1.4. Влияние нормализационного отжига,режимов холодной прокатки, обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига на свойства электротехнической изотропной стали

Влияние нормализационного отжига горячекатаных полос на магнитные и механические свойства готовойЭИС

Исследованиями [2-4 и др.] установлено, что нормализационныйотжиг горячекатаных полос улучшает магнитные свойства готовой ЭИС. В работе [5] показано, что применение нормализационной обработки ведет к значительному росту магнитной индукции. Однако мнения исследователей в выборе режима нормализации, обеспечивающего получение ЭИС с высоким уровнем магнитных свойств, неоднозначны.

С точки зрения авторов [2], оптимальными режимами нормализации горячекатаного подката с 2,8% Si является нормализационная обработка в интервале температур 900-950 оС, выдержка 1-3 мин, охлаждение воздухом, для стали с содержанием кремния 2,8-3,1% - в интервале температур 950-1000 оС, выдержка 1-3 мин, охлаждение воздухом. Уровень магнитных свойств на металле с 2,8-3,1% Si после обработки по оптимальному режиму составил Р1,5/50 =2,70-2,85 Вт/кг, В2500=1,63-1,65 Тл, что лучше свойств стали, не прошедшей нормализационную обработку (Р1,5/50 3,21-3,38 Вт/кг).

По данным работы [3] для стали с 3,08% Si и более температура нормализации не должна превышать 900^оС, а выдержка – 1 мин. Лучшие магнитные свойства достигаются в результате нормализации при 800^оС, причем для сталис 2,86% Si требуется меньшая выдержка, а для стали с 3,13% Si - большая. Обработка ЭИС, содержащей 2,32-3,13% Si при 800^оС способствует улучшению структурного состояния горячекатаного металла, в результате чего возрастают показатели пластичности высококремнистой стали, и снижается уровень удельных магнитных потерь с 3,1-3,2 Вт/кг (без нормализации) до 2,8-3,0 Вт/кг.

В литературе также приводятся различные точки зрения о механизме влияния нормализации на магнитные свойства. Согласно [6], при нормализации не происходит явных изменений текстуры. Это позволяет считать, что положительная для магнитных свойств роль нормализации заключается в основном в изменении параметров микроструктуры – в уменьшении количества дефектов кристаллического строения и увеличении размера зерна. И то, и другое ведет к получению большего размера зерна и высокого уровня магнитных свойств в готовой стали. Кроме того, термообработка горячекатаного подката не только способствует росту зерен, но и увеличивает их равноосность и однородность структуры [7].

Очевидно, механизм влияния нормализации на магнитные свойства готовой стали зависит от температуры нормализационного отжига и химического состава стали. Как правило, низкотемпературную нормализацию применяют при массовой доле кремния более 3 %, высокотемпературную — при меньшем содержании кремния с учетом содержания углерода и других факторов. В первом случае улучшение магнитных свойств готовой стали, связано с увеличением в текстуре доли кубических ориентировок, во втором – в большей степени с увеличением размера зерен [1,8]. Этим объясняется и различие оптимальных режимов нормализационной обработки, рекомендуемых различными авторами.

Исследователями [1, 8] установлена зависимость температуры термической обработки горячекатаной полосы от содержания кремния в стали (с увеличением массовой доли кремния и температуры нормализации происхо­дит снижение уровня магнитных потерь Р_1,5/50). Анализ данных термической обработки по соотношению, представленному в [1, 8] показал, что повышение температуры нормализации с ростом содержания кремния – недостаточное условие для улучшения технологичности металла, поскольку уменьшается один из основных показателей пластичности стали - число гибов.С ростом содержания кремния требуется также более длительное время для протекания процессов полигонизации и рекристаллизации [1, 8].В работе [9] также отмечается отрицательное влияние повышения температуры нормализации на уровень удельных потерь.

Температура нормализации (tнор)в зависимости от температуры смотки (tсм) скорректирована экспериментальным путем для стали с 2,0 – 3,5 % Si [1, 8]:

tнор = (1,5 tсм – 70) ± 5.

(

В [4] изучали влияние скорости транспортировки полосы в агрегате нормализации на удельные магнитные потери (P_1,5/50). Пятьдесят семь плавок с содержанием 2,8-3,12% Si были нормализованы при 800^оС с различной скоростью транспортировки полосы. Анализ результатов экспериментов показал, что уменьшение скорости транспортировки полосы при прочих равных условиях приводит к увеличению выхода высших марок стали.

Авторами [4] было получено уравнение, описывающее зависимость P_1,5/50 от скорости транспортировки полосы и некоторых технологических параметров:

P1,5/50 = 3,444 + 0,00017585 - 0,0048078 + 14,13796139Ti + +1,73090053HB – 0,2096718Si,

(

где - скорость транспортировки полосы в агрегате нормализации, м/мин; Ti, Si – плавочное содержание титана и кремния, %; HB – объемная доля неметаллических включений в горячекатаном подкате, %.

Одним из существенных параметров нормализационного отжига является скорость охлаждения полосы от температуры нормализации до 400^оС [10]. Автором [10] была получена зависимость скорости охлаждения полосы после отжига от содержания титана, кремния и температуры нормализации: скорость охлаждения прямо пропорциональна содержанию титана и температуре нормализации и обратно пропорциональна содержанию кремния.

Повышение величины растягивающих напряжений в процессе термической обработки горячекатаных полос с 1,6 до 3,6 МПа способствует росту зерен в поверхностной зоне и увеличению доли кубической составляющей [11, 12].

Как и параметры горячей прокатки, нормализация оказывает влияние на механические свойства металла, что определяет его технологичность при холодной прокатке. В процессе проведения экспериментальных исследований [13] влияния температурно-скоростных параметров нормализационного отжига на механические свойства изотропной электротехнической стали с содержанием кремния 1,1-3,22% установлено, что увеличение температуры и продолжительности нормализационного отжига уменьшает предел текучести, временное сопротивление разрыву и число гибов горячекатаной полосы. Увеличение скорости охлаждения при отжиге улучшает прочностные и ухудшает пластические свойства подката.

Механические свойства и технологичность горячекатаной полосы после нормализации зависят от формы выделения углеродсодержащей фазы, которая определяется количеством аустенита при температуре нормализации и соотношением содержания углерода в аустените и твердом растворе [14].

Влияние холодной прокатки на магнитные и механические свойства готовой ЭИС

В результате проведенных исследований [15, 16] установлены оптимальные пределы обжатий ε_опт=70…75% при холодной прокатке изотропной стали.

Установлено [17, 18], что распределение обжатий (при неизменном суммарном) и натяжений по клетям стана холодной прокатки влияет на уровень магнитных потерь изотропной электротехнической стали. Степень влияния зависит от содержания кремния в стали. С уменьшением его содержания степень влияния на удельные магнитные потери возрастает от 0 (3% Si) до 5,8% (0,98%Si). Влияние режимов прокатки на магнитную индукцию незначительно (изменение значений индукции находится в пределах погрешности измерения).

Изучение влияния режимов холодной прокатки позволило установить [9], что снижение величины обжатияв 1 клети стана «1400» на 5 % приводит к росту диаметра зерна на 5 – 10 мкм. Кроме того, снижение обжатия с 40 – 42 % до 34 – 35 % приводит к уменьшению компоненты (111) и увеличению компоненты (110), что положительно сказывается на магнитных свойствах стали. Также была определена оптимальная величина обжатия в первой клети стана 1400, составляющая для подката стали 2,2 – 2,5 мм 34 – 37 %.

Степень обжатия при холодной прокатке определяет энергетическое состояние наклепанного металла. От этих факторов зависит кинетика процесса рекристаллизации, которую необходимо учитывать при выборе температуры отжига с целью получения однородной зеренной структуры [19].

Влияние степени обжатия при холодной прокатке на оптимальную температуру рекристаллизационного отжига связано с тем, что величина обжатия определяет размер рекристализованных зерен. С увеличением степени деформации размер зерна в рекристаллизованном металле уменьшается. Следовательно, для получения одного и того же размера при большей деформации требуется большая температура собирательной рекристаллизации. Поэтому увеличение обжатия при холодной прокатке приводит к смещению оптимальной температуры в сторону больших значений [20].

Результаты экспериментов, представленные в [21], показали неблагоприятное влияние большей толщины горячекатаной полосы и более высокого суммарного обжатия при холодной прокатке на ваттные потери и магнитную индукцию ЭИС, что обусловлено изменениями в текстуре.

В [22] исследовали влияние размера валков и смазки при прокатке сталей на их магнитные свойства. Установили, что определяющее влияние на изменение магнитных характеристик при прокатке оказывает смазка, в то время как влияние размера валков незначительно.

Влияние обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига на магнитные и механические свойства готовойЭИС

Холоднокатаную изотропную электротехническую сталь подвергают термической обработке для глубокого обезуглероживания и укрупнения зерна.

Обезуглероживающий отжиг проводят в рафинирующей атмосфере при температуре около 820 ^оС, рекристаллизационный – в защитной среде при температурах 950 – 1100 ^оС (в зависимости от степени легирования стали), когда происходит интенсивная собирательная рекристаллизация. При обезуглероживающе-рекристаллизационном отжиге на первом этапе в интервале температур 680 – 850 ^оС в основном протекают процессы обезуглероживания металла и формирования матрицы первичной рекристаллизации. На втором этапе в интервале температур 850 – 1050 ^оС обезуглероживание завершается и происходит окончательное формирование структуры. Повышение степени обезуглероживания металла перед началом подъема температуры приводит к получению в структуре более однородного зерна и уменьшению зоны внутреннего окисления [19].

В работе [23] для двух плавок ЭИС (А - 0,39% Al и Б – 0,5% Al) приведены результаты исследования влияния обезуглероживающего отжига на структуру и свойства динамной стали. Установлено, что увеличение времени выдержки более 4 мин не приводит к дополнительному обезуглероживанию. Недостаточное обезуглероживание связано с невысоким коэффициентом диффузии углерода в кремнистом феррите (до 800 ^оС) и фазе γ выше 900 – 950 ^оС. Резкое изменение магнитных свойств при обезуглероживающем отжиге наблюдалось в температурном интервале первичной рекристаллизации. Увеличение индукции В₂₅₀₀ в интервале температур 600 – 750 ^оС с 1,50 –1,57 до 1,64 – 1,67 Тл свидетельствовало о том, что в плавках полностью прошла первичная рекристаллизация, сформировалась текстура, которая практически не менялась в диапазоне температур до 1050 ^оС. В изменении магнитных потерь Р_1,5/50 прослеживалась аналогичная зависимость: они резко уменьшались в температурном интервале первичной рекристаллизации: с 11,4 – 13,5 до 4,45 – 6,93 Вт/кг в обеих плавках, а затем монотонно снижались и при 1050 ^оС достигали 2,6 – 3,0 Вт/кг в плавке А и 2,5 – 3,2 Вт/кг в плавке Б [23].

Одним из важных факторов, регулирующих структурное состояние и уровень магнитных свойств готового металла, является температура окончательного рекристаллизационного отжига, проводимого по завершению операции обезуглероживания. Однако единого мнения об оптимальных параметрах рекристаллизационного отжига нет, что может быть обусловлено различным химическим составом исследуемого металла и его чистотой по неметаллическим включениям.

Так, например, авторы работы [19] утверждают, что оптимальные магнитные свойства ЭИС могут быть получены при температурах в камере рекристаллизации 990 – 1030 ^оС.

В [19, 20] представлено уравнение для расчета оптимальной температуры окончательного рекристаллизационного отжига (tопт) в зависимости от содержания алюминия, азота, углерода, неметаллических включений в металле, и общего обжатия при прокатке применительно к технологической схеме производства ЭИС из ненормализованного подката на ОАО «НЛМК». Механизм влияния факторов, учитываемых при выборе tопт отжига авторы объяснили с позиции их воздействия на формирование зеренной структуры. В результате отжига ЭИС при температурах, близким к расчетным, улучшение показателя удельных ваттных потерь Р_1,5/50 составляет от 0,02 до 0,16 Вт/кг, повышается индукция В₂₅₀₀ в среднем на 0,02 Тл, и в большинстве случаев уменьшается анизотропия удельных ваттных потерь. Уменьшение температуры рекристаллизационного отжига относительно оптимальной как при высоком, так и при низком содержании алюминия и азота, приводит к уменьшению размера зерна и, как следствие этого, к увеличению удельных магнитных потерь за счет увеличения гистерезисной составляющей. С повышением температуры рекристаллизационного отжига происходит аномальный рост зерен, имеющих благоприятную к росту текстурную ориентировку. Развивается разнозернистость, ухудшающая магнитные свойства отожженной стали за счет увеличения вихретоковой составляющей удельных магнитных потерь в крупных зернах [20]. Кроме того, направленное формирование текстуры в ЭИС в промышленных условиях в настоящее время не освоено, и изменение текстурного состояния может носить как благоприятный, так и неблагоприятный характер. Отжиг при 1100 ^оС вызывает усиление текстурных компонент (222), (123), (112), ухудшающих магнитные характеристики, величина R значительно снижается, при этом происходит значительное увеличение магнитных потерь до Р_1,5/50 = 3,35 Вт/кг [6]. Повышение температуры отжига с 1050 до 1150 ^оС способствует увеличению магнитных потерь при одинаковых значениях магнитной индукции [24].

Авторы других работ [25, 26] температуру рекристаллизационного отжига после холодной прокатки предлагают выбирать с учетом содержания кремния и фосфора, представленные соотношения справедливы для стали с содержанием кремния 1,4 – 2,6 % и фосфора 0,05 – 0,15 %. Благодаря такой температуре устраняется разнозернистость в готовой стали, и достигается стабильный уровень магнитных свойств [25].

В [27] предлагается способ производства ЭИС, при котором температуру рекристаллизации при обезуглероживающе-рекристаллизационном отжиге выбирают не выше критической точки Ас3, в зависимости от содержания кремния и фосфора. В результате такой обработки улучшается структурное и текстурное состояние готовой стали. При этом процесс рекристаллизации происходит ниже критической точки Ас3, что обеспечивает, во-первых, повышение степени изотропности готовой стали при снижении анизотропии удельных магнитных потерь ΔР_1,5/50, во-вторых, возрастание величины отношения σ_т/σ_в, что улучшает штампуемость стали.

Таким образом, в ходе анализа обзора научно- технической литературы изучено влияние химического состава, нормализационного отжига,холодной прокатки, обезуглероживающе-рекристаллизационного отжига на магнитные и механические характеристики электротехнической изотропной стали.