磷对非合金无取向电工钢组织的影响

zhd1998cn

因为磷对磁性和力学性能有良好的影响，因此，将磷用作无取向电工钢的合金元素。磷和铁形成置换固溶体，这样就提高了钢的电阻，从而降低反复磁化，并且磷的影响程度比铝、硅或锰更大。磷促进钢强化的程度比硅大的原因在于其原子直径更小，磷原子直径为0.219nm，而硅为0.239nm（铁为0.249nm）。钢水加磷使屈服点与极限强度之比（бT/бB）提高，从而有利于非合金钢的冲压性。普遍认为，既然磷会促进晶粒增大，就对晶粒尺寸产生良好的影响。大部分的研究证实，固溶体中磷含量为0.1%，不会形成第二相。甚至在钢中碳含量0.005%条件下，磷以磷化铁Fe3P的形式沿晶界析出，随后形成共晶体Fe3P-Fe，从而导致钢材变脆。
    新利佩茨克钢铁公司开发了磷合金化的无取向电工钢生产工艺，磷含量能达0.3%。重要的是，揭示了磷对钢的显微组织和织构形成的影响。将非合金无取向电工钢（ЗНИ））0.024%C、0.08%Si、0.253%P、0.19%Mn、0.062%Al）和0.8Al类钢（0.040%C、0.24%Mn、0.043%Al、0.013%Si和0.013%P）进行了对比研究。在工业条件下冷轧到厚度为0.5mm后，进行最大限度接近工业条件的实验室退火。在820℃条件下，N2+12%H2（露点湿度+25℃）气氛中开始脱碳。在10min内均热，使碳含量不大于0.006%，然后在960℃的氮氢气氛中干燥4min再结晶。
    退火后按俄罗斯联邦国家标准21427.2要求测定磁性和力学性能。采用Neophot显微镜查明显微组织；用X-射线衍射ДРОН-4反向磁形分析法研究织构；采用透射电子显微镜（100kV）和薄片法研究非金属夹杂物。
    除磷含量外，研究钢的化学成分接近。同时碳素钢08Al的磁感应强度和磁性各向异性指标更低（见表1）。
   
                           表1  非合金无取向电工钢与08Al钢的磁性比较
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    钢种   P1.0/50  ΔP1.0/50，%  P1.5/50  ΔP1.5/50，%  B1000，T  ΔB1000，T  B2500，T ΔB2500，T
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    非合金无  2.64        3         6.10          3       1.58       0.03       1.68       0.03
    取向电工钢
    08Al钢    2.73        1         6.30          1       1.54       0.01       1.63         0
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    表2是非合金无取向电工钢与08Al钢的力学性能比较。2个钢种力学性能差别的原因在于晶粒尺寸有实质性的差别。
   
            表2  非合金无取向电工钢与08Al钢的力学性能比较
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    钢种     σT，N/mm2    σB，N/mm2    δ4，%    HV5     CKOH，%    dcp
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    非合金无      290            410        28     134     0.0035    32.5
    取向电工钢
    08Al钢         75            216        22      61     0.0042     150
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    晶粒细化使磁感应强度下降及滞后部分的单位损耗提高。尽管晶粒尺寸减小，非合金无取向电工钢的磁感应强度提高，原因是织构中立方取向比增大（见表3）。
   
                                     表3   退火后的织构参数
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    钢种                           取向的极密度                                           K*
                  {200}        {211}      {220}       {310}       {222}        {321}   
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    非合金无  28.8/28.77   22.6/22.58   8.3/8.29  11.6/11.59   18.5/18.48   10.3/10.29   0.95
    取向电工钢
    08Al钢     0.14/1.39   1.48/14.73  0.36/3.58   0.26/2.59   7.35/73.13    0.46/4.58   0.08
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    *织构系数K=(P{200}+P{310}+P{220})/(P{222}+P{211}+P{321})。
    在提高磷含量条件下，晶粒尺寸减小的事实与通常的观点不一致。为了研究磷对晶粒尺寸的影响，在实验室条件下对非合金无取向电工钢和08Al类钢的冷轧试样（0.5mm）进行梯度退火。相应的化学成分如下（%）：0.09和0.02Si；0.265和0.012P；0.064和0.024Al。在750℃条件下15min内试样进行脱碳退火，碳含量达到0.003%～0.004%，然后在干燥的氮气气氛中再结晶退火，随后均热1h（用炉子加热并冷却）。长度为700mm带钢用这样的方式放置在炉箱内，使试样最冷区的温度为500℃，最热区为1100℃，而带钢的中间区出现退火温度的许多连续过渡值。
    非合金无取向电工钢和08Al钢在750℃下脱碳后的晶粒平均尺寸为24μm和10μm。四组不同温度再结晶退火后的晶粒平均尺寸见表4。
   
              表4  晶粒平均尺寸          μm
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    温度，℃    非合金无取向电工钢    08Al钢
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      830               29              112
      960               33              250
     1050               39              125
     1100               50              104
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    列出的数据表明，在第一次再结晶条件下（脱碳退火过程中），磷能促进无取向钢获得更大尺寸的晶粒，国外研究己经证实。然而，在再结晶退火温度提高到830℃时，碳素钢的晶粒长大加快。在退火温度超过960℃下，晶粒细化的原因在于α和γ的转变。而无取向钢中没有这种转变，随着退火温度提高晶粒尺寸逐渐增大。可以得出，在无取向钢聚集再结晶条件下由于较高的磷含量，晶粒停止增大。
    使用电子显微镜分析非金属夹杂物表明，在两种研究钢中分散相的基本数量由方形（Η.Κ）和矩形（H.П）氮化物类夹杂物组成（见表5）。d为平均尺寸，N为分布密度。
   
                    表5  非金属夹杂物的平均尺寸和分布密度
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    钢种       dΗ.Κ，  NΗ.Κ，   dH.П，nm     NH.П，    dH，nm    ΣN，
               nm      ×1012cm-3                ×1012cm-3           ×1012cm-3
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    非合金无    65.6     0.70      41.2×89.5     0.05        68.9     0.75
    取向电工钢
    08Al钢      70.0     0.56      35.8×66.7     0.02        69.8     0.58
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    除了氮化物之外，同样有不规则复合氧化物夹杂，密度不超过0.10×1012cm-3，而尺寸为200～250nm，以及数量不多的圆形硫化物，尺寸为200～300nm。与碳素钢不同，无取向钢中出现大量细的分散相，具有不同于氮化物的形态特征。这种相的密度达（5.5～6.5）×1012cm-3，尺寸为5～25nm。相分布在整个晶粒体内，并且沿晶界和亚晶粒界相的密度更大。因为磷含量在08Al钢中低，可以认为在无取向钢中析出的原因在于磷含量高。通过电子衍射图分析得出，该相为磷化铁Fe3P。
    研究表明，磷合金钢中可以沿晶界析出磷化铁Fe3P。在这种情况下，热轧时磷浓度提高2～4倍，因为移动的晶界在再结晶时抑制了固溶体的磷原子。同时在热轧条件下，提高位错密度及形成亚晶粒界，能促进杂质从晶界排出。在Fe-P系合金中，在1.5%P条件下发生磷化铁Fe3P从固溶体中析出，从而引起铁合金的弥散硬化。无取向电工钢合金化用硅，促进在更低磷浓度条件下Fe3P的析出，而锰形成磷化物Mn3P，认为在0.1%P条件下同样可以形成化合物（Fe、Ti）P。因此，钢中有不同的合金元素，能在比Fe-P系合金更低的磷含量条件下，使Fe3P类弥散夹杂物析出。在0.02%P条件下含磷相弥散粒子的析出，能抑制Fe-P-C系合金的第一次再结晶。
    本研究证明，在830℃和960℃下退火的无取向电工钢中存在Fe3P弥散夹杂物。这一温度范围适合于聚集再结晶的渗透。析出的夹杂物Fe3P抑制再结晶时晶界的迁移。这个原因在于与碳素钢相比非合金无取向电工钢中晶粒尺寸更细小。显然，同样受磷含量的影响，无取向钢织构中立方取向量提高。
    结论
    研究了磷对非合金无取向电工钢组织和性能（磁性和力学性能）的影响。结果表明，由于提高了钢织构中立方取向比，磷含量高能提高磁感应强度。此外，磷能促进一次再结晶下形成更大尺寸晶粒，然而在聚集再结晶阶段析出的夹杂物Fe3P会抑制晶粒长大。