Способ изготовления анизотропной электротехнической стали

(505 С 2 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН льского аторов, нжина и 21 О НИЗО СТАЛ иит плав ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт физики металлов Ураотделения АН СССР72) Ю,Н, Драгошанский, В.В. ГубернБ.К. Соколов, В.В. Шулика, Т.А, ХаВ,К, Чистяков(56) Авторское свидетельство СССРМ 652230, кл. С 21 О 1/78, 1977.Заявка Японии М 61-49366, ки,9/46, 1986.(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРОП НОЙ ЭЛ ЕКТРОТЕХН ИЧ Е СКОЙ(57) Использование: при изготовленстурованных лент магнитомягких Изобретение относится к металлургии иэлектротехнике, в частности,к способам изготовления лентиз магнитомягких сплавов на основе железа, в том числе электротехни- .ческих сталей, используемых для магнито. проводов радиоэлектронных иэлектротехнических устройств в переменных магнитных полях при различных частотах перемагничивания, что требует от материала высокой магнитной индукции и малых магнитных потерь,.Известен способ обработки магнитомягких материалов в знакопеременном магнитном поле, в котором с целью улучшения магнитных свойств термомагнитную обработку в знакопеременном поле проводят в течение 1 - 3 мин при 400 - 500 С с после- . дующей закалкой,для магнитопроводов устроиств электро- и радиотехники. Сущность изобретения: после высокотемпературного рекристаллизационного отжига проводят локаЛьную обработку поверхности лазером преимуще-. ственно поперек направлений прокатки с шириной отпечатка 0,1 - 1 мм и расстоянием между отпечатками 1 - 10 мм в магнитном поле напряженностью 8 - 20 кА 7 м (100 - 250 Э), ориентированном параллельно оси текстуры. После лазерного облучения наносят на ленту магнитоактивное фосфорсодержащее электроизоляционное покрытие при 520 - 460 С и выдержке 20 - 60 с в окислительной среде с последующим охлаждением до комнатной температуры, 3 з,п, ф-лы, 3 табл,У Недостатками данного способа являются значительное время выдержки при повышеннойй темп.ературе, искл ючаю щее возможность изготовления ленты материала при ее непрерывном движении по технологическим переделам, а также малая величина улучшения магнитных свойств вдоль оси текстуры в текстурованных материалах, в частности недостаточное снижение магнитных потерь, которое в этом случае составляет лишь 2 - 3.Величина магнитной проницаемости, магнитной индукции в средних магнитных полях, легкость перемагничивания в холоднокатаных анизотропныхэлектротехнических сталях тем выше, чем выше совершенство текстуры и меньше ее рассеяние. Однако в современной промышлен30 35 40 45 50 55 ной технологии повышение остроты кристаллографической текстуры связано с включением в процесс рекристаллизации только ограниченного числа кристаллических зародышей, лишь наиболее близких к ориентации (110) 001). Поэтому рост степени совершенства текстуры материала.сопровождается нежелательным увеличением размеров кристаллитов и ростом магнитных потерь, В таких крупнозернистых текстурованных материалах снижение потерь энергии достигают созданием искусственных локальных магнитоструктурных барьеров.Известен способ, в котором с целью снижения магнитных потерь в стали на поверхность текстурованной ленты преимущественно поперек оси текстуры наносят канавки с расстояниями между ними, меньшими размера кристаллического зерна,Недостатками этого способа являются уменьшение массы ферромагнетика и его прочности, особенно опасное в случае тонкой ферромагнитной ленты, а также неоднородность магнитного потока по ее длине, приводящая к существенному снижению магнитной индукции в средних магнитных полях.Более технологичным по исполнению и менее повреждающим материал является способ улучшения его магнитных свойств за счет введения преимущественно поперек оси текстуры локальных структурных барьеров с помощью лазерного облучения,Одновременное воздействие на сталь лазерного облучения и знакопеременного магнитного поля промышленной частоты (50 - 60 Гц) приводит, с одной стороны, к уменьшению размеров магнитных доменов и скоростей движения основных доменных границ при перемагничивании, а следовательно, к снижению вихретоковой составляющей магнитных потерь, с другой стороны, - к дестабилизации положения доменных границ и увеличению их подвижности в переменном поле, что снижает коэрцитивную силу и гистерезисную составляющую магнитных потерь, увеличивает магнитную прон ицаемоСть и индукцию в средних магнитных полях,Такая высокая эффективность предлагаемого воздействия связана прежде всего с изменением магнитоструктурного состояния кристаллитов в локальных зонах лазерного облучения, ориентированных преимущественно .поперек оси текстуры ферромагнитной ленты и разделенных промежутками, меньшими размеров кристаллов, В этих участках под воздействием теплового удара - быстрого нагрева и резкого охлаждения (закалки) стали - возникают неоднородные внутренние напряжения и формируется при охлаждении в моменты перехода материала через точку Кюри мелкоразмерная (180- и 90-градусная магнит ная доменная структура с наибольшей втекстурованном материале плотностью замыкающих доменов, обладающих поперечной ориентацией намагниченности,. Именно поэтому деформированнье эоны 10 лазерного воздействия проявляют высокуювосприимчивость к текстурующему и дестабилизирующему воздействию продольного (направленного вдоль оси ленты) знакопеременного магнитного поля.15 Поскольку в этом поле происходит непрерывное смещение границ доменов, возникающих при охлаждении объема материала в зонах облучения, то в них не возникает индуцированная анизотропия, .20 которая обычно наводится в материале засчет локальной термомагнитной обработки в магнитном поле самих доменов. Вследствие этого доменные границы не закрепляются и происходит улучшение магнитных 25 свойств стали. При этом дестабилизированное формирование доменной структуры при охлаждении стали в условияхлазерного облучения протекает быстро, завершается полностью в процессе закалки зон и не требует специального времени выдержки.Аналогичный положительный результат (снижение магнитных потерь и увеличение магнитной индукции сталив средних полях) получили и в случае проведения лазерной обработки поверхности ленты в постоянном магнитном поле той же напряженности (8 - 20 кА/м), также ориентированном вдоль оси текстуры, В этом случае под действием поля в материале усиливается магнитная текстура: уменьшается число доменов с 90-градусными границами (лабиринтарные и призматические структуры), увеличивается объем основных 180-градусных магнитных доменов с продольнойнамагниченностью и в 2,5-3 раза уменьшается их ширина(с 0,35 до 0,12 - 0,15 мм), на 6 - 8% возрастает на поверхности ленты также площадь клиновидных замыкающих доменов, являющихся зародышами перемагничивания. Это снижает магнитные потери за счет уменьшения их вихретоковой составляющей, а кроме тогоувеличивает магнитную индукцию в средних полях за счет дополнительного увеличения магнитной текстуры материала.Таким образом, в предлагаемом способе измельченная структура доменов с подвижными дестабилизированными границами (при лазерной обработке в переменном магнитном поле), а также измельченная доменная структура с увеличенным потока в зонах, усиливает эффект лазерной объемом продольных магнитных фаэ и заро- обработки, наводя одноосную, текстуру дышейперемагничивания(прилаэернойоб- в зонах, добавляя зародыши перемагниработке в постоянном магнитном поле) чивания и увеличивая подвижность границ обеспечивают в материале существенное 5 доменов. Поэтому предложенное комбиниснижение магнитных потерь (на 12 - 17), рованное воздействие(лазерное облучение превышаяэффект,полученныйпоизвестно- в магнитном поле) позволяет получить му способу(3-8) и, кроме того, значитель- сверхсуммарный эффект снижения потерь но поднимают магнитную индукцию (на 6 - (на 12 - 17 5, а с покрытием - на 20 - 22 оф) и 2от ее уровня после лазерной обработки 10 дополнительно к этому сохранить (в отличие в средних полях 100 Аlм). от прототипа) высокий уровеньмагнитнойИменно две новые физические законо- индукции.мерности, а именно улучшение магнитных Кроме удачного приема - одновременсвойств по всем направлениям в плоскости ности проведения двух обработок, достоинтекстурованной ленты при дестабилизации 15 ством и оригинальностью способа является . 90-градусных доменных границ в перемен- то, что для выполнения термомагнитной обном поле, а также появление в нагретом работки вместо обычного печного нагрева сплаве железо - кремний при постоянном металла, требующего больших материало- и магнитном поле индуцированной магнит- энергозатрат, используется тепло лазерно-, ной анизотропии за короткие промежутки 20 го облучения в соответствующих зонах мевремени, в частности при быстром охлажде- талла.нии(закалке) стали, позволяют эффективно Экспериментальное сравнение эффек реализовать резервы. которые не могли тивности предложенного и известногоспо. быть использованы в предложенных ранее собов выполняли на широко применяемом способах обработки стали, 25 магнитомягкрм материале - текстурованДействительно, два фактора предло- ной холоднокатаной электротехнической жен ного комбинированного воздействия - . стали, содержащей 3 мас,ф кремния в желе- . лазерное облучение и магнитное поле, при- зе, с размерами образцов 280 х 30 х.0,35 и мененные порознь, лишь на 3 - 8 О и 2 - Зо 100 х 5 х 0,30 мм. Исследовали различные соответственно снижают магнитные потери 30 марки стали, прошедшие начальные этапы вдоль,оси текстуры, так как при раздельном изготовления в заводских условиях ЧМЗ - последовательном применении этих опера- ВИЗ по принятой промышленной и опытной ций (термомагнитная обработка, затем ла- технологиям. Далее обрабатывали материзерная обработка) первая операция ал в лабораторных условиях в оптималъных проходит практически вхолостую в тексту режимах работы технологического лазера рованном образце(посколькув нем практи- непрерывного действия ЛТНс длиной чески еще нет 90-градусных границ), а при волны излучения 1,06 мкм и условной плот- другой последовательности (лазерная обра- ностью облучения в оптимальном режиме 4 ботка, затем термомагнитная обработка)до- - б Дж/см (которая существенно не завиполнительный печной нагрев и выдержка 40 сит ни от технологии изготовления электро- образца при максимальной температуре во технической стали, ни от ее марки).второй операции значительно снижают эф- Магнитное поле создавали с помощью фект лазерной обработки, уменьшая нео- катушек Гельмгольца, между которыми днородности напряжений, снимая полноту обеспечивали сканирование лазерного луча замыкания потока, укрупняя основные до со скоростьюф 30 мм/с, под углом 30 - 90 мены. Таким образом, суммарный эффект (оптимально 90 О) к оси текстуры (оси прокат- снижения магнитных потерь от воздействия ки ленты) при расстояниях между участками этих двух операций не превышает 5 - 10. термического воздействия (отпечатками) 1 -Только в результате нетривиального ис мм (оптимально 4 мм) и шириной отпечатполнения указанных операций, т,е. одно ков 0,1 - 1 мм в зависимости от режима временного воздействия этих двух . работы лазера.факторов, происходит их взаимное усиление:.лазерная обработка помимо создания Магнитные потери в различных режи- напряжений своим побочным эффектом(со мах перемагничивания (Р 1 ду 6 о. Р 1 д 6 о, зданием массы мелких 90-градусных замы- Р 1,ую и Р 1 Лщ) измеряли ваттметровым кающих доменов) существенно усиливает методом в замкнутой магнитной. цепи. Магвосприимчивость к магнитному полю в тек- нитную индукцию (Вии и В 2 БОо) определяли стурованном образце, а локальная термо- баллистическим методом, Продольную магмагнитная обработка в зонах облучения, в нитострикцию измеряли методом оптичесвою очередь сохраняя полное замыкание ского рычага. Доменную структуру(особенно при повышенных плотностях об, лучения 6 - 8 и более Дж/см ), Лазерная2 . обработка с последую 1 цим отжигом если и восстанавливает значение магнитной индукции Во,. (особенно при повышенных 50 температурах отжига 600 - 800 С), то сни. мает и положительный эффект уменьшения магнитных потерь. Действие только второго . фактора из предложенного комбинирован 55 выявляли методом магнитной суспензии или по магнитооптическому эффекту Керра. Обоснование оптимальных пределов изменения физических параметров воздействий, йспользуемых в предлагаемом способе, сведено в табл, 1.Примеры осуществления предлагаемого способа представлены в табл, 2 для ленты электротехнической стали толщиной 0,3 мм при. промежутках между зонами лазерного облучения (отпечатками) 4 мм и ширине отпечатков 0,2 - 0;7 мм (в зависимости от режима работы лазера - условной плотностиоблучения 8 - 2 Дж/см). Приведены величины магнитных потерь при различных условиях перемагничивания (Р 1 уело, Р 1,7/бе), магнитная индукция в полях 100 и 2500 А/м (В 1 оо и В 2 Бо 0) и линейная магнитострикция в поле 55999 А/м (700 Э);Д Холоднокатаная анизотропная лента стали (3% кремния в железе) на конечном этапе изготовления обработана по известному (лазерное облучение беэ поля) и предлагаемому (лазерное облучение в магнитном поле) способам, Для сравнения приведены . также некоторые свойства материала после термообработки, а также после нанесения магнитоактивного (растягивающего металл) фосфорсодержащего стеклокристаллического электроизоляционного покрытия, выполненного после лазерного облучения в магнитном поле, Покрытие имеет малый ко- эффициент термического линейного расширения ( 10 град, наносится на поверхность стальной ленты при 520 460 С, после охлаждения до комнатной тем. пературы имеет толщину 2 - 3 мкм и создаетрастягивающие напряжения в металле от 5 до 12 МПа; Из табл, 2 видно, что действие только одного фактора - лазерного облучения (обработка по прототипу), уменьшая потери энергии (особенно при оптимальном режиме работы лазера 4 - 6 Дж/см ), нежела 2 тельно снижает также магнитную индукцию ного воздействия - отжиг в магнитном поле без лазерного облучения - не дает существенного снижения магнитных потерь. вдоль оси текстуры (см, табл. 3). И только предлагаемый способ (лазерное облучение в магнитном поле) обеспечивает в 8магнитомягком материале существенноеснижение магнитных потерь (на 12 - 17%) исохранение достаточно высокого уровня индукции в средних магнитных полях, позво 5 ляя резко снизить энергозатраты вмагнитопроводах и других изделиях из материала, изготовленного предлагаемымспособом.. В табл. 3 приведена эффективность тер.- момагнитной обработки без лазерного облучения материала. В таком материале придополнительной операции - нанесении магнитоактивного электроизоляционного покрытия, магнитные потери снижаются ещебольше(на 20 - 22%) и индукция В 10 о увеличивается до первоначальных (существующих до лазерной обработки) значений (см.табл. 2), При этом и магнитострикция электротехнической стали приближается к нулевому значению, обеспечивая существенноеснижение магнитострикционного шуматрансформаторов и других изделий из материалов, изготовленных по предлагаемомуспособу,Таким образом; предлагаемый способобеспечивает по сравнению с известнымиследующие преимущества;существенное улучшение магнитныхсвойств материала - снижение магнитныхпотерь Р 1,:у/бо до 1,25 - 1,30 Вт/кг или Р 1,7/50- до.0,95 - 0,98 Вт/кг(при толщине полосы0,3 мм) и одновременно достаточно высокийуровень магнитной индукции Вюю " 1,65 -1,70 Тл; снижение величины продольноймагнитострикции в 2,5 - 4 раза; техническаяпростота выполнения локальной термомагнитной обработки движущейся ленты засчет использования лазерного разогреваметалла. т.е. без создания громоздких иэнергоемких нагревательныхпечей; намагничивание при этом.в зоне сканированиялазерного луча осуществляется двумя соосно расположенными катушками, вдоль осикоторых движется лента электротехниче 45 ской стали; низкотемпературное магнитоактивное фосфорсодержащее покрытие,наносимое на сталь на конечной стадии изготовления, не только дополнительно улучшает ее магнитные свойства (снижаетмагнитные потери на 6 - 8%), но также обеспечивает электроизоляцию пластин присборке магнитопровода и выгодно снижаетв 2 - 3 раза их восприимчивость к вреднымсжимающим напряжениям, неизбежнымпри сборке магнитопровода.Высокие положительные результаты,полученные на высокотекстурованных(В 2 б 00 1,97 - 1,99 Тл) полосовых образцахвысших марок стали 3407, 3408 заводскойвыплэвки, прошедших начальные операции .1744128 10 изготовления (включая высокотемпературный рекристаллизационный отжиг) по обычно принятой .и опытной технологии в заводских условиях подтвердили перспективность применения предлагаемого способа изготовления анизотропной электротехнической стали также в условиях заводского произвОдства.Формула изобретения 1. Способ изготовления анизотропной электротехнической стали, включающий горячую прокатку, по крайней мере одну холодную прокатку, обезуглероживающий и рекристаллизационный отжиг, обработку поверхности лазером перпендикулярно направлению прокатки или под углом 30 - 90 .к направлению прокатки с шириной отпечатка 0,1 - 1 мм и расстоянием между отпечатками 1 - 10 мм,отличающийся тем, что. с целью снижения магнитных потерь при сохранении высокого уровня магнитной индукции, обработку лазером проводят в магнитном поле напряженностью 8 - 20 кА/м (100 - 250 Э). ооиентированном вдоль направления прокалки,5 2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что магнитное поле, ориентированное вдоль направления прокатки, является знакопеременным полем, например промышленной частоты.10 3, Способ по и, 1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что магнитное поле, ориентированное вдоль направления прокатки, является постоянным.4, Способ по и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я 15 тем, что после лазерного облучения в магнитном поле на поверхность ленты наносится магнитоактивное фосфорсодержащее электроизоляционное покрытие при 520 - 460 С и выдержке 20-60 с в окислительной 20 среде с последующим охлаждением до комнатной температуры.Таблица 1 Эффективность воздействий Выше верхнегопредела. Ниже нижнегопредела Мал эффект снижения магнитных потерь для всех марок анизотролных сталей Возрастает гистерезисная составляющая магнитных потерь; затруднено сканирование луцана движущейся ленте Ширина отпечатков0,1 - 1 мм Значительная ширйна де- . формированной зойы облучения катастрофически снижает велицину магнитной ин.дукции и увеличивает коэрцитивную силу и гистерезисную составляющую магнитных потерь Затруднена Фокусировка луча; мала ширинадеформированной облу.чением зоны для формирования полного замыкания магнитного потока ферромагнетикавблизи нее Малы эффекты дестабилизации доменных границ ( в переменном поле) и создания индуцированной анизотропии .(впостоянном поле) Оптимальные пределыизменения .параметровФизических характеристик Условная плотность облучения 4-6 Дж/см Промежутки между отпечатками 1 - 10 мм(лучше ч мм) Напряженность магнитного поля 8- 20 кА/м (100 - 250 3) Эффект снижения магнитных потерь достигает насыщения и начинает уменьшаться длявсе марок сталей; катастрофически снижаетсяиндукция Мал эффект снижения вихретоковых потерь в мелкозернистых поликристаллах ЭФфекты снижения магнитныхпотерь и роста магнитнойиндукции уменьшаются идостигают насыщения; велики дополнительные энергозатраты.1744128 Таблица 3 Составитель С,Деркачева Тех е М.Мо гентал Редактор М,Петрова Р д Р Корректор Т,Палий роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 2170 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб.;4/5