合金化对高硅钢及快凝薄带组织性能的影响.pdf

5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y [ ．b g r i r n r n ．c n 2 0 1 2 年6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i 嬲m1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 6 。0 1 5 合金化对高硅钢及快凝薄带组织性能的影响 王旭1 ，杜倩2 ，侯玉柏1 ，鲍君峰1 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 7 0 ；2 ．首钢技术研究院，北京1 0 0 0 4 3 摘要利用合金化手段改善高硅钢及快凝薄带的组织性能。通过O M 、X R D 、V S M 等研究了铝、硼、铌等 合金元素对其组织织构、力学性能和磁性能的影响。结果表明，合金化能够改善铸态高硅钢的强韧性。 在快凝薄带状态，铝元素会增大其晶粒尺寸并增强{ 1 0 0 } 和{ 1 1 4 方向的织构，降低磁导率和磁 滞损耗。 关键词合金化；高硅钢；快凝薄带} 机械性能；磁性能 中圈分类号T G l 4 2 ．1 3文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 6 0 0 5 0 - 0 4 E f f e c to fA l l o y i n go nS t r u c t u r eP r o p e r t i e so fH i g h - s i l i c o n S t e e la n dR a p i dQ u e n c h i n gR i b b o n W A N GX u l ，D UQ i a n 2 ，H O UY u b a i l ，B A OJ u n - f e n 9 1 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ．B e i j i n g1 0 0 0 7 0 。C h i n as 2 ．S h o u g a n gR e s e a r c hI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，B e r i n g1 0 0 0 4 3 。C h i n a A b s t r a c t T h ep r o p e r t i e so fh i g h - s i l i c o ns t e e la n dr a p i dq u e n c h i n gr i b b o nw e r em o d i f i e db ym e a n so fa l l o y i n g ．T h ee f f e c to fa l u m i n u m ，b o r o n ，n i o b i u ma n do t h e re l e m e n t so nm i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t h0 M ，X R Da n dV S M ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo b d u r a b i l i t yo fc a s t i n gi si m p r o v e da f t e ra l l o y i n g ．I nr a p i dq u e n c h i n gr i b b o n ，A 1e l e m e n ti n c r e a s e si t sg r a i n s i z ea n de n h a n c e st h et e x t u r ed i r e c t i o no f 1 0 0 } a n d { 1 1 4 } w h i l er e d u c e st h ep e r m e a b i l i t ya n dm a g n e t i ch y s t e r e s i sl o s s ． K e yw o r d s a l l o y i n g ；h i g hs i l i c o ns t e e l ；r a p i dq u e n c h i n gr i b b o n ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；m a g n e t i cp r o p e r t y 高硅钢具有高磁导率、低磁致伸缩系数、高频 下低铁损等优异的磁性能[ 1 ] ，许多试验表明，高硅钢 带具有优异的软磁特性。近年来，一些电子和电器 元件为提高效率、灵敏度和缩小体积也选用高硅钢。 但是随硅含量增加，高硅钢的延展性下降，机械加工 性能变差[ 2 ] 。本文利用合金化改善铸态高硅钢的强 韧性，最终实现冷轧变形。另外，利用快凝技术制备 薄带，探索急速冷却条件下合金元素对组织性能的 影响。 1试验 采用真空电弧熔炼，使用正交试验方法设计合 金元素比例，在F e - 6 ．5 ％S i 质量百分数，下同 合金 中，分别添加铝 0 ．1 ％～1 ．0 ％ 、B 0 ．0 2 ％。 0 ．0 5 ％ 、N b 0 ．2 ％ 、Z r O ．2 ％ 等元素。为了使铸 锭成分均匀，熔炼时加磁场旋转并将合金翻转3 次。 将铸锭分成两组第一组按照G B ／T7 3 1 4 2 0 0 5 在 S A N S 微机控制电子万能试验机上进行常温压缩试 验，样品变形量设定4 0 ％，压下速率0 ．0 0 2m m ／s ， 收藕日期2 0 1 1 1 1 2 9 基金项目国家自然科学基金和上海宝钢集团联合资助项目 5 0 1 3 0 0 1 0 作者简介F 旭 1 9 8 5 一 ，男，辽宁沈阳人。顼士． 万方数据 2 0 1 2 年6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p { ／／y s y l ．b g r i m m ．e n 5 1 分析合金元索对铸态高硅钢力学性能的影响；第二 组制备成快凝薄带，方法见文献[ 3 ] 。将熔融合金喷 射在转速为18 0 0r ／m i n 的铜辊表面，制备出0 ．0 7 ～o ．1 0m m 厚的高硅钢薄带。经切割、冷镶样、砂 纸打磨、机械抛光后用7 ％硝酸酒精腐蚀，通过 0 M 、X R D 测试微观组织和织构特征。按照G B ／T 1 3 4 6 4 2 0 0 8 取样，使用V S M 测试样品的磁性能 5 0 0 ℃退火5m i n ，炉冷 。 2 结果与讨论 2 ．1 铸态高硅钢的力学性能 铸态高硅钢力学性能测试结果见表1 。随着变 形量的增加，所有样品均会出现裂纹，为了描述该点 的应力状态，我们计算此点的强度，并且认为材料达 到此点为最大变形，由此计算断裂应力和延伸率。 表1 铸态高硅钢合金化后的力学性能 T a b l e1M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc a s t i n g h i g hs i l i c o ns t e e la f t e ra l l o y i n g 铝元素降低了高硅钢的屈服强度，这是由于铝 与硅都属于间隙式化合物，一部分铝原子会替代硅 原子的位置而导致原来有序化程度的下降。但随铝 元索含量进一步增加，屈服强度会有所上升，这是因 为铝会固溶在F e ．6 ．5 ％S i 合金中引起晶格畸变，产 生的应力场与位错应力场相互作用，形成原子气团， 这样位错的运动就会受阻而导致材料的强化，在力 学性能上表现为材料屈服强度的提高，当铝含量达 到0 ．4 ％时，屈服强度达到9 8 1 ．1M P a ，延伸率为 5 ．4 4 ％。 硼的有利作用主要在于其强化晶界，硼原子在 晶界偏析形成额外的强共价键，使晶界结合强度提 高阻碍裂纹沿晶界扩展n ] 。另外，晶内和晶界上均 匀分布的硼对改善塑性也有益，它降低了F e - 6 ．5 ％ S i 合金的反向畴界能，畴界密度增大，长程有序度 降低。但如果继续增加，该元素在晶界偏聚，晶内出 现贫硼区而导致材料延伸率的下降。而铌和锫的加 入会与碳、氮等有害元素形成化合物，有利于固化 碳、氮，削弱其在材料中所起的不利影响从而提高塑 性。综上，铝和硼是有效提高铸态高硅钢强韧性的 合金元素，铌和锫也起到一定的改善作用。 2 ．2 高硅钢快凝薄带 2 ．2 ．1 金相组织 不同铝含量快冷薄带的金相组织如图1 所示。 由图1 可见，铝元素的加入增大快凝态高硅钢的晶 粒尺寸，且0 ．4 ％铝的晶粒尺寸更为均匀。晶粒尺 寸增大的主要原因是形核率的降低，因为铝元素的 加入会造成合金熔点降低[ 5 ] 。由形核率公式 N B xe x p 一Q ／k T e x p 一△G k ’／k T 式中B 为比例常数，A G k ’为形核功，Q 为原子从液 相转移至固相的激活能，k 为波尔兹曼常数。 由上式可知，当过冷度降低的时候，形核所需要 的A G t ’增大，这样会导致形核率降低；另一方面，由 于熔点降低，熔融状态下的原子间的结合力减弱，熔 融合金的流动性降低，Q 减小，形核率提高。这是铝 加入后引起的两个相互背离的作用，而通过金相组 织照片我们发现，加入铝元素主要是降低了相变过 程中的过冷度，不利于形核，使高硅钢薄带的晶粒尺 寸发生变化。 图l 不同铝含量快冷薄带的金相组织 F i g ．1 M i c r o s t r u c t u r e so fr a p i dq u e n c h i n gr i b b o nw i t hd i f f e r e n t 铝c o n t e n t a F e - 6 ．5 ％S i ； b F e - 6 ．s ％s i - o ．4 ％A I e F e - 6 ．s ％s i - 1 ．O ％A I 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p l ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 ．2 ．2 织构 图2 为不同铝含量的快凝薄带∞ 4 5 。 的 O D F 截面图。根据图中坐标可以计算晶面指数，经 叭。 劬F e - - 6 ．5 ％S i 2 0 1 2 年6 期 整数化后的结果为，H ；K ；L 1 l 1 。4 ，U tVt W 2 ；2 1 。由此可知，随铝含量增加，主要织构 组分{ 1 0 0 和{ 1 1 4 } 明显增强。 鲫o 】 C o F e - 6 ，5 ％S i - 4 ．0 ％A 1 帆。 c F e - 6 ．5 ％掰一1 ．0 ％A I 图2 快凝薄带q ， 4 5 。 的O D F 截面图 F i g ．29 4 5 { 。 s e c t i o n so fO D Fa tr a p i dq u e n c h i n gr i b b o nw i t hd i f f e r e n tA lc o n t e n t 合金在凝固过程中，液相在铜辊表面有很大的 过冷度，可以形成很薄的等轴晶粒。结晶潜热的释 放在带厚度方向形成对柱状晶生长有利的温度梯 度[ B ] 。F e - 6 ．5 ％s i 合金在凝固过程中，就会呈现出 较明显的取向．而铝元素就是通过影响其过冷度而 影响晶粒的织构组分。 2 ．2 ．3 磁性能 图3 为快凝薄带退火后的室温磁滞回线。F e - 5 ．5 ％S i 和F e - 6 ．5 ％S i 合金添加铝元素后，磁导率 降低，但铝对F e - 6 ．5 ％S i 合金的影响较小。用振动 样品磁强计测试了快凝薄带的室温磁滞回线，测试 时磁场垂直于薄带表面。结果显示，所有快凝薄带 样品的磁滞回线比较平，达到饱和的磁化过程较慢， 一F e l 5 ．5 ％S i ‘⋯F 幽5 ％S i l0 ‘I 歹 ／ ， ∥’ 一2 0- 1 001 02 0 陆I 制 当外加磁场达到2T 时，磁化强度才趋近于饱和。这 与作为软磁材料的普通硅钢片的磁性能是明显不同 的[ 7 ] 。F e - 5 ．5 ％S i 与F e - 6 ．5 ％S i 的M s 值分别为 11 3 4 ．7e m u ／c m 3 和10 7 1 ．6e r n u ／c I n 3 。1 ．0 ％的铝 合金化后M s 值分别降低到10 3 9 ．2e m u ／c m 3 和 9 1 3 ．7 6e m u ／c m 3 。另外．快凝薄带的磁滞现象很不 明显。磁滞回线所包围的面积非常小，所以磁滞损耗 很小。在未合金化的样品所对应的磁滞回线中，还 能依稀看见磁滞现象，但是在加铝之后，退磁曲线和 磁化曲线几乎重合。而且加入非铁磁性元素铝后， 样品的饱和磁化强度明显减小，F e - 6 ．5 ％S i 合金受 铝合金化影响较小。 一F e - 6 ，5 0 儡j 。- F ．5 ％S i - I ．帆 嘻∥ ．I l I 。∥’ 图3 快凝薄带的室温磁滞回线 F i g ．3 H y s t e r e s i sl o o po fr a p i dq u e n c h i n gr i b b o na tr O O mt e m p e r a t u r e 79暑苎己。冒鑫哥最日苫，_茸o．j基一，Ⅱo口器q昏 万方数据 2 0 1 2 年6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 3 3结论 1 F e - 6 ．5 ％S i 合金的塑性极低。加入铝后有利 于改善铸态高硅钢的强韧性，而当铝含量为0 ．4 ％ 时，屈服强度与未合金化前相近，但延伸率超过 5 ％，得到了大幅提高。 2 硼、铌、错的微合金化均有利于改善铸态高硅 钢的塑性，且0 ．0 2 ％硼的改善效果明显优于0 ．0 5 ％ 硼。铌和锆的加入则有利于削弱碳，氮在材料中起 的不利影响。 3 在快凝态高硅钢中，铝元素的加入将增大晶 粒尺寸，且F e - 6 ．5 ％S i 一0 ．4 ％A I 的晶粒尺寸更为均 匀，随着铝含量的增加，主要织构组分 1 0 0 } 和 { 1 1 4 明显增强，铝元素的添加有利于降低 磁导率和磁滞损耗。 参考文献 [ 1 1 何忠治．电工钢[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 2 0 3 一 Z 1 6 ． [ 2 2H a j j iH ．O k a d aK TH ．M a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dw o r k a b i l i t yo f6 ．5 ％S is t e e ls h e e t [ J ] ．J o u n r a lo fM a g n e t i s m a n dM a g n e t i cM a t e r i a l s ．1 9 9 6 ，1 8 0 1 0 9 1 1 4 ． E 3 ] 吴润，陈大凯，夏先平，等，高硅钢的P c v D 制造工艺及 其电磁性能[ J ] ．钢铁研究学报，1 9 9 7 ，9 4 4 2 4 5 ． [ 4 ] N m aWJ ，C h o iHc ．E f f e c to fS io nm e c h a n i cp r o p e r t i e s o fl o wa l l o ys t e e l [ 1 ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dT e c h n o l - o g y ，1 9 9 9 ，1 5 5 6 5 7 6 7 0 ． [ 5 ] Y a n e zTR ，H o u b a e r tY ，M a r cDW ．E v o l u t i o no fm a g n e t i ep r o p e r t i e sa n dm l c r o s t r u c t u r eo fh i g h s i l i c o ns t e e l d u r i n gh o td i p p i n ga n dd i f f u s i o na n n e a l i n g [ J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n so nM a g n e t i c s ，2 0 0 2 ，3 8 5 3 2 0 1 3 2 0 3 ． [ 6 ] 胡广勇，左良，粱志德，等．快凝速度对淬态F e - 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