СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ
METHOD OF MANUFACTURING OF ANISOTROPIC ELECTRICAL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к области обработки листовой анизотропной электротехнической стали Fe-3% Si, применяемой для изготовления трансформаторных магнитопроводов, эксплуатируемых в переменных магнитных полях и модифицируемых магнитоактивным покрытием в условиях внешнего термомагнитного и лазерного воздействий для улучшения физико-механических свойств, в том числе уменьшения магнитных потерь при их перемагничивании.
Производство анизотропной электротехнической стали составляет в год более миллиона тонн. Однако современное развитие энергетического, электротехнического и электронного оборудования требует применения сталей с более совершенными электромагнитными свойствами, в то время как в выпускаемых сталях 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, изготовление листов с оптимальными толщинами, соответствующими 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 доменами и свойствами электротехнических материалов являются комплексные деформационно-текстурующие воздействия, направленные на оптимизацию магнитной доменной структуры. Ее можно осуществлять путем дестабилизации магнитной доменной структуры, изменения соотношения объемов магнитных фаз, размеров доменов, созданием дополнительных зародышей перемагничивания и т.д.
Известен способ улучшения физико-механических свойств изделий, изготовленных из инструментальной стали марки Р6М5К5, в частности концевых фрез диаметром 38 мм, путем их термомагнитной обработки.
в
в
в
Образцы, первично подвергнутые стандартной термической обработке, закалка 1230°C в масле, отпуск 3-х кратный 550°C, 1 ч [Марочник сталей и сплавов. Под. ред. Сорокина В.Г. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.], помещали в магнитное поле соленоида. Параметры режимов термомагнитной обработки варьировали по температуре в диапазоне от 500 до 700°C, по времени (τ) от 15 минут до 4-х часов в постоянном магнитном поле напряженностью Н~50-80 кА/м. Затем образцы медленно охлаждали со скоростью 3-5°C/мин до комнатной температуры в рабочем объеме установки. В результате при нахождении оптимального режима термомагнитной обработки, определяемого параметрами: Т=560°C, τ=1 ч, Н~70 кА/м, обеспечено увеличение относительной износостойкости образцов в 2 раза [Пудов В.И., Соболев А.С. Оптимизация физико-механических свойств поликристаллических многокомпонентных ферромагнитных материалов термомагнитной обработкой. Часть 2. Термомагнитная обработка легированных сталей. Физика и химия обработки материалов, 2004, №5, с. 94-97].
Однако в этом случае способ обеспечивает повышение физико-механических свойств изделий, изготовленных из стали Р6М5К5, только в результате нахождения оптимальных параметров термомагнитной обработки, а следовательно, требует проведения большого объема экспериментальных работ.
Известен также способ улучшения физико-механических свойств нестандартных изделий, изготовленных из инструментальной стали марки Р6М5, в частности продольных резцов, путем их термомагнитной обработки.
в
в
в
Продольные резцы в виде пластин толщиной 5 мм с размерами верхнего квадрата 15×15 мм и нижнего квадрата 10×10 мм, первоначально подвергнутые стандартной термообработке [ГОСТ 19265-73. Сталь инструментальная быстрорежущая], были обработаны в постоянном магнитном поле при определенной температуре и времени выдержки (τ) с последующим медленным охлаждением со скоростью 3-5°C/мин до комнатной температуры. В результате при нахождении оптимального режима термомагнитной обработки, определяемого параметрами: Т=550°C, τ=45 мин, Н~65 кА/м, обеспечено увеличение относительной износостойкости данных изделий, изготовленных из стали Р6М5 ~ в 1,5 раза [Пудов В.И., Соболев А.С., Драгошанский Ю.Н. Модифицирование быстрорежущей стали термомагнитной обработкой. Упрочняющие технологии и покрытия, 2006, №.6, с. 28-30].
Однако и в этом случае воздействие термомагнитной обработки, обеспечивающее повышение физико-механических свойств изделий, изготовленных в виде продольных резцов из стали Р6М5, может приводить к значимым результатам только в условиях нахождения оптимальных параметров термомагнитной обработки для каждого типа обрабатываемых изделий и для разных марок стали. Такие исследования требует проведения большого объема экспериментальных работ, хотя и улучшают механические свойства.
Известен способ улучшения магнитных свойств крупнозернистых текстурованных электротехнических сталей за счет измельчения зерна путем равномерного нанесения поверхностных линий, преимущественно поперек оси текстуры, с помощью локальной лазерной обработки и воздействия знакопеременного магнитного поля промышленной частоты 50-60 Гц. В результате было обеспечено снижение магнитных потерь в материале на 8-12%,
Однако такой способ обеспечивает для сталей с углом отклонения направления прокатки [001] от плоскости листа β>2° незначительное изменение свойств. С другой стороны, при обработке тонколистовой стали способ требует для реализации дополнительные устройства точного управления мощностью лазерного излучения, поскольку неточная регулировка мощности лазерного излучения может приводить к уменьшению массы ферромагнитного материала в зоне воздействия и снижению его прочностных свойств [Заявка Японии, №61-49366, C21D 9/46, 1986].
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ производства листовой анизотропной электротехнической стали, включающий горячую прокатку и по крайней мере одну холодную прокатку, обезуглероживающий и рекристаллизационный отжиг, выпрямляющий отжиг нанесение защитного покрытия и лазерную обработку движущейся ленты, находящейся под растягивающим напряжением (RU 2405841 C1, C21D 8/12,10.12.2010, описание) [1].
Однако предлагаемая технология обработки листовой анизотропной электротехнической стали позволяет за счет лазерной обработки, проведенной в условиях постоянно регулируемого растяжения ленты, получить незначительное снижение магнитных потерь на 5-11%, причем не для всех марок сталей. Этот недостаток связан с тем, что в узких зонах лазерного воздействия возникают сжимающие напряжения, а по всему объему межзонных промежутков - растягивающие напряжения в ленте, поэтому дополнительное регулирование ее растяжения вносит лишь незначительную добавку в одноосную магнитную анизотропию материала. Кроме этого, использование излучения в виде отдельных лазерных пятен с размерами не более 25 мм может нарушать перпендикулярность протяженных зон лазерного воздействия относительно оси обрабатываемой ленты стали, особенно при большой ширине ленты. Это приведет к снижению магнитных полей рассеяния, а следовательно, к снижению эффекта лазерной обработки. Более того, расположение лазерных пятен их большим размером в направлении прокатки полосы, как это указано в формуле прототипа, создаст неоднородность, скачки в движении доменных границ и, следовательно, увеличит их среднюю скорость, вихревые токи и магнитные потери.
Задача, на решение которой направлено новое техническое решение, - снижение магнитных потерь холоднокатаных полос разных марок анизотропной электротехнической стали при сохранении высокого уровня магнитной индукции и сопротивления электроизоляционного покрытия. При этом за счет применения новых способов и технологий их обработки, обеспечивающих максимальные показатели улучшения физико-механических свойств, достигается повышение марочности электротехнической стали и получение дополнительной прибыли от ее реализации, длительная устойчивость свойств материала при эксплуатационных воздействиях, экономия массы расходуемого металла и электроэнергии при перемагничивании магнитопроводов.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления анизотропной электротехнической стали, преимущественно в виде ленты, который включает горячую прокатку и, по крайней мере, одну холодную прокатку, обезуглероживающий и рекристаллизующий отжиг, выпрямляющий отжиг, комплексное воздействие электроизоляционного покрытия и высокоэнергетической лазерной обработки движущейся ленты, находящейся под растягивающим напряжением, согласно предлагаемому изобретению для улучшения магнитных свойств полосовой стали ее поверхности покрывают магнитоактивным электроизоляционным покрытием на основе нитридно-оксидных составов с коэффициентом термического расширения, меньшим, чем у стали, путем ионно-плазменного осаждения с выдержкой 10-5 мин при температуре 20-50°C и подвергают дополнительному отжигу в окислительной среде в режиме высокочастотной термомагнитной обработки путем нагрева до температуры 300-600°C со скоростью 30-50°C/мин в переменном магнитном поле напряженностью 1-5 кА/м, частотой 30-100 кГц, направленном вдоль оси прокатки ленты, осуществляют изотермическую обработку в течение 20-5 минут и охлаждение до комнатной температуры в переменном магнитном поле со скоростью 50-200°C/мин. Причем при обработке стали применяют скоростную поверхностную обработку лазером с длиной пятна в направлении прокатки 0,2 мм, наносимым с помощью цилиндрической оптики одномоментно в виде линии на всю ширину движущейся ленты, частота нанесения лазерных зон составляет приблизительно 2:1 относительно скорости движения ленты, измеряемой в см/сек, для тонколистовой стали 0,15-0,23 мм мощность излучения составляет не более 1 Дж/сек, а для стали толщиной 0,27-0,50 мм - не более 2 Дж/сек.
Физическая сущность способа заключается в следующем.
В предлагаемом способе изготовления электротехнической стали первые операции - деформация ее ленты прокаткой и последующие отжиги формируют ребровую (110) [001] кристаллографическую текстуру. При этом увеличивается магнитная индукция вдоль ленты (направления легкого намагничивания [001]) и уменьшаются намагничивающие поля для ее достижения. Возникающее при этом нежелательное увеличение размеров полосовых 180-градусных доменов, скоростей движения их границ при перемагничивании и, как следствие этого, рост магнитных потерь компенсируем приложением к ленте необходимых растягивающих напряжений в процессе ее выпрямляющего отжига в оптимальном режиме с учетом конкретных толщин лент в отличие от применяемого в прототипе выпрямляющего отжига после операции нанесения покрытия, что может приводить к ослаблению его адгезии к металлу. Кроме того, дальнейшего сужения доменов достигаем формированием уже на выпрямленной ленте магнитоактивного (растягивающего металл) электроизоляционного покрытия на основе нитридно-оксидных составов. Это покрытие состоит из неорганического материала с коэффициентом теплового расширения, меньшим, чем КТР стали. При его охлаждении до комнатной температуры в получаемом двухслойном материале металл-покрытие не только создает высокоэффективную электроизоляцию между отдельными элементами в многослойном магнитопроводе, но также обеспечивает плоскостное растяжение металла с преобладанием продольного растяжения. Это уменьшает объем поперечно намагниченных доменов, сужает продольные полосовые 180-градусные 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, чем при обычном формировании покрытия методом растворной керамики, хотя и этот метод дает хорошие результаты.
Создаваемые при таких операциях растягивающие напряжения уже не требуют проведения дополнительных регулируемых операций, как в процессе лазерной обработки по прототипу.
Последующая низкотемпературная термомагнитная обработка (ТМО-отжиг и охлаждение ленты в присутствии переменного магнитного поля) снижает объем поперечно намагниченных 90-градусных замыкающих доменов, препятствующих движению полосовых 180-градусных доменных границ. Это усиливает магнитную одноосность материала дополнительно к созданной ранее продольной кристаллографической анизотропии. А также 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. Дестабилизация доменов переменным магнитным полем, не позволяя возникать локальному закреплению доменных границ, облегчает их движение при перемагничивании, то есть увеличивает магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и магнитные потери.
2
Применение уже локальной лазерной обработки позволяет создавать в ленте узкие зоны тепловой деформации (с помощью CO-лазера с λ=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 (ориентированного строго поперек оси ленты), преобразованного с помощью цилиндрической оптики в прямую линию. Такой вид лазерного воздействия обеспечивает резкий нагрев локальной зоны поверхности с максимальным градиентом температур и глубокий прогрев. Непрерывность зоны лазерного воздействия 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 лазерного воздействия на всю ширину ленты позволяет располагать эти зоны строго поперек направления прокатки, используя на 100% ориентационный фактор воздействия, а также обеспечить в рамках настоящего изобретения высокопроизводительную (до ~70 м/мин) обработку ленты стали без оплавления металла или разрушения покрытия.
Причем для различных скоростей движения ленты стали формируют интервалы между зонами в 2-10 мм. Этот интервал между зонами деформации является наиболее эффективным, так как меньший 2-х мм вызывает нежелательное увеличение объема искаженной деформированной части материала и рост гистерезисной составляющей потерь, а больший 10 мм - малый эффект дробления полосовых доменов и слабое снижение вихретоковой составляющей магнитных потерь. То есть оптимальной является средняя величина интервала ~ 5 мм (достаточное дробление полосовых доменов и допустимое увеличение деформированного объема кристалла). Эта величина интервала в 5 мм достигается при любой реальной скорости движения ленты, если каждому ее перемещению на 1 см будет соответствовать нанесение 2-х зон лазером, то есть частота нанесения лазерных зон составляет 2:1 относительно скорости движения ленты, измеряемой в см/сек. В частности, в высокотекстурованных магнитомягких материалах интервал составляет 2-5 мм при крупных кристаллитах диаметром 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 в поликристаллическом материале.
Применение данного комплексного подхода в решении задачи повышения эффективности изготовления ленты анизотропной трансформаторной стали заключается в последовательности выполнения основных технических операций: нанесение магнитоактивного электроизоляционного покрытия на основе нитридно-оксидных составов, уменьшающего объем поперечно намагниченных доменов, путем плоскостного растяжения металла с преобладанием продольного растяжения в материале с ребровой текстурой; термомагнитная и локально-лазерная обработка путем формирования дополнительной магнитной анизотропии за счет выстраивания пар примесных атомов Si-Si вдоль продольной оси ленты и сужения полосовых 180-градусных доменов за счет введения зон тепловой деформации поперек оси ленты, что снижает скорости движения доменных границ при перемагничивании; существенно повышает ее физико-механические свойства и значительно превышает суммарный результат, достигаемый на отдельных этапах обработки.
Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки лент анизотропной трансформаторной стали позволяет получать сталь с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Данный эффект достигается за счет применения новых комплексных технологий и режимов обработки материала и не требует больших технических затрат.
Следовательно, новый технический результат заключается в улучшении физико-механических свойств лент разных марок анизотропной электротехнической стали при сохранении высокого уровня магнитной индукции, электросопротивления покрытия и снижении магнитных потерь.
Пример осуществления способа
С целью улучшения физико-механических свойств ленту толщиной 0,05-0,50 мм анизотропной крупнозернистой электротехнической стали Fe-3%Si предварительно подвергают горячей прокатке и, по крайней мере, одной холодной прокатке, обезуглероживающему и рекристаллизационному отжигам, выпрямляющему отжигу, находящуюся в условиях движения ленту, далее подвергают комплексному воздействию магнитоактивного электроизоляционного покрытия, термомагнитной и лазерной обработкам.
Для повышения магнитной одноосности ленты стали и выпрямления ее подвергают в условиях выпрямляющего отжига одноосному растягивающему напряжению, ориентированному вдоль ее продольной оси.
При этом поверхности ленты покрывают магнитоактивным электроизоляционным покрытием на основе нитридно-оксидных составов с коэффициентом термического расширения, меньшим, чем у стали, путем ионно-плазменного осаждения с выдержкой 10-5 мин при температуре 20-50°C и подвергают дополнительному отжигу в окислительной среде. Для получения плавного перемагничивания стали создают пологую петлю гистерезиса в режиме высокочастотной термомагнитной обработки путем нагрева до температуры 300-600°C со скоростью 30-50°C/мин в переменном магнитном поле напряженностью 2-5 кА/м, частотой 30-100 кГц, направленном вдоль оси прокатки ленты, осуществляют изотермическую обработку в течение 20-5 минут и охлаждение до комнатной температуры в переменном магнитном поле со скоростью 50-200°C/мин. Причем при обработке ленточной стали применяют скоростную поверхностную обработку лазером с длиной пятна 0,2 мм в направлении прокатки, наносимого одномоментно на всю ширину движущейся ленты, при этом частота нанесения лазерных зон составляет 2:1 относительно скорости движения ленты, измеряемой в см/сек, для тонколистовой стали 0,15-0,23 мм, мощность излучения не превышает 1 Дж/сек, а при толщине 0,27-0,50 мм - 2 Дж/сек, которых достаточно для перестройки магнитной доменной структуры на всю толщину ленты стали.
1,7/50
Результаты применения предлагаемого способа комбинированной обработки лент электротехнической стали толщиной 0,27 мм марок 3408-3409 приведены в таблице 1. Они показывают успешное решение поставленной задачи - снижение магнитных потерь P при сохранении высокого уровня магнитной индукции (исходный и конечный уровень индукции одинаков и в поле 800 А/м составляет 1,91 Тл). Как видно из таблицы, магнитные потери в анизотропной электротехнической стали снижаются на 12-15% при оптимальных режимах предлагаемого способа обработки (в частности, при температуре ТМО 420-440°C). Представленные в таблице 1 результаты также показывают повышенную эффективность предлагаемого нового способа по сравнению с известным способом, выбранным за прототип.
Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки ленты анизотропной трансформаторной стали позволяет получать сталь с высоким уровнем магнитных 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.