無取向硅鋼夾雜物分析

羅 艷，劉 洋，張立峰，楊 文，張 瑩

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083)

無取向硅鋼夾雜物分析

羅 艷，劉 洋，張立峰，楊 文，張 瑩

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083)

采用非水溶液電解方法來提取無取向硅鋼中夾雜物。通過掃描電鏡(SEM)觀察結(jié)果表明:無取向硅鋼中主要夾雜物為六棱柱的AlN、不規(guī)則硅酸鹽及球狀的鐵的硫化物和氧化物,其中AlN夾雜尺寸在1～5 μm,數(shù)量較多，還有部分AlN的復(fù)合夾雜。進(jìn)一步研究了AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理,采用了Thermo-Calc熱力學(xué)計算軟件計算出該鋼樣中AlN、MnS析出溫度分別為1 240 ℃、1 200 ℃,而Al2O3析出溫度大于1 800 ℃,從而為AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理提供了一個理論依據(jù)。

無取向硅鋼;復(fù)合夾雜物;析出;熱力學(xué)

硅鋼是電力、電子和軍事工業(yè)中不可缺少的重要軟磁合金,主要用作各種電動機(jī)、發(fā)動機(jī)和變壓器的鐵芯及其他電器部件,在磁性材料領(lǐng)域中產(chǎn)量和用量最大,目前,還沒有可替代材料[1]。硅鋼的制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量是衡量一個國家特殊鋼生產(chǎn)和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。

同時,隨著冶金技術(shù)不斷提高,傳統(tǒng)的有害夾雜物(如粗大的MnS、Al2O3等)已經(jīng)能夠得到有效控制。但近年來,隨著大量功能鋼鐵材料的出現(xiàn),鋼中細(xì)小的夾雜物成為了夾雜物研究領(lǐng)域的重點(diǎn)[2-3]。為了弄清這些夾雜物的形成機(jī)理及更好利用或控制夾雜物,首先對夾雜物進(jìn)行全面認(rèn)識。但目前對細(xì)小夾雜物(1～3 μm)的具體研究方法的報道很少。筆者以常見含有細(xì)小夾雜的無取向硅鋼為研究對象,采用非水溶液電解獲得鋼中所有尺寸的夾雜物,為冶金工作者對今后夾雜物的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

隨著目前夾雜物的檢測方法越來越多,在分離夾雜物的研究中也取得良好的測試方法,但是都有其局限性。本實(shí)驗(yàn)是采用非水溶液電解的方法來評估夾雜物的特性研究。實(shí)驗(yàn)采用的電解液[4]是由甲醇、丙三醇、三乙醇胺、四甲基氯化銨組成,按照一定比例配成電解液。將電解的鋼樣做陽極,不銹鋼片做陰極。在一定溫度、恒流下,進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。電解6～8 h后,取出鋼樣;采用超聲波清洗鋼樣,淘洗電解液,烘干,分離的夾雜物轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電膠上,使用SEM觀察夾雜物。本實(shí)驗(yàn)利用電子透鏡將離子束聚集成非常小尺寸的顯微精細(xì)切割儀器——聚焦離子束場發(fā)射掃描電鏡(FIB)對電解出來的夾雜物進(jìn)行部分切割實(shí)驗(yàn)。外加電場于液態(tài)金屬離子源,可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端,再加上負(fù)電場牽引尖端的鎵,導(dǎo)出鎵離子束。在一般工作電壓下,尖端電流以電透鏡聚焦,經(jīng)過可變孔徑光闌,決定離子束的大小,再經(jīng)過二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面,利用物理碰撞來達(dá)到切割的目的,離子束到達(dá)樣品表面的束斑直徑可達(dá)7 nm[5]。本實(shí)驗(yàn)采用無取向硅鋼板坯進(jìn)行電解,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 硅鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過電解方法獲得的硅鋼中整體夾雜物形貌如圖1所示,夾雜物能譜結(jié)果如圖2所示。從圖中得出硅鋼中分離出來的夾雜物主要是六棱柱的AlN,球形鐵的氧化物或硫化物,不規(guī)則的硅酸鹽;但大多數(shù)為AlN夾雜,數(shù)量較多且尺寸為1～5 μm。在圖1-c、1-d中可以看出復(fù)合夾雜的存在,復(fù)合夾雜主要是AlN+MnS，AlN+Al2O3，AlN+AlN三種形式。

圖1 硅鋼分離出來得夾雜物圖

3 熱力學(xué)分析

為了綜合考慮夾雜物形成機(jī)理,需要從鋼液、凝固過程及其冷卻過程方面來探究。根據(jù)方程(1),(2)[6]計算出該鋼樣的液相線溫度(TL)和固相線溫度(TS)分別為1 798 K和1 787 K。

TL=1 536+273-{90[w(C)+6.2[w(Si)]+

1.7[w(Mn)]+28[w(P)]+40[w(S)]+

2.6[w(Cu)]+2.9[w(Ni)]+1.8[w(Cr)]+

5.1[w(Al)]}.

(1)

TS=1 536+273-{415.3[w(C)]+

12.3[w(Si)]+6.8[w(Mn)]+

124.5[w(P)]+183.9[w(S)]+4.3[w(Ni)]+

1.4[w(Cr)]+4.1[w(Al)]} .

(2)

另外,應(yīng)用Thermo-Calc熱力學(xué)計算軟件計算了該試樣中液相線溫度及鋼中主要夾雜物隨溫度變化的析出量。該計算采用帶有TCFE6數(shù)據(jù)庫的TCCS軟件進(jìn)行,其結(jié)果如圖3所示。圖3計算結(jié)果表明:該鋼樣的液相線溫度約1 540℃,與方程(1)計算的結(jié)果基本相等,同時驗(yàn)證了采用TCFE6數(shù)據(jù)庫計算的準(zhǔn)確性；還得出了Al2O3開始析出溫度高于1 800℃,高于鋼中液相線溫度(TL),因而Al2O3夾雜在鋼液中已形核長大；AlN,MnS開始析出溫度分別為1 240℃,1 200℃,其兩者的析出溫度都低于鋼液固相溫度(TS),從而可知AlN,MnS夾雜都在鋼的凝固過程或冷卻過程中形核長大。通過方程(1),(2)及Thermo-Calc計算結(jié)果討論顯示:在鋼中先后析出相依次為Al2O3、AlN、MnS。該結(jié)論將為AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理提供了一個理論依據(jù)。

圖3 硅鋼中主要析出相隨溫度變化圖

4 復(fù)合夾雜形成機(jī)理

通過Thermo-Calc計算結(jié)果可以預(yù)測AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理。但由于AlN，MnS析出溫度很近,對預(yù)測該復(fù)合夾雜物形成機(jī)理造成錯誤的判斷,因此本實(shí)驗(yàn)采用了FIB對該類夾雜進(jìn)行了剖面切割,得到其內(nèi)部形貌及物相成分,如圖4所示。

4-a 原圖 4-b 剖面圖

圖4為切割夾雜的原始夾雜與剖面夾雜面掃描結(jié)果圖。可知該復(fù)合夾雜為AlN+MnS,通過圖4-b可看出MnS是吸附在AlN的橫截面上,而不是AlN包裹著MnS,該結(jié)果與Thermo-Calc計算結(jié)果吻合,因而得出該類夾雜是AlN先析出長大,隨后MnS以周圍析出的AlN為核心,在AlN表面附著生成。該類復(fù)合夾雜形成機(jī)理示意圖如圖5-a。

圖5 夾雜物形成機(jī)理示意圖

對于AlN+Al2O3，AlN+AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理,如圖5-b所示。以AlN+Al2O3復(fù)合夾雜形成機(jī)理為例,Al2O3夾雜是在鋼液中先形核析出,隨著溫度的降低AlN開始析出,在AlN周圍若有Al2O3存在,根據(jù)最小自由能生成規(guī)律,AlN夾雜將包裹著Al2O3析出長大,因而電解得到圖5-b該類復(fù)合夾雜。該結(jié)論同樣適合AlN+AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理。

5 結(jié)論

通過非水溶液電解的方法可以無損傷分離出鋼中各種類型的夾雜物,采用SEM/EDS觀察獲得以下結(jié)論:

1) 硅鋼中主要的夾雜物是六棱柱的AlN夾雜、不規(guī)則的硅酸鹽夾雜及球狀的鐵的氧化物和硫化物;

2) 硅鋼中存在部分AlN復(fù)合夾雜,通過Thermo-Calc熱力學(xué)計算得到AlN、MnS各自析出的溫度為1 240℃、1 200℃;Al2O3析出的溫度則高于1 800℃;

3) AlN+AlN，AlN+Al2O3復(fù)合夾雜形成機(jī)理是AlN包裹著AlN或Al2O3夾雜;通過FIB夾雜物切割實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,AlN+MnS復(fù)合夾雜形成機(jī)理是MnS附著于AlN橫向表面生成。

[1] 張正貴,王大鵬. 無取向硅鋼的織構(gòu)與磁性[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

[2] Pak J J, J O Jo, S I Kim, et al. Thermodynamics of titanium and oxygen dissolved in liquid iron equilibrated with titanium oxides[J]. ISIJ International,2007, 47(1)：138-142.

[3] Byun J S, J H Shim, Y W Cho, et al. Non-metallic inclusion and intragranular nucleation of ferrite in Ti-killed C-Mn steel[J]. Acta Materialia,2003, 51(6):95-99.

[4] Keming F, N Ruiming. Research on determination of the rare-earth content in metal phases of steel[J]. Metallurgical Transactions A,1986, 17(2):124-124.

[5] 章壯. 聚集離子束原理及其工業(yè)應(yīng)用[J]. 內(nèi)江科技 2008(1)：119-120.

[6] 蔡開科. 連鑄與凝固[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,1992.

(編輯：賈麗紅)

AnalysisofInclusionsinNon-orientedSiliconSteel

LUOYan,LIUYang,ZHANGLifeng,YANGWen,ZHANGYing

(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEnginnering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Extracting inclusions from non-oriented silicon steel in non-aqueous electrolysis is a nondestructive method to gain inclusions. Scanning electron microscopy shows that the main inclusions in non-oriented silicon steel were hexagonal AlN, which was of large quantity, irregular silicate, spherical iron sulfide and oxide. The size of AlN inclusions ranged from 1 to 5 μm, and there were some duplex inclusions of AlN. To further study the formation mechanism of AlN duplex inclusions, Thermo-Calc thermodynamic software was used to calculat the precipitation temperatures of AlN and MnS was 1 240℃ and 1 200℃, respectively,and that of Al2O3as over 1 800℃. This study provides a theoretical basis for formation mechanism of AlN duplex inclusions.

non-oriented silicon steel; duplex inclusions; precipitation; thermodynamics

2013-08-02

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274034)

羅艷(1988-)，女，湖南邵陽人，碩士生，主要從事潔凈鋼與夾雜物控制研究，(Tel)13401166593

張立峰，男，博導(dǎo)，教授，(E-mail)zhanglifeng@ustb.edu.cn

1007-9432(2014)01-0034-03

TF701.2

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