^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1 '782'781 '784:537.623
КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕРМОМАГНИТНАЯ И ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
© 2011 г. Ю. Н. Драгошанский, В. И. Пудов, В. В. Губернаторов
Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
Поступила в редакцию 10.09.2010 г.
Рассмотрены методы улучшения функциональных характеристик магнитомягких анизотропных материалов на основе сплавов Бе—3% и аморфных лент Ре81814В13С2, Ре81817Б12. Разработан эффективный комплексный метод локальной лазерной и высокочастотной термомагнитной обработок. Они обеспечивают оптимизацию магнитной доменной структуры, 2—3 разовое повышение магнитной проницаемости, существенное снижение магнитных потерь (25—30%) и коэрцитивной силы (30—40%) магнитомягких анизотропных материалов. Разработаны физический метод и средства контроля эффективности локальной лазерной обработки движущихся лент электротехнических материалов.
Ключевые слова: магнитомягкие материалы, доменная структура, магнитные потери, термомагнитная обработка, лазерная обработка, феррозондовый метод контроля.
ВВЕДЕНИЕ
Электротехнические стали на основе кремнистого железа широко применяются в качестве маг-нитопроводов, эксплуатируемых в переменных магнитных полях. Объемы их производства велики (более миллиона тонн ежегодно), а изделия из них, например, электрогенераторы и силовые трансформаторы, работают в непрерывном режиме в течение десятков лет. По этой причине уровень их магнитных характеристик в значительной мере определяет возможности энерговооруженности страны в целом. В то же время при передаче электрической энергии к потребителям в процессе перемагничива-ния этих материалов теряется почти 3% всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому улучшение их электромагнитных свойств в настоящее время является актуальной проблемой.
В современных анизотропных электротехнических сталях (АЭС) создание острой кристаллографической и магнитной текстуры обеспечивает повышение магнитной индукции. Для этого использованы обычные металлургические методы прокатки и рекристаллизационных отжигов, создающие ребровую (110)[001] кристаллографическую текстуру при оптимальных химическом составе, пластичности и толщине ленты, с наименьшим содержания вредных примесей и неоднородных внутренних напряжений, что соответствует минимуму полных магнитных потерь в заданном режиме пере-магничивания. Однако при этом формируются крупные кристаллиты (до 50 мм), широкие полосовые магнитные домены, проходящие из зерна в зерно (рис. 1 [1]) и, как следствие этого, при перемаг-
ничивании возрастают скорости движения доменных границ и вихретоковые (Рв) магнитные потери (до 85% от полных). Для решения этой проблемы требуется оптимизация магнитной доменной структуры, путем изменения соотношения объемов магнитных фаз, ориентации и размеров доменов, создания дополнительных зародышей перемагни-чивания и увеличения активности движения доменных границ [1—5].
Как показывают разные экспериментальные исследования по обработке магнитомягких материалов
Н
Рис. 1. Трансполикристаллитная структура 180-градусных широких полосовых (1) и клиновидных замыкающих (2) магнитных доменов, переходящих через границы зерен (3) сплава Бе—3% 81 с кристаллографической текстурой (110)[001].
[4—9], оптимизация вышеуказанных параметров может быть обеспечена только при комплексном воздействии разных методов на кристаллическую и магнитную структуру материалов.
Целью данной работы является разработка перспективного комплексного метода воздействия на структуру магнитомягких материалов, обеспечивающего в них максимальное снижение магнитных потерь и увеличение магнитной проницаемости.
АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ МАГНИТОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ
Ранее были исследованы деформационно-тек-стурующие методы управления доменами и свойствами материалов, включающие создание одноосного растяжения, магнитоструктурных барьеров и эффекта термомагнитной обработки (ТМО) [6—22].
Из работ [6—8] следует, что изучение эффекта растяжения стали в основном проводили в лабораторных условиях путем механического воздействия. В результате сужения доменов, вызванного растяжением материала вдоль оси текстуры, получено уменьшение магнитных потерь Р1.7/50 (при индукции 1.7 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц) на 29—40%. Однако при растяжении материала в производственных условиях, например, за счет магни-тоактивного покрытия ^N, толщиной ~2 мкм, с коэффициентом температурного линейного расширения (КТЛР) 6 х 10-6 К-1, меньшим, чем у стали (13 х 10—6 К-1) [23], было получено уменьшение магнитных потерь Р17/50 на 7% [9], а с применением покрытия с более низким КТЛР на основе двуокиси кремния — на 12% [10].
Другая обработка стали, связанная с формированием поперечно ориентированных магнитострук-турных барьеров в виде узких зон, отличающихся по структуре от основного материала, дает тот же результат, как и при растяжении [11—15]. На барьерах сосредоточиваются магнитные заряды, приводящие к ограничению размеров полосовых (основных) 180-градусных доменов и к появлению клиновидных 180-градусных замыкающих областей — зародышей перемагничивания. Эти барьеры создавались скрай-бированием [11], локальным изгибом [12] и локальной лазерной обработкой (ЛЛО) [13—15, 21], деформирующими материал в зонах поперек оси текстуры. В частности, при использовании электроионизационного импульсно-периодического СО2-лазера с постоянной регенерацией газа и одновременным формированием непрерывного участка лазерного воздействия на всей ширине аморфной ленты, в оптимальном режиме (удельная плотность энергии облучения U = 0.6 Дж/см2, ширина зоны термического воздействия 0.2 мм, межзонные промежутки 5 мм, толщина ленты 20 мкм) при скорости движения ленты 0.5 м/с получено снижение магнитных потерь Р1.0/400 на 20%, по сравнению с магнитными
потерями в исходном отожженном состоянии ленты [15]. В образцах трансформаторной стали снижение магнитных потерь по характеристикам Р15/50 и Р17/50 составляло 14% и 9% соответственно [14]. С приближением толщины ленты сплава к оптимальной величине 0.18 мм и совершенства ее текстуры к идеальной ребровой (110)[001] (В800 ~ 1.95—1.98 Тл), снижение магнитных потерь оказывается более значительным и по характеристике Р15/50 может достигать 20% [22].
Эффективным воздействием на структуру маг-нитомягких материалов и сплавов является также термомагнитная обработка [16—20]. При этом в постоянном магнитном поле индуцируется дополнительная одноосная магнитная анизотропия в тек-стурованной стали и снижаются магнитные потери от 9 до 30% в зависимости от направленной ориентации магнитного поля, то есть вдоль или поперек оси текстуры [19], начальная и максимальная магнитная проницаемости увеличиваются в 1.4 и 7 раз соответственно [17].
Последовательное применение двух обработок: ЛЛО + ТМО в постоянном магнитном поле [15], механическое растяжение 1 кг/мм2 + скрайбирова-ние [7], растяжение покрытием + ЛЛО [4, 22] приводит в стали практически к их суммарному эффекту снижения потерь энергии на перемагничивание ~8—28%, 2—37% и 10—16% соответственно. Такой разброс в полученных результатах связан с различными механизмами влияния этих обработок на магнитную структуру материала, а также различиями в степени совершенства кристаллографической текстуры исследованных образцов (В800 изменялась в них от 1.82 до 1.98 Тл).
В связи с этим можно считать, что комбинационный подбор определенных видов обработки позволит получить более перспективные направления по улучшению физических свойств магнитомягких материалов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследовали в первую очередь высокоэнергетические воздействия — ЛЛО и ТМО, поскольку, как следует из вышеприведенного анализа, они создают значительные деформации и усиление одноосной магнитной анизотропии сплавов, что позволяет оптимизировать доменную структуру и снизить магнитные потери.
В основе ТМО использовали переменное магнитное поле [20], которое, по сравнению с постоянным магнитным полем, обеспечивает дестабилизацию границ магнитных доменов, и, уменьшая скорость, увеличивает однородность и плавность их движения при перемагничивании. Это в магнито-мягких материалах приводит к более высоким результатам снижения магнитных потерь, по сравнению с ТМО в постоянном поле.
—AP/P, %
102 103 104 f, Гц
-20 --40 " -60 "
Рис. 2. Частотная зависимость относительного изменения магнитных потерь, измеренных при индукции 0.5 Тл в тороидальных и ленточных образцах аморфного сплава Ре81814Б1зС2 после ТМО в переменном (1) и постоянном (2) магнитных полях.
В дальнейшем развитии концепции ТМО было обнаружено влияние процессов деформационного старения на формирование дополнительной магнитной анизотропии за счет взаимодействия компонентов материала со свеже введенными дефектами кристаллической решетки. При этом образуются кластеры с повышенным содержанием атомов растворенных элементов и сверхструктурой типа В2 [24]. Экспериментально было показано, что оптимальным результатам ТМО соответствует определенное время выдержки при обработке. В иных условиях обработки процессы деформационного старения материала не оптимальны: либо формируется недостаточное количество кластеров, либо происходит аннигиляция структурных дефектов. Создание оптимального количества свежих дефектов ускоренным охлаждением после высокотемпературного отжига, позволило снизить коэрцитивную силу сплава пермаллой (Бе—70% N1) на 44% (с 2.5 до 1.4 А/м), по сравнению с тщательно отожженным и затем медленно охлажденным материалом. Эта новая концепция ТМО [25], выявляющая механизм обработки магнитомягких материалов с учетом процессов их деформационного старения на стадии упорядочения структуры, позволяет прогнозировать эффективность данного воздействия.
Предлагаемая нами последующая операция — локально лазерная обработка выполнялась на специализированной экспериментальной установке "Максим", созданной в НИИ электрофизической аппаратуры (г. С.-Петербург). Установка включала электроионизационный импульсно-периодиче-ский СО2-лазер с постоянной регенерацией газа и обеспечивала,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.