Влияние кремния и фосфора, технологических операций на формирование структуры и свойства изотропной электротехнической стали

Изотропная электротехническая листовая сталь относится к магнито-мягким материалам и используется для изготовления разного вида магнитных сердечников. Она применяется в электродвигателях, кондиционерах воздуха, холодильниках, компакт-дисководах, в системах рулевого управления автомобилей и др.

Широкое распространение электротехнических сталей в качестве магни-томягких материалов объясняется рядом причин, связанных с особенностями магнитных свойств и дешевой стоимостью этих материалов. Наиболее важными из них являются:

1) лёгкость намагничивания и перемагничивания, т. е. высокие значения магнитной проницаемости и магнитной индукции;

2) минимальные потери при перемагничивании.

Производство электротехнических сталей и сплавов непрерывно расширяется. Рост цен на электроэнергию, необходимость её экономии приводит к увеличению спроса на электротехнические материалы и широкому качественному их применению. Углубление понимания физики и металловедения этих материалов способствует повышению качества стали и снижению уровня энергопотребления.

В настоящее время исследовано влияние многих технологических факторов и структурного состояния готовой стали на уровень магнитных свойств: химического состава, чистоты стали по примесям и неметаллическим включениям, размера зерна, текстуры, структуры поверхностной окисной зоны. Полученные научные данные помогли оптимизировать химический состав стали различных групп легирования, режимы горячей прокатки, нормализации, холодной прокатки и термической обработки, что позволяет производить изотропную сталь с характеристиками качества, соответствующими нормам зарубежных стандартов.

Однако, возрастающие требования электромашиностроителей и энергетиков, делают актуальными проблемы повышения качества изотропных электротехнических сталей, связанные, например, с уменьшением магнитных потерь в листах толщиной 0,50 мм до Р1.5/50 = 2,5−2,3 Вт/кг для группы высоколегированной стали и повышением магнитной индукции В2500 ДО 1,70−1,75 Тл для группы малокремнистых и нелегированных сталей при обеспечении их хорошей штампуемости.

Несмотря на многочисленность известных данных, они имеют существенный недостаток, который не позволяет решить современные проблемы. Известные данные получены различными исследователя на различных заводах, различном исследовательском и технологическом оборудовании, на сталях различного химического состава. Очень часто исследования касаются одного узкого участка производства без рассмотрения всей совокупности воздействующих факторов. Это не позволяет корректно объединить известные данные и создать адекватную модель формирования микроструктуры и текстуры, описать роль химического состава и решить современные проблемы изотропных электротехнических сталей.

Это послужило отправной точкой проведения данной работы и объясняет ее актуальность, решаемые задачи и положения, выносимые на защиту. В работе создана обширная база данных по параметрам микроструктуры и текстуры, по влиянию химического состава и режимов технологических операций на микроструктуру и текстуруизучены особенности влияния кремния и фосфора на первичную и собирательную рекристаллизацию, формирование микроструктуры и текстуры при этих процессахпоказана роль того или иного процесса в технологии производства стали. Уже на начальном этапе использования полученных результатов созданы технические решения по совершенствованию условий холодной прокатки и отжига стали. Использование новой базы данных может помочь как исследователям, так и технологам при совершенствовании режимов существующих технологий и создании новых технологий производства стали. Можно сказать, что база данных имеет универсальный характер, что позволяет использовать ее не только для изотропной, но и для сталей другого назначения.

Выводы.

1. При производстве стали действует известный механизм «наследования» структуры. Большему исходному размеру зерна до холодной прокатки соответствует больший размер зерна готовой стали. Большему количеству зерен кубической и октаэдрической ориентировки до холодной прокатки соответствует большее количество зерен данных ориентеровок в готовой стали. Воздействовать на структуру готовой стали можно посредством варьирования содержания кремния (0,07−3,20%) и фосфора (0,007−0,260%), и режимов технологических операций.

2. Основное воздействие на формирование микроструктуры поверхностного слоя стали при горячей прокатке оказывают ее режимы, а центральных слоев — химический состав стали (кремний и фосфор). Размер зерна после горячей прокатки (30−48 мкм), нормализации (53−82 мкм) и конечного отжига (40−190 мкм) увеличивается с повышением содержания кремния в стали. Роль нормализации заключается в увеличении размера зерна, повышении однородности и уменьшении дефектности микроструктуры. Можно рекомендовать перенести роль нормализации на период охлаждения полос после горячей прокатки и исключить операцию нормализации из технологии производства.

3. Основное воздействие на формирование текстуры поверхностного слоя стали при всех технологических операциях оказывают их режимы, а центральных слоев — химический состав стали (кремний и фосфор).

Текстура стали после разных технологических операций.

Тех. операция Полюсная плотность, усл. ед.

200} {222} {21 l}.

Поверх. Центр Поверх. Центр Поверх. Центр

Горячая прокатка -0,62 6−16 -0,45 -2,23(220) 0,1−3,7 -0,77 1,2−3,4.

Холодная прокатка -4,02 5−8 -4,53 2−4 р—" 2−3.

Конечный отжиг -1,31 1,5−4 -4,35 1−3,5 -1,58 1−2.

Увеличению содержания кремния, соответствует повышение полюсной плотности октаэдрических компонентов {21 1} и {222} и уменьшение полюсной плотности кубического {200} в центральных слоях стали после всех технологических операций. Повышение содержания фосфора способствует увеличению количества кубического компонента {200}. В поверхностных слоях сечения горячекатаных полос в большом количестве представлен компонент {220}, а в центральных — {200}. Преимущество кубического компонента в центральных слоях стали наследуется после всех технологических операций. После нормализации распределение компонентов по сечению полос, полученное при горячей прокатке, сохраняется, за исключением компонента {222} количество которого уменьшается на ~20%. Снижение полюсной плотности октаэдрического компонента при нормализации наследуется готовой сталью и ведет к повышению магнитной индукции.

В поверхностных слоях холоднокатаной стали преобладающим компонентом становится {222}, что связано с присутствием большого количества компонента {220} в этих слоях полос после горячей прокатки и нормализации.

При обезуглероживающе-рекристаллизационном отжиге происходит некоторое рассеяние текстуры деформации, суммарная полюсная плотность исследованных компонентов уменьшается (с 11,65 до 8,74 усл. ед.). В центральных слоях высококремнистой стали 3 и 4 группы легирования компонент {222} преобладает не только в поверхностном, но и в центральном слое. Для уменьшения количества октаэдрического компонента в поверхностных слоях готовой стали необходимо и возможно уменьшить количество компонента {220} в поверхностных слоях горячекатаных полос, за счет коррекции режимов горячей прокатки.

С увеличением содержания кремния температура начала и конца первичной рекристаллизации повышается. Кремний препятствует образованию зародышей зерен первичной рекристаллизации и развитию полигонизации. В результате, кремний способствует развитию первичной рекристаллизации по механизму зародышеобразования и роста зерен за счет деформированной матрицы при более высоких температурах. Фосфор оказывает противоположное действие, способствуя развитию первичной рекристаллизации при более низкой температуре по механизму образования полигональной структуры и объединения полигонов. Независимо от скорости нагрева в температурном интервале первичной рекристаллизации, размер зерна после ее завершения увеличивается с повышением содержания кремния (в стали с содержанием фосфора менее 0,08%) и фосфора (в стали с содержанием фосфора более 0,08%). С точки зрения получения наименьшего количества наиболее вредного для магнитных свойств стали компонента {222}, сталь 0, 1, 2, и 3 групп легирования в период первичной рекристаллизации целесообразно нагревать быстро, как это осуществляется в промышленных условиях в настоящее время. Возможно, что дальнейшее увеличение скорости нагрева этих групп сталей (например, в соляной ванне) может позволить еще больше оптимизировать текстуру. Для оптимизации текстуры стали 4 группы легирования предпочтительнее использование медленного нагрева в температурном интервале первичной рекристаллизации до 640 °C. Возможно, что дальнейшее увеличение скорости нагрева позволит сохранить благоприятную текстуру первичной рекристаллизации.

При собирательной рекристаллизации скорость роста зерен увеличивается с повышением содержания кремния и фосфора. Однако повышенное содержание фосфора в низкокремнистой стали оказывает тормозящее действие на рост зерна.

В стали с содержанием кремния 0,98+2,95% изменения полюсной плотности компонент текстуры при собирательной рекристаллизации являются следствием классического нормального роста зерен любой ориентации. В стали с 0,07−0,53 и 3,00−3,20%Si происходит уменьшение полюсной плотности компонента {222} и увеличение полюсной плотности компонента {200}. Это свидетельствует о воздействии химических элементов, входящих в состав стали (кремния и фосфора), и возможности избирательного роста зерен при собирательной рекристаллизации. Большему размеру зерна при идентичной текстуре соответствуют лучшие магнитные свойства стали. Каждому составу стали соответствует своя оптимальная степень развития собирательной рекристаллизации (длительность и температура конечного отжига) в силу начала роста неблагоприятных компонентов текстуры, ведущих к ухудшению магнитных свойств, несмотря на больший размер зерна.

11. Перераспределение обжатий (при неизменном суммарном обжатии) и натяжений по клетям стана холодной прокатки влияет на свойства изотропной электротехнической стали. Степень влияния зависит от содержания кремния в стали. С уменьшением его содержания степень влияния на удельные потери возрастает от 2% в стали 4 группы легирования до 3 — 6% в стали 0−2 группы. Такое воздействие на магнитные свойства стали обусловлено, в большей степени, благоприятными изменениями текстуры готовой стали, уменьшении полюсной плотности октаэдрических компонент текстуры и увеличении кубических. (Подана заявка на изобретение).

12. Неоднородность удельных потерь (Pi, 5/50) по ширине полосы в готовой стали, которая составляет 2,5-^8%, в основном вызвана различием в размере зерна. Это различие обусловлено неодинаковыми условиями охлаждения центра и края полос в рулонах после горячей прокатки и нагрева в проходных печах при последующей обработке. Снижение неоднородности можно добиться ускорением охлаждения рулонов стали после горячей прокатки.

13. Полученные данные по параметрам микроструктуры и текстуры, влияния на них кремния и фосфора, режимов технологических операций и их взаимосвязи с магнитными свойствами позволили определить структурные критерии к которым необходимо стремиться при производстве стали всех групп легирования.

Критерии структуры после различных технологических операций.

Операция Микроструктура Текстура.

Поверхность Центр

Горячая прокатка Рекристаллизованное зерно по всему сечению полосы Dcp > 40 мкм P{220} < 1 усл.ед. P{200J > 10 усл.ед. P{222} < 2 усл.ед.

Холодная прокатка — P{200} > 4 усл.ед. P{222} < 4 усл.ед. P{200} > 6 усл.ед. P{222} < 2 усл.ед.

Обезуглерож.-рекрист. отжиг Однородное рекристаллизованное зерно по сечению полосы Dcp> 100 мкм P{200} > 2 усл.ед. P{222} < 4 усл.ед. P{200} > 3 усл.ед. P{222} < 2 усл.ед.