CC BY
146
УДК 669.1' 782:537.623
ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ И УЛУЧШЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
© Ю.Н. Драгошанский, В.И. Пудов
Ключевые слова: электротехнические стали; магнитная доменная структура; электромагнитные потери; кри-сталло-структурные неоднородности; покрытия; лазерная обработка.
Исследовано изменение доменной структуры и магнитных свойств электротехнических сталей под действием структурных неоднородностей, создаваемых покрытием и лазерной обработкой. При нахождении оптимальных условий комплексной обработки магнитные потери Р1,7/50 снижаются на 20-25 %.
Важнейшие магнитномягкие материалы - электротехнические стали (сплавы на основе кремнистого железа Fe - 3 % Si с текстурой кристаллов (110)[001]) широко используются в качестве магнитопроводов в переменных магнитных полях. Основными функциональными характеристиками их являются магнитные индукция В и проницаемость ц, потери энергии на пе-ремагничивание Р. В современных анизотропных электротехнических сталях (АЭС) повышают ц созданием острой текстуры (110)[001]. При этом возрастают размеры кристаллов (зерен) и полосовых 180-градусных магнитных доменов. Поэтому в высоко текстурованных АЭС вихретоковая доля магнитных потерь составляет ~80 % полных потерь на перемагничивание материала. В целом это приводит к потере в магнитопрово-дах электрических машин и трансформаторов из электротехнической стали почти ~5 % всей вырабатываемой электроэнергии.
В целях уменьшения магнитных потерь в АЭС, связанных в основном с их вихретоковой составляющей, используют сталь в виде тонких (толщиной 0,02-0,65 мм) листов и лент. Такая форма образцов дает возможность дальнейшего улучшения их функциональных характеристик (магнитных потерь, коэрцитивной силы, проницаемости, магнитострикции) за счет оптимизации магнитной доменной структуры путем активных деформационных воздействий на поверхность материала.
В связи с этим необходимо отметить, что вопреки прежним представлениям о структурных неоднородностях ферромагнитных кристаллов как источниках магнитных потерь [1, 2] была обнаружена возможность снижения магнитных потерь формированием различных упорядоченных дефектов в материале. Эти неоднородности структуры формируют отклонением намагниченности зерен от поверхности материала [3, 4] и введением узких деформированных зон [5, 6], которые создают магнитные поля рассеяния; а также наносят покрытия, растягивающие материал вдоль оси текстуры [7, 8]. Все эти способы приводят к снижению магнитных потерь в АЭС за счет уменьшения ширины основных полосовых 180-градусных доменов [9]. Результаты исследований [10] показывают, что наибольший эффект снижения магнитных потерь достигается
при комплексном применении указанных воздействий -локальной лазерной обработки (ЛО) и магнитоактивного (растягивающего металл) электроизоляционного покрытия (ЭП).
В данной работе влияние указанных воздействий исследовали на образцах из стали марок 3406-3410 (ГОСТ 21427.1-83) с размерами 280x30x0,2-0,3 мм. Магнитные потери РВ/у - при индукции В100 и В800 (в магнитных полях 100 и 800 А/м) и частоте перемагни-чивания f = 50 Гц - измеряли на установке МК-4Э. Магнитную доменную структуру наблюдали с помощью метода порошковых суспензий и магнитооптического эффекта Керра.
Влияние упругих растяжений, создаваемых покрытием. В магнитно анизотропном материале с положительной магнитострикцией растяжение вдоль оси текстуры приводит к уменьшению объема поперечно намагниченных и ширины, связанных с ними, продольно намагниченных доменов [7]. При этом в процессе перемагничивания материала снижается скорость движения доменных границ, вихретоковая часть и полные магнитные потери.
В технике продольное растяжение материала создают нанесением на его поверхность магнитоактивных [8] (растягивающих металл) электроизоляционных покрытий (ЭП) с малым коэффициентом теплового расширения (КТР).
Для усиления магнитной активности растягивающих металл электроизоляционных покрытий разработаны составы растворов на основе бор содержащих магнийфосфатов [11] с добавками оксидов Mg, Со и Мп. Они обеспечивают достижение высокой адгезии ЭП к металлу. Создаваемое им покрытие при КТР меньшем, чем у стали ((4-8)^10-6 К-1 в сравнении с 13-10-6 К-1 [12]) создает плоскостное ее растяжение ~10 МПа с преобладанием (в случае текстуры (110)[001]) продольной составляющей (вдоль направления прокатки) [13]. При этом в стали уменьшается объем поперечно намагниченных замыкающих доменов в 1,5-2 раза, ширина основных доменов и магнитные потери Р17/50 снижаются на 5-11 % (табл. 1). Плоскостное растяжение существенно изменяет и величину линейной магнитострикции насыщения сплава.
1580
Таблица 1
Эффективность покрытия, лазерной и комплексной обработок в зависимости от степени совершенства кристаллографической текстуры (по индукции В800, Тл)
№ партии B800, Тл AP 1,7/50, %
ЭП ЛО ЭП + ЛО
1 1,850 11,0 12,0 14,1
2 1,855 9,9 14,1 16,0
3 1,865 8,2 18,1 19,3
4 1,870 7,2 18,9 21,4
5 1,885 5,2 23,3 24,5
6 1.905 5,0 25,2 27,1
Наряду с продольным растяжением лент материалов, значительному уменьшению ширины полосовых доменов и магнитных потерь способствует формирование в поверхностном слое неоднородностей кристаллической структуры, которые образуют локальные поля рассеяния магнитного потока над лентой стали. Установлено, что эффективным способом их формирования является локальное лазерное облучение поверхности магнитно анизотропного материала, ориентированное поперек оси текстуры [5, 6].
Влияние локальной лазерной обработки. На готовых сталях с ЭП марок 3406-3409 (В800 = 1,871,93 Тл) выявлена возможность нанесения узких зон локальной ЛО на конечной стадии производства, практически без разрушения ЭП (электрическое сопротивление изоляции в пределах (2-30)-105 Ом/см2).
Показано, что локальная ЛО стали средних и высших марок, создавая над зонами лазерного воздействия магнитные поля рассеяния, формирует динамические зародыши перемагничивания и снижает ширину основных полосовых 180-градусных доменов в 2-3 раза (рис. 1).
Рис. 1. Доменная структура электротехнической стали: а) до ЛО: 1 - 180-градусные полосовые домены; б) после ЛО: 1 -измельченные домены, 2 - зона ЛО
При этом комплексное действие ЭП и ЛО приводит к снижению вихретоковых и полных магнитных потерь на 25-35 и 15-25 % соответственно. В результате величина магнитных потерь в высших марках анизотропной электротехнической стали магнитные потери ■Р1,7/50
понижаются до 0,88-0,90 Вт/кг в лентах толщиной
0.27.0,30 мм с индукцией В800 = 1,91-1,93 Тл.
Показано, что в оптимальных условиях лазерной
обработки эффект снижения магнитных потерь зависит от толщины ленты, размера зерен, степени совершенства текстуры и состояния поверхности стали. Влияние изгиба ленты стали, обнаруженного при ее локальной лазерной обработке, требует дальнейших исследований.
Средства контроля локальной ЛО, созданные на основе индукционных феррозондовых преобразователей, показывают эффективность их применения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Чуйко Н.М., Мошкевич Е.И., Перевязко А.Т. и др. Трансформаторная сталь. М.: Металлургия, 1970. 264 с.
2. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. Москва; Ленинград: Госэнергоиздат, 1962. 320 с.
3. Драгошанский Ю.Н. , Есина Н.К, Зайкова В.А. Влияние степени совершенства кристаллографической текстуры (110)[001] на величину электромагнитных потерь в трансформаторной стали // Физика металлов и металловедение. 1978. Т. 45. № 4. С. 723-728.
4. Nozawa T., Nakayama T., UshigamiY. et al. Production of single ^stall 3 % silicon-iron sheet with orientation near (110)[001] // J. Magn. Magn. Mat. 1986. V. 58. P. 67-77.
5. Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Драгошанский Ю.Н., Зайкова
B.А. Способ получения электротехнической стали. Авт. свидет. СССР № 524837. 1976. Бюл. № 30.
6. Соколов Б.К., Драгошанский Ю.Н. Структурные барьеры и снижение магнитных потерь в электротехнических анизотропных сталях // Физика металлов и металловедение.1991. № 1. С. 92-102.
7. Драгошанский Ю.Н., Зайкова В.А., Хан Е.Б. Влияние кристаллографической ориентации и упругой деформации на электромагнитные потери монокристаллов Fe - 3 % Si // Труды междунар. конф. по магнетизму МКМ-73. М.: Наука, 1974. Т. 4. С. 518-522.
8. Shimanaka H., Matoba I., Ichida T. et al. Development of grain-oriented silicon steel with low magnetostriction // Proceedings of conf. «Soft Magnetic Materials-2». Cardiff, 1975. P. 269-274.
9. Pry R.Y., Bean C.P. Calculation of energy loss in magnetic sheet materials using a domain structure // J. Appl. Phys. 1958. V. 29. № 3. P. 532-533.
10. Dragoshanskii Yu.N., Pudov V.I. Influence of Laser Processing and Magnetically Active Inorganic Coatings on the Dynamic Magnetic Properties of Soft Magnetic Materials // Inorganic Materials. 2013. V. 49. № 7. P. 669-676.
11. Ханжина Т.А., Бамбуров В.Г., Драгошанский Ю.Н. Раствор для нанесения электроизоляционных покрытий на сталь и способ его получения. Авт. свидет. СССР № 1608243. 1990. Бюл. № 43.
12. Стародубцев Ю.Н. Магнитные материалы: словарь-справочник. М.: Техносфера, 2011. 659 с.
13. Драгошанский Ю.Н., Шейко Л.М. Влияние плоскостных растяжений на доменную структуру и магнитные свойства кремнистого железа // Изв. АН СССР. Серия физическая. 1985. Т. 49. № 8.
C. 1568-1572.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа частично поддержана РФФИ и Уральским отделением РАН (проекты № 11 -200931 и № 12-У-2-1018).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Dragoshanskiy Y.N., Pudov V.I. FORMATION OF STRUCTURE INHOMOGENEOUS AND FUNCTIONAL PROPERTIES OF ELECTRICAL STEELS
Change of domain structure and magnetic properties in electrical steels under action of crystal-structure inhomogeneous, formation of coating and local laser treatment, is investigated. The magnetic losses P1-7/5o equally 20-25 % at optimal complex treatment reduce.
Key words: electric steels; domain structure; inhomogeneous crystal-structure; magnetic losses; coatings; local laser treatment.
1581
