Thép và hợp kim từ mềm

Vật liệu từ mềm được dùng làm lõi máy biến áp, stato máy điện, nam

châm điện, phải có Hc nhỏ và khả năng từ hóa cao, do vậy phải ở trạng thái cân bằng nhất, hạt lớn, tức là phải không có những nguồn gốc gây ra xô lệch mạng và làm nhỏ tổ chức blôc (siêu hạt).

Vật liệu từ mềm phải đạt các yêu cầu sau:

- độ từ thẩm àlớn,

- lực khử từ Hcnhỏ,

- tổn thất từ trễ nhỏ, tức là có (H.B)min, đường cong từ trễ “gày” (hình 5.17b).

ở đây chỉ giới hạn trình bày các vật liệu từ mềm tần số thấp là loại rất thường gặp trong sản suất các máy, khí cụ điện thông thường (động cơ, máy phát điện, biến áp, quạt điện...), và trong loại này cũng chỉ trình bày hai loại: có giá trị

cảm ứng b∙o hòa lớn (thép kỹ thuật điện) và có độ từ thẩm ban đầu cao

(pecmanlôi).

Các thép kỹ thuật điện

Thép kỹ thuật điện là loại vật liệu từ mềm có giá trị cảm ứng b∙o hòa lớn, được dùng khi làm việc trong từ trường mạnh.

Trong nhóm này trước hết phải kể đến sắt kỹ thuật hay còn gọi là thép kỹ thuật điện có cacbon thấp. Lượng cacbon và tạp chất có trong loại sắt kỹ thuật này phải rất thấp: C < 0,04%, tổng lượng tạp chất < 0,6%, vì như đ∙ biết các các nguyên tố lạ gây ra xô lệch mạng, biến cứng làm giảm độ từ thẩm. Sắt đem dùng phải qua ủ kỹ để đạt được trạng thái cân bằng và có hạt lớn bằng cách cán với độ biến dạng tới hạn (lượng ép 2 ữ 8%) rồi qua ủ kết tinh lại. Sắt kỹ thuật có Hc = 80

ữ 350A/m, à = 0,000064 ữ 0,000320T.m/A. Khuyết điểm chủ yếu của nó là điện trở quá thấp (ρ =0,1Ω.mm2/m) nên dòng điện fucô lớn, gây ra tổn thất lớn về công suất (một tỷ lệ khá lớn điện năng biến thành nhiệt làm nóng máy và khí cụ), do đó chỉ được dùng trong các thiết bị có dòng điện một chiều hoặc với dòng điện xung nhỏ.

Trong kỹ thuật dùng rất nhiều các thép silic với lượng cacbon rất thấp (mà thực chất là hợp kim sắt - silic vì hầu như không chứa cacbon) để làm nam châm điện, lõi máy biến áp và stato máy điện.... Cacbon trong loại thép này càng ít càng tốt, thường là nằm trong giới hạn 0,01 ữ 0,1% và các tạp chất khác cũng phải hết sức hạn chế nên thép có tổ chức ferit. Thép có lượng silic cao vì như đ∙ biết nó là nguyên tố hòa tan hoàn toàn vào ferit do đó nâng cao mạnh điện trở (ρ = 0,55 ữ

0,60Ω.mm2/m) nên cường độ của dòng fucô nhỏ và tổn thất công suất cũng nhỏ. Ngoài ra silic còn làm tăng độ từ thẩm, giảm lực khử từ, hiệu ứng này có liên quan đến tác dụng khử ôxy của nó. Tuy nhiên khi lượng silic càng cao điện trở của thép càng cao nhưng lại làm giảm mạnh khả năng biến dạng dẻo, khi lượng chứa Si cao hơn 5% thép trở nên rất giòn, khó cán, do đó thường chỉ dùng với thành phần ≤

5%.

Như đ∙ biết từ giáo trình “Kỹ thuật điện”, tổn thất điện trong vật liệu tỷ lệ thuận với bình phương của tần số, bình phương của chiều dày tấm (lá) và tỷ lệ nghịch với điện trở suất. Vì vậy các thép kỹ thuật điện đều được cung cấp dưới

dạng băng, lá mỏng có chiều dày từ 0,05 đến 1mm, trong đó thép cán nóng từ 0,1 đén 1mm, cán nguội từ 0,05 đến 0,5mm. Chính vì vậy loại thép này còn có tên là tôn silic (tôle theo tiếng Pháp là tấm thép mỏng).

Thép để làm lõi máy biến áp và stato máy điện do không quay nên không chịu tải trọng động cho phép chứa silic cao đến 3,8 ữ 4,4%, điện trở suất lớn (ρ = 0,55 ữ 0,60Ω.mm2/m), tổn thất riêng nhỏ song rất cứng (khó dập cắt) và giòn (vì Si là nguyên tố làm tăng rất mạnh độ cứng, giảm rất mạnh độ dai của ferit).

Để làm phần ứng và cực của máy điện người ta dùng thép với lượng silic ít hơn, chỉ khoảng 2 ữ 3%, để bảo đảm sức bền động (khi quay), thép tuy rẻ hơn nhưng có tổn thất cao hơn loại trên.

Trong kỹ thuật chế tạo máp biến áp khi sử dụng loại thép có textua cao sao cho phương cán trùng với đường trục của lõi (máy biến áp) sẽ làm giảm nhiều tổn thất riêng, do đó giảm được khối lượng và kích thước. Ví dụ dùng thép textua làm máy biến áp mạnh có thể giảm 20 ữ 25% khối lượng, biến áp rađiô giảm tới 40%. Để đạt được độ textua cao, thép phải qua quá trình gia công phức tạp bao gồm: cán nóng, cán nguội lần I, ủ, cán nguội lần II, ủ kết tinh lại và cuối cùng là ủ kết thúc ở nhiệt độ cao. Sau khi gia công như vậy thép sẽ có từ tính cao dọc theo phương cán là do có textua: phương dễ từ hóa nhất trong mạng của sắt α (ferit) - phương [100] được trùng với phương cán. Từ tính đạt được cao nhất trong trường hợp textua là (110), [100] tức là mặt (110) trùng (song song) với mặt phẳng cán, phương [100] trùng (song song) với phương cán.

Để làm giảm lượng cacbon người ta áp dụng cách ủ đặc biệt (ủ trong hyđrô, trong amôniac phân ly hoặc trong chân không ở 1100 ữ 12000C) để đốt cháy cacbon. Gia công cơ khí chủ yếu đối với các thép kỹ thuật điện là dập cắt nguội. Do thép lá rất cứng (đặc biệt đối với nhóm thép làm lõi máy biến áp có nhiều silic) nên yêu cầu khuôn dập phải có độ cứng cao và tính chống mài mòn đặc biệt cao. Cắt, dập nguội, cuộn đều làm xấu các đặc tính từ của thép. Để phục hồi lại các tính chất từ sau các dạng gia công trên, thép phải được qua ủ ở nhiệt độ 750 ữ 8000C trong 2h rồi làm nguội với tốc độkhoảng 500C/s đến 4000C. Khi ủ không cho phép xảy ra ôxy hóa hay thấm cacbon.

Hợp kim có độ từ thẩm ban đầu cao

Để có được cảm ứng từ lớn trong từ trường yếu, người ta phải dùng các hợp kim có độ từ thẩm ban đầu lớn. Các hợp kim này được dùng vào các linh kiện điện có dòng điện bé trong kỹ thuật điện tử, rađiô, điện thoại, điện báo...Hiện nay thường dùng hệ hợp kim Ni - Fe được gọi là pecmalôi.

Các pecmalôi “cổ điển” có 78%Ni, 21,5%Fe còn lại là các tạp chất Mn và Si. Ngày nay hay dùng các pecmalôi với niken trong giới hạn 38 ữ 80% và được hợp kim hóa thêm bằng Mo, Cr, Cu và Si để làm tăng điện trở (giảm tổn thất từ riêng) và ổn định các tính chất. Một trong các pecmalôi tốt nhất (supermalloy) có thành phần 79%Ni, 15%Fe, 5%Mo, 0,5%Mn có à0 tới 0,0022T.m/A, còn àmax có thể tới 0,015T.m/A.

Các pecmalôi được dùng rộng r∙i trong công nghiệp vì ngoài các tính chất từ cao chúng còn có tính gia công cắt và dập. Người ta cán nguội chúng thành lá mỏng dày 0,0015 ữ 2,5mm, cán nóng ở dạng lá, tấm dày 3 ữ 22mm và dạng thanh

dày 8 ữ 100mm. Khi sử dụng pecmalôi phải chú ý là ứng suất, ngay cả ứng suất đàn hồi có giá trị rất nhỏ cũng tác dụng xấu đến các tính chất từ, ví dụ chỉ cần có ứng suất nén dư 0,5MPa cũng làm giảm độ từ thẩm đi năm lần, lực khử từ tăng lên hai lần. Vì vậy sau khi chế tạo xong chi tiết phải qua ủ và trong quá trình lắp ráp phải tránh va đập.

5.6.Gang

Gang là vật liệu đúc được dùng khá phổ biến để chế tạo máy và xây dựng cơ bản (ống, ghi lò, nắp, hộp...) tuy nhìn chung có cơ tính tổng hợp kém thép song có nhiều đặc điểm quý cần tận dụng triệt để; đó là nhiệt độ chảy thấp hơn, dễ nấu luyện, tính đúc tốt và dễ gia công cắt. Trong công nghiệp thường chỉ dùng ba loại gang: xám, cầu, dẻo với tổ chức có grafit (làm cho gang có màu xẫm, tối), không có lêđêburit, khá mềm, dễ gia công cắt. Riêng gang trắng với tổ chức có lêđêburit, không có grafit (nên gang có màu sáng như thép được gọi là gang trắng), rất cứng (HB 400 ữ 500), giòn, không gia công cắt được, nói chung bị hạn chế sử dụng (chỉ dùng để luyện thép, đúc ủ gang dẻo và đúc gang xám biến trắng). Chỉ khảo sát ba loại gang trên được dùng trong chế tạo máy.

5.6.1.Đặc điểm chung của các loại gang chế tạo máy