ТЕКСТУРНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ НАГРЕВЕ РУЛОНОВ В АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

Электротехнические стали - это основной класс магнито-мягких материалов, используемых в энергетическом машиностроении. Их применение в этой области обусловлено высоким уровнем магнитных характеристик и сравнительно низкой стоимостью в сравнении с другими магнито-мягкими материалами.

Анизотропная электротехническая сталь относится ферромагнитному классу магнито-мягких сплавов, применяемых в машинах и приборах, использующих переменные магнитные поля.

Анизотропная электротехническая сталь должна иметь:

1 - узкую петлю гистерезиса;

2 - малую коэрцитивную силу;

3 - высокую магнитную индукцию;

4 - высокую магнитную проницаемость;

5 - низкие потери на гистерезис

6 - низкие потери на вихревые токи.

Затрачиваемая на перемагничивание работа, должна быть минимальной, так как она обуславливает потерю мощности, а, следовательно, снижает КПД машины, что в итоге определяет экономическую эффективность производства в целом. 

Высокие магнитные свойства готовой ЭАС, обеспечиваются наличием в стали совершенной кристаллографической текстуры (110) [001] или (ребровая текстура) и оптимальной текстурой, формирующейся в процессе вторичной рекристаллизации при высокотемпературном отжиге.

Вторичная рекристаллизация в трансформаторной стали – это процесс, имеющий большее количество стадий и реализуемый при точных режимах обработки на специальном оборудовании, и включающий целый ряд структурных и фазовых превращений.

Повышение качества анизотропной электротехнической стали связано с изучением особенностей этих превращений, а также с разработкой нового оборудования и рациональной организацией технологического процесса в общем.

Важным моментов в технологической схеме производства ЭАС является процесс рекристаллизации в агрегате непрерывного отжига (АНО). Это процесс образования и роста новых зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры. Данный процесс проходит в две стадии -  первичная и собирательная рекристаллизация.

Рекристаллизация первичная заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Наиболее вероятно, что новые зерна возникают у границ блоков и зерен, пакетов скольжения внутри зерен, где решетка металла была наиболее сильно искажена при пластической деформации.

Собирательная рекристаллизация – вторая стадия рекристаллизационного процесса заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. Рост зерен объясняется тем, что при наличии большого количества мелких зерен их общая поверхность очень велика. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.

С началом рекристаллизации происходит существенное изменение свойств металла. Увеличивается пластичность, вязкость, теплопроводность и другие свойства, понижающиеся при наклепе. На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. Величина зерен возрастает с увеличением времени выдержки.

Вторичная рекристаллизация, при которой только отдельные зерна оказываются способными расти со значительно большей скоростью, чем другие, т. е. играть роль вторичных центров, тогда как при собирательной рекристаллизации таких зерен нет. В ходе вторичной рекристаллизации структура характеризуется различными размерами зерен (разнозернистость).

Рекристаллизация устраняет структурные дефекты, изменяет размеры зерен и может изменить их кристаллографическую ориентацию (текстуру). С помощью рекристаллизации текстурой можно управлять. Так, в анизотропной электротехнической стали вторичная рекристаллизация сопровождается образованием острой текстуры типа {110} <001>.

В теории текстурообразования решающим является вопрос, почему именно ребровые зерна превращаются в центры роста в ходе собирательной и вторичной рекристаллизации.

Установлено, что важными условиями таких процессов являются:

1. торможение нормального роста многих зерен матрицы, за исключением малого количества зерен аномального роста;
2. то, что α-γ-превращение при отжиге листов исчезает, и это создает хорошие условия для высокотемпературного нагрева, то есть для роста зерен.

Именно зерна {110} <001> в процессе нормального роста получают преимущество в размере к началу вторичной рекристаллизации, только при преодолении ингибирующего действия вторых фаз [3], и становятся центрами аномального роста, в результате которого образуется текстура {110} <001>. Исходя из этого, после окончания первичной рекристаллизации зерна с ребровой текстурой обладают повышенной эффективной подвижностью границ, это помогает им превзойти по размеру зерна с другими ориентировками при нормальном росте перед началом вторичной рекристаллизации.

По результатам исследования роста зерен в кремниевом железе [1] было получено, что зерна с разориентированной матрицей на 33,4±8,4^о растут быстрее, притом среди них зерна с разориентировкой [110].

Таким образом, доказано, что в анизотропной стали, обработанной по данной технологии, ребровая текстура образуется во время вторичной рекристаллизации, из-за окончательного отжига при первичной рекристаллизации и нормального роста в ней будет такая ориентировка, при которой зерна {110} <001> имеют границы с самой высокой эффективной подвижностью.

Из данных [4] матричная текстура обеспечивает развитие вторичной рекристаллизации с образование текстуры {110} <001> при условии, что она должна иметь следующий состав: 35–38 % зерен с ориентировкой {111} <uvw>, 48–50 % {112} <uvw>, 5–7 % {100} <011> и 7–10 % {110} <001>. Исходя из [11] нужно по максимуму уменьшить количество {110} <001>, с которой ребровые зерна имеют малоподвижные границы.

Помимо этого, чтобы развивалась вторичная рекристаллизация нужно добиться текстурной однородности матрицы [2], а не то при аномальном росте выбор ориентировки растущего зерна будет определяться лишь некоторыми компонентами текстурного комплекса [6].

Из выше сказанного следует, что текстура при вторичной рекристаллизации формируется благодаря ориентировки (110) [001] на инкубационном периоде и последующем ее превращении в центры роста, благодаря повышенной подвижности границ, их развития из-за полученного преимущества по росту.

На магнитные свойства готовой стали влияют температурно-временные условия нагрева и выдержки, состав атмосферы отжига. В процессе нагрева при высокотемпературном отжиге происходит вторичная рекристаллизация, при которой и формируются текстура и структура готовой стали.

После окончания вторичной рекристаллизации необходимо удалить фазы–ингибиторы из стали, так как они ухудшают магнитные свойства стали. С этой целью проводится выдержка при температуре 1150 °С в сухом водороде в течение 38 часов. В работе [5] установлено, что при длительном высокотемпературном отжиге в водороде или глубоком вакууме происходит очищение электротехнической стали от вредных примесей (углерода, серы) и газов (водорода, кислорода, азота), коагуляция неметаллических включений, рост зерна, снятие внутренних напряжений и искажений кристаллической решетки, вследствие чего магнитные свойства значительно улучшаются.

Рафинирование стали при высокой температуре происходит путём растворения включений, диффузии примесей к поверхности и удаления их в газовую фазу. Степень очищения от вредных примесей усиливается с повышением температуры отжига и уменьшением толщины листов.

Список литературы:

1. Бородкина М.М. Склонность холоднокатаной трансформаторной стали к вторичной рекристаллизации с образованием текстуры (110) [001] // ИАН СФ. - 1975. – № 7. – С. 1478–1482.
2. Гольдштейн В.Я. Влияние структурного состояния матрицы на развитие и совершенство текстуры (110) [001] при вторичной рекристаллизации в сплаве Fe-3% Si // ИАН СФ. - 1982. – № 4. – С. 675–678.
3. Заверюха А.А. Изменение фаз-ингибиторов в процессе производства электротехнической анизотропной стали // Сталь. - 1995. – № 6. – С. 56–58.
4. Новиков В.Ю. Вторичная рекристаллизация // Металловедение. - М.: Металлургия, 1990. – С. 100-102.
5. Пащенко С.В. Текстурообразование при горячей прокатке кремнистого железа // ФММ. - 1984. – № 1. – С. 63–66.
6. Сегаль В.М. Основные условия совершенной ребровой текстуры при вторичной рекристаллизации в кремнистом железе // ИАН СФ. - 1982. – № 4. – С. 679–683.