NekonvenNekonvenččný postup prný postup príípravy zrnovopravy zrnovo –– orientovanej orientovanej ocele na bocele na bááze ze nanonanoččastastíícc VC a deformaVC a deformaččne ne

indukovanindukovanéého rastu zho rastu zŕŕn. n.

FrantiFrantiššekek KovKovááčč, Ivan , Ivan PetryshynetsPetryshynets, Martin , Martin SopkoSopko, , MMááriaria MolnMolnáárovrováá, Viktor , Viktor PuchýPuchý

ÚÚstav Materistav Materiáálovlovéého Výskumu, Slovenskho Výskumu, Slovenskáá AkadAkadéémia Vied, mia Vied, 04001 Ko04001 Koššice, Slovenskoice, Slovensko

"Nov"Novéé materimateriáály a technolly a technolóógie pre gie pre energetiku", kenergetiku", kóód ITMS 26220220061d ITMS 26220220061

Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku / Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ

Obsah prezentObsah prezentááciecie

ÚÚvod do problematiky zrnovo orientovaných ocelvod do problematiky zrnovo orientovaných ocel íí

SSúúččasný stav a asný stav a ďďalalšíší smer vo výrobe transformsmer vo výrobe transform áátorových ptorových p áásovsov

SSúúččasnasn áá technoltechnol óógia výroby orientovanej gia výroby orientovanej FeFe--SiSi elektrooceleelektroocele

Dynamický postup pre dosiahnutie procesu selektDynamický postup pre dosiahnutie procesu selekt íívneho rastu zvneho rastu z ŕŕn v n v trafotrafo

oceliachoceliach

Teplotne kontrolovaný vývoj Teplotne kontrolovaný vývoj mikromikro šštrukttrukt úúryry riadený riadený gradientomgradientom teplotyteploty

Vývoj optimVývoj optim áálnej lnej mikromikro šštrukttrukt úúryry a texta text úúry pomocou deformary pomocou deforma ččne ne

indukovanindukovan éého rastu zho rastu z ŕŕnn

ExperimentExperiment áálny postuplny postup

VýsledkyVýsledky

ZZááveryvery

ÚÚvod do problematiky zrnovo vod do problematiky zrnovo orientovaných ocelorientovaných ocelíí

zrno

vo-o

rient

ovan

é

neori entované

Elektrotechnickéocele

(hkl)[u vw ]

(100)[0vw ]

(110)[001]

Magnetické vlastností:B800=1,8-1,93 T; HC=5-10 A/m

Textúra:Deviácia pre CGO ~ 7°Deviácia pre HGO ~ 3°

Perfektne orientovaný trafoplech:B800=2,03 T

Tepelné spracovanie predosiahnutie SR: 90-120 hod

Zníženie výrobných nákladov

Smer ďalšieho vývoja

SSúúččasný stav a asný stav a ďďalalšíší smer vo výrobe smer vo výrobe transformtransformáátorových ptorových páásovsov

SSúúččasnasnáá technoltechnolóógia výroby orientovanej gia výroby orientovanej FeFe--SiSi elektrooceleelektroocele

Kľúčovým predpokladom je kontrola sekundárnych častíc

Experimenty boli zamerané na oblas ť od teplého pásu

Nevynímajúc ostatné technologickéuzly výroby, najzávažnejšie zmeny

textúry sa odohrávajú pri rekryštaliza čnom žíhaní plechov

• Gossova textúra sa dosahuje počas sekundárnej rekryštalizácie v priebehu poklopového žíhania.

• ocele sa obvykle žíhajú pri teplote 1200 ° C, s veľmi nízkou rýchlosťou ohrevu 15 - 25 °C/h

• doba žíhania v poklopových peciach je asi 90 – 120 hodín. • na dosiahnutie 100<001> textúry počas sekundárnej rekryštalizácie

sa využívajú inhibítory normálneho rastu zŕn ako AlN, MnS a ich kombinacia AlN + MnS

• rozmer inhibítorov je 50-100 nm • prítomnosť zŕn s orientáciou 100<001> v primárne rekryštalizovanej

jemnozrnnej matrici.

PRPR-- primprimáárna rna rekryrekryšštaliztalizááciacia

SR SR –– sekundsekundáárna rna rekryrekryšštaliztalizááciacia

SSúúččasnasnáá technoltechnolóógia výroby orientovanej gia výroby orientovanej FeFe--SiSi elektrooceleelektroocele

15-25°C/hr

12001200

Dry 100% H2Wet 75% H2 +25%N2

50-60 hr 40-60 hr

90-120 hrSSchch ééma poklopovma poklopov éého ho žžííhaniahania

5-10min

SRPR

OduhliOduhli ččovanieovanie a PRa PR

880000

404000

Zrná materiálu majú vyššiu vnútornú energiu ktorá závis í aj od kryštalografickej orientácie v rovine plechu, preto proces abnorm álneho rastubude prebieha ť s vyššou dynamikou prednostne na zrnách s kryštalog rafickou orientáciou 110<001> .

V

10-20 min

T, °C

t, min

Schéma finálneho žíhania dynamickým postupom

Dynamický postup spracovania Dynamický postup spracovania trafotrafo ocelocelee

AbnormAbnormáálnlnyy rast rast zzŕŕnn bude riadený zvýbude riadený zvýššeneníím energie m energie hranhranííc zc zŕŕn a poun a použžititíím novm novéého systho systéému inhibmu inhibíítorov torov VCVC

Použitie dynamického ohrevu materiálov po hladiacom valcovaní

Použitie deforma čne indukovaného rastu z ŕn

po prim árnej rekryštalizácii

15-25°C/hr12001200

Dry 100% H2Wet 75% H2 +25%N2

50-60 hr 40-60 hr90-120 hr

HrubHrub áá schsch ééma poklopovma poklopov éého ho žžííhaniahania5-10min

SRPR

OduhliOduhli ččovanieovanie a PRa PR

880000

404000

Použitie nového systému inhibítorov VC

Teplotne kontrolovaný vývoj mikroštruktúry riadený g radientom teploty pohrúbke plechu

Teplotný gradient

a

gradTSP

Ω⋅∆= λ2

Rozloženie teplotného gradientu ( ∆T = TS - TX) v sledovaných oceliach v závislosti od ich hrúbky a času žíhania pre rýchlosti ohrevu a) V1, b) V2

a) b)

PPououžžititíímm tepelntepelnéého ho gradientugradientu popoččas as dinamickehodinamickeho ohrevuohrevu

2

2

1bP ρµ=

Sub-surface

Sub-surface

Centre

Oceľ po primárnejrekryštalizácii

Distribúciakryštalografickej textúryzŕn po hrúbke plechu v rekryštalizovanom stave

ρ- hustota dislokácií~1015/m2

µ- modul pružnosti v šmykub- Burgersov vektor

Akumulovaná deforma čnáenergia

Deforma čné krivky pre jednotlivé kryštalografické roviny: (111 ) (žltá), (011) (červená) a (001) zelená, získaná pomocou nanoindenta čnej

skúšky Oblas ť A z ľavého obrázku

E(111)>E(110)>E(100)

PPououžžititííee deformadeformaččne indukovanne indukovanéého rastu ho rastu zzŕŕnn

F1A – materiál, 900ºC/5min

Plynulá deformácia

Skokovitá deformácia

c)ε=6%

Deformácia realizovaná pomocou tvrdomeru

a)ε=0%

b)ε=3%

b)ε=4% ε=6%

a) ε~2,2% b) ε~3,8% c) ε~6,8%

a)ε=0% ε=4%

Proces deformaProces deformaččne indukovanne indukovanéého rastu zho rastu zŕŕnn

Chemické zloženie experimentálnej tavby

Vplyv VC inhibVplyv VC inhibíítorov a nekonventorov a nekonvenččnnéého dynamickho dynamickéého ho postupu postupu žžííhania na mechanizmus rastu zhania na mechanizmus rastu zŕŕn v zrnovo n v zrnovo

orientovaných oceliachorientovaných oceliach

Realizácia procesov precipitácie karbidov vanádu (VC)

Schéma laboratórneho spracovania experimentálneho materiálu.

850°C – 1150°C

Vplyv VC inhibVplyv VC inhibíítorov a nekonventorov a nekonvenččnnéého dynamickho dynamickéého ho žžííhania na mechanizmus rastu zhania na mechanizmus rastu zŕŕn v zrnovo n v zrnovo

orientovaných oceliachorientovaných oceliach

IPF map prierezu C vzorky (hrúbka: 2,2 mm) po finálnom valcovaní za tepla a výdrži pri zvinovacej teplote 585 °C.

IPF map prierezu E vzorky (hrúbka: 2,2 mm) po finálnom valcovaní za tepla a výdrži pri zvinovacej teplote 650 °C.

Povrch

Povrch

Prostredok

TextTextúúra materira materiáálov po finlov po fináálnom valcovanlnom valcovaníí za tepla a za tepla a vybranej zvinovacej teplotevybranej zvinovacej teplote..

Experimentálny materiál

Material 83E výdržv peci 650ºC/45min.

Material 83C výdržv peci 585ºC/45min. Materiály boli odbrúsené

z jednej strany a následnézvalcovane na hrúbku 0,32mm

83CA

83EA

Žíhanie: 850ºC/10min. (H2(75%)+N2(25%)) +1075ºC/10min. (H2)

Žíhanie: 850ºC/10min. (H2(75%)+N2(25%))

Žíhanie: 1075ºC/10min. (H2) + 850ºC/10min. (H2(75%)+N2(25%))

IIA ε = 4%

IA ε = 4% Žíhanie pri 850ºC - 1150ºC/5min.

Žíhanie pri 850ºC - 1150ºC/5min.

IIIA ε = 4% Žíhanie pri 850ºC - 1150ºC/5min.

Žíhanie: 850ºC/10min. (H2(75%)+N2(25%)) +1075ºC/10min. (H2)

Žíhanie: 850ºC/10min. (H2(75%)+N2(25%))

Žíhanie: 1075ºC/10min. (H2) + 850ºC/10min. (H2(75%)+N2(25%))

IB ε = 4% Žíhanie pri 850ºC - 1150ºC/5min.

IIB ε = 4%Žíhanie pri 850ºC - 1150ºC/5min.

IIIB ε = 4% Žíhanie pri 850ºC - 1150ºC/5min.

Spracovanie materiSpracovanie materiáálu po valcovanlu po valcovaníí za za studenastudena

Na stanovenie tejto teploty bola použitá diferenčná kompenzačná kalorimetria

OptimOptimáálna teplota pre abnormlna teplota pre abnormáálny rast zlny rast zŕŕn je okolo n je okolo 10801080°°CC

Záznam z DSC zariadenia

Stanovenie optimStanovenie optimáálnej teploty abnormlnej teploty abnormáálneho rastu zlneho rastu zŕŕn n v experimentv experimentáálnych materilnych materiáálochloch

TEM a EDX analýza VC inhibTEM a EDX analýza VC inhibíítorov experimenttorov experimentáálnych lnych materimateriáálov po zvinovacej teplote 585lov po zvinovacej teplote 585°°C a 650C a 650°°CC

TEM analýza materiálu po Tz=585 ºC TEM analýza materiálu po Tz=650 ºCs

EDX mEDX materiateriáálluu popo TTzz=585 =585 ººCC EDX mEDX materiateriáállu pou po TTzz==650650ººCC

MikroMikrošštrukttruktúúrara CC materimateriáálov po apliklov po aplikáácii hladiaceho cii hladiaceho valcovania a nvalcovania a nááslednslednéého ho žžííhania pri 850hania pri 850°°C C –– 11501150°°CC

MikroMikrošštrukttruktúúrara EE materimateriáálov po apliklov po aplikáácii hladiaceho cii hladiaceho valcovania a nvalcovania a nááslednslednéého ho žžííhania pri 850hania pri 850°°C C –– 11501150°°CC

Textúra vývoja abnormálnych zŕn(110)[001]

IPF mapa (a) a ODF rezy preφ2=45°(b) , na skúmaných „C“ vzorkách po primárnej rekryštalizácii.

a) b)

Analýza kryAnalýza kryšštalografickej texttalografickej textúúry experimentry experimentáálnych lnych materimateriáálovlov

Analýza kryAnalýza kryšštalografickej texttalografickej textúúry experimentry experimentáálneho lneho materimateriáálu lu „„CC““ po finpo fináálnom lnom žžííhanhaníí

IPF mapa (a) a ODF rezy pri φ2=45° (b) získané na materiáli „C“ po hladiacom valcovaní a finálnom žíhanípri 1050 °C v laboratórnych podmienkách

IPF mapa (a) a ODF rezy pri φ2=45° (b) získané na materiáli „C“ po dekarburizácii a finálnom žíhaní pri 1050 °C v laboratórnych podmienkách

b)

a) a)

b)

Goss kryštalografická orientacia

Förster type hysteresis loop tracer developed at the Institute of Experimental Physics SAS, Košice

-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

B (

T)

H (kAm)

DC

Hc = 11 A/m

-20 -10 0 10 20

H (A/m)

DC hysteresis graph

Remagraph-Remacomp combination C-710, Magnet-Physik, Dr. Steingroever GmbH AC hysteresis graph

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

50 Hz

Hc = 44 A/m

B (

T)

H (A/m)

-80 -40 0 40 80

H (A/m)

Meranie Meranie koercitivitykoercitivity

Závislosť hodnôt koercitivity skúmaných C a E vzoriek v závislosti od teplôt žíhania.

Koercitivitareferenčnejvzorky zklasickej

technológie

Meranie Meranie koercitivitykoercitivity

ZZááveryvery

•Abnormálny rast zŕn s veľmi silnou Gossovou textúrnou zložkou bol

dosiahnutý pomocou nového systému precipitátov karbidov vanádu VC

s veľkosťou 10 - 20 nm, ktoré sú rovnomerne lokalizované.

•Optimálne podmienky pre precipitáciu nanočastíc VC boli

dosiahnuté pri zvinovacej teplote 585 °C.

•Rast zŕn z ostrou kryštalografickou orientáciou (110)[001]

prebiehal počas dynamického ohrevu pri relatívne nízkych teplotách

(1025°C - 1075°C) s využitím procesu deformačne indukovaného

pohybu hraníc zŕn.

•Hodnota koercitivity na vzorkách spracovaných podľa navrhnutého

spôsobu je 11 A / m. Táto hodnota je porovnateľná s koercitivitou

ocele pripravenej konvenčným dlhodobým žíhaním.

•Nový postup podľa podaného vynálezu PP 00091 – 2012 umožňuje

zníženie teploty a podstatné skrátenie doby finálneho žíhania ocele.

VýstupyVýstupy

1. Petryshynets I., Kováč F., Stoyka V.: “Application of unconventional dynamic heat treatment in productionof grain oriented electrical steels”. Technológia 2011, Bratislava.

2. Gavendová P., Molnárová M., PetryshynetsI., StoykaV.: “Stanovenie rozdielov v mechanických vlastnostiach nanoindentačnou metódou medzi jednotlivými zrnovými orientáciami v elektrotechnických oceliach”.Metalurgia Junior 2011, Košice.

3. Stoyka V., Kováč F., Petryshynets I., Molnárova M., Gommonai M.: “Study of deformation state in temperrolled electrotechnical steels by EBSD method”, Chem. Listy 105 (S), s417-s652 (2011), ISSN 0009-2770.

4. Gavendová P., Čtvrtlík L., Kováč F., Pešek L., Petryshynets I.: “Dependence of indentation properties ofelectrotechnical steels on temperature and grain orientation”, Chem. Listy 106, s413-416, 2012.

5. Gavendová P., Petryshynets I., Molnárová M., Sopko M., Kováč F., Puchý V.: “Meranie mikrotvrdosti vo vybraných zrnách elektrotechnickej ocele pri vyšších oceliach”, Metalurgia Junior 2011, Košice, p. 24.

6. Petryshynets I., Kováč F., Petrov B.: “Developmentm of grain growth mechanism in grain oriented steels”.Physics of materials 2012, Košice, p.225.

7. Kováč F., Petryshynets I., Škorvánek I., Marcin J., Sopko M.: “Unconventional method of grain-orientedsteel preparation in combination with nano particles VC and strain induced grain boundary motion”.Zborník z vedeckej konferencie: “Materiály a technológie pre energetiku”, Košice, 25.marca 2013, s. 55-61, ISBN: 978-80-89656-00-4.

8. Kováč F., Petryshynets I., Marcin J., Škorvánek I.: “Effect of VC Nano - Inhibitors and Dynamic Continuous Annealing on the Magnetic Properties of GO Steels”. IEEE Transactions on Magnetics, July 2013, Vol. 49, Num. 7, pp.4196-4199, ISBN 978-1-4673-5625-1.

9. Petryshynets I., Kováč F., Marcin J., Škorvánek I.: “Magnetic Properties of Temper Rolled NO FeSi Steelswith Enhanced Rotation Texture”. IEEE Transactions on Magnetics, July 2013, Vol. 49, Num. 7, pp.4303-4306, ISBN 978-1-4673-5625-1.

10. Kováč F., Petryshynets I., Škorvánek I., Falat L., Marcin J.: “Effect of VC inhibitors in combination withunconventional dynamical heat treatment on the magnetic properties of GO steels”. JEMS 2012, Italy, p.17006-p.1-4 ,online, ISBN: 978-2-7598-·0879-3.

11. Frantíšek Kováč, Ivan Petryshynets: “Zrnovo orientovaná elektrotechnická oceľ mikrolegovaná vanádom a spôsob jej výroby ”, Patentová prihláška PP 00091 – 2012.

PrPríístrojestroje

Nanoindentor G200

Pec “Nabertherm ”

Pracovná stanica TruLaser Station 3003 s laserovým zdrojom TruFiber 400 od firmy TRUMPF

PoPoďďakovanieakovanie

"Nov"Novéé materimateriáály a technolly a technolóógie pre energetiku" gie pre energetiku" kkóód ITMS 26220220061d ITMS 26220220061

Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku / Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ