Влияние механических напряжений электроизоляционных покрытий на доменную структуру и магнитные свойства кремнистого железа

-2-
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ .................................................... 6
ГЛАВА I. ВЛИЯНИЕ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ И ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗ О-КРЕМНИСТЫХ СПЛАВОВ ( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).................................. 16
1.1. Доменная структура пластин кремнистого железа (^З^ЗП, ограниченных плоскостями типа (ОН) .............................................. 16
1.2. Влияние упругих напряжений на доменную структуру и магнитные свойства железо-крем-нистых сплавов .................................... 22
1.2.1. Линейное растяжение (сжатие) ......... 24
1.2.2. Плоское (двухосное) напряженное состояние ....................................... 31
1.3. Влияние электроизоляционных покрытий на доменную структуру и магнитные свойства трансформаторной стали ................................. 36
1.3.1. Термостойкое магний-еиликатное покрытие (грунтовый слой) ....................... 38
1.3.2. Магний-фосфатное электроизоляционное покрытие ..................................... 42
1.3.3. Остаточные макронапряжения, создаваемые электроизоляционными покрытиями
в трансформаторном железе ............ 48
1.4. Постановка задачи исследований .............. 52
ГЛАВА 2. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ................... 55
2.1. Исследуемые образцы ......................... 55
2.2. Методика исследования магнитных свойств .. 58
2.3. Способ и устройство для измерения продольных деформаций, создаваемых электроизоляци-
-3-
онными покрытиями в листовом прокате .... 62
2.4. Измерение прогибов полос трансформаторной стали с электроизоляционным покрытием на одной стороне .................................... 70
2.5. Интерференционный метод изучения кривизны пластин электротехнической стали с покрытием на одной стороне .......................... 72
2.6. Методика наблюдения доменной структуры .. 76
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, СОЗДАВАЕМЫХ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫМИ ПОКРЫТИЯМИ В
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СТАЛЯХ С РЕБРОВОЙ ТЕКСТУРОЙ .............................................. 78
3.1. Определение остаточных макронапряжений и деформаций в листе трансформаторного железа с поверхностью типа (ОН) при двухстороннем удалении покрытия ...................... 78
3.2. 0 распределении напряжений электроизоляционных покрытий в листе электротехнической стали по толщине металла Ьм.................. 91
3.3. Исследование напряжений электроизоляционных покрытий по кривизне пластин анизотропной электротехнической стали при одностороннем удалении покрытия............................. 97
3.4. К вопросу об анизотропии напряжений, создаваемых электроизоляционными покрытиями
в листе трансформаторного железа с поверхностью (011) ................................ 108
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ПЛОСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА
ДОМЕННУЮ СТРУКТУРУ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КРЕМНИСТОГО ЖЕЛЕЗА.................................... 112
-4-
4.1. Влияние двухосного растяжения (сжатия) в плоскости (011) на распределение спонтанной намагниченности 3$ 0 трехосном кристалле типа Го. - 2,% 9)1 ............... 112
4.2. Двухосное растяжение (сжатие) кристаллов кремнистого железа в плоскостях, образующих углы^ и ^ с плоскостью (ОН).. 126
4.3. Роль создаваемых электроизоляционными покрытиями упруго-растягивающих напряжений в формировании магнитных свойств листовой электротехнической стали .... 139
4.3.1. Упруго-растягивающие макронапряжения в металле и энергетический
их эквивалент ....................... 140
4.3.2. 0 зависимости магнитной активности электроизоляционного покрытия от совершенства ребровой текстуры и особенностей напряженного состояния в листе электротехнической стали .................................. 145
КРАТКИЕ ВЫВОДЫ............................................. 154
ЛИТЕРАТУРА.................................................. 158
ПРИЛОЖЕНИЕ ................................................. 175
-5-
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ДС - доменная структура
ДГ - доменные границы
ОДН - ось легкого намагничивания
КТР - коэффициент термического расширения
МТ - магнитная текстура
ЛХ - листовая электротехническая сталь
X - электротехническая сталь
Ш - электроизоляционное покрытие
НП - направление прокатки
ВИЗ - Верх-Исетский завод
ВИТ - Всесоюзный институт трансформаторостроения ЗТЗ - Запорожский трансформаторный завод НЛМЗ - Новолипецкий металлургический завод
-6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В связи с развитием автоматики, вычислительной техники, средств связи, радиоэлектроники, электротехники и других отраслей промышленности потребность в магнитомягких материалах постоянно растет. Неуклонно повышаются и требования к уровню их магнитных свойств. Одним из наиболее важных магнитомягких материалов является анизотропная электротехническая сталь (листовое трансформаторное железо), представляющая собой сплав железа и кремния (~3%SL ) с кристаллографической текстурой (ОН)<100>. Количество этого материала и его качество в значительной мере определяют возможности энерговооружения страны, а следовательно, и ёё экономическую мощь в целом. Как отмечается в монографии академика С.В. Вонсовского [I] : "Годовое производство этих материалов во всем мире исчисляется многими миллионами тонн. Отсюда вытекает огромная важность задачи создания электротехнических материалов самого высокого качества. Чтобы подчеркнуть государственное значение проблемы улучшения свойств этих магнитных материалов, достаточно вспомнить, что при многокаскадной передаче электроэнергии от электростанций к потребителю в генераторах, моторах, электродвигателях и трансформаторах теряется много энергии на перемагничивание и токи Фуко... Повышение качества электротехнического материала не только дает экономию за счет снижения потерь, но также позволяет значительно уменьшить габариты машин и трансформаторов, что влечет за собой большую экономию цветных металлов и других дефицитных материалов. Таким образом, проблема улучшения качества даже только трансформаторного и динамного листового железа, особенно в связи с планами стремительного роста энергетики, будет приобретать все большую актуальность. Не случайно, что над этой проблемой работают весьма интенсивно в сотнях лабораторий мира".
-7-
Многие магнитные характеристики ферромагнетиков в конечном счете определяются их доменной структурой (ДС) и особенностями ее перестройки (поведения) в магнитном поле, при изменении температуры, под влиянием механических напряжений и других воздействий. Упругие механические напряжения«^ как правило существенным образом изменяют ДС, процессы намагничивания (перемагничива-ния) в кристаллах кремнистого железа и такие практически важные его свойства, как мощность электромагнитных потерь, магнитную проницаемость, коэрцитивную силу, магнитострикцию. Изучение магнитоупругих явлений позволяет глубже понять физику процессов формирования магнитных свойств в данном материале, без знания которых невозможно его эффективное использование, и до настоящего времени привлекает цристальное внимание многих исследователей как в нашей стране, так и за рубежем. Указанные исследования важны также и потому, что реальные (используемые на практике) магнитные материалы всегда испытывают воздействие остаточных механических напряжений бч,}.
Теория и опыт свидетельствуют о том [1,2,31 , что магнитоупругие явления могут существенно различаться в зависимости от вида, величины и характера, а также от ориентации нацряжений (компонент тензорав кристалле. Влияние простого (одноосного) растяжения (сжатия) на ДС и магнитные характеристики различных магнитомягких материалов, в том числе и железо-кремнистых сплавов, достаточно хорошо изучено в ряде теоретических и экспериментальных работ. В тоже время малоизученными остаются магнитоупругие эффекты, вызванные действием внешних упругих напряжений (эцболее сложного вида, чем одноосное и, в частности, - влиянием плосокго (двухосного) напряженного состояния. До опубликования наших работ не были выявлены основные закономерности влияния двухосного растяжения (сжатия) на распределение спонтанной намаг-
-8-
ниченностиС5 и поведение ДС в кристалле кремнистого железа (~3% бс) в зависимости от знака, ориентации и величины отношения главных напряжений тензора Сэ'^ в кристалле. Мы не встречали работ, посвященных экспериментальному исследованию ДС пластин кремнистого железа, поверхности которых совпадают или близки к плоскости типа (011), подвергающихся действию двухосного растяжения (сжатия). Между тем, такие исследования имеют не только научный, но и вполне определенный практический интерес, поскольку реальные магнитные материалы в процессе их производства и экс-. плуатации наиболее часто оказываются подвержены действию именно плоского напряженного состояния. К примеру, в пластинах трансформаторной стали подобного рода напряжения возникают в следствие нанесения на поверхность листа электроизоляционных (без которых в магнитопроводах обычного назначения данный материал применяться не может) и защитных (азотирование, борирование) покрытий, при изгибе (вибрациях) пластин стали, ускоренном их охлажедении в процессе нормализующего отжига, за счет неодинакового нагрева отдельных участков магнитопровода в работающем трансформаторе и т.п.
Сравнительно недавно было обнаружено, что магнитные свойства анизотропной электротехнической стали (ЭС) с ребровой текстурой, а также чувствительность к вредным технологическим напряжениям могут быть заметно улучшены в результате формирования на поверхности листа электроизоляционных покрытий (ЭП) - керамических пленок толщиной порядка нескольких микрон. Несмотря на тот повышенный интерес, который в последнее время вызывает проблема "магнитоактивных покрытий", целый ряд относящихся к ней вопросов все еще не решен. Считается, что одной из основных причин данного эффекта являются остаточные упругие макронапряжения6^, возникающие в металлической матрице сплава Яе-3% Йь из-за различия коэф-
фициентов термического расширения металла и покрытия (керамики). Однако систематические исследования указанных напряжений до настоящего времени не проводились. Во многом такая ситуация возникла из-за отсутствия надежной методики прямого экспериментального исследования создаваемых покрытием напряжений в металле. В следствие недостаточной изученности индуцируемого ЭП напряженного состояния в листе трансформаторного железа в литературе высказываются цротиворечивые точки зрения относительно его вида, величины напряжений в металле, характера и степени их анизотропии в плоскости листа и однородности по его толщине. Вместе с тем, такие сведения крайне важны для разработки, совершенствования и выбора наиболее эффективных ЭП для сталей различного назначения. Кроме того, в поступающих для нужд трансформаторостроения X контроль создаваемых ЭП напряжений представляется необходимым в такой же мере, как и принятый в настоящее время контроль их магнитных характеристик. Располагая информацией о таких напряжениях можно более точно прогнозировать "уровень устойчивости" основных магнитных свойств материала к воздействию вредных технологических напряжений (например, к сжатию вдоль НП, к напряжениям изгиба и т.п.), а значит и эффективность использования той или иной марки (партии) стали в магнитопроводе конкретного типа.
Цель и задачи исследования.В данной работе проведено экспериментальное и теоретическое исследование остаточных упругих напряжений б и, создаваемых ЭП в листовой анизотропной X с кристаллографической текстурой (011)<100>; изучено влияние подобного рода напряжений (плоского напряженного состояния) на ДС и некоторые магнитные свойства кремнистого железа. Работа выполнена с целью расширить представления о магнитоупругих явлениях, - о связи между магнитными свойствами трехосных кристаллов типаре—3%51 и их напряженно-деформированным состоянием, - а телеке с целью
-10-
более глубокого понимания механизма воздействия Ш на ДС и магнитные свойства трансформаторного железа, выявления возможностей повышения качества данного материала и эффективности его использования в готовом изделии.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:
а).Разработать надежную методику и технику определения остаточных упругих макронапряжений, возникающих в листовой анизотропной X с кристаллографической текстурой (ОН) <100>при нанесении Ш;
б). Теоретически и экспериментально изучить характерные особенности таких напряжений (вид напряженного состояния, ориентацию главных напряжений в металле, степень их анизотропии в плоскости листа и однородности по его толщине). Экспериментальные исследования провести на образцах ряда трансформаторных сталей отечественного и зарубежного производства (используемых на предприятиях "Союзтрансформатора") с промышленными ЭП на них;
в). На основе анализа энергии упругих напряженийи экспериментально исследовать закономерности распределения спонтанной намагниченности Э5в трехосном ферромагнетике типа Ре-3%5ц испытывающем плоское напряженное состояние. Детально изучить влияние двухосного растяжения на ДС и магнитострикцию пластин кремнистого железа (-З^Би ), поверхности которых близки или же совпадают с плоскостью типа (ОН), в зависимости от величины и ориентации главных напряжений тензора 61].;
г). Используя результаты исследований по пп. а-в, уточнить роль создаваемых ЗП механических напряжений в формировании магнитных свойств сталей с ребровой текстурой; выявить основные причины неодинаковой "магнитной активности" различных покрытий; проанализировать возможности и пути совершенствования магнитоактив-
-11-
ных покрытий для ЭС различного назначения.
Научная новизна. В работе получен ряд новых научных результатов.
Разработаны методика и устройство для исследования остаточных упругих напряжений, создаваемых ЗП в листовой X с ребровой текстурой, основанные на измерении линейных деформаций пластин в процессе двухстороннего удаления покрытия, а также усовершенствована применявшаяся ранее методика определения указанных напряжений по кривизне пластин с покрытием на одной стороне.
Предложены формулы для’ расчета индуцируемых покрытием напряжений <эув пластине трансформаторного железа с поверхностью типа (ОН) на основе результатов измерения вышеупомянутых линейных деформаций или радиусов кривизны .
Прямыми опытами установлено, что ЭП наводят в металле плоское напряженное состояние (двухосное растяжение в плоскости листа), главные напряжения которого б1 и (э2 ориентированы соответственно вдоль и поперек Ш, а их величины практически не изменяются по толщине металла, что согласуется с результатами теоретического анализа в рамках классической теории упругости.
Обнаружено, что промышленные ЭП могут вызывать не только изотропное растяжение в плоскости листа трансформаторного железа с текстурой (011X100), но и более общие случаи плоского напряженного состояния, когда главные его напряжения, не равны между собой (61 / (зг).
С помощью анализа энергии внешних упругих напряжений ^ детально изучены основные закономерности распределения спонтанной намагниченности в трехосном ферромагнетике типа сплава Ге-3% 51 испытывающем плоское напряженное состояние. Наиболее подробно в этом плане рассмотрены случаи двухосного растяжения (сжатия) в кристаллографической плоскости (011) и плоскостях, образующих с
-12-
ней некоторые углы р и ^ . Основные результаты расчета подтверждены соответствующими экспериментальными исследованиями.
Впервые экспериментально исследовано влияние двухосного растяжения на ДС кремнистого железа. Выявлены и подчеркиваются условия (случаи) благоприятного воздействия этого типа напряжений на ДС и магнитные свойства пластин Ре- 3% Эо, поверхности которых обрадуют небольшие углы с кристаллографической плоскостью (011) или совпадают с ней. В этом плане детально проанализирован и экспериментально изучен случай изотропного растяжения в плоскости листа ЭС с текстурой (ОПХЮО).
Полученные данные позволяют утверждать, что эффективность воздействия промышленных ЭП на ДС, магнитные свойства анизотропных X, а также их чувствительность к вредным технологическим напряжениям определяется главным образом особенностями индуцируемого покрытием напряженно-деформированного состояния в листе стали и зависит от степени совершенства ее кристаллографической текстуры (011)<100>. Одной из основных причин низкой магнитной активности обычных магний-фосфатных ЭП является неблагоприятная анизотропия создаваемыхими упруго-растягивающих напряжений в плоскости листа, когдаСэ2заметно превышает(э*. Частично же это
О
обусловлено сравнительно невысокими значениями ( (0,5-0,7)кгс мм ) таких напряжений.
Практическая ценность. Методика, а также результаты исследования остаточных упругих напряжений, создаваемых ЭП в X с ребровой текстурой, внедрены и использовались во Всесоюзном институте трансформаторостроения (г. Запорожье) для оценки качества и эффективности применения X различных марок (поставщиков) на предприятиях "Союзтрансформатора" при выполнении заданий Мин-электротехпрома СССР в 1979-1983 гг. (см. Приложение I).
С целью повышения магнитной активности широко применяемых в
-13
в настоящее время Ш для X с ребровой текстурой рекомендуется (необходимо) прежде всего добиться того, чтобы вызываемое покрытием в металле плоское напряженное состояние стало близким к изотропному растяжению в плоскости листа. Сами напряжения дол-
О
жны иметь при этом достаточно высокий уровень (~1 кгсмм ).
Результаты исследования магнитоупругих эффектов, возникающих под действием плоского напряженного СОСТОЯНИЯ, 1фОМе того могут быть использованы в физике и технике магнитных пленок, например, для управления их доменной структурой путем двухосного растяжения (сжатия), а также при чтении вузовского спецкурса по специальности "Физика магнитных явлений" в разделах "Физика магнитомягких материалов" и "Доменная структура ферромагнетиков" .
В первой главе дан критический анализ имеющихся работ по влиянию упругих напряжений и ЭП на ДС и магнитные свойства железокремнистых сплавов, в том числе - анизотропной X с ребровой текстурой. Отмечается ряд нерешенных вопросов физики магнитных явлений, представляющих научный и практический интерес; поставлены задачи исследования.
Во второй главе описываются методики измерения магнитных свойств, наблюдения ДС, техника подготовки образцов и особенности создания в них плоского напряженного состояния, методика исследования кривизны пластин анизотропной X с X на одной стороне. Наиболее подробно описаны способ и устройство, разработанные нами с целью измерения продольных деформаций, возникающих в листовом трансформаторном железе при двухстороннем стравливании ЭП.
Третья глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию остаточных упругих напряжений, образующихся в листовой X с ребровой текстурой вследствие нанесения ЗП.
14
В четвертой главе изложены результаты исследований влияния плоского напряженного состояния на ДС и некоторые магнитные свойства трансформаторного (1фемнистого) железа. Здесь же, в свете полученных данных, рассмотрен вопрос о роли создаваемых Ш напряжений в формировании магнитных свойств анизотропной ЭС; уточняются причины неодинаковой магнитной активности различных покрытий, и ее зависимости от степени совершенства ребровой текстуры; анализируются возможности и пути совершенствования магнитоактивных покрытий для ЭС различного назначения.
Автор защищает:
1. Способ и устройство для экспериментального исследования продольных деформаций, создаваемых ЭП в листовом прокате;
2. Методику (формулы) расчета остаточных упругих макронапряжений СЯ}, создаваемых ЭП в листе трансформаторного железа с плоскостью поверхности типа (ОН), учитывающую вид напряженного состояния и анизотропию упругих свойств данного материала;
3. Результаты экспериментального исследования указанных напряжений(э1]в трансформаторных сталях различных марок отечественного и зарубежного производства с промышленными ЗП;
4. Результаты экспериментального и теоретического исследования влияния плоского напряженного состояния на ДС и магнитные свойства кремнистого железа (~3%51);
5. Исследования причин неодинаковой магнитной активности промышленных Ш различного состава и ее зависимости от степени совершенства ребровой текстуры; анализ возможностей и путей повышения благоприятного воздействия ЭП на ДС, магнитные свойства анизотропных X, а также их чувствительность к вредным технологическим напряжениям.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
-15-
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:
- семинаре "Важнейшие достижения физики магнитных явлений в магнитоупорядоченных твердых телах и сверхпроводниках и перспектива их практического использования" Научного совета АН УССР по проблеме "Физика твердого тела" в г. Харькове (1974 г.);
- заседании секции "Электротехнические стали" Научного совета АН СССР по проблеме "Физика магнитных явлений" в г.Свердловске (1979 г.);
- 4- , 5- и б-ом Всесоюзных совещаниях по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов (Череповец,1974г., Челябинск, 1978 г.; Аша, 1981 г.);
- Всесоюзных конференциях по физике магнитных явлений (Баку, 1975 г.; Донецк, 1977 г.; Харьков, 1979 г.).
Диссертационная работа выполнена на кафедре общей и теоретической физики Запорожского государственного педагогического института в рамках разработанной в 1976-1980 гг. темы "Исследование магнитных, электрических и механических свойств ферромагнетиков и слабомагнитных материалов", № государственной регистрации 80.026450, а также разрабатываемой в 1981-1985 гг. комплексной темы "Исследование магнитных, электрических и механических свойств ферромагнетиков и слабомагнитных материалов и зависимости этих свойств от состояния поверхности, фазового состояния и внешних полей", № гос. регистрации 01830080148.