高矽鋼薄板的冷軋製備方法
2023-07-23 00:41:36
專利名稱：高矽鋼薄板的冷軋製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料製備技術領域，涉及一種含硼高矽鋼的冷軋製備方法。
背景技術：
矽鋼是使用量最大的一類軟磁合金，含矽量一般為1.5～3.5％(重量比，下同)。是電力和電訊工業用以製造發電機、電動機、變壓器、互感器、繼電器以及其它電器儀表的重要磁性材料。
高矽鋼一般指含矽量超過3.5％的矽鋼。隨著矽含量的增加，矽鋼的軟磁性能提高，表現在電阻率和磁導率的增加，矯頑力和磁晶各向異性能的降低。在6.5％矽含量時，矽鋼性能表現最優。1928年Schulze發現Fe-6.5％Si合金的磁滯伸縮常數(λs)接近於零。1942年Ruder指出，和Fe-3.5％Si合金相比，Fe-6.5％Si合金的磁晶各向異性常數KI和磁致伸縮常數λs更低，電阻率ρ更高，所以鐵損P更低。1964年Brown等證明Fe-6.5％Si單晶體比Fe-3.5％Si單晶體的P15/50低0.2W/kg，λs低90％，KI低1/3。因而與普通矽鋼相比，高矽鋼具有優異的磁性能，可以得到低的鐵損和小的磁致伸縮，對節約能源，降低噪音有著重要的作用。
但隨著Si含量的增加，鐵矽合金的加工性能變差，4.0％Si一般為矽鋼製品的上限。超過此範圍，合金中出現鐵矽的有序相，大大提高了材料的脆性，因而難於用傳統的軋制方法生產高矽鋼板。由於高矽鋼有嚴重的脆性，各發達國家相繼採用特殊的工藝製備該合金薄板。Y.Takada在Journal of Applied Physics，64(10)5367-5369，1988，Commercial scale production of Fe-6.5wt.％Si sheet and its magneticproperties中提到用CVD(Chemical Vapor Deposition)方法生產此合金。該工藝包括兩個步驟，第一步先將普通矽鋼軋到一定厚度，第二步對此鋼板進行化學氣象沉積，在表面沉積矽，然後進行擴散退火。該工藝雖然已基本成熟，但生產工藝複雜，生產周期長，生產成本高，且所用原料SiCl4對環境有汙染。G.E.Fish等在Journal of Applied Physics，64(10)5370，1988，Frequency dependence of core loss inrapidly quenched Fe-6.5wt.％Si中報導用快速凝固法製備該合金薄帶。其特點是直接由液態合金甩帶，避開其脆性區，直接得到薄而窄的合金薄帶。但所得薄帶尺寸受限制，因而不利於大規模生產和應用。T.Ros-Yanez等在Journal of MaterialsProcessing Technology，143-144916-921，2003，Production of high silicon steel forelectrical application by thermomechanical processing中報導，用傳統的熱軋冷軋方法製備該合金。但冷軋之前，須調整軋制方向，沿熱軋方向旋轉90°，即沿熱軋板的橫向進行冷軋，因而這種工藝也不適合大批量生產此合金。
發明內容
本發明的目的在於提供一種高矽鋼薄板的冷軋製備方法，對於含矽4～15％的高矽鋼，利用鍛造，熱軋，溫軋，冷軋法，結合相應的熱處理工藝，製備0.03～0.05mm薄帶。薄帶具有良好的板形，表面具有金屬光澤。該生產工藝具有普遍適用性，可以在傳統的軋機上進行，不需要對現有設備進行大的改造。同時冷軋方向與熱軋方向相同，因而熱軋板可以沿軋制方向繼續冷軋，保持了板帶材的連續性。
具體的工藝流程(參見圖1)為(1)原料準備以工業純鐵(工業純鐵DT0，鐵含量99.5％)、晶體矽(純度為99.9％)、硼鐵(含硼20.43％)為原料，按矽含量4～15％，硼含量100～5000ppm的比例進行配比混合；(2)冶煉用中頻真空感應爐熔煉原料純鐵、矽和硼鐵，1300～1530℃澆鑄；(3)鍛造採用空氣錘自由煅，在1250℃～750℃將鑄錠鍛造成厚度為10～20mm的板坯，鍛造不僅可以提供適宜於熱軋的原料形狀，而且可以破碎晶粒和夾雜物，提高材料的塑性；(4)熱軋1250～500℃熱軋到1～2mm，在此過程中材料發生較大變形，同時發生動態再結晶，晶粒細化；(5)熱軋板熱處理在700～1000℃保溫1～3小時後水或鹽水中冷卻。熱處理使材料發生回復和再結晶，消除加工硬化，並且快速冷卻降低了材料的有序度。
(6)溫軋在700～150℃溫軋，得到0.2～0.3mm的板材。在再結晶溫度以下軋制，獲得纖維狀軋制組織，增加材料塑性。
(7)溫軋板熱處理在700～1000℃保溫1～3小時後水或鹽水中冷卻。此熱處理在保護氣氛下進行，防止板材表面氧化，影響後續冷軋加工。此熱處理消除了加工硬化，快速冷卻降低了材料的有序度；(8)冷軋室溫下冷軋，第一道次壓下量為20～70％，第二道次壓下量為10～50％，之後反覆冷軋，直至厚度達到0.03～0.05mm。經過冷軋，得到極薄板材，並且板材板形整齊，表面質量好，具有金屬光澤。
本發明的溫軋板熱處理在保護氣氛中進行，採用氬氣或氮氣下進行。
本發明的冷軋第一道次壓下量為20～70％，第二道次壓下量為10～50％，之後反覆冷軋，直至厚度達到0.03～0.05mm。
本發明的優點在於本發明提出用傳統的軋制方法製備高矽鋼的技術。而由於該材料的室溫脆性，該傳統方法在之前被認為不可能製備出高矽鋼。因而利用此方法，可以利用傳統的鍛造機和軋鋼機製備該合金薄板，具有廣泛的適用性。並且所用原材料簡單，純度不高，具有成本低的優點。
高矽鋼中存在鐵矽的有序相，對材料的塑性影響很大，同時材料中所含非金屬雜質，如碳、氧、氮等對該材料的磁性能影響較大，因而從製備工藝的各個環節著手，一方面降低鐵矽有序相的含量，提高塑性，另一方面減少雜質含量，提高合金的磁性能。
冶煉時採取真空感應爐熔煉，可以降低雜質含量，提高合金塑性及磁性能。硼元素的加入，能夠細化鑄造組織晶粒，保證鍛造的順利進行。鍛造和熱軋過程，能夠提供較薄的板材，並且細化晶粒。溫軋過程是實現冷軋的關鍵步驟，在再結晶溫度以下的溫軋，能夠得到拉長的纖維組織，提高材料的塑性。冷軋時第一、第二道次採用較大的壓下量，使原子站位發生激烈重組，促進有序合金的無序化，同時利用大變形過程當中的變形熱，使材料溫度升高，冷軋能夠順利進行。而在此製備過程當中所採取的合適的熱處理制度，不僅能夠使材料發生回復再結晶，消除加工硬化，提高塑性，更能使合金從無序狀態急冷，降低合金的有序度，大大地提高了塑性。
本發明從原料控制、工藝路線著手研究，能夠節約成本，具有現實的推廣應用價值，具有其他製備方法無可比擬的優勢，同時由於此種高矽鋼具有優異的軟磁性能，因而具有廣闊的市場應用前景。
圖1為本發明的製備工藝流程圖。
圖2為本發明的溫軋0.3mm薄板。
圖3為本發明的冷軋0.05mm薄板，圖4為本發明的薄帶的彎曲實驗。
具體實施例方式
對於矽含量在4～15％，硼含量在100～5000ppm的高矽鋼，利用軋制的方法，製備薄板，具體的實施方案如下實施例1對於含矽4.5％，含硼200ppm的高矽鋼，用中頻真空感應爐熔煉原料，澆鑄溫度1530℃。鑄錠隨後進行自由鍛造，初鍛溫度1200℃，終鍛溫度900℃，鑄錠採取隨爐升溫的方式，以防止熱應力產生裂紋。
鍛造後板坯厚20mm，隨後進行熱軋，熱軋開軋溫度1200℃，終軋溫度700℃。板坯熱軋至1.5mm。所得熱軋板經過熱處理，熱處理溫度為900℃，保溫時間1h，水冷卻。
處理後的熱軋板酸洗之後，進行穩軋，開軋溫度500℃，終軋溫度150℃，壓下量為每道次30％，得到0.3mm溫軋板。
溫軋板經過900℃，1h保溫處理，水冷卻，表面經過處理後進行冷軋。冷軋第一道次40％，第二道次30％，隨後不斷減小輥縫，反覆冷軋至0.05mm。
實施例2對於含矽5.8％，含硼600ppm的高矽鋼，用中頻真空感應爐熔煉原料，澆鑄溫度1500℃。鑄錠隨後進行自由鍛造，始鍛溫度1200℃，終鍛溫度850℃，鑄錠採取隨爐升溫的方式，以防止熱應力產生裂紋。
鍛造後得到板坯厚20mm，隨後進行熱軋，熱軋開軋溫度1200℃，終軋溫度650℃，板坯熱軋至1.5mm。所得熱軋板經過熱處理，熱處理溫度為900℃，保溫時間2h，水冷卻。
處理後的熱軋板酸洗之後，進行溫軋。開軋溫度650℃，終軋溫度200℃溫度，壓下量為每道次25％，得到0.3mm溫軋板。
溫軋板經過850℃，1h保溫處理，水冷卻，表面經過處理後進行冷軋。冷軋第一道次35％，第二道次30％，隨後不斷減小輥縫，反覆冷軋至0.03mm。
實施例3對於含矽6.5％，含硼1000ppm的高矽鋼，用中頻真空感應爐熔煉原料，澆鑄溫度1480℃。鑄錠隨後進行自由鍛造，開鍛溫度1100℃，終鍛溫度850℃，鍛造的鑄錠採取隨爐升溫的方式，以防止熱應力產生裂紋。
鍛造後得到板坯厚20mm，隨後進行熱軋，熱軋開軋溫度1150℃，終軋溫度650℃。板坯熱軋至1mm。所得熱軋板經過熱處理，熱處理溫度為900℃，保溫時間2h，鹽水冷卻。
處理後的熱軋板酸洗之後，進行溫軋。開軋溫度650℃，終軋溫度250℃，壓下量為每道次25％，得到0.3mm溫軋板。溫軋板經過900℃，1h保溫處理，鹽水冷卻，表面經過處理後進行冷軋。
冷軋第一道次40％，第二道次30％，隨後不斷減小輥縫，反覆冷軋至0.03mm。
實施例4對於含矽7.5％，含硼2000ppm的高矽鋼，用中頻真空感應爐熔煉原料，澆鑄溫度1460℃。鑄錠隨後進行自由鍛造，開鍛溫度1100℃，終鍛溫度800℃。鑄錠採取隨爐升溫的方式，以防止熱應力產生裂紋。
鍛造後得到板坯厚15mm，隨後進行熱軋，熱軋開軋溫度1100℃，終軋溫度700℃，板坯熱軋至1mm。所得熱軋板經過熱處理，熱處理溫度為900℃，保溫時間3h，鹽水冷卻。
處理後的熱軋板酸洗之後，進行溫軋。開軋溫度700℃，終軋溫度300℃，壓下量為每道次25％，得到0.3mm溫軋板。溫軋板經過900℃，2h保溫處理，鹽水冷卻，表面經過處理後進行冷軋。
冷軋第一道次45％，第二道次30％，隨後不斷減小輥縫，反覆冷軋至0.05mm。
實施例5對於含矽12％，含硼4000ppm的高矽鋼，用中頻真空感應爐熔煉原料，澆鑄溫度1400℃。鑄錠隨後進行自由鍛造，開鍛溫度1050℃，終鍛溫度800℃，鍛造的鑄錠採取隨爐升溫的方式，以防止熱應力產生裂紋。
鍛造後得到板坯厚15mm，隨後進行熱軋，熱軋開軋溫度1000℃，終軋溫度700℃，板坯熱軋至1mm。所得熱軋板經過熱處理，熱處理溫度為900℃，保溫時間3h，鹽水冷卻。
處理後的熱軋板酸洗之後，進行溫軋。開軋溫度700℃，終軋溫度400℃，壓下量為每道次25％，得到0.3mm溫軋板。溫軋板經過900℃，2h保溫處理，鹽水冷卻，表面經過處理後進行冷軋。
冷軋第一道次50％，第二道次35％，隨後不斷減小輥縫，反覆冷軋至0.05mm。
權利要求
1.一種高矽鋼薄板的冷軋製備方法，薄板中Fe含量為85～96％，Si含量為4～15％，均為重量百分比；其工藝為(1)原料準備工業純鐵、晶體矽、硼鐵為原料，要得到的矽含量的範圍為4～15％，硼的含量為100～5000ppm，其餘為鐵；(2)冶煉用中頻真空感應爐熔煉原料純鐵、矽和硼鐵，1300～1530℃澆鑄；(3)鍛造在1250℃～750℃鍛造成厚度10～20mm的板坯；(4)熱軋1250～500℃熱軋到1～2mm；(5)熱軋板退火在700～1000℃保溫1～3小時後水或鹽水中冷卻；(6)溫軋在700～150℃溫軋，得到0.2～0.3mm的板材；(7)溫軋板熱處理在700～1000℃保溫1～3小時後水或鹽水中冷卻；(8)冷軋室溫下冷軋，得到厚度為0.03～0.05mm的高矽鋼板；
2.根據權利要求1所述的高矽鋼的製備方法，其特徵是，溫軋板熱處理在保護氣氛中進行，採用氬氣或氮氣下進行。
3.根據權利要求1所述的高矽鋼的製備方法，冷軋第一道次壓下量為20～70％，第二道次壓下量為10～50％，之後反覆冷軋，直至厚度達到0.03～0.05mm。
全文摘要
一種高矽鋼薄板的冷軋製備方法，屬於金屬材料製備技術領域。薄板中Fe含量為85－96％，Si含量為4－15％，均為重量比；其工藝為原料準備，矽含量的範圍為4－15％，硼的含量為100－5000ppm，其餘為鐵；冶煉，澆鑄；鍛造成厚度10－20mm的板坯；熱軋到1－2mm；熱軋板熱處理；溫軋得到0.2－0.3mm的板材；溫軋板熱處理；冷軋得到厚度為0.03－0.05mm的高矽鋼板。優點在於，利用冷軋方法製備該合金，而由於該材料的室溫脆性，該傳統方法在之前被認為不可能製備出高矽鋼。所製備出來的冷軋薄帶具有良好的板形，表面具有金屬光澤。該生產工藝具有普遍適用性，成本低；由於高矽鋼優異的軟磁性能，具有廣闊的市場應用前景。
文檔編號B21B1/22GK101049669SQ200710099130
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月14日 優先權日2007年5月14日
發明者林均品, 梁永鋒, 葉豐, 王豔麗, 陳國良, 張勇, 林志, 劉豔 申請人:北京科技大學