فولاد سیلیکونی – ورق فولاد سیلیکونی -ساخت و بررسی میکروسکوپی و مغناطیسی ورق آلیاژ فاینمت با ورق فولاد سیلیکونی

فولاد سیلیکونی چیست؟ این فولادها حاوی مقدار بسیار پایین کربن و عمدتاً بین 2.8 تا 4.8 درصد سیلیسیوم (معمولاً به همراه آلومینیوم) می باشد. بدلیل حضور سیلیسیوم که پایدار کننده فریت می باشد. این آلیاژ تبدیل به یک ماده نرم مغناطیسی میشود و نفوذپذری مغناطیسی در آن افزایش می یابد. این ورق ها در موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها استفاده می شوند. این مواد به دو صورت ورق های جهت دار مغناطیسی (oriented) و غیر جهت دار (non-oriented) وجود دارند. که با توجه به حساسیت کاربرد و خواص مورد نیاز استفاده می شوند.

فولاد سیلیکونی

فولاد سیلیکون آلیاژ آهن و سیلیکونی است که دارای خواص مغناطیسی مهم است. این نوع فولاد همچنین به عنوان فولاد الکتریکی معروف است. آلیاژ کربن بسیار کم است که در لمینیت موتور و ترانسفورماتور استفاده می شود. این ویژگی ها با ویژگی های خسارت پایین هسته و نفوذ پذیری مغناطیسی بالاتر نسبت به فولادهای کربن مشخص می شود. تعدای از نمرات وجود دارد که حاوی نسخه های غلط گرا “NGO” (non-grain-oriented) هستند. ضخامت های استاندرد آن شامل 007، .014، .0185 و .025 اینچ می باشد. فولاد سیلیکون اغلب با یک پوشش الکتریکی عایق تولیدی به نام coreplate شناخته می شود. که نیاز به لایه بندی بین لایه ها را با مواد دی الکتریک حذف کند.

فولاد الکتریکی دانه گرایی یک جهت و یکنواخت از دانه ها در ساختار آن دارد که اجازه می دهد. تا چگالی شار و اشباع مغناطیسی بیشتر باشد. بطور معمل، فولاد الکتریکی دانه گرانشی برای ترانسفورماتورهایی که جهت میدان مغناطیسی قابل پیش بینی و مشخص دارند استفاده می شود.

فولادهای الکتریکی بر روی گرا (GOES) آلیاژ آهن سیلیکونی هستند. که برای ایجاد ضریب خستگی پایین و نفوذ پذیری بالا مورد نیاز برای ترانسفورماتورهای الکتریکی کارآمد و اقتصادی مورد طراحی قرار می گیرد. GOES بیشترین انرژی الکتریکی کارآمد است و در ترانسفورماتورهایی استفاده می شود که حفظ انرژی حیاتی است.

فولادهای الکتریکی غیر گرا، آلیاژ آهن سیلیکون هستند که در آن خواص مغناطیسی عملاً در هر جهت در سطح مواد مشابه هستند.

ساخت و بررسی میکروسکوپی و مغناطیسی ورق آلیاژ فاینمت با ورق فولاد سیلیکونی هسته ترانسفورماتور

مسعود یوسفی – خسرو رحمانی (دانشگاه مکانیک و انرژی – دانشگاه شهید بهشتی

در تحقیق حاضر، نوارهای آمورف از آلیاژ نرم مغناطیسی فاینمت با استفاده از روش ریخته ریسی نواردهای عریض تولید شدند. نوارهای فولاد سیلیکونی نیز با ابعاد مشابه تهیه گردیدند. به منظور دستاورد به ساختار نانوبلوری، عملیات حرارتی در دمای 560 درجه سانتی گراد به مدت 1 ساعت بر روی نوارهای آمورف انجام گردید. و منجر به تشکیل فازهای نانومتری Fe3Si با ابعاد بین 10 تا 17 NM و کاهش اتلاف مغناطیسی به میزان 33% نسبت به نمونه اولیه، بدلیل کاهش جدایش فازی گردید. اتلاف مغناطیسی ورق آمورف نسبت به ورق فولاد سیلیکونی 99/85% کمتر و پس از عملیات حرارتی 99/90% کمتر گردید.

بعد از تولید اولین ترانسفورماتورها، تلاش های فراوانی در راستای بهبود مواد مورد استفاده در آنها با هدف افزایش کیفیت و بازده ترانسفورماتور می شود. از آنجایی که هسته ترانسفورماتور نقش حساسی در عملکرد آن دارد. لذا در سالیان گذشته سعی فراوانی در جهت بهبود خواص ورق هسته مورد استفاده در ترانسفورماتور می شود.

از اولین مواد مغناطیسی که برای ساخت ورق هسته ترانسفورماتور با ساختار نانو استفاده گردید. میتوان به آلیاژ فاینمت ( Nb-Cu-Fe-Si-B-Finemet) اشاره نمود، که این آلیاژ در سال 1998 توسط یوشیزاوا (Yoshizawa) و همکارانش معرفی شد. در آلیاژ فاینمت در اثر سریع سرد کردن مذاب، یک فاز آمورف ایجاد می شود. که با عملیات حرارتی مناسب می توان به ساختاری با ابعاد دانه 10-20 nm رسید. فاز اصلی در این آلیاژ (si-) Fe با شبکه bbc بوده و باقی ساختار فاز آمورف اطراف دانه های کریستالی (si-) Fe است.

این آلیاژها با این ابعاد دانه، نسبت به ورق های فولاد سیلیکونی و آمورف اتلاف هیستزیس (Hystersis loss). بسیار کمتر و نفوذ پذیری مغناطیسی (Magnetic Permeability) بالاتری را دارا می باشند. در زمینه ساخت آلیاژ فایمنت در داخل کشور در جهاد دانشگاهی دانشگاه صنعتی شریف این آلیاژ از نظر سرعت شکل دهی. و عملیات حرارتی مورد بررسی قرار گرفت. اما از نظر ارتباط ریزساختار با خواص مغناطیسی تاکنون پژوهشی صورت نگرفته است.

در پژوهش حاضر، پس از عملیات حرارتی بر روی ورق های آلیاژ فاینمت تولیدی به روش مذاب ریسی نوارهای عریض (PFC-Planar Flow Casting). با نمونه هایی از ورق هسته ترانسفورماتور 250KVA ساخت شرکت جنرال الکتریک مقایسه شدند.

نوارهای نانوساختار مهیا و ورق فولاد سیلیکنونی. توسط دستگاه های پراش پرتو ایکس (XRD) میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM). و مغناطیس سنج با نمونه نوسانی (Vibtation Sampling Magnetometer) مورد بررسی قرار گرفتند.

مواد و روش های آزمایش

در این قسمت به مواد و تجهیزات مورد استفاده جهت مذاب ریسی نوارهای مغناطیسی آلیاژ فاینمت. عملیات حرارتی آنها و همچنین چگونگی انجام آزمون های به کارمی گیرد جهت بررسی ریزساختاری. مغناطیسی این ورق ها با ورق های سیلیکونی مهیا شد. هسته ترانسفورماتور پرداخت می شود.

جدول (1) میزان خلوص و درصد جرمی عناصر که بکار رفت برای تهیه آلیاژ فاینمت را نشان می دهد.

جدول1: میزان خلوص و درصد اتمی عناصر مورد کاربرد برای تهیه آلیاژ فاینمت

در اینجا جهت اختصار از نام گذاری های زیر برای نمونه های مهیا و به کار می رود.

F1: ورق فاینمت ریخت ریسی شده توسط روش PFC

F2: ورق فاینمت ریخته ریسی شده توسط روش PFC بعد از عملیات حرارتی

GE: ورق فولد سیلیکونی با 3% سیلیسیم

بمنظور ریخته ریسی نوارهای آمورف از دستگاه ریخته ریسی نوارهای عریض به کار رفت. در شکل (1) تصویر شماتیک مذاب ریخته ریسی نوارهای عریض و اجزاء و تجهیزات جانی آن نشان داده شده است.

فولاد سیلیکونی

در جدول (2) شرایط ریخته ریسی و ویژگی های نوارهای تولیدی در دستگاه ریخته ریسی نوارهای عریض نمایان است.

جدول 2: شرایط ریخته ریسی اعمال شده برای تهیه نوارها و ویژگی های آنها.

بمنظور عملیات حرارتی نوارهای آمورف، همانطور که در شکل (2) مشخص هست عمل گردید.

فولاد سیلیکونی

بمنظور عملیات حرارتی، نوارهایی به طول 10cm را درون لوله کوارتزی قرار می دهند. سپس این لوله کوارتزی روی درب کوره به نحوی نصب گردید. که در حین گرمایش در معرض گاز آرگون باشد. به منظور آب بندی لوله کوارتزی از خمیز نسوز و میکا استفاده گردید. برای شروع فرآیند عملیات حرارتی از پمپ خلاء استفاده گردید و خلائی به میزان 0/013Pa اعمال گردیده. سپس بعد از تنظیم دمای کوره بر روی 560 درجه سانتی گراد، گاز آرگون با فشار 50KPa از در کوره داخل لوله کوارتزی دمیده شد.

فرآیند عملیات حرارتی تحت این شرایط به مدت 1 ساعت ادامه داشته و سپس نمونه در کوره خنک گردید. ذکر این نکته ضروری است که دمای 560 درجه سانتی گراد و زمان 1 ساعت بر اساس نتایج آنالیزهای حرارتی و روبشی کالریمتری. انجام شد و بر روی آلیاژ فاینمت انتخاب گردید. چرا که در این دما و زمان هیچ گونه فاز نامطلوب مغناطیسی نظیر Fe3B گزارش نشده است.

نوارها قبل و پس از عملیات حرارتی و همچنین نوار فولاد سیلیکونی توسط دستگاه پراش پرتو ایکس مورد بررسی قرار گرفتند. دستگاه مورد استفاده برای این آنالیز ساخت شرکت فیلیپس با مدل PW3040/60 بود. میزان آمورف بودن نمونه ها، فازهای کریستالی متشکل و اندازه دانه آنها مورد بررسی قرار گرفتند.

به منظور تهیه نوارهای فولاد سیلیکونی، از ورق های که به کار رفت در هسته ترانسفورماتور 250KVA ساخت شرکت جنرال الکتریک به کار رفت. به منظور ارزیابی و مقایسه خواص مغناطیسی نوارهای تولیدی قبل و پس از عملیات حرارتی و نوارهای فولاد سیلیکونی. از دستگاه مغناطوسنج نمونه ارتعاشی استفاده گردیده است. در جدول (3) علایم پارامترهای مغناطیسی مشخص است. شایان ذکر است که اطلاعات مورد جمع آوری از آزمون مغناطیسی توسط نرم افزاز اوریجین Origin مورد تحلیل قرار گرفتند.

جدول 3: علایم پارامترهای مغناطیسی

به منظور بررسی ریزساختاری ورق های مورد مهیا از میکروسکوپ الکترونی روبشی با مدل VEGA/TESCAN-LMV برای ورق GE و از میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی با مدل Miria3-XMU برای ورق های F1 و F2 به کار رفت. نوارهای مذکور، از نظر جدایش فازی و توزیع عناصر آلیاژی مورد بررسی قرار گرفتند. به منظور مهیا نمودن ورق های آمورف از پولیش استفاده گردید. سپس نمونه ها به منظور بررسی توسط این میکروسکوپ ها با محلول نایتال 2% به مدت 1 ثانیه اچ شدند.

شرکت خشکه و فولاد پایتخت (( مدیریت : جواد دلاکان )) صنعتگران عزیز، افتخار داریم. که سی سال تجربه گرانبهای خویش را در زمینه عرضه انواع ورق آلیاژی. و انواع فولاد آلیاژی برای خدمت رسانی به شما هموطنان کشور عزیزمان ایران ارائه می دهیم. پیشاپیش از اینکه شرکت خشکه و فولاد پایتخت را جهت خرید خود انتخاب می نمایید سپاسگزاریم.
ارتباط با ما:
۰۹۱۲۱۲۲۴۲۲۷
۰۹۳۷۱۹۰۱۸۰۷
تلفن: ۰۲۱۶۶۸۰۰۲۵۱
فکس: ۶۶۸۰۰۵۴۶