CN102382963B - 一种提高高硅电工钢室温塑性的热处理方法 - Google Patents

Abstract

一种提高高硅电工钢室温塑性的热处理方法，主要适用于处理Fe-6.5wt%Si高硅电工钢，属于金属材料热处理技术领域。其主要工艺流程包括加热、保温、冷却和去应力退火四个环节，具体特征在于：将高硅电工钢铸坯以15~25℃/min的速度加热到900~1200℃；在900~1200℃下保温0.25~4h；采用50~400℃/s的冷却速度冷却到室温；之后再加热至300~500℃保温0.1~1h后空冷，进行去应力退火，其间综合考虑了有序度、尤其是析出相和残余应力等因素对高硅电工钢室温塑性的影响。经本发明所述方法处理后，高硅电工钢铸坯的室温塑性显著提高。

Description

一种提高高硅电工钢室温塑性的热处理方法

技术领域

本发明属于金属材料热处理技术领域，特别是提供了一种提高高硅电工钢室温塑性的热处理方法，主要适用于处理Fe-6.5wt%Si高硅电工钢。

背景技术

Fe-6.5wt%Si电工钢（高硅电工钢）具有高磁导率、低矫顽力、低铁损等特点，是高性能发电机、电动机、变压器、继电器等的铁芯关键材料，可显著降低器件或设备的能源损耗和噪音污染，有利于设备或器件的小型化和轻量化[Phway T P P，Moses A J．Magnetostriction trend of non-oriented 6.5%Si-Fe．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2008，320（20）：e611-e613]。然而，高硅电工钢的室温脆性大、加工性能差，很难采用常规塑性加工工艺生产满足铁芯使用所要求的薄板或带材[Komatsubara M，Sadahiro K，Kondo O，et al．Newly developed electrical steel for high-frequency use．Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2002，242-245（P1）：212-215]。

热处理作为材料制备加工过程中的重要工艺之一，主要通过控制金属材料的组织形貌、相组成和分布等，可使材料在不改变样品形状和整体化学成分的前提下，获得不同的使用性能。

Fe-6.5wt%Si合金主要包括三种微结构：无序的BCC结构、有序的B2和D0₃结构（其中D0₃结构的有序度大于B2结构）。合金有序度的大小与高硅电工钢脆性有着直接的联系，有序度越高脆性越大。

相关研究表明，在一定的加热和冷却条件下，Fe-Si合金有序-无序结构之间将发生相互转变。例如，Yu等研究BCC结构到B2结构的转变时，发现对于Si含量小于5.87wt%的Fe-Si合金，通过热处理可完全抑制B2结构的出现；而当Si含量达到6.5wt%时，即便采用1000℃保温24h后水淬的方法也无法抑制B2结构的出现[Yu J H，Shin J S，Bae J S，et al．The effect of heat treatments and Si contents on B2 ordering reaction in high-silicon steels．Materials Science and Engineering A，2001，307（1-2）：29-34]。

高硅电工钢有序-无序结构的变化将直接影响该合金的相关性能。例如，热轧态1mm厚的高硅电工钢板坯在850℃下保温2.5h，经盐水冷却后，合金的有序度降低，从而导致合金硬度的下降和塑性的提高[梁永锋，林均品，叶丰，等．热处理对Fe-6.5wt%Si合金冷轧薄板组织及磁性能的影响．材料热处理学报，2009，30（2）：85-88，92]。Shin等的研究发现，对于Si含量为5.0wt%~6.0wt%的Fe-Si合金热轧坯料，经850℃保温1h油淬和冰盐水淬处理后，塑性明显提高，可实现多道次的冷轧（需进行中等程度的裁边处理），但对于Si含量大于6.0wt%的热轧坯料，经相同热处理后却因大量裂纹的出现而无法冷轧[Shin J，Lee Z H，Lee T D，et al．The effect of casting method and heat treating condition on cold workability of high-Si electrical steel．Scripta Materialia，2001，45（6）：725-731]。    

综上所述可知，通过热处理可以改善高硅Fe-Si合金的塑性。但对于含Si量6.5wt%的高硅电工钢，高温淬火热处理无法完全抑制B2有序结构的形成，因而基于有序-无序结构转变控制的热处理方法，在提高高硅电工钢塑性方面的作用较小。

此外，淬火后残余的B2有序结构，在后续热处理或加工过程中易转化为有序度更高的结构。例如，Matsumura等研究表明，B2有序结构和D0₃有序结构之间的转变与Si含量、保温温度和保温时间有关，当Si含量达到6.5wt%时，其临界转变温度为585℃[Matsumura S，Tanaka Y，Koga Y，et al．Concurrent ordering and phase separation in the vicinity of the metastable critical point of order–disorder transition in Fe-Si alloys．Materials Science and Engineering A，2001，312（1-2）：284-292]。若后续热处理或热加工的温度、时间等工艺参数选择不当，将进一步恶化高硅电工钢的塑性。

另一方面，本发明人的最近研究结果表明，高硅电工钢的宏观脆性，不仅与合金中的有序、无序结构有关，而且与合金中析出相的形貌、分布，表面残余应力状态等因素有关。

现有的热处理方法由于未考虑合金热处理后的残余应力、析出相、后续热处理或加工过程中有序结构（B2）向更高程度有序结构（D0₃）的转变等问题，导致热处理后高硅电工钢的塑性提高程度有限。

发明内容

本发明的目的是综合考虑热处理过程中有序度、析出相、残余应力等因素对Si含量为6.5wt%的高硅电工钢室温塑性的影响，提出一种包括加热、保温、冷却和去应力退火四个环节的热处理综合调控方法，以显著改善高硅电工钢的室温塑性。

一种提高高硅电工钢室温塑性的热处理方法，该热处理方法工艺流程如图1所示，主要包括以下四个步骤：

A.    将高硅电工钢铸坯以15~25℃/min的速度加热到900~1200℃；

B.     在900~1200℃下保温0.25~4h；

C.     采用50~400℃/s的冷却速度冷却到室温；

D.    重新加热至300~500℃保温0.1~1h后空冷。

本发明的优点：

（1）    本发明通过控制保温温度、保温时间和淬火冷却速率，使析出相形貌由针状转变为球状且数量减少，在降低高硅电工钢的有序度的同时，减小变形时的应力集中，从而有效提高电工钢的室温塑性。

（2）    本发明通过控制退火处理温度和保温时间，使淬火处理后的高硅电工钢 在不发生明显有序度和析出相恢复的前提下，减小其表面残余拉应力，从而进一步提升高硅电工钢的室温塑性。

（3）    本发明通过选择合理的加热速率和保温温度以降低高硅电工钢的氧化烧损率，可在大气条件下直接进行处理，无需真空或者惰性气氛保护，从而大大降低了对工装设备的要求，且提高了热处理效率、降低了成本。

附图说明：

图1为本发明的热处理方法工艺流程图

图2为实施例1中试样热处理前后的三点弯曲力学性能

图3为实施例2中试样热处理前后以及去应力退火后的三点弯曲力学性能

具体实施方式

实施例1：热处理对柱状晶高硅电工钢铸坯室温弯曲力学性能的影响

将定向凝固后的柱状晶高硅电工钢（Fe-6.52Si-0.05B）铸坯线切割并打磨成2×5×35mm³的块状试样，经过15℃/min加热到900℃后保温1h，采用工程中常用油淬方式进行冷却。将淬火前后试样进行三点弯曲力学性能测试，实验标准依照GB/T 14452-93，所测量弯曲力学性能变化如图2所示。可见，试样经淬火后其最大弯曲应力提高了45%，断裂挠度提高了74%，弯曲断裂能提高了200%，室温塑性明显提高。

实施例2：热处理对等轴晶铸态高硅电工钢室温弯曲力学性能的影响

将真空熔炼制备的具有等轴晶组织的高硅电工钢（Fe-6.47Si-0.01B）铸坯线切割并打磨成2×5×35mm³的块状试样，经25℃/min加热到1100℃后保温1h，然后进行油淬（冷却速率74℃/s），将冷却后的试样在400℃保温10min条件下退火以降低淬火残余应力。将退火后的试样进行三点弯曲力学性能测试，实验标准依照GB/T 14452-93，所测量弯曲力学性能变化如图3所示。可见，油淬试样的平均断裂挠度为1.27mm，比铸态的0.65mm提高了95%；去应力退火后试样的平均断裂挠度为1.53mm，比铸态的提高了135%，室温塑性显著提高。

Claims (1)

1. 一种提高Fe-6.5wt%Si高硅电工钢室温塑性的热处理方法，工艺流程包括加热、保温、冷却和去应力退火四个环节，具体特征在于：

将高硅电工钢铸坯以15~25℃/min的速度加热到900~1100℃；

在900~1100℃下保温0.25~1h；

将坯料油淬冷却到室温；

之后再加热至300~500℃保温0.1~1h后空冷，进行去应力退火。

Images