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1、高磁感取向硅钢常化处理过程中氮化物的沉淀蒙肇斌赵宇何忠治摘要研究结果表明，采用两段式常化工艺，不仅使高磁感取向硅钢(Hi-B 钢)热轧时产生的大量 Si3N4及少量氮化铁等较完全溶解，而且在中温等温及冷却阶段，可以使大量 AlN 较弥散地析出，从而抑制初次晶粒正常长大以提高 Hi-B 钢的磁性能。关键词高磁感取向硅钢两段式常化处理氮化物Precipitation Characteristic of Nitride in High|InductionGrain|Oriented Silicon Steel during Normalizing Meng Zhaobin, Zhao Yu and
2、He Zhongzhi(Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)AbstractThe research results show that by two|stage normalizing, the large quantities of Si-3N-4 and a small amount of iron nitride precipitated in high|induction grain|oriented hot rolled silicon steel dissolved completely, and a l
3、arge amount of AlN dispersively precipitated during intermediate temperature isothermal and cooling stage, so as to inhibit the growth of primary recrystallized grains, and improve the magnetic property of steelMaterial IndexHigh|Induction Grain|oriented, Silicon Steel, Two|Stage Normalizing, Nitrid
4、e高磁感取向硅钢(Hi-B)的一个显著特点是，在实施最终退火处理之前，抑制初次再结晶晶粒正常长大的抑制剂硫化物及 AlN 质点必须能够大量、弥散地析出。其中，硫化物质点主要是在热轧过程中析出，许多国内外研究者 12 对取向硅钢(包括 Hi-B 钢)中析出的硫化物质点进行了较为深入的探讨。但是，目前对于 Hi-B 钢中抑制作用更显著的AlN，其析出机制与析出形态的研究还有待于进一步完善。AlN 质点主要是在热轧板进行常化处理过程中大量析出的，本研究工作采用的是改进的两段式常化处理工艺，已证明在生产上采用该工艺可明显提高 Hi-B钢磁性能，然后采用透射电镜等试验方法，从微观上观察、分析氮化物(特别
5、是 AlN)在两段式常化过程中的析出变化。1试验过程及方法所用材料为 Hi-B 钢热轧板，厚 2.5 mm,其化学成分(%)为：C 0.076,Si 3.18, Mn 0.085,S 0.028,Al 0.026, N 0.0065,Fe 余。在两段式常化处理过程中的不同阶段取样，并淬在冰盐水中(如图 1 所示的A、B、C、D、E 5 个试样)。为了能较清晰地观察氮化物的分布与形貌，采取了非水溶液电解浸蚀法(SPEED 法)进行析出相的萃取 3 ，然后在JEM-2000FX 型透射电镜(TEM)中观察，同时结合能谱仪(EDAX)进行析出相的成分半定量分析。图 1Hi-B 钢两段式常化工艺及选取
6、的不同状态试样Fig.1Two|stage normalizing of high|induction grain|oriented silicon steels sampled2试验结果及分析TEM 电镜观察发现，Hi-B 钢热轧板中(尚未进行常化处理)氮化物的形貌、类型基本一致。钢中析出一些不规则片状或细棒状的 Si3N4，尺寸在 1040 nm,还有少量细小针状氮化铁和尺寸在 10 nm 以下的 AlN，也观察到大块状 AlN(150 nm)存在，但数量极少。图 2 为 Si3N4的形貌及衍射斑点标定结果。图 2Hi-B 钢中析出 Si3N4的形貌 (a) 明场 41 000 (b) 暗
7、场 41 000 及标定结果(c) (d)Fig.2Morphology of Si 3N4 precipitated | (a) bright field and (b) dark field41 000, and corresponding diffraction pattern |(c) and (d) of Si-3N-4 precipitated常化处理升温到 9501 000 的 A 号试样及刚升温至 1 120 的B 试样中，发现氮化物已开始发生转变。A 号试样中 Si3N4和尺寸较小的氮化铁和 AlN 有聚集长大的趋势，质点尺寸略有增大，随温度升高到达1 120 时(B 号试样
8、)，各种氮化物则开始出现溶解的迹象。在 1 120 保温 2.5 min 后的 C 号试样中，Si 3N4、氮化铁及细小 AlN 均已完全溶解，基本看不到细小棒状、片状及针状的氮化物。对从 1 120 空冷到 920960 的 D 号试样的形貌观察和能谱分析中发现，有少量细小(10 nm)的氮化物(绝大部分为 AlN,少量 Si3N4也与 AlN 一同析出)开始逐渐析出，形状不很明显，可见，在 920960 保温时，AlN 经一定孕育期后开始逐渐形核析出。经两段式常化处理的 E 号试样中发现有大量细小、弥散 AlN 质点析出，形态多为长方形、六角形及三角形，尺寸范围 2050 nm(图 3)。
9、另外，与 D 号试样中氮化物析出情况相同，有较少量 Si3N4随 AlN 一同析出，但尺寸较小，在 10 nm 左右。图 3常化处理后 Hi-B 钢中析出 AlN 的形貌 41 000Fig.3Morphology of AlN precipitated in steel normalized 41 0003讨论Hi-B 钢采用了 1 120 较高的常化保温温度，目的在于加快热轧板中氮化物(主要为 Si3N4及少量细小 AlN 和氮化铁)的溶解，提高N、Al、Si 等原子的扩散速率，为常化处理时抑制剂质点 AlN 的弥散析出提供条件，并且减少常化处理时晶粒长大和热轧板中硫化物粗化。另外，根据
10、Fe-Si 相图 4 ，由于 Hi-B 钢的 C 含量约为 0.07%，Si 约为3.20%，因此，加热到 1 120 正好处于 - 两相区，而且使产生的 相达到最大含量，为 N 的充分固溶创造了条件，因为 N 在 相中的溶解度远高于 相(例如，1 000 时 N 在 相中的溶解度为 相中的 10 倍)。原势二郎等 5 在探讨 Hi-B 钢中氮化物析出变化时，得出以下结论：热轧板中 Si3N4含量较高，但当温度升高至 1 150 时则大大降低，常化处理加热过程中的 AlN 可能来自热轧板中小于 10 nm 的AlN 的聚集长大，也可能由于在 800 以上，原热轧过程中析出 Si3N4分解并同时
11、析出合适尺寸的 AlN 质点。本研究证实，在两段式常化处理过程中，升温至 900 左右，氮化物(包括 AlN)有聚集长大趋势，但随温度的继续升高到达 1 120 以后，全部氮化物(主要为 Si3N4)都将发生溶解反应，只有极少量的粗大 AlN 因部分溶解而残留下来。然后，在发生 相转变的中温保温阶段及随后的冷却阶段中，将有大量细小 AlN 析出，这类 AlN 尺寸较小，且分布弥散，在 Hi-B 钢最终退火处理时能够起到有效的抑制剂作用。两段式常化工艺的特点是，由 1 120 冷至中温(920960 )3 min 进行保温处理后再淬在沸水中，这一中温保温温度范围的选择可参考 Fe-Si 相图 4
12、 。在 920960 保温，使大部分 相转变为 相，N 和 Al 的固溶度也随之下降，大量细小 AlN 质点将在原 相区域弥散析出。另外，还可通过 AlN 的时间-温度-析出曲线和连续冷却析出“C”曲线进行分析，当从 1 120 在 15 s 以内冷却至 920960 时(见图 1)，冷速约 12 /s，冷却曲线将穿过 TTP-10%及 CCP-10%曲线，因此会有少量 AlN 形核并析出。本试验 TEM 观察中证实，D 号试样中确有少量 AlN 开始析出，但尺寸仍很小，数量也较少。在 920960 进行等温，随着 相更多地向 相转变将会析出大量细小 AlN，在等温时间接近 200 s(约 3
13、 min)的范围内，AlN 的形核及析出数量要大大超过10%，这些 AlN 是伴随 相转变过程而析出的。但此时钢中的 AlN并没有全部得到析出，在随后淬水处理过程中仍会继续析出。淬水处理采用的冷速(即淬入沸水中)对于 AlN 的充分析出，尤其是以细小、弥散状态析出是至关重要的。如果冷速过慢，例如采用空冷，则正如酒井知彦 6 的研究结果所指出，在冷至 680420 时，固溶的 N 将与 Si 原子结合析出大量的 Si3N4,还有一些极细小针状 AlN 产生；冷至 410 以下时，将以氮化铁的形式析出。因此，不难看出，在以上 Si3N4及氮化铁的析出峰值温度范围内，冷速越慢，则析出量越多，这都将大
14、大减少AlN 的析出数量，Si 3N4和氮化铁的熔点比 AlN 的低得多，在高温下远比AlN 不稳定，在后序的最终高温退火过程中会很快溶解，起不到有效的抑制剂作用。另外冷速也不可过快，否则会使 AlN 来不及较完全地析出。因为，N 和 Al 将由原来高温时固溶于 相中转为过饱和固溶于室温时 相中，同样减少了 AlN 的析出数量，因而降低了 AlN 在 Hi-B 中作为抑制剂的作用。所以，由以上的试验观察与分析中充分证实，Hi-B 钢采用上述的两段式常化处理工艺及相关工艺参数，对于抑制剂质点 AlN 的弥散析出是有利的。4结论(1) 两段式常化处理的高温保温阶段，可以使原来热轧板中存在的Si3N
15、4、氮化铁及细小 AlN 较完全溶解和固溶。(2) AlN 在两段式常化处理的中温保温开始时就已形核析出，保温阶段及随后冷却时则大量析出细小 AlN， 相转变过程对 AlN 的弥散析出起重要作用。(3) 常化处理后仍存在的极少量 Si3N4，是在中温保温后的冷却过程中才析出的。并且在整个两段式常化处理各阶段氮化物形态的观察中发现，很少存在有氮化铁析出相。作者单位：钢铁研究总院，北京 100081参考文献1小松肇.硅素钢析出相、组织集合组织形成及 Sn添加影响.铁钢，1984，70(13)：S14692酒井知彦.方向性硅素钢板微量铜添加效果.铁钢，1984，70(15)：S20493黑泽文夫.铁
16、钢材料研究定电位电解选择腐蚀法(SPEED 法)应用，日本金属学会会报，1981，20(4)：3374田口悟.电磁钢板，新日本制铁株式会社技术部，昭(1979)，45原势二郎.高磁束密度一方向性电磁钢板制造方法.日本公开特许公报，1982(昭 57-198214):736Sakai T. et al. A study on AlN in high permeability grain-oriented silicon steel. J.Appl.Phys., 1979,50(3):2369蒙肇斌，男，29 岁，博士，工程师。1991 年毕业于西北工业大学金属材料专业，1997 年在北京钢铁研究总院获博士学位
