本科毕业论文-高牌号无取向电工钢组织研究

摘要高牌号无取向电工钢是一种用途十分广泛，性能优越的材料。本次试验主要通过金相观察和硬度测定来探讨在退火时间为五分钟时不同退火温度对高牌号无取向电工钢组织性能的影响。通过试验数据分析可以简单概述为，对冷轧高牌号无取向电工钢，晶粒直径随着退火温度的升高逐渐增大，长度方向平均晶粒尺寸从 700的40.3m 逐渐增大到 800的 43.6m 和 900的 47.8m；宽度方向晶粒尺寸从 700 的 41.2m 逐渐增大到 44.5m 和 900的 48.2m。对于热轧板，晶粒直径随着退火温度的升高逐渐增大，热轧板在长度方向的平均晶粒尺寸从 800的 42.8m 增长到了 46.1m；宽度方向平均晶粒尺寸从 800的 41.1m 增长到了 45.4m。对冷轧高牌号无取向电工钢，试样的硬度在不同温度下退火硬度变化不明显，平均硬度值在130140HV。对热轧板，试样的硬度随着退火温度的升高而降低，常温下硬度最大为169.0HV，当退火温度从 700逐步升至 900时，热轧板的硬度从 159.7HV 下降至800的 138.7HV 再到 900下 136.7HV。关键词： 无取向电工钢；组织；高牌号AbstractThe nonoriented electrical steel with high grade is a kind of material with fine performance used in many fields. This experiment mainly through observation and hardness measure to explore different annealing process of nonoriented electrical steels microstructure and properties. By analyzing test data can be simply summarized as cold-rolled high grade non-oriented electrical steel, grain size as the annealing temperature increases, the average grain size in the longitudinal direction from 40.3m at 700 gradually increased to 43.6m at 800 and 900 of 47.8m; width direction of the average grain size is 41.2m at 700 and gradually increased to 48.2m at 800,the 44.5m at 900. For hot-rolled sheet, the grain size as the annealing temperature increases, hot-rolled sheet in the longitudinal direction of the average grain size is 42.8m and increased to 46.1m at 800; width direction of the average grain size from the 41.1m increased to 45.4m when the temperature from the 800 increased to 900. Cold-rolled high grade non-oriented electrical steel, hardness of the sample in a short time annealing process hardness did not change significantly, the average value of hardness in the range of 130 140HV.To hot rolled plate, hardness of the sample with the annealing temperature decreased, the hardness is 169.0HV under the normal temperature, when the annealing temperature is gradually raised from 700 to 900, the hardness of the hot-rolled sheet fell to 159.7HV and then to 900 under 136.7HV.Key words： The non-oriented electrical steel;micro-structure;high grade目录引言1第一章文献综述21.1 高牌号无取向电工钢概述21.1.1 高牌号无取向电工钢简介21.1.2 高牌号无取向电工钢分类21.1.3 高牌号无取向电工钢性能31.1.4 高牌号无取向电工钢的应用41.1.5 高牌号无取向电工钢发展历史51.2 退火工艺对高牌号无取向电工钢组织的影响71.3 本章小结9第二章 研究目的及实验方法112.1. 研究目的112.2. 实验方法112.2.1 实验原料112.2.2 试样制作132.2.3 退火实验152.2.4 硬度测定15第三章 试验结果和分析163.1 显微组织观察163.2 硬度分析223.3 结论23参考文献25谢辞27附录28引言随着科技的不断发展，尤其是大型电机和变压器对磁电转换的性能要求不断提高，工业上高牌号无取向电工钢的需求越来越大，高牌号无取向电工钢具有优良的磁电转换能力，是重要的功能材料。由于其铁损低、磁导率高、磁致伸缩性小、加工性好等众多优良特性,成为大型电机在电磁转换过程中铁芯重要的组成部分。高牌号无取向电工钢在制备过程中, 硅铝总量约为百分之二到百分之五，钢的综合性能好，冶金工艺相比普通钢材更为复杂，对制造装备和控制工艺也有很高的要求，以前一度是少数国外企业垄断的高工艺难度产品。上世纪七十年代末，从武钢开始生产冷轧电工钢起，我国才通过近几十年的不懈努力，逐渐开始生产处和世界先进水平差距不大的高规格电工钢。目前，国内许多大型工程中适用的大型电机和变压器的铁芯材料都是由国内钢铁企业自主研发生产的，这点难能可贵。由于电力行业的发展欣欣向荣，高牌号无取向电工钢的研究生产也迅猛发展。得益于家用电器中变频技术的广泛应用、政府对新能源汽车产业的大力支持以及目前全社会对节能减排的迫切需要，高牌号无取向电工钢的需求将会大幅上升。因此，大力研发无取向电工钢特别是在高牌号品种方面是我国目前在各种电机用磁性材料领域的重要研究课题之一。这样我们才能摆脱对国外高性能电工钢的进口依赖，打破技术垄断，实现自主创新。为了研究高牌号无取向电工钢的性能特性，本文从影响高牌号无取向电工钢的组织形貌因素入手，从退火工艺方面探究了高牌号无取向电工钢的综合性能。致力于研制出更高水平、更高品质的高牌号无取向电工钢。31内蒙古工业大学本科毕业论文第一章文献综述1.1 高牌号无取向电工钢概述1.1.1 高牌号无取向电工钢简介电能的生产、传输和使用过程都离不开发电机、输电变压器、电动机以及各种整流器、稳压器、继电器等电气设备和电气元件，以便借助电磁学原理实现机械能和电能的转换。电磁铁芯作为不可或缺的组成部分，制作铁芯的电工钢因而与电力、电气工业密切相关 1。与多数普通钢铁产品相比，电工钢是一种技术含量较高的产品。虽然两者在生产流程上大体一致，但性能需求上不同。电工钢主要利用自身的软磁功能功能材料，因而在成分设计、微观的组织结构演变和原理、加工工艺控制上也有着明显的不同。电工钢内部的晶粒取向和织构对其软磁性能的提高具有极其重要的影响。然而取向和织构的概念十分的抽象，人们往往对织构形成和转换的原理不是很了解。所以，如果对织构原理和现代分析方法缺少必要的了解和掌握，那么电工钢领域的继续突破就很难取得。目前电工钢的生产取得了长足的发展，2012 年我国国内生产冷轧电工钢约 642 万吨，占世界总产量的一半还多，是电工钢生产的第一大国。但是关于电工钢的研究依然存在不少世界性的难题，因此在产品质量的稳定控制和新技术的发展仍然存在不少障碍。另一方面，因为高技术含量的电工钢生产技术的敏感性以及利益驱动，在电工钢行业存在很强的各种形式的技术壁垒，使得电工钢技术的发展和创新难以流畅的实施2。2013 年，中国的高牌号无取向电工钢产量较同期 2012 年，同比增长 35.13。我国有如下企业：武钢，宝钢，太钢，鞍钢，首钢迁安钢铁和马钢具有生产电工钢的能力，高牌号无取向电工钢产能：武钢每年 209900 吨，宝钢每年 164000 吨，太钢每年 175000 吨，鞍钢每年 20400 吨，首钢迁钢每年 73000 吨，马钢每年 500 吨，高牌号无取向电工钢占全国冷轧无取向硅钢的产量已经有一席之地2。1.1.2 高牌号无取向电工钢分类电工钢根据轧制工艺主要可以氛围热轧硅钢板和冷轧电工钢板。除此之外冷轧无取向电工钢它又能够分两个类型。即低碳电工钢和硅钢。低碳电工钢就是指硅含量在0.5%及以下的电工钢，厚度在 0.50mm 和 0.65mm 之间。硅钢主要是指硅含量在 0.5%到 3.2%的电工钢，厚度在 0.35mm 和 0.50mm 之间3。应用功能具有多样性的高牌号无取向电工钢，在国民经济的各个领域中发挥着很重要的作用。根据国家标准和各企业标准、技术协议从技术规格上有如下分类如下4：常规 0. 35 mm 系列:主要包括 35W440、35W400、35W360、35W330、35 W270、35 W250 、35W230、35W210、35W200 等。常规 0. 50 mm 系列:主要包括 50W400、50W350、50W330、50 W310、50W290、50 W270 、50W250、50W230、50W210 等。1.1.3 高牌号无取向电工钢性能与多数钢铁成品相比，电工钢是一种技术难度较高的产品。虽然两者在生产流程上大体一致，但性能需求上不同。电工钢自身的软磁功能决定了它是很用途广泛的功能材料，故在成分设计、微观的组织以及结构演变和原理、加工工艺控制上也会有明显不同。电工钢软磁性能的提高主要受内部晶粒取向以及织构的形状的影响。通常情况下需要电机，变压器等电器元件表现为高效率和低功耗，同时兼顾轻重量和较小的体积。铁芯损耗以及磁感应强度是高牌号无取向电工钢磁性能的保障。因此对高牌号无取向电工钢薄板的性能也会有特殊的要求5：1） 铁芯损耗低。在交变磁场下会因铁芯磁化而消耗额外的电能，这部分电流不仅会使铁芯自身发热，同时还会引起整个电机工作温度的上升，情况严重时更会损坏电机。铁损通常由三类组成，分别是反常损耗、涡流损耗以及磁滞损耗6。低铁损的电工钢不仅节省大量的能源，同时保证了电机和变压器的工作寿命。2） 磁感应强度高。在铁芯的截面积所通过的磁场线数越多，则材料的磁感应强度越高。磁感应强度高最大的优点就是使铁芯空载电流降低，这样就会有效的降低铁损。除了可以节约电能外，高的磁感应强度意味着通过相同的磁感线数所需的截面积更小。根据这一结果，我们就可以减小铁芯的体积和重量，进而节省了高牌号无取向电工钢成品的用量、输电线用量、绝缘材料的用量以及功能建筑材料的用量7。3） 对磁各向异性的要求。由于电机工作是转子无时无刻不在运动，因此电工钢的磁各向性也需要满足垂直方向和水平方向的铁损差值必须小于 8，磁感差值应小于 108。4） 在有人操作的时候都会使电工钢板的冲击裁剪工作量迅速增加，因此具有优秀的冲片性对电工钢板而言是相当的重要，同理这一因素对微、小型电机也格外的重要。电工钢具有优良的冲片性既能延长冲模的寿命又可以保证剪刀寿命，从而确保精准的冲剪片尺寸，还可以有效控制边缘毛刺的数量。根据生产经验总结，冲头和冲模较为合适的间距为钢板厚度的百分之五左右8。5） 钢板质地均匀。电工钢薄片成品的叠片系数根据实验测定每下降百分之一， 等价于铁损变相提高了百分之二，电工钢成品对应的磁感就降低了百分之一，并且可以显著降低激磁电流。电工钢的叠片系数与钢板自身密切相关，因此要求电工钢板成品要有整齐光滑的表面以及较均匀的厚度9。6） 薄膜性能好。涡流损耗主要是因为铁芯叠片之间叠加而使电路短路产生的， 为了防止短路现象的发生，降低涡流损耗。我们常用的做法使在高牌号无取向冷轧电工钢板成品的表面均匀涂抹混有机绝缘材料的薄膜层，其成分主要是由无机盐或者是无机盐混合有机盐构成。7） 磁时效现象小。磁性材料的磁性随着时间的推移会一直发生变化的现象，我们就称为磁时效。这种现象的发生主要是因为铁磁材料当中不可避免的会含有 C 和N 等杂质元素，就是因为这些杂质元素的存在才引起了磁时效。根据实验测定，当 C 和 N 在电工钢板成品中的含量小于 0.0035时，材料的磁时效显著的下降10。1.1.4 高牌号无取向电工钢的应用在大型发电机和大型交流发电机中，高牌号无取向电工钢都是制造过程中极重要的材料，作为发电机中的定子冲片。因为其具有优秀的磁各项异性的特点，从而可以满足大型电机的复杂设计和对磁路混合无规律分布的要求6。中国地大物博可以开展多种形式的发电模式。依据这一特点我国的能源战略发展呈多元趋势,风力、火力、水力、核电发电机组的发展建设在进入新世纪后就取得了长足的增长。中国依照哥本哈根协议制订了一份截止到 2020年的节能减排目标。在这一目标的第二项中就明确提出了要大力发展可再生能源和核能。因此，未来清洁能源的发展是我国能源节能减排的重中之重7。可预见的是，在未来风力发电、水力发电等清洁能源的发展将会处于高速增长阶段。这时就不得不提到高牌号无取向电工钢了。工业项目的发展直接决定了大型交直流发电机的发展潜力。目前随着国家加快对规模小、产能低能源产业的淘汰，另外也伴随着大型工业集团越来越壮大，大型电机的发展迎来了广阔的前景，市场空间大幅提升，高牌号无取向电工钢的需求量也越来越大1。伴随着科技和制造业的发展,传统的小型变压器和电抗器以及组成高频下电器元件的环形铁芯。从经济节约的角度考虑，它们已经不能适应当今社会的发展。目前中大型电机的广泛使用成为趋势。而在电力行业中个元器件中不可或缺的材料就是无取 向电工钢。尤其是高牌号无取向电工钢产品，正广泛的在各行各业中使用，并占据极 重要的地位。从2009年开始，我国3G手机已经推广上市，随之而来的就是相应的3G 手机相关制式的标准推行。这一标准的推行无疑会对整个电讯行业带来一个新增长点。目前4G网络的大力发展也同样提供了一个极佳的契机。根据相关数据显示，伴随着 新的网络制式的推广，我国的通信产业对高牌号无取向电工钢的需求量将会增加30% 以上。超临界转速电机的发展以及各种精密仪器、微型电机和高效节能机在各工业行 业中的广泛使用将会给高牌号无取向电工钢产品带来巨大的市场需求7。1.1.5 高牌号无取向电工钢发展历史1.1.5.1 热轧电工钢需要我们了解的是铁的磁导率要远远大于空气的磁导率，大概是空气磁导率的几 千倍还高，当电工钢材料制作的铁芯磁化时磁通密度会明显提高，这时候因为磁通密 度的提高就会产生更强的磁场，这个磁场强度要远远强于外加磁场。纵观整个电工钢 发展史，铁芯软磁材料最先使用的是普通热轧低碳钢成品。在 1886 年，国外已经有一家电气公司创造性的世界首创的使用热轧低碳钢板成品来制作变压器等大型电机 的铁芯，值得一提的是该公司生产的热轧低碳钢板成品的杂质含量小于百分之零点四， 这在当时是惊人的，到了 1890 年的时候 0.35mm 厚的热轧薄板成品已经是被大批量、 大范围的生产。主要用来制造合生产加工中大型电机以及变压器的铁芯。受制于当时 的加工工艺，那时候生产出得低碳钢的电阻率合现在的产品相比较低，而且铁芯损耗 还更加大。C 和 N 的含量更是非常之高，因此显而易见的是磁时效比较严重。在 1882 年，钢铁行业的专家开始研究电工钢以及硅钢，经过艰苦奋斗的数年研究，确切说是 17 年后，名叫哈德菲尔的钢铁研究学者发表了一篇引起轰动的论文：关于 4.4%Si-Fe 合金的磁性研究结果8。随后美国的钢铁生产企业在 1903 年花重金购买了哈德菲 尔特的专利使用权，此后美国具有了相关技术，热轧硅钢板开始逐渐被生产出来了。 2 年后美帝的钢铁公司就可以大批量、大规模的生产。这无疑是一次产品的更新迭代。之后在很短的时间内，普通热轧低碳钢板就迅速在短时间内被淘汰，而新的热轧硅钢 成为制造大型电机合变压其的新宠儿。这是由于其优良的铁损值决定的，相比于普通 低碳钢，它的铁损值低一半甚至更多，这也是无法拒绝它的理由12。从此以后，冷轧 的无取向电工钢就开始逐渐取代热轧硅钢在市场中的份额。1.1.5.2 冷轧电工钢在上一阶段的基础上，这一时期主要的主要发展阶段是普通冷轧取向硅钢板的发 展。美国的钢铁研究专家高斯有限公司从 1930 年开始就进行大量的实验，与此同时也采用了冷轧和退火兼顾的方法，成功摸索出电工钢晶粒的最容易磁化方向为， 并且这一方向实际上是平行于轧制的方向的。于是排列的取向硅钢带卷就这样通过此 工艺的制造生产出来。1933 年该公司又采用连续二次冷轧的方法并使用退火工艺， 再次成功的制造生产出硅含量为百分之三，且沿轧制方向电工钢具有较高的磁性，短 短一年之后，高斯在大量的实验总结合成品性能测试之后，将研究结果申请专利并且 公开发表。Armco 钢铁有限公司 1935 年出资购买了此项技术，之后利用这项技术又 和 Westinghouse 电气公司进行了电工钢产品的合作生产。不止于现在的 Armco 钢公 司为了提高产品质量品质，又创新性的采用快速分析微量碳技术并且不断的改善制造 的工艺和流程，也包括制造的设备。经过长期探索，1958 年的时候 Armco 掌握了板坯高温加热和 MnS 抑制剂技术。这两个前工序制造工艺的成熟，取向硅钢的制造技术暂时得到了基本的完善，电工钢制造生产的产业开始成熟。除此之外产品的磁性得 到了显著的提高并且更加稳定了。在此之后，英国、德国等国家也陆陆续续逐步的停 止了热轧电工钢成品的生产，这一时期差不多是在 19631967 年之间，从 1967 年之后冷轧无取向电工钢和冷轧取向硅钢板也逐渐替代了热轧硅钢板1。1.1.5.3 高磁感取向电工钢日本新日铁公司在 1961 年的时候，率先研制出了可以生产较高磁感的取向电工钢的 AlN+MnS 这类具有强大功能的抑制剂，事实上新日铁的此项技术即使是在当时Armco 专利基础上进行了更深层次的探索而改进的。到 1964 年的时候新日铁又开始生产了新的明星产品并命名为 Hi-B，但是现实工业使用过程中产品的磁性并不稳定。后来经过长达 15 年坚持不懈的试验和改良，Hi-B 钢在成熟的技术工艺支持下终于能构保持稳定的磁性了，并且 Z8H 牌号的硅钢上世纪六十年代中期的时候就开始了正式的生产。新日铁和川崎公司在上世纪七十年代末，采用了更新的技术，具体就是： 提高电工钢中硅含量的比重、磁畴细化技术和大幅降低电工钢产品厚度，从而开始不断的生产出了新牌号的硅钢，产品种类也可以分为 0.30mm、0.27mm、0.23mm 甚至更薄的，厚度为 0.18mm 的高磁感取向电工钢11。1.1.5.4 中国电工钢的发展阶段作为一种重要的软磁材料，高牌号无取向电工钢因其众多优良的特性,奠定了其在电磁转换过程中铁芯制造领域的主要材料这一基础。在制造过程中，电工钢一般含有硅和铝等金属和半金属成分，通常情况下硅和铝的含量占总量的2.0% 4.5%。此外，由于电工钢相比于普通钢材杂志含量明显低很多，此外，电工钢的制造流程长并且对冶金过程中的机械设备有有着较高的要求，包括对整个制作生产电工钢过程中的电力电气控制技术的广泛使用。所以纵观国内外钢铁公司关于此类产品的生产情况， 其一度成为少数企业一家独大的产品1。1979年，武汉钢铁有限公司第一批冷轧电工钢产品走出生产线，面向市场从此我国开始出现了第一批生产企业，武钢也因此在电工钢产品、规格和产品研发等领域一直处于国内领先地位。目前，武钢生产的各种功能型号的高牌号无取向电工钢产品广泛的用于大型交直流电机中，太钢也在97年开始进入无取向电工钢的生产领域，其公司生产的高牌号产品性能优异，产品质量信得过， 目前在涂层冷轧板领域的研发也取得长足进步，其丰富的产品线也为用户提供了各家多样的而选择。宝钢是国内第三家可以生产无取向电工钢产品的企业，虽然起步较晚， 但发展很快，目前已经可以生产全系列的冷轧无取向电工钢产品，无论国际还是国内技术上都有一定优势。宝山钢铁公司目前已有一条年产量80万吨的无取向电工钢生产线，其高性能硅钢生产线还在建设中，根本目的目的是立足自主开发，打造全系列的冷轧电工钢品种。以上4家钢企是国内真正能独立生产无取向电工钢的企业。随着无取向电工钢需求的不断增加，尤其是对高牌号产品的迫切需要，可以预见的是在未来会有更多的钢企加入无取向电工钢的生产领域，产能也会逐步提高。1.2 退火工艺对高牌号无取向电工钢组织的影响此实验主要是讨论退火时间和退火温度这两个因素对50W600电工钢的组织影响。高牌号无取向电工钢的成品的组织与电磁性能、织构等密切相关，其强度以及显微组 织表面的织构分布对电工钢的磁性能有着极为显著的影响。如果我们可以具体控制织 构的强度，使得在某一方向的织构处于优势地位，这样就可以提高电工钢的磁性能。所以这也是目前新产品开发的主要研究方向以及各大钢企在实际生产追求的首要目标。所以关于织构形成及其演变规律相关课题的研究也因此成为热点科研项目。以现 场生产的50W600电钢产品用来实验分析。使用金相显微镜（ZEISS-200MAT）对成 品组织分析，使用带有电子背散射衍射(EBSD)系统的电子显微镜（ZEISSSUPRA55VP） 进行织构观察，研究在不同退火时间和退火温度条件下冷轧无取向电工钢的显微组织 形貌，进而总结织构的变化规律，从而为无取向电工钢的技术研发和现实工厂生产提 供必要的理论参考12。在975下进行退火，退火时间分别为3min、5min、7min。可以通过实验看出，退火后显微镜下电工钢均为多边形铁素体组织。当退火时间不一样时，晶粒差别也比较大，即随着退火时间的长度增加，退火冷轧板的平均晶粒尺寸也会增大，并且晶粒均匀化程度明显提高。退火后冷轧板组织发生了再结晶，且完成度很高，由于取向不同的晶粒储能也不径相同的，因而晶粒长大顺序也不同。由于100上的晶粒最易滑移，具有最低的位错密度和最低储能，所以最难发生再结晶过程，并且111晶粒相比100晶粒具有更高的储存能，所以111晶粒会优先形核和长大过程，因此冷轧板织构中111纤维织构最强，含量也最为密集13。111 织构则是非有利织构，研究发现对于有利织构，增加其强度可以有效降低磁损。伴随着退火时间的延长，100与110织构含量逐步降低，与此对应的磁感应强度相应也会降低了8。根据上述可以从磁感的角度得出这一结论：高温短时退火工艺有利于增加100与110织构含量，从而提高了产品磁感应强度，故单从磁感角度来讲9753min工艺是最佳的。随退火时间的延长，晶粒明显更加均匀，尺寸也在合理范围内。很明显随着晶粒尺寸的增大，晶界数量势必会减少，磁滞损耗降低。电工钢组织的平均晶粒尺寸将会随着退火时间的延长而增大，而随着晶粒尺寸增加其对应的铁损则会减小，这就证明成品的晶粒尺寸没有超过临界晶粒尺寸。因此 从铁损来讲，975 7min工 艺比其他两种工艺要更加合理。在退火温度为975的条件下，退火时间由3min增加至7min，磁感仅仅降低了0.01 T，而铁损降低略多为0.29W/kg14。进一步的将会继续探究二次退火对高牌号无取向电工钢的性能与组织的影响。将重卷的成品与二次退火后的产品 分别取样在电子显微镜下观察，对样品分别取样即： 第二次退火后的样品和35W800重卷的成品，分别以一次退火温度为900的35W600 重卷成品并和第二次退火后成品的显微组织在蔡司电镜下拍照。经分析发现，试样经过重卷退火之后再经过二次退火晶粒尺寸会略有长大。而根据制造铁芯的常规基础要求，纵横方向上的磁性能差异值必须要小于百分之八，同时也要求磁感差值必须要小于百分之十。虽然不经过第二次退火，样品纵横向磁性能差异值也可以满足制作电机铁心的要求，但铁损纵横向磁性能差异却未能达标。经过第二次退火的数据得出这样一个结论，早纵横方向的磁性能差异值都在减小,当温度达到780以上的温度时，铁损的纵横向磁性能差异值终于满足小于百分之八这一要求15。一次退火时的温度为900。对照第二次退火试验后的发现：晶粒虽然有所长大，但是并未发生再结晶。这是由于晶粒的长大是完全再结晶晶粒组织的继续长大。再结晶完成后，晶界会发生继续迁移，但迁移速率较慢。晶界迁移引起晶粒间互相吞食合并，晶粒因此长大。但是总体积不变，因此晶粒尺度增大将会致使晶粒数目减少，总的界面积相应的就减少。减少的晶界能是继续长大的驱动力。在这种常规的晶粒长大过程中，晶界迁移速率没有太大差异，晶粒尺寸也始终是均匀的。本次实验磁性能总体变化不大正式这种均匀的变化所导致的。此外，因为再结晶组织的晶粒继续长大，所以铁损中的磁滞损耗也随之有所降低。需要注意的是磁感另外也与织构和化学组成等密切相关，所以降低并不明显。可是磁感由于与化学成分和织构等关系十分密切， 所以磁感升高 也变化不大。此外由于晶粒之间取向差不大，晶界界面能比较低。由于晶粒长大的驱动力是界面能，所以存在织构时，织构会阻碍晶粒长大，形成织构抑制16。至于 0.35mm 这类薄板材硅钢，当很多晶粒持续长大直至其尺寸横跨板材厚度时， 长大晶粒两面将会暴露于表面，所以这些晶粒就会变成二维长大的长大方式。二维长 大时，一方面由于晶界是圆柱弯曲而不同于三维长大时的球状弯曲，从而长大时的驱 动力就明显降低了；另一方面曝露在表面的晶界实际上就是表面蚀沟因晶界张力与表 面张力平衡而产生的，这些蚀沟很明显总是和晶界瞬时的位置相连，故它会随晶界移 动而移动，结果就是会产生“柯氏气团”对晶界产生钉扎作用，进而阻碍晶粒长大14。 本次试验磁性能总体变化不大的另外的原因还有就是织构抑制和厚度也会抑制晶粒 长大。二次退火过程本质上就是晶界变化的过程。由于晶界数量的减少，晶粒尺寸就 会变大，从而导致铁损降低，而晶界的减少，晶粒的各方向性质这一特性也因此发出 生变化，通过仪器测定的数值显示横向和纵向的磁性能差异会降低。宏观上看这种效 果是逐渐累积的，即随温度的升高磁各方向不同的性质的这一特性降低，表现的不再 明显。伴随二次着退火温度的升高，无取向电工钢成品的磁性能将会得到优化，需要注意的是总体幅度并不大。第二次退火过程本质上是样品经完全再结晶的组织晶粒继续长大的过程，跟随着工艺温度升高，晶界会继续迁移，引起晶粒之间相互合并，晶粒长大。晶界的迁移速率则是大致相同，而晶粒的尺寸从始至终是均匀的。所以可以这样说晶界变化的过程就是第二次退火的本质。晶界减少，晶粒反而长大，进而导致铁损降低，反之晶界的减少，晶粒各向异性也会产生一些变化，具体表现为横向和纵向的磁性能差异降低。总体来看这样的结果是持续累积的，即随温度的升高成品样品的磁各向异性降低。高牌号35W800冷轧钢经820条件下进行的第二次退火，产品的磁性能是足够满足用户使用要求的15。1.3 本章小结上面主要介绍了无取向电工钢的分类、性能要求、生产现状及发展趋势，重点概述了退火工艺对无取向电工钢组织形貌及性能的影响，主要结果如下：当二次退火温度升高时，电工钢的性能也会发生变化。比如，材料的磁性能得到 优化，虽然优化的并不明显。二次退火过程的本质实际上就是完全再结晶组织的晶粒 继续长大的过程。当退火温度升高，晶界移动速率增大，晶粒中的钉扎现象也不再明 显，从而会发生迁移，进而各晶粒间会发生相互吞食实现晶粒长大。由于晶界迁移速 度大致保持不变，因此晶粒尺寸在迁移过程中从头到尾都是均匀的。故我们可以总结 二次退火的本质就是晶界的变化。正式由于晶界迁移过程中的不断减少，促使晶粒间 相互吞食合并长大，从而可以降低铁损。也得益于晶界的减少，晶粒的各方向上的性 能差异也发生了变化，宏观表现上具体是横向的此性能差异降低和垂直方向上也降低。从总体来看，却是层层累积的，所以这种累积会导致电工钢的磁各向异性降低。常化过程于二次退火过程不同，它实际上是热轧板在达到再结晶温度后发生再结晶以及后续晶粒长大的过程。再结晶可以是使组织均匀化，但是去不能改变厚度方向上的组织均匀程度，所以难免会存在织构梯度。再结晶初期会发生形核过程，形核地点经试验测定主要发生在s = 0. 5层中的116110具有较大形变储存能的晶粒上面，而再结晶的新晶粒织构依然存在。第二章 研究目的及实验方法2.1. 研究目的研究在固定退火时间（5min），退火温度对无取向电工钢 50W800 成品组织的影响规律，进而探索适合 50W800 型号电工钢的最佳退火工艺。2.2. 实验方法以新余钢铁公司生产的无取向电工钢 50W800 冷轧板和 50W800 热轧板为基本原料，在马弗炉内进行退火热处理实验，然后对试样进行磨样、抛光、腐蚀，采用光学显微镜对不同热处理工艺下的显微组织进行分析并通过HVS-30Z/LCD 维氏硬度计测量试样硬度研究其性能变化。2.2.1 实验原料无取向电工钢 50W800 冷轧板生产流程：铁水铁水处理转炉RH（真空炉）连铸机（坯子）加热炉粗轧精轧卷取酸洗冷轧退火炉涂层。1） 铁水：铁单质液态，铁水如图 2-1。2） 铁水处理：主要目的是脱硫（S），在其中加入镁（Mg）或石灰（CaO）或两种都加。硫的百分数大约在 0.0020%左右。3） 转炉：主要目的是脱碳（C），吹入氧气（O2），转炉后铁水变为钢水。转炉如图 2-2。4） RH（真空炉）：主要作用 1.除去氮(N)、氢(H)，N20ppm、H1.5ppm。2.加入合金，如硅（Si）、锰（Mn）、铝（Al）。如图 2-3。5） 连铸机（坯子）：主要是把钢水浇铸成坯子（厚度为 220mm、温度大约 900） 如图 2-4。6） 加热炉：把铸坯的加热到 11501180，时间为 2.5 小时。如图 2-5。7） 粗轧：把铸坯从 220 mm 轧到 4245mm，需要 35 道次。如图 2-6。8） 精轧：把坯子从 4245 mm 经过 7 个机架轧到 2.5 mm。如图 2-7。9） 卷取：是把 2.5mm 厚的坯子（680720）卷取成卷筒状，便于交易运输。如图2-8。10） 酸洗：把热轧卷开卷后用酸液除去表面氧化物等杂质。11） 冷轧：把酸洗后的钢卷从 2.5mm 经过若干道次冷轧到 0.5mm。如图 2-9。12） 退火炉（200300m）：降低硬度，改善组织。如图 2-10。13） 涂层：钢板表面涂上有机物，如图 2-11。图 2-1铁水图 2-2转炉现场图 2-3真空炉图 2-4连铸机图 2-5经过加热炉后图 2-6粗轧工序图 2-7精轧工序图 2-8卷取后形貌图 2-9冷轧工艺图 2-10退火炉2.2.2 试样制作图 2-11经过涂层后的 50W800 冷轧板将高牌号无取向电工钢 50W800 冷轧板（厚度：0.5mm）利用电火花数控线切割机床进行线切割，切成 2015mm 的小块，共 5 片。另外对同型号的热轧硅钢片（厚度：2mm）也进行同样的线切割，切成 2015mm 的小块 5 片。所以累计 10 块。将这 10 块分为 5 组（每组 2 个），一组备用，常温下一组，另外三组在马弗炉内分别经 700、800、900退火五分钟。用维氏硬度计测量备用组硬度值，然后将其余的薄片镶嵌成试样。使用不同型号的水砂纸进行磨样，打磨时要注意，因为砂纸的标号越高砂纸颗粒越细小。所以磨样时应当按照标号从小到大的砂纸依次磨样，分别是320#、600#、800#、1200#4 种。打磨时应注意更换砂纸时要将试样打磨方向旋转九十度，以便上一道划痕被清除。当打磨完毕之后，还需要抛光机上进行抛光处理。电工钢性质较软，故在加入抛光剂粗抛之后，还需要在精抛布上进一步处理。当在光学显微镜下看到试样表面光滑，划痕基本没有时就可以进行腐蚀的操作了。抛光达标以后使用 4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀，然后使用无水乙醇进行擦拭，紧接着使用吹风机烘干。最后就是金相观察和拍照，使用普通倒置式金相显微镜观察腐蚀处理后的试样，如果可以看到清晰的组织，而且没有划痕和黑点就可以照相了。如果腐蚀不当则需要重新抛光腐蚀。实验中所用到的相关仪器设备。无取向电工钢热轧板和冷轧板试样，如图 2-12。马弗炉，如图 2-13。抛光机，如图 2-14。维氏硬度计，如图 2-15。光学显微镜，如图 2-16。图 2-1250W800 冷轧板和热轧板图 2-13马弗炉图 2-14抛光机图 2-15 维氏硬度计 图 2-16光学显微镜（左图只能观察分析，右图蔡司光学显微镜）2.2.3 退火实验第一组试样随炉升温到 700，保温 5 分钟，取出。第二组试样在炉温 800时放入，保温时间也是 5 分钟，之后取出。第三组试样在炉温 900时放入，保温 5 分钟之后取出。第四组试样在常温下保存不做退火处理。见表 2-1。表 2-1 试样退火时间温度一览组别一二三四保温时间/min555退火温度/ 700800900常温保存2.2.4 硬度测定将热轧板薄片和冷轧板薄片分成两组，使用 HVS-30Z/LCD 维氏硬度计分别测量。在本次测量薄片硬度过程中采用试验力为 1000g，保荷时间为 10s。在测定硬度时要注意，通过调节载物台高度使得物镜视野内可以看到试样清晰的图像，这样可以保证载荷施加在样品上。之后选择合适的区域施加载荷，按下“start” 开始加载。加载完成厚通过观察物镜中的压痕并通过转动手轮测量出类似菱形状压痕的对角线长度，每测量一次对角线长度需要按下“enter”进行记录。最后在显示器上读出硬度值即可。第三章试验结果和分析3.1 显微组织观察高牌号无取向电工钢 50W800 冷轧板金相试样的显微组织观察，分别观察冷轧板和热轧板在不同温度下退火后的组织形貌。每组 4 个，共计 8 个。这两组试样分别是20mm15mm0.5mm 和 20mm15mm2mm 的薄片。第一组试样为冷轧板试样。分别经过 700、800和 900的退火处理并且保温5 分钟，之后取出，另有一组不做任何处理常温下保存，作为对照。经过磨样、抛光、腐蚀后用蔡司光学显微镜拍照记录其显微组织。图 3-1 是 700下 20mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌，图 3-2 是 700下 15mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌，图3-3 是 800下 20mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌，图 3-4 是 800下 15mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌，图 3-5 是 900下 20mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌， 图 3-6 是 900下 15mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌。图 3-1 700下 20mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌 图 3-2 700下 15mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌 图 3-3800下 20mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌图 3-4800下 15mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌图 3-5900下 20mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌图 3-6900下 15mm0.5mm 面冷轧板局部组织形貌第二组试样为经热轧处理的电工钢薄片，厚度为 2mm，保温时间是 5 分钟。另有一组不做任何处理常温下保存，作为对照。经过磨样、抛光、腐蚀后用蔡司光学显微镜拍照记录其显微组织。图 3-7 是常温下 20mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图3-8 是常温下 15mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图 3-9 是 700下 20mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图 3-10 是 700下 15mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图 3-11 是 800下 20mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图 3-12 是 800下 15mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图 3-13 是 900下 20mm2mm 面热轧板局部组织形貌，图 3-14 是 900下 15mm2mm 面热轧板局部组织形貌。图 3-7 常温下 20 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌图 3-8常温下 15 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌图 3-9700下 20 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌图 3-10700下 15 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌图 3-11800下 20 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌图 3-12800下 15 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌图 3-13900下 20 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌 图 3-14900下 15 mm2 mm 面热轧板局部组织形貌通过金相照片水平方向和垂直方向各取五个位置，计算出晶粒的平均直径（热轧板在常温和 700时金相观察为大量的纤维组织，晶粒直径无法计算），得出数据后具体如如表 3-1。表 3-1 试样晶粒平均直径种类晶粒平均直径/m700800900热轧板20mm2mm42.946.115mm2mm41.145.4冷轧板20mm0.5mm40.343.647.815mm0.5mm41.244.548.2冷轧板在退火时间为 5min 时不同退火温度下对应的晶粒尺寸大小。如图 3-15 和图 3-16 。20mm0.5mm面15mm0.5mm面5050454520mm0.515mm0.540mm面40mm面3535700 800 900700 800 900图 3-15图 3-16通过对比金相照片我们可以发现，对于冷轧板 20 mm0.5 mm 面和 15 mm0.5 mm 面的晶粒在各温度下的晶粒形貌都比较类似。通过以往的试验知道常温未处理冷轧板存在着大量的纤维组织，而在 700退火 5min 时通过金相显微镜可以观察到尺寸不大，晶界纵横交错的晶粒。之后更高温度下退火则可以看出明显规律：随着退火温度的不断升高晶粒尺寸也不断增大。可以看出冷轧板在宽度方向和长度方向截面的晶粒尺寸都随着退火温度的升高而增大。长度方向平均晶粒尺寸从 700的 40.3m 逐渐增大到 800的 43.6m 和 900的 47.8m；宽度方向平均晶粒尺寸从 700的41.2m 逐渐增大到 44.5m 和 900的 48.2m。对于热轧板 20mm2mm 面和 15mm2mm 的面。未进行退火处理的试样通过观察发现晶面存在大量的纤维组织，尤其是集中在截面的中间部分，截面两侧可以观察 大量的细小晶粒，在退火温度为 700时依然可以在截面心部观察到大量的纤维组织， 而在边缘同样是大量的细小晶粒，但是相比于常温未处理的试样边缘晶粒尺寸有所增 大，这说明热轧板内依旧存在大量内应力，700不足以驱动回复再结晶过程的完全 发生，这些条带状的组织很可能是发生了回复态的组织。在退火温度在 800以上后， 可以发现晶面中大量的纤维组织都消失了，转而可以观察到晶界轮廓清晰的晶粒，说 明这时已经发生了完全再结晶，但是晶粒尺寸并不均匀。900时，晶粒尺寸明显增 大且晶粒之间的尺寸差异也不是特别明显，晶界数量进一步减少。综合上述说明随着 退火温度越高热轧板晶粒尺寸越大。通过表 3-1 可以看出，热轧板在长度方向的平均晶粒尺寸从 800的 42.8m 增长到了 46.1m；宽度方向平均晶粒尺寸从 800的41.1m 增长到了 45. 4m。3.2 硬度分析维氏硬度计所用加载力为 1000g。每个试样测量 3 个值。具体数字如表 3-2，硬度值与温度关系如图 3-17。表 3-2试样维氏硬度值种类退火温度维氏硬度/HV硬度平均值/HV热轧板700156.0166.7156.3159.7800141.1138.4136.4138.6900131.6139.6138.8136.7未处理163.5172.4171.0169.0冷轧板700132.9125.6129.3129.3800126.4140.9128.1131.8900132.2131.4127.5130.4未处理128.9130.8130.4130.0图 3-17 硬度与温度关系通过实验以及对比实验数据可以发现，对于厚度为 2mm 的热轧无取向电工钢。在退火时间都为五分钟的情况下，材料的硬度随着退火温度的升高而降低，常温下硬度最大为 169.0HV，当退火温度从 700逐步升至 900时，热轧板的硬度从 159.7HV 下降至 800的 138.7HV 再到 900下 136.7HV。从图 3-6 可以看出，不同退火温度下材料的硬度下降趋势不同，退火温度从 700升至 800时，材料的硬度下降明显更快。而退火温度从 800上升到 900时，硬度虽然还是在下降，但是下降的速度明显放缓。而对于厚度为 0.2mm 的冷轧无取向电工钢，它的整体硬度都较 2mm 厚的冷轧无取向电工钢要小。且在退火时间为五分钟的条件下，材料各退火温度下的硬度变化并不明显，看不出什么明显规律，各退火温度下的硬度值围绕着 130HV 波动， 说明短时退火的工艺处理对其硬度影响不大。3.3 结论通过上述数据对比和分析，退火工艺对高牌号无取向电工钢的组织性能影响可以概述为以下几点：1. 对冷轧高牌号无取向电工钢，晶粒直径随着退火温度的升高逐渐增大，长度方向平均晶粒尺寸从700的40.3m逐渐增大到800的43.6m和900的47.8m；宽度 方向平均晶粒尺寸从700的41.2m逐渐增大到44.5m和900的48.2m。2. 对于热轧板，晶粒直径随着退火温度的升高逐渐增大，热轧板在长度方向的平均晶粒尺寸从800的42.8m增长到了46.1m；宽度方向平均晶粒尺寸从800的41.1m 增长到了45. 4m。3. 对冷轧高牌号无取向电工钢，试样的硬度在固定时间（5min）不同温度下退火硬度变化不明显，平均硬度值在130140HV。4. 对热轧板，试样的硬度随着退火温度的升高而降低，常温下硬度最大为169.0HV，当退火温度从700逐步升至900时，热轧板硬度从159.7HV下降至800 的138.7HV再到900下136.7HV。参考文献1 何忠治，赵 宇，罗海文. 电工钢M 第一版.北京: 冶金工业出版社. 2012: 286- 290.2 陈晓，陈凌峰，余寒峰. 宝钢中低牌号无取向电工钢产品质量及展望J. 宝钢技术.3 金自力，王玉峰，任慧平，等. 冷轧无取向硅钢的实验研究J. 包头钢铁学院学报. 2003,22(3):252-254.4 张正贵无取向硅钢织构与性能的研究D.沈阳: 东北大学. 2008: 48.5 张存来，刘海涛，张元祥. 常化处理对2.9%Si+0.7%Al无取向硅钢织构及磁性能的影响J. 材料热处理学报. 2012,33 (10):62-67.6 刘献东，王波，朱简如，张峰. 宝钢无取向电工钢发展及生产技术进步J. 电工材料. 2014,10(2):13-28.7 赵永庆，杨冠军西北有色金属研究院研制的部分钛合金及产业化J钛工业进展. 2006,23(5):4-17.8 冯茂芬. 宝钢酸连轧机“跨界”生产高牌号硅钢工艺技术实现新突破N. 宝钢日报. 2012-08-24.9 易群. 冷轧压下量对无取向硅钢组织和性能的影响J. 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