CS266054B1 - Způsob výroby magneticky měkkých izotropních ocelových pásů s vysokou magnetickou indukcí a nízkými ztrátami - Google Patents

Abstract

Výchozí ocel obsahující v hmotnostních ? 2,5 až 4,0 křemíku, 0,1 až 0,7 % hliníku, 0,1 až 0,5 % manganu, zbytek železo a nezbytné nečistoty, ocel se odlévá, válcuje za tepla, normalizačně žíhá na teplotu 900 až 1 150 °C po dobu 1,0 až 5,0 minut, ochlazuje rychlostí minimálně 50 °C za minutu, válcuje za studená s redukcí minimálně 70 % a nakonec se žíhá na teplotu 800 až I 050 °C po dobu 2 až 8 minut, přičemž v prvé etapě žíhání se pás ohřívá rychlostí minimálně 300 °C za minutu v oduhličující atmosféře a ve druhé, etapě žíhání se pás tahem prodlouží o 0,05 až 0,5 %. Zlepšení tvařitelnosti pásu za studená se dosáhne předřazením žíhání na teplotu 500 až 720 °C po dobu minimálně 1 minuty a/nebo ohřevem pásu na teplotu 50 až 200 °C

Description

Vynález se týká způsobu výroby magneticky měkkých izotropních ocelových pásů s vysokou magnetickou indukcí a velmi nízkými ztrátami.

Magneticky měkký materiál musí mít feritickou strukturu obsahující co nejméně nečistot jako vročstků a precipitátů zejména velikosti do 0,1 /im, nebol: tyto částice brzdí růst zrna s teplotou a znemožňují tak snížit na potřebnou úroveň hysterezní ztráty a navíc ztěžují pohyb iii.v|tvt i <·1.γιί> iloim'n |U I in. κριοί I i hol ovólio výiobku a lim zvyňu ) ( kom ,· I I | vu í tif ln a měrné ztráty.

Výchozí ocel pro výrobu magneticky měkkých materiálů obsahuje zpravidla 'maximálně 4,5 hmotnostních * součtu obsahu křemíku a hliníku, maximálně 0,5 hmotnostních % manganu a nezbytné nečistoty jako uhlík, kyslík, dusík, síru, fosfor a další, jejichž obsah se omezuje na minimum již při výrobě oceli například odsiřováním, vakuováním, nebo jinou mimopecní rafinací oceli Výchozí ocel se odlévá do kokil nebo kontinuálně, válcuje za tepla, moří, válcuje za studená v jedné etapě nebo více etapách s mezižíháním a konečně žíhá rekrystalizačně za současného oduhličení pásu, pokud nebylo oduhličení provedeno již při mezižíhání. Pro dosažení nejlepších výsledků je nezbytné provádět toto konečné žíhání na vysoké teploty nad 1 000 °C s cílem nárůstu zrna na optimální velikost.

Nevýhodou uvedených postupů výroby magneticky měkkých ocelových plechů nebo pásů je nemožnost vyrobit materiál obsahující malé částice velikosti do 0,1 ;um v množství menším než 10? až 10^θ v objemu 1 mm\ Je to dáno tím, že při válcování za tepla je materiál ohříván na teplotu nad 1 150 °C, zpravidla nad 1 200 °C, aby mohl být úspěšně tvářen a při této teplotě vždy přejde do tuhého roztoku část vměstků a precipitátů jako nitridů, karbidů a sulfidů, které se později při válcování za tepla vylučují v důsledku rychlého poklesu teploty za současného působení tváření materiálu ve formě velmi jemných částic sulfidů, karbidů a zejména nejjemněji precipitujících nitridů. Počet těchto částic pak již nelze v průběhu zpracování zpravidla nijak podstatněji snížit a zejména, což je zvláště nevýhodné, zůstávají v plechu po dobu tváření za studená a ovlivňují tak nepříznivě výslednou texturu materiálu a jeho magnetické vlastnosti. Kromě toho, uvedené částice brzdí růst zrna s teplotou, takže pro dosažení optimální velikosti zrna je potřeba provádět konečné rekrystalizační a oduhličovací žíhání na vysokou teplotu, zpravidla nad 1 000 °C po dlouhou dobu několika hodin, aby došlo k žádanému zvětšení velikosti zrna materiálu.

Je znám ještě jiný způsob výroby magneticky měkkých izotropních pásů, podle kterého se vyrobí ocel o složení maximálně 4,5 hmotnostních % součtu obsahu křemíku a hliníku, z toho maximálně 4,0 hmotnostních % křemíku a maximálně 1,5 hmotnostních % hliníku, dále maximálně 0,5 hmotnostních % manganu, maximálně 0,020 hmotnostních % dusíku, maximálně 0,20 hmotnostních % uhlíku, maximálně 0,050 hmotnostních % kyslíku, maximálně 0,050 hmotnostních % síry, zbytek železo a nezbytné nečistoty, tato ocel se odlévá do kokil nebo kontinuálně a dále válcuje za tepla, moří, válcuje za studená v jedné nebo více etapách s mezižíháním a konečně žíhá rekrystalizačně, přičemž po válcování za tepla nebo před poslední etapou válcování za studená, kdy má pás tlouštku 1 až 5 mm, se plech nebo pás žíhá rafinačně na teplotu 900 °C až 1 300 °C po dobu 1 minuty až 50 hodin a toto žíhání je prováděno tak, že při ohřevu, výdrži na teplotě a ochlazování se udržuje v peci vakuum nebo ochranná atmosféra a ochlazování z teploty rafinačního žíhání se provádí do teploty 400 °C rychlostí maximální . za hodinu. Dalším význačným rysem tohoto postupu je způsob konečného rekrystalizačního a oduhličovacího žíhání, které se provádí v ochranné atmosféře na relativně nízké teploty 800 °C až 1 000 °C po krátkou dobu 0,1 minuty až 10 minut. Výhody tohoto způsobu výroby magneticky měkkého ocelového plechu nebo pásu podle vynálezu spočívají především ve snížení počtu částic velikosti do 0,1 μη v objemu materiálu nejméně 500krát, přičemž toto zvýšení čistoty je prováděno již před poslední etapou válcování za studená. Zvýšení čistoty struktury vede ve svém důsledku k dosažení nej lepších magnetických vlastností charakterizovaných vysokou magnetickou indukcí a velmi nízkými měrnými ztrátami. Dosažené magnetické vlastnosti jsou lepší než vlastnosti nejlepších jakostí vyráběných jinými postupy. Z části je to způsobeno dosaženou vyšší čistotou hotového výrobku a z části výhodnější texturou, kterou lze charakterizovat omezením směrů nesnadné magnetizace IIP a 111 a naopak posílením směrů snadné magnetizace 100 v rovině plechu. Tato výhodnější textura vzniká právě v důsledku dosažení vyšší čistoty materiálu již před poslední etapou válcování, což je nový prvek tohoto postupu.

Nevýhodou tohoto postupu je skutečnost, že ιη.κμιι'Ι 1<·|'.γι·|ι v I .oil non I I v ιον I ně phvhti, nt?. Jr· materiál při aplikaci pro jádra točivých strojů jím nelze dosáhnout vysoké směrové izotropie |f<liiíiii zo základních požadavků na Hnilo Další nevýhodou jsou vysoké výrobní náklady v důsledku zařazení rafinačního žíhání za tepla válcovaného pásu na vysoké teploty po dlouhou dobu. Jinou nevýhodou je nebezpečí vzniku křehkosti pásu po rafinačním žíhání, která je způsobena jednak enormním vzrůstem velikosti zrna a jednak precipitací zbylých nečistot, zejména karbidu uhlíku, po hranicích zrn. Tato mezioperační křehkost způsobuje obtíže při následném válcování za studená a zvyšuje výrobní náklady a odpad.

Nevýhody všech známých postupů výroby magneticky měkkých izotropních pásů odstraňuje způsob výroby magneticky měkkých izotropních ocelových pásů podle vynálezu, podle kterého se vyrobí ocel o složení v hmotnostních procentech 2,5 až 4,0 % křemíku, 0,1 až 0,7 % hliníku, 0,1 až 0,5 % manganu a dále maximálně 0,04 % uhlíku, 0,03 % síry, 0,1 % fosforu, 0,005 % kyslíku a 0,010 % dusíku, zbytek železo a nezbytné nečistoty, odléváním této oceli do kokři nebo kontinuálně a dále válcováním za tepla, mořením, válcováním za studená a konečně rekrystalizačním a oduhličujícím žíháním, jehož podstata spočívá v tom, že před válcováním za studená se za tepla válcovaný pás žíhá normalizačně na teplotu 900 až 1 150 °C po dobu 1,0 až 5,0 minut, načež se ochlazuje rychlostí minimálně 50 °C za minutu, válcování za studená se provede jednostupňově s celkovou redukcí minimálně 70 i, přičemž pás před válcováním má teplotu 70 až 200 °C a konečné rekrystalizační a oduhličovací žíhání se provede na teplotu 800 až 1 050 °C po dobu 2 až 8 minut v jednom nebo dvou po sobě následujících žíhacích cyklech, přičemž v prvé etapě žíhání se pás ohřívá rychlostí minimálně 300 °C za minutu a žíhá se v oduhličující atmosféře směsí vodíku a dusíku s teplotou rosného bodu +10 až +60 °C a ve druhé etapě žíhání se pás tahem prodlouží o 0,05 až 0,5 V případě, že je potřeba zlepšit tvařitelnost za studená, pak v průběhu ochlazování po normalizačním žíhání za tepla válcovaného pásu a/nebo po jeho ochlazení se pás udržuje na teplotě 500 až 720 °C po dobu minimálně 1 minuty.

Výhody postupu podle vynálezu spočívají v tom, že se tímto postupem dosáhnou vynikající magnetické vlastnosti, zejména nízké ztráty, vysoká magnetická indukce a nízká anizotropie těchto vlastností, a to relativně jednodušším postupem ve srovnání s postupem s rafinačním žíháním za tepla válcovaného pásu na relativně vysoké teploty po dlouhou dobu. Navíc, mezioperační křehkost je zcela potlačena. Uvedené výhody si vysvětlují autoři tak, že když žíhání za tepla válcovaného pásu není vedeno jako rafinační, ale jen jako normalizační, nedojde k rafinaci nečistot, ale k zhrubnutí částic, takže počet těchto částic kritické velikosti do 0,.l fim se sníží stejně efektivně jako v případě rafinačního žíhání. Navíc vzhledem k relativně kratší době normalizačního žíhání nedojde k enormnímu růstu zrna a tím zvýšení mezioperační křehkosti a zhoršení tvařitelnosti za studená. Pokud se přesto tyto problémy vyskytnou, je vhodné v průběhu ochlazování a/nebo po ochlazení pás žíhat při teplotě 500 až 720 °C, aby došlo ke zhrubnutí precipitátů po hranicích zrn a odstranění mezioperační křehkosti. Při teplotě okolo 700 °C stačí doba žíhání okolo 1 minuty, při teplotě blížící se 500 °C je potřebu žíhat po dobu několika hodin. Plasticitu materiálu při válcování za studená zvyšuje dále skutečnost, že pás se válcuje ohřátý na teplotu 70 až 200 °C. Pokud se týká nízké anizotropie magnetických vlastností, autoři na základě provedených zkoušek dospěli k názoru, že ji významně ovlivňuje zejména způsob válcování za studená. Cím je použito vyšší celkové redukce, tím je anizotropie menší. Proto je válcování za studená provedeno jako jednostupňově s celkovou redukcí minimálně 70 «. Další snížení anizotropie lze dosáhnout snížením teploty konečného žíhání pod 1 000 °C, čímž se zamezí enormnímu růstu zrna a dále zrychlením ohřevu na teplotu žíhání, což vysvětlíme podrobněji.

Při konečném žíhání musí dojít k rekrystalizaci struktury po válcování za studená, oduhličení na co nejnižší obsah uhlíku, zpravidla pod 0,005 hmotnostních % a konečně k růstu zrna na optimální velikost. Autoři zjistili, že k nejlepšímu oduhličení dochází tehdy, jestliže probíhá současně s rekrystalizací. žíhání obecně je možno provést v jednom nebo dvou žíháních cyklech. V prvém příp<idČ> se pás v prvé etapě ohřívá zpravidla na nižší teplotu v rozmezí teplot 800 až 900 °C s cílem rekrystalizace struktury a oduhličení a poté v druhé ol.ipě, UiiiIm' č/ihi I piůběZiH' |hh-c, ri«· ) < ‘ Γ· t ě <>|ιΓΓνΑ ιιη vyšší loplolu v i ozmrz í l^plol 900 1 100 °C s cílem zajištění růstu zrna. Někdy se tato druhá etapa vypouští, pokud je dosaženo optimální velikosti zrna již za teploty žíhání v prvé etapě. Při rozdělení žíhání do dvou žíhacích cyklů se realizuje prvá etapa v prvém cyklu, v jedné peci a druhá etapa v druhém cyklu, nejčastěji v druhé peci. Aby byla zajištěna podmínka pokud možno současného průběhu rekrystalizace a oduhličení, zařadili autoři do postupu podmínku, že ohřev na teplotu žíhání v prvé etapě se provede maximální rychlostí, čímž se potlačí průběh rekrystalizace za nižších teplot. Rychlost ohřevu má být obecně co nejvyšší, minimálně však 300 °C za minutu. Žíhání se realizuje v oduhličovací atmosféře, nejlépe směsi vodíku a dusíku s určitou teplotou rosného bodu. Nejlepší výsledky byly získány při teplotě rosného bodu +10 až +60 °C. Tato oduhličovací atmosféra by měla být v peci již při ohřevu na teplotu žíhání. Naopak, ve druhé etapě žíhání, kdy dochází k růstu zrna, je nejvýhodnější použít suchou atmosféru zabraňující vnitřní oxidaci pásu. Druhým důvodem pro použití maximální rychlostí ohřevu v prvé etapě žíhání je potřeba co nejvíce potlačit selektivitu růstu zrn s orientací 110 001. Při vysoké rychlosti ohřevu se zvyšuje teplota rekrystalizace a při následném růstu zrna rostou rychleji zrna všech orientací současně, což zvyšuje izotropii magnetických vlastností hotového výrobku. Konečně posledním faktorem zvyšujícím izotropii je určité optimální prodloužení pásu ve druhé etapě konečného žíhání, které lze vyvolat tahem pásu v žíhací lince. I když není jasné, jakým mechanismem toto optimální prodloužení, pásu působí, bylo jednoznačně zjištěno, že jestliže se pohybuje v intervalu 0,05 až 0,5 %, dojde ke snížení anizotropie magnetických vlastností. Pokud je prodloužení vyšší nebo nižší než toto optimum, účinek se neprojeví. Regulovat prodloužení lze nejsnáze pomocí automatické regulace tahu v páse.

Postup výroby podle vynálezu je zřejmý z následujícího příkladu. Vyrobí se ocel o složení v hmotnostních procentech: 0,03 % C, 0,6 % Al, 0,3 % Mn, 3,1 % Si, 0,02 % S, 0,01 % P, 0,003 % 0^ a 0,007 % , zbytek železo a nezbytné nečistoty dané způsobem výroby, ocel se odleje do ingotů, válcuje za tepla na bramy, bramy se ohřívají na 1 250 °C a válcují na pás tloušťky 2,0 nim, pás se žíhá normalizačně na teplotu 970 °C po dobu 3,0 minut, ochlazuje se rychlostí 200 °C za minutu, poté se pás moří, ohřívá na 150 °C a válcuje za studená na tloušťku 0,5 mm a konečně se ohřívá rychlostí 600 °C za minutu na teplotu 850 °C, na této teplotě se oduhličuje po dobu 3,5 minut v atmosféře 25 % dusíku a 75 % vodíku s teplotou rosného bodu +40 °C a poté se žíhá ve druhém cyklu na 1 020 °C po dobu 1,5 minuty, přičemž tah v páse se reguluje tak, aby prodloužení pásu bylo 0,2 %. Pokud je pás obtížně tvařitelný při válcování za studená, předřadí se žíhání na 600 °C po dobu 4 hodiny v ochranné atmosféře. Výsledné magnetické vlastnosti hotového výrobku jsou následující: P^ θ = 1,20 W/kg, ₅ = = 3,0 W/kg, = 1/58 T, anizotropie ztrát P. . je menší než 10 % a anizotropie indukce ^β2 500 3^{e raenš:£ ne}$ °'^{1 T}‘

Jinou variantou postupu je druhý příklad, podle kterého se pás po provedeném normalizačním žíhání dle prvého příkladu ochlazuje rychlostí 200 °C za minutu do teploty 700 C, pak se ochlazování zpomalí a/nebo se zařadí výdrž na teplotě tak, že teplota 680 °C se dosáhne za 2 minuty, načež se pás dále ochlazuje rychlostí 100 °C za minutu. Další postup zpracování pásu je stejný jako v prvém příkladě.

Ještě jinou variantou postupu je třetí příklad, kdy za studená válcovaný pás podle prvého nebo druhého příkladu je žíhán v jednom cyklu tak, že prvá etapa žíhání na 850 C i druhá etapa žíhání na 970 °C se provede v jediné průběžné peci, tj. v prvé části pece se žíhá na 850 °C a ve druhé části pece na 970 °C, přičemž prodloužení pásu se udržuje na hodnotě 0,3 %.

Konkrétní nejoptimálnější podmínky zpracování závisí také na složení tavby. Např. při snížení obsahu uhlíku v oceli vakuováním na 0,01 hmotnostních procent a nebo snížení obsahu křemíku výrazně pod 3,0 hmotnostních procent se zjednoduší podmínky pro oduhiičovací žíhání a zlepšení se tvařitelnost za studená, takže není potřeba provádět žíhání na 500 až 720 °C po normalizačním žíhání. Pokud se mimopecním zpracováním oceli sníží obsah nečistot, zejména síty a dusíku, pak konečné žíhání je možno prováděl na nízké loploly pod I 000 resp. 970 °C. Rovněž optimální výše teploty normalizačního Žíhání závisí na složení výchozí oceli,zejména obsahu hliníku a také na podmínkách válcování za tepla.

Claims (2)

1. Způsob výroby magneticky měkkých izotropních ocelových pásů s vysokou magnetickou indukcí a nízkými měrnými ztrátami, z výchozí oceli obsahující v hmotnostních procentech 2,5 až 4,0 % křemíku, 0,1 až 0,7 % hliníku, 0,1 až 0,5 % manganu a dále maximálně 0,04 % uhlíku, 0,03 % síry, 0,1 % fosforu, 0,005 % kyslíku a 0,010 % dusíku, zbytek železo a nezbytné nečistoty, odléváním této oceli do kokil nebo kontinuálně a dále válcováním za tepla, mořením, válcováním za studená a konečně rekrystalizačním a oduhličujícím žíháním, vyznačený tím, že před válcováním za studená se za tepla válcovaný pás žíhá normalizačně na teplotu 900 až 1 150 °C po dobu 1,0 až 5,0 minut, načež se ochlazuje rychlostí minimálně 50 °C za minutu, válcování za studená se provede jednostupňově s celkovou redukcí minimálně 70 %, přičemž pás před válcováním má teplotu 70 až 200 °C a konečné rekrystalizační a oduhiičovací žíhání se provede na teplotu 800 až 1 050 °C po dobu 2 až 8 minut v jednom nebo dvou po sobě následujících žíhacích cyklech, přičemž v prvé etapě žíhání se pás ohřívá rychlostí minimálně 300 °C za minutu a žíhá se v oduhličující atmosféře směsi vodíku a dusíku s teplotou rosného bodu +10 až +60 °C a ve druhé etapě žíhání se pás tahem prodlouží o 0,05 až 0,5 %.

2. Způsob výroby podle bodu 1, vyznačený tím, že v průběhu ochlazování po normalizačním žíhání za tepla válcovaného pásu a/nebo po jeho ochlazení se pás udržuje na teplotě 500 až 720 °C po dobu minimálně 1 minuty.