高硅鋼復合板熱軋過程中Si元素丟失成因分析

楊興文， 李 強， 涂 琴， 楊克立

(1.中原工學院， 鄭州 451191； 2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心， 鄭州 450000)

高硅鋼復合板熱軋過程中Si元素丟失成因分析

楊興文1， 李 強1， 涂 琴2， 楊克立1

(1.中原工學院， 鄭州 451191； 2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心， 鄭州 450000)

針對采用包覆軋制工藝制備Fe-6.5wt%Si薄板過程中出現(xiàn)的Si元素丟失現(xiàn)象，采用EDS、SEM、XRD等對熱軋高硅鋼薄板進行了分析，得出了Si元素丟失成因，并提出了預防措施。實驗結(jié)果表明：高硅鋼復合板Si元素丟失主要發(fā)生在芯層，Si元素丟失量達到2wt%；采用SEM背散射分析發(fā)現(xiàn)，高硅鋼復合界面處結(jié)合不良，存在顯微縫隙，高溫時芯層主要沿晶界和晶內(nèi)以圓點形式發(fā)生氧化；經(jīng)XRD分析可知，Si元素主要以Fe2SiO4、FeSiO3、Fe1.6SiO4和SiO2形式丟失。為預防Si元素丟失，在復合板外表面涂覆隔絕材料可有效達到目的。

高硅鋼復合板；Si丟失；氧化；SiO2；隔絕材料

Fe-6.5wt%Si合金具有優(yōu)異的軟磁性能，是高頻電機鐵芯的理想材料，尤其適合制造高頻高速電機、音頻和高頻變壓器、扼流線圈和高頻磁屏蔽等鐵芯，還可廣泛應(yīng)用于空調(diào)、冰箱變流系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)、有軌電車能量系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。但是由于其室溫本征及環(huán)境脆性，軋制成形非常困難。目前，主要采用快速冷凝[1-3]、粉末壓延[4-5]、沉積擴散[6-8]、特殊軋制[9-10]等工藝生產(chǎn)，但效果均不理想。本研究中高硅鋼復合板由包覆軋制工藝[11]制備而成，不添加任何合金元素，極大地節(jié)省了成本。但在復合板熱軋過程中存在Si元素丟失現(xiàn)象。針對該問題，通過對復合板進行兩次熱軋，跟蹤熱軋過程中Si元素成分變化，并對試樣進行EDS、SEM、XRD等分析，最終找出Si元素丟失原因，并提出相應(yīng)的預防措施。

1 實驗材料和方法

利用真空感應(yīng)加熱爐澆注出高硅鋼復合鑄坯，復合鑄坯覆層為Fe-3wt%Si鋼，芯層為Fe-10wt%Si鋼，化學成分見表1和表2。澆注后，在1 200 ℃高溫進行鍛造，在1 150 ℃下利用二輥熱軋機將其熱軋成8.5 mm的薄板，切板，選取較好薄板進行二次熱軋，熱軋后薄板厚度為2.5 mm。

表1 覆層Fe-3wt%Si鋼化學成分 wt%

表2 芯層Fe-10wt%Si鋼化學成分 wt%

對高溫鍛造后的復合板坯鍛件進行化學分析，檢測復合板坯覆層、芯層Si元素含量。對8.5 mm、2.5 mm熱軋薄板分別取樣，采用LEO1450掃描電子顯微鏡觀察試樣中Si元素分布聚集狀況，對熱軋薄板試樣進行EDS分析。用XRD-6100衍射儀對2.5 mm熱軋薄板進行相分析，探究Si元素丟失形式，并找出預防Si元素丟失的措施。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 高硅鋼熱軋復合板的EDS掃描分析

對鍛造后的復合板坯鍛件進行化學分析可知：芯層Si元素含量為9.8wt%，覆層Si元素含量為2.96wt%，在鍛造過程中基本不存在Si元素丟失現(xiàn)象。對一次熱軋復合板、二次熱軋復合板進行Si元素掃描跟蹤，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 一次熱軋后復合板試樣EDS能譜點掃描分析圖

圖2 二次熱軋后復合板試樣EDS能譜分析圖

從圖1可以看出，經(jīng)過一次熱軋后，復合板覆層Si元素含量為2.65wt%，芯層的Si元素含量為8.83wt%。由能譜分析可知，合金中除含有Fe、Si元素外，還含有少量Al元素，Al元素對復合板的磁性有影響。另外，對合金EDS掃描分析沒有發(fā)現(xiàn)O元素，與鍛造的復合板坯Si元素相比，芯層Si元素含量減少約0.93wt%，覆層Si元素含量減少約0.31wt%。

從圖2可以看出，芯層Si元素含量在8.0wt%左右，覆層Si元素含量維持在2.60wt%左右。在二次熱軋過程中，覆層Si元素含量趨于穩(wěn)定，而芯層Si元素仍在繼續(xù)丟失，減少量約為0.83wt%。經(jīng)EDS掃描分析可知，在整個熱軋過程中，芯層Si元素丟失達到2wt%，較為嚴重，而覆層硅元素丟失為0.4wt%，在氧化燒損范圍內(nèi)。這說明，在熱軋過程中，復合板Si元素丟失主要發(fā)生在芯層，芯層Si元素含量極高，極易在高溫下發(fā)生氧化。但是，其以哪種形式丟失需要進一步探究。覆層由于Si元素含量較低，加上外氧化形成氧化膜，隨著加熱時間的延長，阻止了Si元素繼續(xù)氧化。

2.2 熱軋復合板顯微界面分析

針對芯層Si元素丟失嚴重的問題，采用SEM背散射及XRD對試樣進行分析。圖3為熱軋復合板顯微界面及氧化層SEM背散射掃描圖。

(a)顯微界面

(b)氧化層SEM背散射掃描圖圖3 熱軋復合板顯微界面和氧化層掃描圖

從圖3(a)中可以得出，由于芯層Si元素含量極高，在顯微組織中有裂紋產(chǎn)生，且復合界面處結(jié)合不良，有顯微縫隙存在；靠近裂紋的地方，有氧化圓點存在。有研究表明，熱軋裂紋的起始溫度越高，氧化圓點層就越厚[12]，而含Si量越高，形成的氧化圓點尺寸就越大，尤其是表面生成的氧化鐵前沿在隨氧氣擴散、析出過程中，基體中的Si易與氧氣結(jié)合，特別是在高溫下，之前生成的分散、細小的氧化圓點會在高硅基體中逐漸偏聚，最終生成大尺寸的氧化圓點，造成芯層Si元素大量丟失。同時，通過背散射對氧化層表面進行掃描分析發(fā)現(xiàn)，氧化層表面有大量富Si相存在。如圖3(b)所示，顏色較深的區(qū)域為富Si相區(qū)域。對圖中的深色區(qū)域A和B進行成分分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)域A處主要含有Fe、Si、O 3種元素，其中Si元素的含量高達17.46wt%，O元素含量為30.87wt%，F(xiàn)e元素為51.67wt%。綜合分析該處組成，可確定該處為Fe2SiO4或FeSiO3相。通過對區(qū)域B處進行成分分析發(fā)現(xiàn)，該處主要元素為Fe和Si，不存在O元素，該處應(yīng)屬于基體組織。該處Si元素含量為2.25wt%，說明在高溫下覆層Si元素出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象。對試樣進行XRD分析，如圖4所示。從圖4可知，芯層除了DO3相以外，還存在Fe2SiO4、FeSiO3、Fe1.6SiO4以及SiO2相，說明Si元素主要以鐵的氧化物和SiO2形式丟失，其中SiO2含量較多。因此，在熱軋過程中，隨著高溫保溫時間的延長，以及包覆層的破壞，不僅在高硅鋼的表面形成氧化皮，同時在芯層內(nèi)部沿晶界和晶內(nèi)氧化形成次生氧化皮，且氧化皮的生長遵從拋物線規(guī)律[13]，即隨著Si元素含量的提高，外氧化皮生長速率逐漸降低，當覆層表面形成致密氧化膜后，Si元素丟失不再發(fā)生，而芯層由于內(nèi)氧化，Si元素丟失依舊存在。

(a)氧化物XRD

(b)XRD局部放大圖圖4 二次熱軋復合板芯層XRD分析圖

2.3 Si元素丟失預防措施

經(jīng)以上實驗分析可知，高硅鋼復合板在熱軋過程中Si元素丟失主要發(fā)生在芯層，高溫下復合板的內(nèi)氧化是Si元素丟失的主要原因。因此，要防止Si元素丟失，必須減小復合板的內(nèi)氧化。內(nèi)氧化的原因主要是復合界面存在顯微縫隙，在高溫下顯微縫隙進一步擴大，熱O2進入，造成嚴重的氧化。因此，要預防復合板芯層被氧化，必須消除復合界面顯微縫隙。這可以通過優(yōu)化鍛造工藝，改善復合界面結(jié)合狀態(tài)，并促進覆層和芯層Si元素擴散來實現(xiàn)。另外，可通過在復合板外表面涂覆一層耐高溫隔絕材料(二聚磷酸三氫鋁)阻止高溫下O2的進入。通過對兩種措施的實驗對比發(fā)現(xiàn)：在復合板外表面涂覆隔絕材料(二聚磷酸三氫鋁)能夠有效防止Si元素丟失。

3 結(jié) 語

(1)熱軋過程中復合板存在Si元素丟失現(xiàn)象，主要以芯層Si元素丟失為主，Si元素丟失達到2wt%。

(2)熱軋復合板復合界面處結(jié)合不良，存在顯微縫隙，且靠近裂紋的地方存在氧化圓點，高溫時主要沿晶界和晶內(nèi)氧化。Si元素主要以Fe2SiO4、FeSiO3、Fe1.6SiO4和SiO2形式丟失。

(3)通過對Si元素丟失原因分析，提出預防Si元素丟失的措施：優(yōu)化鍛造工藝和在復合板外表面涂覆隔絕材料。實驗對比發(fā)現(xiàn)，在復合板外表面涂覆隔絕材料更有效。

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(責任編輯：席艷君)

Analysis of Si Element Loss in Hot Rolling Process of High Silicon Steel Composite Plate

YANG Xing-wen1， LI Qiang1, TU Qin2, YANG Ke-li1

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191；2.Patent Examination Cooperation Center of The Patent Office, SIPO, Henan, Zhengzhou 450000， China)

The cause of Si element loss by EDS, SEM and XRD in hot-rolled high silicon steel plate and preventive measures are determined, aiming at the loss of Si element in the process of preparing Fe-6.5wt% Si plate by cladding rolling process. The results show that Si element loss of high silicon steel composite plate mainly occures in the core layer and the content of Si element loss reaches 2wt%. SEM analysis shows that there are micro-cracks in the composite plate interface and the surface of the core layer is oxidized in the form of oxidized dots along the grain boundary and in grains at high temperature. The Si elements are lost in the form of Fe2SiO4, FeTiO3, Fe1.6SiO4, and SiO2by XRD. In order to prevent loss of Si element, the method of coating the insulating material on the outer surface of the composite plate is more effective.

high silicon steel composite plate； loss of Si； oxidation； SiO2； insulating material

2016-11-10

楊興文(1987-)，男，河南安陽人，碩士，主要研究方向為高硅鋼復合板制備。

1671-6906(2016)06-0063-05

TG142. 7

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.013