Актуальность темы исследования и степень ее разработанности
Сверхтонкая электротехническая анизотропная сталь (СЭАС), толщиной 0,01-0,15 мм, является важнейшим магнитно-мягким материалом, использующимся для изготовления магнитопроводов высокочастотных устройств. Возможность ее использования обусловлена наличием ребровой текстуры (110)[001], которая образуется по механизму текстурной наследственности. В основном СЭАС производят по методу Литтманна, который включает: использование тонкой электротехнической анизотропной стали (ЭАС), толщиной 0,17-0,35 мм с достаточно совершенной ребровой текстурой в качестве заготовки; далее холодную прокатку с суммарной степенью обжатия, превышающей 70 %, и рекристаллизационный отжиг.
Толщина и характеристики структуры СЭАС (выраженность текстуры, размер зерна, чистота по неметаллическим элементам) определяют основное эксплуатационное свойство материала - удельные магнитные потери при перемагничивании (в основном их вихретоковую составляющую) в высокочастотных полях. По этой причине до настоящего времени сохраняется интерес к повышению качества СЭАС за счет снижения конечной толщины (до 0,01 мм) и/или оптимизации структуры.
Основное направление повышения качества СЭАС - получение максимально острой текстуры (110)[001] в минимальной (технологически достижимой) толщине стали.
Формированию текстурно-структурных состояний при структурных превращениях (рекристаллизациях) в деформированных монокристаллах с ОЦК решеткой российскими учеными Соколовым Б. К., Титоровым Д. Ю., Губернаторовым В. В., Гервасьевой И. В. и другими посвящено достаточно много работ. Однако механизм текстурной наследственности при структурных превращениях до настоящего времени остается дискуссионным.
Хорошо известно, что прокатка монокристаллов исходной ребровой ориентировки (110)[001] приводит к формированию двух симметричных октаэдрических ориентировок {111}<112>, а последующий рекристаллизационный отжиг - вновь к ребровой ориентировке. Подобные преобразования текстуры составляют суть механизма текстурной наследственности: воспроизводство на некоторой (обычно завершающей) стадии обработки материала текстуры, которой он обладал до начала технологического процесса.
При первичной рекристаллизации возникает ребровая текстура, которая является необходимой для обеспечения требуемого уровня магнитных свойств. С этой точки зрения необходимо, чтобы при этом отжиге не реализовывалась вторичная рекристаллизация, которая изменяет тип текстуры в материале. Именно по этой причине требуется ограничение отжига по времени или по температуре.
В России специалистами ЦНИИЧермет и Новолипецкого металлургического комбината была разработана и внедрена технология изготовления СЭАС, основанная на методе Литтманна, в производственной связке НЛМК-Ашинский металлургический завод (АМЕТ), совершенствование которой продолжается и в настоящее время.
В России основное количество ЭАС производят с совершенной текстурой, сравнительно крупнозернистую (10-30 мм), содержащую около 0,5 мас. % меди. Подобная ЭАС неудовлетворительно прокатывается в сверхтонкие толщины - разрушается. Для производства СЭАС приходится использовать ЭАС без Си, причем производить ее по специальной технологии.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках проектной темы МОиН РФ (госзадание № 11.1465.2014/К).
Целью данной работы являлось выяснение механизма текстурной наследственности и на этой основе оценка возможностей улучшения магнитных свойств СЭАС при сохранении максимально острой текстуры (110)[001] и/или оптимизации способов ее производства.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать особенности формирования структуры и текстуры при холодной прокатке и рекристаллизации монокристаллов Бе-3%81 с различным содержанием меди.
2. Исследовать взаимосвязь ориентировок монокристалла Бе-3%81 с текстурой и магнитными свойствами СЭАС.
3. Проанализировать возможность использования ЭАС с содержанием меди 0,4-0,6 мас. %. для получения СЭАС с высокими магнитными свойствами и острой текстурой.
Научная новизна работы:
1. В процессе прокатки монокристаллов Бе-3%81 с ориентировками близкими к
(110)[001] при различных степенях деформации между элементами мезоструктуры (деформационные двойники, деформационные полосы, полосы сдвига) вследствие переориентации кристаллической решетки вокруг оси <110> параллельной поперечному направлению формируются специальные разориентации 23, 29, 219а, 227а, 233 а. С увеличением степени деформации специальные разориентации 29, 219а, 227а, 233 а
сохраняются, а 23 частично переходит в близкие к ней 217Ь или 243 с.
2. Зародыши первичной рекристаллизации с ориентировками, близкими к (110)[001], формирующиеся на двойниках, в переходных полосах и полосах сдвига, сохраняют с деформированной матрицей участки специальных границ, которые соответствуют специальным разориентациям, возникшим при деформации.
3. В основе механизма текстурной наследственности, реализующейся при деформации и рекристаллизации монокристаллов технического сплава Бе-3%81 с ориентировкой (110)[001], лежат процессы формирования и эволюции специальных разориентаций-специальных границ между элементами структуры (компонентами текстуры) материала.
Практическая значимость работы:
1. Показано, что для получения совершенной текстуры в готовой СЭАС, в качестве заготовки можно использовать ЭАС с рассеянной текстурой.
2. Установлена возможность производства СЭАС с содержанием меди ~ 0,5 мас. % из заготовки (ЭАС) с рассеянной текстурой.
3. Показано, что наличие меди в СЭАС повышает температуру вторичной рекристаллизации, что позволяет проводить завершающую часть рекристаллизационного отжига (рафинирующая обработка) при более высоких температурах.
4. Предложен способ производства СЭАС с высокими магнитными свойствами из заготовки ЭАС, содержащей ~ 0,5 мас. % меди и обладающую рассеянной ребровой текстурой. Исходно рассеянная текстура при наличии меди, делает металл более технологичным на стадии его изготовления. По результатам исследования подана заявка на изобретение на способ производства СЭАС. Получено положительное решение на выдачу патента.
На защиту выносятся основные положения и результаты:
1. Формирование структурно-текстурных состояний при холодной прокатке и рекристаллизации монокристаллов Бе-3%81 с различным содержанием меди.
2. Кристаллографические закономерности изменения текстуры деформированных и рекристаллизованных монокристаллов Бе-3%81 как возникновение и развитие специальных разориентаций-специальных границ.
3. Взаимосвязь исходных ориентировок монокристаллов Бе-3%81 с текстурой и магнитными свойствами СЭАС.
4. Оптимизация способа производства СЭАС из заготовки (ЭАС) с содержанием меди 0,4-0,6 мас. %.
Апробация работы
Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов - молодых ученых (Екатеринбург 2013-2015 гг.); на 54 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Екатеринбург 2013 г.); в материалах XXII Уральской школы металловедов-термистов
«Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (Орск 2014 г.).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных изданиях, в том числе, 4 статьи опубликовано в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, библиографического списка из 121 наименований, изложена на 141 страницах, включает 53 рисунка, 10 таблиц.
В результате проведения диссертационной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:
1. Показано, что переходные полосы, формирующиеся в процессе холодной прокатки монокристалла Fe-3%Si с исходной ориентацией (110)[001], представляют собой деформационные полосы, в которых в процессе деформации происходит динамическое сохранение ориентировки (110)[001].
2. Установлено, что полосы сдвига, возникающие в процессе деформации монокристалла Fe-3%Si с исходной ориентацией (110)[001], габитус которых наклонен к плоскости прокатки под углом ~ 17o(ПС-II, диффузные ПС), являются не полосами сдвига в традиционном понимании, а сечениями плоскостью шлифа переходных полос на стадии их формирования.
3. Показано, что исходные ориентировки (110)[001]±а с углом а от 0 до < 17° в процессе прокатки со степенью деформации > 50 % переориентируется в практически точные {111}<112>. Ориентировки, угол а которых превышает 17°, переориентируются в ориентировки близкие к {112}<110>.
4. Установлено, что в процессе деформации монокристаллов с исходными ориентировками близкими к (110)[001] между наиболее отклоненными друг от друга деформационными полосами возникают специальные разориентации: £9, 219а, £27а, £33а. Все обнаруженные специальные разориентации, составляют одно «семейство» взаимных разориентировок, которые образуются поворотом кристаллической решетки вокруг оси <110> на близкие углы. При дальнейшей деформации специальные разориентации между элементами структуры сохраняются как энергетически устойчивые объекты.
5. Зафиксировано, что возникающая в процессе деформационного двойникования специальная разориентация S3, при увеличении степени деформации либо сохраняется, либо преобразуется в близкие к ней S17b, S43c. Предложена модель сохранения специальной разориентации S3 за счет взаимодействия различных систем скольжения в двойниках и деформационных полосах.
6. Установлено, что первичнорекристаллизованные зерна с ориентациями близкими к (110)[001], зарождающиеся в переходных полосах, в полосах сдвига и на границах двойников имеют с деформированной матрицей участки специальных границ 29, 211, 219а, 227а, 233 а и 229b. Зарождение новых зерен связано с формированием участков соответствующих специальных границ между элементами структуры.
7. Зафиксировано, что в процессе роста зерен происходит подстройка кристаллической решетки их приграничных областей под ориентации деформированной матрицы.
8. Показано, что выросшие при вторичной рекристаллизации зерна в материале с рассеянной текстурой (110)[001], связаны с первичнорекристаллизованной матрицей специальной разориентацией 29 (или близкими к ней 219а, 227а, 233 а). Это позволяет утверждать, что аномальный рост зерен реализуется за счет движения специальных границ.
9. Установлено, что наличие ~ 0,5 мас. % меди в исходных монокристаллах Fe-3%Si (ЭАС) приводит к усилению процесса двойникования при холодной прокатке, к протеканию первичной рекристаллизации в более высокотемпературном интервале и к повышению эффективной температуры вторичной рекристаллизации на 40-60 °С.
10. Показано, что для получения совершенной текстуры (110)[001] сверхтонкой электротехнической анизотропной стали, производимой по методу Литтманна с содержанием меди ~ 0,5 мас. %, возможно использовать в качестве исходного материала электротехническую сталь с рассеянной ребровой текстурой.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
