Способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой

Способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой

Реферат

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к области обработки листов анизотропной электротехнической стали Fe-3%Si, применяемой для изготовления трансформаторных магнитопроводов, и их последующего модифицирования магнитоактивным покрытием в условиях внешнего лазерного воздействия для улучшения физико-механических свойств стали, в том числе повышения температурной стабильности магнитных свойств и магнитной проницаемости, а также уменьшения магнитных потерь по сравнению с необработанными листами стали.

При производстве современных анизотропных электротехнических сталей, с повышением степени совершенства их кристаллографической текстуры, увеличилась их магнитная проницаемость и индукция. При этом стали формироваться крупные зерна и над поверхностью листов стали, уменьшились магнитные поля рассеяния. Это привело к резкому росту размеров полосовых 180-градусных магнитных доменов с кристаллографической текстурой (110)[001], в результате чего увеличились скорости смещения их границ при перемагничивании, а следовательно, возросли магнитные потери (вихретоковая составляющая Р_в до 85% от полных потерь энергии на перемагничивание).

Одно из перспективных решений данной проблемы связано с созданием, путем лазерного воздействия, в крупнозернистой анизотропной трансформаторной стали структурных барьеров - узкие полосовые участки, отличающиеся по структуре от основного материала химическим составам, текстурой, выделению второй фазы и т.д.

Известен способ улучшения магнитных свойств крупнозернистых текстурированных ферромагнитных сплавов за счет измельчения зерна, путем равномерного нанесения поверхностных полос, преимущественно поперек оси текстуры, с помощью локальной лазерной обработки, и воздействия знакопеременного магнитного поля промышленной частоты 50-60 Гц. В результате, например, было обеспечено снижение магнитных потерь в материале на 8-12%.

Однако этот способ обеспечивает незначительное изменение свойств. Он требует для реализации дополнительные устройства точного управления мощностью лазерного излучения. Другие недостатки способа связаны с уменьшением массы ферромагнитного материала и снижением его прочности [Заявка Японии, №61-49366, C21D 9/46, 1986].

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ улучшения магнитных свойств листов анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой. Листы подвергнутые конечному отжигу для вторичной рекристаллизации и снабженные обычным конечным изоляционным покрытием, подвергают обработке лазером непрерывного излучения, например, на основе CO₂, имеющим длину волны 10,46 мкм, путем непрерывного сканирования листа в поперечном направлении относительно направления его движения. Причем, поперечные размеры лазерного луча составляют 1-60 мм, лазерную удельную энергию излучения регулируют, соответственно, в диапазонах 0,1-25 мДж/мм², без повреждения стеклянного пленочного изоляционного покрытия, время выдержки - 1·10^-6-1·10^-2 с, а расстояние между двумя последовательными дорожками лазерного луча на стальном листе составляет 2-12 мм [БАН Габор (IT), АЧЧАЙ СПЕЧИАЛИ ТЕРНИ С.П.А. (IT). Патент РФ №2238340, C21D 8/12, C21D 1/09, 20.10.2004].

Однако для изготовления магнитопроводов листы стали разрезают на отдельные элементы, которые отжигают для снятия краевого наклепа. Уже при температурах 600-650°С положительный эффект от лазерной обработки снижается в 2 раза, а при 800-850°С он исчезает. При этом этот способ не обеспечивает повышение термостабильности магнитных свойств зон лазерной обработки и устойчивости кристаллической макроструктуры.

В основу изобретения положена задача повышение эффективности изготовления листовой анизотропной трансформаторной стали разных марок, за счет применения новых способов и технологий их обработки, обеспечивающих максимальные показатели улучшения физико-механических свойств, в том числе к длительной устойчивости при эксплуатационных воздействиях.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали Fe-3% Si лазерной обработкой, в котором стальные листы толщиной 0,05-0,50 мм, подвергнутые отжигу для вторичной рекристаллизации и имеющие изоляционные конечные покрытия, обрабатывают лазером непрерывного излучения путем сканирования движущегося листа в поперечном направлении относительно направления его движения согласно изобретению, для повышение термостабильности магнитных свойств зон лазерной обработки и устойчивости кристаллической макроструктуры в зонах лазерной обработки стальных листов дополнительно насаждают локальные дефекты а для повышения прочности в этих зонах формируют пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более ¼ толщины листа стали; причем, в качестве основы дефектов применяют слабомагнитные вещества, имеющие намагниченность насыщения 200-500 Гс, которые или насыпают на поверхность стальных листов, или наносят магнитоактивным покрытием или дополнительно насыпают на покрытие; в заключительной стадии обработки осуществляют низкотемпературный отпуск в диапазоне 500-550°С. В качестве слабомагнитного порошкообразного вещества применяют мелкодисперсные ингибиторы сульфид марганца, оксид цинка или медь, алюминий, а в качестве магнитоактивного покрытия применяют Mg-P с повышенным содержанием бора в 2-3 раза, нитрид титана или двуокись кремния; для обработки листов стали толщиной 0,23-0,50 мм применяют лазер с длиной волны 10,46 мкм, формирующий узкие зоны, при оптимальных промежутках, в интервале 4-14 мм, а для тонколистовой стали 0,05-0,20 мм - с длинной волны λ=1-2 мкм и межзонными промежутками 2-8 мм.

Физическая сущность способа заключается в следующем.

Поскольку в процессе изготовления магнитопроводов, обработанные листы трансформаторной стали подвергают резке на отдельные элементы или на узкую ленту, а затем отжигают их для снятия краевого наклепа, то в ранее предлагаемых способах лазерной обработки стали, ее эффект снижается при температурах 600-650°С в 2 раза, а при 800-850°С полностью исчезает. Причиной этого является полная релаксация сжимающих напряжений в зонах лазерной обработки и вызванных ими нарушений однородной намагниченности с их магнитными полями рассеяния. Поэтому восстановление однородного распределения намагниченности в материале, происходящее в результате отжига, сопровождается и восстановлением его исходной широкодоменной магнитной структуры, существовавшей до лазерной обработки, а следовательно, возвращают к исходному высокому уровню магнитных потерь.

В предлагаемом способе, введение лазерным воздействием примесных дефектов, сформированных из слабомагнитных веществ, в пластически деформируемые зоны обработки, сохраняет устойчивость деформированного состояния макроструктуры и активные магнитные поля рассеяния в них в условиях достижения более высоких температур 600-750°С, несмотря на проходящую релаксацию напряжений, от лазерной обработки.

Причем, реализуемая технологическая операция одновременно повышает и прочность материала в этих зонах, локальным поверхностным сжатием, что необходимо особенно для тонколистовых материалов.

Данный эффект примесной термостабильности связан с тем, что примесные дефекты, имеют намагниченность значительно меньшую, чем намагниченность самого сплава, а также и разницу в коэффициентах их теплового расширения. В этом случае, они формируют в зонах лазерной обработки локальные напряжения, разориентирование магнитных моментов атомов и этим повышают магнитные поля рассеяния. В результате, чего создаются условия для повышения температурной устойчивости зон локальной лазерной обработки, то есть их сохранения до более высоких температур отжига, необходимого в технологическом процессе снятия краевого наклепа элементов магнитопровода, сохраняя эффективность лазерной обработки.

Применение комплексного подхода в решении задач повышение эффективности изготовления листовой анизотропной трансформаторной стали в последовательности достижения результатов: лазерная обработка для снижения магнитных потерь, а также повышение термостабильности магнитных свойств и устойчивости кристаллической макроструктуры в зонах лазерной обработки стальных листов, путем дополнительного насаждения локальные дефекты, и одновременное повышение прочности в этих зонах, путем формирования пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более ¼ толщины листа стали, существенно повышает его физико-механические свойства и значительно превышает суммарный результат, достигаемый на отдельных этапах обработки.

Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки листовой анизотропной трансформаторной стали, позволяет, получать сталь с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Данный эффект достигается за счет применения новых технологий и режимов обработки материала, и не требует больших технических затрат.

Пример осуществления способа.

С целью улучшения магнитных свойств листов, толщиной 0,05-0,50 мм, анизотропной крупнозернистой электротехнической стали Fe-3% S предварительно подвергнутые отжигу для вторичной рекристаллизации и имеющие изоляционные конечные покрытия, обрабатывают лазером непрерывного излучения путем сканирования движущегося листа в поперечном направлении относительно направления его движения, а для повышения термостабильности магнитных свойств и устойчивости кристаллической макроструктуры в зонах лазерной обработки стальных листов, дополнительно насаждают локальные дефекты, одновременно для повышения прочности в этих зонах формируют пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более % толщины листа стали. Причем, в качестве основы дефектов применяют слабомагнитные вещества, имеющие намагниченность насыщения 200-500 Гс, которые или насыпают на поверхность стальных листов, или наносят магнитоактивным покрытием, или дополнительно насыпают на покрытие. При этом в качестве слабомагнитного порошкообразного вещества применяют ингибиторы, например, сульфид марганца, оксид цинка, оксид алюминия, медь, и т.д., а в качестве магнитоактивного покрытия применяют Mg-P с повышенным содержанием бора в 2-3 раза, нитрид титана или двуокись кремния. В заключительной стадии обработки осуществляют низкотемпературный отпуск в диапазоне 500-550°С. Причем для обработки листов стали толщиной 0,23-0,50 мм применяют лазер с длиной волны 10,46 мкм, формирующий узкие зоны, при оптимальных промежутках, в интервале 4-14 мм, а для тонколистовой стали 0,05-0,20 мм - с длинной волны λ=1-2 мкм и межзонными промежутками 2-8 мм.

Способ опробован на образцах, листовой анизотропной трансформаторной стали, марки 3407 (B₈₀₀=1,89 Тл, толщина 0,27 мм). В таблице представлены магнитные потери и их изменение после ЛЛО и последующего отжига при различных температурах.

Покрытие Mg-P-B в зоне ЛЛО	Свойство	Магнитные потери (Вт/кг) и их изменение (%)
При состояниях	При температурах отжига (°С)
Исх.	ЛЛО	500	600	700	800
Обычное	P1,7/50, ВТ/КГ	1,18	1,01	1,00	1,04	1,10	1,14
Изменение, %	-	14,5	15,5	12	7	3
Термо-усиленное	P1,7/50, Вт/КГ	1,18	0,97	0,95	0,99	1,01	1,03
Изменение, %	-	16	18	14,5	13	11

Из таблицы видно, предлагаемый способ ЛЛО стали при ее последующем отжиге с температурой 600°С сохраняет почти полную величину эффекта, создаваемую обычной ЛЛО (14,5%), а при температуре 800°C, при которой эффект обычной ЛЛО практически исчезает, новый способ обработки сохраняет 2/3 величины эффекта снижения магнитных потерь (11%).

Таким образом, заявляемый способ изготовления и обработки листовой анизотропной трансформаторной стали, позволяет, получать сталь с высоким уровнем физико-механических свойств, более устойчивых к эксплуатационным воздействиям. Существенное увеличение качества анизотропной трансформаторной стали, при относительно малых технических и энергетических затратах на ее обработку, характеризует данный способ как перспективный для широкого внедрения на производстве, что позволит развивать электротехнические устройства на новом качественном уровне.

1. Способ обработки анизотропной электротехнической стали Fe-3%Si, включающий обработку стальных листов толщиной 0,05-0,50 мм, подвергнутых отжигу для вторичной рекристаллизации и имеющих изоляционные конечные покрытия лазером непрерывного излучения путем сканирования движущегося листа в поперечном направлении относительно направления его движения, отличающийся тем, что в зонах лазерной обработки стальных листов дополнительно насаждают локальные дефекты и одновременно формируют пластической деформацией локальное поверхностное сжатие на глубину не более 1/4 толщины листа стали, причем в качестве основы дефектов используют слабомагнитные порошкообразные вещества, имеющие намагниченность насыщения 200-500 Гс, которые насыпают на поверхность стальных листов, или наносят магнитоактивным покрытием, или дополнительно насыпают на покрытие, а на заключительной стадии обработки осуществляют низкотемпературный отпуск в диапазоне 500-550°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слабомагнитного порошкообразного вещества используют мелкодисперсные ингибиторы в виде сульфида марганца, оксида цинка, оксида алюминия или меди.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве магнитоактивного покрытия используют Mg-P с повышенным в 2-3 раза содержанием бора путем растворной керамики, или двуокись кремния - нагревом в окислительной среде, или нитрид титана - ионно-плазменным осаждением в вакууме.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для обработки листов стали толщиной 0,23-0,50 мм применяют лазер с длиной волны 10,46 мкм, формирующий узкие зоны с промежутками 4-14 мм, а для тонколистовой стали 0,05-0,20 мм - с длиной волны λ=1-2 мкм и межзонными промежутками 2-8 мм.