CC BY
30
УДК 621.758; 537.622
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-776-779
ПЕРСПЕКТИВЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ Ре-3%81 СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОГО И СКРАЙБИРОВАННОГО ВОЗДЕЙСТВИЙ
© В.И. Пудов, Ю.Н. Драгошанский
Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, e-mail: pudov@imp.urаn.ru; drago@imp.uran.ru
Исследована эффективность деформационных воздействий - локально лазерного и скрайбирования при модифицировании структуры Fe-3%Si сплавов. Показано, что основным физическим механизмом снижения вихрето-ковых и полных магнитных потерь при сохранении величины магнитной индукции является формирование узких доменов обратной намагниченности вблизи зон локальной деформации. Эффект снижения магнитных потерь при ЛЛО составляет 12-16 %, превышая эффект скрайбирования стали. Ключевые слова: Fe-3%Si сплавы; доменная структура; магнитные потери; лазер; скрайбирование.
Анизотропные электротехнические холоднокатаные стали (АЭС) производят с острой ребровой кристаллографической текстурой (110)[001], ось легкого намагничивания [001] которой ориентирована вдоль направления прокатки. Это обеспечивает в этом направлении высокую магнитную индукцию в материале: В800 = 1,90-2,02 Тл (в поле 800 А/м). Однако такие стали имеют крупные зерна, кристаллографическая плоскость (110) которых отклонена от поверхности ленты на малые углы р = 1^3° [1-3]. В результате этого снижаются магнитные поля рассеяния над лентой и средняя ширина полосовых 180° доменов, проходящих в соседние зерна, возрастает до ~1 мм (рис. 1).
Такая магнитная структура приводит к увеличению средней скорости смещения доменных границ при пе-ремагничивании, а следовательно, к возрастанию, пропорциональных квадрату этой скорости, вихретоковых магнитных потерь (Рв). Их доля в высоко текстурован-ных сталях увеличивается до 80 % от полных магнитных потерь (Р).
"Г
Рис. 1. Доменная структура в зернах (1) с р = 0 и (2) с р = 1°. 2 - ширина полосового 180° домена; 3 и 4 - каплевидные и клиновидные замыкающие домены обратной намагниченности. ^ направление намагниченности доменов. Увеличение х35
Дальнейшие значимые результаты можно получить при реализации перспективных решений, направленных на управление непосредственно видом, размерами и динамикой магнитных доменов в сталях. Для этого в одноосно текстурованных материалах следует использовать деформационно-текстурующие воздействия. Они позволяют изменять объемы и дестабилизацию магнитных фаз, ориентацию и размеры отдельных доменов, создавать дополнительные зародыши перемаг-ничивания и обеспечивать увеличение числа активных доменных границ и их однородное движение при пере-магничивании.
К настоящему времени разработан ряд методов формирования упорядоченных деформационных зон, создающих в высоко текстурованном материале локальные магнитные поля рассеяния и множество измельченных полосовых 180 доменов. Это и создание субструктурных прослоек путем локальных изгибов ленты стали [4], и ионно-лучевая обработка [5], и бесконтактная локальная лазерная обработка (ЛЛО) [3; 611], и механическое скрайбирование [12-14].
Отметим, что в ряде работ, например [11], получено малое снижение магнитных потерь 4-5 % в АЭС. Это связано с тем, что не полно выявлены физические механизмы влияния предлагаемых воздействий на домены и свойства стали, а также отсутствуют наблюдения поведения доменов при обработках стали [7-8]. Выявляя оптимальные параметры облучения, часто не учитывают характеристики самого облучаемого материала - степень совершенства кристаллографической текстуры, размер зерен, толщину ленты, состояние ее поверхности, сложную форму элементов магнитопро-вода [11]. Однако эти характеристики образцов стали и изделий из них требуют индивидуального подхода при выборе оптимальных режимов их обработки.
В данной работе исследована эффективность влияния ЛЛО и скрайбирования на доменную структуру и величину магнитных потерь лент крупнозернистой стали Fe-3%Si марок 3407-3409 (ГОСТ 21427.1-83), толщиной 0,15-0,50 мм с целью улучшения их магнит-
ных свойств. Исследуемые ленты стали прошли полный заводской цикл изготовления и имели магнитоак-тивное (растягивающее металл) электроизоляционное покрытие на основе нитрида титана с коэффициентом теплового расширения (КТР) в 2 раза меньшим КТР стали (КТР = 1310-6 град-1) [15].
Далее применяли скоростную ЛЛО. Следы лазера с промежутками 5 мм наносили одномоментно поперек оси магнитной текстуры на всю ширину движущейся ленты при мощности не более 2 Дж/с [6; 16]. Часть образцов подвергали механическому скрайбированию, с полосами деформации глубиной 0,05-0,10 мм поперек оси текстуры с промежутками в 5 мм.
На рис. 2 представлена магнитная доменная структура стали (тип А, Б) после ЛЛО - узкая зона лазерного воздействия показана справа на рис. 2. Сравнение с рис. 1 показывает, что в результате ЛЛО уменьшается в 2 раза ширина основных доменов и объем каплевидных 90° замыкающих, содержащих внутриобъемные домены поперечной намагниченности. Клиновидные замыкающие домены становятся источником динамических зародышей перемагничивания и, наряду с дроблением основных полосовых доменов, приводят к уменьшению скоростей смещения доменных границ, а следовательно и вихретоковых потерь энергии, величина которых пропорциональна квадрату этой скорости, а также полных магнитных потерь АР17/50 (на 12-16 %, табл. 1) при перемагничивании.
0.5
1.5
2.5
Рис. 2. Доменная структура сплава Ре-3%81 после ЛЛО. Увеличение х40. Структура основных полосовых 180° доменов (1) типа А, переходящая в комплексы треугольных замыкающих доменов (2) поперечной намагниченности (структура типа Б) в деформированной лазером зоне с полосами скольжения (3) на поверхности типа (110) кристалла Бе-3%81, замыкающие каплевидные и клиновидные домены (4), границы (5) 180° доменов (1), ^ - направление намагниченности доменов [001]
Таблица 1
Сравнение эффекта в сталях марки 3407, подвергнутых ЛЛО и скрайбированию
Магнитные потери, Вт/кг
Покрытие Свойство и их изменение, %
При состояниях
исх. ЛЛО скрайб.
Обычное Р1,7/50, Вт/кг 1,18 0,97 1,04
Мg-P-B АР, % - 16 12
■:-2
|-6
■и
£
о
5-1С з
-и
Л. ПН
гго'пгри1
Интенсивность оолучешм КДж/О!1
Рис. 3. Зависимость магнитных потерь Р1,7/50 и индукции В1 (в поле 100 А/м) в стали марки 3407 от мощности ЛЛО
Рис. 4. Цепочки замыкающих доменов типа А (1) и (2) на растянутых боковых участках продольно и поперечно расположенных линий скрайбирования на участке поверхности кубической ориентации (100) сплава Бе-3%81; 3 - клиновидные домены обратной намагниченности, замыкающие магнитный поток призматических доменов, вблизи деформированных скрайбированием участков зерна. Направление намагниченности доменов (1) вдоль [001] внутри основного домена с намагниченностью вдоль [010]
Примечание: толщина 0,27 мм.
Рис. 5. Комплексы замыкающих доменов типа Б (2) вблизи продольно ориентированной линии скрайбирования (1) на ее растянутых боковых участках. Направление намагниченности доменов (2) вдоль [010], [100] внутри основного домена с намагниченностью вдоль [001] на участке поверхности диагональной ориентации (110)
Однако создание узких полосовых 180° доменов ЛЛО сопровождается искажениями доменной структуры, возникающими непосредственно в зоне облучения и вблизи ее (рис. 2, справа), что снижает эффект уменьшения магнитных потерь, а также значение магнитной индукции В100 (рис. 3). Кроме того, ЛЛО вызывает нежелательный изгиб ленты, который можно компенсировать при двусторонней обработке ленты лазером [15].
Скрайбирование стали также приводит к зарождению новых продольно намагниченных полосовых 180° доменов вблизи поперечно (рис. 4) и продольно (рис. 5)
ориентированных зон механического воздействия и комплексов замыкающих доменов с иным - поперечным направлением намагниченности вблизи этих зон. При этом роль линий скрайбирования, как источника измельчения доменов, сохраняется и после отжигов, необходимых для снятия краевого наклепа. Однако этот способ менее эффективен (табл. 1), труднее поддается автоматизации в процессе изготовления материала и практически не применяется в заводских условиях, хотя в научных лабораториях продолжается его изучение и совершенствование [14].
Итак, показано, что основной вклад в измельчение доменов и снижение АР вносят локальные поля рассеяния, вызывающие появление доменов обратной намагниченности, прорастающих между близко расположенными зонами деформации (на расстояниях меньших размеров зерен). Основа достижения минимальных магнитных потерь - создание в материале множество зародышей перемагничивания, при незначительных искажениях доменной структуры. Установлены условия оптимизации ЛЛО с учетом геометрических и структурных параметров материала.
Возможность скоростного бесконтактного нанесения зон деформации лазером в настоящее время делает этот способ наиболее перспективным в сравнении со скрайбированием ленты стали.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Драгошанский Ю.Н., Есина Н.К., Зайкова В.А. Влияние совершенства кристаллографической текстуры (110)[001] на величину электромагнитных потерь в трансформаторной стали // ФММ. 1978. T. 45. № 4. С. 723-728.
2. Nozawa T., YamamotoT., Matsuo Y., Ohya Y. Relationship between total losses under tensile stress in 3%Si-Fe single crystals and their orientations near (110)[001] // IEEE Trans. 1978. Т. 14. № 4. P. 252.
3. Takahashi N., Ushigami Y., Yabumoto M., Suga Y. et al. Production of very low core loss grain-oriented silicon steel // IEEE Trans. Magn. 1986. Т. 22. № 5. P. 490-495.
4. Co-колов Б.К., Губернаторов В.В., Зайкова В.А., Драгошанский Ю.Н. Влияние характера распределения субструктуры на электромагнитные потери трансформаторной стали // ФММ. 1977. Т. 44. № 3. С. 517-522.
5. Драгошанский Ю.Н., Губернаторов В.В., Соколов Б.К., Овчинников В.В. Структурная неоднородность и магнитные свойства маг-нитомягких материалов // Доклады РАН. Серия Техническая физика. 2002. Т. 383. № 6. С. 761-763.
6. Coкoлoв Б.К., Драгошанский Ю.Н. Структурные барьеры и снижение магнитных потерь в анизотропных электротехнических сталях // ФММ. 1991. № 1. С. 92-102.
7. Буханова И. Ф., Дивинский В.В., Журавель В.М. Лазерная обработка пластин магнитопроводов силовых трансформаторов // Электротехника. 2004. № 1 (04). С. 39-42.
8. Сакаи Т., ХамамураХ., Хамада Н. Текстурованный лист из стали с высокими электрическими характеристиками и способ его изготовления. Патент РФ № 2301839. 2007.
9. Драгошанский Ю.Н., Соколов Б.К, Пудов В.И. и др. Улучшение магнитных свойств анизотропных магнитомягких материалов лазерной обработкой и контроль ее эффективности // Доклады РАН. Серия физическая. 2003. Т. 391. № 1. С. 44-46.
10. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой // Патент РФ № 2561866. 2013. Бюл. изобр. № 35.
11. Каюков С.В., Зайчиков Е.Г. и др. Оптимизация режимов лазерной обработки анизотропной электротехнической стали // Известия Саратовского НЦ РАН. 2003. Т. 5. № 1. С. 66-73.
12. Sato T., Kuroki K., Tanaka O. Approaches to the lowest core loss in grain-oriented 3%Si-Fe steel with high permeability // IEEE Trans. Magn. 1978. Т. 14. № 5. P. 350-352.
13. Nozawa T., Matsuo Y., Kobayashi H., Iwayama K. et al. Magnetic properties and domain structures in domain refined grain-oriented silicon steel // J. Appl. Phys. 1988. Т. 63. № 8. P. 2966-2970.
14. Sato K., Ishida M., Hina E. Heat-proof domain-refined grain-oriented electrical steel // Kawasaki steel technical report. 1998. № 39. P. 21.
15. Драгошанский Ю.Н., Каренина Л.С. и др. Возникновени напряжений в электротехнической анизотропной стали в процессе ее лазерной обработки // ФММ. 2011. Т. 112. № 2. С. 140-145.
16. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Способ изготовления анизотропной электротехнической стали // Патент РФ № 2569260. 2015. Бюл. изобр. № 32.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по теме «Магнит», № 01201463328.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 621.758; 537.622
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-776-779
PROSPECTS FOR MODIFICATION OF THE STRUCTURE OF Fe-3%Si ALLOYS UNDER LASER AND SCRATCHING ACTION
© V.I. Pudov, Y.N. Dragoshanskiy
Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, e-mail: drago@imp.uran.ru; pudov@imp.uran.ru
Study the effectiveness of deformation actions - locally of laser and scribing at modification structure of Fe-3%Si alloys. It has been shown that the basic physical mechanism for reducing eddy current and total magnetic losses at preservation of magnetic induction is the formation of narrow domains of reverse the magnetization near the local deformation zones. The effect of reducing the magnetic losses at the LLO is 12-16 % higher than the effect of scribing steel.
Key words: Fe-3%Si; domain structure; magnetic losses; coating; laser; scratching.
REFERENCES
1. Dragoshanskiy Yu.N., Esina N.K., Zaykova V.A. Vliyanie sovershenstva kristallograficheskoy tekstury (110)[001] na velichinu elek-tromagnitnykh poter' v transformatornoy stali. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1978, vol. 45, no. 4, pp. 723-728.
2. Nozawa T., YamamotoT., Matsuo Y., Ohya Y. Relationship between total losses under tensile stress in 3%Si-Fe single crystals and their orientations near (110)[001]. IEEE Trans. 1978, vol. 14, no. 4, pp. 252.
3. Takahashi N., Ushigami Y., Yabumoto M., Suga Y. et al. Production of very low core loss grain-oriented silicon steel. IEEE Trans. Magn., 1986, vol. 22, no. 5, pp. 490-495.
4. Cokolov B.K., Gubernatorov V.V., Zaykova V.A., Dragoshanskiy Yu.N. Vliyanie kharaktera raspredeleniya substruktury na elektromagnitnye poteri transformatornoy stali. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1977, vol. 44, no. 3, pp. 517-522.
5. Dragoshanskiy Yu.N., Gubernatorov V.V., Sokolov B.K., Ovchinnikov V.V. Strukturnaya neodnorodnost' i magnitnye svoystva magni-tomyagkikh materialov. Doklady RAN. Seriya Tekhnicheskaya fizika, 2002, vol. 383, no. 6, pp. 761-763.
6. Cokolov B.K., Dragoshanskiy Yu.N. Strukturnye bar'ery i snizhenie magnitnykh poter' v anizotropnykh elektrotekhnicheskikh stalyakh.
Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1991, no. 1, pp. 92-102.
7. Bukhanova I.F., Divinskiy V.V., Zhuravel' V.M. Lazernaya obrabotka plastin magnitoprovodov silovykh transformatorov. Elektrotekh-nika - Russian Electrical Engineering, 2004, no. 1 (04), pp. 39-42.
8. Sakai T., Khamamura Kh., Khamada N. Teksturovannyy list iz stali s vysokimi elektricheskimi kharakteristikami i sposob ego izgotovle-niya. Patent RF no. 2301839, 2007.
9. Dragoshanskiy Yu.N., Sokolov B.K., Pudov V.I. et al. Uluchshenie magnitnykh svoystv anizotropnykh magnitomyagkikh materialov lazernoy obrabotkoy i kontrol' ee effektivnosti. Doklady RAN. Seriya fizicheskaya, 2003, vol. 391, no. 1, pp. 44-46.
10. Pudov V.I., Dragoshanskiy Yu.N. Sposob uluchshenija magnitnyh svojstv anizotropnoj jelektrotehnicheskoj stali lazernoj obrabotkoj. Patent RF no. 2561866, 2013. Bjulleten' izobretenija no. 35.
11. Kayukov S.V., Zaychikov E.G. et al. Optimizatsiya rezhimov lazernoy obrabotki anizotropnoy elektrotekhnicheskoy stali. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk — Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, 2003, vol. 5, no. 1, pp. 66-73.
12. Sato T., Kuroki K., Tanaka O. Approaches to the lowest core loss in grain-oriented 3%Si-Fe steel with high permeability. IEEE Trans. Magn., 1978, vol. 14, no. 5, pp. 350-352.
13. Nozawa T., Matsuo Y., Kobayashi H., Iwayama K. et al. Magnetic properties and domain structures in domain refined grain-oriented silicon steel. J. Appl. Phys, 1988, vol. 63, no. 8, pp. 2966-2970.
14. Sato K., Ishida M., Hina E. Heat-proof domain-refined grain-oriented electrical steel. Kawasaki steel technical report, 1998, no. 39, p. 21.
15. Dragoshanskiy Yu.N., Karenina L.S. et al. Vozniknoveni napryazheniy v elektrotekhnicheskoy anizotropnoy stali v protsesse ee lazernoy obrabotki. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 2011, vol. 112, no. 2, pp. 140-145.
16. Pudov V.I., Dragoshanskiy Yu.N. Sposob izgotovlenija anizotropnoj jelektrotehnicheskoj stali. Patent RF no. 2569260, 2015. Bjulleten' izobretenija no. 32.
GRATITUDE: The work is fulfilled on theme "Magnet" no. 01201463328. Received 10 April 2016
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: ри11оу@1тр.игап.ги
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: pudov@imp.urаn.ru
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: dra-go@imp.uran.ru
Dragoshanskiy Yuriy Nikolaevich, Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Рrofessor, Main Research Worker, e-mail: drago@imp.uran.ru
