الفولاذ الكهربائي

الفولاذ الكهربائي ( الفولاذ E، الفولاذ الرقائقي ، الفولاذ الكهربائي السيليكوني ، فولاذ السيليكون ، فولاذ المرحلات ، فولاذ المحولات ) هو نوع خاص من الفولاذ يُستخدم في قلب الأجهزة الكهرومغناطيسية مثل المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية والمحولات ، وذلك لقدرته على تقليل فقد الطاقة. وهو عبارة عن سبيكة حديدية تحتوي على السيليكون كعنصر مضاف رئيسي (بدلاً من الكربون).

الفولاذ الكهربائي هو سبيكة حديدية قد تحتوي على نسبة سيليكون تتراوح بين صفر و 6.5% (نسبة السيليكون إلى الحديد 5%). عادةً ما تحتوي السبائك التجارية على نسبة سيليكون تصل إلى 3.2% (تؤدي التركيزات الأعلى إلى هشاشة أثناء الدرفلة على البارد). يمكن إضافة المنجنيز والألومنيوم بنسبة تصل إلى 0.5%. ^{[ 1 ]}

يزيد السيليكون المقاومة الكهربائية للحديد بمقدار خمسة أضعاف تقريبًا؛ مما يقلل التيارات الدوامية المستحثة ويضيّق حلقة التخلف المغناطيسي للمادة، وبالتالي يقلل فقد الطاقة في القلب بمقدار ثلاثة أضعاف تقريبًا مقارنةً بالفولاذ التقليدي. ^{[ 1 ] [ 2 ]} مع ذلك، يؤدي تركيب الحبيبات إلى تصلب المعدن وهشاشته؛ وهذا التغيير يؤثر سلبًا على قابلية تشكيل المادة، خاصةً عند الدرفلة. عند إضافة السبائك، يجب الحفاظ على نسبة التلوث منخفضة، لأن الكربيدات والكبريتيدات والأكاسيد والنيتريدات ، حتى في جزيئات صغيرة بحجم ميكرومتر واحد، تزيد من فقد الطاقة في التخلف المغناطيسي وتقلل من النفاذية المغناطيسية . وجود الكربون له تأثير أكثر ضررًا من الكبريت أو الأكسجين. كما يتسبب الكربون في تقادم مغناطيسي عندما ينفصل ببطء عن المحلول الصلب ويترسب على شكل كربيدات، مما يؤدي إلى زيادة فقد الطاقة بمرور الوقت. لهذه الأسباب، يُحافظ على مستوى الكربون عند 0.005% أو أقل. يمكن تقليل مستوى الكربون عن طريق تلدين السبيكة في جو مزيل للكربون ، مثل الهيدروجين . ^{[ 1 ] [ 3 ]}

الفولاذ الكهربائي المصنوع دون معالجة خاصة للتحكم في اتجاه البلورات، أو الفولاذ غير الموجه ، يحتوي عادةً على نسبة سيليكون تتراوح بين 2 و 3.5%، وله خصائص مغناطيسية متماثلة في جميع الاتجاهات، أي أنه متجانس الخواص . يُشار إلى الفولاذ غير الموجه الحبيبات المدرفل على البارد اختصارًا بـ CRNGO.

يحتوي الفولاذ الكهربائي ذو الحبيبات الموجهة عادةً على نسبة سيليكون تبلغ 3% (Si:11Fe). تتم معالجته بطريقة تُحسّن خصائصه في اتجاه الدرفلة، وذلك بفضل التحكم الدقيق (الذي اقترحه نورمان ب. غوس ) في اتجاه البلورات بالنسبة للصفيحة. تزداد كثافة التدفق المغناطيسي بنسبة 30% في اتجاه درفلة الملف، على الرغم من انخفاض تشبعه المغناطيسي بنسبة 5%. يُستخدم هذا الفولاذ في صناعة قلوب محولات الطاقة والتوزيع ، ويُشار إليه اختصارًا بالفولاذ المدرفل على البارد ذي الحبيبات الموجهة (CRGO).

يُورَّد الفولاذ الموجه الحبيبات عادةً من مصانع الإنتاج على شكل لفائف، ويجب تقطيعه إلى "رقائق"، تُستخدم بدورها لتشكيل قلب المحول، وهو جزء لا يتجزأ من أي محول. يُستخدم الفولاذ الموجه الحبيبات في محولات الطاقة والتوزيع الكبيرة، وفي بعض محولات خرج الصوت. ^{[ 10 ]}

يُعدّ CRNGO أقل تكلفة من CRGO. ويُستخدم عندما تكون التكلفة أهم من الكفاءة، وفي التطبيقات التي لا يكون فيها اتجاه التدفق المغناطيسي ثابتًا، كما هو الحال في المحركات والمولدات الكهربائية ذات الأجزاء المتحركة. ويمكن استخدامه أيضًا عندما لا تتوفر مساحة كافية لتوجيه المكونات للاستفادة من الخصائص الاتجاهية للفولاذ الكهربائي ذي الحبيبات الموجهة.

• 
  المجالات المغناطيسية وجدران المجالات في الفولاذ السيليكوني الموجه (صورة تم إنشاؤها باستخدام CMOS-MagView)
• 
  المجالات المغناطيسية وجدران المجالات في الفولاذ السيليكوني الموجه (صورة تم إنشاؤها باستخدام CMOS-MagView)
• 
  المجالات المغناطيسية وجدران المجال في الفولاذ السيليكوني غير الموجه (صورة تم إنشاؤها باستخدام CMOS-MagView)

يُصنع الفولاذ الكهربائي عادةً على شكل شرائح مدرفلة على البارد بسماكة أقل من 2  مم. تُقطع هذه الشرائح إلى أشكال محددة لتكوين رقائق تُكدس معًا لتشكيل النوى الرقائقية للمحولات، والجزء الثابت والدوار للمحركات الكهربائية . يمكن قطع الرقائق إلى شكلها النهائي باستخدام قالب ومكبس، أو بكميات أقل، باستخدام الليزر أو القطع الكهربائي السلكي .

يُغطى الفولاذ الكهربائي عادةً بطبقة واقية لزيادة المقاومة الكهربائية بين الصفائح، مما يقلل من التيارات الدوامية، ويمنحه مقاومة للتآكل والصدأ ، ويعمل كمادة تشحيم أثناء عملية القطع بالقوالب . توجد أنواع مختلفة من الطلاءات، عضوية وغير عضوية ، ويعتمد اختيار الطلاء على استخدام الفولاذ. ^{[ 11 ]} يعتمد نوع الطلاء المُختار على المعالجة الحرارية للصفائح، وما إذا كانت الصفيحة النهائية ستُغمر في الزيت، ودرجة حرارة تشغيل الجهاز النهائي. في البداية، كان يُعزل كل صفيحة بطبقة من الورق أو الورنيش، لكن هذا قلل من معامل التراص للقلب وحدّد درجة حرارته القصوى. ^{[ 12 ]}

يصنف معيار ASTM A976-03 أنواعًا مختلفة من الطلاءات المستخدمة في صناعة الفولاذ الكهربائي. ^{[ 13 ]}

تبلغ النفاذية النسبية النموذجية (μr ₎ للفولاذ الكهربائي 4000-38000 ضعف نفاذية الفراغ، مقارنةً بـ 1.003-1800 للفولاذ المقاوم للصدأ. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

تعتمد الخصائص المغناطيسية للفولاذ الكهربائي على المعالجة الحرارية ، حيث أن زيادة متوسط ​​حجم البلورات يقلل من فقد التخلف المغناطيسي. يُقاس فقد التخلف المغناطيسي باستخدام جهاز اختبار إبشتاين القياسي ، ويتراوح عادةً بين 2 و10 واط لكل كيلوغرام (1 إلى 5 واط لكل رطل) لأنواع الفولاذ الكهربائي الشائعة عند تردد 60 هرتز وقوة مجال مغناطيسي  1.5 تسلا .

يمكن توريد الفولاذ الكهربائي في حالة شبه معالجة، بحيث يمكن، بعد تشكيله بالثقب، إجراء معالجة حرارية نهائية للحصول على حجم الحبيبات المطلوب عادةً وهو 150 ميكرومتر. أما الفولاذ الكهربائي المعالج بالكامل، فيُورَّد عادةً مع طبقة عازلة ، ومعالجة حرارية كاملة، وخصائص مغناطيسية محددة، وذلك للتطبيقات التي لا يؤثر فيها الثقب بشكل كبير على خصائص الفولاذ الكهربائي. ويمكن أن يؤثر الانحناء المفرط، أو المعالجة الحرارية غير الصحيحة، أو حتى التعامل الخشن سلبًا على الخصائص المغناطيسية للفولاذ الكهربائي، وقد يزيد أيضًا من الضوضاء نتيجةً للانفعال المغناطيسي . ^{[ 12 ]}

يتم اختبار الخصائص المغناطيسية للفولاذ الكهربائي باستخدام طريقة إطار إبشتاين المعيارية الدولية . ^{[ 18 ]}

يمكن تقليل حجم المجالات المغناطيسية في صفائح الفولاذ الكهربائي عن طريق نقش سطح الصفيحة بالليزر أو ميكانيكياً. وهذا يقلل بشكل كبير من خسائر التخلف المغناطيسي في القلب المجمع. ^{[ 19 ]}

يُستخدم الفولاذ الكهربائي غير الموجه الحبيبات (NGOES) بشكل أساسي في المعدات الدوارة، مثل المحركات الكهربائية والمولدات ومحولات التردد العالي والتردد الزائد. أما الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات (GOES)، فيُستخدم في المعدات الثابتة مثل المحولات. ^{[ 20 ]}

• الفيروسليكون ، مادة أولية للفولاذ السيليكوني
• موميتال
• البرمالوي
• سوبرمالوي

• فيديو حركة النطاق الديناميكية - يوتيوب
• ملخص عن فولاذ السيليكون