CN101294268A - 一种取向硅钢的渗氮方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种取向硅钢的渗氮方法，主要特征包括在等离子渗氮室内进行等离子渗氮处理，通过控制等离子渗氮室中的渗氮温度500～700℃、渗氮时间10～30秒，渗氮气氛为H₂占0～10％，NH₃占0～5％，其余为N₂，控制等离子渗氮室真空度为1000～2000Pa，极板电压为700～1000V，来控制渗入取向硅钢中的N元素的渗入量、分布以及氮化物的尺寸。在取向硅钢生产中采用等离子渗氮方法可以使渗氮效果均匀，增强抑制剂的抑制力，提高工艺稳定性。

Description

一种取向硅钢的渗氮方法

技术领域

本发明涉及一种取向硅钢的渗氮技术，特别涉及一种取向硅钢的等离子渗氮技术方法。

背景技术

取向硅钢是指沿轧制方向具有高斯织构，即(110)[001]织构，的硅钢板，它在轧制方向具有最优的磁性能。取向硅钢的高斯织构是在冷轧板二次再结晶过程中形成的，而这个过程以抑制冷轧板初次再结晶为前提。抑制初次再结晶主要通过钢中细小的沉淀相和偏析元素，所以取向硅钢制造工艺的关键点之一就是如何形成尺寸、分布适宜的抑制剂。这些充当抑制剂的相在形成后，就不应在二次再结晶前的工艺中因分解或尺寸显著变化而失效，目前常用的如AlN、MnS《何忠治编著.电工钢(下).V01.章节为7-3-5.1996：冶金工业出版社》等。

取向硅钢的制造技术按抑制剂的形成时间可以分为高温制造工艺和低温制造工艺。

高温制造工艺的应用历史较长。它的工艺特征是在炼钢时就加入了形成抑制剂所需的充分元素。它的技术特征是需要在热轧前，高温长时间地加热板坯。具体而言，在用MnS作抑制剂的方法中板坯加热温度必须达1300℃以上，在用MnS和AlN作抑制剂的方法中必须达1350℃以上。实际生产中，为了让板坯中心也达到温度，炉内温度甚至会设置到1400℃。形成鲜明对比的是，普通碳钢的热轧加热温度只在1250℃左右。

取向硅钢生产中的抑制剂是有尺寸要求的，只有在几十纳米尺度上的抑制剂才能起到作用，特别是20～40nm。而在钢水凝固期间析出的MnS或AlN形态粗大，不能起到抑制晶粒长大的作用，所以要改变它的形态。要改变粗大的析出相的形态，首先就要使之固溶。这就是高温制造工艺中采用热轧前高温加热的原因。

这种板坯的高温加热消耗了大量的能源，板坯表面的融化增加了加热炉的维修成本，并且在热轧中容易形成严重边裂，降低热轧成材率。另一方面，为了控制在热轧加热期间固溶的抑制剂的析出形态，高温制造工艺对随后进行的热轧、常化、脱碳等工艺过程都有严格的控制要求。这也导致了高昂的制造成本、较低的成品率，并需要复杂的设备来实现。

为了避免高温制造工艺中的上述问题，近来在低温制造工艺，即不需要高温固溶处理的取向硅钢制造技术上进行了大量研究。在这些方法中，抑制剂不仅仅靠炼钢中加入的元素形成，还在加工过程中的适当阶段形成抑制剂。目前最有应用意义的就是对钢板进行渗氮处理。

采用低温渗氮工艺制造的取向硅钢，其热轧加热温度可降低到1250℃左右或以下。在这个温度下，生产成本和成材率得到显著改善。

由浦项综合制铁株式会社申请的中国专利号为98800888.2的专利中，介绍了采用化学热处理的方式渗氮方法，即将钢板在氨气氛中进行热处理。渗氮的过程可以在脱碳时、脱碳后，或高温退火时。在这些热处理中，氨气在钢板表面分解。刚分解出的N元素具有活性，通过高温下的热运动就可以按一定比例进入钢板表层，形成SiN或(Si、Mn)N等化合物。这些化合物具有较低的固溶温度，所以在高温退火中，固溶出的N元素会渗入钢板内部与Al重新化合，再以AlN的形式再次析出。这些细小的AlN析出相就是所希望获取的抑制剂形态。

虽然该现有渗氮工艺在取向硅钢的生产中已经获得了应用，但存在以下局限性：

第一，它对渗氮工艺前后的工艺的温度、露点、气氛等与钢板表面质量相关的工艺参数提出了很高的控制要求。这是因为钢板的表面质量对化学热处理的效果影响显著，并且化学热处理渗入的氮是相对不稳定的。

第二，渗氮效率低。因为化学热处理渗入的氮需要靠热能通过扩散进入钢板，所以渗入的氮主要集中在表层，并且渗入速度相对较慢。

第三、渗氮过程中，氨气在管道、炉壁上的分解降低了氨气的渗氮效率，同时因为对设备有渗氮效果，也加大了设备维护的难度。

由于上述第一和第二个原因，使采用这种渗氮方法生产的产品具有有以下缺陷：

1.由于所渗入的N高度集中于材料的界面上，所以抑制剂在沿厚度方向上是分布不均匀的，所以成品性能不稳定。

2.由于表层的N很容易返回到气氛中去，所以最终从表层进入钢板基体的N含量是不稳定的，所以产品性能波动较大。

3.由于N最终进入基体的过程是一个缓慢的热处理过程，所以形成的抑制剂必然形态较为粗大，一般在50nm以上，产品性能较高温工艺的最高水平偏低。

4.因为渗氮量高度依赖钢板表面状态，所以会因为表面氧化层或残存油等分布的不均匀造成渗氮量在表面分布的不均匀，导致成品在二维平面上二次再结晶不均匀。

综上所述，这种渗氮方式无法获得最佳的渗氮效果，所以产品性能和工艺稳定性也较高磁感高温工艺偏低。

除了上述的化学热处理渗氮方法，还可以在钢板上涂布一种含有能渗氮的化学制剂的退火隔离层来进行渗氮。但这种方法会降低玻璃膜的质量，并且渗氮量沿板坯厚度方向更不容易控制均匀，处理时间也很长，所以应用性较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种取向硅钢的渗氮方法，该方法是将等离子体渗氮技术运用于取向硅钢生产中，从而使渗氮效果更加均匀，抑制剂的抑制力增强，大大提高产品的工艺稳定性。

为解决上述技术问题，本发明的取向硅钢的渗氮方法是：经过炼钢、热轧、冷轧、脱碳退火的取向硅钢钢带进入专用的连续式等离子加热炉进行渗氮处理。通过控制等离子加热炉中的渗氮温度、渗氮时间、渗氮气氛、真空度与极板电压，来控制渗入取向硅钢中的N元素的渗入量、分布以及氮化物的尺寸。

上述等离子加热炉中，真空度为1000～2000Pa，气氛为N2、H₂与NH₃的混合气，其中H2占0～10％，NH₃占0～5％。钢板被附加了700～1000V的偏压，等离子体中的氮离子在电场作用下高速撞击取向硅钢冷轧板的表面，并直接深入钢板内部。加热炉的温度为500～700℃，在热能和电势能的共同作用下，渗入的N元素可以在钢板的厚度方向上迅速达到均匀，并形成SiN、(Si、Mn)N、AlN等细小、均匀的化合物。整个渗氮过程为10～30s。等离子渗氮后，渗入的N元素在高温退火工序中，形成取向硅钢生产所需的AlN抑制剂。

优选地，上述过程中，取向硅钢先经过一真空过渡室，再进入等离子渗氮室，最后再经过一真空过渡室。

等离子渗氮技术通常用于对结构钢、不锈钢、耐热钢等钢做成的钢铁部件做表面处理，实现部件表面强化的效果。本发明提出的“能实现取向硅钢低温生产的等离子渗氮工艺”与这些起表面强化作用的“等离子渗氮工艺”有以下区别：

第一、本发明提出的渗氮方法是钢铁生产流程中的一个工序，而不是对钢铁部件的加工。

第二、由于本发明提出的渗氮方法专门应用于冷轧后的取向硅钢半成品，并且经过参数优化，所以对钢板的渗氮效果可以达到钢板内部，而不限于表层。

第三、本发明的渗氮方法的目标化合物及其生成量、尺寸都需要控制在一个有利于取向硅钢生产的特殊区间内，而不是形成起表面强化作用的TiN、Fe₁₆N₂等化合物。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.渗氮效果均匀：因为等离子渗氮工艺中的氮离子不仅具有化学活性和热势，还具有电势能，所以活性N原子能够直接深入钢板内部，在钢板厚度方向上迅速达到均匀，而不是富集在钢板界面上，从而使成品板厚方向的二次再结晶均匀。

2.抑制剂的抑制力强，成品磁性能好，特别有利于制造0.23mm以下薄规格的产品：等离子渗氮中生成的氮化物尺寸细小、分布均匀，所以容易充分固溶，重新析出AlN时由于不需要通过一个较长的原子迁移过程，所以形成的AlN较为细小，可控制在15～50nm。并且AlN分布均匀、密度高，抑制力强。成品磁性能好，并特别有利于制造0.23mm以下薄规格的产品。

3.简化前工序对表面质量的控制，简化前工序对表面质量的控制：渗氮的原子可以通过轰击力穿透钢板表面的氧化膜等表层组织，直接作用于钢板基体，所以表面质量的不均匀或不稳定不会造成渗氮质量的明显影响。工艺稳定性大大提高。

附图说明

图1为渗氮时间20s的样品横截面N的纵深分布示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本技术方案作进一步说明。

在以下的实施例中，等离子渗氮设备均附加于脱碳工艺段之后，MgO涂层段之前，等离子发生电源为脉冲电源。

实施例1：

对多种成分的钢进行渗氮，成分如表1：

表1

No.	Si  (％)	C(ppm)	Mn(％)	S(ppm)	Al可溶(ppm)	N(ppm)	Ti(ppm)
								1	2.80	420	0.15	65	150	80	11
2	2.80	550	0.15	65	200	80	12
								3	3.10	420	0.15	75	270	70	10
4	3.10	540	0.13	65	310	70	11
								5	3.40	420	0.14	70	400	69	10

将上述每种成分的板坯加热到1200℃，保持180分钟。然后直接热轧到2.3mm。热轧钢带进行两步退火，首先加热到1130，然后在降温过程中用200秒降到900℃。随后对钢板在100℃水中进行急冷。酸洗后对钢带进行5个道次的单级冷轧轧制，其中第3和第4道次在220℃进行，压下到0.30mm厚度。冷轧钢带在850℃进行200秒脱碳退火。

脱碳退火后按以下参数对钢带进行等离子渗氮：渗氮温度600℃、渗氮时间20s、气氛组成为90％的N₂+5％H₂+2％NH₃、真空度为1500Pa、偏压850V。

渗氮后钢带涂覆退火分离剂，在25％N2+75％H2的气氛中加热到1250℃，然后改用纯H2于此温度中保温30小时。

最终样品的渗氮量、铁损值以及平均磁性如表2：

表2

No	N(ppm)	P17/50(W/kg)	B8(T)
				1	120	1.23	1.88
2	130	1.11	1.91
				3	130	1.00	1.95
4	120	1.06	1.94
				5	130	1.22	1.87

实施例2：

将成分3的钢带在按实施例1中的工艺处理到脱碳后，采用90％的N₂+5％H₂+2％NH₃和不同的等离子渗氮工艺，获得的对应的N渗入量及磁性如表3显示：

表3

No	炉温(℃)	电压(V)	渗氮时间(s)	炉压(Pa)	渗入量(ppm)	B8(T)
							1-2(对比例)	400	1200	20	1500	65	1.82
1-4(对比例)	600	600	20	1500	81	1.87
							1-7(对比例)	600	1200	20	1500	198	1.82
1-9(对比例)	800	600	20	1500	72	1.86
							1-3(实施例)	500	1000	20	1500	88	1.90
1-5(实施例)	600	850	20	1500	130	1.95
							1-6(实施例)	600	1000	20	1500	167	1.91
1-8(实施例)	700	700	20	1500	95	1.94

实施例3：

将成分3的钢带在按实施例1中的工艺处理到脱碳后，固定以下渗氮参数：渗氮温度600℃、气氛组成为90％的N₂+5％H₂+2％NH₃、真空度为1500Pa、偏压850V。控制渗氮时间在0～50s，获得的“渗氮量-渗氮时间”关系图如表4所示：表4

实施例与对比例	渗氮时间(s)	渗氮量(ppm)	抑制剂平均尺寸(nm)	B8(T)
					对比例	5	60	13	1.82
对比例	40	190	67	1.87
					对比例	50	210	80	1.83
实施例	10	90	20	1.93
					实施例	20	130	25	1.95
实施例	30	160	43	1.92

渗氮时间20s的样品的横截面的N的纵深分布见图1。

对渗氮20s的样品在500×500mm区域内如图平均分布取16点分析N含量，标准差为4.5ppm，极差为13ppm。具体数据见表5。

表5

序号	N含量	序号	N含量	序号	N含量	序号	N含量
								1	204	5	199	9	197	13	200
2	207	6	208	10	199	14	207
								3	203	7	197	11	199	15	197
4	196	8	194	12	200	16	195

Claims (3)

1.一种取向硅钢的渗氮方法，其特征在于：经过炼钢、热轧、冷轧、脱碳退火的取向硅钢在等离子渗氮室内进行等离子渗氮处理，通过控制等离子渗氮室中的渗氮温度、渗氮时间、渗氮气氛、真空度与极板电压，来控制渗入取向硅钢中的N元素的渗入量、分布以及氮化物的尺寸。

2.如权利要求1所述的取向硅钢的渗氮方法，其特征在于：

渗氮温度：500～700℃；

渗氮时间：10～30秒；

等离子渗氮室真空度：1000～2000Pa；

极板电压：700～1000V；

气氛：H₂占0～10％，NH₃占0～5％，其余为N₂。

3.如权利要求1或2所述的取向硅钢的渗氮方法，其特征在于：取向硅钢先经过一真空过渡室，再进入等离子渗氮室，最后再经过一真空过渡室。

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