Магнитные свойства электротехнической стали - Влияние повторного отжига на магнитные и электрические свойства стали

Ухудшение магнитных свойств, связанное с технологическими операциями, изложенными в § 7-1, могут быть в одних случаях почти в полной мере, а других частично устранено повторным отжигом. Снятие напряжений в наклепанных пластинах происходит путем возврата и рекристаллизации. Различают две стадии возврата — отдых и полигонизацию [Л. 7-7]. Под отдыхом понимают уменьшение точечных дефектов и перераспределение дислокаций без образования новых границ, а под полигонизацией — образование малоугольных границ. Внутри зерен возникают новые границы между субзернами, которые имеют между собой малую разориентировку.
Снятие напряжений путем возврата происходит при малых деформациях. При сравнительно больших деформациях (ε>2%) при отжиге стали происходит рекристаллизация и вновь образованные зерна свободны от напряжений.
В [Л. 7-8] показано, что при деформации горячекатаной трансформаторной стали до 1 % и повторном отжиге при 800 °C коэрцитивная сила не восстанавливается до прежних значений, что видно из следующих данных:

При изготовлении магнитопроводов на электромашиностроительных заводах значительная деформация металла имеется только на участках, непосредственно прилегающих к линии реза заготовки. По [Л. 7-9] зона наклепа распространяется на глубину до 1 мм. Для полос шириной более 30 мм зона наклепа по сравнению с общим объемом металла сравнительно мала, поэтому неполное восстановление свойств в зоне деформации будет незначительно сказываться на магнитных свойствах всего объема металла.
По данным фирмы Сурахаммер (Швеция) снижение удельных потерь при повторном отжиге пластин холоднокатаной стали марки М-6 составляет:

В эпштейновских полосках шириной 30 мм удельные потери после повторного отжига снижаются на 8—15%. На пластинах шириной менее 30 мм зона наклепа от резки или штамповки может составлять значительную часть от общего объема металла. В табл. 7-4 [Л. 3-2] приводится процент увеличения коэрцитивной силы и удельных потерь в полосках шириной 2,5—10 мм после повторного отжига при 800 °C в течение 2 ч.
Таблица 7-4
Увеличение коэрцитивной силы и удельных потерь, %, в полосках шириной 10,5 и 2,5 мм по отношению к полоскам шириной 30 мм после повторного отжига

Из данных табл. 7-4 следует, что в полосках шириной 2,5 мм Нс и р1,5/50 после повторного отжига превышает исходное значение на 40% в холоднокатаной текстурованной стали и до 10—20% в горячекатаной стали. Значительное увеличение Нс и р1,5/50 в узких полосках холоднокатаной стали после повторного отжига следует объяснить следующим: в улучшении магнитных свойств этой стали значительную роль играет магнитная текстура, которая является очень чувствительной к напряжениям. Достаточно сказать, что при отжиге полос шириной 30 мм с наклепом от резки магнитострикция насыщения снижается с (8—10) 10-6 до (1—3) 10-6. Так как в узких полосках и после повторного отжига сохраняется некоторая зона наклепа, то это приводит к ухудшению магнитной текстуры. В горячекатаной электротехнической стали по этой причине не происходит ухудшения магнитных свойств.
Если проводить повторные отжиги пластин текстурованной холоднокатаной стали при более высоких температурах, то согласно [Л. 7-9, 1-44] на участках, прилегающих к линии реза, вырастают новые беспорядочно ориентированные зерна, что даже не способствует полному восстановлению магнитных свойств.
В табл. 7-5 по данным [Л. 1-44] показано изменение удельных потерь в холоднокатаной текстурованной и малотекстурованной стали после деформации с ε=0,1 и 3% и повторных отжигов при разных температурах.
Таблица 7-5
Степень ухудшения удельных потерь холоднокатаной стали после деформации и повторного отжига

В образце холоднокатаной стали с деформацией ε=30/0 при повышении температуры повторного отжига с 900 до 1 100°С удельные потери заметно возрастают, что связано с увеличением объема зерен с беспорядочной ориентацией. В образцах нетекстурованной и малотекстурованной стали за счет укрупнения зерна при повторном отжиге можно получить лучшие магнитные свойства по отношению к исходному состоянию, что наглядно видно из последних двух строк табл. 7-5.
Величина зерна и коэрцитивная сила в образцах динамной стали

Это можно подтвердить еще следующим примером. Если мелкозернистую динамную сталь в полосках шириной 2,5 мм подвергнуть повторному отжигу, то можно получить снижение коэрцитивной силы по сравнению с начальным состоянием (табл. 7-6). В настоящее время широкое применение находят витые магнитопроводы, в которых деформация металла зависит от радиуса изгиба и толщины ленты. При толщине ленты 0,36 мм и r=80 мм поверхностные слои ленты уже будут испытывать пластическую деформацию, а внутренние — упругую. Отличительная особенность такого вида деформации состоит в деформации всего объема металла, что может приводить к еще более существенному ухудшению магнитных свойств, чем при штамповке. По данным [Л. 710] после навивки из холоднокатаной стали магнитопроводов диаметром 20—28 мм максимальная проницаемость снижается в 16 раз, а магнитные характеристики имеют значения, представленные в табл. 7-7.
Таблица 7-7
Магнитные свойства холоднокатаной стали после деформации изгибом и повторного отжига

Несмотря на то, что повторный отжиг проводился при t=1 160 °C, полного восстановления магнитных свойств не получилось. Снижение магнитной индукции В2500 с 1,86 до 1,76 тл говорит так же об ухудшении кристаллической текстуры за счет роста при повторном отжиге новых зерен с беспорядочной ориентацией.
На основании того, что восстановление магнитных свойств после наклепа и повторного отжига происходит не в полной мере, в [Л. 7-8] поставлен вопрос о широком использовании на электромашиностроительных заводах стали неотожженной металлургическими предприятиями. Отжиг штамповок у потребителя должен при этом проводиться по режиму, указываемому поставщиком.
В соответствии с ГОСТ 9925-61 холоднокатаная лента толщиной 0,15—0,08 мм в настоящее время поставляется в неотожженном состоянии, а на заводах-потребителях производится высокотемпературный отжиг сердечников.
В [Л. 4-20] изучались удельные потери и проницаемость в ленточных магнитопроводах из стали Э360 толщиной 0,08 мм, изготовленных по следующим трем вариантам:
первый вариант — ленту, прошедшую высокотемпературный отжиг, навивали на оправку без натяжения и отжигали повторно при t=850°C в течение 4 ч;
второй вариант — ленту, также прошедшую высокотемпературный отжиг, навивали на оправку с натяжением 500 кгс/см² и подвергали повторному отжигу при 850 °C в течение 4 ч;
третий вариант — ленту, не прошедшую высокотемпературного отжига, навивали на оправку с натяжением 500 кгс/см² с нанесением термостойкого покрытия и подвергали высокотемпературному отжигу.
Результаты измерения максимальной проницаемости на постоянном токе получились следующие:

Из этих данных следует, что наибольшие значения максимальной проницаемости соответствуют магнитопроводу, изготовленному по третьему варианту, хотя различие в проницаемости между первым и третьим вариантом является небольшим (12%). При частоте переменного поля 1 000 гц это различие в магнитных проницаемостях сохраняется примерно таким же:

Удельные потери при повышенной частоте переменного поля также являются наименьшими для третьего варианта магнитопроводов:

Заметно увеличенные потери для второго варианта магнитопроводов следует связать с плохой межвитковой изоляцией. Тем не менее из результатов [Л. 4-20] видно, что применение неотожженной холоднокатаной текстурованной ленты на заводах-потребителях с применением высокотемпературного отжига приводит к некоторому улучшению магнитных свойств стали. Учитывая это обстоятельство, в проекте ГОСТ на холоднокатаную ленту устанавливаются двойные нормы по магнитным характеристикам стали — в нагартованном или отожженном состоянии. Образцы, изготовленные из стали в нагартованном состоянии, должны на заводах-потребителях подвергаться высокотемпературному отжигу, а из отожженной — низкотемпературному (750—850°C).
Для стали Э360А в разрабатываемом стандарте взамен ГОСТ 9925-61 устанавливается следующее различие в магнитных характеристиках (табл. 7-8). Магнитные характеристики стали указаны после высокотемпературного отжига у потребителя.
Таблица 7-8
Значения магнитных характеристик холоднокатаной ленты Э360А, поставляемой в нагартованном или отожженном состояниях

Малое различие в удельных потерях при частоте переменного поля 400 гц в ленте разной толщины (0,15—0,08 мм), как следует из гл. 3, объясняется тем, что снижение потерь от вихревых токов в ленте толщиной 0,08 мм почти полностью скомпенсировано увеличением потерь от гистерезиса. При повышенной частоте такая компенсация будет происходить в меньшей степени, что видно из данных, представленных в табл. 7-9 (проект ГОСТ). 
Таблица 7-9
Удельные потери при частоте 1 000 гц холоднокатаной ленты, поставляемой в нагартованном или отожженном состоянии

Широкое применение находит холодкатаная малокремнистая динамная сталь. В отожженном состоянии она является очень вязкой и штамповка пластин сложной формы из такой стали затруднена. По [Л. 7-11] штампы из нагартованной динамной стали выдерживают в 2 раза больше ударов, чем из отожженной. Поставка этой стали в нагартованном виде с последующим низкотемпературным отжигом на электромашиностроительных заводах несет экономическую выгоду не только от увеличения стойкости штампов, но и от использования в полной мере магнитных свойств стали [Л. 7-12].
Что касается холоднокатаной текстурованной стали толщиной 0,28—0,50 мм, поставляемой в виде рулонов и идущей для изготовления главным образом крупных магнитопроводов, то ее конечный отжиг целесообразно проводить на металлургических заводах.

Условия отжига стали

Рис. 7-5. Кривые нагрева пластин трансформаторной стали в печи типа ОКБ-885.
Выбор режима повторного отжига пластин, штамповок и ленточных сердечников зависит от характера и степени их деформации, марки стали, ее состава по легирующим элементам и тем магнитным характеристикам, которые имеют основное значение для данного вида изделий.
Для холоднокатаной текстурованной стали, применяемой в крупных магнитопроводах, сейчас для повторного отжига широкое применение находят проходные печи. Нашей промышленностью выпускается печь ОКБ-885 [Л. 7-13], которая имеет следующие характеристики: максимальная температура 800 °C; длина печи 28 м; скорость прохождения пластин 7 м/мин, производительность печи 1,5 т/ч.
Изменение температуры по длине печи показано на рис. 7-5. Полный цикл отжига в этой печи составляет всего около 3 мин, а скорость охлаждения при 800-400°С примерно равна 24 000°С/ч. Отжиг пластин в этой печи проводиться поштучно.
пластин в этой печи производится поштучно, то по плоскости пластин практически не возникают градиенты температур и никакого коробления металла по этой причине нет.
Что касается восстановления магнитных свойств при таком кратковременном отжиге, то они восстанавливаются в такой же степени, как и после отжига в контейнерных печах. По данным [Л. 7-14] отжиг пластин трансформатора ТМ 1000/10-А в проходной печи снижает удельные потери на 6—7%, а ток холостого хода — на 17%.
Согласно [Л. 1-55] по исследованию эпштейновских образцов стали Э330—Э330А после повторного отжига имеется следующее снижение удельных потерь:

Большая скорость охлаждения пластин после отжига может привести к увеличению потерь при длительной эксплуатации за счет процессов старения (гл. 5). Учитывая, что холоднокатаная текстурованная сталь является достаточно чистой по включениям, у нее не получается заметного увеличения коэффициента старения от отжига в проходной печи [Л. 7-15].
По данным [Л. 1-55] в стали Э330—Э330А коэффициент старения по этой причине возрос всего на 2%. Так как длительность отжига стали в проходной печи исчисляется минутами, то защитная атмосфера в печи может отсутствовать. Из [Л. 7-14] следует, что после такого отжига даже несколько улучшаются электроизоляционные свойства покрытия. Применение этих печей для отжига малотекстурованной стали, где может быть значительное количество примесей, следует предварительно апробировать.
Для пластин, которые охлаждаются пачками или стопами, скорость нагрева должна быть ограничена. При больших скоростях нагрева и охлаждения возникают значительные градиенты температур между отдельными участками пластин, что приводит к короблению пластин.
Ограничения по скорости нагрева и охлаждения должны прежде всего соблюдаться при высоких температурах отжига (>600°C), когда предел текучести металла очень мал. В каталоге английской фирмы Стил Компани Уэллс указывается, что при 700-800°С для пластин шириной 20 мм скорость нагрева может составлять 30—50 °С/ч, для пластин шириной 750 мм — 3—5°С/ч.
Чтобы избежать коробления, по данным [Л. 7-11] пластины по отношению к нагревателям необходимо располагать таким образом, чтобы вся поверхность пластины находилась в зоне равномерной температуры. Особенно перегреву или переохлаждению подвергаются углы пластин, которые необходимо закрывать с помощью отражающих тепло экранов. Оптимальная скорость нагрева и охлаждения при повторном отжиге зависит от профиля пластин, массы садки, типа и мощности печи.
Максимальная температура повторного отжига для холоднокатаной текстурованной стали с электроизоляционным покрытием составляет 790—820°С. Отжиг этой стали при более высокой температуре может привести к ухудшению электроизоляционных свойств покрытия.
В некоторых марках горячекатаной трансформаторной стали (Э41—Э43 с толщиной листа 0,5 мм) имеется повышенное содержание алюминия (0,07—0,12%). Если повторный отжиг такой стали проводить при 850°C, то можно получить существенное ухудшение свойств.
При температуре отжига выше 850 °C алюминий легко соединяется с кислородом и азотом, образуя увеличенное количество включений, которые тормозят процессы перемагничивания в стали.
В [Л. 7-16] изучалось влияние температуры повторного отжига пакетов статоров электродвигателей, изготовленных из динамной стали. При температуре отжига 800 °C удельные потери снижаются более существенно, чем при отжиге при 660 — 680 °C (табл. 7-10).
Таблица 7-10
Снижение удельных потерь в пакетах статоров при повторном отжиге при разных температурах

Холоднокатаную текстурованную сталь толщиной менее 0,20 мм, идущую для изготовления ленточных магнитопроводов с малым радиусом кривизны, лучше применять в неотожженном виде. Отжиг готовых магнитопроводов следует проводить по режиму, рекомендованному металлургическим заводом. Для штамповок и ленточных магнитопроводов малых размеров, изготовленных из отожженной нетекстурованной электротехнической стали (Si=3-4%) с малым содержанием алюминия (А1≤0,03%), повторный отжиг возможно проводить при более высоких температурах (900—1 200 °C) и длительных выдержках, исчисляемых часами. Если начальный отжиг стали проводится при 800 °C, то при повторном высокотемпературном отжиге магнитные свойства могут быть заметно улучшены.

Среда отжига

Среда повторного отжига зависит от максимальной температуры отжига и структурного состояния стали, т. е. от степени завершения процессов рекристаллизации, количества вредных примесей, способных удаляться или перераспределяться при дальнейших термических обработках. Для холоднокатаной текстурованной стали (Э330А, М-6 и др.), содержащей малое количество примесей, отжигаемой при 790-820°C, среда отжига должна быть нейтральной (азот), а при применении проходных печей возможен отжиг в окислительной атмосфере. Отжиг холоднокатаной стали с электроизоляционным покрытием в сухом водороде не рекомендуется из-за разрушения покрытия.
Особенно большое значение имеет среда отжига при отжиге стали с несовершенной структурой. По данным [Л. 2-15] при отжиге стали ЭО200 в азотно-водородной смеси удельные потери получаются заметно ниже, чем при отжиге в азоте (табл. 7-11).
Таблица 7-11
Магнитные свойства стали ЭО200 при отжиге в разных средах

Большое распространение получил отжиг в вакууме при разной степени разряжения (10-1—10-4 мм рт. ст.), при котором происходят также процессы рафинирования стали.
Для листовой стали, не имеющей электроизоляционного покрытия, при термической обработке применяется оксидирование. По данным [Л. 7-17] оптимальной температурой оксидирования в воздушной атмосфере является 650—700 °C с выдержкой в печи 15—20 мин. Температура оксидирования существенно зависит от содержания кремния. Толщина оксидной пленки при таком режиме оксидирования составляет 3—5 мкм, а ее электроизоляционные свойства не уступают лаковой пленке.
В гл. 4 показывается, что применение длительного низкотемпературного отжига в слабоокислительной среде (600 °C в течение 20—40 ч) приводит к заметному повышению проницаемости в слабых полях. В [Л. 7-18] также показывается, что при оксидировании стали происходит улучшение ее магнитных свойств. Исследуя холоднокатаную сталь Э310, они получили повышений проницаемости, при 0,8 а/м за счет оксидирования в 3—5 раз. Такое изменение магнитных свойств можно объяснить уменьшением концентрации примесей и переходом их в окислы. Однако улучшение магнитных свойств в холоднокатаной текстурованной стали при создании оксидных пленок в [Л. 2-40] связывается с наведением магнитной текстуры вдоль направления прокатки.
Таким образом, применяя оксидирование магнитопроводов из холоднокатаной текстурованной ленты при 600-800 °C можно одновременно с созданием оксидной пленки улучшить свойства стали, как это получается и при нанесении термостойкого электроизоляционного покрытия. Нанесение оксидной пленки на термостойкое электроизоляционное покрытие уже не может заметно улучшить свойства стали. При длительных нагревах стали (20—40 ч) в окислительной среде при 600-700°C, описанных в гл. 4, повышение проницаемости связывается с перераспределением примесей по объему зерна.
В [Л. 4-13] показывается, что плотность дислокаций после таких отжигов значительно снижается, а на границах зерен возникает увеличенное количество примесей Подтверждением последнего является другой характер излома при испытании на перегиб. Если в образцах, не подвергнутых низкотемпературному отжигу, излом металла происходит не только на границах, но и по телу зерен, то в образцах с длительным низкотемпературным отжигом — только по границам зерен.

ВЛАДИМИР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ ДРУЖИНИН
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ