Quali tipi di acciaio elettrico sono disponibili?

Bobina in acciaio elettrico in acciaio GNEE

Acciaio elettrico a grani orientati (GOES)

Il processo per la produzione dei GOES è stato sviluppato dal ricercatore americano Norman P Goss negli anni '30. Una lamiera di acciaio viene laminata in un modo particolare (con la cosiddetta riduzione critica dello spessore), che crea semi di grani allineati con la direzione di laminazione. Durante il successivo trattamento termico e ricristallizzazione, i chicchi crescono dai semi fino a riempire l'intero volume.

Ogni grano è quindi allineato e le proprietà magnetiche sono massimizzate lungo la direzione di laminazione, detta anche direzione di “facile magnetizzazione”. (La magnetizzazione a 90º in questa direzione è "dura" e a 60º è "più dura" – un risultato diretto dell'orientamento dei grani). Ciò significa che GOES è molto utile nelle applicazioni in cui il flusso magnetico deve essere guidato in una direzione specifica, ad esempio in un ramo di un trasformatore.

I GOES solitamente contengono circa il 96,5% di ferro, il 3% di silicio e lo 0,5% di altri elementi. Il silicio riduce le perdite e aiuta ad allineare la crescita del grano. Dal punto di vista magnetico la quantità ottimale di silicio è addirittura del 6,5%, dove le perdite sono ancora minori, la permeabilità è massima e l'acciaio non presenta magnetostrizione, che è la principale causa del rumore acustico generato dai trasformatori. Tuttavia, l'acciaio con un contenuto di silicio del 6,5% è così fragile che non può essere tagliato o perforato meccanicamente, quindi deve essere tagliato con laser o utilizzando altre tecniche specializzate. Un approccio alternativo consiste nel tagliare un normale materiale di silicio al 3% e quindi infonderlo con più silicio dopo il taglio.

Nel corso degli anni sono state apportate numerose modifiche e miglioramenti al processo di produzione dei GOES, che hanno portato, soprattutto, alla riduzione delle perdite di un fattore dieci circa. Il processo di produzione attualmente utilizzato prevede oltre 20 passaggi, il che significa che GOES è molto più costoso dell’acciaio da costruzione. È tuttavia ancora molto più economico rispetto ad altre alternative magnetiche come le leghe di nichel e cobalto.

Uno dei modi in cui le prestazioni magnetiche dei GOES sono state migliorate è l'aggiunta di uno speciale strato di rivestimento che induce sollecitazioni di trazione sulla superficie del foglio. Ciò migliora la permeabilità dei GOES e riduce le perdite. Il risultato è che l'acciaio prodotto in questo modo può lavorare con una magnetizzazione (B) più elevata rispetto ai gradi più convenzionali. Questo processo viene spesso indicato con il nome commerciale brevettato "Hi-B".

Sono state effettuate anche prove di laboratorio sul cosiddetto acciaio "doppio orientato", che presenta due direzioni "facili" ortogonali, ottenute mediante un'adeguata crescita dei grani. Il processo di produzione è, tuttavia, ancora più costoso e il materiale deve ancora trovare un'applicazione commerciale di volume.

Gli spessori prevalenti per i GOES utilizzati commercialmente sono {{0}},35 mm (il più economico), 0,27 mm e 0,23 mm (il più costoso). Il prezzo è in genere di pochi dollari USA al chilogrammo.

Acciaio elettrico non orientato (NOES)

Nel NOES i grani sono molto più piccoli, solitamente inferiori a 0,1 mm. Non sono orientati lungo alcuna direzione specifica. Al contrario, dovrebbero essere distribuiti nel modo più casuale possibile per garantire la simmetria del carico. Questo perché i NOES vengono utilizzati nei nuclei di macchine rotanti dove il flusso magnetico ruota e cambia continuamente posizione nei "denti" dei lamierini. Il processo di produzione è più semplice rispetto a quello dei GOES e l’acciaio è quindi più economico, solitamente meno della metà del prezzo.

Poiché NOES è prodotto in fogli più spessi (0,35 mm e oltre), la punzonatura è più difficile e durante il taglio vengono introdotte maggiori deformazioni meccaniche e sollecitazioni. Ciò degrada le prestazioni magnetiche e non può essere sempre tollerato. In questi casi i lamierini devono essere ricotti dopo il taglio per migliorarne le proprietà magnetiche. Di conseguenza i NOES sono disponibili in due tipologie principali: completamente lavorati che non richiedono ricottura e semilavorati per i quali è necessario un trattamento termico finale.

Un altro fattore importante è anche il contenuto di silicio. L'aggiunta di silicio riduce leggermente la magnetizzazione di saturazione. Ciò è importante nelle macchine rotanti, in cui i denti possono lavorare in condizioni di saturazione. La coppia meccanica della macchina rotante è proporzionale al quadrato della magnetizzazione, quindi anche un piccolo miglioramento della magnetizzazione è giustificato per i conseguenti significativi guadagni di coppia. Per questo motivo, quando le prestazioni meccaniche sono di primaria importanza, il contenuto di silicio è spesso ridotto a livelli molto più bassi (a volte anche inferiori allo 0,5%). Ciò migliora la coppia, ma ovviamente comporta maggiori perdite per correnti parassite, che possono essere ridotte solo diminuendo lo spessore delle lamiere utilizzate.

NOES viene spesso utilizzato per piccoli trasformatori economici per elettrodomestici, dove il prezzo del dispositivo è un fattore cruciale.