CN107794458A - 具有高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁，其微观组织为铁素体，所述电磁纯铁具有夹杂物；所述铁素体的平均晶粒尺寸为50‑70μm，尺寸为50μm以上的铁素体的体积分数超过60％；所述夹杂物为Al₂O₃‑MnS体系，其中Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.004％，MnS夹杂物的面积百分比低于0.0015％。相应地，本发明还公开了一种所述的电磁纯铁的制造方法。本发明所述的高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁具有低矫顽力和高抗折弯特性，其硬度为90‑130Hv，沿轧制方向的屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥300MPa，延伸率(A₅₀)≥32％。

Description

具有高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电磁纯铁及其制造方法，尤其涉及一种免磁化的电磁纯铁及其制造方法。

背景技术

相较于Ni-Fe、硅钢、Fe-Co和铁素体不锈钢材料，电磁纯铁矫顽力较低，并且成本低、成形性和焊接性优良，因此作为强磁屏蔽材料具有广泛的市场需求。

现有技术中，冷轧电磁纯铁产品以退火态出厂，用户在使用时，加工成型后需要进行磁化退火处理，以消除冷加工晶格畸变，从而充分发挥纯铁磁性能。根据国标GB/T 6983-2008，电磁纯铁磁化退火工艺如下：当采用真空或惰性气体保护退火时，随炉升温到900±10℃保温1h，保温结束后以低于50℃/h的速度冷却到500℃以下或室温出炉；当采用脱碳气氛进行退火时，随炉升温到800℃，然后经不小于2h的时间加热到900±10℃保温4h，保温结束后以低于50℃/h的速度冷却到500℃以下或室温出炉。

然而，上述工艺均存在如下缺陷：磁化退火工序周期长、退火设备要求高，且产量受限于装炉量，使产品生产加工周期延长、成本高。

因此，希望开发出一种成形后可直接使用而不需要磁化的冷轧电磁纯铁。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁，所述电磁纯铁具有高抗折弯性能以及低矫顽力，因而电磁性能优异。

基于上述发明目的，本发明提供了一种具有高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁，其微观组织为铁素体，所述电磁纯铁具有夹杂物；所述铁素体的平均晶粒尺寸为50-70μm，尺寸为50μm以上的铁素体的体积分数超过60％；所述夹杂物为Al₂O₃-MnS体系，其中Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.004％，MnS夹杂物的面积百分比低于0.0015％。

矫顽力是标志反磁化过程难易程度的主要参量。对于电磁纯铁材料而言，晶界、析出物、夹杂、晶体缺陷均会使磁畴结构发生变化、畴壁不易移动，磁化困难，因此，为了获得较好性能的电磁纯铁，电磁纯铁的矫顽力应较低。

根据研究发现，电磁纯铁中夹杂物以及晶粒尺寸会影响矫顽力。公式(1)反映了矫顽力与夹杂物之间的关系：

其中，Hc为矫顽力，K为磁晶各向异性常数，μ₀为真空磁导率，M_s为磁化强度，β为夹杂物体积百分数，δ为畴壁厚度，d为夹杂物直径。

由公式(1)可知，矫顽力与夹杂物尺寸成反比，与夹杂物体积百分数成正比，因而，为了获得性能较优的电磁纯铁，需要控制所述的夹杂物尺寸以及所述夹杂物的体积分数，也就是说夹杂物尺寸越大，所含夹杂物的体积分数越小，则矫顽力越小，电磁性能越佳。

此外，矫顽力还与钢的晶粒尺寸有关，晶粒尺寸越大，晶粒级别越小，Hc数值越小。公式(2)反映了矫顽力与晶粒级别之间的关系。

Hc＝0.115×D+0.125 公式(2)

其中，Hc为矫顽力，D为晶粒级别。

基于上述发现，发明人认为严格控制夹杂物数量并获得较大的铁素体晶粒尺寸是获得较低矫顽力性能的关键，同时夹杂物数量的降低也使电磁纯铁的高抗折弯能力得到保证，因此，在本发明技术方案中，所述铁素体的平均晶粒尺寸控制在50-70μm，尺寸为50μm以上的铁素体的体积分数超过60％；此外，在本发明所述高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁中，所述夹杂物为Al₂O₃-MnS体系，其中Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.004％，MnS夹杂物的面积百分比低于0.0015％。

优选地，在本发明所述的电磁纯铁中，所述铁素体的平均晶粒尺寸为55-65μm，尺寸为55μm以上铁素体体积分数超过60％；所述Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.0035％，所述MnS夹杂物的面积百分比低于0.0012％。

进一步地，在本发明所述的电磁纯铁中，其矫顽力低于95A/m，并且1800C-0T折弯表面不开裂。

进一步地，在本发明所述的电磁纯铁中，其厚度为1.2-2.5mm。

进一步地，在本发明所述的电磁纯铁中，其硬度为90-130Hv，沿轧制方向的屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥300MPa，延伸率(A₅₀)≥32％。

进一步地，在本发明所述的电磁纯铁中，其化学元素质量百分比为：

C≤0.005％，Si≤0.01％，Mn：0.15～0.25％，P≤0.015％，S≤0.01％，Al：0.03～0.07％，N≤0.005％，O≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁中的各化学元素的设计原理为：

碳：碳在电磁纯铁中为有害元素。电磁纯铁的磁时效就是由常温下过饱和固溶的N、C元素以化合物氮化铁(Fe₁₆N₄)和ε碳化铁形式析出造成的。C、N都是间隙原子，在高温下钢水中C、N有较高的固溶度，随钢水的冷却其溶解度逐渐降低，来不及析出的C、N在α-Fe中形成过饱和固溶体。电磁纯铁材料长期工作时，特别是由于温升因素，多余的C、N原子就以细小弥散的ε碳化物和针状氮化铁(Fe₁₆N₄)质点析出。而细小的C、N类夹杂物为非磁性相，它们只会增加材料内应力，钉扎磁畴移动，对磁性极为有害，导致材料的矫顽力Hc升高，磁导率μ下降和磁感应强度B降低。因此，在本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁中应尽量降低碳在钢中的质量百分比，控制在C≤0.005％。优选地，碳的质量百分比可以进一步控制在C≤0.004％。

硅：硅以固溶体的形式存在于α-Fe中，增加硅的含量将引起饱和磁感B的降低，而且纯铁一般只用在直流的场合，因此一般不将硅作为电磁纯铁的添加元素，需要控制其在电磁纯铁中的质量百分比，在本发明的技术方案中，Si的质量百分比控制为Si≤0.01％；优选地，硅的质量百分比进一步控制为Si≤0.008。

锰：钢中的锰与硫形成MnS，可防止沿晶界形成低熔点的FeS所引起的热脆现象。因此，本技术方案中Mn/S≥10(即Mn与S的质量百分比比值大于等于10)来改善热轧塑性和并使MnS粗化，也就是说当S的质量百分比在0.004～0.01％时，提高锰的质量百分比可使MnS粗化，晶粒容易长大；而当S的质量百分比<0.004％时，Mn的质量百分比增加，反而会使晶粒变小，不利于矫顽力的降低，这是因为热轧板退火后析出了细小的MnSiN₂；当S、Mn的质量百分比都很低时，晶粒更容易长大。此外，若在α-Fe中形成了细小的MnS和FeS(没有锰元素时，S与Fe生成FeS)，所形成的细小的MnS和FeS可强烈阻碍成品退火时的晶粒长大，阻碍磁畴壁的移动，引起磁化困难，使矫顽力增加，磁导率降低。因而，在本发明中控制Mn的质量百分比为：0.15～0.25％

磷：磷用于减小γ相区，促使晶粒长大。磷沿晶界的偏聚可提高(110)组分减少(111)组分，所以对磁感应强度也有提高作用。另外磷能提高硬度；但当磷的质量百分比大于0.015％，特别是碳的质量百分比很低的情况下，冷加工性能变坏，产品冷脆性提高。因此，在本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁的磷的质量百分比控制在P≤0.015％。优选地，控制磷的质量百分比在P≤0.01％。

硫：硫是对纯铁磁性极有害的元素，又由于Mn与S形成MnS，可防止沿晶界形成低熔点的FeS所引起的热脆现象，因此，本技术方案中控制Mn/S≥10来改善热轧塑性和使MnS粗化。在本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁中S的质量百分比控制在S≤0.01％；优选地，S的质量百分比进一步控制在S≤0.008％。

铝：铝是电磁纯铁的一个重要组成元素，对钢的磁性能有重要影响。它使γ相区缩小，促使晶粒长大，对钢的强度和硬度影响，铝相对于硅、锰要小得多，铝可使电工钢冷轧板(110)组分增多，(111)组分减少，提高磁导率μ值。铝使电磁钢板中的夹杂物和析出物尺寸增大到5～10μm，减少了晶粒长大阻力。铝的质量百分比在0.15％以上时，形成粗大的AIN，改善织构，使磁各异性降小，而且固定N使磁时效减轻。因此，本发明所述的技术方案中，铝的质量百分比控制在0.03～0.07％。

氮：氮在电磁纯铁中为有害元素，此外，电磁纯铁的磁时效就是由常温下过饱和固溶的N、C元素以化合物氮化铁(Fe₁₆N₄)和ε碳化铁形式析出造成的。因此，在本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁中氮的质量百分比控制在N≤0.005％，优选地，氮的质量百分比进一步控制在N≤0.004％。

氧：氧是电磁纯铁中的有害元素。形成SiO₂、Al₂O₃、MnO等氧化物夹杂降低磁性，细小氧化物阻碍晶粒长大，强烈影响磁化，增大矫顽力。另外，氧还能加速氮在α-Fe中的扩散速度，间接地加速磁时效的发生。因此，本发明所述的技术方案中，氧的质量百分比控制在O≤0.01％；优选地，氧的质量百分比进一步控制在≤0.005。

优选地，在本发明所述的电磁纯铁中，Mn含量为0.2～0.25％。

优选地，在本发明所述的电磁纯铁中，Al含量为0.04～0.06％。

相应地，本发明的另一目的在于提供一种所述的电磁纯铁的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼和连铸；

(2)热轧；

(3)酸洗；

(4)冷轧，控制冷轧压下量为25-80％；

(5)再结晶退火。

本发明所述的电磁纯铁的制造方法相较于现有技术的区别在于本发明技术方案无需磁化退火处理，因而解决了现有技术中冷轧电磁纯铁因为需要进行磁化退火处理所导致的大尺寸零件生产受磁化退火装炉的限制，以及生产加工周期长，成本高的问题。

由于磁化退火工艺在钢板成形之后进行，一方面可以消除加工造成的残余应力，另一方面可以使铁素体晶粒大幅生长，降低钢板矫顽力。而本技术方案中的电磁纯铁没有磁化退火处理，因此，需要严格控制钢板的矫顽力。为了控制所获得的电磁纯铁钢板的性能，对于制造方法中的冷轧工艺进行了限定，这是因为：冷轧过程中，不同的冷轧压下量将对应得到不同的形变微观组织，从而影响再结晶形核与长大动力。低于25％的冷轧压下量将通过对热轧板引入应变诱发晶界迁移，促进退火晶粒长大而获得了较好的磁性能；而随着冷轧压下量继续增加，复杂滑移区域增加，胞状组织发展完善，尽管退火时再结晶形核率、晶粒长大速率都增加，但形核率大于晶粒长大速率，造成再结晶晶粒变细，相应的矫顽力Hc升高，磁性能变坏。因此，在本发明技术方案的步骤(4)中，冷轧压下量控制在25-80％。

优选地，在本发明所述的制造方法的所述步骤(4)中，控制冷轧压下量为30-55％。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，控制加热温度为1100～1250℃；终轧温度为800～920℃；卷取温度为550～720℃。其设计原理为：热轧采用高温终轧和高温卷取。当采用连铸方式制备热轧所需板坯时，热轧前需要对板坯实施再加热。板坯加热温度为1100～1250℃：加热温度超过1250℃时，会造成板坯过烧，板坯内晶粒组织粗大从而使其热加工性能降低；加热温度低于1100℃时会造成板料的变形抗力过大，从而难以制造出既无表面缺陷又具有1.2-2.5mm厚度的钢板。此外，热轧终轧温度低于800℃会造成板料变形抗力过高，从而难以制造出1.2-2.5mm厚度并且无表面和边部缺陷的钢板。卷取温度需要低于720℃下卷取所述热轧板，因为卷取温度高于720℃，容易引起扁卷，并且热轧卷的头部、中部和尾部材料显微组织不均匀性增加，影响钢板折弯性能和矫顽力的稳定性。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(5)中，采用罩式炉退火，将冷轧板加热至均热温度500～650℃，保温时间5～48h，然后冷却至室温。其设计原理为：采用罩式退火方法对冷轧后钢板实施再结晶退火，由于压延轧制过程使铁素体晶内存在大量点阵畸变，磁畴移动阻力大，高温退火为再结晶消除冷轧点阵畸变提供了足够的热力学驱动力，若退火保温时间低于5h，晶粒长大不充分，材料的矫顽力不理想。因而，为了兼顾材料矫顽力和生产侠侣，在本发明技术方案(5)中在所述步骤(5)中，采用罩式炉退火，将冷轧板加热至均热温度500～650℃，保温时间5～48h，然后冷却至室温。

本发明所述高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁矫顽力低于95A/m，并且180℃-0T折弯表面不开裂。

此外，本发明所述高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁硬度为90-130Hv，沿轧制方向的屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥300MPa，延伸率(A₅₀)≥32％。

另外，本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁的制造方法除了具有上述优点以外，还具有工艺上无需磁化退火的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1的Al₂O₃夹杂物电镜照片。

图2为本发明实施例1的MnS夹杂物电镜照片。

图3为本发明实施例1的截面低倍电镜照片。

图4为本发明实施例1的截面高倍电镜照片。

具体实施方式

下面将结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

本技术方案各实施例中的电磁纯铁采用下述步骤制得：

(1)冶炼和连铸：按表1的各化学元素的质量百分比进行冶炼、连铸制成板坯；

(2)热轧：控制加热温度为1100～1250℃；终轧温度为800～920℃；卷取温度为550～720℃；

(3)酸洗；

(4)冷轧，控制冷轧压下量为25-80％；

(5)再结晶退火：采用罩式炉退火，将冷轧板加热至均热温度500～650℃，保温时间5～48h，然后冷却至室温。

表1列出了实施例中电磁纯铁中各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素)

表2列出了实施例的制造方法的具体工艺参数。

表2.

对上述各个实施例取样，进行各项性能测试，将试验测得到的相关性能参数列于表3中。

表3列出了本案各实施例的微观组织构成。

表3.

表4列出了本技术方案各实施例的电磁纯铁性能参数。

表4.

从表4可以看出，实施例1-9的力学性能全部满足本案限定的性能指标：硬度为90-130Hv，沿轧制方向的屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥300MPa，延伸率(A₅₀)≥32％。

图1为本发明实施例1的Al₂O₃夹杂物电镜照片。如图1所示，I表示Al₂O₃夹杂物。

此外，对于实施例1的Al₂O₃夹杂物进行能谱分析，所得的数据列于表5。

表5.

元素	C	O	Al	Fe
					质量百分比(wt％)	3.62	35.46	33.38	27.54
原子百分比(at％)	7.09	52.17	29.12	11.61

图2为本发明实施例1的MnS夹杂物电镜照片。如图2所示，II表示MnS夹杂物。

此外，对于实施例1的MnS夹杂物进行能谱分析，所得的数据列于表6。

表6.

结合图1、图2、表5和表6可知，实施例1中含有夹杂物Al₂O₃和MnS，Al₂O₃的面积百分比为0.0034％，MnS的面积百分比为0.0012％。

图3为本发明实施例1的截面低倍电镜照片。图4为本发明实施例1的截面高倍电镜照片。可以看出，实施例1所涉及的高抗折弯特性的免磁化电磁纯铁的冲裁边部质量优良，撕裂带由大量微小韧窝构成，撕裂带与光亮带的比例达到1:5，这证明了其具有良好的抗折弯性能。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种具有高抗折弯特性的免磁化的电磁纯铁，其微观组织为铁素体，所述电磁纯铁具有夹杂物；其特征在于，所述铁素体的平均晶粒尺寸为50-70μm，尺寸为50μm以上的铁素体的体积分数超过60％；所述夹杂物为Al₂O₃-MnS体系，其中Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.004％，MnS夹杂物的面积百分比低于0.0015％。

2.如权利要求1所述的电磁纯铁，其特征在于，所述铁素体的平均晶粒尺寸为55-65μm，尺寸为55μm以上铁素体体积分数超过60％；所述Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.0035％，所述MnS夹杂物的面积百分比低于0.0012％。

3.如权利要求1所述的电磁纯铁，其特征在于，其矫顽力低于95A/m，并且180℃-0T折弯表面不开裂。

4.如权利要求1所述的电磁纯铁，其特征在于，其厚度为1.2-2.5mm。

5.如权利要求1所述的电磁纯铁，其特征在于，其硬度为90-130Hv，沿轧制方向的屈服强度≥200MPa，抗拉强度≥300MPa，延伸率(A₅₀)≥32％。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的电磁纯铁，其特征在于，其化学元素质量百分比为：

C≤0.005％，Si≤0.01％，Mn：0.15～0.25％，P≤0.015％，S≤0.01％，Al：0.03～0.07％，N≤0.005％，O≤0.01％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

7.如权利要求6所述的电磁纯铁，其特征在于，Mn含量为0.2～0.25％。

8.如权利要求6所述的电磁纯铁，其特征在于，Al含量为0.04～0.06％。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的电磁纯铁的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼和连铸；

(2)热轧；

(3)酸洗；

(4)冷轧，控制冷轧压下量为25-80％；

(5)再结晶退火。

10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，控制冷轧压下量为30-55％。

11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，控制加热温度为1100～1250℃；终轧温度为800～920℃；卷取温度为550～720℃。

12.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述步骤(5)中，采用罩式炉退火，将冷轧板加热至均热温度500～650℃，保温时间5～48h，然后冷却至室温。