銅粒子單一抑制劑取向電工鋼的開發(fā)研究*

任慧平，毛衛(wèi)民,2，張慧敏，金自力，李一鳴，計(jì)云萍，吳忠旺

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭市 014010；2.北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京 100083)

1 取向電工鋼的基本技術(shù)路線和主要困境

作為重要軟磁工程材料的取向電工鋼追求極高的磁感和極低的鐵損等磁特性[1].通常采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%Si的成分設(shè)計(jì)，以便在保持鋼板基本磁感水平和塑性加工性能的前提下大幅度提高鋼板基體的電阻率、降低渦流損耗，以實(shí)現(xiàn)極低的基本鐵損值.同時(shí)，需要借助最終的二次再結(jié)晶過程獲得大量粗大的戈斯(Goss)晶粒，以借助鐵素體基體的磁晶各向異性在軋制方向上獲得極高的磁感值.為獲取粗大戈斯(Goss)晶粒，需要在取向電工鋼中引入大量彌散細(xì)小的稱為抑制劑的第二相粒子.在鋼板最終的高溫退火過程中，抑制劑粒子會抑制非Goss晶粒的生長，只允許Goss晶?？焖匍L大；該過程可稱為抑制劑粒子誘發(fā)的晶粒異常長大或二次再結(jié)晶過程.由此，取向電工鋼可同時(shí)獲得極高的磁感和極低的鐵損[1].

當(dāng)前，取向電工鋼所采用的抑制劑主要為MnS，AlN，Cu2S/CuS等化合物及Se，Sb，Sn等一些其它的輔助性抑制元素.化合物粒子是抑制劑的主體，Mn，Al，Cu，S，N等元素則稱為抑制劑形成元素.為促使抑制劑形成元素充分發(fā)揮抑制作用，在取向電工鋼的傳統(tǒng)生產(chǎn)流程中需要采用高于1 300 ℃、甚至高達(dá)1 400 ℃度的熱軋加熱溫度和較長時(shí)間的保溫，以促使抑制劑形成元素固溶于鋼的基體，為抑制劑粒子的后續(xù)彌散析出創(chuàng)造條件.鋼中的抑制劑粒子會對鋼板的磁性能造成很大傷害.因此，在二次再結(jié)晶退火過程中晶粒充分異常長大后，就需采取工藝措施，促使MnS，AlN，Cu2S/CuS等化合物抑制劑粒子在高達(dá)1 200 ℃的高溫下分解和固溶，隨后在罩式爐或隧道爐內(nèi)長達(dá)數(shù)天、幾十小時(shí)的長時(shí)間加熱過程中鋼中的S，N等有害元素被逐漸擴(kuò)散脫除，使鋼板基體凈化，進(jìn)而確保鋼板優(yōu)異的磁性能.

由此可見，取向電工鋼的生產(chǎn)是一個(gè)高耗能過程，尤其高溫長時(shí)間的熱軋加熱以及二次再結(jié)晶加熱都造成了巨大的生產(chǎn)損耗，并成為取向電工鋼高成本的主要原因.因此，降低取向電工鋼能耗的生產(chǎn)技術(shù)成為了人們長期以來努力研究和開發(fā)的課題.近些年來，采用多種化合物粒子復(fù)合抑制，以及后續(xù)滲氮等改進(jìn)技術(shù)可以大幅度降低熱軋加熱溫度，使其低于1 300 ℃，甚至低于1 200 ℃，降低了取向電工鋼生產(chǎn)的總能耗.二次再結(jié)晶之后高溫長時(shí)間凈化鋼板基體的加熱過程是更為耗能的過程.雖經(jīng)過長期多種嘗試，迄今為止仍未獲得實(shí)質(zhì)性改進(jìn).當(dāng)前，取向電工鋼的應(yīng)用從傳統(tǒng)的大型變壓器領(lǐng)域正快速地向更大用量的高性能電機(jī)領(lǐng)域拓展，突破取向電工鋼生產(chǎn)的高能耗瓶頸、開發(fā)進(jìn)一步節(jié)能降耗生產(chǎn)技術(shù)顯得尤為迫切.

2 降低取向電工鋼能耗的新嘗試

上世紀(jì)以來，人們已經(jīng)采取了多種成分設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)來降低熱軋加熱溫度[1].本世紀(jì)初，國外出現(xiàn)了以連續(xù)退火方式取代罩式爐或隧道爐作二次再結(jié)晶及之后高溫退火加熱的設(shè)想[2]，借以降低生產(chǎn)能耗.然而，如果仍采用原成分設(shè)計(jì)，則不可能縮短或取消高溫長時(shí)間凈化鋼板基體的高耗能加熱過程；因此只改變加熱設(shè)備而仍采用原工藝流程并不能真正降低能耗.過去幾十年內(nèi)出現(xiàn)了許多含銅取向電工鋼的成分設(shè)計(jì)，但往往仍包含了多種傳統(tǒng)抑制劑成分，因而仍無法避免高溫長時(shí)間凈化鋼板基體所需的加熱過程.采用薄板坯連鑄連軋的流程雖然可以避免傳統(tǒng)的熱軋加工、有利于降低成本，但仍不能擺脫最終高溫長時(shí)間的二次再結(jié)晶處理，且磁性能水平的提升也會受到限制[3].

取向電工鋼中銅與硫形成的Cu2S或CuS等化合物抑制劑顆?？梢栽谳^低的溫度下溶入鋼的基體，有利于降低熱軋加熱溫度.因此，在各種取向電工鋼專利技術(shù)的發(fā)展過程中，提高含銅量已經(jīng)成為重要的技術(shù)之一.在國內(nèi)的相關(guān)專利技術(shù)中取向電工鋼的銅含量可達(dá)1.2%或1.1%[4,5]，但仍保持采用MnS，AlN等抑制劑，或再以添加Mo用作CuS的輔助抑制劑.國內(nèi)還有把取向電工鋼銅含量提升至1.2%，同時(shí)少量MnS，CuS傳統(tǒng)抑制劑發(fā)揮輔助作用的專利技術(shù)[6].在含銅抑制劑方面，日本企業(yè)的相關(guān)研究更早，且具備多種成熟技術(shù).如日本的相關(guān)專利技術(shù)中使用了不超過1.0%Cu，但保持采用MnS，Cu2S/CuS或MnSe等抑制劑，并采用了Sn，Bi，Pb等輔助抑制元素[7,8]；或在使用不超過1.0%Cu的同時(shí)大幅度壓縮MnS，Cu2S等傳統(tǒng)抑制劑含量，并使用少量輔助元素[9].在提高銅含量方面，日本的專利達(dá)到了2.0%的銅，但采用了Bi為輔助抑制元素，且仍會有AlN抑制劑粒子存在[10].這些專利技術(shù)在改變抑制劑組成并使其多樣化的同時(shí)，仍或多或少地保留了傳統(tǒng)抑制劑，因而最終還需一定程度高溫凈化鋼板基體的加熱過程，以確保鋼板的磁性能.

3 銅粒子抑制劑取向電工鋼的設(shè)計(jì)理念

根據(jù)相圖熱力學(xué)可以獲知，Cu可以一定程度地固溶于鐵素體基體內(nèi)，且其固溶度隨溫度升降而劇烈變化.室溫時(shí)高純鐵素體對Cu的溶解度接近0，而850 ℃時(shí)最多可固溶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.2%Cu[11,12].研究顯示，含1.0～1.6%Cu的高純鐵經(jīng)840 ℃加熱并淬火的固溶處理后，在550 ℃ 1～3 h的時(shí)效過程中可析出大量尺寸為10～20 nm的銅粒子[13]，且這種析出行為在400～650 ℃的范圍內(nèi)都會出現(xiàn)[14,15]，如圖1所示.10～20 nm的大量銅粒子與取向電工鋼中MnS，AlN，Cu2S/CuS等化合物抑制劑粒子的尺寸相同；由此設(shè)想，可以嘗試只用銅析出粒子作為單一的抑制劑，來開發(fā)節(jié)能型取向電工鋼.銅粒子的固溶溫度低于1 000 ℃，排除了高溫?zé)彳埣訜岬谋匾?；二次再結(jié)晶后若對銅粒子再作固溶處理就可保持鋼板基體基本為單一鐵素體，進(jìn)而排除二次再結(jié)晶后長時(shí)間高溫加熱以脫除鋼中有害元素、凈化鋼板基體的必要性.由此可見，以銅析出粒子為單一抑制劑的設(shè)計(jì)理念有可能排除傳統(tǒng)取向電工鋼所有的長時(shí)間高溫加熱環(huán)節(jié)，為大幅度節(jié)能和降低成本提供了可能.

圖1 銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.03%的鐵銅合金840 ℃ 1 000 s固溶處理、550 ℃時(shí)效104 s后彌散析出的銅粒子

根據(jù)取向電工鋼的基本成分，圖2給出了利用FactSage軟件系統(tǒng)的Phase Diagram模塊計(jì)算的Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鐵硅和Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～5%的偽二元相圖，即以Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鐵硅為基體成分，添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu時(shí)的相圖.可以看到，Si的存在使鋼的奧氏體區(qū)消失，同時(shí)加熱到約1 000 ℃時(shí)鐵素體基體最多可以固溶質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的Cu.在Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～5%的范圍內(nèi)加熱無需超過1 000 ℃即可使作為抑制劑形成元素的Cu溶入基體，二次再結(jié)晶后在1 000 ℃以內(nèi)作固溶處理即可獲得單一鐵素體基體.這種設(shè)計(jì)理念確實(shí)可以排除傳統(tǒng)取向電工鋼生產(chǎn)中的各長時(shí)間高溫加熱環(huán)節(jié).

圖2 硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～5%的鐵硅銅

4 實(shí)驗(yàn)銅粒子抑制劑取向電工鋼的成分工藝與組織性能

根據(jù)上述理念，所制備實(shí)驗(yàn)鋼成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：C：0.05%～0.07%；Si：3.0%～3.2%；Cu：1.0%～1.2%；Mn：<0.02%；Al：<0.004%；N：<0.004%；S：<0.002%；其余<0.01%.這里盡可能排除了傳統(tǒng)取向電工鋼中Mn，Al，S，N等化合物抑制劑形成元素的設(shè)計(jì)，大體消除其可能的作用和影響.將實(shí)驗(yàn)鋼加熱到常規(guī)熱軋所采用的1 180 ℃，熱軋至2.2～2.3 mm厚.將熱軋板在900 ℃加熱0.5～1 h作固溶處理，隨后冷軋至0.3 mm厚.將冷軋板作常規(guī)脫碳處理后，先在500 ℃保溫4 h以上作時(shí)效處理，以促使大量細(xì)小的銅抑制劑粒子析出，然后再逐漸升高到1 000 ℃以上，以完成二次再結(jié)晶.圖3給出了實(shí)驗(yàn)鋼板的二次再結(jié)晶晶粒組織，可見鋼板實(shí)現(xiàn)了大范圍的二次再結(jié)晶，二次再結(jié)晶晶粒體積迄今已達(dá)到90%的水平；平均晶粒尺寸約7 mm，是鋼板厚度的20多倍，與傳統(tǒng)的取向電工鋼二次再結(jié)晶晶粒尺寸相近；檢測鐵損P1.7可達(dá)低于1.5 W/kg的水平.

圖3 實(shí)驗(yàn)銅粒子抑制劑取向電工鋼的二次再結(jié)晶晶粒組織

5 總結(jié)

為克服傳統(tǒng)取向電工鋼生產(chǎn)過程中熱軋加熱和二次再結(jié)晶退火等長時(shí)間高溫加熱的高耗能、高成本缺陷，采用了以銅析出粒子為單一抑制劑的取向電工鋼設(shè)計(jì)理念，明顯降低了熱軋加熱溫度，并避免了長時(shí)間高溫二次再結(jié)晶退火.初步試驗(yàn)顯示，鋼板大范圍地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的二次再結(jié)晶.試驗(yàn)取得突破和初步成功.然而，針對取向電工鋼的這一設(shè)計(jì)理念，還需要廣泛而深入地開展成分、工藝等方面的探索和調(diào)整，以最終獲得優(yōu)異的磁性能，并逐步與工業(yè)生產(chǎn)實(shí)線結(jié)合.