УЛУЧШЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНИЗОТРОПНОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ЗА СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТА ТЕРМОМАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомагнитной обработке магнитомягких материалов. Для улучшения магнитных характеристик холоднокатаной рулонной анизотропной электротехнической стали осуществляют высокотемпературный отжиг, выдержку, охлаждение до комнатной температуры и обработку в знакопеременном магнитном поле. При магнитной обработке плоскость ленты отклоняют от направления магнитного поля на угол в интервале от 1 до 10° в направлении движения ленты, при этом частота магнитного поля составляет 0,05-1,0 кГц. Способ позволяет провести обработку в процессе непрерывного движения стальной ленты в технологическом потоке, а угловое отклонение ленты можно задать, установив направляющие ролики в печи для термомагнитной обработки на разной высоте.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для улучшения магнитных характеристик холоднокатаной рулонной анизотропной электротехнической стали (сплав Fe ~3 % (масс.) Si с объемно-центрированной кубической решеткой).

Эти стали относятся к магнитомягким материалам, которые применяются в качестве магнитопроводов генераторов, электромоторов, трансформаторов, реле, магнитных пускателей и другой аппаратуры. Улучшение их магнитных свойств (повышение магнитных проницаемости и индукции, снижение коэрцитивной силы и потерь энергии при перемагничивании) повышает коэффициент полезного действия перечисленного оборудования и позволяет уменьшить его вес и габариты.

Известны различные способы термомагнитной обработки магнитомягких материалов:

1) Способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов, включающий высокотемпературный отжиг в неокисляющей среде, выдержку и охлаждение до комнатной температуры, термомагнитную обработку в знакопеременном магнитном поле. Этот способ позволяет добиться увеличения магнитной проницаемости (начальной и максимальной в 2, 3 и 4 раза, соответственно), уменьшения коэрцитивной силы (на 50 %) и электромагнитных потерь (на 40 %) электротехнической стали [2].

2) Способы термомагнитной обработки магнитомягких материалов, включающие те же операции, конкретизируют режимы термомагнитной обработки (соответственно, продолжительность и температуру).

Перечисленные способы термомагнитной обработки были предложены для изотропного (безтекстурного) материала. Современная электротехническая анизотропная сталь имеет острую текстуру {110}<001>, и термомагнитная обработка для нее по этим способам малоэффективна.

Эффект термомагнитной обработки анизотропных магнитомягких материалов предлагали повысить путем увеличения частоты магнитного поля или введением дополнительной операции перед термомагнитной обработкой - облучения ускоренными ионами инертных газов.

Наиболее близким по физической сути к предлагаемому изобретению является способ термомагнитной обработки анизотропных магнитомягких материалов в виде остротекстурованной ленты электротехнической стали, который включает высокотемпературный отжиг, выдержку, охлаждение до комнатной температуры и термомагнитную обработку в знакопеременном магнитном поле частотой 0,2-1,0 кГц направление которого совпадает с направлением прокатки ленты (продольное направление, рис.1). Этот способ позволил уменьшить магнитные потери (а значит и коэрцитивную силу) анизотропной электротехнической стали лишь на 10-15%.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обработки анизотропных магнитомягких материалов в виде ленты электротехнической стали, включающем высокотемпературный отжиг, выдержку, охлаждение до комнатной температуры и термомагнитную обработку в знакопеременном магнитном поле, согласно изобретению, при термомагнитной обработке ленту отклоняют от направления магнитного поля на угол φ вокруг ее поперечного направления.

При этом:

- угол отклонения φ выбирают в интервале от 1 до 10°;

- частота магнитного поля 0,05-1,0 кГц.

Суть изобретения заключается в следующем. Известно, что в значительной степени положительный эффект термомагнитной обработки в переменном магнитном поле обусловлен переориентацией осей пар ближайших атомов растворенных элементов в сплаве и взаимодействием атомов растворенных элементов с колеблющимися границами магнитных доменов. Магнитное поле стремится переориентировать оси пар ближайших атомов растворенных элементов (в сплаве Fe ~ 3% Si - это, в основном, атомы кремния) так, чтобы угол между осями пар и направлением магнитного поля (вектора напряженности магнитного поля) был минимальным. Это возможно путем перескока атомов кремния из центральных узлов объемно-центрированной кубической решетки в ее вершины. Этот процесс происходит благодаря неизбежному наличию термических вакансий в сплаве. Состояние атомов кремния, когда они находятся в вершинах кубической решетки, является неравновесным. В переменном магнитном поле границы магнитных доменов расчищают свою зону колебания от различного типа неоднородностей (атомов растворенных элементов, примесей и дефектов кристаллического строения), благодаря магнитоупругому взаимодействию с ними. При этом формируются более «чистые» зоны. Неоднородности скапливаются в местах крайнего положения доменных границ, образуя узкие «грязные» зоны, вытянутые вдоль направления магнитного поля и чередующиеся с «чистыми» зонами. Наличие «чистых» областей повышает магнитную проницаемость, снижает коэрцитивную силу и магнитные потери за счет дестабилизации магнитной доменной структуры.

В изотропном поликристаллическом сплаве Fe ~ 3% Si оси пар ближайших атомов кремния расположены хаотично относительно прилагаемого магнитного поля, а в анизотропном сплаве с текстурой (110) [001] - вдоль магнитного поля. Поэтому эффекты термомагнитной обработки будут отличаться: в первом случае он будет существенно выше, так как процессу «перемещения - расчищения» будет подвержена большая часть атомов кремния. В анизотропном материале их положение вдоль поля стабильно [1, с. 677]. Нарушить это равновесие можно отклонив [001] от направления магнитного поля. В реальности это можно осуществить, отклонив плоскость ленты (плоскость (110)) вокруг ее поперечного направления [110] от направления магнитного поля. В результате будет запущен механизм «перемещения-расчищения» и эффект термомагнитной обработки увеличится.

Рисунок 1. Обозначение направлений в ленте холоднокатаной рулонной анизотропной электротехнической стали: НП - направление прокатки, направление движения ленты, продольное направление, [001]; ПН - поперечное направление, [110]; (110) - плоскость ленты, плоскость прокатки

Рисунок 2. Схема расположения ленты электротехнической стали в печи при термомагнитной обработке по предложенному способу

Способ осуществляли на широко используемом магнитомягком сплаве Fe - 3% Si. Из готовой стальной ленты толщиной 0,5 мм был вырезан крупный монокристалл (110) [001]. Он был прокатан на 70% вдоль [001] до толщины 0,15 мм и отожжен при 770°C в течение 20 мин. В результате в тонкой пластине получили зерно 0,02 мм и острую текстуру {110}<001>. Пластину разрезали на образцы размером 0,15×5×100 мм, вытянутые вдоль [001]. Такой метод изготовления образцов позволил получить строго идентичные образцы (из одного монокристалла, с одновременной обработкой) и свести возможный разброс экспериментальных данных к минимуму. Термомагнитную обработку проводили при 500°C в течение 15 мин с охлаждением в знакопеременном магнитном поле промышленной частоты и амплитудой 10 кА/м. Причем направление поля совпадало с направлением [001] текстурованных образцов (φ=0), либо было отклонено от него на φ=±8°. На образцах, обработанных по первому варианту, был реализован известный способ термомагнитной обработки. После термомагнитной обработки определяли коэрцитивную силу образцов Н_с по петлям магнитного гистерезиса.

В таблице приведено изменение Н_с сплава Fe - 3 мас.% Si при разных вариантах термомагнитной обработки. Выигрыш в уменьшении Нс по предложенному способу в 2-3 раза больше по сравнению с известным.

Таблица 1.

 Влияние способов обработки на Н_с сплава Fe - 3 масс. % Si

Следует отметить, что термомагнитной обработке по предложенному способу можно подвергать и крупнозернистые остротекстурованные магнитомягкие материалы.

Предложенный способ термомагнитной обработки магнитомягких материалов очень технологичен: позволяет проведение обработки в процессе непрерывного движения стальной ленты 1 в технологическом потоке; угловое отклонение φ ленты можно задать, установив направляющие ролики 2 в печи 3 для термомагнитной обработки на разной высоте (рис. 2).

Список литературы:

1. 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.
2. Патент РФ №2009129819/02 03.08.2009.
3. Ларин Ю.И., Поляков М.Ю., Поляков В.Н. Шишов А.Ю., Крысанов С.А., Черненилов Б.М. Спозоб производства листовой анизотропной электротехнической стали // Патент России №2405841, 2010.