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1、取向硅钢调研报告简介简介取向硅钢主要用于制作变压器铁芯和大发电机的定子铁芯，是电力工业发展最为重要的功能材料之一。取向硅钢组织以高度趋于(110) 001位向，即高斯方向的晶粒为主要特征，是唯一经过二次再结晶得到的钢铁制品，其生产工艺复杂、制造技术严格，被誉为钢铁材料中的“艺术品” 。取向硅钢按110取向度和磁性能不同分为普通取向硅钢(Conventional Grain-oriented Silicon Steel,CGO)和高磁感取向硅钢(High Magnetic Induction Grain-oriented Silicon Steel, Hi-B)两类。Hi-B 钢与 CGO 钢相
2、比，具有铁损低、磁感应强度高、磁致伸缩小等优点，用它制作的变压器产品具有空载损耗低、噪声低、体积小等优点。近年来，高磁感取向硅钢的产量与使用量逐年增大。两者在性能上的差异见下表 1。表 1 CGO 和 HiB 钢的性能比较类别001平均偏离角/001偏离角位向的初次晶粒(二次晶核)能吞并周围其它初次晶粒，发生二次再结晶而异常长大，再随着温度的升高,抑制剂粒子出现粗化或者溶解,然后在还原性气氛下其中 S、N 依靠硅酸镁玻璃膜而脱掉。抑制相本身对磁性有害，还可能抑制二次再结晶晶粒的长大，因此，抑制相需要满足以下两个条件：1）细小均匀弥散分布或富集在晶界；2）所选抑制剂应为亚稳态，在高温退火阶段，随
3、着温度的升高，应粗化分解，最终在 1180-1200纯干 H2 气氛下去除对磁性有害的 S 和 N 等元素。取向硅钢中的主要抑制剂有化合物 MnS、Cu2S、AlN、MnSe、MnTe 等，单元素 B、N、S、Se、Te、Sb 等。不同牌号钢的取向硅钢因成分不同抑制剂的类型也不同，如 CGO 钢中抑制剂以 MnS 或 MnSe 为主，Hi-B 钢中以 AlN+MnS 为主要抑制剂，低温硅钢抑制剂以 MnS, Cu2S, -Cu 为主，各钢种中均存在 Si3N4 和铁的碳、氮化物等。主要化合物抑制剂的有关工艺及特征参数如下表：净化气净化气类别类别元素含量元素含量/%固溶固溶温度温度/析出析出抑制
4、剂形貌及尺寸抑制剂形貌及尺寸抑制剂粗化温抑制剂粗化温度度/氛及净氛及净化温度化温度/备注备注MnSMn/S=3 比较好CGO：0.05-0.10 Mn0.02-0.03 SHiB：0.06-0.12 Mn0.02-0.03 S1320热轧和随后冷却阶段；1200开始析出，1100-1150最快，950基本停止球形；有效尺寸：20-70nm1150左右干 H2；1200AlNCGO：0.01-0.015Al0.004-0.006NHiB：0.02-0.03Al0.006-0.010N1280常化冷却阶段析出；900左右为析出峰值，空冷到 900然后淬在 100水中三种形态：A 类：细针状；，11
5、2，110 3 种典型剪切织构 001,112（ 织构） 轧制织构 常化常化常化不会改变织构类型，整体织构强度有所下降 001,111 111 001,112 第一次冷第一次冷轧轧 60-70%第一次冷轧后，主要为 和 织构，其中旋转立方较强，Goss 几 乎消失 中间退火中间退火中间退火后，减少的 Goss 晶粒会依靠回复和再结晶得到增强 以111织构为主 以001织构为主二二次次冷冷轧轧第二次冷第二次冷 轧轧 50-60%恢复到与第一次冷轧织构类型，主要为 和 织构，但强度不同， 以111织构为主； 冷冷轧轧一一次次冷冷轧轧大压下率大压下率 一次冷轧一次冷轧 法法85%形成更多111形变带
6、，形变带之间高储能过渡带中有许多 011晶核 脱脱 碳碳二次冷轧二次冷轧均匀的 织构111，111，较强011退退 火火一次冷轧一次冷轧强111，011较弱，在二次再结晶发生之前尺寸数量都 不占优势单一110高高 温温 退退 火火CGO 钢：Goss 首先吞并111使 Goss 晶粒长大，随后由于尺寸 效应 Goss 吞并111继续长大 Hi-B 钢：在后期退火过程中，111会消耗111，112 取向使其组分增强，最终 Goss 吞并111.工艺流程控制工艺流程控制铸造铸造铸锭的宏观组织通常由三个晶区组成，即表层细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。细晶区：晶粒十分细小、组织致密、机械性能好
7、。纯金属铸锭表层细晶区厚度比较薄，因此没有多大的实际意义，而合金铸锭一般则具有较厚的表层细晶区；柱状晶区：组织致密，性能具有方向性，但存在弱面。对于塑性好的金属或合金，即使全部为柱状晶组织，也能顺利通过热轧而不致开裂，而对于塑性差的金属或合金，如钢铁和镍合金等则应力求避免形成发达的柱状晶区，否则往往导致热轧开裂而形成废品；中心等轴晶区：各晶粒取向各不相同，其性能也没有方向性；但等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因而显微缩孔也比较多，组织不够致密，但显微缩孔经过后续热压力加工一般可焊合。铸坯加热铸坯加热传统制备工艺铸坯加热温度为 1350-1400高温加热，为使 MnS、AlN 等完全固溶；
8、铸坯厚度方向中心区温度应保证在 1310-1340，上下表面温差应最好小于 40；当温度加热到 1250后，加热温度应以150/h 快速加热，以防止柱状晶的异常长大（柱状晶尺寸应小于 30mm）,使许多晶粒快速长大到彼此碰撞。热轧热轧热轧过程在全流程中是十分重要的一步，它不仅决定热轧织构的种类，热轧及热轧板的热处理过程对其次表层中的 Goss 晶粒位相准确性、尺寸大小以及数量都有很大的影响，另外，对成品的织构和组织也有很大的影响，因此需要严格控制热轧制度。1.热轧板厚度方向组织不均匀性/热轧板织构梯度沿板厚方向的显微组织可分为 3 个区域：表层(再结晶组织，脱碳区)、次表层(部分再结晶)和中心
9、层(形变层)。原因：在热变形过程中，由于试样各个部位承受的轧辊与轧件之间的摩擦力、剪切变形强度和变形温度不同，导致变形储存能不同，即回复和再结晶的驱动力大小不同。从表层到次表层再到中心层变形储存能逐渐减小。因此，表层的再结晶最充分，在表层形成了细小的再结晶晶粒；次表层的变形储存能减小，发生回复或部分再结晶，形成少量粗大的再结晶晶粒；中心层具有最低的储存能，再结晶困难甚至不能发生，可明显观察到粗大伸长的变形晶粒。如图 1，剪切形变对形成110位向和通过亚晶粒聚集成粗大（110）001晶粒十分重要。图 1 热轧板织构梯度热轧后的 Goss 织构具有继承性和记忆性。由于在表层和次表层发生了再结晶，使
10、得在表层和次表层保持了 Goss 位向的晶粒，Goss 织构被保留下来，二次晶核都起源于热轧板的次表层，形成了再结晶织构，中心层为形变区，形成了形变织构，这是取向硅钢能最终发生二次再结晶的重要原因之一。2.热轧织构由于热轧板沿厚度方向存在组织的不均匀性，导致了织构沿厚度方向也存在梯度分布。研究表明，热轧板表层及 1/4 层，均为较强的 Goss 织构，其次为112；中心层有较强的 纤维织构，它是一种典型的形变织构，其中以001为主。3Goss 织构的形成规律热轧时的轧辊速度、轧制温度、每道次压下量及有无润滑都会对于 Goss 织构的形成有较大影响。研究表明，在相同压下量下，低的轧速（6m/mi
11、n）比高的轧速（50m/min）更有利于形成 Goss 织构；总压下量一定时，小的道次压下量（20-30%）对应更大的表面剪切作用；Goss 织构主要来源于变形晶粒，因此，再结晶分数越低，变形组织越多，对于 Goss 织构的形成越有利；热轧时润滑将不利于 Goss 织构发展。4.热轧工艺控制影响热轧板织构梯度的因素有：热轧温度、每道次压下率、热轧速度和润滑条件。（1）轧制温度：通过控制开轧及终轧温度来控制抑制剂的析出。如 CGO 钢开轧温度为 116020，终轧温度 95010（因为 MnS 约从 1200开始析出，在 1100-1150的 相数量最多的温度下 MnS 析出速度最快，低于 95
12、0基本停止析出） ；HiB 钢开轧温度为 120020，终轧温度：950，一般为1000-1060（终轧温度950目的是为了防止 AlN 析出）（2）冷速控制：热轧后应快冷。对于 CGO 钢是为了防止析出的 MnS 质点粗化；对于 HiB 钢是为了防止在 900时大量析出 AlN，另外使碳化物如针状 Fe3C 弥散分布在晶粒内。（3）压下率：精轧前三道每道经大于 40%大压下率热轧，后三道每道经小于30%小压下率热轧，每道次压下率递减。前半部分大压下率热轧使表层优先形成强的（110）001组分，后半部分小压下率热轧只形成伸长的（110）001晶粒二次晶核的发源地，而不形成（110）001再结晶
13、晶粒。另外，在抑制剂析出温度区间应采用大压下率轧制并快冷。（4）高摩擦力对对热轧板表面织构起重要作用，在较低热轧温度下，增大热轧时的摩擦力可以使表层110位向加强。常化常化常化即正火处理。热轧板经常化处理后，热轧组织更加细小均匀，可改善初次再结晶织构。（因为升温和保温时热轧板中的 Fe3C、珠光体、Si3N4 和细小的 AlN 会重新固溶，淬在 100水中后会在晶粒内析出许多的 10-20nm 细小的 -碳化物、Fe3C和 AlN，这些析出物会在后来的冷轧过程中钉扎位错，使再结晶形核位置增多，最终使再结晶晶粒细小均匀）常化处理后，织构种类无明显变化，有很强的继承性，只是织构强度发生了变化。有研
14、究表明，常化处理会使 Goss 织构的强度有所增加，但总的织构强度会显著降低。常化制度：一般为高温常化 1050-1150，最好为 1100-1120*4-5min，空冷到 900然后淬在 100水里。 （以 AlN 为固有抑制剂方案中，常化处理过程必不可少，其他工艺应根据实际情况确定是否需要常化过程）冷轧冷轧1.冷轧方式冷轧一般分为一次大压下率冷轧和二次冷轧。CGO 钢：一般采用加中间退火的二次冷轧，第一次冷轧压下率为 60-70%，第二次冷轧压下率为 50-60%。研究表明，采用中等压下率冷轧时，会使 Goss 取向转到111，中间退火之后在表层会形成强 Goss 织构，经二次冷轧能得到较
15、多的 Goss 晶粒，但偏差角较一次冷轧大（平均约为 7） ，在二次再结晶过程中得到的 Goss 晶粒较多，但尺寸较小，约为 3-5mm。另外，采用二次冷轧时，不要求抑制剂有很强的抑制能力。HiB 钢：一般采用大压下率的一次冷轧法，以 AlN 为主要抑制剂，平均每道次压下率为 25-33%，总压下率达到 85-90%。研究表明，采用大压下率一次冷轧时，会形成更多的111形变带，两个形变带之间为高储能的过渡带，它们由（110）001亚晶粒组成，虽然得到很少的 Goss 晶粒，但这部分晶粒位向准确，会在后期形成尖锐单一的 Goss织构，最终得到的 Goss 晶粒尺寸较大，可达 10-20mm，平均
16、偏差角为 3。采用一次大压下率冷轧时，要求使用抑制能力强的抑制剂，以充分抑制其它取向晶粒长大。2.冷轧过程的织构转变冷轧后，织构主要类型为 和 织构，其中， 织构中主要为112，111为主， 织构中以111为主。脱碳退火脱碳退火1.目的：1）完成初次再结晶，使基体内有足够数量的 Goss 初次晶粒及有利于它们长大的初次再结晶织构和组织；2）使钢中 C0.003%，保证高温退火时处于单一的 相，消除磁时效；3）使钢带表面形成致密均匀的 SiO2 薄膜（2-3m） 。2.脱碳机理靠气氛中的水蒸气，反应式 H2O+CH2+CO，在流动的气氛中 CO 不断排出炉外。3.脱碳制度影响脱碳速度的主要因素为温度、时间和气氛露点或 PH2O/PH2。温度升高，碳的扩散系数增大，
