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1、钢材组织性能的控制7.1 电磁性能的控制硅钢 FeSi 合金 主要用于电机及变压器的铁芯分类：按用途来分： 电机硅钢、变压器硅钢按化学成分来分：低硅 （0.8 1.8%Si）、 中硅（ 1.8 2.8%Si）、 高硅（ 2.8%Si）按轧制工艺来分： 热轧硅钢片、冷轧硅钢片热轧硅钢片： 电机 厚 0.5 mm 1.0 2.5%Si 变压器 厚 0.35mm 3.0 4.5%Si冷轧硅钢片： 3.5%Si 无取向硅钢片 多用于电机 取向硅钢片 2.8 3.5%Si 单取向硅钢片：高斯织构 (110)001 变压器 厚0.35mm 双取向硅钢片：立方织构 (001)100 仪表工业 厚0.025
2、0.1mm冷轧硅钢片电磁性能优于热轧硅钢片： B 25% P 3040% 体积减少3040% 电能 一电磁性能的概念磁感应强度 B （磁通密度）定义：在垂直磁场的方向上，材料内部单位面 积通过的磁力线条数 B0 = 0nI = 0 H 0 真空导磁率加铁芯后： B总 = B0 B芯 B芯 r0nI H r 相对导磁率 ：反映材料密集磁力线的能力，即磁化能力 的大小。 、B 表示易磁化 铁芯损失P 单位重量硅钢片在交变磁场作用下的 功率损耗 磁滞损耗 P1 由于磁感应强度的变化始终落后于 磁场的变化 所引起的功率损耗H=0, B=Br 剩磁现象Br ：剩余磁感应强度Hc ：克服剩磁所加的 磁化力
3、，叫矫顽力矫顽力的大小反映了磁性材料保存剩磁状态的能力 P1 fnAn fn 电流频率 An 回线面积磁滞回线所包围的面积越大，磁滞损耗也越大 因为 An Hc 所以 P1 Hc 矫顽力越大，磁滞损耗越大 涡流损耗 P2 由于交变磁场产生的感生电 流在铁芯内形成涡流而引起 的功率损耗 感生电流所产生的磁场与 原 磁场方向相反，阻碍材料的 磁化，并使外磁场能量转变 成热量。 P2 fnBh/ h 铁芯厚度 铁芯电阻率 、h P2 剩余损耗 P3 除P1、P2外的其它功率损耗 铁损 P = P1P2 P3对硅钢片的要求： 磁感应强度高 B 铁芯损失低 P 、h、 Hc 磁各向异性 用FeSi单晶体
4、试验可知： 100晶向最易磁化 111晶向最难磁化 电机用硅钢：要求磁各向异性越小越好，纵横方向的 B25 差别小于10%变压器用硅钢：要求轧制方向为001晶向，B 采用有取向的硅钢片 (100)001 或 (110)001磁致伸缩小表面质量好，厚度均匀 表面平整，填充系数高 厚度不均，噪音增大，电机振动增大二影响电磁性能的主要因素晶粒大小 d B、P 磁性好 如图示：d ，P1 晶粒取向取向度 晶体中易磁化晶向平行于或接 近平行于轧向的晶粒所占的百分比设易磁化晶向与轧向的偏离角为 n ， n B、P 一般工业产品 n 10 高牌号的产品 n 5夹杂物 有害夹杂物 属于稳定的，温度升高不会分解
5、或析出， 如Al2O3、SiO2、FeO等等，它们的存在会 造成晶格畸变,产生内应力,使磁化阻力， 矫顽力，磁滞损耗 P1夹杂物的影响程度与其数量、形状和弥散程度有关HcVK/d V 夹杂物体积 K 夹杂物形状 d 夹杂物直径 d，Hc 即夹杂物越细小，影响程度越大 有利夹杂物 属于不稳定的，如 AlN、MnS有利夹杂必须具备以下条件：(a)以细小弥散的质点均匀分布，强烈 地阻止初次再结晶晶粒的正常长大。(b)在二次再结晶温度范围，夹杂物聚集， 并随温度升高而溶解，促使二次再结晶 晶粒择优长大而获得(110)001高斯织构。(c)高温成品退火时，由于退火气氛 H2 的作 用而将S和N去除掉，或
6、在高温下使这些 夹杂物聚集成更大的颗粒而减少其有害 的影响。化学成分 最不利元素 C 使 区扩大 高温退火时，使织构破坏，取向度 与铁形成间隙式的固溶体 使晶格畸变，内应力，磁化阻力 形成珠光体、渗碳体 降低磁性，使硅钢片变脆 因此，希望 C%，一般 C%0.02%最有利元素 Si 使区缩小 使高温退火形成的织构 不会在冷却时因相变而遭到破坏。 与铁形成置换固溶体 晶格畸变小 促进石墨化 使电阻增加 降低涡流损耗 促使铁素体晶粒粗化 使矫顽力降低，磁滞损耗下降 Mn、S、N 虽属不利元素，但生成 MnS、AlN 则变为有利。因此，生产中往往含 有一定量的硫和锰或铝和氮，形成 有利夹杂，提高冷轧
7、硅钢的取向度。铁芯厚度 h 涡流损耗 P2 fnBh/ h，P2 另： h ，单位厚度铁芯内的界面增多，磁化 阻力增加，矫顽力增大，磁滞损耗 P1 当温度、晶粒尺寸、取向度不变时钢片厚度与铁损的关系如图示三轧制工艺制度的控制 典型生产工艺流程: 1 2 冶炼铸锭开坯热轧成 2.2mm厚的板卷 初退火酸洗 第一次冷轧成 0.7mm厚的板卷 中间退火第二次冷轧成 0.35mm厚的板卷 脱C退火涂 MgO粉(以防高温退火时粘结) 高温退火 涂绝缘层拉伸退火剪切 检验入库1加热 提高加热温度、延长加热时间对磁性有利 使有利夹杂充分固溶 铁素体晶粒尺寸变大 使有害夹杂聚集长大，减小其有害性 脱 C 减小
8、偏析现象板坯的加热温度控制在 1300左右，最高可达 1350。热轧 终轧温度 T终 850 完全再结晶、不使 AlN 在热轧过程中析出 变形程度 ，等轴晶深度 轧制速度 快 不使 AlN在热轧时析出 冷却速度 快 卷取温度 低 一般T卷 700 T卷 B、P 磁性 B(千高斯) P(瓦公斤) T卷 B25 B50 B100 P10 P15 P17 500550 18.1 19.4 20.6 0.625 1.869 2.47 650700 16.1 17.7 19.7 0.88 1.95 2.64 冷轧 为了形成 (110)001二次再结晶织构，必须在冷轧带钢中存在 (111)112 取向的晶
9、粒。从晶体学来看， (111)112晶格畸变最大，再结晶能力最强，绕 (110)轴转 35就得到(110)001高斯织构。第二次冷轧的总压下率对磁性影响大 1 第一道次压下率 1 35%为宜 这时冷轧织构中的(111)112组分加强，再结晶退火 (110)001织构，使成品的取向度和磁性提高。 总压下率 实验表明， 50%为好，成品(110)001取向度最高，铁损最低。第二次冷轧总压下率 P10/50 B25 B50 (%) (瓦公斤) (高斯) (高斯) 30 0.55 18000 19100 52 0.51 19000 19800 70 0.53 18150 18850 总压下率一定，道次
10、压下率增大时，磁性好 轧制道次数 B25 (高斯) P10 (瓦公斤) 26次 17300 0.90 16次 18100 0.68退火 1 初退火 热轧后退火 目的：使组织均匀化、去除应力、脱C 中间退火（初次再结晶退火） 去除应力，消除加工硬化，为第二次冷轧作 准备 完成初次再结晶，在 (111)112织构的基础 上形成少量(35%)(110)001再结晶织构。 脱C 脱C退火 脱C 形成 SiO2薄膜 涂隔离层 MgO，以防高温退火时带钢发 生粘结。 成品高温退火 （二次再结晶退火） 形成粗大的 (110)001 再结晶织构，使 成品获得高的取向度 使夹杂物聚集长大 脱C，使C石墨化 脱
11、S、N，减少和去除钢中的夹杂物 AlN + H2 Al + NH3 MnS + H2 Mn + H2S 拉伸平整退火 平整板面，消除瓢曲和浪形，使填充系数 改善磁织构，取向度，降低铁损 减少磁致伸缩，降低噪音 涂绝缘层：提高层间电阻、防锈耐蚀 7.2 冲压性能的控制一冲压性能概念 冲压： 材料在冲头与模具作用下，产生塑性变形得到一定形状和尺寸的过程 产品：壳体零件、杯形件 原料：板料，也叫板冲压 冲压性能的测定 模拟法 (a)杯突法 适用于 h 2mm的板带材 冲头压入直到材料产生裂纹，此时所压入的深度值 h，即为金属的杯突深度，也叫杯突值。 h 越大，冲压性能越好冲压性能：材料能顺利地完成冲
12、压过程而不破坏的能力(b)杯形件深冲试验 把不同直径 (D)的圆形板料一次冲成圆形杯件，不产生破裂的最大圆板料的外径 D与冲头直径 d 之比 D/d叫极限冲压比。D/d越大，冲压性能越好(c)锥形杯试验冲头一直往下压，直到产生裂缝，测出产生破裂时的锥形杯口外径 D，称为锥杯值D越小，冲压性能越好 拉伸试验法拉伸试验，测出s、b、确定材料的屈强比 sb塑性变形比 R (a)屈强比sb 反映材料加工硬化能力的大小 sb，冲压性能 s 小，变形抗力小，材料易变形 b 大，材料不易断 说明材料加工硬化能力大，不易产生细 颈，不易断裂(b)塑性变形比 R 板材在宽度和厚度方向上产生塑性变形 的比值 R
13、= b/h R1， b h ，说明板料在宽向容易变形，而在厚向不容易变形，产生细颈的可能性下降，冲压性能好因为板材都是轧制而成，存在各向异性，各方向的R不同R平均 =( R0 + 2R45 + R90)4R0 、 R45 、R90 分别为沿与轧向成 0、45、90角方向截取试样的塑性变形比R：不仅可反映材料冲压性能的好坏，还 可作为板材各向异性的指标二影响冲压性能的因素晶粒 晶粒大小 sb d， s sb ，冲压性能 d， b 杂质因晶界减少而集中， 脆性，冲压制品表面易 出现桔皮状 一般，适宜的晶粒尺寸为 68 级 晶粒形状 R大量实验证明，具有饼形晶粒的板材，其冲压性能比具有等轴晶粒的好得
14、多等轴晶粒 宽向和厚度方向对位错移动的阻力差 不多饼形晶粒 厚度方向晶界多，位错移动阻力大， 不易变形，而宽向易变形，使 R ， 冲压性能 晶粒取向(111)晶面平行板面，R，冲压性能好因为 111(111)， 111方向为厚度方向，不易变形， R 所以，为了提高板材的深冲性能，应设法增加平行于板面的(111)织构。夹杂物 不利夹杂物 碳化物、硫化物 夹杂物呈脆性，造成冲压开裂 有利夹杂物 AlN (a)在冷轧后退火再结晶时沿轧向平行析 出，阻碍晶粒沿厚度方向长大，使晶 粒成为伸长的薄饼形状。 (b)AlN的形成，使钢中的自由N 浓度， 不易产生屈服效应，表面质量形变时效 (a) s ，屈强比
15、，冲压性能 (b)形成吕德斯带，使冲压件表面质量 AlN的形成，使时效倾向三冲压性能的控制化学成分 C ，s ，屈强比； 易形成柯氏气团、表面皱折 C% 0.08% Al ，固溶强化， s ，屈强比； 但要保证形成适量的 AlN Al%取 0.020.07% Si、Mn 固溶强化， s Si% 取 0.03% 左右， Mn%取 0.4% 左右 S、P 是有害元素，应越少越好，一般 0.02%工艺制度 以 08Al 镇静钢为例来讨论冲压板生产工艺流程板坯加热热轧卷取冷轧退火平整 热轧工艺控制加热：加热温度高，加热时间长，使 AlN 充分 溶解 T加 = 12001300热轧： T终 840， 轧
16、后浇水急冷，以防 AlN析出 T卷620， 若卷取温度高，就会导 致AlN析出，不利于形成饼形晶粒。 冷轧工艺控制 总压下率在 30%65% ，冲压性能最好 ， d s ， d b即：晶粒过大、过小都不好，要保证 d 在 68 级晶粒度 退火工艺控制 退火工艺是使板材获得饼形晶粒的重要环节。 工艺关键：应使 AlN 在再结晶之前析出 最终形成饼形晶粒，R，冲压性能 平整工艺 压下率为 0.81.2%，消除退火钢的屈服平 台，使冲压件避免出现吕德斯带。 7.3 热强性能的控制一概念热强性能：材料在高温及外加载荷（短期 或长期）的同时作用下，抵抗 塑性变形及断裂的能力。它与温度高低、应力大小、应力状态、时间长短有密切关系。热强性能包括： 高温蠕变极限 高温持久极限 高温疲劳极限 高温屈服极限、强度极限蠕变极限蠕变：金属在高温受外力作用，在长时间 小应力作用下产生的塑性变形，甚 至断裂。铅、锡： 室温下即可观察到蠕变现象碳钢： 300350合金钢： 350400蠕变分为三个阶段ab：减速蠕变 蠕变速度bc：恒速蠕变 蠕变速度恒定cd：加速蠕变 蠕变速度增加 oa：蠕变的瞬时增长蠕变极限：在一
