ケイ素鋼とその用途

最初の軟磁性材料は、多くの不純物を含んだ鉄でした。 研究者は、シリコンを追加すると、抵抗率が増加し、ヒステリシス損失が減少し、透磁率が増加し、実質的に経年変化がなくなることを発見しました。

配電用変圧器を中心に、かなりの量の方向性鋼が使用されています。 ただし、特に回転機器で低コスト、低損失の材料が必要な場合に広く使用されている無方向性ケイ素鋼に取って代わるものではありません。 リレー、アーマチュア、ソレノイドに広く使用されているリレー用鋼についても言及する必要があります。 リレー鋼は 1.25 ～ 2.5 パーセントの Si を含み、透磁率が高く、保磁力が低く、老化しないため、直流用途に使用されます。

ケイ素鋼の重要な物理的特性は、抵抗率、飽和誘導、結晶磁気異方性、磁歪、およびキュリー温度です。 鉄では非常に低い抵抗率は、シリコンを追加すると著しく増加します。 抵抗率が高いほど、渦電流成分が減少するため、鉄損が減少します。 シリコン含有量を増やすと磁歪は減少しますが、加工が難しくなります。 鉄の高いキュリー温度は合金元素によって低下しますが、その低下はケイ素鋼のユーザーにとってほとんど重要ではありません。

磁化プロセスは、不純物、粒子の向き、粒子サイズ、ひずみ、バンドの厚さ、表面の滑らかさの影響を受けます。 軟磁性材料を改善する最も重要な方法の 1 つは、磁壁の移動を妨げる不純物を除去することです。 それらが固溶体で存在する場合、それらは害が少なくなります。 他の市販鋼と比較して、ケイ素鋼は非常に純粋です。 格子間不純物である炭素は低い誘導透磁率を損なう可能性があるため、鋼を焼鈍して最終組織を形成する前に炭素を除去する必要があります。

最終焼鈍中のキューブエッジ配向による結晶粒成長のメカニズムは完全には理解されていません。 このプロセスは、二次再結晶を伴います。これは、定義上、すでに再結晶されたマトリックス内の一連の粒子の成長が加速されることを特徴としています。

二次再結晶では、正常な粒成長を何らかの方法で抑制する必要があります。 温度が上昇するにつれて、一部の穀物は阻害力から解放され、隣接する穀物を犠牲にして大きく成長します。 生産者は、実際には、適切な冷間圧延と再結晶の順序を注意深く守って、目的の二次再結晶核と正しい組織を得る必要があることを知っています。 現在のケイ素鋼は粒成長抑制剤として MnS を使用していますが、炭化物、酸化物、窒化物などの他の化合物も効果的です。

方向性鋼の製造と使用

方向性ケイ素鋼は、方向性がない品種よりも組成が制限されています。 組織は、一連の慎重な作業とアニーリング操作を通じて開発されます。材料は、相変態によって組織が破壊されるため、プロセス全体、特に最終アニーリング中に基本的に単相のままでなければなりません。 Fe-Si 相系の Y ループを避けるために、現在の商用鋼は約 3.25% の Si です。 抵抗率の増加と磁歪の減少によって好まれる可能性のあるより高いシリコンの種類は、冷間圧延の困難さによって排除されます。

温度、雰囲気組成、露点を厳密に制御することで、表面を酸化させることなくウェブを脱炭します。 この処理中に、一次再結晶が起こり、小さく均一で等間隔の結晶粒が形成されます。 形成されたケイ酸マグネシウム ガラスのクラッディングは、連続したシートが変圧器コアに組み立てられたときに、それらの間の電気絶縁を提供します。 この段階では、コイルからエプスタインのサンプルを切り取って鋼を分類します。 サンプルは 790° でアニールおよび平坦化され、コア損失がチェックされます。

方向性ケイ素鋼の用途には、変圧器 (電力、配電、バラスト、計器、オーディオ、特殊) および蒸気タービンおよび水車用の発電機が含まれます。

一般に、ミル コアは、あらゆる種類の粒子指向グレードとゲージを使用します。 特定のアプリケーションのゲージと材料グレードは、経済性、トランス電力、ノイズ レベル要件、損失要件、動作密度、さらにはコア サイズに基づいて決定されます。 ストリップは良好なコアを生成するために平坦でなければならないため、コイルは高温アニーリング後に平坦化されます。 次に、バンドを分離のために無機リン酸塩でコーティングします。 コイルの各端からのサンプルは、上記のように実験室での応力除去アニーリング後に等級付けされます。 そのようなストリップから、変圧器の製造業者はストリップの絶縁を改善するために必要な長さをカットします。 その結果、インパルス試験に耐えなければならない変圧器では特に重要な、渦電流損失と発熱が減少します。

前述のように、積層コアの製造における重要な要件は、トランスのノイズを最小限に抑えることです。 ノイズは、コアの製造および設計要因の関数であり、コアの材料特性が最も重要な要素の 1 つです。 シリコン含有量に対する磁歪の依存性は、すでに指摘されています。 さらに、テクスチャを改善し、ガラスのような絶縁コーティングを適用することによって引張応力を導入することにより、磁歪が減少します。 圧縮応力は磁歪に悪影響を与えるため、ラミネーションが取り付け時に平らなままであることが重要です。 運転中の誘導もノイズに影響を与える要因であり、実際、トランスの全体的な動作特性に影響を与えます。 積層変圧器の動作誘導は通常、10.000 から 17.000 G の範囲です。 電力の範囲は 500 から 1.000.000 kVA です。

巻かれたコアは、バンドの周りに [100] 結晶方向でトロイダルに巻かれています。 処理ステップは、レゴ トランスフォーマーに使用されるものとは多少異なりますが、開始材料は同じです。通常、十分な絶縁を提供するケイ酸マグネシウムでコーティングされた大きなトロイダルアニールコイルです。

巻線コアのアプリケーションでは、未反応の MgO 粉末がストリップの表面から除去され、コイルの各端からのサンプルが前と同じようにテストするためにエプスタイン ストリップに切断されます。 選別が完了すると、コイルは複数のカットとして、またはさらにカットするために全幅のコイルとして変圧器メーカーに出荷されます。 所定のコア寸法に巻かれた複数のカットは、乾燥した非酸化雰囲気で 790 度でアニールされたストレス リリーフである必要があります。 アニーリングパンとプレートは、品質に非常に有害な炭素汚染を除去するために、低炭素鋼でなければなりません。

ストレス リリーフ アニーリングの後、コアが切断され、銅 (またはアルミニウム) の通電コイルの周りに鋼を結び付けることによって変圧器のコアが組み立てられます。 応力除去焼鈍状態では、方向性鋼は機械的応力に敏感です。 したがって、コアは注意して組み立てる必要があります。 組み立てがどのように行われるかに関係なく、コアの最終的な品質は、応力除去アニールされた未切断の品質よりも常に劣ります。

一般に「キル ファクター」と呼ばれる品質の違いは、方向性鋼の相対的なひずみ感度、製造時の取り扱い手順、およびコア内の空気層の均一性と量によるものです。 変圧器の設計と製造の機能であるため、最後の 2 つの要因は、製造業者によって最もよく制御される要因です。 ほとんどのコア巻線は、25 ～ 500 kVA の配電用変圧器アプリケーションで使用されます。

無方向性珪素鋼の製造と使用

無方向性ケイ素鋼は、その特性を開発するために二次再結晶プロセスを使用せず、高温焼鈍は必須ではありません。 したがって、配向グレードに必要なようなシリコンの下限は必須ではありません。

非配向グレードには、{{0}}.5 ～ 3.25 パーセントの Si と最大 0.5 パーセントの Al が含まれており、抵抗率を高め、一次再結晶温度を下げるために追加されています。 粒子の成長は非配向グレードで非常に望ましいものですが、一般に配向グレードよりはるかに小さくなります。

熱間圧延ストリップの処理は、品質志向の場合と同様です。 表面調整後、ストリップは通常、最終ゲージまで直接冷間圧延され、完全に処理された状態または半処理された状態のいずれかで変圧器メーカーに販売されます。 最終的な冷間圧延の後、ストリップは焼鈍され、0.005 パーセント C 以下に脱炭され、磁気特性に必要な結晶粒構造が発達します。 次に、コイルの各端からサンプルを採取してテストします。

完全に加工された無方向性ケイ素鋼は、一般に次の用途で使用されます。

量が少なすぎて、消費者によるストレス解消を正当化できない、または

シートは非常に大きいため、843 度の応力除去アニール後に良好な物理的形状を維持することは困難です。

非方向性鋼は、方向性製品ほど変形に敏感ではありません。 その結果、せん断ひずみが唯一の変形効果であり、磁気品質を低下させるはずです。 積層は通常大きいため、これらのせん断変形は許容されます。 完全に加工されたグレードのほとんどは、ローターやステーターなどのアプリケーションでプレス加工されたラミネーションとして使用されます。

無方向性鋼は、方向がランダムです。 それらは通常、ACモーター、発電機、オルタネーターなどの大型回転機器で使用されます。 完全に加工された鋼は「完全な」焼きなまし (最適な磁気品質を開発するため) を受け、半加工製品よりも柔らかくなり、穴あけが難しくなります。 合金含有量が多いグレードは硬くなるため、打ち抜きが容易になります。

完全に処理された鋼のパンチング能力は、スタンピング中に潤滑剤として機能し、ベーススケールに追加の絶縁を提供する有機コーティングを追加することによって改善できます。 優れた層間強度が必要な場合は、完全に処理された材料をベースベニヤで購入できます。

通常、半加工品は最終冷間圧延後に低温脱炭焼鈍を行います。 炭素は、完全に処理された材料と同じレベルまで除去されるとは限りません。 次に、変圧器メーカーは、湿式脱炭雰囲気で材料をアニールして、さらに脱炭し、磁気特性を発達させます。 工場での脱炭アニーリングの後、サンプルが採取され、クーポンにカットされ、843 度で少なくとも 1 時間脱炭され、コイルを分類するためにテストされます。

半加工無方向性珪素鋼は、お客様の脱炭焼鈍用途に使用されます。 一般的に打ち抜き加工性に優れ、小型回転子、固定子、小型電源トランスなど様々な用途に使用されています。 半加工鋼は、付着性の高いスケールで購入するか、錆の上に絶縁コーティングを施して購入できます。 有機コーティングは、パンチング中に潤滑剤として機能しますが、応力除去アニーリング温度には耐えられません。 したがって、半加工品には適用されません。

表 1. さまざまな規格で指定されているケイ素鋼の最も重要な名前