CC BY
35
УДК 621.758; 537.622
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-970-973
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ДИНАМИКУ МАГНИТНЫХ ДОМЕНОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА Ре-3%81 СПЛАВА
© Ю.Н. Драгошанский, В.И. Пудов
Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, e-mail: [email protected]; рМоу@тр.игап.ги
Исследованы вид и распределение дислокационных структур, упорядоченных деформационных зон и их влияние на динамику магнитных доменов в лентах анизотропной электротехнической стали с ребровой (110)[001] кристаллографической текстурой. Выявлены источники возникновения неоднородных внутренних напряжений при изготовлении материала, влияющих на магнитные потери. Определены роль дробления полосовых 180° доменов в изменении магнитных свойств стали и условия оптимизации деформационных воздействий на ее структуру.
Ключевые слова: доменная структура; неоднородности; магнитные потери; покрытия; лазерная обработка.
Изучение различной структуры и физических свойств современных анизотропных электротехнических сталей (АЭС) является необходимым этапом для перспективного их модифицирования [1]. Составной частью таких исследований является изучение встречающихся в сталях различных видов неоднородностей кристаллической и магнитной структур, а также причин их возникновения [2-9].
В данной работе исследовали влияние дислокационных структур, упорядоченных зон тепловой деформации, концентрации углерода, а также плоскостных растяжений на размерные параметры и поведение магнитных доменов в переменных магнитных полях, а также на величину гистерезисных (Рг), вихретоковых (Рв) составляющих и полных удельных магнитных потерь (Р) стали марки 3409.
Показано, что комплексы ячеистых дислокационных структур, возникающих под воздействием напряжений при рекристаллизационном отжиге и во время растяжения ленты для исправления ее рулонной кривизны, оказывают значительное влияние на повышение магнитных потерь. Обнаружено различие дислокационной структуры по длине и ширине рулона, связанные с процессами ползучести [4]. Наиболее деформированные участки в ленте стали с повышенной плотностью дислокаций от 5103 до 5-105 см-2, возникающие вблизи движущихся в процессе рекристаллизации межкри-сталлитных границ (рис. 1), образуют субструктурные области, препятствующие движению доменных границ при перемагничивании.
В участках кристаллита с большой плотностью дислокаций нарушается структура полосовых доменов (рис. 2, в правом зерне вблизи межзеренной границы), и возникает комплекс каплевидных замыкающих доменов, имеющих внутриобъемные поперечно намагниченные домены [10]. Эти нарушения доменной структуры вызывают рост и гистерезисной, и вихретоковой составляющих магнитных потерь.
Рис. 1. 1 - повышенная плотность дислокаций; 2 - вблизи межкристаллитной границы; 3 - полосы скольжения. Увеличение х6
Рис. 2. 1 - нарушение участка 180° доменных границ; 2 -возникновение комплекса каплевидных замыкающих доменов; 3 - в зоне повышенной плотности дислокаций вблизи межзеренной границы. Увеличение х30
Определены условия снижения плотности дислокаций и уменьшения мощности удельных магнитных потерь в ленте стали. А именно, снижение растягивающих напряжений (а) и повышение температуры отжига при снятии рулонной кривизны ленты стали упрощают дислокационную структуру и приводят к снижению магнитных потерь при перемагничивании материала. Участки с повышенной плотностью дислокаций возникают также и около включений и сегрега-ций примесей.
Изменения дислокационной, доменной структур и магнитных потерь, наблюдаемые в результате отжига для снятия рулонной кривизны [4], сопоставлены с изменениями магнитных свойств в результате лазерной обработки и нанесения магнитоактивного изоляционного покрытия на сталь.
Выявлено, что в высокотекстурованной крупнозернистой (0 ~ 20-30 мм) АЭС создание локальной лазерной обработкой (ЛЛО) узких зон, отличающиеся по структуре от остального ее объема и ориентированных поперек оси магнитной текстуры на расстояниях меньших размеров зерен, в 3-4 раза уменьшает ширину полосовых 180-градусных доменов (рис. 3). Эффект дробления полосовых магнитных доменов связан с появлением локальных магнитных полей рассеяния над сжатыми зонами воздействия лазера, а также с появлением растягивающих напряжений в межзонных промежутках ленты стали.
Сужение полосовых доменов приводит к уменьшению скоростей движения доменных границ, вихретоко-вой составляющей (на 30-40 %) и полных магнитных потерь, снижение которых составляет 10-20 % в зависимости от степени совершенства ребровой кристаллографической текстуры (110)[001] в ленте стали. Установлено, что выбор оптимальных параметров ЛЛО, проводимой на последнем этапе изготовления АЭС, требует учета размера зерна, толщины ленты и характеристик электроизоляционного магнитоактивного (растягивающего металл) покрытия. Определены напряжения и характер изгиба ленты стали при ЛЛО и найдены условия их снижения [11].
К уменьшению ширины основных полосовых 180° доменов и скоростей движения их границ, и следовательно, к снижению вихретоковой составляющей магнитных потерь приводит использование неорганического электроизоляционного магнитоактивного покрытия на основе борсодержащего магний-фосфата [7; 12]. Оно имеет коэффициент теплового расширения меньший, чем у сплава Ее-3%Б1 (КТР ~ 6-10-6 К-1 и 13-10"6 К-1 соответственно). Поэтому в оптимальных условиях, обеспечивающих удовлетворительную его адгезию к металлу, при нанесении на сталь методом растворной керамики и охлаждении созданного композита сплав-покрытие от повышенной температуры ~800 °С оно соз-
Рис. 3. 1 - ширина доменов до (слева) и после (справа) локальной лазерной обработки; 2 - вертикально расположенные зоны ЛЛО. Увеличение х3
Рис. 4. Доменная структура сплава Бе-3%81 без покрытия (а), с магний-фосфатным покрытием (в); 1 - магнитные домены; 2 - зона лазерного воздействия; 3, 3', 4, 4', 5, 5' - кристаллы сплава. Увеличение х5
дает в лентах сплава плоскостные напряжения. При этом, вследствие анизотропии модуля упругости в ленте сплава с ребровой текстурой (110)[001], в плоскостных напряжениях, создаваемых покрытием, преобладает их продольная составляющая в направлении [001], величина которой ~1 кг/мм2. В результате повышения одноосной магнитной анизотропии практически полностью исчезают поверхностные замыкающие каплевидные домены (рис. 4а, 4б), связанные с внутриобъ-емными доменами поперечной намагниченности. Из табл. 1 следует, что с уменьшением толщины (5) ленты сплава от 0,3 до 0,1 мм создаваемые покрытием толщиной ~2 мкм (на каждую сторону) напряжения (а) существенно увеличиваются. Это приводит к уменьшению ширины (Б) основных полосовых 180° доменов в ~2 раза и объема замыкающих 90° доменов с поперечной намагниченностью, что вызывает снижение гистерезисной и вихретоковой составляющих, а также полных магнитных потерь при перемагничивании на 7, 10 и 9 % соответственно для ленты стали толщиной 0,2 мм (табл. 1).
Таблица 1
Магнитные потери стали 3409 в зависимости от 5, а
5,
мм
а,
кг/мм2
ДБ, мм
Р + Р = Р
1,7/50
Вт/кг
0,3 0,2 0,1
0,65 0,82 1,14
0,88-0,42 0,80-0,36 0,90-0,40
0,24 + 0,72 = 0,96 0,28 + 0,50 = 0,78 0,30 + 0,46 = 0,76
0,23 + 0,66 = 0,89 0,26 + 0,45 = 0,71 0,28 + 0,40 = 0,68
Р + р = р р г р в р о
Рис. 5. 1 - зона отдельных дислокаций; 2 - ячеистой дислокационной структуры; 3 - вблизи деформированного края образца. Увеличение х100
"W
.3
Рис. 6. 4 - зарождение домена; 2 - в зоне повышенной плотности дислокаций; в процессе рекристаллизации при ТО образца; 3 - структура края образца без деформации. Увеличение х200
При 5 = 0,1 мм ДРг = 7 %, ДРв = 13 %, ДР1)7/50 = 10,5 %. При 5 = 0,2 мм ДРг = 7 %, ДРв = 10 %, Др1,7/50 = 9 %. При 5 = 0,3 мм ДРг = 4 %, ДРв = 8,5 %, ДР1,7/50 = 7,5 %.
Отметим, что краевые участки ленты, где при механической вырезке создаются значительные напряжения и повышенная плотность дислокационных структур (ячеек) (рис. 5), могут служить источниками зарождения новых кристаллитов в процессе вторичной рекристаллизации (рис. 6).
Обнаружено неоднородное распределение углерода по ширине ленты стали - от 0,006 в середине до 0,040 % у края после высокотемпературного отжига, а также появление выделений цементита на границах краевых зерен в участках с повышенным содержанием углерода.
В таких образцах стали коэрцитивная сила возрастает в 3 раза, от 8 до 28 А/м, и индукция В800 (в магнитном поле 800 А/м) уменьшается от 1,89 до 1,86 Тл.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Драгошанский Ю.Н., Пудов В.И. Улучшение магнитной структуры и свойств магнитомягких сплавов при модификации их поверхности // ФХОМ. 2013. № 3. С. 48-52.
2. Молотилов Б.В. Магнитная структура деформированного и поли-гонизованного железокремнистого сплава // Прецизионные сплавы: сборник. М.: ГНТИ, 1962. Вып. 25. С. 24-32.
3. Тройбле Г., Зегер А. Влияние дефектов кристаллической решетки на процессы намагничивания в ферромагнитных кристаллах // Р. Бернера и Г. Кронмюллера. Пластическая деформация монокристаллов. М.: Мир, 1969. С. 201-254.
4. Паркер Э.Р., Уошбери Дж. Роль границ в явлениях ползучести // Ползучесть и возврат: сборник. М.: Металлургиздат, 1961. С. 260290.
5. Соколов Б.К., Драгошанский Ю.Н., Матвеева В.С., Цырлин М.Б. и др. Неоднородность магнитных свойств анизотропной электротехнической стали и особенности дислокационных структур // Дефектоскопия. 2004. № 11. С. 69-78.
6. Драгошанский Ю.Н., Пудов В.И. Формирование структурных неоднородностей и улучшение функциональных свойств электротехнической стали // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2013. Т. 18. Вып. 4. Ч. 2. С. 1580-1581.
7. Драгошанский Ю.Н., Пудов В.И. Влияние лазерной обработки и неорганических магнитоактивных покрытий на динамические магнитные свойства магнитомягких материалов // Неорганические материалы. 2013. Т. 49. № 7. С. 714-722.
8. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Перспективность применения аморфно-кристаллических покрытий для магнитомягких сплавов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 8. С. 44-48.
9. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Доменная структура и магнитные потери шихтованных магнитопроводов при лазерной обработке // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сборник научных трудов 9 Междунар. науч.-техн. конф. Минск: ФТИ НАН Беларуси, 2014. Кн. 2. С. 284-290.
10. Шур Я.С., Драгошанский Ю.Н. О виде замыкающих доменов внутри кристаллов кремнистого железа // ФММ. 1966. Т. 22. № 5. С. 702-710.
11. Драгошанский Ю.Н., Каренина Л.С., Соловей В.Д., Пужевич Р.Б. Возникновение напряжений в электротехнической анизотропной стали в процессе ее лазерной обработки // ФММ. 2011. Т. 112. № 2. С. 140-145.
12. Пудов В.И., Драгошанский Ю.Н. Способ улучшения магнитных свойств анизотропной электротехнической стали лазерной обработкой // Патент РФ № 2561866. 2013. Бюллетень изобретения № 35.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена по теме «Магнит» № 01201463328, частично по проекту УрО № 15-17-2-53.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 621.758; 537.622
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-970-973
INFLUENCE OF STRUCTURAL INHOMOGENUITY ON THE DYNAMICS OF MAGNETIC DOMAIN AND THE ELECTROMAGNETIC PROPERTIES
OF Fe-3%Si ALLOY
© Y.N. Dragoshanskiy, V.I. Pudov
Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, e-mail: [email protected]; [email protected]
The type and distribution of the dislocation structures, deformation ordered zones and their influence on the appearance and dynamics of magnetic domains in the ribbons of anisotropic electrical steel with rib (110)[001] crystallographic texture are investigated. It is shown that the inhomogenuity of the crystal structure - the change in the dislocation density, the content of nonmagnetic impurities in different sections along the length and width of steel ribbon can cause a change in the magnetic properties corresponding to two or three grades. The influence of crushing striped 180-degree domains on the electromagnetic properties of the steel and the conditions of optimization of the deformation effects on the steel are discussed. Key words: domain structure; inhomogenuity; magnetic losses; coating; laser treatment.
REFERENCES
1. Dragoshanskiy Yu.N., Pudov V.I. Uluchshenie magnitnoy struktury i svoystv magnitomyagkikh splavov pri modifikatsii ikh po-verkhnosti. Fizika i khimiya obrabotki materialov — Physics and Chemistry of Materials Treatment, 2013, no. 3, pp. 48-52.
2. Molotilov B.V. Magnitnaya struktura deformirovannogo i poligonizovannogo zhelezokremnistogo splava. Pretsizionnye splavy. Moscow, GNTI, 1962, Vol. 25, pp. 24-32.
3. Troyble G., Zeger A. Vliyanie defektov kristallicheskoy reshetki na protsessy namagnichivaniya v ferromagnitnykh kristallakh. Kronmyullera. Plasticheskaya deformatsiya monokristallov. Moscow, Mir, 1969, pp. 201-254.
4. Parker E.R., Uoshberi Dzh. Rol' granits v yavleniyakh polzuchesti. Polzuchest' i vozvrat. Moscow, Metallurgizdat Publ., 1961, pp. 260290.
5. Sokolov B.K., Dragoshanskiy Yu.N., Matveeva V.S., Tsyrlin M.B., i dr. Neodnorodnost' magnitnykh svoystv anizotropnoy elektrotekh-nicheskoy stali i osobennosti dislokatsionnykh struktur. Defektoskopiya, 2004, no. 11, pp. 69-78.
6. Dragoshanskiy Yu.N., Pudov V.I. Formirovanie strukturnykh neodnorodnostey i uluchshenie funktsional'nykh svoystv elektrotekhnicheskoy stali. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences. Tambov, 2013, vol. 18, no. 4, pt. 2, pp. 1580-1581.
7. Dragoshanskiy Yu.N., Pudov V.I. Vliyanie lazernoy obrabotki i neorganicheskikh magnitoaktivnykh pokrytiy na dinamicheskie magnit-nye svoystva magnitomyagkikh materialov. Neorganicheskie Materialy — Inorganic Materials, 2013, vol. 49, no. 7, pp. 714-722.
8. Pudov V.I., Dragoshanskiy Yu.N. Perspektivnost' primeneniya amorfno-kristallicheskikh pokrytiy dlya magnitomyagkikh splavov. Uprochnyayushchie tekhnologii i pokrytiya — Strengthening Technologies and Coatings, 2013, no. 8, pp. 44-48.
9. Pudov V.I., Dragoshanskiy Yu.N. Domennaya struktura i magnitnye poteri shikhtovannykh magnitoprovodov pri lazernoy obrabotke. 9 Mezhdunarodnaya nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya "Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov". Minsk, FTI NAN Belarusi, 2014, kn. 2, pp. 284-290.
10. Shur Ya.S., Dragoshanskiy Yu.N. O vide zamykayushchikh domenov vnutri kristallov kremnistogo zheleza. Fizika metallov i metallo-vedenie — The Physics of Metals and Metallography, 1966, vol. 22, no. 5, pp. 702-710.
11. Dragoshanskiy Yu.N., Karenina L.S., Solovey V.D., Puzhevich R.B. Vozniknovenie napryazheniy v elektrotekhnicheskoy anizotropnoy stali v protsesse ee lazernoy obrabotki. Fizika metallov i metallovedenie — The Physics of Metals and Metallography, 2011, vol. 112, no. 2, pp. 140-145.
12. Pudov V.I., Dragoshanskij Ju.N. Sposob uluchshenija magnitnyh svojstv anizotropnoj jelektrotehnicheskoj stali lazernoj obrabotkoj. Patent RF no. 2561866, 2013. Bjulleten' izobretenija no. 35.
GRATITUDE: The work is made on the theme "Magnet" no. 01201463328, partly according to the project UrB no. 15-17-2-53.
Received 10 April 2016
Драгошанский Юрий Николаевич, Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Dragoshanskiy Yuriy Nikolaevich, Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Main Scientific Worker, e-mail: [email protected]
Пудов Владимир Иванович, Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, доцент, зав. лабораторией, e-mail: [email protected]аn.ru
Pudov Vladimir Ivanovich, Institute of Metal Physics named after M.N. Micheev, UrB RAS, Yekaterinburg, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor, Head of Laboratory, e-mail: [email protected]аn.ru
