Paramagnetna jekla Paramagnetic Steels F. Grešovnik, Železarna Ravne, Ravne na Koroškem Opisane so značilnosti magnetizma pri paramagnetnih materialih. Glavna izmed njih je majhna permeabilnost; relativna permeabilnost je le malo nad 1. V elektromagnetnih strojih zato taki materiali preprečujejo vzporeden tok magnetnih silnic. V nekaterih primerih uporabe paramagnetnih materialov se zahteva neka minimalna trdnost, kar izpolnjujejo paramagnetna jekla. Imajo austenitno strukturo. Kot primer je obravnavano jeklo z 19% Mn, 13% Cr in dodatkom N. Kontrola takih jekel obvezno zajema merjenje permeabilnosti, ki je podrobno opisano — vključno z umerjanjem potrebne aparature. Ključne besede: paramagnetna jekla, permeabilnost, mehanske lastnosti Characteristics of magnetism in paramagnetic materials are deseribed. The most important one is the lovv permeability; the relative permeability is only slightly above 1. Sueh materials prevent the parallel flow of magnetic forcelines in electromagnetic appliances. In some cases of applying the paramagnetic materials certain minimal strength is required: vvhich is fulfilled in the čase of paramagnetic steels. They have austenitic strueture. As an example, steel vvith 19% Mn, 13%Cr, and addition of N is considered. The control of sueh steels obviously includes the measurement of permeability vvhich is deseribed in details — together vvith the calibration of the equipment. Key vvords: paramagnetic steels, permeability, mechanical properties 1 Uvod Magnetno polje opišemo z dvema vektorjema: magnetno poljsko jakostjo H in magnetno poljsko gostoto (indukcijo) B. Prvi vektor je odvisen od razporeditve električnih tokov v prostoru. Magnetna poljska gostota je v praznem prostoru povezana z magnetno poljsko jakostjo preko indukcijske konstante //„: B = //„H (1) Vpliv snovi na magnetno poljsko gostoto popišemo s faktorjem p, ki se imenuje permeabilnost. K = ////„H = /UH + M) (2) M imenujemo magnetizacija, to je volumska gostota magnetnih momentov p sestavnih delov snovi. //0M je prispevek snovi k magnetni poljski gostoti in je enak //t,\l = (// — 1)//„H = /i'//0H (3) k imenujemo susceptibilnost. V splošnem je to tenzorska količina, tako da M in H nista nujno kolinearna. Magnetni momenti p so ob odsotnosti magnetnega polja pri večini snovi naključno orientirani in ne dajejo prispevka k magnetni poljski gostoti. Ob prisotnosti magnetnega polja pa med p in H vpeljemo zvezo s polarizabilnostjo n p = aH (4) in velja M = ?)qH (5) n je številčna gostota delcev z magnetnim momentom. Iz (3) in (5) sledi /i = 1 + na (6) Glede na velikost susceptibilnosti razdelimo snovi na • diamagnetne: — 1 . K magnetizaciji prispeva s2 " slikal° m obračanje smisla toka razlika med številsko gostoto elektronov s projekcijo spina i in to je 7) (1/2) — 7l(—1/2) dn 2—{EF)pBp0H dt, Am- ampermeter R - drsni upornik Slika 2. Skica merilnika pemieabilnosti. Figure 2. Scheme of the permeability measuring equipment Prispevek k magnetizaciji je dn Mr = pB(n(\/7) - n(-\/2)) = 2^(EF)p2Bp„\\ (10) določimo z merilno opremo, ki je shematsko prikazana na sliki 2. Metoda je standardizirana2. Dokler v reži elektromagneta ni vzorca z volumnom 1', je energija magnetnega polja na tistem mestu Vidimo, da so vsi trije prispevki k magnetizaciji sorazmerni z magnetno poljsko jakostjo. Magnetilna krivulja paramagnetnih snovi je torej premica. Tu ne srečamo pojava histereze. Drugi prispevek je obratno sorazmeren z absolutno temperaturo, prvi in tretji pa sta neodvisna od temperature. 3 Merjenje pemieabilnosti paramagnetnih kovin Permeabilnost paramagnetnih materialov, ki imajo 1 < p < 1.05 V w'm = j \poH2 dV (11) ker je permeabilnost zraka praktično 1. Ko vstavimo v magnetno polje vzorec s permeabilnostjo p. je energija magnetnega polja na tistem mestu l F, •n pp0H~dV (12) Energija se torej spremeni za v A W,........ o v vm = - w'm = J 1 )i*oH2 dV (13) Ta zapis velja, če prisotnost vzorca ne popači prvotnega magnetnega polja. Gradient spremembe energije določa silo, s katero nehomogeno magnetno polje privlači vzorec. Ker je d\' = S dx kjer je S konstanten prečni prerez vzorca, dx pa premik v smeri osi vzorca, dobimo F = grad AWm = - 1 )n0H]S (14) H0 je magnetna poljska jakost na mestu spodnje osnovne ploskve vzorca, to je v centru simetrije reže elektromagneta. Vzorec mora biti dovolj dolg, da je njegova zgornja osnovna ploskev že praktično izven magnetnega polja (slika 3). Iz (14) neposredno sledi H= 1 + 2 F HoH}S Silo F stehtamo. 18 0,0002 T S « io qooi?T 0CO17T 0.0370T 0.0430T 0,00261 dOiMT 0,0500T 0.037C T ^ 0J343CT 0.0340T Q0340T MK60T Slika 3. Porazdelitev magnetne poljske gostote v ravnini, ki gre skozi center simetrije reže in je pravokotna na centralno magnetno silnico; tok skozi navitje elektromagneta je 2.9 A. Figure 3. Variation of magnetic flux density in the plane passing through the gap centre of the symmetry and being normal to the central magnetic forceline; current through the electromagnet coil is 2.9 A. Magnetno poljsko jakost Ha izmerimo s pomočjo umer-itvene tuljavice brez jedra, ki jo priključimo na balistični galvanometer. Pri balističnem galvanometru deluje na vrtljivi del, ki je v bistvu tuljava, navor z absolutno vrednostjo M = |pm x Bm| = IS\N\Bm (16) I je električni tok, ki teče po navitju tuljave, N\ je število ovojev tuljave galvanometra, en ovoj pa ima ploščino S\. Zaradi posebej oblikovanega magneta je med magnetnim momentom prn in magnetnim poljem z gostoto Bm vedno pravi kot. Pri kratkotrajnem toku deluje sunek navora t r I M dt = S\N\ Bm j Idi = Ju>max = J d(BS2) ,r „ dB u' = N> * - = N^ S separacijo spremenljivk in integracijo dobimo sunek napetosti j Ut dt = X:<;< Bk -B:)=Rn J I dt o o (19) Če vklopimo ali izklopimo tok skozi navitje elektromagneta, | Bk-Bz\ = Bem je Na ta način lahko izmerimo magnetno poljsko gostoto Be m v reži elektromagneta. Ar2 je število ovojev umer-itvene tuljavice, pri kateri ima posamezna zanka ploščino ,SV R,g je vsota uporov balističnega galvanometra in umer-itvene tuljavice. Med B, „, in He rn velja zveza (1). 4 Paramagnetno jeklo 19Mnl3CrO,3N Jeklo 19Mnl3CrO,3N je izboljšana modifikacija jekla X5CrMn 13 18 (W.Nr. 1.3949). Poskusno šaržo smo izdelali v 30-kilogramski indukcijski peči in je imela sledečo sestavo v ntas.%: C S Si Cr Ni Al Cu Mn Mo P N 0.03 0.008 0.40 13.58 1.02 0.013 0.06 18.7 0.50 0.008 0.30 Ingot, ki je imel presek kv. 100 mm, je bil v temperaturnem intervalu od 1100 do 900°C prekovan v palico $ 30 mm. Površina je bila brez razpok, prav tako tudi na jedkalni plošči ni bilo opaziti nobenih napak. Za jedkanje je potrebno uporabiti zlatotopko, kar kaže na precejšnjo korozijsko odpornost. Mehanska obdelava tega jekla je nekoliko lažja kot pri Hadfieldsovih jeklih z 12% Mn. Rentgenska strukturna analiza je pokazala, da ima jeklo 19Mnl3Cr0,3N že v surovem stanju čisto austenitno strukturo. Trdota je od 245 HB na sredini palice do 295 HB na površini. Velikost zrna je od 7 do 8 po ASTM El 12. Po gašenju s temperature 1000° C (1 uro) trdota pade na 210 HB in postane enakomerna po preseku. Zrno zraste na 5 do 7. Gostota je 7.80 g/cm1. Mehanske lastnosti so sledeče: Rv0 2 = 410 Rm = 720 A5 = 52%, A ^ imm* mm* J ' Z = 70%, žil. delo DVM = 160 J. Permeabilnost smo izmerili pri dveh magnetnih poljskih jakostih: pri H = 22500.4/™ je /* = 1 0024 pri // = 40000/1 /m je /t = 1.0025 Ujemanje je vsekakor v okviru natančnosti metode (8%) in kaže na to, da se jeklo 19Mnl3CrO,3N res obnaša kot paramagnetni material. 5 Uporaba paramagnetnih jekel Paramagnetni materiali imajo v magnetnih napravah podobno vlogo kot izolacijski materiali pri tokovodnikih. Zavirajo magnetni pretok m