CN104561795A

CN104561795A - 一种b800≥1.94t的高磁感取向硅钢及生产方法

Info

Publication number: CN104561795A
Application number: CN201410759259.4A
Authority: CN
Inventors: 郭小龙; 毛炯辉; 高洋; 曹阳; 骆忠汉; 王若平; 许光; 黄斌; 陈文聪; 程祥威
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2014-12-12
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-04-29

Abstract

一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢，其组分及wt%为：C0.045～0.075%、Si2.95～3.35%、Mn0.05～0.20%、S0.005～0.015%、N0.004～0.010%、Sn0.03～0.10%、Cu0.01～0.1%、Als0.020～0.034%;生产方法：经冶炼并连铸成坯后对铸坯加热；分段热轧；在干式全氮气氛下常化并冷却；一次冷轧法时效冷轧；脱碳退火；渗氮处理；常规涂布隔离剂；卷取后常规高温退火，退火气氛采用干式或湿式氮气或氢气或常规氮氢混合气；常规拉伸、平整、涂绝缘涂层及退火。本发明不仅对铸坯低温加热，且工艺适应宽泛，并使其通过控制有效抑制剂数量，实现B₈₀₀≥1.94T，P_1.7/50≤0.88W/kg；其用于普通变压器的制备，既可节省材料，又能提高抗过载冲击能力。

Description

一种B800≥1.94T的高磁感取向硅钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种取向硅钢及生产方法，具体地属于一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢及生产方法，其生产工艺适应性宽泛。

背景技术

目前，常用的高磁感取向硅钢（即HiB钢）制造方法有：高板坯加热温度（1350℃以上）HiB钢制造方法、中板坯加热温度（1350℃～1200℃之间）HiB钢制造方法和低板坯加热温度（1200℃以下）HiB钢制造方法。第一种方法板坯加热温度过高，为了获得稳定优良的磁性能，板坯加热温度甚至需要1400℃以上，生产过程中会带来板坯烧损多、能源消耗大、加热炉维护费用高等问题，生产成本高，成材率低。而第二种方法在降低板坯加热温度后，既要严格控制炼钢和热轧工艺，以严格控制抑制剂，又要在脱碳退火后进行渗氮处理，补充抑制剂。该方法工艺适用范围窄，很难得到稳定的性能。

随着研究的不断深入，低板坯加热温度（1200℃以下）下制造HiB钢方法的研究越来越多，主要有以下基本内容：

日本新日铁小松肇等（日本公开特许公报，昭62-40315，1987）较早发明了取向硅钢的后天渗氮法。通过在MgO中添加5%-10%MnN或氮化锰铁作为渗氮剂，使钢带中渗氮，形成一批细小（Al，Si）N，从而增加抑制剂数量，得到良好的磁性能。但在卷紧的钢卷中，气氛均匀性很难保证，气氛置换需要很长时间。而如果降低卷紧程度，又会出现温度不均匀和渗氮不均匀的问题。

新日铁小林尚等人在1990年公开了一种低温板坯加热方法制造高磁感取向硅钢的方法（日本公开特许公报，平2-247331，1990），该方法板坯加热温度低于1200℃，可以实现大生产。同时，可以避免最终产品底层的点状漏金等缺陷。该发明采用一种新型渗氮方法，在脱碳退火后进行渗氮处理，渗氮气氛中NH₃含量0.1-10%。渗氮后钢带中形成氮化物（Al，Si）N，可以补偿因低板坯加热温度所带来的抑制剂不足。专利中规定了钢带成分范围、渗氮气氛控制、渗氮温度和时间的控制、得到稳定二次再结晶及良好底层附着性的工艺条件。但该发明认为决定磁感应强度的主要因素是渗氮量，没有考虑抑制剂状态的影响，没有解释影响二次再结晶质量的真正原因。

关于成分方面，高桥延幸，黑木克郎认为在钢成分添加Sn或Sb时（日本公开特许公报，平4-329829，1992；黑木克郎，日本公开特许公报，平6-108150，1994），可以增强抑制作用，促使二次再结晶更完善同时减小二次再结晶尺寸，有效改善铁损性能，但底层质量会变坏，为此添加了0.05-0.15%的Cr，以促进脱碳退火时的氧化，提高总氧量。其添加Cr虽然能促进内氧化层（Fe2SiO4和SiO2）的形成，但添加Cr不仅会增加生产成本,还会降低材料的磁感应强度。

高桥延幸，吉富康成，黑木克郎等人深入研究了渗氮法生产高磁感取向硅钢（日本公开特许公报，平7-118746，1995；US Patent 5759293-1998），指出在75%H₂+N₂的气氛中进行脱碳退火，水氢比控制在0.3-0.5，温度为830-850℃。控制脱碳退火后初次再结晶晶粒直径19-25mm。初次再结晶晶粒尺寸过大，二次再结晶不完善，性能恶化；初次再结晶晶粒尺寸过小，二次再结晶取向度不佳，磁感低。另外，控制初次晶粒直径变动系数（即晶粒尺寸不均匀性）小于0.6也很重要。晶粒不均匀度过大时，二次晶粒形核核长大困难。初次再结晶尺寸要和渗氮量配合控制，尺寸小时要求渗氮量低，尺寸大时要求渗氮量高。而且需要测量热轧板常化后钢内AlN中的N含量，并根据此N含量和钢中的总N量来确定最佳脱碳退火温度和时间，以得到与之相匹配的最佳初次再结晶尺寸。但是他们没有对抑制剂状态进行控制，仅靠钢内AlN中的N含量及脱碳退火温度的控制是不够的，一旦热轧条件改变，将无法得到稳定相同的结果。

原势二郎、牛神義行等人研究认为（日本金属学会志，1995，59（9）：917-924），渗氮法生产高磁感取向硅钢时，初次再结晶尺寸会影响二次再结晶开始温度，从而影响二次晶粒的取向度，最终影响磁感应强度。初次再结晶尺寸越大，渗氮量越高时，二次再结晶开始温度越高，平均晶粒尺寸每增大1mm，二次再结晶开始温度就提高9.6℃。而二次再结晶开始温度最佳范围为1070-1085℃，此时S9晶界最易移动，形成的二次晶粒位向最准确，最终性能最好。如果初次再结晶尺寸过大，二次再结晶不稳定，磁感会急剧恶化。他们解释了初次再结晶对二次再结晶的影响，但忽略了更深层次的材料参数的影响，即抑制剂状态的影响。如果渗氮条件不同，仅控制渗氮量，是不能保证性能稳定优良。

牛神義行，黑木克郎等人通过研究，认为渗氮法生产高磁感取向硅钢在脱碳退火时，控制水氢比在0.25-0.7范围，渗氮容易且B₈₀₀高，应为此条件下是较疏松的Fe₂SiO₄形成区（日本公开特许公报，平2-274813，1990）。深入研究认为（日本公开特许公报，平9-256051，1997），还要控制脱碳退火后的织构，在合适的冷轧压下率范围内，冷轧压下率增大，脱碳退火快升温和提高退火温度都可使{411}晶粒增多，保证I{111}/I{411}小于3，则以后形成的高斯取向更准，B8提高。为了控制I{111}/I{411}，牛神義行，中村修一又提出了脱碳退火升温的快速加热（日本公开特许公报，2002-60842），以大于40℃/s的速度快速升温，均热段820-850℃，水氢比0.3-0.6，控制氧化层中总氧量小于2.3g/m²，渗氮量大于180ppm，[N]/[Al]不小于2/3，此时可以得到优良稳定的磁感性能。快速升温的目的是保证I{111}/I{411}小于3，控制织构以得到好的高斯取向，同时减小二次晶粒尺寸，降低铁损。但快速加热使初期氧化状态发生变化，可能造成后续氧化增加，影响抑制剂的稳定性，造成二次再结晶不稳。为此要控制氧化层中的总氧量小于2.3g/m²。当Si含量提高或冷轧压下率增加时，要进一步提高升温速度，适当提高渗氮量，以保证优良的磁感性能。但快速加热需要增加特殊装置，增加了生产成本；另外快速加热会影响氧化层的形成过程，使氧化层的控制更加复杂。

以上各专利文献描述了低板坯加热温度生产HiB钢技术方面的主要内容，都是针对某个或某些生产工艺进行规定，最终得到良好的二次再结晶。但都没有对影响二次再结晶的最重要因素——抑制剂——进行细致描述和规定。所以在实施过程中，如果其他工艺有变化，二次再结晶质量很可能也变化，方法适应性不强。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种在不添加Cr的条件下，磁感应强度能达到B₈₀₀≥1.94T，P_1.7/50≤0.88 W/kg，且工艺适应范围宽泛的高磁感取向硅钢及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C ：0.045%～0.075%、Si：2.95%～3.35%、Mn：0.05%～0.20%、S：0.005～0.015%、N：0.004%～0.010%、Sn ：0.03%～0.10%、Cu：0.01%～0.1%、Als：0.020%～0.034%，其余为Fe及不可避免的杂质。

生产一种B₈₀₀≥1.94T的取向硅钢的方法，其步骤：

1）经冶炼并连铸成坯后对铸坯加热，其加热温度在1120～1250℃；

2）进行分段热轧：经常规粗轧后进行精轧，并控制精轧的终轧温度不低于900℃；

3）在干式全氮气氛下进行常化并冷却，其间：当采用一段式常化时，其常化温度在850～980℃，常化时间1～3min；当采用两段式常化时，第一段温度在1050～1140℃，常化时间不超过60s，第二段温度在800～950℃，常化时间在20～150s；

常化后的冷却,按照以下方式进行：

当常化后出炉温度大于900℃时，按照不超过20℃/s的冷却速度冷却至900℃～880℃范围；然后按照25～55℃/s的速度冷却至550℃～400℃范围；再以5～45℃/s的速度冷却至100℃以下；

当常化后出炉温度不超过900℃时，则直接以25～55℃/s的速度冷却至550℃～400℃范围，再以5～45℃/s的速度冷却至100℃以下；

4）采用一次冷轧法时效冷轧至产品厚度；

5）进行脱碳退火，控制其退火温度在800℃～870℃，并在湿式氮氢混合气氛中进行；

6）进行渗氮处理：渗氮温度在550～950℃；当渗氮温度低于800℃时，则渗氮后在800～1000℃下进行扩散处理；经渗氮处理后，要求钢板含碳量降至30ppm以下，初次再结晶组织均匀，并使平均晶粒尺寸在15～30mm，总氮量在120～300 ppm；

7）常规涂布以氧化镁为主的隔离剂；

8）卷取后常规进行高温退火，退火气氛采用干式或湿式氮气或氢气或常规氮氢混合气；

9）进行常规的拉伸、平整、涂绝缘涂层及退火。

其特征在于：经渗氮处理后，控制距钢板表层10～20 mm深处，且面积在10 mm′10 mm内有效抑制剂数量至少为100个AlN、Si₃N₄及其他种类或复合型有效抑制剂；且AlN有效抑制剂数量占总抑制剂量的比例不低于5%，以MnS或CuS为主要成分的有效抑制剂的数量占总量的比例不超过15%，其余量为以Si₃N_4为主要成分的有效抑制剂；且有效抑制剂分布均匀度控制在不低于0.20；

所述的有效抑制剂，系指析出相中尺寸在20nm～500nm范围的球形类或不规则类，及截面尺寸在10nm～50nm范围的条状抑制剂；

所述的有效抑制剂均匀度指在相同单位面积内含有有效抑制剂少的个数N_少与含有有效抑制剂相对多的个数N_多之比，即N_少/N_多≥0.20。

其特征在于：有效抑制剂的形状为球形类或不规则形或木柴形或棒状或其它形状。

优选地：精轧的终轧温度不低于930℃。

本发明中各元素及主要工艺的机理及作用：

C：间隙式固溶元素，保证板坯在热轧加热时具有一定数量的γ-相，热轧板常化时析出细小弥散碳化物，可促进初次晶粒细小均匀，保证二次再结晶的稳定发展；C还可以改善热、冷加工性，防止热轧板产生边裂；C含量＜0.045%时，二次再结晶不稳定，同时热轧和冷轧加工性不良，容易造成冷轧断带；C含量过高时，热轧加热的板坯内γ-相数量变少,不利于N的固溶,影响后续二次再结晶的质量,同时会带来脱碳困难，影响脱碳退火生产效率。

Si：提高Si含量，有利于降低铁损。但Si含量过高会导致热轧过程中的内裂和边裂，同时会使冷轧加工更加困难。

Mn：形成一定量的有利抑制剂MnS。Mn含量过少，MnS抑制剂太少，二次再结晶不稳定。但如果Mn含量过高，会提高MnS固溶温度，无法达到低温板坯加热的目的。而且，Mn在脱碳退火后形成MnO可作为MgO与SiO₂的反应触媒，改善底层质量。

S：置换式固溶元素，形成一定量的MnS抑制剂，以保证二次再结晶优良。S含量过高，铸坯中MnS无法固溶,热轧后MnS析出过于粗大，对二次再结晶无益。但S含量如果太低，MnS析出量不够，也将造成二次再结晶不稳定。

N：间隙式固溶元素，形成重要抑制剂AlN，保证二次再结晶。N含量太少，常化板中有效抑制剂不够，二次再结晶取向度不良。N含量过高，AlN析出粗大，抑制力下降，二次再结晶取向度恶化。

Sn：在热轧卷取和常化后沿晶界偏聚，加强抑制力，冷轧时效轧制时有效的固溶碳和氮量增多，使脱碳后初次晶粒更细小均匀，二次晶核数量增多，降低二次再结晶温度，减小二次晶粒尺寸,降低成品铁损。Sn含量过高，脱碳时表面形成过多的Sn氧化物，影响后续渗氮效率。

Cu：适量的Cu可以形成一定量的CuS抑制剂，有利于二次再结晶的稳定。但Cu含量过高时，CuS析出变得粗大，抑制力下降，影响其他抑制剂的效果，最终造成二次再结晶不良。另外，过多的Cu会恶化表面质量，造成底层质量恶化。

Als：形成重要抑制剂AlN，保证二次再结晶取向度。Als含量低时，渗氮后形成的AlN抑制剂数量不够，最终二次再结晶取向度不良。Als含量过高时，初次再结晶晶粒粗化，二次再结晶开始温度过高，稳定性恶化。

本发明之所以对热轧和常化参数进行严格控制，其是为控制热轧板和常化过程中有效抑制剂数量，均匀度，控制AlN和MnS及CuS的析出。

本发明中之所以控制距钢板表层10 mm～20 mm深处，且面积在10 mm′10 mm内有效抑制剂数量至少为100个AlN、Si₃N₄及其他种类或复合型有效抑制剂；且AlN有效抑制剂数量占总抑制剂量的比例不低于5%，以MnS或CuS为主要成分的有效抑制剂的数量占总量的比例不超过15%，其余量为Si₃N₄有效抑制剂；且有效抑制剂分布均匀，有效抑制剂均匀度控制在不低于0.20，因其是决定二次再结晶质量即最终磁性能的关键因素。

本发明中采用铸坯低温加热方法，经热轧后，钢带内会有少量抑制剂，但大部分因为尺寸过大（大于500nm）而对后续二次再结晶没有益处，所以大都为无效抑制剂。但热轧板中也有少量AlN固溶，在后续合适的常化过程中会析出为合适的抑制剂。冷轧后的钢带经脱碳和渗氮后，前工序遗留少量抑制剂和渗氮过程中新形成的大量的抑制剂，是决定后续二次再结晶质量的关键。抑制剂的数量首先必须保证，抑制剂数量少，整体抑制能力不够，二次再结晶开始温度低，会出现取向不良的二次晶粒长大，最终整体磁感应强度低。当然抑制剂数量也不可能太多，如果一味通过增加渗氮量来增加抑制剂数量，往往会造成抑制剂粗化，反而使整体抑制力降低，所以规定了渗氮后总氮量不超过300ppm。

对抑制剂种类及各种类比例的规定是为了保证抑制剂中AlN的比例。研究认为MnS、CuS及其复合抑制剂主要是炼钢热轧遗留下的，由于其尺寸一般较大，抑制力不强，可以作为初次再结晶的抑制剂，但对二次再结晶的抑制能力不强。所以本方法主要靠渗氮后的有效AlN及后续会转化成AlN的Si₃N₄。为了保证二次再结晶的稳定性，同时避免抑制剂受高温退火工艺波动的影响，需要在渗氮过程中至少拥有或形成一定量的有效AlN，部分来源于常化，部分来源于渗氮过程中Si₃N₄的转化。其他大部分的Si₃N₄的转化将在高温退火前段完成。

抑制剂的均匀度对良好二次再结晶的成长也至关重要。如果抑制剂不均匀，则在高温退火前段初次晶粒长大过程中受到的抑制力有差别，抑制剂少的区域内取向度不好的初次晶粒很有可能会率先长大，最终长大成为取向不良的二次晶粒，从而影响最终性能的优良性，难以得到高的磁感应强度。

本发明与现有技术相比，不仅对铸坯采用低温加热，而且工艺适应范围宽泛，并使其通过控制有效抑制剂数量，提高均匀度及AlN和MnS及CuS的析出量，实现磁感应强度B₈₀₀≥1.94T，P_1.7/50≤0.88 W/kg；其产品如用于普通变压器的制备，则可既节省材料，又能提高抗过载冲击能力。变压器体积进一步减小，更适用于航空航天等高端领域的使用。

附图说明

附图为本发明的有效抑制剂分布图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表；

表3为本发明各实施例及对比例磁性能检验结果列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

常化后的冷却,按照以下方式进行：

4）采用一次冷轧法时效冷轧至产品厚度；

7）常规涂布以氧化镁为主的隔离剂；

9）进行常规的拉伸、平整、涂绝缘涂层及退火。

在渗氮前可以在干式氮氢混合气氛下进行常规还原退火。

关于有效抑制剂均匀度：任取两个直径为5mm的圆作为对比评估选区，计数有效尺寸抑制剂的个数，两者中较少个数的与较多个数的之比值即为有效抑制剂均匀度。

表1 本发明各实施例及对比例的组分取值列表（wt%）

表2 本发明各实施例及对比例工艺主要参数控制列表（一)

注：表1与表2中数据并非一一对应关系，仅为举例而已。

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表（二)

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims

1.一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢，其组分及重量百分比含量为：C ：0.045%～0.075%、Si：2.95%～3.35%、Mn：0.05%～0.20%、S：0.005～0.015%、N：0.004%～0.010%、Sn ：0.03%～0.10%、Cu：0.01%～0.1%、Als：0.020%～0.034%，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.生产一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢的方法，其步骤：

常化后的冷却,按照以下方式进行：

4）采用一次冷轧法时效冷轧至产品厚度；

7）常规涂布以氧化镁为主的隔离剂；

9）进行常规的拉伸、平整、涂绝缘涂层及退火。

3.如权利要求2所述的生产一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢的方法，其特征在于：经渗氮处理后，控制距钢板表层10～20 mm深处，且面积在10 mm′10 mm内有效抑制剂数量至少为100个AlN、Si₃N₄及其他种类或复合型有效抑制剂；且AlN有效抑制剂数量占总抑制剂量的比例不低于5%，以MnS或CuS为主要成分的有效抑制剂的数量占总量的比例不超过15%，其余量为以Si₃N_4为主要成分的有效抑制剂；且有效抑制剂分布均匀度控制在不低于0.20；

4.如权利要求2所述的生产一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢的方法，其特征在于：有效抑制剂的形状为球形类或条状形或不规则形。

5.如权利要求2所述的生产一种B₈₀₀≥1.94T的高磁感取向硅钢的方法，其特征在于：精轧的终轧温度不低于930℃。