Формирование субструктуры при рекристаллизации и разработка способов улучшения эксплуатационных свойств электротехнической анизотропной стали Ольков, Станислав Александрович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Ускоренное развитие электроэнергетики и прогресс в производстве электротехнического оборудования диктуют необходимость постоянного повышения качества используемых электротехнических материалов и, в частности, улучшения магнитных свойств рулонной электротехнической анизотропной стали (ЭАС), которую нередко называют трансформаторной сталью.

Современная рулонная ЭАС - это магнитомягкий ОЦК сплав Fe -3 мае. % Si в виде полос толщиной 0,17-0,35 мм. Она имеет крупные (диаметром более 10 мм) сквозные (пронизывающие всю толщину полосы) несовершенные (дефектные) кристаллиты (зерна с субструктурой) и острую (разориентировка зерен не превышает 3 град) ребровую текстуру (110)<001> (текстуру Госса). Такие структура и текстура формируются при вторичной рекристаллизации во время высокотемпературного отжига стали, претерпевшей не один цикл «деформация прокаткой - отжиг на первичную рекристаллизацию».

Известно, что многие магнитные свойства ЭАС (в том числе удельные магнитные потери) определяет магнитная доменная структура (размер, конфигурация и расположение областей самопроизвольной намагниченности в кристаллитах - магнитных доменов) и ее динамическое поведение (перестройка путем перемещения границ доменов) при намагничивании и перемагничивании образцов. При этом установлено, что магнитные потери в значительной степени зависят от наличия в готовой стали субструктуры, которая может препятствовать перемещению доменных границ и, следовательно, повышать потери. Почему и каким образом движущиеся при рекристаллизации границы зерен образуют субструктуру, до сих пор неясно, хотя это явление обнаружено давно.

В настоящее время магнитные потери в остротекстурованной стали снижают созданием (например, быстрым кратковременным локальным нагревом лазерным лучом) несквозных субструктурных прослоек (СП), которые располагают поперек полосы по всей ее ширине на определенном расстоянии друг от друга. Эти прослойки дробят 180-градусные магнитные домены и тем самым снижают потери на 8-12%. Недостаток СП - они не обладают термической стабильностью. Положительный эффект от них исчезает при отжиге, проводимом потребителями ЭАС для снятия наклепа, возникающего при вырезке и штамповке пластин магнитопроводов из стальных полос. Проблема получения термостабильных субструктурных прослоек пока остается нерешенной.

Существенно улучшить магнитные свойства ЭАС можно термомагнитной обработкой (ТМО - нагревом стали до температуры, не превышающей точку Кюри, выдержкой и охлаждением в присутствии внешнего магнитного поля). TMO разбивает зерна на широкие с повышенным совершенством («чистые») и узкие очень дефектные («грязные») зоны, дробит и дестабилизирует магнитную доменную структуру. Однако для остротекстурованной стали TMO малоэффективна. В этом случае эффект усиливают применением дополнительных воздействий, предшествующих TMO (например, ионно-лучевой обработкой). Естественно, встает вопрос о повышении эффективности TMO остротекстурованной ЭАС без дополнительных технологических операций, усложняющих процесс производства стали.

Поскольку субструктура оказывает значительное влияние на магнитные свойства ЭАС, то исследования причин и механизмов ее образования непосредственно в процессе рекристаллизации и разработка способов улучшения магнитных свойств стали на основе выявленных закономерностей является важной и актуальной проблемой.

Цель работы. Получить рулонную ЭАС, обладающую высокими и термостабильными эксплуатационными свойствами.

Для достижения поставленной цели решались три основные задачи:

2. 5. 4. 1. Исследование структурных превращений в металлических материалах при рекристаллизации и выявление основных причин и механизма формирования субструктуры в растущих зернах.

         2. Разработка способов получения ЭАС с высокими и термостабильными магнитными свойствами на основе обнаруженных закономерностей образования субструктуры.

         3. Выяснение возможностей повышения эффективности TMO остротекстурованной ЭАС и поиск способов их реализации.

         чем контрольных (прямых) и имеющих радиус кривизны более 300 MM (Таблица 2).

         Таблица 2. Магнитные свойства полосок ЭАС, прошедших отжиг с различным радиусом кривизны R.

         Одной из причин ухудшения остроты текстуры (110)<001> в опытных полосках является резкое снижение скорости роста идеальных ребровых зерен при отжиге. Другая причина - существенное отклонение (более 3 град) плоскости (110) от плоскости полосы вокруг поперечного направления во время роста зерен при отжиге и при выпрямлении полоски после отжига. Дана практическая рекомендация: радиус кривизны внутренних витков в рулонах стали, подвергающихся высокотемпературному отжигу, должен быть не менее 350 мм.

         2. 5. 4. 3. 1. В работе оценено влияние гофрированной поверхности полосы на ее магнитные свойства. Установлено, что устранение рельефа (например, проглаживанием) снижает H_c на 18% (с 7,54 до 6,14 Э). Положительный эффект обусловлен тем, что ликвидируется шероховатость полосы, препятствующая перемещению границ магнитных доменов при перемагничивании. Кроме того, проглаживание может повысить совершенство рекристаллизованных зерен, так как устраняются гребни и впадины гофров, которые служат дополнительными источниками субструктуры. Предложен способ повышения магнитных свойств стали, предусматривающий проглаживание (например, ассиметричной прокаткой с обжатием 2-3%) полос после холодной прокатки на конечную толщину.

                     2. Проведено исследование особенностей формирования доменной структуры и изменения магнитострикции насыщения X_s при механической, термической, ионно-лучевой и лазерной обработках широко применяемых магнитомягких сплавов на основе железа (Fe-Si, Fe-Al, Fe-Co и Fe-Ga). При этом уделено особое внимание источникам напряжений, возникающих при перечисленных обработках и приводящих к перестройке магнитной доменной структуры. Величина
                        

                     которая в свою очередь повторяет полигональную структуру. Кроме того, субструктура может возникать и при столкновении зерен.

                     Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что для чистых металлов и сплавов, претерпевших сильную деформацию, температура начала первичной рекристаллизации t_Hnp определяется продолжительностью отжига т (чем больше т. тем ниже t_Hnp), рисунок 9. Продолжительностью отжига можно достичь ti = t_Hnp, при которой критическая движущая сила (F_Kp і) больше движущей силы рекристаллизации (F_p). В этом случае предотвращается формирование субструктуры в первично рекристаллизованных зернах. Для легированных металлов и сплавов этот прием неприменим, так как температура начала рекристаллизации задается растворением и коагуляцией примесей и включений.

                     ' Рисунок 9.

                     It, Зависимость скорости

                     [

                     миграции границ

                     і зерен (О?) от движущей силы (F),

                     подвижности (|1. |1| <

                     F ^ Цз) и температуры отжига (t, ti < t₂ < t₃

                     4).

                     2. В работе установлена зависимость магнитных свойств ЭАС от рулонной кривизны. Структура, текстура и магнитные свойства стали формируются при высокотемпературном отжиге в результате протекания вторичной рекристаллизации и рафинирования металла по дефектам, примесям и включениям. По существующей технологии производства для проведения отжига в колпаковых электропечах стальную полосу сматывают в рулоны. Диаметр внутренних витков рулона 500 мм, наружных -1200 мм.

                     Магнитные свойства полосок, претерпевших отжиг в изогнутом состоянии с радиусом кривизны 300 мм и менее, значительно хуже,
                     

                     Положения, выносимые на защиту:

                     2. 5. 4. 3. 2. 1. Влияние экспериментально установленной разницы линейных коэффициентов теплового расширения (КТР, а) границ и тела зерен (а_{| ;} < (X_x3) на процессы рекристаллизации металлических материалов.

                                    2. Механизм изменения ориентировки и образования субструктуры в зернах при миграции их границ.

                                    3. Способы повышения магнитных свойств ЭАС путем оптимизации субструктуры, формирующейся при рекристаллизации и TMO.

                                    Научная новизна работы

                                    2. 5. 4. 3. 2. 3. 1. Установлены основные причина и механизм образования субструктуры в зернах при миграции их границ. При большой (превосходящей некоторую критическую величину) движущей силе рекристаллизации границы зерен, приобретая состояние насыщения и перемещаясь как непроницаемые мембраны, деформируют прилегающие к ним объемы, в которых протекает динамическая пролигонизация. При этом структура в выросших зернах повторяет структуру поглощенной матрицы.

                                                      2. Показано, что движущую силу рекристаллизации существенно увеличивает разница KTP границ и тела зерен (а₁^<а_гз). Ее учет позволяет понять некоторые особенности процесса рекристаллизации и, в частности, объяснить возможность протекания вторичной рекристаллизации в мелкозернистой остротекстурованной матрице.

                                                      3. Показано, что эффективность TMO стали с острой текстурой (110)<001> можно повысить приложением внешнего магнитного поля вдоль плоскости (1 10) под небольшим углом к направлению <001>. Отклоненное таким образом магнитное поле, переориентируя оси пар ближайших атомов кремния в нанокластерах со сверхструктурой FeSi (тип В2), выводит атомы кремния в них из равновесного положения и создает возможность их перемещения движущимися границами магнитных доменов. Это приводит к рафинированию объемов металла в зонах перемещения границ магнитных доменов и, следовательно, к улучшению магнитных свойств стали.

                                                      4. Проведено исследование особенностей формирования магнитной доменной структуры и изменения магнитострикции насыщения при механической, термической, ионно-лучевой и лазерной обработках магнитомягких сплавов на основе железа. Установлено, что внутренние остаточные напряжения, при которых происходит перестройка доменной структуры (180-градусные магнитные домены —> 90-градусные), для каждого сплава имеют свою величину; для Fe-3% Si она составляет -12- IO⁶ н/м².

                                                      Научная значимость работы

                                                      Положения и выводы, изложенные в диссертации, вносят вклад в развитие физических представлений об изменении структуры в металлических материалах при их деформации и нагреве, о механизмах образования субструктуры в металлических кристаллитах при рекристаллизации, о роли различия KTP границ и тела зерен в процессе рекристаллизации и о природе эффекта ТМО.

                                                      Практическая значимость работы заключается в том, что предложены:

                                                      2. 5. 4. 3. 2. 3. 4. 1. Способ производства ЭАС с высоким уровнем термостабильных магнитных свойств:

                                                                           в толщине 0,23 мм: Pi_j7/₅o ⁼ 0,93 Вт/кг, В₈₀0 = 1,89 Тл;

                                                                           в толщине 0,27 мм: Pi_j7/₅o ⁼ Ь00 Вт/кг, В₈₀0 = 1,89 Тл.

                                                                           Способ освоен на ООО «ВИЗ-Сталь».

                                                                           Способ повышения эффективности TMO стали с острой текстурой (110)<001>. На лабораторных образцах получено снижение H_c на 20% по сравнению с известным способом.

                                                                           Даны рекомендации по внедрению способа в производство.

                                                                           Новые технологические приемы, повышающие эксплуатационные свойства ЭАС. Проглаживание стальной полосы (например, ассиметричной прокаткой) после прокатки на конечную толщину снижает H_c на 18%. Увеличение диаметра внутренних витков рулонов (более 600 мм) при высокотемпературном отжиге снижает Pi,7/50 на 40%.

                                                                           Достоверность и обоснованность полученных результатов и

                                                                           сформулированных в диссертации положений и выводов обеспечены:

                                                                           использованием аттестованной экспериментальной техники и измерительных приборов;

                                                                           использованием комплекса современных методов исследования (металлографический, рентгенографический, дилатометрический, спектральный химический (общий и локальный),

                                                                           Показано, что движущиеся тройные стыки деформируют металл сильнее, поскольку действующее на них давление AF существенно больше давления, приложенного к границе центра рекристаллизации. При перемещении границы центра рекристаллизации по дефектному объему степень деформации металла также возрастает, так как в дефектном объеме увеличиваются F и AF.

                                                                           Рисунок 8 - Создание субструктуры движущейся границей зерна: а, б, в - схемы; г, д - первичная и вторичная рекристаллизации; е - столкновение трех зерен; ДО - дефектный объем; F_r3 - зернограничная энергия; F_m - движущая сила, обусловленная различием KTP границ и тела зерен.

                                                                           Образовавшаяся при этом субструктура повторяет исходную структуру, то есть при рекристаллизации может иметь место структурная наследственность. Зерна вторичной рекристаллизации повторяют структуру первично рекристаллизованного металла,
                                                                           

                                                                           В пятой главе предложено несколько технологических приемов, призванных повысить совершенство зерен готовой ЭАС.

                                                                           1. Из работы Грабского М.В. следует, что при рекристаллизациоииом отжиге для конкретной границы зерна при определенной температуре может существовать критическая движущая сила F_Kp, при превышении которой нарушается прямо пропорциональное отношение между движущей силой и скоростью миграции границы (рисунок 7). Скорость перемещения границы достигает максимальной величины и далее остается практически постоянной при движущей силе больше критической. Это постоянство связано с динамическим равновесием между перемещением границы и массопереносом

                                                                           F_Kp 2 F_kp 1 F

                                                                           Движущая сила рекристаллизации

                                                                           Рисунок 7 - Схема зависимости скорости

                                                                           миграции границы зерна О?^- от движущей силы рекристаллизации F и температуры отжига!.

                                                                           то Cl

                                                                           'V_m

                                                                           =T

                                                                           а.

                                                                           о о

                                                                           через неё. При этом граница приобретает состояние насыщения (все каналы диффузии в ней задействованы).

                                                                           В этом случае границу зерна можно рассматривать как непроницаемую мембрану, движущуюся под действием силы AF = F- F_Kp. Поэтому граница деформирует приграничные объемы перед собой - сжатием, а после - растяжением. В деформированных объемах будет протекать динамическая полигонизация с образованием субструктуры.

                                                                           Рассмотрены рост зерен при первичной и вторичной рекристаллизации в монокристаллах (110) сплава Fe ~ 3% Si, прокатанных на 65% в направлении [001] при комнатной температуре и возможные причины и механизмы формирования субструктуры в них, рисунок 8.
                                                                           

                                                                           магнитный анализ структуры, текстуры и свойств стали, сканирующей интерферометрии поверхности образцов);

                                                                           согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов;

                                                                           большим объемом экспериментальных данных и воспроизводимостью результатов;

                                                                           реализацией разработанных методов и способов в технологии производства стали на ООО «ВИЗ-Сталь».

                                                                           Апробация работы

                                                                           Материалы диссертации были представлены на Международных и Российских конференциях:

                                                                           IV Euro-Asian Symposium "Trends in MAGnetism: Nanospintronics (EASTMAG - 2010, Ekaterinburg, Институт физики металлов, 28 июня - 2 июля 2010 г.).

                                                                           Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2011, Moscow, МГУ им. Ломоносова, 21-25 августа 2011 г.).

                                                                           XX Уральская школа металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Пермь, Пермский государственный университет, 1-5 февраля 2010 г.).

                                                                           XXI Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Магнитогорск, Магнитогорский государственный технический университет, 6-10 февраля 2012 г.).

                                                                           Публикации по результатам работы. Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 5-ти статьях в зарубежных и отечественных журналах, входящих в список ВАК и международную базу цитирования Web of Science, и патенте. Список публикаций приведен в конце автореферата.

                                                                           Работа выполнена на ООО «ВИЗ-Сталь» и в лаборатории микромагнетизма ИФМ УрО РАН (в рамках темы "Магнетизм, спинтроника и технология создания новых объемных и низкоразмерных гетерофазных и наноструктурированных материалов и наносистем", гос. per. номер 01.2.006.13391; при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проекты № 08-02-00327 и 11-02-00931).

                                                                           Личное участие автора заключается в постановке задач исследования и поиске путей их решения. Он является соавтором способа создания термостабильных структурных прослоек, дробящих магнитную доменную структуру и улучшающих магнитные свойства электротехнической стали, занимался разработкой и руководил внедрением способа на ООО «ВИЗ-Сталь»; соавтором способов повышения эксплуатационных свойств анизотропной электротехнической стали, таких как: проглаживание полосы после прокатки на окончательный размер, высокотемпературный отжиг в рулонах с радиусом внутренних витков превышающим 300 мм, и термомагнитная обработка готовой стальной полосы с отклонением ее от направления магнитного поля на угол не более 10 градусов вокруг ее поперечного направления. Автор самостоятельно проводил промышленные эксперименты и принимал участие во всех лабораторных исследованиях. Он внес большой вклад в получение, обсуждение и публикацию результатов, изложенных в диссертации, в формулировку ее основных положений и выводов.

                                                                           Материал диссертации неоднократно лично докладывался диссертантом на конференциях в виде устных и стендовых докладов.

                                                                           Структура и объем диссертации

                                                                           Похожие диссертации на Формирование субструктуры при рекристаллизации и разработка способов улучшения эксплуатационных свойств электротехнической анизотропной стали

                                                                           Закономерности формирования ультрамелкозернистой структуры, обеспечивающей улучшение свойств углеродистых конструкционных сталейКопцева, Наталья Васильевна

                                                                           Исследование закономерностей структурообразовзния, кинетики бейнитного превращения в чугунах и разработка способов улучшения эксплуатационных свойствКуцов, Андрей Юрьевич

                                                                           Оптимизация режимов термической обработки штамповых сталей холодного деформирования с целью улучшения их технологических и эксплуатационных свойствШимко, Елена Владимировна

                                                                           Повышение стабильности свойств и качества продукции стана 5000 ОАО "Северсталь" за счет улучшения структуры толстолистового штрипса из высокопрочных низколегированных сталейЦветков, Дмитрий Сергеевич

                                                                           Формирование неупругих свойств сталей и двухфазных сплавов титана под воздействием ультразвукового нагружения и разработка методов оценки их структурной стабильностиНаумов, Вячеслав Владимирович

                                                                           Влияние микропластической деформацмм на формирование свойств низкоуглеродистых автощитовых сталейМарков, Роман Вячеславович

                                                                           Формирование структуры и свойств сталей для холодной высадки на стадии метизного переделаЧинокалов, Валерий Яковлиевич

                                                                           Закономерности формирования и изменения свойств поверхностных слоев сталей при лазерной термической обработкеКостромин, Сергей Викторович

                                                                           Формирование структуры и свойств холоднокатаных микролегированных сталей, подвергаемых непрерывной термической обработкеЯщук, Сергей Валерьевич

                                                                           

                                                                           Формирование структуры и свойств углеродистых конструкционных сталей при равноканальном угловом прессовании и последующем волоченииЕфимова Юлия Юрьевна