WO2013110227A1

WO2013110227A1 - 一种高硅钢板带材热处理方法

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Publication number: WO2013110227A1
Application number: PCT/CN2012/084968
Authority: WO
Inventors: 梁永锋; 叶丰; 林均品; 周红婵; 房现石; 张来启; 郝国建
Original assignee: 北京科技大学
Priority date: 2012-01-29
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2013-08-01
Also published as: CN102560066A; CN102560066B

Abstract

一种高硅钢板带材的热处理方法，该高硅钢中硅含量为4-7%（质量百分比），其余为铁、微量元素硼和不可避免的杂质元素。该方法利用高能电脉冲对塑性加工后的高硅钢板带材进行热处理，电脉冲频率60-500HZ，脉宽10-300μs，峰值电流密度20-500A•mm^-2，处理时间3-60s。该方法可以促进形变组织再结晶，降低薄板（带）强度，提高塑性，处理时间短，节约能源。

Description

一种高硅钢板带材热处理方法

技术领域

本发明属于金属材料制备技术领域，涉及一种高效率低能耗的高硅钢板带材的热处理方法。背景技术

高硅钢（含硅量 3.5%，重量百分比，下同）与普通硅钢（含硅量<3.5%) 相比，电阻率、磁导率明显增加，矫顽力、磁晶各向异性能明显降低。特别是当高硅钢含硅量达到 6.5%时，磁致伸縮系数基本降至为零，具有铁损低、噪音低的特点，在电力电子行业中具有非常重要的应用背景。

高硅钢的加工能力随硅含量的增加而变得非常差，室温下塑性几乎为零，限制了其工业化应用的进展。采用特殊制备方法，如化学气相沉积法（Y. Takada' et al., Journal of Applied Physics, 64(1988), 5367-5369)、快速疑固通带法 ( K. I. Arai, H. Tsutsumitake and K. Ohmori, Transactions of the Japan Institute of Metals, 25(1984), 855-862 ) 等可以实现高硅钢板带材的小规模制备，然而这些特殊的制备方法需要特殊的工艺设备，产品尺寸、性能也受到限制。采用轧制设备，利用特殊轧制法通过温轧、冷轧的方法，也可以进行高硅钢薄板的轧制（林均品，等，高硅钢薄板的冷轧制备方法，专利号 CN 100425392C, 2008)。利用轧制法制备高硅钢薄板的过程中需要经过热处理，例如 1mm厚轧板在 850°C退火时需要保温处理 1-3小时。这些热处理采用普通加热炉加热、保温，退火时间较长，不利于工业化连续化生产。

而热处理是高硅钢制备加工过程中非常重要的一步，目的是使其内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能。目前热处理加热方式主要是燃烧式、电阻炉式加热方式，热处理过程在热处理炉中进行。

热处理炉在运行过程中会产生热损失，主要是排烟与散热损失，存在于有效能量的损失及传热的不可逆过程中（井岗，特钢技术， 13 ( 2007)， 54-56)。热处理炉热效率普遍较低，并且热处理炉可能由于设备陈旧、衬里老化脱落、钢板腐蚀穿孔等各种原因，导致散热损失大、局部过热超温等，从而降低热处理炉的热效率。热效率除了受炉子及工艺制度外，还受其它许多因素的影响和控制，例如生产组织、生产管理条件的变化是控制炉子热效率的决定性因素（田永奎，等，太原机械学院学报， 10 ( 1989)， 22-17)。可以看出，炉子热耗高、热效率低，不仅是技术方面的原因，也是管理与调度不善造成的。有关工序配合失调大大增加热耗，降低热效率。正因此同一炉子的热效率可能相差几倍、几十倍乃至上百倍。

电脉冲（Electropulsing) 是由电容或者是间歇性电源产生的非稳态电流场，是在很短时间内变一次电压的过程。现代的电脉冲技术越来越向高频、高能量的趋势发展，并且在材料领域有着广泛的应用，其主要的作用原理有：高能焦耳热效应、电致塑性效应等。发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率低能耗的高硅钢板带材的热处理方法，对于含硅量 4-7%的高硅钢薄板（带），通过施加高能电脉冲的方法，对其进行热处理，从而减小硬度、提高塑性。利用此方法热处理可以大大节约热处理时间，提高热处理的效率。

一种高硅钢板带材的热处理方法，其特征是高硅钢中硅含量为 4-7% (质量百分比），其余为铁、微量元素硼和不可避免的杂质元素。其方法为对塑性加工后的高硅钢板带材，利用高能电脉冲对其进行热处理。电脉冲频率 60-500HZ, 脉宽 10-300 s, 峰值电流密度 20-500A* mm-2，处理时间 3-60s。高能电脉冲处理可以促进形变组织再结晶，降低板带材硬度，提高塑性。该热处理时间很短，在数秒至几十秒就可以处理完毕，大大的提高了热处理的效率，同时节约能源。

所述高硅钢板带材厚度为 0.1-2mm，硼元素含量为 0-1000_PPm。

高硅钢由于硅含量较高，导致硬度较高，塑性较差，难于加工成型。采用特定的轧制工艺，可以实现高硅钢薄板（带）的轧制，甚至实现冷轧。在轧制过程中，由于加工硬化，导致薄板（带）硬度升高，塑性降低，需要进行热处理从而消除加工硬化，提高塑性。施加高能电脉冲可以有效促进形变组织再结晶，消除加工硬化、降低屈服强度，同时提高板带材塑性。由于电脉冲的焦耳热效应，施加高能电脉冲过程中，板带材温度明显升高。同时由于脉冲电流与材料中位错的交互作用，促进位错滑移、对消，材料的组织结构发生明显变化，促进材料发生再结晶，甚至晶粒长大。与普通的热处理方法相比，高能电脉冲由于处理时间短、温度升高快，热处理后高硅钢强度明显下降，塑性显著提高，有利于该材料的下一步制备加工。从材料显微组织来看，经过高能电脉冲处理后，材料发生再结晶，之前变形后的组织演变为变形之前的等轴晶，晶粒尺寸随热处理温度和热处理时间的增加而增加。

例如对于含硅量 6.5%，含硼 300_PPm 的高硅钢，经过冷轧后板材厚度为 0.3mm , 对其实施电脉冲热处理。经过处理后，材料发生明显的再结晶现象。在不同的电脉冲处理参数下，板带材热处理时间、温度不同，导致材料组织不同，因而表现出不同的强度和塑性，如图 1所示。在图 1中，曲线 a为电脉冲处理前薄板的拉伸应力 -应变曲线。可以看出，薄板的屈服强度很高，达到 1230MPa，塑性基本为零。在经过电脉冲处理后，薄板的强度明显降低，并且塑性明显提高，如图 1中 b、c、d曲线所示。电脉冲热处理前后薄板显微组织的变化如图 2所示。

在高硅钢制备加工过程中，对其施加高能电脉冲进行热处理，可以显著降低其强度，同时增加其塑性。本发明的优点在于：

对于高硅钢材料，由于其室温塑性差、硬度高，在加工过程中需要经常进行热处理，降低其硬度。本发明提供了一种高效率低能耗的高硅钢薄板的热处理方法。由于高能电脉冲可以实现在线热处理，因此处理效率更高，适合于工业化应用。同时由于操控性强，可以方便、实时的对热处理过程进行操控，避免了热处理炉加热后高温状态下资源的浪费，因此可以大大节约热处理的能量，是一种节能的热处理方法。该方法由于具有高效率、低能耗、连续化热处理的特点，具有广阔的工程应用前景。附图说明

图 1 高硅钢 0.3mm厚冷轧薄板电脉冲热处理前后应力应变曲线，拉伸温度 150 °C : ( a )热处理前，（b)电脉冲处理频率 170Hz、峰值电流密度 350A* mm-2、处理时间 4s、处理时最高温度 400°C， ( c) 电脉冲处理频率 164Hz、峰值电流密度 360A* mm-2、处理时间 6s、处理时最高温度 610°C，（d )电脉冲处理频率 164Hz、峰值电流密度 440A* mm-2、处理时间 8s、处理时最高温度 790°C。

图 2 高硅钢 0.3mm厚冷轧薄板电脉冲热处理前后显微组织变化，（a ) 热处理前，（b) 电脉冲处理频率 170Hz、峰值电流密度 350A'mm-2、处理时间 4s、处理时最高温度 400 °C， (c)电脉冲处理频率 164Hz、峰值电流密度 360A*mm-2、处理时间 6s、处理时最高温度 610°C，（d) 电脉冲处理频率 164Hz、峰值电流密度 440A'mm-2、处理时间 8s、处理时最高温度 790°C。具体实施方式

对于硅含量 4-7%，硼含量 0-1000_PPm的高硅钢，其板带材厚度为 0.1-2mm，经过塑性加工变形后，对其施加高能电脉冲进行热处理。具体实施方案如下：实施例 1

对于含硅量 4%，不含硼的高硅钢，经过热轧后板材厚度为 2mm，对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 500Hz, 脉宽 100 S, 峰值电流密度 80A-mm-2, 处理时间 30s，处理过程中板材温度升高至 850°C。经过处理后的板材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 550MPa，断裂强度下降至 650MPa。

实施例 2

对于含硅量 5%，含硼 150_PPm的高硅钢，经过温轧后板材厚度为 lmm，对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 350Hz, 脉宽 SO S, 峰值电流密度 260A*mm-2，处理时间 10s，处理过程中板材温度升高至 750°C。经过处理后的板材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 610MPa，断裂强度下降至 750MPa。

实施例 3

对于含硅量 6.5%，含硼 150_PPm的高硅钢，经过温轧后板材厚度为 1mm，对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 194Hz, 脉宽 70 s, 峰值电流密度 360A*mm-2，处理时间 10s，处理过程中板材温度升高至 825°C。经过处理后的板材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 675MPa，断裂强度下降至 750MPa。

实施例 4

对于含硅量 6.5%，含硼 300_PPm的高硅钢，经过冷轧后板材厚度为 0.3mm，对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 170Hz, 脉宽 70 s, 峰值电流密度 350A*mm-2，处理时间 4s，处理过程中板材温度升高至 400°C。经过处理后的板材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 820MPa，断裂强度下降至 900MPa，拉伸曲线如图 1 (b) 所示，处理后组织如图 2 (b) 所示。热处理前板材拉伸曲线如图 1 (a) 所示，显微组织如图 2 (a) 所示。

实施例 5

对于含硅量 6.5%，含硼 300_PPm的高硅钢，经过冷轧后板材厚度为 0.3mm，对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 164Hz, 脉宽 70 s, 峰值电流密度 360A*mm-2，处理时间 6s，处理过程中板材温度升高至 610°C。经过处理后的板材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 645MPa，断裂强度下降至 850MPa，拉伸曲线如图 1 (c) 所示，处理后组织如图 2 (c) 所示。热处理前板材拉伸曲线如图 1 (a) 所示，显微组织如图 2 (a) 所示。

实施例 6

对于含硅量 6.5%，含硼 300_PPm的高硅钢，经过冷轧后板材厚度为 0.3mm，对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 164Hz, 脉宽 70 s, 峰值电流密度 440A*mm-2，处理时间 8s，处理过程中材料温度升高至 790°C。经过处理后的板材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 504MPa，断裂强度下降至 705MPa，拉伸曲线如图 1 (d) 所示，处理后组织如图 2 (d) 所示。热处理前板材拉伸曲线如图 1 (a) 所示，显微组织如图 2 (a) 所示。实施例 7

对于含硅量 7%，含硼 lOOOppm的高硅钢，经过冷轧后带材厚度为 O.lmm , 对其实施电脉冲热处理。处理参数为：电脉冲频率 160Hz, 脉宽 70 s, 峰值电流密度 360A* mm-2，处理时间 6s，处理过程中带材温度升高至 630°C。热处理后的带材， 150°C拉伸条件下屈服强度下降至 680MPa，断裂强度下降至 810MPa。

Claims

权利要求书

1. 一种高硅钢板带材的热处理方法，其特征是高硅钢中硅含量质量百分比为 4-7%，其余为铁、微量元素硼和不可避免的杂质元素，具体方法是利用高能电脉冲对塑性加工后的高硅钢板带材进行热处理，电脉冲频率 60-500HZ, 脉宽 10-300 s, 峰值电流密度 20-500A* mm-2，处理时间 3-60s，热处理后板带材强度降低，塑性提高。

2. 根据权利要求 1所述的高硅钢板带材的热处理方法，其特征是高硅钢板带材厚度为 0.1-2mm。

3. 根据权利要求 1所述的高硅钢板带材的热处理方法，其特征是高硅钢中硼元素含量为 0-ΙΟΟΟρρπΊ ο