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1、先脱碳后渗氮工艺主要技术问题：氧化膜各成分及其含量控制，主要通过控制脱碳气氛来调节。氧化膜影响脱碳效率、后续渗氮过程及底层质量。难点：氧化膜成分的精确控制脱碳1.气氛对于氧化膜成分影响分析分压比：即PH2O/PH2，代表氧化性强弱。分压比影响氧化膜成分及含量SiO2：氧化膜中的主要成分，Si与水蒸气反应生成，内氧化膜的内层，在后续高温退火升温阶段与隔离剂中的MgO生成硅酸镁底层，PH2O/PH2=0.15左右时就会形成SiO2内氧化层，0.03时，会形成致密非晶质外氧化层SiO2，不利；FeSiO4：当PH2O/PH2=0.15-0.6时，会形成外层为Fe2SiO4，内层为SiO2的内氧化层，
2、在此条件下可顺利进行脱碳。在此范围内，增加露点时，Fe2SiO4会增多，SiO2会减少，Fe2SiO4在此范围内为较疏松形成区，有利于脱碳顺利进行。 Fe2SiO4作用：1）在高温退火温度升至850-950低温区，Fe2SiO4先与MgO反应生成一部分Mg2SiO4，防止发生过氧化，并保持表层抑制力；2）Fe2SiO4也对MgO+SiO2反应起到触媒作用，使Mg2SiO4底层形成的温度降低，避免由于温度高而使抑制剂过早熟化分解。3）Fe2SiO4内氧化层比较疏松，易于脱碳；4）影响底层质量 但Fe2SiO4的量需要控制在合适的范围里，因为Fe2SiO4含量过低时，形成的底层不均匀，氧化膜中总氧
3、量低而使底层附着性变坏；含量过高，以后形成的底层厚度不均匀。有研究表明控制PH2O/PH2=0.3-0.5，使Fe2SiO4/SiO2=0.05-0.45时底层质量好。FeO：当PH2O/PH20.6时，会形成FeO外氧化层，致密氧化膜，会影响脱碳。当控制PH2O/PH2=0.01-0.15时，可不形成Fe2SiO4及FeO等铁系氧化物，配合Al2O3隔离剂时，可制得镜面质量的取向硅钢。H2含量：脱碳需要在氧化气氛下进行，理论上，露点越高，越易脱碳，但是，当氧化速度大于脱碳速度时，致密的氧化膜会影响脱碳反应的进一步进行。因此需要合适控制H2比例，H2含量过低，过量的水蒸气会加速钢表面氧化；过高
4、时，由于H2为还原气体，不利于脱碳反应进行。正常脱碳范围为PH2O/PH2=0.3-0.45，但此条件不可单独使用，当温度升高时，分压比应适当降低，以实际情况而定。脱碳反应过程H2合适含量20-25%。 但冷却气氛应为干的100%N2或75%N2+H2，防止内氧化层外层Fe2SiO4被还原成SiO2而导致的内氧化层中Fe2SiO4减少，SiO2增多的现象。炉压差：需气体流通顺畅，将脱碳过程中产生的废气及时排出炉外，提高效率。有研究表明，尾部大于头部气体量，使气体顺尾部向头部流动，保证尾部与头部炉压差10-20Pa。另外，钢带温度大于750脱碳反应速度才明显加快，而氧化反应从250就已开始，因此
5、，在不影响钢带的脱碳效果的前提下，可以考虑通过降低脱碳一段的水蒸汽浓度的措施达到目的；2.温度影响脱碳主要分为两个过程，C在钢板内扩散 及 C与表面水蒸气的反应由此可见，C在板内扩散过程才是控制的重点。由于DD，因此在相区脱碳更有利，因此脱碳温度应在相变温度以下；一般采用高温短时间脱碳的退火方法，因为高温促进脱碳，短时可防止晶粒长大。当提高脱碳温度时需适当提高气氛中的H2比例来抑制表面氧化。提高温度对于提高脱碳速度效果最明显，特别是对于厚板；快升温到脱碳温度，因为快升温可提高再结晶所需储能，使初次再结晶晶粒均匀。3.氧化膜中的O含量脱碳反应速率手钢带表面反应时的O覆盖率0的影响，其中Ko为温度
6、的函数，lnKo=3020/T-1.16。因此，温度越高，氧覆盖率减小；露点升高，覆盖率增高。只要钢带表面的有效氧位在 10%以上, 就不影响钢带中的碳被有效脱除；脱碳后的氧化膜对于渗氮速度和渗氮量也有很大影响。控制脱碳后氧化膜中O=（450-800）10-6，最好为（550-650）10-6，FeO/SiO20.4时，以后可顺利渗氮，渗氮量也比较稳定。O量增高，即FeO量增多，渗氮量也会增高，因为NH3N+(3/2)H2，产生的H2与FeO反应，促进反应向右进行，所以渗氮容易，此时渗氮时应保证高的H2分量，PN2/PH20.5。 另外，合适O含量与钢中的Als含量有关，Als含量低（如0.0
7、25%）时合适O含量范围更窄（450-700）10-6，Als含量高（0.028-0.03）时适合O含量范围宽（500-900）10-6，因为AlN分解受Al氧化所控制。4.Cr含量影响Cr含量会影响内氧化层的厚度，Cr可促进内氧化层（Fe2SiO4和SiO2）的形成，因为脱碳退火时Cr可促进O沿板厚方向扩散促进形成Fe2SiO4和SiO2。5.Si、Al含量的影响Si、Al原子会排斥C原子，从而加速脱碳。另外，脱碳后控制晶粒尺寸d=19-25um，d与后续渗氮量有关，N=16d-9060d-1400；渗氮处理主要技术问题：合适渗氮量控制；渗氮效率；渗氮均匀性控制 渗氮主要包括三个过程：1）活
8、性N原子的分解；2）N原子表面吸附；3）N原子在钢内扩散。1.影响渗氮量的因素影响渗氮量的最主要因素是“氨气比例”,其次是“渗氮时间”,最次是“渗氮温度”.NH3比例：NH3比例直接决定NH3流量的大小，当NH3分解率一定时，NH3比例越大，氮势越高，渗氮越容易，进而渗氮量越大；NH3压力对渗氮均匀性有十分重要的影响，同等氨气流量下，NH3压力越小，渗氮量也越小；渗氮时间：理论上渗氮时间越长，渗氮量越大，但时间长易导致晶粒长大；渗氮温度：渗氮温度对于渗氮量几乎无影响，它只是会影响渗氮速度，因为NH3本身不稳定，在500下，分解率就可达到99.7%，升高温度，NH3分解率没有太大变化。另外，有研
9、究表明，当NH3含量为30%时，喷氮方式渗氮量为非喷氮方式的2.5倍。喷氮方式合适NH3含量为10-20%，非喷氮方式为20-40%；2.渗氮效率影响因素氮势的定义是指气氛提供活性氮原子的原力，=PNH3/PH21.5，氮势越大，渗氮越容易。研究表明，NH3分解率越高，氮势越低，因为只有刚好新产生的N原子接触到反应表面才算是活性N，这部分N原子才有用。1）温度一定时,随着氨分解率的降低,气氛的氮势随之升高,而且升高的速率逐渐变大；2）低氨分解率时氨流量对氮势的影响大.流量越大，氮势越大；3）分解率一定时，随氮化温度的升高,气氛的氮势也随之升高，另外，高温可促进N在钢内加快扩散。3.渗氮均匀性的
10、控制渗氮处理后，生成大量不稳定的Si3N4质点，主要集中在晶界，少量分布在晶内，这些不稳定的氮化物在750左右就会开始发生分解。为了在高温退火升温阶段生成合适的抑制剂，需要保证渗入的N原子在钢内分布均匀，并且不能往外扩散流失。因此，一般在高温退火前期采取均匀化处理2-3h使Si3N4分解产生的N原子充分扩散到钢内；另外，由于氮原子会沿着内外两个方向同时扩散，为了防止N往外流失，此时Mg2SiO4玻璃膜就能发挥作用，使得氮峰处于一个相对密闭的空间里，更有利于氮化物沿样品厚度方向均匀分布形成细小弥散的抑制剂。小结先脱碳后渗氮工艺3%Si，有Mg2SiO4底层脱碳工艺：脱碳脱火前，在3%Na2SiO
11、4水溶液中电解去油，控制Si沉积量单面0.5-7mg/m2；快升温到800左右（快升温阶段采用低的气氛露点），升到800时换气氛为PH2O/PH2=0.3-0.5，20-25%H2+N2；在800-900之间进行脱碳退火1-2min；冷却气氛为100%N2或者75%N2。预想结果：外氧化膜中为少量FeO，内氧化膜中外层为Fe2SiO4，内层为SiO2，使Fe2SiO4/SiO2=0.05-0.45；脱碳后控制O总量（550-650）*10-6 ；脱碳后：1）外层氧化膜可以通过渗氮前打磨去除，FeO与Fe2SiO4去除，内氧化层不易通过打磨去除。去除氧化膜后，渗氮容易，但渗氮时钢中的Al易氧化。
12、另外，当采用打磨掉外氧化层方式时，在后来的MgO隔离剂中，应添加Sb系或B系化合物，降低Mg2SiO4的形成温度。2）如果脱碳渗氮连续进行，可在渗氮前通过还原气氛的控制，使表层不利的氧化膜FeO被还原-“预氧化渗氮”，从而利于后续渗氮，但是有可能会使底层质量变坏。渗氮工艺：在干的H2、N2、NH3中进行渗氮，50%H2+N2，喷NH3方式，10-20%NH3；PH2O/PH20.04；渗氮温度分为高温渗氮（900-1000）和低温渗氮（750-800），温度取决于晶粒尺寸。6.5%Si：脱碳：对于高硅钢，Si含量高，由于Si与O的结合能力比Fe大，也许更容易形成SiO2，因此在脱碳阶段，可适当
13、升高露点（PH2O/PH2=0.4-0.6），以形成合适量的Fe2SiO4/SiO2。另外，Si含量高，可促进脱碳，脱碳应该比较容易；高硅钢晶粒尺寸易长大，因此脱碳应更快进行（30-60s）渗氮：与3%Si类似3%Si，无Mg2SiO4底层脱碳工艺：控制PH2O/PH2=0.01-0.15时，可不形成Fe2SiO4及FeO等铁系氧化物，配合Al2O3隔离剂时，可制得镜面质量的取向硅钢。无硅酸镁底层，表面质量较好，铁损低。但是渗氮时钢中的Al易部分被氧化成Al2O3；另外，Al2O3隔离层在高温退火时不能起到吸N或脱N的作用；而且，低的分压比会使脱碳效率明显降低。先渗氮后脱碳工艺主要技术问题：1
14、）先渗氮，优势在于渗氮时不受氧化膜的影响，渗氮更容易；2）如果渗氮时钢中含有相，则会影响N及氮化物的均匀性分布（高硅钢不必考虑相）；3）如果渗氮温度和脱碳温度相差较大，则会容易导致表层和心部晶粒尺寸差距较大，不利于二次再结晶完善；若均采用低温，晶粒尺寸均匀性较易控制，但脱碳易不充分。难点：晶粒尺寸的均匀性不易控制；脱碳效率不高。方案：渗氮处理：低温渗氮（600-750）30-60s；喷氮1-10%干NH3,100%N2机理：1）低温渗氮效率高，低能耗；最主要的是低温渗氮时在表层形成非晶Si3N4质点，由于没有氧化膜的保护，温度过高时，Si3N4会迅速分解，N易外泄；另外提高温度对于渗氮量影响不
15、大2）提高氮势有利于渗氮，因此可通过提高NH3含量，降低H2含量来实现，由于不受氧化膜的影响，因此可不需要H2。预想结果：渗氮后，渗氮量在100-300ppm，在表层形成均匀大量弥散的Si3N4非晶质点。脱碳处理：快升温到750-800脱碳1-2min；PH2O/PH2=0.3-0.5，20-30%H2+N2（升温及保温阶段）机理：1）低温快速脱碳，目的是为了防止非晶Si3N4分解（不稳定Si3N4在750-900时固溶，大于900迅速分解）；低温短时，也防止心部尺寸过大，表层尺寸过小，造成二次再结晶不完善；2）升温阶段即采取高的分压比，与先脱碳工艺不同，目的是为了防止N外泄，早一点形成Fe2SiO4氧化膜。预想结果：在保证晶粒尺寸均匀的前提下，脱碳容易不充分，晶粒尺寸易过小。脱碳渗氮同时进行主要技术问题：1）同时进行，工艺简单，但渗氮时间受脱碳影响会延长；2）此种工艺下容易造成表面初次再结晶晶粒细小，内部晶粒粗大，二次再结晶不稳定，难以获得磁性稳定的产品。方案：为了保证脱碳顺利进行，需要较高温度及氧化性气氛，800-9002-3min，PH2O/PH2=0.3-0.5,30%H2，10-20%NH3。预想结果：高温长时间，表层Si3N4质点易过快分解，难以保证渗氮量合适，另外，心部尺寸与
