автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Формирование структуры и текстуры быстрозакаленной электротехнической стали при деформационном и термическом воздействиях

{27 ОД 3 2

московский

ордена октябрьской революции и ордена трудового красного знамени институт стали и сплавов

На правах рукописи

удк 669.018.524.85

ЛАБЕД Людмила Имрановна

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ БЫСТРОЗАКАЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.16.01 — Металловедение и термическая обработка металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедрах металлографии и пластической деформации специальных сплавов Московского института стали и сплавов.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор МАЛИНИНА Р. И.,

доктор технических наук, профессор ВОРОНЦОВ В. К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ГОРЕЛИК С. С., кандидат технических паук, СОСНИН В. В.

Ведущая организация: Институт Металлургии РАН, Москва

Защита состоится « ^ » 1992 Г- в час. на

заседании специализированного совета Д.053.08.03 по присуждению ученых степеней при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

САМАРИН Б. А.

.ериций

ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ТЕКСТУРЫ БНСТР03АКАЛЕНН0И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ СТАЛИ ПРИ ДЕФОРМАЦИОННОМ И ТЕРМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В настоящее время большое значение придается разработке магнитомягких материалов с низкими потерями на пе-ремагничивание. Сплавы Fe-Sl с содеряанием S1 больше Ъ'/., полу1 ченные обычным способом, обладая низкими потерями на перемаг-ничивание технологичны, что затрудняет их практическое применение.

Электротехнические стали с содерканием кремния более Z'/., полученные закалкой из яидкого состояния, поддаются дальнейшей холодной деформации и обладают необычной для данной толщины структурой и текстурой.

Известно, что кристаллографическая текстура микрокристаллических кремнистых сталей (МКС), полученных закалкой из яидкого состояния, характеризуется компонентой (100) (ОЧИ), рассеянной по плоскости до 20° , поэтому МКС мояет использоваться в качестве изотропной электротехнической стали.

Малая толщина и высокое содеряание кремния позволяют получать низкие потери уме в состоянии после закалки. Однако ГОСТом предъявляются требования такяе к величине магнитной индукции, а так как при увеличении содеряания кремния величина магнитной индукции снияается, то для МКС становится актуальной

проблема повышения магнитной индукции путем создания благоприятной текстуры при оптимальной структуре. Известно, что для лент кремнистых сталей, полученных закалкой из расплава по двухвалковой технологии, характерна- неоднородность структуры по толщине. Изучение особенностей формирования структуры и текстуры и их неоднородности при термическом и деформационном воздействиях представляет большой интерес с точки зрения возможности использования полученных закономерностей для улучие-. ния магнитных свойств быстрозакаленных кремнистых сталей. Однако, во всех работах авторы пытаются избавиться от неоднородности структуры по толщине ленты МКС как нежелатель-.ного фактора в ней для получения высоких магнитных свойств.

Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось по- ■ •вывение магнитной индукции В2500 МКС, полученной закалкой из жидкого состояния по двухвалковой технологии.

Достижение этой цели было связано с ревением следующих задач:

1. Исследование неоднородности структуры, текстуры и мик-. ротвердости по толщине ленты ИКС после разливки, а также ее

изменение при отжиге и холодной деформации.

2. Определение технологических путей усиления плоскостной кубической составляющей текстуры в ИКС,

Научная новизна. Установлено, что кроме известной ранее структурнрй неоднородности существует неоднородность текстуры и.микротвердости по толщине ленты ИКС, что приводит к темпера-

турно-временному различию протекания рекристаллизационных процессов по толщине ленты. Показана возможность использования этсй неоднородности для управления структурой и текстурой при термической обработке и получения ленты МКС с плоскостной кубической составляющей текстуры до 70%, в результате первичной и собирательной рекристаллизации. Установлено, что при нагреве ленты МКС или горячей смотке происходит первичная рекристаллизация. В текстуре деформации основной компонентой является (100) (ОиН), которая усиливается с увеличением степени деформации при холодной прокатке.

Практическая ценность. На основании выявленных-в работе закономерностей формирования структуры и текстуры при термическом и деформационном воздействиях определены-режимы обработки лент МКС, обеспечивающие повышение магнитной индукции В 2500.

Публикации. Основное содержания диссертации опубликовано в пяти работах.

Объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников. В работе 132_ страниц, ЗА рисунков, табл., библиограф. 100 наименований.

- 6 -Содерсакие работы.

Обаор литературы.

Рассмотрены вопросы влМния химического состава, структуры и текстуры на магнитные свойства электротехнической кремнистой стали. Проанализированы литературные данные'о различных способах закалки из яидкого состояния. Рассмотрены основные способы обработки литых лент кремнистых сталей, полученных за-палкой из расплава по двухвалковой технологии и получаемые при этом магнитные свойства. Значительная часть обзора посвящена описанию тонкой струкруры, микроструктуры и текстуры быстроза-каленных кремнистых сталей. Во многих литературных источниках указывается на структурную неоднородность по толщине лент, полученных закалкой в валки, однако отсутствуют данные о текстурной неоднородности по толщине лент ИКС. Практически во всех предлагаемых способах обработки лент, от указанной неоднородности избавляются на'первых не переделах, рассматривая ее как ненелательнув. Анализ соответствувщей научной литературы показал, что отсутствуют подробные данные о закономерностях формирования структуры и текстуры МКС при термическом и деформационном воздействиях'. '

Материал и методика исследования

Для исследования был выбран сплав Fe-Si с содерааниеи кремния 4.82. Исходная лента толщиной 0,2 мм и шириной .60-80

им была получена закалкой из расплава по двухвалковой технологии на установке ЙМКЛ-150 (ВНИИМЕТМАИ).

Основные технологические параметры получения ленты следующие: температура расплава 1600*С. радиус валков 400 мм. окружная скорость валков 8 м/сек, усилие привима валков 20 кН, скорость охлаядения 10А4 к/с. Исследовали ленту в свевезака-ленноы состоянии и в состоянии после смотки (1=700-800*0.

Холодную прокатку лент выполняли на лабораторном стане с диаметром*валков 130 мм без смазки, с обватиями 5-25%.

Огжиг лент проводили в вакуумной печи типа. СМВЛ-1,31/1В-Ь2 в диапазоне температур 700-1200 С.

Для исследования неоднородности структуры и текстуры по толщине ленту подвергали однострононнему утонению на различную глубину. Структурные и текстурные исследования проводили с помощью автоматического анализатора структуры "Зпиквант". Текстуру определяли металлографически по фигурам травления и рент-генографйчески на дифрактометре ДАРТ-2УМ в • излучении КСол методами прямых и Обратных полюсных фигур.

Была изучена неоднородность структуры (средний размер' зерен без учета ориентировки - Д и с ориентировкой (100) (ОШ - Б100) и текстуры (интенсивность линии (200) * I (200), угол отклонения плоскости (100) от идеального.половения (<*-) и полюсной плотности р ). МикротвердоЬть (Н20) измеряли с нагрузкой 20 г на приборе ПМТ-3. Для получения данных о кристаллохи-мических особенностях МКС проводили исследования методом ядерной гамма резонансной спектроскопии (ЯГРС). Спектры поглощения получены на установке, работающей в реяиме постоянных

- е-

ускорений (фирма Hisse 1„ Germany), с использованием IBM. Воспроизводимость результатов проверялась по данный 3-4 измерений.

В работе проводили измерения магнитких характеристик.

Влияние горячей смотки, холодной деформации и

термической обработки на структуру и текстуру МНС.

Лента МКС, полученная закалкой из расплава в валки, ха-. рактеризуется неоднородностью структуры и текстуры по толщине. Центральный- слой отличается более равноосным и мелким зерном.

И у поверхности, и в центральном слое ленты интенсивность . линии (200) в 2,5 раза превышает интенсивность соответствующей линии эталона, а интенсивность остальных разрешаемых от фона линий [(211), (222), (110), (310)1 не превышает интенсивности. • соответствующих линий эталона. Наблюдается значительное рассе-' яние (20 -25 ) плоскостной кубической составляющей текстуры по плоскости'(100) в приповерхностных слоях, в центральном - ые-нее 5).

Центральный слой ленты имеет более высокую микротвердость, чем приповерхностный.

В свежезакаленном состоянии магнитная индукция (В2500) составляла 1,49 Тл, удельные потери на перемагничивание (Р 1,5 /50) - (1,9-2,0 вт/кг). .

л

Горячая смотка в рулон (Т=700-800 С) усиливает структурную и текстурную неоднородность ленты МКС. В результате горячей смотки в центральном слое ленты протекает первичная и собирательная рекристаллизация, средний размер зерна

увеличивается в 4,5 раза по сравнению с исходным, микротвердость резко падает. В приповерхностных слоях структура не рек-ристаллизуется (средний размер зерна и микротвердость не изменяются). Центральный слой ленты после смотки характеризуется более сильной (до 3.5 ед. эталона) компонентой (100) (ОиИ) текстуры.

Ленты МКС в свежезакаленном состоянии и в состоянии после смотки подвергали холодной дефформации с обжатиями 5-502. Установление, что холодная деффорыация с обжатиями 102 устраняет поперечную разнотолщинность лент. Основной компонентной текс'-. туры деформации является (100) (оуц). Наблюдаются также и другие слабые компоненты [(100). (211), (310). (222), (321)]. С увеличением обжатия увеличивается компонента (100) (оуц) текстуры в центральном слое. В приповерхностных слоях-значительного изменения текстуры не наблюдается. Такое неоднородное распределение текстуры по толщине лент МНС можно объяснить условиями прокатки на сухих валках. Различие напряженного состояния в приповерхностных слоях по сравнению с центральным вследствие сил трения приво.дит к неоднородному характеру текс-' туры по толщине ленты; После холодной деформации с обжатием 57. наблюдается сильное разупрочнение, микротвердость уменьшается от 420 до 240 мПа в центральном слое и от 320 до 210 мПа в приповерхностных слоях.

Изучали влияние отжига на неоднородность структуры и , текстуры по толщине ленты МНС. Образцы ленты МНС в.состоянии

о

после закалки отжигали в интервале температур 700-1000 С с выдержкой 1 час. Результаты исследования структуры и текстуры

«

показали, что при 700 С происходит измельчение структуры в центральном слое ленты по сравнению с состоянием после закалки. Объемная доля зерен с размерами 4-8 мкм увеличивается в

1.5 раза по сравнение с лентой в закаленном состоянии. Такое изменение микроструктуры можно идентифицировать как первичную рекристаллизацию, те« более, что оно сопровождается сильным падением микротвердости. В приповерхностных слоях ленты средний размер зерен несколько увеличивется. Таким образом неоднородность, существующая в свежезакаленной ленте становится еще

более выраженной. Интенсивность плоскостной кубической составляющей текстуры в центральном слое ленты практически не меняется, рассеяние текстуры несколько увеличивается. В приповерхностных слоях интенсивность этой составляющей падает с 2,6 до

1.6 ед. эталона. При 800*С идет нормальный рост зерен в центральной части ленты. Средний размер зерна увеличивается в 4

- раза по сравнении с исходным. Этот процесс сопровождается дальнейшим падением м»кр$твеодости. Ь приповерхностных слоях ленте происходи первичная рекристаллизация - уменьшается средний размер зерен, объемная доля зерен размером 4-8 мкм увеличивается. Соотношение размеров зерен в центральном и приповерхностных слоях меняется на обратное по сравнению с исходной структурой. •

Интенсивность текстурной составляющей (100) (ovu) в центре ленты увеличивается, рассеяние ее не меняется. Приповерхностное Слои становятся практически бестекстурными. Повышение температур.» еишв 800 С приводит к выравниванию структуры, текстуры и ыйкротвердости по толщине. Таким образом с повыше-

-и -

нием температуры отиига закаленной ленты неоднородность структуры по толщине вначале усиливается, а затем ослабевает. Аналогично изменяется текстурная неоднородность по составлявшей (100) (0Ш.

Аналогичной термической обработке подвергали ленту МКС, смотанную в'рулон после кристаллизации в валках. При 800°С в результате собирательной рекристаллизации наблюдается резкое увеличение среднего размера и количества составляющей текстуры (100) (оуи) в центральном слое. В приповерхностных слоях структура и текстура изменяются незначительно. При повышенна температуры отяига происходит выравнивание структуры и текстуры по толщине ленты. Таким образом при отяиге и холодной деф-формации центральный слой ленты МКС является ведущим для процессов изменения структуры и текстуры: в нем формируется более крупнозернистая структура и более сильная компонента (100) (оуи) текстуры при отяиге и деформации. Учитывая то, что получение лент со смоткой технологически более приемлемо и то, что смотка усиливает компоненту (100) (оуи) текстуры, дальнейшие исследования проводили на .ленте ИКС, смотанной в рулон после' кристаллизации в валках.

Исследование возмовности усиления плоскостной кубической составляющей текстуры МКС

Как уяе отмечалось, центральный слой смотанной ленты МКС, занимающий до 602 объема, отличается от приповерхностных слоев более крупным зерном, низкой микротвердостью и меньшим откло-

нениям плоскости (100) от идеального положения при большей интенсивности этой составляющей. Следовательно, увеличение объема центрального слоя должно привести к улучшению текстурного состояния ленты. После смотки в центральном слое ленты протекает первичная и собирательная рекристаллизация, приповерхностные слои не рекристаллизуются, что создает различие в свободной энергии этих слоев, которое при нагреве мовет стать двивущей силой роста зерен центрального слоя в направлении к , поверхности. Движущие силы роста зерен центрального слоя обусловлены уменьшением объемной и зерноограничной энергий. Однако, эти двивущие силы уменьшатся, если при отжиге пойдет пер. ви'чная рекристаллизация в приповерхностных слоях. Необходимо было подобрать такой ревим отжига. который бы способствовал преимущественному росту зерен центрального слоя, не допуская •рекристаллизации в приповерхностных. Так как отжиг при темпе-■ ратурах выше 800° С ослабляет структурную и текстурную неоднородность, ' то ленту МКС отжигали в интервале температур 700— 800*С в течение 0.25-3 ч.

Результаты исследования структуры и текстуры показали, что при увеличении продолжительности отжига при 800 С до 1 час толщина центрального слоя увеличивается до 902 с одновременным усилением плоскостной кубической составляющей текстуры до 707. и увеличением среднего размера зерна.

При дальнейшем увеличении продолвительности отжига более • интенсивный рост наблюдается в приповерхностных слоях. Средний размер зерна в них при увеличении продолжительности отжига от 1 .до 2 час. увеличивается-в 1,8 раз, в центральном же. слое

средний размер зерна изменяется незначительно. Рост зерен приповерхностных слоев сопровождается уменьшением толщины центрального слоя и уменьшением количества плоскостной кубической составляющей текстуры (рис.1). Таким образом, отжиг при 800°С в течение i час. позволяет максимально прорастить центральный слой и повысить в нем содержание компоненты (100) (0UH) текстуры до 70%.

Так как ленты МКС, полученные закалкой из расплава, характеризуются разнотолщинностью, холодная деформация с обнати- . ями не меньше 10% является необходимой составляющей любой технологической схемы обработки ленты. Для выявления влияния холодной деформации на Формирование текстуры и структуры при последующем отжиге, ленту МКС подвергали холодной деформации с обжатиями 5-25/при 800 С в течение 0,25-2,0 час. Результаты исследования структуры и текстуры показали, что более крупное зерно и сильная компонента (100) (0UH) текстуры образуются в центральном слое после отжига при 800 С в течении 1 часа.

Результаты измерения магнитных свойств показали, что отжиг при 800 С, 1 час приводит к незначительному повышению магнитной индукции МКС (В2500=1.51 Тл) по сравнению с исходной. Это, вероятно, связано с тем, что в ленте после отжига остаются тонкие приповерхностные слои практически бестекстурные. Проведение высокотемпературного отжига может позволить прорастить центральный слой на 100% и таким образом повысить магнитную индукцию.

бреня , vac

Рис.1. Влияние продолжительности отяига при 800 С на толщину (а), текстуру (б) и структуру (в) центрального слоя ленты.

- 15-

Влияние режимов заклпчительного высокотемпературного отжига (ВТО) на структуру, текстуру и магнитную индукцию ленты МНС.

Изучали влияние высокотемпературного отжига на формирование структуры и текстуры ленты МКС. Изучение проводили на образцах сразу после смотки и предварительного отжига. Ленты МКС

о

отжигали при температурах 1000-1200 С в течение часа. Количественное изучение структуры и текстуры показало, что повышение температуры отжига до 1200°С не приводит к изменению количества плоскостной кубической составляющей текстуры, но значительно увеличивает средний размер зерна. Для более полного исследования закономерностей Формирования структуры и текстуры в процессе высокотемпературного отжига ленту отжигали при 1200 С в течение 0.25-10 час. Результаты исследования показали, что при отжиге продолжительностью 4 часа наблюдается резкое увеличение среднего размера зерна. Причем средний размер зерен с ориентировкой ШОКОМ) в 1.5 раза превышал средний размер зерен других ориентировок. Полученная зависимость площади, занимаемой зернами размерами 01, от их размера характеризуется наличием двух максимумов, далеко отстоящих друг от друга, то есть наличием 2-х групп зерен, резко различных размеров. Объемная доля крупных зерен в ленте составляет 6 % и так как размер зерен с ориентировкой (100)(0иН) значительно превосходит средний размер остальных зерен можно предположить, что в данном случае начинается аномальный рост зерен с ориен-т )овкой ПООХОиН) в качестве зародышей вторичной ректистал-

9

лизации. Нагрев при 1200 С в течение 10 часов приводит к уве-

личению количества составляющей текстуры до 60% и росту магнитной индукции ленты МКС (В2500=1.58 Тл).

Для исследования влияния холодной деформации на структуру, текстуру и магнитные свойства при последующем высокотемпературном отжиге ленту МКС подвергали холодной деформации с отнятиями 5-252 и затем отжигали при 1200°С, 10 час. Результаты эксперимента показали, что введение холодной деформации изменяет незначительно структуру и текстуру ленты МКС при последующем высокотемпературном отжиге. Предварительная холодная деформация. не ухудшает магнитных свойств ленты при последующем отжиге, устраняя при этом разнотолщинность. Наиболее высокая магнитная индукция (В2500=1.62 Тл) ленты получалась после холодной деформации с обжатием 102 и отжига при 1200 С, 10 час.

Выше было показано, что проведение отжига по оптимальному режиму (800 С, .1 час) позволило получить компоненты ШОКОМ) текстуры до 702 в центральном слое, занимающем 902 объема ленты. Однако магнитная индукция МКС, обработанной по этому режиму, увеличилась незначительно. Проведение последующего ВТО-может позволить получить структуру и текстуру оптимальные для магнитных свойств.

С этой целью ленту МКС после предварительного отжига (ПО), а также после холодной деформации и ПО подвергали заключительному отжигу при llOO'c с различными выдержками. Введение ПО усиливает плоскостную кубическую составляющую текстуры при заключительном отжиге. Кратковременный высокотемпературный нагрев ленты МКС позволяет увеличить количество компоненты UOOKO'JH) до 702 только в том случае, когда такому нагреву

предиествовал отжиг при 800 С, 1 час. Проведение высокотемпературного отжига непосредственно после горячей смотки позволяет получить лишь 302 составляющей текстуры (ЮОХОиИ). Магнитная индукция ленты МКС после отжига при 1100 С, 3 мин составила 1.59 Тл. В случае обработки, включающей кроме ПО также холодную деформацию, для получения того яе количества плоскостной кубической составляющей текстуры (70%) необходимо увелйчсниа продолжительности заключительного отжига при 1100°С до 3 часов. Магнитная индукция В2500 после такой обработки

увеличилась до 1. 82 Тл по сравнению с исходной. Проведение ПО

в

позволяет снизить температуру окончательного отжига с 1200 до 1100 С и сократить его продолжительность с 10 часов до 3 мин. для получения одинакового значения магнитной индукции В2500. На основании результатов исследования были определены схемы обработки ленты, позволяющие существенно увеличить магнитную индукцию В2500 (рис. 2).

Рис.2 Схемы оптимальной обработки ШС

- 18 -Выводи

' 1. Установлено, что в ленте МКС кроме известной ранее структурной неоднородности существует текстурная неоднородность и неоднородность микротвердости по толщине. Центральный слой ленты отличается более мелким зерном, высокой микротвердостью и меньшим отклонением плоскости (100) от идеального положения - 5*. по сравнению с 20-25 в приповерхностном слое.

2. Показано, что как при нагреве лент, так и при горячей смотке протекает первичная рекристаллизация. Существующая неоднородность ленты приводит к температурно-временному различив протекания рекристаллизационных процессов по толщине ленты.

3. Подтверждено, что длительный высокотемпературный отжиг

е

(1200 С, 10 час) непосредственно после смотки значительно уменьшает рассеяние текстуры ШОКОМ) по плоскости (100) и увеличивает магнитную индукцию В2500.

4. Разработан режим предварительного отжига (800*С, 1 час), способствующий разрастанию центрального слоя ленты до 90 7. с одновременным усилением плоскостной кубической составляющей текстуры в нем до 70%. При последующем высокотемпературном отжиге неоднородность структуры и текстуры устраняется при сохранении количества плоскостной кубической составляющей текстуры, характерной для центрального слоя. Предварительный отжиг позволяет снизить температуру высокотемпературного отжига с 1200 до ПОО'С и сократить его продолжительность с 10 часов до 3 мин. для получения одинакового значения магнитной индукции.

5. Показано, что в текстуре холодной деформации основной

компонентой является ilQOKOUK), которая усиливается с увеличением степени деформации..Проведение предварительной холодной деформации не ухудиает текстуру и магнитные свойства ленты при последующем отжиге, устраняя при этом разнотолщинность.

Основное содержание диссертации изложено в следующих материалах:

1. Анисимова М.В., Голованенко С.С.. Лабед Л.И., Нуждин Г.Д.. Поляк Е.И. Неоднородность структуры и текстуры закаленных из жидкого состояния сплавов // Известия ВУЗ. Черная мет-.- ,. 1991.- No.9.- с.75-78.

2. Анисимова М.В., Малинина Р.И., Лабед Л.И., Нуждин Г.А., Поляк Е.И. Формирование плоскостной кубической текстуры кремнистой стали, полученной закалкой из расплава. // Известия ВУЗ. Черная мет.- 1991.- No.l.- с.57-59.

3. Малинина Р.И., Лабед Л,И., Нуждин Г.А.,•• Анисимова М.В., Поляк Е.И., Ястребов И.Г. Текстурообразование при прокатке и отжиге быстрозакаленной кремнистой стали // Тезисы докладов 6-ой Всесоюзной конференции "Текстуры и рекристаллизация в металлах и сплавах".- Свердловск.- март 1991.- 18? с.

4. Анисимова М.В., Лабед Л.П., Поляк Е.И. Использование исходной неоднородности микрокристаллических кремнистых стелей для усиления кубической составляющей текстуры // Тезисы докладов 9-ой Всесоюзной конференции "Физика и металловедение электротехнических сталей и сплавов",- Минск,- сентябрь 1991.-< 138 с.

б.Малинина Р.И.. Анисимова М.В., Лабед Л.И... ПолякЕ.И., Нуидин Г.й. Положительное решение No.4925022/02 от 04.01.92.

Jfaftf