СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ
METHOD OF PERFECTING MAGNETIC PROPERTIES OF ANISOTROPIC ELECTRIC STEEL BY LASER PROCESSING

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к области обработки листов анизотропной электротехнической стали Fe-3%Si, применяемой для изготовления трансформаторных магнитопроводов, и их последующего модифицирования магнитоактивным покрытием в условиях внешнего лазерного воздействия для улучшения физико-механических свойств стали, в том числе повышения температурной стабильности магнитных свойств и магнитной проницаемости, а также уменьшения магнитных потерь по сравнению с необработанными листами стали.
в
При производстве современных анизотропных электротехнических сталей, с повышением степени совершенства их кристаллографической текстуры, увеличилась их магнитная проницаемость и индукция. При этом стали формироваться крупные зерна и над поверхностью листов стали, уменьшились магнитные поля рассеяния. Это привело к резкому росту размеров полосовых 180-градусных магнитных доменов с кристаллографической текстурой (110)[001], в результате чего увеличились скорости смещения их границ при перемагничивании, а следовательно, возросли магнитные потери (вихретоковая составляющая Р до 85% от полных потерь энергии на перемагничивание).
Одно из перспективных решений данной проблемы связано с созданием, путем лазерного воздействия, в крупнозернистой анизотропной трансформаторной стали структурных барьеров - узкие полосовые участки, отличающиеся по структуре от основного материала химическим составам, текстурой, выделению второй фазы и т.д.
Известен способ улучшения магнитных свойств крупнозернистых текстурированных ферромагнитных сплавов за счет измельчения зерна, путем равномерного нанесения поверхностных полос, преимущественно поперек оси текстуры, с помощью локальной лазерной обработки, и воздействия знакопеременного магнитного поля промышленной частоты 50-60 Гц. В результате, например, было обеспечено снижение магнитных потерь в материале на 8-12%.
Однако этот способ обеспечивает незначительное изменение свойств. Он требует для реализации дополнительные устройства точного управления мощностью лазерного излучения. Другие недостатки способа связаны с уменьшением массы ферромагнитного материала и снижением его прочности [Заявка Японии, №61-49366, C21D 9/46, 1986].
2
2
-6
-2
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ улучшения магнитных свойств листов анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой. Листы подвергнутые конечному отжигу для вторичной рекристаллизации и снабженные обычным конечным изоляционным покрытием, подвергают обработке лазером непрерывного излучения, например, на основе CO, имеющим длину волны 10,46 мкм, путем непрерывного сканирования листа в поперечном направлении относительно направления его движения. Причем, поперечные размеры лазерного луча составляют 1-60 мм, лазерную удельную энергию излучения регулируют, соответственно, в диапазонах 0,1-25 мДж/мм, без повреждения стеклянного пленочного изоляционного покрытия, время выдержки - 1·10-1·10 с, а расстояние между двумя последовательными дорожками лазерного луча на стальном листе составляет 2-12 мм [БАН Габор (IT), АЧЧАЙ СПЕЧИАЛИ ТЕРНИ С.П.А. (IT). Патент РФ №2238340, C21D 8/12, C21D 1/09, 20.10.2004].
Однако для изготовления магнитопроводов листы стали разрезают на отдельные элементы, которые отжигают для снятия краевого наклепа. Уже при температурах 600-650°С положительный эффект от лазерной обработки снижается в 2 раза, а при 800-850°С он исчезает. При этом этот способ не обеспечивает повышение термостабильности магнитных свойств зон лазерной обработки и устойчивости кристаллической макроструктуры.
В основу изобретения положена задача повышение эффективности изготовления листовой анизотропной трансформаторной стали разных марок, за счет применения новых способов и технологий их обработки, обеспечивающих максимальные показатели улучшения физико-механических свойств, в том числе к длительной устойчивости при эксплуатационных воздействиях.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали Fe-3% Si лазерной обработкой, в котором стальные листы толщиной 0,05-0,50 мм, подвергнутые отжигу для вторичной рекристаллизации и имеющие изоляционные конечные покрытия, обрабатывают лазером непрерывного излучения путем сканирования движущегося листа в поперечном направлении относительно направления его движения согласно изобретению, для повышение термостабильности магнитных свойств зон лазерной обработки и устойчивости кристаллической макроструктуры в зонах лазерной обработки стальных листов дополнительно насаждают локальные дефекты а для повышения прочности в этих зонах формируют пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более ¼ толщины листа стали; причем, в качестве основы дефектов применяют слабомагнитные вещества, имеющие намагниченность насыщения 200-500 Гс, которые или насыпают на поверхность стальных листов, или наносят магнитоактивным покрытием или дополнительно насыпают на покрытие; в заключительной стадии обработки осуществляют низкотемпературный отпуск в диапазоне 500-550°С. В качестве слабомагнитного порошкообразного вещества применяют мелкодисперсные ингибиторы сульфид марганца, оксид цинка или медь, алюминий, а в качестве магнитоактивного покрытия применяют Mg-P с повышенным содержанием бора в 2-3 раза, нитрид титана или двуокись кремния; для обработки листов стали толщиной 0,23-0,50 мм применяют лазер с длиной волны 10,46 мкм, формирующий узкие зоны, при оптимальных промежутках, в интервале 4-14 мм, а для тонколистовой стали 0,05-0,20 мм - с длинной волны λ=1-2 мкм и межзонными промежутками 2-8 мм.
Физическая сущность способа заключается в следующем.
Поскольку в процессе изготовления магнитопроводов, обработанные листы трансформаторной стали подвергают резке на отдельные элементы или на узкую ленту, а затем отжигают их для снятия краевого наклепа, то в ранее предлагаемых способах лазерной обработки стали, ее эффект снижается при температурах 600-650°С в 2 раза, а при 800-850°С полностью исчезает. Причиной этого является полная релаксация сжимающих напряжений в зонах лазерной обработки и вызванных ими нарушений однородной намагниченности с их магнитными полями рассеяния. Поэтому восстановление однородного распределения намагниченности в материале, происходящее в результате отжига, сопровождается и восстановлением его исходной широкодоменной магнитной структуры, существовавшей до лазерной обработки, а следовательно, возвращают к исходному высокому уровню магнитных потерь.
В предлагаемом способе, введение лазерным воздействием примесных дефектов, сформированных из слабомагнитных веществ, в пластически деформируемые зоны обработки, сохраняет устойчивость деформированного состояния макроструктуры и активные магнитные поля рассеяния в них в условиях достижения более высоких температур 600-750°С, несмотря на проходящую релаксацию напряжений, от лазерной обработки.
Причем, реализуемая технологическая операция одновременно повышает и прочность материала в этих зонах, локальным поверхностным сжатием, что необходимо особенно для тонколистовых материалов.
Данный эффект примесной термостабильности связан с тем, что примесные дефекты, имеют намагниченность значительно меньшую, чем намагниченность самого сплава, а также и разницу в коэффициентах их теплового расширения. В этом случае, они формируют в зонах лазерной обработки локальные напряжения, разориентирование магнитных моментов атомов и этим повышают магнитные поля рассеяния. В результате, чего создаются условия для повышения температурной устойчивости зон локальной лазерной обработки, то есть их сохранения до более высоких температур отжига, необходимого в технологическом процессе снятия краевого наклепа элементов магнитопровода, сохраняя эффективность лазерной обработки.
Применение комплексного подхода в решении задач повышение эффективности изготовления листовой анизотропной трансформаторной стали в последовательности достижения результатов: лазерная обработка для снижения магнитных потерь, а также повышение термостабильности магнитных свойств и устойчивости кристаллической макроструктуры в зонах лазерной обработки стальных листов, путем дополнительного насаждения локальные дефекты, и одновременное повышение прочности в этих зонах, путем формирования пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более ¼ толщины листа стали, существенно повышает его физико-механические свойства и значительно превышает суммарный результат, достигаемый на отдельных этапах обработки.
Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки листовой анизотропной трансформаторной стали, позволяет, получать сталь с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Данный эффект достигается за счет применения новых технологий и режимов обработки материала, и не требует больших технических затрат.
Пример осуществления способа.
С целью улучшения магнитных свойств листов, толщиной 0,05-0,50 мм, анизотропной крупнозернистой электротехнической стали Fe-3% S предварительно подвергнутые отжигу для вторичной рекристаллизации и имеющие изоляционные конечные покрытия, обрабатывают лазером непрерывного излучения путем сканирования движущегося листа в поперечном направлении относительно направления его движения, а для повышения термостабильности магнитных свойств и устойчивости кристаллической макроструктуры в зонах лазерной обработки стальных листов, дополнительно насаждают локальные дефекты, одновременно для повышения прочности в этих зонах формируют пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более % толщины листа стали. Причем, в качестве основы дефектов применяют слабомагнитные вещества, имеющие намагниченность насыщения 200-500 Гс, которые или насыпают на поверхность стальных листов, или наносят магнитоактивным покрытием, или дополнительно насыпают на покрытие. При этом в качестве слабомагнитного порошкообразного вещества применяют ингибиторы, например, сульфид марганца, оксид цинка, оксид алюминия, медь, и т.д., а в качестве магнитоактивного покрытия применяют Mg-P с повышенным содержанием бора в 2-3 раза, нитрид титана или двуокись кремния. В заключительной стадии обработки осуществляют низкотемпературный отпуск в диапазоне 500-550°С. Причем для обработки листов стали толщиной 0,23-0,50 мм применяют лазер с длиной волны 10,46 мкм, формирующий узкие зоны, при оптимальных промежутках, в интервале 4-14 мм, а для тонколистовой стали 0,05-0,20 мм - с длинной волны λ=1-2 мкм и межзонными промежутками 2-8 мм.
800
Способ опробован на образцах, листовой анизотропной трансформаторной стали, марки 3407 (B=1,89 Тл, толщина 0,27 мм). В таблице представлены магнитные потери и их изменение после ЛЛО и последующего отжига при различных температурах.
Покрытие Mg-P-B в зоне ЛЛО
Свойство
Магнитные потери (Вт/кг) и их изменение (%)
При состояниях
При температурах отжига (°С)
Исх.
ЛЛО
500
600
700
800
Обычное
P<sub>1,7/50</sub>, ВТ/КГ
1,18
1,01
1,00
1,04
1,10
1,14
Изменение, %
-
14,5
15,5
12
7
3
Термо-усиленное
P<sub>1,7/50</sub>, Вт/КГ
1,18
0,97
0,95
0,99
1,01
1,03
Изменение, %
-
16
18
14,5
13
11
Из таблицы видно, предлагаемый способ ЛЛО стали при ее последующем отжиге с температурой 600°С сохраняет почти полную величину эффекта, создаваемую обычной ЛЛО (14,5%), а при температуре 800°C, при которой эффект обычной ЛЛО практически исчезает, новый способ обработки сохраняет 2/3 величины эффекта снижения магнитных потерь (11%).
Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки листовой анизотропной трансформаторной стали, позволяет, получать сталь с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Существенное увеличение качества анизотропной трансформаторной стали, при относительно малых технических и энергетических затратах на ее обработку, характеризует данный способ как перспективный для широкого внедрения на производстве, что позволит развивать электротехнические устройства на новом качественном уровне.