Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 3. Новые пути получения высококачественной анизотропной электротехнической стали

Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 3. Новые пути получения высококачественной анизотропной электротехнической стали

В.В. Губернаторов, Л.Р. Владимиров, Т.С. Сычева, B.C. Матвеева, Ю.Н. Драгошанский, А.И. Пятыгин1

Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 620219, Россия 1 ООО «ВИЗ - Сталь», Екатеринбург, 620028, Россия

Рассмотрены возможности и предложены способы получения анизотропной электротехнической стали (сплав Fe - 3 мас. % Si) с оптимальными кристаллографической текстурой и размером кристаллитов (зерен). Разработано устройство, позволяющее осуществить предложенные способы получения стали.

1. Введение

К анизотропной электротехнической стали, которую широко используют в магнитопроводах электрических машин, аппаратов и трансформаторов, предъявляют следующие основные требования: высокая магнитная проницаемость, минимальные магнитные потери при пере-магничивании, высокая магнитная индукция. Эти требования выполняются при наличии в стали острой ребровой текстуры {110}(001), которая образуется при высокотемпературном отжиге в процессе вторичной рекристаллизации.

В [1, 2] показано, что для получения минимальных магнитных потерь в анизотропной электротехнической стали необходима не идеальная ребровая, а некоторая оптимальная текстура, а именно: а (средний угол отклонения проекций осей кристаллитов (001) на поверхность листа от направления прокатки вокруг нормали к плоскости листа) приближался бы к нулю, а в (средний угол отклонения этих же проекций от плоскости листа вокруг поперечного направления (110)) составлял бы

1-3°. Это объясняют существенно меньшей шириной полосовых магнитных доменов в кристаллитах с в = 13° по сравнению с идеальными, где в = 0 (при этом во всех кристаллитах а ~ 0). Кроме того, в кристаллитах с в = 1-3 ° присутствуют каплевидные магнитные домены, служащие зародышами магнитных доменов с противоположным направлением вектора намагниченности.

При перемагничивании такая доменная структура обеспечивает значительное (на 35 %) уменьшение потерь и более чувствительна к одноосным растягивающим напряжениям (рис. 1). Все это побуждает вести активный поиск новых промышленных способов производства анизотропной электротехнической стали с текстурой {110}± в (001) ± а; где в = 1-3°, а ~ 0.

В настоящее время известны два способа регулирования угла в [3, 4].

В первом способе в задается переориентировкой искусственно введенных зародышей (центров) вторичной рекристаллизации в гофрированную кромку ленты (рис. 2) [3]. Центры вводят локальной деформацией первично рекристаллизованного металла конечной толщины. Высокотемпературный отжиг осуществляют в градиентном температурном поле, которое перемещают вдоль ширины ленты, начиная с гофрированной на угол в = ±3° кромки. При высокотемпературном отжиге в локально деформированных местах возникают венчики первично рекристаллизованных зерен, некоторые из этих зерен становятся центрами вторичной рекристаллизации и растут в мелкозернистую матрицу. В результате конкурентного роста между зернами венчика остаются лишь зерна, имеющие близкую к идеальной {110} ориентировку. При прорастании из гофрированной части ленты в плоскую эти зерна сохраняют свою первоначальную ориентировку, и в плоской части

© Губернаторов В.В., Владимиров Л.Р., Агаева T.C., Матвеева В.С, Драгошанский Ю.Н., Пятыгин А.И., 2003

Ри/50, Вт/КГ

- V /

/ /2

t \ /

\ #/ 1 1 1 1 1 1 №

0 2 4 6 (3°

Рис. 1. Влияние угла в и растягивающих напряжений о на величину магнитных потерь в анизотропной электротехнической стали: о = 0

ленты она будет отклоненной от {110} на в = 3°. При росте зерен в плоской части ленты есть вероятность того, что зерна с в ~ 0 при конкурентном росте будут вытеснять зерна с в = 3°. Чтобы это исключить, рост зерен ограничивают текстурными барьерами, которые создают прокаткой в зубчатых валках, проводимой перед холодной прокаткой стали на конечную толщину [5]. Последовательность основных технологических операций получения анизотропной электротехнической стали для этого способа следующая: горячая прокатка

НП

Полка гофра

Б-Б

іг' ' " Ш

Рис. 2. Получение анизотропной электротехнической стали с заданными размером зерен и углом в; схема: НП — направление прокатки; ТБ — текстурные барьеры; ГЗ — границы зерен; ЛД — локальная деформация

на ленту толщиной 2.5 мм ^ первая холодная прокатка до 0.62 мм ^ отжиг для обезуглероживания и первичной рекристаллизации (850 °С, 5 мин) ^ локальная деформация прокаткой ленты в зубчатых валках для создания текстурных барьеров, ограничивающих рост зерен вторичной рекристаллизации ^ вторая холодная прокатка до 0.3 мм ^ гофрирование кромки ленты ^ отжиг для первичной рекристаллизации ^ локальная деформация на полках гофров (см. рис. 2) для формирования центров вторичной рекристаллизации ^ высокотемпературный отжиг в перемещающемся поле температурного градиента (динамический градиентный отжиг) ^ выпрямляющий отжиг.

Второй способ связан со снятием рулонной кривизны [4]. При высокотемпературном отжиге анизотропной электротехнической стали в рулонах зерна вторичной рекристаллизации при росте в искривленной ленте свою ориентировку не меняют (рис. 3, а). При выпрямляющем отжиге в результате разворота в крупных зернах угол в плавно изменяется от центра их роста к периферии (рис. 3, б).

Однако ни один из рассмотренных способов не реализован в промышленности. Это обусловлено тем, что, во-первых, до сих пор не совсем ясно, как получить ребровую текстуру с углом а ~ 0 и как управлять размером зерен вторичной рекристаллизации с идеальной ориентировкой по углу а. Во-вторых, нет стандартного оборудования для создания локальной деформации, а предложенное недолговечно (зубчатые валки быстро выходят из строя).

В [6] найдено, что анизотропную электротехническую сталь с острой ребровой текстурой можно получить за счет центров вторичной рекристаллизации с ориентировкой, близкой к идеальной {110}001^, создаваемых локальной осадкой перед холодной прокаткой на конечную толщину. В данной работе исследована возможность использования этого результата для производства

Рис. 3. Ориентировка кристаллитов в рулоне (а) и в ленте после снятия рулонной кривизны (б): D — диаметр рулона; 2г — размер зерна; ВР — вторичная рекристаллизация

анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой, в которой в = 1-3° и а ~ 0, и заданным размером зерна.

2. Результаты исследования и их обсуждение

2.1. Управление количеством переходных полос в продольном сечении ленты при прокатке

Переходные полосы внутри прокатанных моно- и поликристаллов сплава Fe - 3 % Si примечательны тем, что именно их гофрированные участки служат источниками центров первичной рекристаллизации с ориентировкой {110}(001) [6]. Поэтому регулирование количества полос деформации и, следовательно, разделяющих их переходных полос по толщине прокатываемой анизотропной электротехнической стали является важной практической задачей.

Количество и размер полос деформации задаются знакопеременными напряжениями, возникающими при

Таблица 1

Образование полос деформации в монокристалле (110)[001] сплава Бе - 3 % Б1, прокатанном на 60 % в валках 0 = 45 мм при разных условиях

Исходная толщина кристалла, мм Число проходов Количество

Полосы деформации Переходные полосы

0.45 1 4 3

250 1 0

0.30 1 3 2

0.05 1 1 0

Рис. 4. Изменение распределения элементарных обжатий дН по длине очага деформации I для валков разного диаметра (01, 0 2) при различных степенях обжатия ДН (А/ > А/ > ДН3): 1, 2 — для валков 01 и 0 2 соответственно

гофрировании горизонтальных и вертикальных слоев металла в начале очага деформации. При этом, чем больше и острее максимум на кривой распределения мгновенных элементарных обжатий &Н по длине очага деформации I, тем тоньше слой и больше вероятность его гофрирования (из-за потери устойчивости нагружаемой стержневой системы) [7]. Вероятность гофрирования слоя зависит также от отношения его длины к толщине: чем больше это отношение, тем больше вероятность гофрирования слоя. По-видимому, есть пороговое соотношение, ниже которого слой гофрироваться не будет.

На рис. 4 видно, что при всех прочих равных условиях, чем больше диаметр прокатных валков, тем меньше максимум на кривой распределения &Н по I и тем сильнее он «размыт». При одном и том же диаметре валков, чем больше обжатие за проход, тем больше и острее максимум. Итак, чтобы получать в объеме металла полосы деформации и переходные полосы, нужно прокатать его в валках малого диаметра с большими обжатиями за проход, причем исходная толщина металла должна быть больше некоторой критической величины. Это подтверждается экспериментом, результаты которого приведены в таблице 1.

Управлять количеством переходных полос на практике не представляется возможным, так как на заводах, изготавливающих анизотропную электротехническую сталь, невозможно радикальное изменение технологии и оборудования. Поэтому более перспективным является повышение остроты ребровой текстуры путем создания центров вторичной рекристаллизации, близких по ориентировке к идеальной {110^00^, с помощью локальной осадки.

2.2. Магнитная доменная структура и магнитные потери в кристаллитах {110}001} после снятия рулонной кривизны при выпрямляющем отжиге

Поверхностная доменная структура в выпрямленном кристаллите радиусом г (здесь и далее под г понимают наибольшее удаление межкристаллитной границы от центра роста кристаллита вдоль направления прокат-

Рис. 5. Изменение магнитной доменной структуры при плавном увеличении угла в от простой полосовой

ки) изменяется от простой полосовой до очень сложной типа «кружево» (рис. 5). Первая наблюдается в начале роста кристаллита при в = 0, вторая — на периферии кристаллита при в = 3°. Магнитные потери в выпрямленном кристалле, в котором угол в изменяется от 0 до 3°, на 15 % меньше, чем в кристалле, у которого угол в постоянен и равен нулю.

В общем случае потери в выпрямленных кристаллитах будут минимальными при выполнении следующих требований: объемов с в = 0-1 ° должно быть меньше, а с в =1-3° — больше; в кристаллитах не должно быть объемов с в > 3°.

Из простых геометрических соображений следует, что г/в = ^/360, где D — диаметр рулона. При в < 3° г < 0.025D. Таким образом, повышение качества анизотропной электротехнической стали может быть достигнуто регулированием размеров зерен вторичной рекристаллизации вдоль направления прокатки в зависимости от диаметра отжигаемого рулона. Эта задача также решается внесением необходимого количества центров вторичной рекристаллизации локальной осадкой.

2.3. Новые пути получения анизотропной электротехнической стали с оптимальными структурой и текстурой

Сущность новых путей управления структурой и текстурой анизотропной электротехнической стали состоит в том, что в рассмотренных во введении двух способах используют локальную осадку в заданных местах и в необходимом количестве для создания центров вторичной рекристаллизации с ориентировкой, близкой к идеальной {110^001).

Так, в первом способе локальную осадку (например, вдавливание шариков) на кромке ленты проводят перед холодной прокаткой стали на конечную толщину с таким расчетом, чтобы после прокатки и гофрирования кромки на каждой полке гофра был один след от вдавливания шарика. Применение локальной осадки не только повышает остроту ребровой текстуры по углу а, но и значительно упрощает способ получения стали с требуемой текстурой. Локальная осадка совмещается с созданием текстурных барьеров, отпадает необходимость в отжиге ленты конечной толщины для первичной рекристаллизации и исключается локальная деформация полок гофров. Последовательность технологических операций в модифицированном способе будет таковой: горячая прокатка до толщины 2.5 мм ^ первая холодная прокатка до 0.62 мм ^ отжиг для обезуглероживания и первичной рекристаллизации ^ создание текстурных барьеров и локальная осадка на кромке ленты ^ вторая холодная прокатка до 0.3 мм ^ гофрирование кромки ленты ^ высокотемпературный динамический градиентный отжиг ^ выпрямляющий отжиг.

Во втором способе, чтобы в полной мере и надежно использовать рулонную кривизну, размер зерна вторич-

Рис. 6. Получение анизотропной электротехнической стали с оптимальными формой и размером зерна вторичной рекристаллизации, схема: а, б — расположение участков локальной деформации до и после второй холодной прокатки; в — структура ленты после высокотемпературного и выпрямляющего отжигов; ЦВР — центр вторичной рекристаллизации; ГЗ — границы зерен; НП — направление прокатки; ПН — поперечное направление

ной рекристаллизации в зависимости от диаметра рулона регулируют чередованием разных видов локальной деформации (ЛД1 и ЛД 2 нарис. 6, а). Локальное деформирование производили перед холодной прокаткой на конечную толщину с шагом А, который после второй холодной прокатки до 0.3 мм (на 50 %, рис. 6, б) и высокотемпературного и выпрямляющего отжигов (рис. 6, в) обеспечил бы такой размер зерна 2г вдоль направления прокатки, чтобы угол в в нем не превышал 3°. Например, при D = 100 см по полученной формуле г < 2.5 см, значит А < 1.25 см. Шаг к между ЛД1 (рис. 6, а), располагающимися по всей ширине ленты, выбирается так, чтобы после высокотемпературного отжига зерна столкнулись в поперечном направлении без образования паразитных зерен. Так как зерно из центра вторичной рекристаллизации в различных направлениях растет одинаково, то его размеры в продольном и поперечном направлениях будут совпадать. Отсюда следует, что к = 2г < 4А. Глубина вдавливания при локальной деформации ЛД1 и ЛД2 Н < Н0 - Нк; где Н0 и

Рис. 7. Валковый узел для локальной деформации ленты; схема: 1 — опорный валок; 2 — рабочие шарики; 3 — рабочие валки; 4 — сепаратор; 5 — лента; 6 — гладкий валок; h — глубина вдавливания при локальной деформации

Нк — толщина ленты до и после второй холодной прокатки (рис. 7).

2.4. Устройство для локальной деформации

На рис. 7 приведена принципиальная схема устройства для локальной деформации металлических материалов. Оно похоже на полупланетарный стан и представляет собой клеть прокатного стана дуо с нижним гладким валком и верхним планетарным комплектом валков и шариков. Однако устройство имеет существенное отличие от планетарных станов, значительно упрощающее его конструкцию. Во-первых, рабочие валки и шарики располагаются в специальных пазах опорного валка и удерживаются в них сепаратором, поэтому не нужен привод сепаратора, а достаточно делать приводными лишь опорный и гладкий валки. Во-вторых, отсутствуют валки, принудительно подающие образец в зону обжатия, так как достаточно синхронизировать скорость движения ленты и окружную скорость опорного и гладкого валков. Устройство позволяет с достаточной точностью получать необходимое взаимное расположение различных участков локальной деформации, требующееся для осуществления второго предложенного способа получения анизотропной электротехнической стали. Лабораторные испытания показали, что устройство обладает высокой производительностью, надежностью и долговечностью, просто и дешево в изготовлении, хорошо вписывется в непрерывный технологический цикл производства анизотропной электротехнической стали.

3. Заключение

Обнаруженное явление гофрирования слоев металла в очаге деформации при прокатке и его влияние на структуро- и текстурообразование при деформации и рекристаллизации позволили предложить новые способы получения анизотропной электротехнической ста-

ли с более высоким уровнем магнитных свойств. Улучшение свойств стали, полученной предложенными способами, достигается оптимизацией ее структуры и текстуры за счет создания центров вторичной рекристаллизации нужной ориентировки.

Разработано устройство, позволяющее просто и надежно вносить центры вторичной рекристаллизации в заданных местах и в необходимом количестве, а также задавать расположение текстурных барьеров. Оно может быть легко изготовлено и использовано при внедрении в практику новых способов производства анизотропной электротехнической стали.

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (гранты №№ 02-02-16443, 03-

02-16185) и Правительством Свердловской области.

Литература

1. Драгошанский Ю.Н., Зайкова В.А., Хан Е.Б. и др. Зависимость электромагнитных потерь в монокристаллах кремнистого железа от крис-

таллографической ориентации их поверхности // ФММ. - 1972. -Т. 34. - Вып. 5.- С. 987-994.

2. ДрагошанскийЮ.Н., ЕсинаН.К., ЗайковаВ.А. Влияние совершенст-

ва кристаллографической текстуры (110)[001] на величину электромагнитных потерь в трансформаторной стали // ФММ. - 1978. -Т. 45. - Вып. 4. - С. 723-728.

3. Губернаторов В.В., Кетов С.П., Соколов Б.К., Сыгчева Т.С., Пятыг-гинА.И Опробование нового способа регулирования текстуры в электротехнической анизотропной стали // Сталь. - 2003. - № 1.-С. 90-93.

4. Iwayama K., Taguchi S., KurokiK., Wada T. Relation between orientation

and core loss in grain-oriented 3 % silicon steel with high permeability // J. Magn. and Magn. Mater. - 1982. - V. 26. - P. 37-39.

5. Губернаторов В.В., Титоров Д.Б., Соколов Б.К. Текстурные барьеры

роста зерен // ФММ. - 1978. - Т. 45. - Вып. 1. - С. 216-218.

6. Губернаторов В.В., Сыгчева Т.С., Владимиров Л.Р., Матвеева В.С., Пятыггин А.И., Мельников М.Б. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 2. Сплавы кубической сингонии // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 6. - С. 95-99.

7. Губернаторов В.В., Владимиров Л.Р., Сыгчева Т.С., Долгих Д.В. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 1. Геометрическая модель пластического течения структурно-однородных сред при прокатке // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - N° 5. - С. 97-101.

The corrugation phenomenon and formation of strained and recrystallized structure and texture in metallic materials. Part III. New methods of producing high-quality anisotropic electrical steel

V.V. Gubernatorov, L.R. Vladimirov, T.S. Sycheva, V.S. Matveeva, Yu.N. Dragoshanskii, and A.I. Pyatygin1

Institute of Metal Physics, UB RAS, Ekaterinburg, 620219, Russia 1 VIZ - Stal Ltd., Ekaterinburg, 620028, Russia

The paper reports on possibilities and methods of producing anisotropic electrical steel (Fe - 3 mass % Si alloy) with an optimal crystallographic texture and crystallite (grain) size. A device has been designed to apply the proposed methods of steel production.