Физика металлов и металловедение, 2020, T. 121, № 7, стр. 682-687

ВВЕДЕНИЕ

Изотропная электротехническая сталь (ИЭС) является магнитомягким материалом, который широко используется в электрических генераторах и моторах. В общем мировом производстве электротехнических сталей изотропная сталь занимает около 70% [1]. Приблизительно половина электрической энергии, производимой во всем мире, используется в моторах, поэтому необходимость снижения потерь энергии является экономически обоснованной и стимулирует исследования по улучшению качества материала. В последние годы в связи с увеличением производства различных видов электромобилей прогнозируется рост потребления премиальных марок высокочастотной ИЭС.

Магнитные свойства изотропной электротехнической стали в наибольшей степени контролируются двумя характеристиками структуры – конечной текстурой и конечным средним размером зерна. Зависимость свойств от кристаллографической текстуры обусловлена влиянием энергии магнитокристаллической анизотропии на величину магнитной проницаемости и потери на перемагничивание. В монокристаллах железа магнитная проницаемость является максимальной, а потери – минимальными, когда внешнее магнитное поле направлено вдоль направлений 〈001〉 при прочих равных условиях. Изотропная электротехническая сталь используется в ситуации, когда магнитное поле прикладывается во всех направлениях в плоскости листа. Для такого случая идеальной текстурой была бы аксиальная {100}, в которой два направления 〈001〉 в каждом кристаллите параллельны поверхности. В настоящее время нет экономичного способа производства такой текстуры. Поэтому во всем мире используют “изотропную” “неориентированную” сталь с многокомпонентной текстурой, в которой магнитные свойства определяются как среднее между значениями в направлении прокатки и поперечном направлении. Разница в этих величинах должна быть не слишком велика, а абсолютные значения магнитной индукции по возможности более высокими. Европейский стандарт на производство тонкой электротехнической полосовой и листовой стали для применения на средних частотах регламентирует магнитные и механические свойства, качество поверхности, толщину изделий с ориентированным или неориентированным зерном, однако в нем ничего не говорится о кристаллографической текстуре в листе. Выбранная технология производства листа должна обеспечивать необходимые свойства за счет создания оптимальной структуры и кристаллографической текстуры.

На стадии отработки технологии необходимо знать закономерности формирования текстуры при прокатке и рекристаллизации для выбора необходимых режимов. В текстуре стремятся получить меньше компонент с плоскостью {111} и больше госсовской ориентировки {110} [2]. Очевидно, что и кубическая компонента также должна способствовать улучшению магнитных свойств. По мере увеличения размера зерна уменьшаются потери на гистерезис и увеличиваются потери энергии на вихревые токи. Считается, что оптимальным является средний размер зерна около 150 мкм [2].

Для электрических машин, работающих при высокой частоте (400–10 000) Гц, из двух основных характеристик магнитных свойств – удельные магнитные потери и магнитная индукция – большее значение имеет первая [3, 4].

Удельные магнитные потери возрастают, главным образом, за счет потерь от вихревых токов, которые с увеличением частоты растут быстрее потерь от гистерезиса, поэтому для уменьшения потерь от вихревой составляющей необходимо уменьшать толщину листа стали [3, 5]. Также для этой цели полезно уменьшать средний размер зерна. Так, в работе [6] для листов толщиной 0.27 и 0.18 мм приводится оптимальное значение среднего размера зерна 90 мкм.

В настоящей работе с помощью метода EBSD исследована текстура и размер зерна в листах изотропной электротехнической стали для электромобилей, изготовленных с помощью однократной или двукратной прокатки. Определено соответствие между степенью благоприятности текстуры и текстурно-зависимыми магнитными свойствами.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводилось на опытной плавке Новолипецкого металлургического комбината со следующим содержанием основных элементов: С ≤ 0.005%, Si 2.90–3.50%, Al около 1.0%, Fe-основа. После горячей прокатки, нормализации и травления в заводских условиях полосу подвергали однократной холодной прокатке на реверсивном стане через различное количество проходов до следующих значений толщины: 0.35; 0.30; 0.27; 0.25; 0.20 мм. Окончательный рекристаллизационный отжиг проводился при температуре 900–1050°С. Ленты стали толщиной 0.20 и 0.25 мм были получены кроме того методом двукратной прокатки с промежуточным отжигом при толщине 1.0 мм при 900°С и окончательным рекристаллизационным отжигом при 920–970°С.

Магнитные свойства измеряли в заводских условиях по стандартным методикам. Из разных мест ленты после окончательного рекристаллизационного отжига были подготовлены полированные образцы для структурных исследований. Одновременный анализ структуры и ориентировок в рекристаллизованных образцах проводили методом обратного электронного рассеяния (EBSD) путем анализа картин Кикучи с помощью приставки фирмы EDAX в сканирующем электронном микроскопе “FEI Quanta 200”. По этим данным для каждого варианта обработки проводили аттестацию многокомпонентной текстуры изотропной электротехнической стали с помощью функций распределения ориентаций (ФРО) по методу Бунге [7], а также определяли объемную долю отдельных компонент текстуры с заданным рассеянием и средний размер зерна в стали.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 приведены ориентационные карты для образцов, произведенных методом однократной прокатки и отжига. Текстура образцов после однократной прокатки до разной толщины и рекристаллизации в общих чертах одинакова и типична для текстуры рекристаллизации ОЦК-железокремнистых сплавов со средними степенями деформации. Она содержит примерно одни и те же ориентировки, среди которых ограниченно аксиальную плоскостную ориентировку {111}, так называемую γ, и ориентировки с направлениями 〈001〉, относящиеся к аксиальной компоненте η. В качестве примера на рис. 2а приведено сечение пространства углов Эйлера при φ2 = 45° для лент стали толщиной 0.30 мм, а на рис. 2б такое же сечение с отмеченным положением основных текстурных компонент.

Рис. 1.

Ориентационные EBSD-карты образцов после однократной прокатки и рекристаллизационного отжига, толщина ленты: 0.20 (а); 0.25 (б); 0.27 (в); 0.30 (г); 0.35 (д) мм и цветовая расшифровка ориентировок на стереографическом треугольнике (е).

Рис. 2.

Текстура рекристаллизации на сечении ФРО при φ2 = 45° после однократной прокатки (толщина 0.30 мм) (а) и положение идеальных компонент в этом сечении (б).

Известно, что наиболее часто встречающиеся ориентировки в текстуре деформации и рекристаллизации ОЦК-металлов присутствуют на сечении ФРО при φ2 = 45° (см. рис. 2). Среди этих характерных ориентировок можно выделить ограниченно аксиальную компоненту 〈001〉, в пределах которой нормали к плоскостям зерен {111} параллельны направлению нормали к плоскости прокатки (НН), и ограниченно аксиальную компоненту 〈001〉, в которой соответствующие направления в зернах параллельны направлению прокатки (НП) в листе.

Эти компоненты иногда называют осевыми компонентами γ и α соответственно. Естественно, что благоприятно ориентированными зернами в листе изотропной стали после окончательной обработки являются зерна, в которых плоскости {100} параллельны плоскости прокатки (верхняя сторона квадрата сечения пространства углов Эйлера, аксиальная компонента η) и плоскости {110} параллельны плоскости прокатки (нижняя сторона квадрата сечения пространства углов Эйлера), так как в зернах таких ориентировок присутствуют направления легкого намагничивания 〈001〉. Типичная же для текстуры рекристаллизации железокремнистого сплава плоскостная ориентировка {111} является самой неблагоприятной.

Несмотря на то, что на сечении ФРО текстура после всех вариантов обработки выглядит качественно однотипной, объемная доля отдельных текстурных компонент может существенно отличаться. В программе EBSD вычислена объемная доля благоприятных ориентировок {100} и {110}, содержащих направления легкого намагничивания, и объемная доля неблагоприятной ориентировки {111}, не содержащей таких направлений в пределах рассеяния ±15°. В работе [8] было показано, что отношение суммы объемных долей первых двух компонент к объемной доле последней ориентировки может служить критерием благоприятности текстуры изотропной стали, определяющим ее магнитные свойства. В таблице 1 приведена объемная доля трех указанных текстурных компонент в рекристаллизованной стали, предварительно деформированной по режиму однократной прокатки на разную толщину, средний размер зерна в этих вариантах и магнитные свойства.

На рис. 3 показана зависимость отношения объемных долей благоприятных {100} + {110} и неблагоприятной {111} ориентировок в текстуре рекристаллизованных образцов, предварительно подвергнутых однократной прокатке, от конечной толщины ленты.

Рис. 3.

Зависимость отношения суммы объемных долей благоприятных ориентировок {100} и {110} к объемной доле неблагоприятной ориентировки {111} в текстуре рекристаллизованных образцов, предварительно деформированных по режиму однократной и двукратной прокатки, от конечной толщины ленты.

Ленты стали, полученные по режиму однократной прокатки с конечной толщиной 0.20 и 0.25 мм, не соответствуют по магнитным свойствам Европейскому стандарту. Видно, что отношение благоприятных ориентировок к неблагоприятным в этих лентах очень невелико.

В работе [9] было показано, что, чем больше степень деформации при однократной прокатке, тем больше количество октаэдрической компоненты в текстуре первичной рекристаллизации. В связи с этим было предложено улучшить текстурованное состояние ленты за счет достижения конечной толщины методом двукратной прокатки. Сталь была прокатана после горячей прокатки до толщины 1.0 мм, отожжена при температуре 900°С и затем подвергнута второй холодной прокатке до 0.20 и 0.25 мм. Окончательный отжиг проводился при 920–970°С. Таким образом степень деформации при 2-ой холодной прокатке составила 80% для толщины 0.20 мм и 76% для толщины 0.25 мм. Это существенно изменило параметры структуры.

На рис. 4 приведены ориентационные EBSD карты стали после двукратной прокатки до толщины 0.20 и 0.25 мм и рекристаллизации, а на рис. 5 – сечения ФРО после этой же обработки. Видно, что ленты после двукратной прокатки обладают более крупным размером рекристаллизованного зерна и заметно отличаются по составу текстуры. Даже на сечениях ФРО заметно наличие большей интенсивности ребровой компоненты {110}〈001〉 – в правом нижнем углу сечения (см. также рис. 2б).

Рис. 4.

Ориентационные EBSD карты стали после двукратной прокатки до толщины 0.20 (а) и 0.25 (б) мм и рекристаллизации.

Рис. 5.

Текстура рекристаллизации на сечении ФРО при φ2 = 45° после двукратной прокатки: до толщины 0.20 (а) и 0.25 мм (б).

В табл. 2 представлены количественные характеристики основных текстурных компонент, размер зерна и магнитные свойства стали после двукратной прокатки и рекристаллизации.

Отношение суммы объемных долей благоприятных ориентировок {100} и {110} к объемной доле неблагоприятной {111} показано на графике (рис. 3). Видно, что это отношение существенно больше, чем в образцах, подвергнутых однократной прокатке до той же толщины 0.20 и 0.25 мм, в основном за счет уменьшения объемной доли октаэдрической компоненты. Размер рекристаллизованного зерна после двукратной прокатки до этих толщин увеличивается до 106 и 148 мкм соответственно (по сравнению с 91 и 103 мкм в режиме однократной прокатки). При этом значение магнитной индукции B₅₀₀₀ для листа толщиной 0.20 мм увеличивается с 1.62 до 1.65 Тл, для листа 0.25 мм остается неизменным 1.64 Тл. Удельные потери P_1.0/400 снижаются для этих толщин, соответственно с 13.2 до 12.3 и с 14.4 до 12.9 Вт/кг.

Таким образом, изменение режима прокатки для листов толщиной 0.20 и 0.25 мм с однократной на двукратную, что выражается в уменьшении степени деформации при окончательной прокатке, приводит к увеличению объемных долей благоприятных для электротехнической стали ориентировок {100} и {110} и уменьшению объемной доли неблагоприятной ориентировки {111}. Величина среднего размера зерна в обоих случаях увеличивается. Значения магнитной индукции при напряженности магнитного поля 2500 и 5000 А/м увеличиваются или остаются такими же, а удельные потери при магнитной индукции 1.0 Тл и частоте 400 Гц снижаются на 7–11%.

Результаты анализа структуры и ориентировок по картинам Кикучи методом EBSD получены с использованием оборудования Центра коллективного пользования ИФМ УрО РАН.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России (тема “Магнит”) Г.р. № АААА-А18-118020290129-5 при частичной поддержке Комплексной программы УрО РАН № 18-10-2-5.