CN100425392C - 高硅钢薄板的冷轧制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高硅钢薄板的冷轧制备方法,属于金属材料制备技术领域。薄板中Fe含量为85-96%,Si含量为4-15%,均为重量比;其工艺为:原料准备:硅含量的范围为4-15%,硼的含量为100-5000ppm,其余为铁;冶炼,浇铸;锻造成厚度10-20mm的板坯;热轧到1-2mm;热轧板热处理;温轧得到0.2-0.3mm的板材;温轧板热处理;冷轧得到厚度为0.03-0.05mm的高硅钢板。优点在于,利用冷轧方法制备该合金,而由于该材料的室温脆性,该传统方法在之前被认为不可能制备出高硅钢。所制备出来的冷轧薄带具有良好的板形,表面具有金属光泽。该生产工艺具有普遍适用性,成本低;由于高硅钢优异的软磁性能,具有广阔的市场应用前景。

Description

高硅钢薄板的冷轧制备方法
技术领域
本发明属于金属材料制备技术领域,涉及一种含硼高硅钢的冷轧制备方法。
技术背景
硅钢是使用量最大的一类软磁合金,含硅量一般为1.5~3.5%(重量比,下同)。是电力和电讯工业用以制造发电机、电动机、变压器、互感器、继电器以及其它电器仪表的重要磁性材料。
高硅钢一般指含硅量超过3.5%的硅钢。随着硅含量的增加,硅钢的软磁性能提高,表现在电阻率和磁导率的增加,矫顽力和磁晶各向异性能的降低。在6.5%硅含量时,硅钢性能表现最优。1928年Schulze发现Fe-6.5%Si合金的磁滞伸缩常数(λ,)接近于零。1942年Ruder指出,和Fe-3.5%Si合金相比,Fe-6.5%Si合金的磁晶各向异性常数KI和磁致伸缩常数λs更低,电阻率ρ更高,所以铁损P更低。1964年Brown等证明Fe-6.5%Si单晶体比Fe-3.5%Si单晶体的P15/50低0.2W/kg,λs低90%,KI低1/3。因而与普通硅钢相比,高硅钢具有优异的磁性能,可以得到低的铁损和小的磁致伸缩,对节约能源,降低噪音有着重要的作用。
但随着Si含量的增加,铁硅合金的加工性能变差,4.0%Si一般为硅钢制品的上限。超过此范围,合金中出现铁硅的有序相,大大提高了材料的脆性,因而难于用传统的轧制方法生产高硅钢板。由于高硅钢有严重的脆性,各发达国家相继采用特殊的工艺制备该合金薄板。Y.Takada在Journal of Applied Physics,64(10):5367-5369,1988,Commercial scale production of Fe-6.5wt.% Si sheet and its magneticproperties中提到用CVD(Chemical Vapor Deposition)方法生产此合金。该工艺包括两个步骤,第一步先将普通硅钢轧到一定厚度,第二步对此钢板进行化学气象沉积,在表面沉积硅,然后进行扩散退火。该工艺虽然已基本成熟,但生产工艺复杂,生产周期长,生产成本高,且所用原料SiCl4对环境有污染。G.E.Fish等在Journal of Applied Physics,64(10):5370,1988,Frequency dependence ofcore loss inrapidly quenched Fe-6.5wt.%Si中报道用快速凝固法制备该合金薄带。其特点是直接由液态合金甩带,避开其脆性区,直接得到薄而窄的合金薄带。但所得薄带尺寸受限制,因而不利于大规模生产和应用。T.Ros-Yanez等在Journal of MaterialsProcessing Technology,143-144:916-921,2003,Production of high silicon steel forelectrical application by thermomechanical processing中报道,用传统的热轧冷轧方法制备该合金。但冷轧之前,须调整轧制方向,沿热轧方向旋转90°,即沿热轧板的横向进行冷轧,因而这种工艺也不适合大批量生产此合金。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硅钢薄板的冷轧制备方法,对于含硅4~15%的高硅钢,利用锻造,热轧,温轧,冷轧法,结合相应的热处理工艺,制备0.03~0.05mm薄带。薄带具有良好的板形,表面具有金属光泽。该生产工艺具有普遍适用性,可以在传统的轧机上进行,不需要对现有设备进行大的改造。同时冷轧方向与热轧方向相同,因而热轧板可以沿轧制方向继续冷轧,保持了板带材的连续性。
具体的工艺流程(参见图1)为:
(1)原料准备:以工业纯铁(工业纯铁DTO,铁含量99.5%)、晶体硅(纯度为99.9%)、硼铁(含硼20.43%)为原料,按硅含量4~15%,硼含量100~5000ppm的比例进行配比混合;
(2)冶炼:用中频真空感应炉熔炼原料纯铁、硅和硼铁,1300~1530℃浇铸;
(3)锻造:采用空气锤自由煅,在1250℃~750℃将铸锭锻造成厚度为10~20mm的板坯,锻造不仅可以提供适宜于热轧的原料形状,而且可以破碎晶粒和夹杂物,提高材料的塑性;
(4)热轧:1250~500℃热轧到1~2mm,在此过程中材料发生较大变形,同时发生动态再结晶,晶粒细化;
(5)热轧板热处理:在700~1000℃保温1~3小时后水或盐水中冷却。热处理使材料发生回复和再结晶,消除加工硬化,并且快速冷却降低了材料的有序度。
(6)温轧:在700~150℃温轧,得到0.2~0.3mm的板材。在再结晶温度以下轧制,获得纤维状轧制组织,增加材料塑性。
(7)温轧板热处理:在700~1000℃保温1~3小时后水或盐水中冷却。此热处理在保护气氛下进行,防止板材表面氧化,影响后续冷轧加工。此热处理消除了加工硬化,快速冷却降低了材料的有序度;
(8)冷轧:室温下冷轧,第一道次压下量为20~70%,第二道次压下量为10~50%,之后反复冷轧,直至厚度达到0.03~0.05mm。经过冷轧,得到极薄板材,并且板材板形整齐,表面质量好,具有金属光泽。
本发明的温轧板热处理在保护气氛中进行,采用氩气或氮气下进行。
本发明的冷轧第一道次压下量为20~70%,第二道次压下量为10~50%,之后反复冷轧,直至厚度达到0.03~0.05mm。
本发明的优点在于:
本发明提出用传统的轧制方法制备高硅钢的技术。而由于该材料的室温脆性,该传统方法在之前被认为不可能制备出高硅钢。因而利用此方法,可以利用传统的锻造机和轧钢机制备该合金薄板,具有广泛的适用性。并且所用原材料简单,纯度不高,具有成本低的优点。
高硅钢中存在铁硅的有序相,对材料的塑性影响很大,同时材料中所含非金属杂质,如碳、氧、氮等对该材料的磁性能影响较大,因而从制备工艺的各个环节着手,一方面降低铁硅有序相的含量,提高塑性,另一方面减少杂质含量,提高合金的磁性能。
冶炼时采取真空感应炉熔炼,可以降低杂质含量,提高合金塑性及磁性能。硼元素的加入,能够细化铸造组织晶粒,保证锻造的顺利进行。锻造和热轧过程,能够提供较薄的板材,并且细化晶粒。温轧过程是实现冷轧的关键步骤,在再结晶温度以下的温轧,能够得到拉长的纤维组织,提高材料的塑性。冷轧时第一、第二道次采用较大的压下量,使原子站位发生激烈重组,促进有序合金的无序化,同时利用大变形过程当中的变形热,使材料温度升高,冷轧能够顺利进行。而在此制备过程当中所采取的合适的热处理制度,不仅能够使材料发生回复再结晶,消除加工硬化,提高塑性,更能使合金从无序状态急冷,降低合金的有序度,大大地提高了塑性。
本发明从原料控制、工艺路线着手研究,能够节约成本,具有现实的推广应用价值,具有其他制备方法无可比拟的优势,同时由于此种高硅钢具有优异的软磁性能,因而具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
图2为本发明的温轧0.3mm薄板。
图3为本发明的冷轧0.05mm薄板,
图4为本发明的薄带的弯曲实验。
具体实施方式
对于硅含量在4~15%,硼含量在100~5000ppm的高硅钢,利用轧制的方法,制备薄板,具体的实施方案如下:
实施例1
对于含硅4.5%,含硼200ppm的高硅钢,用中频真空感应炉熔炼原料,浇铸温度1530℃。铸锭随后进行自由锻造,初锻温度1200℃,终锻温度900℃,铸锭采取随炉升温的方式,以防止热应力产生裂纹。
锻造后板坯厚20mm,随后进行热轧,热轧开轧温度1200℃,终轧温度700℃。板坯热轧至1.5mm。所得热轧板经过热处理,热处理温度为900℃,保温时间1h,水冷却。
处理后的热轧板酸洗之后,进行温轧,开轧温度500℃,终轧温度150℃,压下量为每道次30%,得到0.3mm温轧板。
温轧板经过900℃,1h保温处理,水冷却,表面经过处理后进行冷轧。冷轧第一道次40%,第二道次30%,随后不断减小辊缝,反复冷轧至0.05mm。
实施例2
对于含硅5.8%,含硼600ppm的高硅钢,用中频真空感应炉熔炼原料,浇铸温度1500℃。铸锭随后进行自由锻造,始锻温度1200℃,终锻温度850℃,铸锭采取随炉升温的方式,以防止热应力产生裂纹。
锻造后得到板坯厚20mm,随后进行热轧,热轧开轧温度1200℃,终轧温度650℃,板坯热轧至1.5mm。所得热轧板经过热处理,热处理温度为900℃,保温时间2h,水冷却。
处理后的热轧板酸洗之后,进行温轧。开轧温度650℃,终轧温度200℃温度,压下量为每道次25%,得到0.3mm温轧板。
温轧板经过850℃,1h保温处理,水冷却,表面经过处理后进行冷轧。冷轧第一道次35%,第二道次30%,随后不断减小辊缝,反复冷轧至0.03mm。
实施例3
对于含硅6.5%,含硼1000ppm的高硅钢,用中频真空感应炉熔炼原料,浇铸温度1480℃。铸锭随后进行自由锻造,开锻温度1100℃,终锻温度850℃,锻造的铸锭采取随炉升温的方式,以防止热应力产生裂纹。
锻造后得到板坯厚20mm,随后进行热轧,热轧开轧温度1150℃,终轧温度650℃。板坯热轧至1mm。所得热轧板经过热处理,热处理温度为900℃,保温时间2h,盐水冷却。
处理后的热轧板酸洗之后,进行温轧。开轧温度650℃,终轧温度250℃,压下量为每道次25%,得到0.3mm温轧板。温轧板经过900℃,1h保温处理,盐水冷却,表面经过处理后进行冷轧。
冷轧第一道次40%,第二道次30%,随后不断减小辊缝,反复冷轧至0.03mm。
实施例4
对于含硅7.5%,含硼2000ppm的高硅钢,用中频真空感应炉熔炼原料,浇铸温度1460℃。铸锭随后进行自由锻造,开锻温度1100℃,终锻温度800℃。铸锭采取随炉升温的方式,以防止热应力产生裂纹。
锻造后得到板坯厚15mm,随后进行热轧,热轧开轧温度1100℃,终轧温度700℃,板坯热轧至1mm。所得热轧板经过热处理,热处理温度为900℃,保温时间3h,盐水冷却。
处理后的热轧板酸洗之后,进行温轧。开轧温度700℃,终轧温度300℃,压下量为每道次25%,得到0.3mm温轧板。温轧板经过900℃,2h保温处理,盐水冷却,表面经过处理后进行冷轧。
冷轧第一道次45%,第二道次30%,随后不断减小辊缝,反复冷轧至0.05mm。
实施例5
对于含硅12%,含硼4000ppm的高硅钢,用中频真空感应炉熔炼原料,浇铸温度1400℃。铸锭随后进行自由锻造,开锻温度1050℃,终锻温度800℃,锻造的铸锭采取随炉升温的方式,以防止热应力产生裂纹。
锻造后得到板坯厚15mm,随后进行热轧,热轧开轧温度1000℃,终轧温度700℃,板坯热轧至1mm。所得热轧板经过热处理,热处理温度为900℃,保温时间3h,盐水冷却。
处理后的热轧板酸洗之后,进行温轧。开轧温度700℃,终轧温度400℃,压下量为每道次25%,得到0.3mm温轧板。温轧板经过900℃,2h保温处理,盐水冷却,表面经过处理后进行冷轧。
冷轧第一道次50%,第二道次35%,随后不断减小辊缝,反复冷轧至0.05mm。

Claims (3)

1.一种高硅钢薄板的冷轧制备方法,薄板中Fe含量为85~96%,Si含量为4~15%,均为重量百分比;其工艺为:
(1)原料准备:工业纯铁、晶体硅、硼铁为原料,要得到的硅含量的范围为4~15%,硼的含量为100~5000ppm,其余为铁;
(2)冶炼:用中频真空感应炉熔炼原料纯铁、硅和硼铁,1300~1530℃浇铸;
(3)锻造:在1250℃~750℃锻造成厚度10~20mm的板坯;
(4)热轧:1250~500℃热轧到1~2mm;
(5)热轧板退火:在700~1000℃保温1~3小时后水或盐水中冷却;
(6)温轧:在700~150℃温轧,得到0.2~0.3mm的板材;
(7)温轧板热处理:在700~1000℃保温1~3小时后水或盐水中冷却;
(8)冷轧:室温下冷轧,得到厚度为0.03~0.05mm的高硅钢板;
2.根据权利要求1所述的高硅钢薄板的冷轧制备方法,其特征是,温轧板热处理在保护气氛中进行,采用氩气或氮气下进行。
3.根据权利要求1所述的高硅钢薄板的冷轧制备方法,冷轧第一道次压下量为20~70%,第二道次压下量为10~50%,之后反复冷轧,直至厚度达到0.03~0.05mm。
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