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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 Si N 及少量氮化铁等较完全溶解，而且在34 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 HighIInductionGrainIOriented Silicon Steel during NormalizingMeng Zhaobin,
2、Zhao Yu and He Zhongzhi(Central Iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)Abstract The research results show that by twolstage normalizing, the large quantities of Si-3N-4 and a small amount of iron nitride precipitated in highlinduction grainloriented hot rolled silicon steel dissolved comple
3、tely, and a large 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 Index High|Induction Grain|oriented, Silicon Steel, Two|Stage Norma
4、lizing, Nitride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
5、法，从微观上观察、分析氮化物(特别是 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：0.076,Si3.18, 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、 E5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，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。Timc/Enni图1
6、 Hi-B钢两段式常化工艺及选取的不同状态试样Fig.l Two|stage normalizing of high|induction grain|orientedsilicon 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SiN，尺寸34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Si N的形貌及衍34射斑点标定结果。密曲【冶图2 Hi-B钢中析出Si N的形貌 (a)明场X41 0
7、00 (b)暗场34X41 000及标定结果(c) (d)Fig.2 Morphology of Si N precipitated | (a) brightf ield and (b) 3 4.dark field X41 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 C的 B试样中，发现氮化物已开始发生转变。A号试样中Si3N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 C
8、时(B号试样)，各种氮化物则开始出现溶解的迹象。在1120C 保温2.5 min后的C号试样中，SN、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 C空冷到920960 C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Si N也34 与AlN 一同析出)开始逐渐析出，形状不很明显，可见，在920960 C 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2050nm(图3)。另 外,与D号试样中氮化
9、物析出情况相同，有较少量Si N随AlN 一同析出,34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X41 000Fig.3 Morphology of AlN precipi tated in st eel normalized X41 0003讨论Hi-B钢采用了 1 120 C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Si N及少量细小AlN和氮化铁）的溶解，提高N、Al、34Si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 Fe-Si相图，由于Hi-B钢的C含量约
10、为0.07%, Si约为3.20%,因此， 加热到1 120 C正好处于a-Y两相区，而且使产生的Y相达到最大 含量，为N的充分固溶创造了条件，因为N在Y相中的溶解度远高于 a相（例如，1 000 C时N在Y相中的溶解度为a相中的10倍）。原 势二郎等 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Si N含量较高，但当温度升高至1 150 C时则大大降低，常化处34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 C以上，原热轧过程中析出Si N分解并同时析出合34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
11、C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1120C以后，全部氮化物（主要为Si N）都将发生溶解反应，只有34极少量的粗大AlN因部分溶解而残留下来。然后，在发生Ya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 C冷至中温（920960 C）X3 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。在920960 C保温，使大部分Y相转变为a相，N 和Al的固溶度也随之下降，大量细小AlN质
12、点将在原Y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 C在15 s以内冷却至920960 C时（见图1）, 冷速约12 C/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 C进行等温，随 着Y相更多地向a相转变将会析出大量细小A1N,在等温时间接近200 s (约3 min)的范围内，AlN的形核及析出数量要大大超过10%,这些A1N 是伴随Ya相转变过程而析出的。但此时钢中的AlN并没有
13、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 C时，固溶的N将与Si原子结合析出大量的SiN,34还有一些极细小针状AlN产生；冷至410 C以下时，将以氮化铁的形式 析出。因此，不难看出，在以上Si N及氮化铁的析出峰值温度范围内，34冷速越慢，则析出量越多，这都将大大减少AlN的析出数量，SiN和氮34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
14、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Y相中转为过饱和固溶于室温时a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 SiN、氮化铁及细小AlN较完全溶解和固溶。3 4(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，Ya相转变过程对
15、AlN的弥 散析出起重要作用。(3) 常化处理后仍存在的极少量SiN，是在中温保温后的冷却过程34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小松肇怎方.硅素钢析出相、组织集合组织形成人及TSn 添加影响铁七钢，1984, 70(13)： S14692酒井知彦怎力.方向性硅素钢板微量铜添加效果铁七钢, 1984，70(15)：S20493黑泽文夫铁钢材料研究r指矗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廿一匕夹部，昭(1979)，45 原势二郎怎力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):736 Sakai 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。主要从事钢的物理冶 金、组织
