-2,8 | 2,5-3,8 | 3,8-4,8 |
| γ, кг/м3 | 7820 | 7800 | 7750 | 7700 | 7600 | 7550 |
| ρ, нОм·м | 140 | 170 | 250 | 400 | 500 | 600 |
Таблица 2.
2. Удельные показатели магнитных свойств анизотропной тонколистовой стали
| Марка стали | Толщина, мм | Р1/50 | Р1,5/50 | Р1,7/50 | В, Тл, при Н, | А/м, | не менее |
| Вт/кг, не более | 100 | 2500 | |||||
| 3311
3311 |
0,8
0,7 |
4,0
3,8 |
—
— |
—
— |
—
— |
1,75
1,75 |
|
| 3411 | 0,5 | — | 2,45 | — | — | 1,75 | |
| 3412 | — | 2,00 | — | — | 1,80 | ||
| 3413 | — | 1,75 | — | — | 1,85 | ||
| 3414 | — | 1,50 | — | — | 1,88 | ||
| 3411 | 0,35 | — | 1,75 | — | — | 1,75 | |
| 3412 | — | 1,50 | — | — | 1,80 | ||
| 3413 | — | 1,30 | — | — | 1,85 | ||
| 3404 | — | — | 1,60 | 1,60 | — | ||
| 3405 | — | — | 1,50 | 1,61 | — | ||
| 3406 | — | — | 1,43 | 1,62 | — | ||
| 3407 | — | — | 1,36 | 1,72 | — | ||
| 3408 | — | — | 1,30 | 1,74 | — | ||
| 3409 | — | — | 1,24 | 1,74 | — | ||
| 3412 | 0,3 | — | 1,30 | — | — | 1,80 | |
| 3413 | — | 1,19 | — | — | 1,85 | ||
| 3404 | — | — | 1,50 | 1,60 | — | ||
| 3405 | — | — | 1,40 | 1,61 | — | ||
| 3406 | — | — | 1,33 | 1,62 | — | ||
| 3407 | — | — | 1,26 | 1,72 | — | ||
| 3408 | — | — | 1,20 | 1,74 | — | ||
| 3409 | — | — | 1,14 | 1,74 | — | ||
| 3413 | 0,27 | — | 1,15 | — | — | 1,85 | |
| 3405 | — | — | 1,38 | 1,61 | — | ||
| 3406 | — | — | 1,27 | 1,62 | — | ||
| 3407 | — | — | 1,20 | 1,72 | — | ||
| 3408 | — | — | 1,14 | 1,74 | — | ||
| 3409 | — | — | 1,08 | 1,74 | — | ||
Таблица 3.
3. Магнитные свойства изотропной тонколистовой стали
| Марка
стали |
Толщина,
мм |
Р1,5/50, Вт/кг,
не более |
В2500, Тл,
не менее |
ΔВ2500, Тл,
не более |
| 2421 | 0,27 | Р1/400 ≤19,5 | 1,47 | 0,16 |
| 2431 | 0,35 | 2,5 | 1,50 | 0,16 |
| 2412 | 2,7 | 1,50 | ||
| 2411 | 3,0 | 1,50 | ||
| 2414 | 0,5 | 2,7 | 1,49 | 0,16 |
| 2413 | 2,9 | 1,50 | ||
| 2412 | 3,1 | 1,50 | ||
| 2411 | 3,6 | 1,49 | ||
| 2312 | 3,8 | 1,58 | ||
| 2216 | 4,0 | 1,60 | 0,13 | |
| 2215 | 4,5 | 1,64 | ||
| 2214 | 4,8 | 1,62 | ||
| 2213 | 5,0 | 1,65 | ||
| 2212 | 5,0 | 1,60 | ||
| 2211 | 5,5 | 1,56 | ||
| 2112 | 6,0 | 1,62 | ||
| 2111 | 7,0 | 1,60 | ||
| 2013 | 6,5 | 1,65 | ||
| 2012 | 7,0 | 1,62 | ||
| 2011 | 8,0 | 1,60 |
Таблица 4.
4. Магнитные свойства тончайшей ленты из анизотропной ЭТС
| Марка
стали |
Толщина,
мм |
Р1,5/400 | Р1/1000 | Нс, А/м,
не более |
В, Тл, при Н, А/м, не менее | |||||
| Вт/кг, не более | 40 | 80 | 200 | 400 | 1000 | 2500 | ||||
| 3421 | 0,15
0,08 0,05 |
23
22 — |
—
— 24 |
0,34
0,36 0,40 |
0,50
0,40 0,40 |
0,80
0,75 0,75 |
1,10
1,10 1,10 |
1,30
1,25 1,25 |
1,45
1,45 1,45 |
1,70
1,70 1,70 |
| 3422 | 0,15
0,08 0,05 |
20
19 — |
—
— 24 |
0,32
0,32 — |
0,60
0,55 0,55 |
0,95
0,90 0,90 |
1,25
1,25 1,25 |
1,40
1,35 1,35 |
1,55
1,55 1,55 |
1,75
1,75 1,75 |
| 3423 | 0,15
0,08 0,05 |
19
17 — |
—
— 22 |
0,26
0,28 — |
0,80
0,80 0,80 |
1,10
1,05 1,05 |
1,40
1,40 1,40 |
1,55
1,50 1,50 |
1,65
1,65 1,65 |
1,82
1,82 1,82 |
| 3424 | 0,15
0,08 0,05 |
18
16 — |
—
— 22 |
—
— — |
0,80
0,80 0,80 |
1,10
1,10 1,10 |
1,40
1,40 1,40 |
1,55
1,55 1,55 |
1,65
1,65 1,65 |
1,82
1,82 1,82 |
| 3425 | 0,15
0,08 0,05 |
17
15 — |
—
— 20 |
—
— — |
1,10
1,05 1,05 |
1,35
1,30 1,30 |
1,50
1,50 1,50 |
1,65
1,65 1,65 |
1,75
1,75 1,75 |
1,82
1,82 1,82 |
Таблица 5.
5. Значения магнитной индукции и проницаемости для релейных сталей
| Марка
стали |
Толщина
листа, мм |
Коэрцитивная
сила, Нс, А/м, не более |
Максимальная
магнитная проницаемость, μ, мГн/м |
Магнитная индукция, В, Тл,
при напряженности магнитного поля, Н, А/м |
|||||
| 500 | 1000 | 2500 | 5000 | 10000 | 30000 | ||||
| не менее | |||||||||
| 10895
20895 11895 21895 |
0,1-3,9 | 95,0 | 3,8 | 1,38 | 1,50 | 1,62 | 1,71 | 1,81 | 2,05 |
| 10880
20880 11880 21880 |
0,1-3,9 | 80,0 | 5,0 | ||||||
| 10860
20860 11860 21860 |
0,1-3,9 | 60,0 | 5,6 | ||||||
| 10848
20848 11848 21848 |
0,7-3,9 | 48,0 | 6,0 | ||||||
| 10832
20832 11832 21832 |
0,7-3,9 | 32,0 | 6,3 | ||||||
Механические свойства ЭТС существенно влияют на их способность к обработке (штамповке, обточке, прокатке) и на себестоимость изделия.
Должен быть обеспечен определённый запас пластичности, чтобы предотвратить поломку пластин и лент магнитопроводов при вырезке, сборке и навивке. В табл. 6 и 7 приведены сведения о механических характеристиках и необходимом числе перегибов для листов и лент основных ЭТС.
Таблица 6.
6. Механические свойства1 тонколистовых изотропных и анизотропных ЭТС
| Марки | σв, Н/мм2 | σ, % | HV 2 |
| Изотропные стали |
|
||
| 2011-2013
2111, 2112 2211-2216 2312 2411-2414 |
290-490
300-450 300-450 330-470 370-600 |
15-35
20-35 20-35 20-35 15-30 |
120-160
110-145 120-145 120-160 140-210 |
| Анизотропные стали | |||
| 3311 | 280-335
335-380 |
10-16
35-50 |
140-160 |
| 3411-3414 | 295-345
345-390 |
9-15
30-50 |
145-170 |
| 3404-3406 | 295-345
345-390 |
9-15
30-50 |
145-175 |
| 3407-3409 | 290-340
360-395 |
10-14
40-50 |
145-175 |
| 1 В числителе – вдоль прокатки, в знаменателе – поперёк прокатки.
2 При нагрузке 50 Н. |
|||
Таблица 7.
7. Число перегибов (не менее)1 тонких листов и лент из ЭТС
| Анизотропные стали | Изотропные стали | Анизотропная
тончайшая лента 2 |
|||||
| Толщина,
мм |
Число
перегибов |
Марки
стали |
Число перегибов
при толщине, мм |
Толщина,
мм |
Число
перегибов |
||
| 0,27 | 0,35 | 0,50 | |||||
| 0,27
0,30 0,35 0,50 0,80 |
4(1)
4(1) 3(1) 2(1) (1) |
2111, 2112
2211, 2212 2311, 2312 2411–2413 2421 |
—
— — — 3(1) |
—
— — 3(2) — |
10(3)
10(2) 7(2) 3(1) — |
0,05
0,08 0,15 — — |
5(2)
5(2) 5(2) — — |
| 1 В скобках – минимальное число для каждого образца.
2 Из ЭТС марок 3421–3425. Примечание . Число перегибов – среднее арифметическое на основе испытаний четырёх образцов. |
|||||||
Отметим, что для каждой группы анизотропных сталей требуемое число перегибов зависит лишь от толщины листа.
Что касается релейных сталей, то они должны иметь при испытаниях на растяжение σв≥270 Н/мм2,
δ ≥ 24% , Ψ ≥ 60% , а твёрдость НВ ≤ 131.
Таблица 8.
8. Зарубежные ЭТС, близкие к отечественным
| Марка | Страна | НД |
| 2011 | Россия | ГОСТ |
| M 890-50 D
Fe V 890-50 HD 50 A 800 |
Германия
Франция Япония |
DIN; EN
AFNOR NF JIS |
| 2012 | Россия | ГОСТ |
| M 660-50 D
Fe V 660-50 HD |
Германия
Франция |
DIN; EN
AFNOR NF |
| 2013 | Россия | ГОСТ |
| S2 | США | ASTM |
| 2111 | Россия | ГОСТ |
| M 700-50 A
47 F 450 50 A 700 |
Германия
США Япония |
DIN; EN
ASTM JIS |
| 2112 | Россия | ГОСТ |
| M 600-50 A
Fe V 600-50 HA |
Германия
Франция |
DIN; EN
AFNOR NF |
| 2215 | Россия | ГОСТ |
| M 470-50 A
Fe V 470-50 HA |
Германия
Франция |
DIN
AFNOR NF |
| 2216 | Россия | ГОСТ |
| 400
M 400-50 A 47 F 230 |
Великобритания
Германия США |
B.S.
DIN ASTM |
| 2411 | Россия | ГОСТ |
| 300; 355
M 350-50 A 47 F 205 |
Великобритания
Германия США |
B.S.
DIN; EN ASTM |
| 2412 | Россия | ГОСТ |
| 280
M 310-50 A 47 F 174 |
Великобритания
Германия США |
B.S.
DIN; EN ASTM |
| 2413 | Россия | ГОСТ |
| M 290-50 A
47 F 168 |
Германия
США |
DIN; EN
ASTM |
| 3404 | Россия | ГОСТ |
| Fe M 150-30 N
M 111-35 N |
Франция
Евронормы |
AFNOR NF
EN |
| 3405 | Россия | ГОСТ |
| M 140-30 S
30 G 140 |
Германия
Япония |
DIN; EN
JIS |
| 3406 | Россия | ГОСТ |
| 27 H 076 | США | ASTM |