CN110172634A - 一种高硅电工钢薄板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高硅电工钢薄板及其制备方法，属于轧钢工艺技术领域。一种高硅电工钢薄板，所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si 6.91％～6.98％，Ce 0.02～0.03％，Al 0.6～0.8％，C<0.01％，Mn<0.01％，N<0.003％，O<0.003％，P<0.01％，S<0.01％，余量Fe。本发明在Fe‑6.9％Si钢中添加稀土Ce元素改善高硅钢薄板的加工性能，同时采用异步结合温轧工艺，细化了轧件晶粒度，有效的解决了高硅钢薄板加工性能差的特点。本发明采用交叉冷轧保证了轧板边部的压下力度及压下量，克服了板材边裂和板形不良的问题，改善了力学性能。

Description

一种高硅电工钢薄板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高硅电工钢薄板及其制备方法，属于轧钢工艺技术领域。
背景技术
硅钢是一种磁性能优异的交流软磁合金，当钢中硅含量超过4.5％后，磁致伸缩系数几乎为零，设备运转所消耗的无效电能大幅降低，磁导率显著提高，具有普通硅钢无法比拟的优异软磁性能。如果将高频变压器的铁芯材料由Fe-3％Si钢替换为Fe-6.9％Si钢，可以大幅减少铁芯材料的用量，体积减小20～30％，设备噪音降低14～22％，铁损降低35％。目前，高硅钢是高频电力电子领域不可替代的重要功能材料，主要用于制造高速高频电机、高频变压器、高频扼流圈、高频滤波器及高频磁屏蔽构件等电子设备。
由于Si含量的增加，高硅钢的晶粒特别粗大，这意味着一定的塑性变形量被分配到较少的晶粒内，每个晶粒内的位错密度较大，较小的塑性变形就会产生很大的应力集中，发生不均匀的变形。异步轧制技术作为一种有效的深度塑性变形方法，通过两个不同转速的工作辊在轧件变形区引起附加剪切变形，诱导晶体转动，提高等效应变，达到细化晶粒的目的，同时由于搓轧区内三向压应力状态不复存在，还能有效降低轧制力，这也为解决高硅钢变形抗力较大，变形困难等问题提供了可能。
发明内容
本发明提供一种高硅电工钢薄板及其制备方法，具体地提供一种改善稀土高硅钢薄板变形塑性的制备方法。本发明提出在Fe-6.9％Si钢中添加稀土Ce影响有序-无序转变及有序结构以改善其塑性的微合金化方法。在此基础之上，采用温轧与异步相结合的新技术制备了稀土高硅钢薄板，通过微合金化及异步轧制细化晶粒、降低变形抗力，提升高硅钢的塑性变形能力。
一种高硅电工钢薄板，所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si 6.91～6.98％，Ce 0.02～0.03％，Al 0.6～0.8％，C<0.01％，Mn<0.01％，N<0.003％，O<0.003％，P<0.01％，S<0.01％，余量Fe。
进一步地，所述薄板厚度为0.15～0.25mm。
本发明的另一目的是提供上述高硅电工钢薄板的制备方法。
一种高硅电工钢薄板的制备方法，包括如下工艺步骤：冶炼、锻造、异步热轧、常化退火、酸洗、温轧、交叉冷轧、成品退火，其中，
所述异步热轧的步骤为：将锻造所得锻坯在1150～1200℃保温0.5～1h后进行异步热轧，工作辊直径相同，异速比为1.1～1.2，下辊辊速为0.5～0.8m/s，上辊辊速为0.6～0.88m/s，在1050～850℃下经8～9道次热轧至2～3mm，然后水冷至室温；
所述温轧的步骤为：将酸洗处理后的板材置于加热炉中加热至620～650℃，保温10～15min，随后取出进行恒温温轧，温轧温度为620～650℃，每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转；每道次温轧温度恒定，经17～20道次温轧至0.34～0.5mm，其中，首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧，
首末两道次的道次压下率为4％～6％，轧制力为130～160kN，上、下辊辊速均为0.05～0.1m/s；
其余中间道次的道次压下率为10％～13％，轧制力为170～200kN，异步温轧中的异速比为1.05～1.2，工作辊直径相同，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，下辊辊速为0.2～0.4m/s；上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速；
所述交叉冷轧步骤为：将温轧板沿长度方向输入冷轧机进行轧制，前两道次压下率为3％～5％，其余道次压下量为6％～8％，轧机辊速为0.03m/s，轧制力为100～200kN；第三、四道次将轧板旋转90°横轧，以后每两道次旋转90°冷轧，冷轧板的终轧厚度为0.15～0.25mm。
本发明所述“异步轧制”于可逆异步热轧机上进行，可商业购得。
进一步地，所述异步热轧在可逆异步热轧机上进行，两个工作辊直径相同，通过上下工作辊转速的不同实现异步轧制条件，轧制过程中辊速始终保持恒定。下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。
进一步地，所述异步温轧在可逆异步热轧机上进行，两个工作辊直径相同，通过上下工作辊转速的不同实现异步轧制条件，轧制过程中辊速始终保持恒定。下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。
本发明所述“温轧”是将常化退火板酸洗处理后置于加热炉中加热至620～650℃，保温10～15min，随后迅速取出进行恒温温轧。温轧温度为620～650℃，目的是降低变形抗力、软化温轧板的基体组织。
所述温轧过程中，首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧。
进一步地，所述首末两道次的道次压下率4％～6％，轧制力为130～160kN，
进一步地，其余中间道次为异步温轧，道次压下率为8％～12％，轧制力为170～200kN，所述异步温轧异速比为1.05～1.2，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，下辊辊速为0.2～0.4m/s。上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。
进一步地，所述温轧过程中，每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转，确保温轧板的板形良好。
进一步地，道次间加热时间为1～2min，目的是为了保持每道次温轧温度恒定。
进一步地，所述Fe-6.9％Si温轧板的终轧厚度为0.34～0.5mm。
进一步地，所述冶炼步骤为：将工业纯铁和纯硅按照配比在真空感应炉中熔炼，熔化期的加热温度为1580～1600℃，采用120～150kw大功率搅拌钢液，使钢中气体充分挥发，然后添加铝块进一步脱氧并通入惰性气体精炼，精炼时间为4～6min；浇注前，先适当降低熔池温度至1570～1590℃，使用铝箔将稀土铈包裹后，加入钢液搅拌1～2min，在1560～1580℃浇铸到砂型模中。
进一步地，所述锻造步骤为：在1150～1250℃下采用空气自由锻锻压铸锭，锻成30mm厚的方坯。
进一步地，所述常化退火步骤为：异步热轧板在900～950℃保温0.5～1h进行常化退火处理后，水冷至室温。
进一步地，所述酸洗步骤为：采用盐酸溶液对常化退火板进行酸洗，去除表面氧化铁皮。
进一步地，所述成品退火的步骤为：将冷轧板在950～1000℃保温1～1.5h最终退火，通入氮气防止氧化，然后空冷至室温。
本发明所述高硅电工钢薄板通过添加微量稀土元素Ce，细化高硅钢晶粒，减小轧板的开裂机会，提高轧板的塑性变形能力。再者，稀土变质夹杂物，使得沿晶界分布的夹杂物向晶内分布，减弱了夹杂物对钢基体的割离作用，在晶界开裂之前，晶内能承受较大的变形，达到高硅钢增塑的目的。另外，由于高硅钢中大量B2和DO3有序相的存在，导致其脆性增大，室温塑性差，这给材料的进一步加工带来了诸多困难。稀土Ce原子的邻近位置会产生晶格畸变区域，限制了B2有序结构中的Fe、Si原子向近邻位置空位扩散，降低了高硅钢中有序相含量。在异步轧制设备的基础上，利用加热炉对轧件加热，采用温轧与异步相结合的方法，破碎有序结构，实现对B2和DO3有序相的含量及尺寸控制，改善其塑性，具备大规模工业应用的显著技术优势。
本发明的有益效果是：本发明在Fe-6.9％Si钢中添加稀土Ce元素改善高硅钢薄板的加工性能，同时采用异步结合温轧工艺，细化了轧件晶粒度，有效的解决了高硅钢薄板加工性能差的特点。本发明采用交叉冷轧保证了轧板边部的压下力度及压下量，克服了板材边裂和板形不良的问题，改善了力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例4中经温轧步骤所得温轧板的反相畴透射电镜照片，由图可以看出，高硅钢温轧板中的B2有序相被大量的位错所切割破碎。
图2为本发明实施例1～4所得最终成品高硅电工钢薄板的金相组织图片，图中(a)异速比1.05；(b)异速比1.1；(c)异速比1.15；(d)异速比1.2，由图可以看出，随着温轧异速比的增加，成品高硅电工钢薄板的再结晶晶粒逐渐细化。
图3为本发明实施例1～4所得最终成品高硅电工钢薄板的三点弯曲性能图，由图可以看出，随着温轧异速比的增加，成品高硅电工钢薄板的塑性变形能力逐渐提升。
图4为本发明实施例4所得最终成品高硅电工钢薄板的实物图，从图中可以看出所得高硅电工钢薄板边部无开裂且板形平整。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
本实施方式采用TECNAIG220透射电子显微镜观察高硅钢温轧板中的B2有序相暗场图像。
本实施方式采用Leica DM 2500M光学显微镜观察高硅钢薄板中的金相组织图像。
本发明实施例中按照GB/T232-2010制成矩形标准三点弯曲试样，在CMT5105-SANS微机控制电子万能实验机上对成品薄板进行三点弯曲测试。
实施例1
一种高硅电工钢薄板，所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si 6.91％，Ce0.02％，Al 0.8％，C 0.009％，Mn 0.008％，N 0.002％，O 0.002％，P 0.007％，S 0.006％，余量Fe。
将工业纯铁(含99.5wt.％Fe)和纯硅(含99wt.％Si)按照配比放入真空感应炉熔炼，熔化期温度为1580℃，采用120kw大功率搅拌钢液，然后添加铝块进一步脱氧并通入氩气精炼，精炼时间为5min。浇注前，先适当降低熔池的温度至1570℃，使用铝箔将稀土铈(纯度99.98wt.％)包裹后，加入钢液搅拌1min，在1560℃时将钢液浇铸到砂型模中，钢液冷却后脱模。在1150℃下采用空气自由锻锻压成30mm厚的方坯。
锻坯在1170℃保温1h后进行异步热轧，异速比为1.1，工作辊直径相同，下辊辊速为0.8m/s，上辊辊速为0.88m/s，辊速始终保持恒定。在1050～850℃下经8道次热轧至3mm后水冷，然后在910℃保温1h进行常化退火处理，水冷至室温。采用盐酸溶液酸洗去除表面氧化铁皮后加热至620℃，保温12min后进行恒温温轧，首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧。首末两道次的道次压下率为4％，轧制力为130kN，上、下辊辊速均为0.05m/s。其余中间道次的道次压下率为10％，轧制力为170kN。温轧工作辊直径相同，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。异速比为1.05，下辊辊速为0.2m/s，上辊辊速为0.21m/s。每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转，确保温轧板的板形良好。温轧温度恒定，每个道次结束后迅速将轧件加热炉中，保温1～2min使轧件温度达到620℃，循环上述轧制过程，温轧压下率为83％，经20道次温轧至0.5mm。
将温轧板沿长度方向冷轧，前两道次压下率为4％，第三、四道次将轧板旋转90°横轧，以后每两道次旋转90°冷轧，道次压下量为8％，轧机辊速为0.03m/s，轧制力为150kN，冷轧板的终轧厚度为0.25mm。将冷轧板在1000℃保温1h最终退火，通入氮气防止氧化，然后空冷至室温。
经检测，异速比为1.05的异步温轧工艺方法获得的稀土高硅钢薄板的三点弯曲断裂挠度为6.2mm。
实施例2
一种高硅电工钢薄板，所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si 6.93％，Ce0.025％，Al 0.7％，C 0.008％，Mn 0.008％，N 0.002％，O 0.002％，P 0.006％，S0.006％，余量Fe。
将纯硅(含99wt.％Si)与工业纯铁(含99.5wt.％Fe)按照配比放入真空感应炉熔炼，熔化期温度为1590℃，采用130kw大功率搅拌钢液后添加0.7wt.％的铝块进一步脱氧，同时通入氩气精炼，精炼时间为4min。浇注前，降低熔池的温度至1580℃，使用铝箔将纯度为99.98wt.％稀土铈包裹后，加入钢液搅拌1min，在1570℃时将钢液浇铸到砂型模中，待钢液冷却后脱模。含铈的Fe-6.9％Si钢在1180℃下采用空气自由锻锻压成30mm厚的方坯。
锻坯在1190℃保温0.5h后进行异步热轧，异速比为1.1，工作辊直径相同，下辊辊速为0.7m/s，上辊辊速为0.77m/s，辊速始终保持恒定。在1050～850℃下经8道次热轧至2.7mm后水冷，然后在950℃保温0.5h进行常化退火处理，水冷至室温。采用盐酸溶液酸洗后在加热炉中加热至630℃，保温13min后进行恒温温轧。首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧。首末两道次的道次压下率为5％，轧制力为140kN，上、下辊辊速均为0.07m/s。其余中间道次的道次压下率为11％，轧制力为180kN。温轧工作辊直径相同，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。异速比为1.1，下辊辊速为0.25m/s，上辊辊速为0.275m/s。每个道次结束后迅速将轧件加热炉中，保温1～2min使轧件温度达到630℃，循环上述轧制过程。每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转，确保温轧板的板形良好。每道次温轧温度恒定，温轧压下率为83％，经19道次温轧至0.45mm。
将温轧板沿长度方向冷轧，前两道次压下率为3％，第三、四道次将轧板旋转90°横轧，以后每两道次旋转90°冷轧，道次压下量为7％，轧机辊速为0.03m/s，轧制力为140kN，冷轧板的终轧厚度为0.22mm。将冷轧板在950℃保温1.5h最终退火，通入氮气防止氧化，然后空冷至室温。
经检测，异速比为1.1的异步温轧工艺方法获得的稀土高硅钢薄板的三点弯曲断裂挠度为8.6mm。
实施例3
一种高硅电工钢薄板，所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si 6.95％，Ce0.028％，Al 0.75％，C 0.007％，Mn 0.008％，N 0.002％，O 0.002％，P 0.005％，S0.005％，余量Fe。
将工业纯铁(含99.5wt.％Fe)和纯硅(含99wt.％Si)作为原材料，按照配比放入真空感应炉熔炼，熔化期温度为1590℃，采用140kw大功率搅拌钢液，然后添加铝块进一步脱氧并通入氩气精炼，精炼时间为6min。浇注前，先适当降低熔池的温度至1580℃，使用铝箔将稀土铈(纯度99.98wt.％)包裹后，加入钢液搅拌2min，在1570℃时将钢液浇铸到砂型模中，钢液冷却后脱模。在1200℃下采用空气自由锻锻压成30mm厚的方坯。
锻坯在1150℃保温1h后进行异步热轧，异速比为1.2，工作辊直径相同，下辊辊速为0.6m/s，上辊辊速为0.72m/s，辊速始终保持恒定。在1050～850℃下经9道次热轧至2.3mm后水冷，然后在920℃保温1h进行常化退火处理，水冷至室温。采用盐酸溶液酸洗去除表面氧化铁皮后加热至640℃，保温14min后进行恒温温轧。首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧。首末两道次的道次压下率为5.5％，轧制力为150kN，上、下辊辊速均为0.09m/s。其余中间道次的道次压下率为12％，轧制力为190kN。温轧工作辊直径相同，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。异速比为1.15，下辊辊速为0.3m/s，上辊辊速为0.345m/s。每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转，确保温轧板的板形良好。每个道次结束后迅速将轧件加热炉中，保温1～2min使轧件温度达到640℃，循环上述轧制过程。每道次温轧温度恒定，温轧压下率为83％，经18道次温轧至0.4mm。
将温轧板沿长度方向冷轧，前两道次压下率为4.5％，第三、四道次将轧板旋转90°横轧，以后每两道次旋转90°冷轧，道次压下量为6％，轧机辊速为0.03m/s，轧制力为130kN，冷轧板的终轧厚度为0.18mm。将冷轧板在1000℃保温1h最终退火，通入氮气防止氧化，然后空冷至室温。
经检测，异速比为1.15的异步温轧工艺方法获得的稀土高硅钢薄板的三点弯曲断裂挠度为13.1mm。
实施例4
一种高硅电工钢薄板，所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si 6.98％，Ce0.03％，Al 0.8％，C 0.007％，Mn 0.007％，N 0.002％，O 0.002％，P 0.005％，S 0.005％，余量Fe。
将纯硅(含99wt.％Si)与工业纯铁(含99.5wt.％Fe)按照配比放入真空感应炉熔炼，熔化期温度为1600℃，采用150kw大功率搅拌钢液后添加铝块进一步脱氧，同时通入氩气精炼，精炼时间为5min。浇注前，降低熔池的温度至1590℃，使用铝箔将纯度为99.98wt.％稀土铈包裹后，加入钢液搅拌1min，在1580℃时将钢液浇铸到砂型模中，待钢液冷却后脱模。含0.03wt.％铈的Fe-6.9％Si钢在1250℃下采用空气自由锻锻压成30mm厚的方坯。
锻坯在1180℃保温1h后进行异步热轧，异速比为1.2，工作辊直径相同，下辊辊速为0.5m/s，上辊辊速为0.6m/s，辊速始终保持恒定。在1050～850℃下经9道次热轧至2mm后水冷，然后在940℃保温0.5h进行常化退火处理，水冷至室温。采用盐酸溶液酸洗后在加热炉中加热至650℃，保温12min后进行恒温温轧。首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧。首末两道次的道次压下率为6％，轧制力为160kN，上、下辊辊速均为0.1m/s。其余中间道次的道次压下率为13％，轧制力为200kN。温轧工作辊直径相同，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速。异速比为1.2，下辊辊速为0.4m/s，上辊辊速为0.48m/s。每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转，确保温轧板的板形良好。每个道次结束后迅速将轧件加热炉中，保温1～2min使轧件温度达到650℃，循环上述轧制过程。每道次温轧温度恒定，温轧压下率为83％，经17道次温轧至0.34mm。
将温轧板沿长度方向冷轧，前两道次压下率为4％，第三、四道次将轧板旋转90°横轧，以后每两道次旋转90°冷轧，道次压下量为6％，轧机辊速为0.03m/s，轧制力为130kN，冷轧板的终轧厚度为0.15mm。将冷轧板在950℃保温1.5h最终退火，通入氮气防止氧化，然后空冷至室温。
经检测，异速比为1.2的异步温轧工艺方法获得的稀土高硅钢薄板的三点弯曲断裂挠度为18.2mm。

Claims (8)

1.一种高硅电工钢薄板，其特征在于：所述薄板化学成分按重量百分比含量为：Si6.91～6.98％，Ce 0.02～0.03％，Al 0.6～0.8％，C<0.01％，Mn<0.01％，N<0.003％，O<0.003％，P<0.01％，S<0.01％，余量Fe。
2.根据权利要求1所述的薄板，其特征在于：所述薄板厚度为0.15～0.25mm。
3.权利要求2所述高硅电工钢薄板的制备方法，其特征在于：所述方法包括冶炼、锻造、异步热轧、常化退火、酸洗、温轧、交叉冷轧、成品退火的步骤，其中，
所述异步热轧的步骤为：将锻造所得锻坯在1150～1200℃保温0.5～1h后进行异步热轧，工作辊直径相同，异速比为1.1～1.2，下辊辊速为0.5～0.8m/s，上辊辊速为0.6～0.88m/s，在1050～850℃下经8～9道次热轧至2～3mm，然后水冷至室温；
所述温轧的步骤为：将酸洗处理后的板材置于加热炉中加热至620～650℃，保温10～15min，随后取出进行恒温温轧，温轧温度为620～650℃，每隔两道次将温轧板进行上下表面翻转；每道次温轧温度恒定，经17～20道次温轧至0.34～0.5mm，其中，首末两道次采取同步温轧，其余中间道次均采取异步温轧，
首末两道次的道次压下率为4％～6％，轧制力为130～160kN，上、下辊辊速均为0.05～0.1m/s；
其余中间道次的道次压下率为10％～13％，轧制力为170～200kN，异步温轧中的异速比为1.05～1.2，工作辊直径相同，下辊为慢速辊，辊速始终保持恒定，下辊辊速为0.2～0.4m/s；上辊为快速辊，根据异速比调整上辊辊速；
所述交叉冷轧步骤为：将温轧板沿长度方向输入冷轧机进行轧制，前两道次压下率为3％～5％，其余道次压下量为6％～8％，轧机辊速为0.03m/s，轧制力为100～200kN；第三、四道次将轧板旋转90°横轧，以后每两道次旋转90°冷轧，冷轧板的终轧厚度为0.15～0.25mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述冶炼步骤为：将工业纯铁和纯硅按照配比在真空感应炉中熔炼，熔化期的加热温度为1580～1600℃，采用120～150kw大功率搅拌钢液，使钢中气体充分挥发，然后添加铝块进一步脱氧并通入惰性气体精炼，精炼时间为4～6min；浇注前，先降低熔池的温度至1570～1590℃，使用铝箔将稀土铈包裹后，加入钢液搅拌1～2min，在1560～1580℃浇铸到砂型模中。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述锻造步骤为：在1150～1250℃下采用空气自由锻锻压铸锭，锻成30mm厚的方坯。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述常化退火步骤为：异步热轧板在900～950℃保温0.5～1h进行常化退火处理后，水冷至室温。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述酸洗步骤为：采用盐酸溶液对常化退火板进行酸洗，去除表面氧化铁皮。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述成品退火的步骤为：将冷轧板在950～1000℃保温1～1.5h最终退火，通入氮气防止氧化，然后空冷至室温。
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