Железо

Термин «железо» соответствует названию химического элемента, которым условно называют низкоуглеродистые стали и чистое железо.

Чистое железо содержит не более 0,6% примесей, в том числе углерода не более 0,04%. Наиболее вредными примесями всех марок магнитного железа являются углерод, кислород, сера и фосфор. Особенно сильно ухудшает магнитные свойства железа углерод в виде цементита.

Чистое железо является основным компонентом большинства современных магнитных материалов. Его достоинства – высокие показатели индукции насыщения (Br = 2,18 Тл), пластичности, коррозионной стойкости, высокая технологичность, низкая цена и доступность. Недостатки – низкое удельное сопротивление (p = 1•10-7 Ом•м) и, как следствие этого, большие потери на вихревые токи. Поэтому чистое железо применяется только в изделиях, работающих в постоянном магнитном поле, и в виде магнитной фазы в магнитодиэлектриках.

В зависимости от концентрации примесей магнитные свойства железа, в первую очередь Н_с и M, могут изменяться в широких пределах. Чем меньше примесей и менее дефектна кристаллическая решетка, тем лучше магнитные свойства материала.

Для улучшения магнитных свойств все виды чистого железа подвергают специальной термической обработке – отжигу, проводимому при температуре 900^оС в течение 2 – 4 часов, затем медленному охлаждению до 600^оС. Весь цикл термической обработки осуществляют для предотвращения окисления металла или в вакууме, или в защитной среде (чистом водороде или диссоциированном аммиаке, состоящем из 75% водорода и 25% азота). При термообработке в железе уменьшаются внутренние напряжения, количество дислокаций и других дефектов кристаллической решетки и укрупняется зерно, в результате чего уменьшается суммарная удельная поверхность зерен.

Железо подвержено магнитному старению вследствие структурных превращений, в результате которых со временем увеличивается коэрцитивная сила, иногда более чем в 1,5 – 2 раза. Магнитное старение уменьшают путем легирования некоторыми химическими элементами (например кремнием или алюминием), а также искусственным старением, заключающемся в выдерживании материала при 100^оС в течение 100 – 150 часов.

Деформация и внутренние напряжения, возникающие при механической обработке, значительно ухудшают магнитные свойства железа. Например, деформация на 0,5 – 1% вызывает увеличение Н_с на 15 – 20% и снижение M на 25 – 30%. Внутренние напряжения снимают отжигом.

В качестве чистого железа в электро- и радиотехнике используют технически чистое и особо чистое железо. Они содержат меньше углерода и других примесей, чем конструкционные стали, и поэтому обладают гораздо лучшими магнитными свойствами.

Технически чистое железо содержит не более 0,025% углерода и не более 0,08 – 0,15 других примесей. В электротехнике его иногда называют «армко железом» (от первых букв названия фирмы «American Rolling Mill Company»). Из-за малого удельного сопротивления его в основном используют для магнитопроводов постоянного магнитного потока, когда потери на вихревые токи не существенны.

Особо чистое железо содержит менее 0,03% примесей. К этой группе относится электролитическое и карбонильное железо, а также особо чистое железо и его монокристаллы, особо тщательно отожженные в водороде.

Электролитическое железо содержит менее 0,02% углерода. Его получают путем электролиза водных растворов сернокислого или хлористого железа. Анодом служит чистое железо, а катодом – пластина мягкой стали. Слой осажденного на катоде железа толщиной 2 – 6 мм тщательно промывают, снимают с катода и измельчают в порошок на шаровой мельнице. Электролитическое железо неизбежно содержит следы водорода, для удаления которого порошок переплавляют в вакууме или подвергают отжигу в вакууме.

Карбонильное железо содержит не более 0,005% углерода. Его получают путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅, представляющего собой желтоватую жидкость, устойчивую на воздухе (Т_кип = 103^оС).

При сгорании паров пентакарбонила железа на воздухе образуется мелкодисперсный оксид железа Fe₂O₃, который применяют в качестве активного слоя магнитофонных лент.

В отсутствие воздуха пары Fe(CO)₅ при температуре 350^оС разлагаются на оксид углерода и металлическое железо по реакции

Fe(CO)₅ = Fe + 5CO - 2.1

Образовавшийся очень мелкий порошок (размер частиц 0,5 – 20 мкм) для уменьшения содержания вредных примесей подвергают отжигу в водороде.

Карбонильное железо применяется в качестве магнитной фазы в магнитодиэлектриках, из него изготавливают листы различной толщины.

Сталь низкоуглеродистая электротехническая нелегированная является разновидностью технически чистого железа. Такая сталь должна содержать не более, %: 0,035 C, 0,3 Mn, 0,3 Si, 0,020 S, 0,020 P, 0,3 Cu. Ее выпускают тонколистовой и сортовой. Сталь отжигают при 900^оС описанным выше способом.