無(wú)取向硅鋼夾雜物分析

羅 艷，劉 洋，張立峰，楊 文，張 瑩

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083)

無(wú)取向硅鋼夾雜物分析

羅 艷，劉 洋，張立峰，楊 文，張 瑩

(北京科技大學(xué) 冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083)

采用非水溶液電解方法來(lái)提取無(wú)取向硅鋼中夾雜物。通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察結(jié)果表明:無(wú)取向硅鋼中主要夾雜物為六棱柱的AlN、不規(guī)則硅酸鹽及球狀的鐵的硫化物和氧化物,其中AlN夾雜尺寸在1～5 μm,數(shù)量較多，還有部分AlN的復(fù)合夾雜。進(jìn)一步研究了AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理,采用了Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算出該鋼樣中AlN、MnS析出溫度分別為1 240 ℃、1 200 ℃,而Al2O3析出溫度大于1 800 ℃,從而為AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理提供了一個(gè)理論依據(jù)。

無(wú)取向硅鋼;復(fù)合夾雜物;析出;熱力學(xué)

硅鋼是電力、電子和軍事工業(yè)中不可缺少的重要軟磁合金,主要用作各種電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和變壓器的鐵芯及其他電器部件,在磁性材料領(lǐng)域中產(chǎn)量和用量最大,目前,還沒有可替代材料[1]。硅鋼的制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量是衡量一個(gè)國(guó)家特殊鋼生產(chǎn)和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。

同時(shí),隨著冶金技術(shù)不斷提高,傳統(tǒng)的有害夾雜物(如粗大的MnS、Al2O3等)已經(jīng)能夠得到有效控制。但近年來(lái),隨著大量功能鋼鐵材料的出現(xiàn),鋼中細(xì)小的夾雜物成為了夾雜物研究領(lǐng)域的重點(diǎn)[2-3]。為了弄清這些夾雜物的形成機(jī)理及更好利用或控制夾雜物,首先對(duì)夾雜物進(jìn)行全面認(rèn)識(shí)。但目前對(duì)細(xì)小夾雜物(1～3 μm)的具體研究方法的報(bào)道很少。筆者以常見含有細(xì)小夾雜的無(wú)取向硅鋼為研究對(duì)象,采用非水溶液電解獲得鋼中所有尺寸的夾雜物,為冶金工作者對(duì)今后夾雜物的研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

隨著目前夾雜物的檢測(cè)方法越來(lái)越多,在分離夾雜物的研究中也取得良好的測(cè)試方法,但是都有其局限性。本實(shí)驗(yàn)是采用非水溶液電解的方法來(lái)評(píng)估夾雜物的特性研究。實(shí)驗(yàn)采用的電解液[4]是由甲醇、丙三醇、三乙醇胺、四甲基氯化銨組成,按照一定比例配成電解液。將電解的鋼樣做陽(yáng)極,不銹鋼片做陰極。在一定溫度、恒流下,進(jìn)行電解實(shí)驗(yàn)。電解6～8 h后,取出鋼樣;采用超聲波清洗鋼樣,淘洗電解液,烘干,分離的夾雜物轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電膠上,使用SEM觀察夾雜物。本實(shí)驗(yàn)利用電子透鏡將離子束聚集成非常小尺寸的顯微精細(xì)切割儀器——聚焦離子束場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FIB)對(duì)電解出來(lái)的夾雜物進(jìn)行部分切割實(shí)驗(yàn)。外加電場(chǎng)于液態(tài)金屬離子源,可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端,再加上負(fù)電場(chǎng)牽引尖端的鎵,導(dǎo)出鎵離子束。在一般工作電壓下,尖端電流以電透鏡聚焦,經(jīng)過(guò)可變孔徑光闌,決定離子束的大小,再經(jīng)過(guò)二次聚焦以很小的束斑轟擊樣品表面,利用物理碰撞來(lái)達(dá)到切割的目的,離子束到達(dá)樣品表面的束斑直徑可達(dá)7 nm[5]。本實(shí)驗(yàn)采用無(wú)取向硅鋼板坯進(jìn)行電解,其化學(xué)成分如表1所示。

表1 硅鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)電解方法獲得的硅鋼中整體夾雜物形貌如圖1所示,夾雜物能譜結(jié)果如圖2所示。從圖中得出硅鋼中分離出來(lái)的夾雜物主要是六棱柱的AlN,球形鐵的氧化物或硫化物,不規(guī)則的硅酸鹽;但大多數(shù)為AlN夾雜,數(shù)量較多且尺寸為1～5 μm。在圖1-c、1-d中可以看出復(fù)合夾雜的存在,復(fù)合夾雜主要是AlN+MnS，AlN+Al2O3，AlN+AlN三種形式。

圖1 硅鋼分離出來(lái)得夾雜物圖

3 熱力學(xué)分析

為了綜合考慮夾雜物形成機(jī)理,需要從鋼液、凝固過(guò)程及其冷卻過(guò)程方面來(lái)探究。根據(jù)方程(1),(2)[6]計(jì)算出該鋼樣的液相線溫度(TL)和固相線溫度(TS)分別為1 798 K和1 787 K。

TL=1 536+273-{90[w(C)+6.2[w(Si)]+

1.7[w(Mn)]+28[w(P)]+40[w(S)]+

2.6[w(Cu)]+2.9[w(Ni)]+1.8[w(Cr)]+

5.1[w(Al)]}.

(1)

TS=1 536+273-{415.3[w(C)]+

12.3[w(Si)]+6.8[w(Mn)]+

124.5[w(P)]+183.9[w(S)]+4.3[w(Ni)]+

1.4[w(Cr)]+4.1[w(Al)]} .

(2)

另外,應(yīng)用Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算了該試樣中液相線溫度及鋼中主要夾雜物隨溫度變化的析出量。該計(jì)算采用帶有TCFE6數(shù)據(jù)庫(kù)的TCCS軟件進(jìn)行,其結(jié)果如圖3所示。圖3計(jì)算結(jié)果表明:該鋼樣的液相線溫度約1 540℃,與方程(1)計(jì)算的結(jié)果基本相等,同時(shí)驗(yàn)證了采用TCFE6數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算的準(zhǔn)確性；還得出了Al2O3開始析出溫度高于1 800℃,高于鋼中液相線溫度(TL),因而Al2O3夾雜在鋼液中已形核長(zhǎng)大；AlN,MnS開始析出溫度分別為1 240℃,1 200℃,其兩者的析出溫度都低于鋼液固相溫度(TS),從而可知AlN,MnS夾雜都在鋼的凝固過(guò)程或冷卻過(guò)程中形核長(zhǎng)大。通過(guò)方程(1),(2)及Thermo-Calc計(jì)算結(jié)果討論顯示:在鋼中先后析出相依次為Al2O3、AlN、MnS。該結(jié)論將為AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理提供了一個(gè)理論依據(jù)。

圖3 硅鋼中主要析出相隨溫度變化圖

4 復(fù)合夾雜形成機(jī)理

通過(guò)Thermo-Calc計(jì)算結(jié)果可以預(yù)測(cè)AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理。但由于AlN，MnS析出溫度很近,對(duì)預(yù)測(cè)該復(fù)合夾雜物形成機(jī)理造成錯(cuò)誤的判斷,因此本實(shí)驗(yàn)采用了FIB對(duì)該類夾雜進(jìn)行了剖面切割,得到其內(nèi)部形貌及物相成分,如圖4所示。

4-a 原圖 4-b 剖面圖

圖4為切割?yuàn)A雜的原始夾雜與剖面夾雜面掃描結(jié)果圖。可知該復(fù)合夾雜為AlN+MnS,通過(guò)圖4-b可看出MnS是吸附在AlN的橫截面上,而不是AlN包裹著MnS,該結(jié)果與Thermo-Calc計(jì)算結(jié)果吻合,因而得出該類夾雜是AlN先析出長(zhǎng)大,隨后MnS以周圍析出的AlN為核心,在AlN表面附著生成。該類復(fù)合夾雜形成機(jī)理示意圖如圖5-a。

圖5 夾雜物形成機(jī)理示意圖

對(duì)于AlN+Al2O3，AlN+AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理,如圖5-b所示。以AlN+Al2O3復(fù)合夾雜形成機(jī)理為例,Al2O3夾雜是在鋼液中先形核析出,隨著溫度的降低AlN開始析出,在AlN周圍若有Al2O3存在,根據(jù)最小自由能生成規(guī)律,AlN夾雜將包裹著Al2O3析出長(zhǎng)大,因而電解得到圖5-b該類復(fù)合夾雜。該結(jié)論同樣適合AlN+AlN復(fù)合夾雜形成機(jī)理。

5 結(jié)論

通過(guò)非水溶液電解的方法可以無(wú)損傷分離出鋼中各種類型的夾雜物,采用SEM/EDS觀察獲得以下結(jié)論:

1) 硅鋼中主要的夾雜物是六棱柱的AlN夾雜、不規(guī)則的硅酸鹽夾雜及球狀的鐵的氧化物和硫化物;

2) 硅鋼中存在部分AlN復(fù)合夾雜,通過(guò)Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算得到AlN、MnS各自析出的溫度為1 240℃、1 200℃;Al2O3析出的溫度則高于1 800℃;

3) AlN+AlN，AlN+Al2O3復(fù)合夾雜形成機(jī)理是AlN包裹著AlN或Al2O3夾雜;通過(guò)FIB夾雜物切割實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,AlN+MnS復(fù)合夾雜形成機(jī)理是MnS附著于AlN橫向表面生成。

[1] 張正貴,王大鵬. 無(wú)取向硅鋼的織構(gòu)與磁性[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

[2] Pak J J, J O Jo, S I Kim, et al. Thermodynamics of titanium and oxygen dissolved in liquid iron equilibrated with titanium oxides[J]. ISIJ International,2007, 47(1)：138-142.

[3] Byun J S, J H Shim, Y W Cho, et al. Non-metallic inclusion and intragranular nucleation of ferrite in Ti-killed C-Mn steel[J]. Acta Materialia,2003, 51(6):95-99.

[4] Keming F, N Ruiming. Research on determination of the rare-earth content in metal phases of steel[J]. Metallurgical Transactions A,1986, 17(2):124-124.

[5] 章壯. 聚集離子束原理及其工業(yè)應(yīng)用[J]. 內(nèi)江科技 2008(1)：119-120.

[6] 蔡開科. 連鑄與凝固[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,1992.

(編輯：賈麗紅)

AnalysisofInclusionsinNon-orientedSiliconSteel

LUOYan,LIUYang,ZHANGLifeng,YANGWen,ZHANGYing

(SchoolofMetallurgicalandEcologicalEnginnering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China)

Extracting inclusions from non-oriented silicon steel in non-aqueous electrolysis is a nondestructive method to gain inclusions. Scanning electron microscopy shows that the main inclusions in non-oriented silicon steel were hexagonal AlN, which was of large quantity, irregular silicate, spherical iron sulfide and oxide. The size of AlN inclusions ranged from 1 to 5 μm, and there were some duplex inclusions of AlN. To further study the formation mechanism of AlN duplex inclusions, Thermo-Calc thermodynamic software was used to calculat the precipitation temperatures of AlN and MnS was 1 240℃ and 1 200℃, respectively,and that of Al2O3as over 1 800℃. This study provides a theoretical basis for formation mechanism of AlN duplex inclusions.

non-oriented silicon steel; duplex inclusions; precipitation; thermodynamics

2013-08-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274034)

羅艷(1988-)，女，湖南邵陽(yáng)人，碩士生，主要從事潔凈鋼與夾雜物控制研究，(Tel)13401166593

張立峰，男，博導(dǎo)，教授，(E-mail)zhanglifeng@ustb.edu.cn

1007-9432(2014)01-0034-03

TF701.2

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