硅钢中的第二相教学课件

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1、硅钢中的第二相硅钢中的第二相 第一讲 无取向电工钢中的第二相第一讲 无取向电工钢中的第二相 肖丽俊 连铸技术国家工程研究中心 2011年10月21日 讲稿内容讲稿内容 第一讲 无取向电工钢中的第二相 第二讲 取向硅钢中第二相 抑制剂 析出 的热力学与动力学 第三讲 取向硅钢中抑制剂的控制 电工钢概述电工钢概述 电工钢是一种重要的金属功能材料 是电力 发电和输变电 电 机 家电和电子工业不可缺少的软磁合金 主要用于各种电动机 发电机 和变压器铁芯及其他电器部件 在磁性材料领域中产量和用量最大 Fe C二元相图Fe Si二元相图 电工钢分类电工钢分类 类 别公称厚度 mm 热轧 硅钢板 无取向 热

2、轧低硅钢 也称热轧电 机钢 1 0 2 5 Si 0 50 热轧高硅钢 也称热轧变压 器钢 3 0 4 5 Si 0 35和0 50 冷轧电 工 钢板 无取向电工钢 冷轧电机钢 低碳电工钢 0 5 Si 0 50和0 65 硅钢 0 5 3 5 Si 0 35和0 50 取向硅钢 冷轧 变压器钢 普通取向硅钢 2 9 3 3 Si 0 35 0 30 0 27 和0 23 高磁感取向硅钢 2 9 3 3 Si 电工钢的应用电工钢的应用 电工钢性能要求电工钢性能要求 铁损低可以节省大量电力 延长电机寿命和变压器的工作 时间 并简化冷却装置 低的铁损 对磁各向异性的要求 磁感应强度高 铁芯激磁电流

3、 空载电流 降低 导线引起 的铜损和铁芯损耗降低 可节省电能 高的磁感应强度 磁时效小 主要是由于过饱和碳和氮析出细小的碳化物和氮化物引起的 三个主轴方向上 100 为易磁化轴 110 为次易磁化轴 111 方向为难磁化轴 影响磁感应强度的因素影响磁感应强度的因素 无取向电工钢的磁感应强度主要和硅含量 晶体织构有关 硅含量提高 磁感应强度B50降低 无取向电工钢的晶体织构基本上为混乱织构 但调整成分和 改善工艺 可使织构中的 100 和 110 位向组分加强 111 组分 减弱 B50提高 冷轧取向硅钢的硅含量基本不变 在2 9 3 5 Si的范围内变 化 所以磁感应强度只随 110 001

4、晶粒取向度提高或 100 001 位向偏离角减小而增加 钢中的杂质和夹杂物 主要为MnS AlN 氧化物以及它们的 二元 三原复合夹杂 含量提高 以及成品晶粒尺寸增大 也使 B50降低 影响铁损的因素影响铁损的因素 取向硅钢 110 001 取向度提高或者无取向电工钢中 100 位向组分增高 Ph降低 晶体织构 晶粒尺寸 它们使晶格发生畸变 位错密度升高 阻碍畴壁移动 增加Ph 杂质 夹杂物和内应力 钢板板厚 成品厚度减薄 表面自由磁极能量 静磁能增加 增加 磁畴壁移动阻力 增加 Ph增高 晶界是晶格的畸变 晶界增加 使磁畴壁移动阻力增加 所以晶粒 细小晶界面大 Ph提高 表面状态 钢板表面平

5、滑 表面磁极自由能减小 磁畴壁移动阻力减小 Ph降低 夹杂物对硅钢片磁性的影响夹杂物对硅钢片磁性的影响 成品硅钢片中的任何夹杂物至少都有二方面的危害 1 钉扎磁畴的移动 2 使材料的内应力增加 由此导致硅钢片 磁性的降低 其中以微细夹杂物的钉扎作用最为突出 长条 针状夹杂物的钉扎作用又大于球状夹杂物 为此必须尽可能减 少成品硅钢片中夹杂物的数量 尤其是微细夹杂物的数量 同 时对夹杂物的形状进行控制 对取向硅钢 钢中的第二相抑制剂必须是亚稳定的 即在发 挥其抑制晶粒长大的作用之后 第二相抑制剂必须能够从钢中 加以去除 因为成品中任何夹杂物对磁性都是有害的 非金属夹杂物对电工钢表面缺陷的影响非金属

6、夹杂物对电工钢表面缺陷的影响 钢中的非金属夹杂物往往会造成钢板表面黑线 重皮 分 层 结疤 泡疤等缺陷 严重影响表面质量甚至造成成品报 废 对硅钢片而言 一方面对表面质量有较高要求 另一方 面硅钢片厚度在不断降低 由此对钢中夹杂物提出了越来越 苛刻的要求 钢中非金属夹杂物是否会引起表面缺陷与其在 钢中的位置 尺寸 自身的塑性等因素密切相关 由于硅钢 片厚度的不断减薄 可能引起表面缺陷的夹杂物的尺寸在不 断降低 15年前T Emi教授将钢中大于100微米的夹杂物称为 大型夹杂物 而最近Cramb教授已将大于20微米的夹杂物称 为大型夹杂物 无取向电工钢 中的第二相 无取向电工钢生产流程无取向电工

7、钢生产流程 半工艺全工艺 C 对磁性能的影响 钢中 C 的作用 1 成品 C 含量增加 碳化物也随之 增加 磁感降低 铁损增加 2 无取向电工钢要求 C 30ppm 主要元素对无取向电工钢性能的影响主要元素对无取向电工钢性能的影响 电工钢中 S 对磁性能的影响 钢中 S 含量增加 铁损增加 存在铁损急剧增加的 S 含 量 由此 电工钢中 S 控制成分为小于50ppm 电工钢中 N 对磁性能的影响 N 含量在25ppm以上时 铁损急剧增加 由此 钢中 N 含 量控制应以25ppm为极限 电工钢中 Mn 对磁性能的影响 钢中 Mn 的作用 1 形成MnS 防止FeS引起的热脆 2 扩大 相区 3

8、Mn S 10 保证良好热加工性能和MnS粗化 4 改善组织和织构 电工钢中 Al 对磁性能的影响 钢中Als的作用 1 Als 0 15 其作用与Si的作用相同 提高 值 缩小 相区 促进晶粒长大 粗化AlN 改善织构 减轻时效 2 Als在50 140ppm P15显著增加 3 Als 30ppm P15显著降低 电工钢中第二相对晶界的钉扎作用电工钢中第二相对晶界的钉扎作用 式中 D0为平均等效直径 d和f分别为第二相平均直径和体积 分数 Z DM D0是晶粒尺寸不均匀性因子即最大晶粒直径 DM 与平均晶粒直径D0的比值 析出物粒子对晶粒长大的影响主要体现在对晶界的拖曳作 用上 当细小 弥

9、散分布时 就会对晶界产生强烈的拖曳作 用 从而阻止基体晶粒的长大 Gladman详尽分析了钉扎时 的能量变化从而得到了析出物粒子临界钉扎直径的判据为 无取向电工钢成品要求具有比较粗大的再结晶晶粒 这样 可以强烈地降低涡流损耗 Ph 但是由于粗大的晶粒组织 会 一定程度地降低磁感应强度 特别是无取向电工钢的B50 因此在无取向电工钢的生产中 必须合理的控制第二相的 体积分数 避免第二相粒子对冷轧后再结晶退火过程中晶粒 正常长大的抑制作用 但又必须制定合理的再结晶退火规程 避免晶粒过分粗大带来的B50的降低 电工钢中第二相析出的热力学分析电工钢中第二相析出的热力学分析 电工钢中的夹杂物主要是MnS

10、 AlN 氧化物 主 要是Al2O3 以及它们的二元和多元复合物 当夹杂物 在固态析出时 往往比较细小 弥散 夹杂物能否在 固态析出以及固态析出时析出量的大小可以用夹杂物 在基体中的固溶度积公式来进行理论推导 电工钢中主要夹杂物的固溶度积公式电工钢中主要夹杂物的固溶度积公式 式中 M 代表处于固溶态的M的质量百分数 T为绝对温度 无取向电工钢中主要夹杂物的固溶度积公式为 钢中的化学成分比较容易测定 控制 因此根据固 溶度积公式可以很方便的求出相应的夹杂物在基体中的 全固溶温度TAR 夹杂物在基体中的全固溶温度夹杂物在基体中的全固溶温度 式中M X分别为M X元素在钢中的含量 质量百分数 A B

11、为固溶度积公式中的常数 M X元素在基体中的平衡溶解度可由第二相在基体中的固溶度积公 式以及未溶第二相应保持理想化学配比计算的原则 按照下式计算 MXMX相在钢中所占的体积分数求解相在钢中所占的体积分数求解 M X分别代表金属元素Mn Al和非金属元素S N 式中M X分 别为元素M和X在钢中的质量百分数 AM AX分别为元素M和X的原 子量 而R AM AX为硫化锰和氮化铝的理想化学配比 dFe dMX分别为 铁基体及MX相的密度 AlAl 2 2O O3 3 析出热力学分析析出热力学分析 Al2O3平衡固溶时 Al O 随温度的变化 在目前钢铁材料中夹杂物形成 元素的通常含量情况下 氧化物

12、 夹杂不可能在钢材凝固温度以下 完全固溶于铁基体中 而只能在 液态中或者凝固过程中析出 并 且可以作为固态析出的MnS AlN的核心 液相中液相中MnSMnS平衡固溶平衡固溶 当电工钢的固相线温度为 1400 1673K 时 MnS在液态 铁中的平衡溶解度积为0 636 无 取向电工钢的Mn含量一般为0 3 S含量一般小于0 008 二 者的质量百分数的乘积远小于 MnS在液态铁中的平衡溶解度积 因此即使考虑到杂质元素的富 集 一般情况下也不会发生MnS 的液析 液相中MnS平衡固溶 Mn S 随温度的变化 MnSMnS在铁素体与奥氏体中的平衡固溶在铁素体与奥氏体中的平衡固溶 铁素体中MnS平

13、衡固溶 Mn S 随温度的变化 奥氏体中MnS平衡固溶时 Mn S 随温度的变化 在电工钢的杂质元素含量范围内 MnS在 铁基体中的全固溶温度均分别为1300 和 1420 低于电工钢的液相线温度 因此MnS 可以在全固溶温度以下完全固溶在基体中而后 在较低的温度下沉淀析出 AlNAlN在铁素体与奥氏体中平衡固溶在铁素体与奥氏体中平衡固溶 铁素体中AlN平衡固溶时 Al N 随温度的变化 奥氏体中AlN平衡固溶时 Al N 随温度的变化 AlN在铁素体和奥氏体中的固溶度有很大的 区别 按照实验生产的电工钢的Al N的含量 AlN在铁素体中的全固溶温度为1450 在 液相线温度附近 而在奥氏体中

14、的全固溶温度 仅为1250 远低于液相线温度 因此 AlN在单相铁素体相对于单相奥氏体 中更加容易析出 而且由于开始析出温度高 析出的AlN颗粒尺寸相对较大 考虑到溶质元 素的偏聚 AlN可能发生液态析出 由于AlN 在奥氏体中的全固溶温度低 因此AlN在奥氏 体中析出时 容易形成细小的析出相 电工钢中第二相MnS AlN的沉淀析出属于固态相变 其主要规律可以 用经典形核理论来解释 临界核心尺寸d 临界形核功 G 和均匀形核率I 分别用下式表示 电工钢中第二相析出的动力学电工钢中第二相析出的动力学 实际中观测到的大量的相变动力学曲线通常可由Avrami提出的经验方 程式来表述 式中 为界面能

15、Gv为单位体积相变化学自由能 GEV为新相形成时 单位体积应变能 K为波尔兹曼常数 T为相变温度 k为与温度无关的常数 若取5 转变量 X 0 05 作为相变的开始 t0 05 不同形核机制的相对形核率 以及相变TTT 相转变量 温度 时间 相对开始时间可以用下式表示 第二相析出的形核机制第二相析出的形核机制 均匀形核 位错形核 晶界形核 MnSMnS在铁素体中沉淀析出的在铁素体中沉淀析出的NrTNrT曲线和曲线和PTTPTT曲线曲线 电工钢中MnS在铁素体中沉淀析出的NrT曲线和PTT曲线 硫化锰在铁素体中沉淀析出的有效温度范围大致在980 1090 在有效沉 淀温度范围内 晶界形核相对于位

16、错形核和均匀形核 至少快一个数量级以 上 形核率至少大四个数量级以上 因此在1050 以上温度保温 晶界形核 将优先发生 晶界形核虽然具有大的形核速率 快的形核开始 时间 但是晶界上的溶质原子量仅占总溶质原子量的 很小的一部分 当晶粒尺寸为100 m 铸坯初次晶粒 典型尺寸 时 即使令溶质原子的晶界偏聚系数 CB CD 100 晶界溶质原子量仅占总原子量的1 1000 这一部分溶质原子可以快速的以晶界形核方式沉淀 析出 但是一旦这部分原子完全析出后 就需要基体中的 溶质原子通过体扩散运动到晶界处才使沉淀析出过程 持续进行 但溶质原子进行长程扩散所需时间长 因 此 在晶界形核完成后 主要可能以位错形核和均匀 形核为主 但在有效沉淀温度范围内 位错线上形核 比均匀形核的形核率大0 5个数量级以上 快2 5个数量 级以上 故位错线上形核是电工钢中硫化锰在铁素体 中沉淀析出的主要方式 0 30 Mn 0 008 S电工钢中硫化锰的最大形核率温度为 890 均匀形核 和980 位错线上形核 最快析出温度为 960 均匀形核 和1010 位错线上形核 硫化锰均匀形核的 最大形核率温度大致比全固溶温