автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Магнитные методы и средства контроля кристаллографической текстуры электротехнической стали

^ #

¿ч На правах рукописи

Ъ

Римшев Федор Федорович

МАГНИТНЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКОЙ ТЕКСТУРЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ

05.02.11 - Методы контроля и диагностики в машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1998

Работа выполнена в лаборатории электромагнетизма ордена Трудового Красного Знамени Института физики металлов Уральского отделения Российской Академии Наук.

Научный руководитель - доктор технических наук

Г.С. Корзунин

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Ю.Н. Драгошанский доктор технических наук, профессор Е.А. Митюшов

Ведущая организация: Верх-Исетский металлургический завод

Защита состоится »20* Х^арто 1998 г. в /3 часов на заседании диссертационного совета К002.03.01 в Институте физики металлов УрО РАН по адресу: 620219, г. Екатеринбург, ГСП-170, ул. С.Ковалевской, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики металлов УрО РАН

/ Автореферат разослан о/г> 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ____

кандидат физико-математических наук В.Р.Галахов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важнейшей характеристикой современных металлов и сплавов, во многом определяющей их механические и физические свойства, является степень совершенства кристаллографической текстуры, под которой понимается преимущественная пространственная ориентация зерен в поликристалле. Текстура обеспечивает повышение пластичности, прочности, модуля упругости, магнитных свойств, стойкости металлических покрытий против коррозии и т.д. Создание в материалах совершенной кристаллографической текстуры является одним из путей улучшения эксплуатационных характеристик. При использовании металлов, предназначенных для изготовления деталей методом глубокой вытяжки (авиационная и автомобильная промышленности), перед металлургами стоит задача - создать изотропный по свойствам, не обладающий текстурой материал. В том или ином случае исследователям и специалистам-практикам необходимы методы и средства для получения сведений о типе и степени совершенства кристаллографической текстуры

Одним из основных магнитных материалов, свойства которого во многом обуславливаются типом и совершенством кристаллографической текстуры, является холоднокатаная анизотропная электротехническая сталь. На изготовление магнитопроводов электрических машин и трансформаторов, деталей радиотехнического оборудования и т.п. ежегодно расходуются сотни тысяч тонн такой стали. Уровень магнитных свойств электротехнической стали оказывает решающее влияние на эксплуатационные характеристики этих изделий, а вследствие этого, на общий прогресс техники и экономики.

Постоянное ужесточение требований к параметрам материалов и изделий обуславливает необходимость в средствах контроля качества и приводит к тому, что для их создания необходимо привлекать все новые физические явления, предлагать новые ме-

тоды неразрушающего контроля, изменять и совершенствовать существующие.

Перспективным методом контроля качества электротехнической стали является метод магнитного текстурного анализа, развитие физических основ которого в стенах Института физики металлов УрО РАН послужило основой для создания новых методов и средств контроля степени совершенства кристаллографической текстуры как на образцах в лабораторных условиях, так и на движущейся ленте электротехнической стали в процессе ее производства на металлургических заводах.

При изготовлении небольших магнитопроводов, на которые расходуется часть листа электротехнической стали, важно знать магнитные свойства ее отдельных участков, что требует разработки неразрушающих методов и средств для определения величины и характера анизотропии магнитных свойств локальных участков листов или рулонов. Наличие таких средств, в свою очередь, позволяет более эффективно решать актуальный вопрос о контроле качества рулонного проката, в частности, контроля магнитных свойств тончайшей ленты электротехнической стали, производство которой в достаточном количестве налажено в последние годы на Ашинском металлургическом заводе.

Таким образом, решение важной народохозяйственной задачи повышения качества электротехнической стали и ее рационального использования с неизбежностью ставят проблему создания комплекса совершенных методов и надежных средств для определения кристаллографической текстуры и магнитных свойств электротехнической стали при ее разработке, изготовлении и применении.

Целю работы являлось: ♦ исследование величины и характера анизотропии магнитных свойств различных марок электротехнической сигали при использовании комплекса измерительных методов с целью из со-

поставления при различных режимах намагничивания образцов и локальных участков целых листов;

♦ разработка и исследование методов и средств для определения степени совершенства кристаллографической текстуры как на образцах, так и на отдельных участках листов электротехнической стали;

♦ исследование возможности технологического контроля качества тончайшей ленты электротехнической стали в условиях производства Ашинского металлургического завода.

Научная новизна. Показано, что сложный и изменяющийся с изменением величины напряженности магнитного поля характер анизотропии холоднокатаной электротехнической стали является основной причиной несовпадения количественных результатов определения магнитных свойств стали при использовании различных методик измерения.

Найдены новые оригинальные технические решения, обеспечившие разработку нового класса приборов для определения степени совершенства кристаллографической текстуры и анизотропии магнитных свойств на образцах и в локальных участках целых листов ферромагнитных материалов.

Показана возможность контроля качества тончайшей ленты электротехнической стали в процессе ее производства путем измерения совершенства кристаллографической текстуры.

Практическое значение. Разработан новый класс измерительных приборов, не имеющих аналогов в СНГ и за рубежом -магнитные текстурометры МТ5 - ТМ7, обеспечивающие быстрое определение степени совершенства кристаллографической текстуры.

Технические решения, использованные при разработке тек-стурометров, защищены авторскими свидетельствами, модель прибора ТМ-б удостоена золотой медали Лейпцигской ярмарки.

Текстурометры выпущены малой серией и используются более, чем на десяти предприятиях России.

Разработанный способ выделения амплитуд гармоник из кривой нормальной составляющей вектора намагниченности стационарными датчиками защищен авторским свидетельством и нашел практическое применение в ЦХП Верх-Исетского металлургического завода для качественного определения величины остаточных напряжений и магнитных свойств стали.

Даны рекомендации по налаживанию контроля качества тончайшей ленты электротехнической стали на Ашинском металлургическом заводе.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования величины и характера анизотропии магнитных свойств различных марок современной холоднокатаной электротехнической стали, проведенные комплексом методик и показавшие, что сложный и изменяющийся с изменением величины напряженности магнитного поля характер анизотропии различных магнитных свойств является основной причиной расхождения количественных результатов определения магнитных свойств стали при использовании различных методик измерения.

2. Разработку нового класса измерительных приборов, не имеющих аналогов в СНГ и за рубежом - магнитных текстурометров МТ5 - ТМ-7, обеспечивающих быстрое и надежное определение степени совершенства кристаллографической текстуры. Выпуск текстурометров малой серией и внедрение их на более, чем десяти предприятиях России.

3. Разработку способа выделения амплитуд гармоник из кривой зависимости нормальной составляющей вектора намагниченности от угла между напрвлением прокатки и напрвлением измерения стационарными датчиками.

4. Основанные на результатах проведенного исследования рекомендации о возможности контроля качества тончайшей ленты

электротехнической стали в процессе ее производства путем измерения степени совершенства кристаллографической текстуры.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на VI и VII Всесоюзных совещаниях по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов (г. Аша - 1981 г., г. Москва - 1984 г.), III Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах (г. Красноярск - 1982 г.), на XV Уральской региональной конференции "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами" (г. Пермь - 1995 г.), на международной конференции "Текстура и свойства материалов" (г, Екатеринбург - 1997 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано десять статей в центральных научных журналах и сборниках, получено два авторских свидетельства на изобретения.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (163 наименования), приложения с актом метрологической аттестации прибора и расчетом экономичесокй эффективности его использования, изложена на 132 страницах, включая 51 рисунок.

Содержание диссертации

Во введении показана актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, указаны научная новизна и практическое значение, приводятся сведения об апробации работы, ее структуре и объеме.

Первая глава содержит обзор теоретических и экспериментальных работ, материалы которых в целом характеризуют современное состояние проблемы контроля кристаллографической текстуры в металлах и сплавах и обосновывают постановку задачи данного исследования.

Приводится классификация и определение текстур.

Описано влияние кристаллографической текстуры на анизотропию упругих, прочностных, тепловых, электрических и магнитных свойств различных металлов и сплавов. Основное внимание при этом уделено рассмотрению анизотропии магнитных свойств электротехнической стали, на примере которой указывается, что большое количество работ, посвященных изучению анизотропии магнитных свойств, объясняется широким использованием различных марок электротехнических сталей в разнообразных типах изделий, магнитопроводы которых работают при различных режимах перемагничивания (постоянный или переменный ток, широкий диапазон частот, различная величина индукции и т.д.).

Далее рассматриваются методы определения текстур, которые подразделяются на основные (рентгеновский и оптический), позволяющие определить тип и выраженность текстур, и косвенные, позволяющие при известном типе текстуры судить о степени ее совершенства по проявлению анизотропии физических свойств.

Достаточно подробно рассматривается метод магнитного текстурного анализа, основанный в 30-е годы Акуловым и Брюха-товым и развитый в последнее время в основном сотрудниками ИФМ УрО РАН.

Отмечаются возможности анализа кривых зависимости механического мемента или нормальной составляющей вектора намагниченности от угла поворота образца в форме диска, помещенного во внешнее сильное постоянное однородное магнитное поле. Указываются особенности магнитного метода определения текстуры, рассматриваются анизометры, предназначенные для измерения механического момента, нормальной составляющей вектора намагниченности и разработанные в ИФМ в последние годы более совершенные приборы для определения текстуры - магнитные текстуромегтры. Показана возможность определения текстуры в целых листах магнитных материалов неразрушающими методами.

Критическое осмысление указанных выше вопросов позволило подойти к постановке задачи, которая сформулирована в заключении обзора.

Во второй главе приводятся результаты исследования величины и характера анизотропии магнитных свойств электротехнической стали разных марок. Целью данного исследования являлось уточнение количественных характеристик анизотропии магнитных свойств конкретных марок электротехнической стали, поскольку литературные справочные данные носят, как правило, среднестатистический характер, а в действительности свойства стали могут значительно и порой незакономерно меняться в результате нестабильности технологического процесса ее производства.

Кроме того, при сопоставлении известных результатов измерений анизотропии с результатами измерения на целых листах неразрушающими методами при использовании различных методов намагничивания участка металла, например, точечным полюсом, как в эрстедометре Ферстера, или П-образным магнитом, и различных чувствительных элементов, используемых при считывании полезной информации, наблюдается различие между ними (в некоторых случаях значительное), что, вероятно, обусловлено сложным распределением намагниченности в участках листов при намагничивании их устройствами с различной конфигурацией

магнитопроводов. Например, коэрцитивная сила, измеренная стандартным методом на полосках электротехнической стали, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки может отличаться в 1,5 - 2 раза, измеренная эрстедометром Ферстера в тех же на-првлениях на таком же листе коэрцитивная сила отличается, как правило, на порядок и больше.

При разработке неразрушающих способов определения степени совершенства кристаллографической текстуры в отдельных участках целых листов холоднокатаной анизотропной электротехнической стали нам встретились трудности, связанные с невоспроизводимостью формы кривой нормальной составляющей вектора намагниченности, получаемой с участка металла, по сравнению с аналогичной кривой, получаемой с образца в форме диска, помещенного во внешнее постоянное однородное магнитное поле, что также можно объяснить сложной формой полей рассеяния над анизотропным металлом.

Априори можно утверждать, что причина таких расхождений результатов измерений и невоспроизводимости формы кривых 1П (ф) кроется в различии распределения потоков намагничивания в отдельных образцах и в участках целых анизотропных листов. Тем не менее представляло интерес выяснить влияние различных условий намагничивания на характер наблюдаемой анизотропии или выяснить "истинное" распределение магнитных свойств в целом листе при разных способах его намагничивания. Результаты таких исследований и приводятся во второй главе.

Для исследования характера анизотропии в листовой электротехнической стали были вырезаны диски диаметром 224 мм из различных сталей:

♦ холоднокатаная анизотропная сталь с ребровой текстурой марок 3412,3405,М-6Х толщиной 0,35 мм;

♦ холоднокатаная изотропная сталь марки 2411 толщиной 0,50 мм;

♦ монокристалл, поверхность которого совпадает с плоскостью [110], толщиной 0,50 мм.

На этих дисках в ходе работы определялась анизотропия коэрцитивной силы Нс, анизотропия удельных потерь Р, анизотропия внутреннего поля при постоянной величине индукции, а также анизотропия магнитной индукции В при намагничивании дисков циркулярным полем, продольным при намагничивании в соленоиде и полюсом стержневого электромагнита, питаемого как постоянным, так и переменным током.

Кроме дисков для исследования были взяты монокристаллы холоднокатаной трансформаторной стали размером 250x30x0,50 мм, вырезанные вдоль направления прокатки из очень больших зерен и подобранные таким образом, что угол ф между направлением [001] в вырезанных полосках и направлением прокатки менялся от 1 до 74 На каждом отдельном монокристалле измерялась кривая намагничивания в переменном поле и удельные потери Р^о/50, Р 1,5/50, вычисляемые по площади петель, записываемых на специальном феррометре. Такие же характеристики были измерены на аппарате Эпштейна на пробах, вырезанных под углом 0,15, 30, 45, 55, 75, 90 ° к направлению прокатки из отечественной стали марки 3413 и зарубежных сталей М-6Х и 2-12 толщиной 0,35 мм.

Для определения анизотропии коэрцитивной силы в дисках был использован феррозондовый эрстедометр Ферстера. Датчик при этом помещался в центр диска и измерения снимались через 30 ° по всему кругу.

Потери энергии на перемагничивание измерялись прибором ИП-1, разработанным в лаборатории электромагнетизма ИФМ УрО РАН. Измерение проводилось с помощью приставного первичного преобразователя локально в центре дисков на участке 30x50 мм, который позволяет кроме общих потерь измерять раздельно потери на гистерезис и вихревые токи.

Для исследования поведения магнитной индукции использованы три способа намагничивания дисков:

1 - циркулярное намагничивание дисков с помощью проводника с током;

2 - намагничивание в соленоиде;

3 - намагничивание приставным стержневым электромагнитом.

Для циркулярного намагничивания диска через его центр пропускался проводник с током I. Создаваемое поле Н = 1/2тгЯ (А/м) зависит от радиуса Я и вличины тока. Для измерения В в этом случае служат обмотки, проходящие через отверстия в образце и охватывающие часть измеряемого материала. Обмотки, выполненные из 2-10 витков провода ПЭВ-0,28, проходят через отверстия диаметром 1,3 мм, просверленные на расстоянии 4, 6, 8 см от центра диска под углами 0, 30, 45, 55, 75, 90 ° к направлению прокатки на расстоянии 10 мм друг от друга в радиальном направлении. Витки катушек плотно прилегают к образцу и достаточно чувствительны к изменению магнитного потока в диске. Наведенная в катушке ЭДС измеряется непостредственно с помощью вольтметра средних значений Ф-564 при использовании переменного намагничивающего тока или микровеберметром Ф-190 при перемагничивании диска постоянным током.

Результаты опытов с переменным и постоянным намагничивающим полем оказались идентичны, что позволило в дальнейшем из соображений удобства работать на переменном токе.

Для намагничивания диска продольным полем был изготовлен плоский соленоид. Неоднородность магнитного поля в соленоиде исследовалась с помощью эталонной катушки и в пределах расположения дисков не превышала 5 %. При этом кроме маленьких катушек использовали обмотки, охватывающие половину диска - от центра к краю под разными углами к направлению прокатки.

Внутреннее поле в диске в участках снятия сигнала контролировалось с помощью предварительно проградуированного феррозонда и поддерживалось постоянным.

Этот же феррозонд использовался при исследовании характера анизотропии внутреннего поля при повороте диска и поддержании постоянной величины внешнего намагничивающего поля. Феррозонд при этом помещался на диск на расстоянии б см от его центра под углами 0, 30, 60, 90° к направлению прокатки. Сигнал снимался с помощью вольтметра средних значений Ф-564.

Для точечного намагничивания дисков был изготовлен однополюсный электромагнит в форме соленоида с сердечником, изготовленным из армко-железа в виде стержня длиной 125 мм и диаметром 16 мм. При питании электромагнита постоянным током для измерения сигнала с катушек использовались микровебермет-ры М119, М190, при переменном токе - вольтметр Ф-9063. Измерительные катушки при этом располагались также на разных расстояниях от центра, но перпендикулярно радиальным направлениям.

В результате анализа кривых анизотропии магнитной индукции, снятых в полях от 10 до 100 А/см на полосках 0,5x30x280 мм, вырезанных из крупных зерен электротехнической стали, показано, что при малых углах (до 15 °) отклонения оси [001] от направления прокатки линейный участок зависимости В (а) наблюдается при индукции Вю. При индукции В25, являющейся признанной среди металловедов магнитной характеристикой, величина которой, как принято считать, пропорциональна степени совершенства кристаллографической текстуры, при указанных углах нет линейной зависимости В (а). Это свидетельствует о том, что для косвенной характеристики степени совершенства текстуры [001] (011) предпочтительнее использовать величину Вю, а не В25, как это принято в лабораторной практике.

На рис. I приведены кривые анизотропии магнитной индукции, снятые на стали М-6Х на расстоянии 40 мм от центра диска,

перемагничиваемого приставным электромагнитом с цилиндрическим стержневым сердечником диаметром 16 мм, путем переключения тока на обратный. Асимметрия кривых объясняется разори-ентацией кристаллографических осей по отношению к направлению прокатки, а также возможной неоднозначностью магнитных свойств в отдельных участках диска.

Кривая 5 на рис. 1 представляет зависимость от угла измерения величины остаточной индукции, измеренной катушками, расположенными на расстоянии 40 мм от центра диска при намагничивании его стержневым постоянным магнитом первичного преобразователя эрстедометра Ферстера. Остаточная индукция постоянного магнита составляла около 0,5 Тл. Вид кривой и достигаемая величина остаточной индукции свидетельствует о том, что измеряемая в различных направлениях эрстедометром Ферстера тангенциальная составляющая остаточного поля в анизотропной стали при используемых величинах намагничивающего поля не может быть однозначно идентифицирована с коэрцитивной силой материала, измеренной в соответствующих направлениях.

Анализируя результаты измерений анизотропии различных магнитных характеристик самых разнообразных марок электротехнической стали как отечественного, так и импортного производства, как анизотропных (включая монокристаллы), так и изотропных, полученные при использовании комплекса самых разнообразных методик измерения (стандартные методы на пробах, не-разрушающие методы при использовании различных условий намагничивания и съема информации и т.д.) можно сделать вывод о том, что при разработке любых неразрушающих средств определения магнитных свойств не учет анизотропии и изменения ее характера при изменении величины используемых намагничивающих полей может привести к значительным ошибкам. Причиной этого является сложное и изменяющееся с изменением напряженности поля распределение намагничеснности в измеряемых участках анизотропного по свойствам металла.

Рис.1. Анизотропия магнитной индукции, измеренная нэ расстоянии 40 мм от центра диска из стали М-6Х при перемагни-чивэнии диска приставленным к его центру полюсом электромагните. Магнитная индукция в полюсе 0,6; 0,4; 0,3 и 0,2 Тл (кривые 1-4, соответственно). Кривая 5 -остаточная индукция, измеренная нэ том же расстоянии при нэмэгннчянлл аисжз дчтч.-кэм эрстедоиетра Ферстерэ.

В третьей главе описываются разработанные нами варианты магнитных текстурометров МТ-5, ТМ-6, ТМ-7, приводятся их основные технические характеристики, рассматриваются метрологические вопросы использования магнитных текстурометров, указываются и подтверждаются на примерах широкие возможности использования текстурометров как для научных исследований, так и для решения практических задач контроля качества листовых ферромагнитных материалов.

Главное отличие магнитных текстурометров МТ-5 - ТМ-7 от разработанных ранее состоит в том, что, благодаря использованию для намагничивания образцов новых постоянных самарий-кобальтовых магнитов с высокой энергией, вес намагничивающего блока уменьшен приблизительно в 50 раз. Для вращения образца использован микроэлектродвигатель постоянного тока со схемой стабилизации скорости вращения. Эти изменения позволили выполнить намагничивающий блок и датчик миниатюрными и разместить их констуктивно в одном блоке с измерительным, Тексту-рометры содержат магнитную систему из двух плоских магнитов размером 40x40x16 мм и соединяющего их магнитопровода, электродвигатель постоянного тока с регулятором оборотов, две измерительные катушки, избирательный усилитель 4-й гармоники с выходом на стрелочный прибор, интегрирующий усилитель, калибратор, работающий синхронно с вращением образца за счет синхроконтакта.

Используя условие непрерывности тангенциальной составляющей поля на границе двух сред, можно измерить катушкой, расположенной вблизи одной из поверхностей образца таким образом, что витки ее параллельны силовым линиям намагничивающего поля (ось катушки перпендикулярна направлению внешнего поля), тангенциальную компоненту поля рассеяния , обусловленного нормальной составляющей вектора намагниченности 1„. Величина Н^ пропорциональна 1п и несет в себе такую же информацию о текстуре образца. Рис.2 поясняет возможность измерения 1П катушкой, не охватывающей образец.

В соответствии с такой возможностью измерительные катушки датчика по 200 витков каждая включены последовательно и расположены под оправкой для крепления образца симметрично относительно ее оси вращения. Такое расположение катушек обеспечило открытый и удобный доступ к оправке, позволило выполнить узел вращения образцов более надежным и значительно упростило смену и фиксацию их при испытании.

Снабжение магнитного текстурометра регулятором скорости вращения образца позволяет выбрать скорость вращения не равную частоте сети, за счет чего устраняется влияние сетевых наводок. Кроме того, регулятор скорости вращения позволяет настраиваться на максимум усиления избирательного усилителя, не перестраивая при этом RC-фильтры.

Измерительная часть прибора выполнена на микросхемах. Из сигнала, поступающего с измерительных катушек, выделяется амплитуда четвертой гармоники, величина которой пропорциональна интенсивности текстуры.

Для наблюдения за формой кривой зависимости нормальной составляющей от угла поворота образца, качественно характеризующей тип наблюдаемой текстуры, и для выделения (в случае необходимости) из спектра этой кривой других четных гармоник, в приборе предусмотрены отдельные выходы на осциллограф и на анализатор спектра.

Некоторые технические характеристики текстурометров МТ5 - ТМ7:

♦ напряженность магнитного поля в зоне расположения

образца - 2*105 А/м;

♦ диаметр испытуемых образцов - 28 мм, толщина - 0,10 -

1,50 мм;

♦ скорость вращения двигателя - 1080 об/мин;

♦ частота четвертой гармоники - 74 Гц;

♦ питание - 220 В, 50 Гц;

♦ потребляемая мощность - 50 Вт;

♦ габариты - 250x180x150 мм; 4 вес - 6 кг.

Образцы для испытаний вырубаются или выдавливаются с помощью специального штампа, которым комплектуется тексту-рометр.

Особенностью текстурометра ТМ-6 является автоматический учет разнотолщинности исследуемых образцов. Это достигается тем, что между полюсами постоянного магнита и краем образца установлен датчик Холла, реагирующий на изменение величины постоянной составляющей магнитного поля, которое появляется при помещении образца в рабочий зазор намагничивающей системы и, практически, пропорционально толщине образца. Сигнал с датчика Холла введен в электронную систему определения веса образца, что обеспечило автоматизацию расчетов и непосредственное определение характеристик текстуры. Внешний вид магнитного текстурометра приведен на рис. 3.

Магнитные текстурометры МТ-5 и ТМ-7 выпущены малой серией и используются в ряде НИИ и промышленных предприятий. Текстурометр ТМ-6 удостоен золотой медали Лейпцигской ярмарки.

При метрологической аттестации магнитных текстуромет-ров рассматривались следующие источники систематических ошибок, возникающих при определении текстуры на дисках электротехнической стали:

♦ отклонение по толщине образцов в пределах допуска по ГОСТу при различных значениях внешнего магнитного поля;

♦ перекос образца при укреплении его в держателе текстурометра;

♦ несоосность образца и вращательной системы;

♦ отступление образца от формы диска;

♦ смещение индикаторных катушек относительно измеряемых образцов;

1-Я а

й-я _____

-ЗгП.

6

Рис.2.Схема расположения измерительных катушек ь датчиках текстурометгов МТ-5, ТН-6:

а-испытуемый оСразец-1, полиса намагничивавшей системы-*?, одно из направлений легкого намагничивания образца -[100] , направление внешнего поля - Н. намагниченность насыщения и ее составлявшие - предельная -% и нормальная в - оз проекции А-АЛ: испытуемый образец - 7, измерительная катуска-3, тангенциальная компонента поля рассеяния щ .обусловленного вектором Оп, - т •

Рис.3. Внешний вид текстурометра ТМ-6.

19

♦ нестабильность скорости вращения образцов.

При этом исследовании преднамеренно создавались максимально увеличенные параметры, влияющие на изменение сигнала. Практически, разнотолщинность дисков укладывается в ± 5 %, возможный перекос образца в оправке не превышает 0,5 несоосность вращения возможна в пределах 0,2 мм, случайное отступление образца от формы диска не превышает 1,5 %, изменение скорости вращения ( по справочным данным) лежит в пределах ± 0,5 %.

Учитывая эти данные и следуя правилу суммирования случайных ошибок, по результатам проведенного исследования можно заключить, что погрешность определения текстуры на магнитном текстурометре при использовании второй гармоники составляет ± 14,5 %, а для четвертой равна ± 6,5 %. Снижению погрешности определения текстуры будут способствовать использование качественных штампов для вырубки образца, усовершенствование конструкции их держателя, измерения в больших полях, стабильная работа электронных блоков.

Исследования воспроизведения измерений (многократное измерение одних и тех же дисков в разное время) показывает, что практически погрешность определения текстуры по А2 составляет ± 8 %, по А4 - ± 4 %.

В заключение главы приводятся результаты исследования внутрилистной неоднородности совершенства кристаллографической текстуры холоднокатаной электротехнической стали и результаты оценки способности автолиста к глубокой вытяжке, проведенные с помощью магнитных текстурометров, наглядно демонстрирующие эффективность их использования.

В четвертой главе описывается способ и устройство для неразрушающего определения текстуры в локальных участках целых листов анизотропной стали, указывается на возможность его применения для оценки остаточных напряжений в холоднокатаной электротехнической стали, а также рассматривается возможность

контроля магнитных свойств тончайшей ленты электротехнической стали в процессе ее производства.

Суть способа поясняется на рис. 4, где 1 - кривая 1„ (ф) зависимости нормальной составляющей 1п вектора намагниченности от угла ф между осью легкого намагничивания, совпадающей с направлением прокатки, и направлением внешнего магнитного поля для анизотропной электротехнической стали с ребровой текстурой; 2, 3 - соответственно вторая и четвертая гармоники кривой.

Экспериментально измеренная кривая 1 характеризует совершенство кристаллографической текстуры и представляет собой сумму величин второй и четвертой гармоник. Последующие в ряду гармоники (шестая и восьмая) на порядок меньше первых двух, поэтому их можно при рассмотрении способа не учитывать.

Как видно из рис. 4, при угле ф = те/4 величина четвертой гармоники равна нулю, а величина второй гармоники максимальна. Поэтому, измерив значение 1И под углом ф = тс/4 к направлению прокатки, получаем амплитуду второй гармоники. Максимальное значение четвертой гармоники наблюдаем под углом ф = тс/8. Измеряемое значение 1„ при этом угле складывается из амплитуды четвертой гармоники Ал и амплитуды второй гармоники Аг, умноженной на величину Sin 2ф (ф - значение угла, при котором максимальна четвертая гармоника). Отсюда следует, что

А4 = In - А2 *Sin 2ф, то есть , вычитая из измеренного под углом ф = тс/8 значения определенную ранее амплитуду А2, умноженную на коэффициент Sin 2ф, получаем значение амплитуды четвертой гармоники. Имея значение амплитуды гармоник, производим расчет текстуры по известным формулам.

Способ осуществлен устройством (рис. 5), которое содержит два П-образных магнитопровода 2 и 3 с намагничивающими обмотками, питаемыми переменным током. При установке на исследуемый материал 1 (например, холоднокатаную анизотропную

Рис.4. КривзяХ(^) -I с разложением нэ вторую - 2 < и четвертую - 3 гэрионики.

электротехническую сталь с текстурой (110) [001]) первый магни-топровод 2 устанавливается под углом тс/4 к направлению прокатки. Измерительные катушки 4 и 5 закреплены посредине между полюсами магнитопроводов в плоскости полюсов и осями, перпендикулярными силовым линиям полей электромагнитов. К измерительной катушке 4 подключен регистратор 6 амплитуды второй гармоники и делитель напряжения 7, который соединен с регистратором 8 амплитуды четвертой гармоники А». Измерительная катушка 5 подключена на регистратор 8. Устройство работает следующим образом. При указанной установке магнитопроводов на исследуемый участок листа и включении намагничивающих обмоток в катушке 4 наводится сигнал, пропорциональный значению 1„ кривой 1 (см. рис. 7) при угле ф = тс/4, то есть значение А2. В катушке 5 наводится сигнал, пропорциональный значению 1„ при угле ф = тг/8, а именно I„ =A4 + А2 *Sin 2ф, который подается в регистратор 8.

Сигнал с катушки 4 регистрируется прибором б, параллельно умножается на коэффициент 0,707 = Sin тс/А и подается на регистратор 8, в котором он вычитается из сигнала с катушки 5. Разность сигналов, пропорциональная Ад, регистрируется прибором 6. Описанный способ значительно упрощает процесс выделения амплитуд гармоник из кривой 1„ (ф), необходимый при определении степени совершенства кристаллографической текстуры. Недостатком его является необходимость очень точной установки магнитопроводов под указанными углами к направлению прокатки.

Имея возможность неразрушающего определения амплитуд гармоник, реализация способа позволяет использовать его для оценки характера и величины остаточных напряжений в анизотропных электротехнических сталях, поскольку амплитуда второй и четвертой гармоник кривой 1п (ф) по разному зависят от механических напряжений.

Исследование, проведенное с целью выяснения возможности контроля магнитных свойств тончайшей ленты электротехни-

ческой стали в процессе ее производства, выявили существенное влияние механических напряжений на величину магнитных потерь и, главное, неоднозначное их изменение при разных значениях растягивающих напряжений, что свидетельствует о том, что по результатам измерения потерь в напряженном металле нельзя судить о точном их значении. Точные измерения возможны при остановке ленты и освобождения ее от натяга, если такая остановка не нарушает режима технологических операций производства тончайшей ленты электротехнической стали.

Анализ результатов по исследованию связи магнитных свойств со степенью совершенства кристаллографической текстуры тончайшей ленты показал, что наблюдается достаточно выраженная связь степени совершенства кристаллографической текстуры с основными магнитными характеристиками тончайшей ленты электротехнической стали В25оо и Р 1,5/400, что позволяет рекомендовать налаживание контроля однородности свойств ленты путем использования магнитных текстурометров, многолетный опыт использования которых для контроля "толстой" (0,35 - 0,50 мм) электротехнической стали подтвердил эффективность их использования.

Выводы

1. Показано, что сложный и изменяющийся с изменением величины напряженности магнитного поля характер анизотропии холоднокатаной электротехнической стали является основной причиной несовпадения количественных результатов определения магнитных свойств стали при использовании различных методик измерения.

2. Разработан новый класс измерительных приборов, не имеющих аналогов в СНГ и за рубежом - магнитные текстуромет-ры МТ-5 - ТМ-7, обеспечивающие быстрое определение степени совершенства кристаллографической текстуры. Технические решения, использованные при разработке текстурометров, защище-

ны авторскими свидетельствами, модель прибора ТМ-6 удостоена золотой медали Лейпцигской ярмарки. Текстурометры выпущены малой серией и используются более, чем на десяти предприятиях России.

3. Разработан способ выделения амплитуд гармоник из кривой нормальной составляющей вектора намагниченности стационарными (динамически не вращающимися) датчиками, который защищен авторским свидетельством и нашел практическое применение на Верх-Исетском металлургическом заводе для качественного неразрушающего определения величины остаточных напряжений и магнитных свойств электротехнической стали.

4. Показана возможность контроля качества тончайшей центы электротехнической стали в процессе ее производства путем измерения степени совершенства кристаллографической текстуры. Цаны рекомендации по налаживанию такого контроля на Алшн-жом металлургическом заводе.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. A.C. № 847181 Г.С.Корзунин, Ю.М.Федоров, В.К.Чистяков, Ф.Ф.Римшев - Магнитный текстурометр. Бюлл.изобр., 1981, № 26.

2. A.C. № 896585 Г.С.Корзунин, М.П.Уварова, В.К.Чистяков, Ф.Ф.Римшев - Способ определения степени совершенства кристаллографической текстуры в отдельных участках целых листов магнитных материалов и устройство для его реализации. Бюлл.изобр., 1982, № 1.

3. Г.С.Корзунин, Ю.М.Федоров, Ф.Ф.Римшев. Магнитный текстурометр МТ-5. Дефектоскопия, 1983, № 11, с.88-89.

4. Г.С.Козунин, Ю.М.Федоров, Ф.Ф.Римшев. Магнитный текстурометр МТ-5 - Материалы П Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах, 1982, Красноярск, КПИ, с. 146-149.

5. Г.С.Корзунин, Ф.Ф.Римшев, Ю.М.Федоров, В.К.Чистяков. Автоматический магнитный текстурометр ТМ-б. Дефектоскопия, 1984, № 11, с.90-91.

6. Г.С.Корзунин, Ю.М.Федоров, Ф.Ф.Римшев. Магнитный текстурометр МТ-5. - Тезисы докладов 3-й Всесоюзной конференции по текстурам и рекристаллизации в металлах и сплавах; 1986, Красноярск, с.328-329.

7. Г.С.Корзунин, Ф.Ф.Римшев. Ю.М.Федоров, В.К.Чистяков. Автоматический магнитный текстурометр,-Тезисы докладов 6-го Всесоюзного совещания по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов-Аша, 1981, с. 122.

8. В.К.Чистяков, И.П.Сысолятина, Г.С.Корзунин, Ф.Ф.Римшев, Исследование уровня остаточных напряжений методами магнитного текстурного анализа- Тезисы докладов, 7-е Всесоюзное совещание по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов, Москва, 1984, с.81.

9. Г.С.Корзунин, Ф.Ф.Римшев. М.П.Уварова. Контроль кристаллографической текстуры в отдельных участках целых листов магнитных материалов - Тезисы докладов, XV Уральская региональная конференция "Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами", Пермь, 11-12 апреля 1995 г.

10. Корзунин Г.С., Алексеев В.А., Римшев Ф.Ф. О возможности контроля магнитных свойств тончайшей ленты электротехнической стали в процессе ее производства". Дефектоскопия, 1995, № 4, с.34-41.

11.V.K.Chistiakov, G.S.Korzunin, F.F.Rimshev. O.B.Korobka. Non-uniformity of anisotropic electrical steel texture. (International conferency, 1997, Ekaterinburg, Russia).

Т5тпечатано"*на' Ризогра$е"^ФМ" У рО РАН тираж "Т5П 'зак. 1*4 формат 60x84 1/16 объем 1 печ.л. 620219 г.Екатеринбург ГСП-170 ул.С.Ковалевской, 18