CC BY
128
УДК 621.758; 537.622
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-974-977
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ПРИ ЭФФЕКТИВНЫХ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕКСТУРУЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
© Ю.Н. Драгошанский, В.И. Пудов
Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, e-mail: [email protected]; [email protected]
Разработан метод комплексного воздействия магнитоактивных покрытий, локальной лазерной обработки (ЛЛО) и ТМО на анизотропные электротехнические стали. Использование этого метода позволяет при перемагничива-нии высших марок стали снизить в 2-3 раза ширину доменов и магнитные потери на 10-15 % за счет уменьшения их вихретоковой составляющей. Установлено существенное влияние параметров лазерной обработки и ТМО на доменную структуру и электромагнитные свойства электротехнических сталей.
Ключевые слова: Fe-3%Si; доменная структура; магнитные потери; покрытия; лазер; термомагнитная обработка.
При производстве современных электротехнических анизотропных сталей (АЭС) практически реализованы все обычные металлургические методы совершенствования структуры и физических свойств. Например, создание острой ребровой (110)[001] кристаллографической текстуры при оптимальном химическом составе и пластичности; оптимизация толщины ленты, соответствующая минимуму полных магнитных потерь в заданном режиме перемагничивания; уменьшение содержания вредных примесей и неоднородных внутренних напряжений.
Очевидно, что значимые результаты можно получить только при реализации перспективных комплексных решений, направленных на разработку разных способов и технологий воздействия на кристаллическую и магнитную структуру электротехнических сталей, обеспечивающих существенное превышение суммарного результата, достигаемого на отдельных этапах обработки материала.
Из наиболее перспективных способов управления магнитными доменами и свойствами электротехнических материалов являются комплексные деформацион-но-текстурующие воздействия, направленные на оптимизацию доменной структуры. Ее можно осуществлять путем изменений объемов и дестабилизации магнитных фаз, ориентации и размеров отдельных доменов, созданием дополнительных зародышей перемагничи-вания и т. д.
С целью улучшения магнитных свойств исследовали ленту анизотропной крупнозернистой стали Fe-3%Si марок 3408-3409 (ГОСТ 21427.1-83), толщиной 0,050,50 мм, предварительно подвергнутую горячей прокатке, холодной прокатке, обезуглероживающему и рекристаллизующему отжигам. Затем, в состоянии движения, ленту подвергали комплексному воздействию магнитоактивного электроизоляционного покрытия и термомагнитной и лазерной обработкам. При этом покрытие нитридно-оксидное с КТР меньшим, чем у стали, наносили на поверхность ленты путем ионно-плазменного осаждения с выдержкой 10-5 мин.
при температуре 20-50 °С, и полученный композит подвергали дополнительному отжигу в окислительной среде. Обеспечивали процесс однородного перемагни-чивания стали путем ее нагрева (300-600 °С со скоростью 30-50 °С/мин.) в переменном магнитном поле напряженностью 2-5 кА/м, частотой 30-100 кГц, направленном вдоль оси прокатки полосы, осуществляя изотермическую обработку в течение 20-5 мин. и охлаждение до комнатной температуры в переменном магнитном поле со скоростью 50-200 °С/мин. Для получения скачкообразного перемагничивания полосовой стали получали прямоугольную петлю гистерезиса, путем отжига материала в постоянном магнитном поле (0,5-2 кА/м, 400-500 °С в течение 5-1 мин.). При этом применяли скоростную поверхностную обработку лазером, с длиной пятна в направлении прокатки 0,2 мм, наносимым одномоментно на всю ширину движущейся ленты [1]. Частота нанесения лазерных зон составляла 2:1 относительно скорости движения ленты, измеряемой в см/с, причем для тонколистовой стали 0,15-0,23 мм мощность излучения составляла не более 1 Дж/с, а для стали толщиной 0,27-0,50 мм - не более 2 Дж/с.
Кроме этого, ленту стали подвергали одноосному растягивающему напряжению, ориентированному вдоль ее продольной оси, причем величину напряжения задавали по формуле ст = Р ^, где Б - площадь поперечного сечения ленты в мм2, Р - удельная нагрузка, не превышающая предел упругости материала Fe-3%Si, соответствующая толщине листа стали 0,05-0,20 мм -до 4 кг и для стали 0,23-0,50 мм - до 8 кг, а для стали, измененной по химическому составу до Fe-6%Si, соответственно, 3 и 5 кг.
Физическая суть данной технологии обработки стали заключается в следующем.
При изготовлении АЭС первые операции - деформация ее ленты прокаткой и последующие отжиги, формируют ребровую (110)[001] кристаллографическую текстуру. При этом увеличивается в заданном поле магнитная индукция вдоль ленты (направления легкого намагничивания [001]) и уменьшаются намаг-
ничивающие поля для ее достижения. Уменьшаются размагничивающие поля над поверхностью ленты. Возникающее при этом нежелательное увеличение размеров полосовых 180° доменов, скоростей движения их границ при перемагничивании и роста магнитных потерь компенсируем приложением к ленте необходимых растягивающих напряжений в процессе ее выпрямляющего отжига в оптимальном режиме и при формировании магнитоактивного (растягивающего металл) электроизоляционного покрытия. Это покрытие состоит из неорганического материала с коэффициентом теплового расширения меньшим, чем КТР стали [2]. Поэтому при охлаждении до комнатной температуры это покрытие не только создает необходимую электроизоляцию между отдельными элементами в многослойном магнитопроводе, но и обеспечивает плоскостное растяжение стали с преобладанием продольного растяжения из-за анизотропии модулей упругости в плоскости (110) [3]. Это уменьшает объем поперечно намагниченных 90° доменов, сужает продольные полосовые 180° домены, создает более однородное, без скачков движение их границ, что приводит к снижению магнитных потерь. При этом использование плазменного метода нанесения покрытия обеспечивает высокую адгезию покрытия к металлу, большее по величине и однородности его растяжение (~1 кг/мм2), чем при обычном формировании покрытия методом растворной керамики [4-5].
Применение ЛЛО позволяет создавать в ленте узкие зоны тепловой деформации (с помощью СО2-ла-зера с X = 10,6 мкм) и формировать магнитные поля рассеяния над ними, ориентированные поперек оси этой ленты. При этом максимум эффекта дробления доменов обеспечивается путем одномоментного нанесения лазерного пятна, преобразованного с помощью цилиндрической оптики в прямую линию, ориентированного строго поперек оси ленты. Такой вид ЛЛО обеспечивает резкий нагрев локальной зоны поверхности с максимальным градиентом температур и глубокий прогрев. Напряжения сжатия, возникающие в зонах ЛО, приводят к растяжению стали в межзонных промежутках, что увеличивает ее продольную одноосную анизотропию [6]. Непрерывность зоны ЛО обеспечивает однородность магнитных полей рассеяния вдоль этой зоны, что приводит к плавному, без скачков, смещению доменных границ и наименьшей средней скорости их движения при перемагничивании. Это обстоятельство существенно снижает магнитные потери на вихревые токи, пропорциональные квадрату скорости движения доменных границ. При этом одномоментное нанесение зоны ЛО на всю ширину ленты позволяет располагать эти зоны строго поперек направления прокатки, используя на 100 % ориентационный фактор воздействия, а также обеспечить высокопроизводительную (до ~70 м/мин.) обработку стали без оплавления металла или разрушения покрытия [1].
Исследование влияния расстояний между зонами ЛЛО на величину создаваемых в металле напряжений показывает, что с увеличением расстояния между линиями ЛЛО уровень напряжений снижается - от 0,200,25 до 0,05-0,10 кг/мм2. Это можно объяснить частичным взаимным наложением сжимающих напряжений, действующих в металле вблизи лазерных линий. При этом, чем меньше расстояние между ними, тем больше
площадь взаимного наложения областей, в которых действуют сжимающие напряжения (рис. 1).
Поэтому для различных скоростей движения ленты стали необходимо формировать интервалы между зонами в 2-10 мм. В частности, в высоко текстурованных сталях они составляют интервал 2-5 мм при крупных кристаллитах 0 15 мм и более, а при мелкокристаллической структуре стали (кристаллиты менее 15 мм) -5-10 мм. В последнем случае в дробление доменов вносит больший вклад более частое распределение межзеренных границ.
Последующие низкотемпературные термомагнитные обработки (ТМО - отжиг и охлаждение ленты в присутствии постоянного или переменного магнитных полей) создают магнитную анизотропию за счет парного упорядочения примесных (Si-Si) атомов [7], снижают объем поперечно намагниченных 90° замыкающих доменов, препятствующих движению полосовых 180° доменных границ. Это усиливает магнитную одноос-ность материала дополнительно к созданной ранее продольной кристаллографической анизотропии. ТМО в переменном магнитном поле высокой частоты дестабилизирует магнитные домены, имеющие в исходном состоянии неизбежные задержки движения границ вследствие локальной перестройки кристаллической структуры, вызванной охлаждением каждого домена в магнитном поле собственной намагниченности (локальная ТМО). Это облегчает движение доменных границ при перемагничивании, увеличивая магнитную проницаемость, снижая коэрцитивную силу и магнитные потери P1>7/50 на 12-15 % при t° нагрева 420440 °С, напряженности магнитного поля 1,8 кА/м и частоте его изменения 30 кГц (табл. 1, строки 1-6).
Отметим, что близкие результаты снижения магнитных потерь можно получить с помощью иной тер-мо-механической обработки - проведением ЛЛО на продольно растягиваемой ленте стали с покрытием. Однако при этом магнитная одноосная анизотропия в ленте за счет направленного упорядочения пар примесных атомов может осуществляться лишь в узких зонах лазерного нагрева (локальная ТМО), что не позволяет получить значительного эффекта снижения магнитных потерь, которое составляет 8-11 % (табл. 1, строки 7-9) [8-9].
Рис. 1. Величина напряжений в стали в зависимости от ширины промежутков между зонами ЛЛО (п = 1)
Таблица 1
Сравнение эффекта ТМО~ и ТмехО в сталях марки 3408, предварительно подвергнутых ЛО
№ Обработки ст, T Н, Магнитные потери Pl 7/50, Вт/кг AP1,7/50, %
п/п Н/мм2 - °С - кА/м Исходные, после ЛО ЛО + ТМО ~ (1-6) ЛО + ТмехО (7-9)
1 0 - >400 - 0 1,03 0,98 5,1
2 0 - 400 - 1,8 1,12 1,04 7,1
3 0 - 420 - 1,8 0,99 0,87 12,1
4 0 - 430 - 1,8 1,05 0,89 15,2
5 0 - 440 - 1,8 1,05 0,92 12,4
6 0 - 460 - 1,8 0,97 0,89 8,2
7 6 - >400 - 0 0,95 0,85 10,9
8 18 - >400 - 0 0,98 0,88 10,4
9 35 - >400 - 0 1,08 0,99 8,4
В результате высокой эффективности предлагаемого комбинированного воздействия основных видов обработки - ЛЛО и ТМО - получаем оптимальную (узкодоменную, легкоподвижную, одноосно ориентированную, без тормозящих поперечно намагниченных областей) продольную доменную структуру. Ее динамика приводит к существенному улучшению магнитных свойств электротехнической стали, в частности, повышение магнитной проницаемости, индукции в заданном поле, снижение магнитных потерь и коэрцитивной силы [10].
К числу очевидных преимуществ низкотемпературного отжига электротехнической стали в магнитном поле, кроме повышения одноосной магнитной анизотропии дополнительно к кристаллографической одноосной ребровой анизотропии, относится и повышенная термоустойчивость эффекта снижения магнитных потерь [11].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Соколов Б.К., Драгошанский Ю.Н. Структурные барьеры и снижение магнитных потерь в анизотропных электротехнических сталях // Физика металлов и металловедение. 1991. № 1. С. 92-102.
2. Драгошанский Ю.Н. Раствор для нанесения электроизоляционных покрытий на сталь и способ его получения // Авторское свидетельство СССР № 1608243. 1990. Бюллетень изобретения № 43.
3. Драгошанский Ю.Н., Шейко Л.М. Влияние плоскостных растяжений на доменную структуру и магнитные свойства кремнистого
железа // Известия АН СССР. Серия физическая. 1985. Т. 49. № 8. С. 1568-1572.
4. Братусева Е.В., Драгошанский Ю.Н., Губернаторов В.В., Соколов Б.К. Размеры доменов и магнитные потери в текстурованных магнитомягких материалах, деформированных путем локального изгиба // Физика металлов и металловедение. 1997. Т. 83. № 3. С. 61-67.
5. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Перспективность применения аморфно-кристаллических покрытий для магнитомягких сплавов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 8. С. 44-48.
6. Nozawa T., Matsuo Y., Kobayashi H., Iwayama K., Takahashi N. Magnetic properties and domain structures in domain refined grain-oriented silicon steel // J. Appl. Phys. 1988. Т. 63. № 8. P. 2966-2970.
7. Горбатов О.И., Кузнецов А.Р., Горностырев Ю.Н. и др. Роль магнетизма в формировании ближнего порядка в сплавах Fe-3%Si // ЖЭТФ. 2011. Т. 139. № 5. С. 969-975.
8. Соколов Б.К., Драгошанский Ю.Н. Структурные барьеры и снижение магнитных потерь в анизотропных электротехнических сталях // Физика металлов и металловедение. 1991. № 1. С. 92-102.
9. Ларин Ю.И., Поляков М.Ю., Поляков В.Н. и др. Способ производства листовой анизотропной электротехнической стали // Патент РФ № 2405841. 2010. Бюллетень изобретения № 34.
10. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Способ изготовления анизотропной электротехнической стали // Патент РФ № 2569260. 2015. Бюллетень изобретения № 32.
11. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой // Патент РФ № 2561866. 2013. Бюллетень изобретения № 35.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по теме «Магнит» № 01201463328.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 621.758; 537.622
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-974-977
MAGNETIC PROPERTIES OF ELECTRICAL STEEL AT EFFICIENCY OF THE DEFORMATION TEXTURE INFLUENCE
© Y.N. Dragoshanskiy, V.I. Pudov
Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, e-mail: [email protected]; [email protected]
An approach based on a combined action of magneto-active coatings, local laser treatment (LLO) and TMT on anisotropic electrical steels is developed. Upon remagnetization of highest grades the employment of such
an approach allows one to reduce the domain width be a factor of 2-3 and magnetic losses by 10-15 % due to a decrease in the eddy current component. It was found that a significant influence of the parameters of laser treatment and TMT on the domain structure and electromagnetic properties of electrical steels. Key words: Fe-3%Si; domain structure; magnetic losses; coating; laser; thermomagnetic processing.
REFERENCES
1. Sokolov B.K., Dragoshanskij Ju.N. Strukturnye bar'ery i snizhenie magnitnyh poter' v anizotropnyh jelektrotehnicheskih staljah. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1991, no. 1, pp. 92-102.
2. Dragoshanskij Ju.N. Rastvor dlja nanesenija jelektroizoljacionnyh pokrytij na stal' i sposob ego poluchenija. Avtorskoe svidetl'stvo SSSRno. 1608243, 1990. Bjulleten' izobretenija no. 43.
3. Dragoshanskij Ju.N., Shejko L.M. Vlijanie ploskostnyh rastjazhenij na domennuju strukturu i magnitnye svojstva kremnistogo zheleza. Izvestija AN SSSR. Serija fizicheskaja, 1985, vol. 49, no. 8, pp. 1568-1572.
4. Bratuseva E.V., Dragoshanskij Ju.N., Gubernatorov V.V., Sokolov B.K. Razmery domenov i magnitnye poteri v teksturovannyh magnitomjagkih materialah, deformirovannyh putem lokal'nogo izgiba. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1997, vol. 83, no. 3, pp. 61-67.
5. Pudov V.I., Dragoshanskij Ju.N. Perspektivnost' primenenija amorfno-kristallicheskih pokrytij dlja magnitomjagkih splavov. Uprochnjajushhie tehnologii i pokrytija, 2013, no. 8, pp. 44-48.
6. Nozawa T., Matsuo Y., Kobayashi H., Iwayama K., Takahashi N. Magnetic properties and domain structures in domain refined grain-oriented silicon steel. J. Appl. Phys, 1988, vol. 63, no. 8, pp. 2966-2970.
7. Gorbatov O.I., Kuznecov A.R., Gornostyrev Ju.N. et al. Rol' magnetizma v formirovanii blizhnego porjadka v splavah Fe-3%Si. Zhurnal eksperimental'noy i teoreticheskoy fiziki - Journal of Experimental and Theoretical Physics, 2011, vol. 139, no. 5, pp. 969-975.
8. Sokolov B.K., Dragoshanskij Ju.N. Strukturnye bar'ery i snizhenie magnitnyh poter' v anizotropnyh jelektrotehnicheskih staljah. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1991, no. 1, pp. 92-102.
9. Larin Ju.I., Poljakov M.Ju., Poljakov V.N. et al. Sposob proizvodstva listovoj anizotropnoj jelektrotehnicheskoj stali. Patent RF no. 2405841, 2010. Bjulleten' izobretenija no. 34.
10. Pudov V.I., Dragoshanskij Ju.N. Sposob izgotovlenija anizotropnoj jelektrotehnicheskoj stali. Patent RF no. 2569260, 2015. Bjulleten' izobretenija no. 32.
11. Pudov V.I., Dragoshanskij Ju.N. Sposob uluchshenija magnitnyh svojstv anizotropnoj jelektrotehnicheskoj stali lazernoj obrabotkoj. Patent RF no. 2561866, 2013. Bjulleten' izobretenija no. 35.
GRATITUDE: The work is made on the theme "Magnet" no. 01201463328.
Received 10 April 2016
Драгошанский Юрий Николаевич, Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Dragoshanskiy Yuriy Nikolaevich, Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Main Research Worker, e-mail: [email protected]
Пудов Владимир Иванович, Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. лабораторией, e-mail: [email protected]аn.ru
Pudov Vladimir Ivanovich, Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Head of Laboratory, e-mail: [email protected]аn.ru
