ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 7, с. 691-696
^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1 '782:537.634.2
ВЛИЯНИЕ ОТЖИГА НА МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ АНИЗОТРОПНОЙ СТАЛИ С ОБЫЧНОЙ И ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРОЙ
© 2014 г. А. А. Редикульцев*, Г. С. Корзунин**, М. Л. Лобанов**, Г. М. Русаков*, **, Л. В. Лобанова*
*Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург К-2, ул. Мира, 19 **Институт физики металлов УрО РАН 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 e-mail: redikultsev@mail.ru Поступила в редакцию 18.10.2013 г.; в окончательном варианте — 10.12.2013 г.
Приведены результаты влияния отжига на магнитострикционные характеристики электротехнической анизотропной стали с обычной и измельченной доменной структурой. Отжиг листовых образцов достаточно часто приводит к возрастанию значений электромагнитной индукции $100 и, одновременно, к повышению удельных электромагнитных потерь Р1.7/50 До отжига минимальные по модулю значения ^о-реак и ^peak-peak наблюдаются для ЭАС с измельченной доменной структурой. После отжига для данных образцов наблюдается наибольшее ухудшение магнитострикционных характеристик. Предложен механизм, позволяющий объяснить данный экспериментальный факт.
Ключевые слова: электротехническая анизотропная сталь, магнитные свойства, магнитострикция, доменная структура, лазерная обработка.
DOI: 10.7868/S0015323014070079
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1], что внешнее магнитное поле приводит к деформации кристаллической решетки ферромагнетика. При этом могут происходить изменения как линейных размеров кристалла (линейная магнитострикция), так и его объема (объемная магнитострикция). Существование магнитострик-ции в таком практически важном магнитомягком материале, как электротехническая анизотропная сталь (ЭАС, трансформаторная сталь), является одной из основных причин появления шума, в сердечниках трансформаторов [2—7].
В настоящее время одним из способов снижения удельных магнитных потерь в ЭАС является локальная лазерная обработка (ЛЛО), приводящая к измельчению доменной структуры [8, 9]. Однако при этом влияние лазерной обработки на шум сердечника трансформатора является достаточно дискуссионным [5, 10—13]. По данным [11—13] подбором режима лазерной обработки можно значительно снизить магнитострикцию. В то же время сталь, подвергнутая лазерной обработке, имеет дополнительные внутренние напряжения, связанные с локальными упругими полями дислокаций, что должно приводить к повыше-
нию высших гармоник магнитострикционной вибрации [5]. Т.е. эффективность использования ЭАС, подвергнутой ЛЛО, для снижения шума трансформаторов может быть достаточно низкой. Эффект ЛЛО снимается после отжига [8]. При этом магнитострикционные характеристики металла также должны претерпевать существенные изменения. В настоящей работе исследованы магнитострикционные характеристики ЭАС с лазерной обработкой и без нее, а также их изменение после отжига для снятия напряжений.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследований использовалась ЭАС толщинами 0.27 и 0.30 мм с обычной доменной структурой и подвергнутая ЛЛО с целью уменьшения размеров магнитных доменов. Для исследований использовали листовые образцы размером 94 х 305 мм, на которых измерялись магнитные свойства: В100, В2500, Р17/50. Выбор магнитных характеристик осуществлен из следующих соображений:
Р17/50 — удельные магнитные потери, измеренные при индукции 1.7 Тл при частоте тока 50 Гц, —
691
2*
Средние по группам магнитные характеристики исследуемых образцов ЭАС до и после отжига для снятия напряжений
Обозначение
Магнитные свойства образцов до отжига
групп образцов* В100, Тл В250СЬ Тл Р1.7/50, Вт/кг В100, Тл В250СЬ Тл Р1.7/50, Вт/кг
27Х** 1.67 1.94 1.00 1.74 1.94 1.11
27Р 1.73 1.94 1.08 1.73 1.94 1.12
27 Б 1.71 1.93 1.15 1.72 1.93 1.18
27Я 1.69 1.93 1.23 1.71 1.93 1.24
30Х** 1.66 1.94 1.05 1.74 1.94 1.11
30Р 1.73 1.94 1.11 1.73 1.95 1.14
30Б 1.71 1.93 1.16 1.72 1.94 1.18
30Ж 1.70 1.93 1.23 1.72 1.94 1.24
Магнитные свойства образцов после отжига
Примечания. * Число в условном обозначении соответствует номинальной толщине стали в мм, умноженной на 100; ** до проведения исследований образцы подвергались локальной лазерной обработке для измельчения доменной структуры.
основная потребительская характеристика, общепринятая в практически всех мировых стандартах, наиболее чувствительная к дисперсности доменной структуры;
В100 — магнитная индукция, измеренная в поле напряженностью 100 А/м, — является величиной чувствительной к остаточным напряжениям в стали;
В2500 — магнитная индукция, измеренная в поле напряженностью 2500 А/м, — является величиной близкой к индукции насыщения, при этом хорошо коррелирует с остротой кристаллографической текстуры в ЭАС.
Магнитные свойства образцов измерялись на установке ВгоскИаш MPG-100D вдоль направления прокатки. Погрешности определения: магнитной индукции В ± 0.5% ± 2 единицы последнего разряда; удельных потерь Р ± 1.0% ± 2 единицы последнего разряда.
1 х 10-6 0
-0.5
о-реак *
-2-10 1 2 Индукция, Тл
Рис. 1. Характерный вид кривой магнитоскрипции и отределеме Хс_Реак и ^еак-Реак [6].
На основе проведенных измерений формировались группы образцов с практически одинаковыми характеристиками (в пределах погрешности), на которых определялась величина магнитострикции в зависимости от магнитной индукции. В каждой группе находилось 5-7 образцов. Магнитострик-ция также измерялась на установке ВгоскИаш MPG-100D вдоль направления прокатки.
После измерений все образцы подвергались отжигу для снятия напряжений при температуре 850°С в течение двух минут в атмосфере азотного защитного газа (95% N + 5% Н2). После отжига вновь проводились измерения магнитных свойств и исследования магнитострикционных характеристик. Результаты всех измерений усреднялись по группе образцов аналогов (см. таблицу).
Для оценки магнитострикции измерялись точки ^о-реак и ^реак-реак для каждого отдельного значения индукции. Вид кривой магнитострикции и определение ^о_реак и ^реак_реак представлены на рис. 1 [6].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сравнение магнитных свойств ЭАС до и после отжига (таблица) показывает, что отжиг листовых образцов достаточно часто приводит к возрастанию значений электромагнитной индукции В100 и, одновременно, к повышению удельных электромагнитных потерь Р17/50. В большей степени это проявляется для металла толщиной 0.27 мм. По-видимому, это связано со снятием при отжиге растягивающих напряжений, созданных электро-
изоляционным покрытием за счет разницы в коэффициентах термического расширения металла и материала покрытия [14]. Уменьшение растягивающих напряжений, созданных покрытием, вероятно, происходит вследствие того, что параметры отжига, реализованного в работе, существенно отличаются от промышленной обработки стали: замедленные скорости нагрева и охлаждения (из-за объема изделия), температура выдержки ~800—830°С, время выдержки ~20 с. Повторный отжиг сформированного таким образом композиционного материала приводит к релаксации ранее созданных напряжений, как за счет изменения химического состава покрытия (за счет перераспределения элементов между покрытием и основой), так и за счет появления в покрытии микротрещин, связанных с расширением металла при нагреве.
Известно, что растягивающие напряжения значительно снижают электромагнитные потери ЭАС [1, 15, 16]. Тогда отсутствие напряжений, создаваемых покрытием, должно приводить к повышению электромагнитных потерь, что и наблюдается экспериментально. Более сложное влияние растягивающие напряжения оказывают на кривые намагничивания. Согласно [1], растяжение вдоль оси [001] приводит к добавочному сжатию основными полосовыми доменами трехгранных замыкающих доменов (или клиновидных [9]) и увеличению их энергии. Тогда вследствие повышения устойчивости последних к воздействию магнитного поля, будут затруднены и процессы смещения 180-градусных доменных границ в основной структуре, формирующей суммарную индукцию образца. Следовательно, кривая намагничивания растянутых образцов на этом этапе оказывается более пологой, чем в нерастянутых образцах. Но поскольку при растяжении также уменьшаются размеры субдоменов, образовавшихся около различного рода дефектов кристаллической решетки и снижающих результирующую индукцию, она после завершения смещений 180-градусных границ оказывается несколько выше. Исходя из этого, снятие растягивающих напряжений покрытия может приводить к возрастанию индукции в слабых полях и снижению в полях большей напряженности. Таким образом, повышение магнитной индукции В100 с одновременным увеличением удельных магнитных потерь в результате отжига листовых образцов является вполне объяснимым. При этом важным результатом является факт положительного влияния растягивающих напряжений, созданных покрытием, на магнитные свойства стали.
С увеличением рассеяния кристаллографической текстуры в последовательностях образцов 27Р-27^-27^, 30Р-30^-30^ положительное влияние растягивающих напряжений на общие потери значительно уменьшается, а негативное влия-
ние на электромагнитную индукцию несколько усиливается (см. таблицу). Данный результат согласуется с хорошо известными данными о зависимости электромагнитных потерь от размерных параметров основных доменов, которые, в свою очередь зависят от величины растягивающих напряжений и ориентации кристалла [1].
Отметим, что при отжиге наряду со снятием растягивающих напряжений покрытия, происходит уменьшение остаточных внутренних напряжений, связанных с упругими полями дислокаций и субграниц. Появление этих напряжений связано: с вытяжкой металла при отжиге для снятия рулонной кривизны после высокотемпературного отжига; анизотропией аномального роста зерен при вторичной рекристаллизации; резом полосы [17]. Как правило, остаточные внутренние напряжения оказывают негативное влияние на магнитные свойства образцов [1, 17]. Вклады остаточных внутренних напряжений и растягивающих напряжений покрытия в магнитные свойства стали опр
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.