CSP流程和傳統流程生產無取向硅鋼50 W1300析出物分析

夏雪蘭，裴英豪，施立發，祁 旋，占云高

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

冷軋無取向硅鋼是制作各類電機和壓縮機電機鐵芯的重要軟磁材料之一，為進一步提升電機的性能，要求制作電機的無取向硅鋼具有低鐵損、高磁導率的特征[1]。在無取向硅鋼生產過程中，析出物通過對最終產品退火過程中晶粒長大的影響，直接影響產品的鐵損，此外也可以通過對磁疇結構的影響，間接地影響產品的磁感[2-5]。

無取向硅鋼中的析出物包含硫化物、氮化物、碳氮化物、氧化物以及它們的二元或多元復合析出物。隨著冶煉水平的提升，氧化物的含量控制水平顯著提升，對性能的影響較小。而其他種類的析出物在鋼中的形態、含量以及分布對無取向硅鋼性能特別是電磁性能的影響起著重要的作用[6]。

采用薄板坯流程生產冷軋無取向硅鋼相比于傳統流程具有投資少、流程短、能耗低等突出優點。國內具有薄板坯流程的武鋼、馬鋼、鞍鋼、唐鋼、漣鋼等企業均開展過薄板坯流程生產無取向硅鋼的生產和研究工作，薄板坯流程生產無取向硅鋼具有磁感高的顯著優勢[7,8]。

前期的工作主要集中在薄板坯流程高磁感方面的研究，較少關注薄板坯流程與傳統流程析出物種類和形貌方面的區別。本文重點分析了CSP薄板坯連鑄連軋流程和傳統流程生產50 W1300無取向硅鋼析出物種類和形貌的區別，以探索進一步提升CSP流程生產無取向硅鋼的性能改進方向。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

采用的試驗材料為CSP流程和傳統流程生產的50W1300低牌號無取向硅鋼，化學成分見表1。

表1 試驗用鋼化學成分（質量分數，%）

1.2 試驗方法

采用的儀器是配備了X射線能譜分析儀的Tecnai F20場發射透射電子顯微鏡。將試驗鋼制作成熱鑲樣，對檢測面磨拋，使用2%硝酸酒精腐蝕。將試樣從熱鑲基體上脫離之后噴碳，之后用8%硝酸酒精將碳膜與試樣基體分離，并將碳膜附在鉬網上，制成復型試樣。為了得到更大的觀測面積，選取試樣軋制表面作為檢測面，觀察復型試樣，分析第二相的形貌、分布。

使用X射線能譜分析儀對第二相做定性分析，以確定第二相的種類。為精準統計第二相的數量，在1.5萬倍的放大倍數下，對每個試樣隨機選取20個視場，統計其中第二相的數量及每個第二相的（等效）直徑。

2 結果與討論

采用CSP流程和傳統流程生產的50W1300低牌號無取向硅鋼中析出物主要為硫化物、碳氮化物以及它們的二元或多元復合析出。流程不同，析出物的種類和形貌存在著一定的差異。

2.1 典型析出物種類和形貌

2.1.1 AlN相典型形貌

圖1為不同流程中AlN的典型形貌，AlN析出相呈較規則多邊形，多數為單獨析出，部分與少量MnS、CuXS復合析出。復合析出時硫化物以先析出的AlN為核心。不同流程AlN的形貌基本類似。CSP流程的AlN析出相尺寸主要是200 nm左右和50 nm左右；傳統流程AlN的尺寸主要為250 nm左右，還有少量的100 nm以下的細小析出。

圖1 不同流程AlN的典型形貌和能譜

2.1.2 CuXS/MnS相典型形貌

圖2為不同流程產品的CuXS與MnS析出相。MnS、CuXS的單獨或復合析出相，在透射電鏡下MnS為長徑比接近4∶1的圓棒或者近似圓球形，CuXS為圓球形。圓棒狀的MnS典型尺寸在200～250 nm，圓球形的MnS和CuXS典型尺寸在100 nm以下。根據前期的研究結果，可以確定圓球狀的CuXS與MnS是典型的鐵素體相析出，圓棒狀的MnS是典型的奧氏體析相析出。

圖2 不同流程CuXS/MnS典型形貌和能譜

CSP流程中的CuXS和MnS基本呈單獨存在，且主要為圓球形，而傳統流程中MnS主要為尺寸在200～250 nm左右的圓棒狀，數十納米的圓球析出相主要為CuXS，很少為MnS。

鑄坯加熱過程中材料處于奧氏體相區，主要表現為析出相的奧氏體析出。由于AlN優先析出，后析出的硫化物會以先析出的AlN為核心形核，形成尺寸較大的復合析出。隨著溫度逐步降低，材料進入α和γ兩相區，由于Mn和Cu在鐵素體的擴散系數遠大于在奧氏體的擴散系數，析出相主要在鐵素體相中或鐵素體和奧氏體相間析出，表現為圓球狀。

CSP流程鑄坯冷卻速度快、在爐加熱時間短，析出相形成元素處于超固溶狀態，此外，MnS和CuXS最快析出溫度比較接近，不存在競相析出現象，因此觀察到大量的CuXS和MnS。而傳統流程鑄坯經歷了α→γ→α的相變過程，且鑄坯加熱時間長，因此在加熱過程中可以充分析出，近似接近平衡析出，熱軋過程中的析出量相對較少。

2.1.3 Ti(CN)相典型形貌

不同流程TiCN+CuXS/MnS典型形貌和能譜見圖3，從圖3可見，CSP流程生產的50 W1300樣品中存在大量Ti含量高的析出相，根據文獻[9]推測該相為Ti(CN)。析出相呈規則四邊形，尺寸較小，多數獨立存在，觀察到Ti(CN)偏好于在圓形的CuXS/MnS相附近析出，部分Ti(CN)相與CuXS/MnS形成復合析出相，復合析出時復合相多呈一半四方形一半圓形。傳統流程生產的50W1300樣品中并未觀測到Ti(CN)析出相，析出相的尺寸一般在50～70 nm。

圖3 不同流程TiCN+CuXS/MnS典型形貌和能譜

2.1.4 析出物種類統計分析

圖4為不同流程析出物種類統計對比。由圖4可以看出，傳統流程生產的50W1300析出物種類主要為AlN相、CuXS/MnS相、AlN＋CuXS/MnS復合相，而CSP流程析出物除含有這三類析出物外，還有大量細小的Ti(CN)及Ti(CN)和CuXS/MnS復合析出相。

圖4 兩種流程析出物種類對比

在碳氮含量基本相當的情況下，CSP流程生產的鋼中Ti含量控制水平明顯偏高，導致Ti(CN)的析出順序優先于AlN，加之CSP較快的冷卻速度，熱軋過程中Ti(CN)的析出量大于傳統流程，且析出物更為彌散細小。

2.2 析出物尺寸

析出物對最終產品性能的影響，不僅體現在析出物的種類和形貌，析出物的數量和尺寸也起著重要的作用。圖5為兩種流程析出物尺寸分布情況，傳統流程生產的50W1300析出物平均尺寸在208 nm左右，主要為大于100 nm的析出物。CSP流程析出物平均尺寸在69 nm，尺寸主要分布在50～100 nm。采用傳統流程生產時，析出物平均尺寸顯著大于CSP流程，這對獲得較大尺寸的成品晶粒尺寸是有利的。

圖5 兩種流程析出物尺寸對比

圖6和圖7為兩種流程析出物尺寸分布情況。由圖可以看出傳統流程中析出物主要為100 nm以上的AlN，此外還有少量200 nm以上的CuXS/MnS、AlN與CuXS/MnS的復合析出相以及少量的100 nm以下細小的三種類型的析出物。CSP流程中100 nm以上的析出物主要為CuXS/MnS，面積百分比較少；主要為100 nm以下的Ti(CN)、AlN及CuXS/MnS的單相或復相析出。細小析出物面積百分比占80%以上。

圖6 傳統流程不同尺寸范圍析出物情況

圖7 CSP流程不同尺寸范圍析出物情況

這樣的析出物種類和尺寸分布，會大幅增加CSP第二相粒子對最終退火過程中再結晶晶粒的長大阻礙作用，從而惡化產品的鐵損。這一點與最終產品性能結果相吻合。CSP流程生產的同牌號產品鐵損比傳統流程高0.2 W/kg左右。

3 結論

（1）采用傳統流程生產的50 W1300析出物主要為AlN、CuXS/MnS的單相或復合析出物，而采用CSP流程生產的50 W1300的析出物除上述三類析出物外，還存在大量的Ti(CN)單相或復合析出物；

（2）采用CSP流程生產的50 W1300析出物平均尺寸明顯比傳統流程細小，對產品晶粒長大抑制能力更強，試驗鋼析出物的平均尺寸分別為208 nm和69 nm。