第7講 電磁熱強(qiáng)性能控制

張貴杰Tel-Mail：zhguijie@河北聯(lián)合大學(xué)金屬材料及加工工程系金屬塑性變形理論

第七講3/21/20241第四章鋼材的性能控制主要內(nèi)容MainContent金屬的強(qiáng)化機(jī)制

強(qiáng)韌性能控制沖壓性能控制電磁性能控制熱強(qiáng)性能控制3/21/202424.4電磁性能控制對(duì)電磁性能的要求影響電磁性能的因素軋制工藝參數(shù)的控制3/21/202434.4.1對(duì)電磁性能的要求磁感應(yīng)強(qiáng)度高、導(dǎo)磁率高。硅鋼片是用來(lái)制造變壓器和電機(jī)鐵芯的材料。鐵芯的磁化是靠繞在上面的線圈通電后所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣，對(duì)一定的外磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的高低即可表明鐵芯磁化的難易。磁感應(yīng)強(qiáng)度越高，越易磁化。磁感應(yīng)強(qiáng)度乃為考核硅鋼片質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一。3/21/20244鐵芯損失小。鐵芯損失簡(jiǎn)稱鐵損，它是指單位重量硅鋼片在交變磁場(chǎng)下的功率損耗。鐵損小時(shí)，變壓器的體積減小，冷卻條件簡(jiǎn)化，可節(jié)省原材料和電能。在鐵損中包括有磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗。鐵損也是衡量硅鋼片質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。鐵損常用符號(hào)P來(lái)表示。3/21/20245磁各向異性。用鐵硅單晶體進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)得知，[100]晶向?yàn)樽钜状呕姆较?，而[111]晶向?yàn)樽铍y磁化方向。在制造電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子時(shí)，一般都是將硅鋼片沖成多槽圓片，然后把這些圓片疊成鐵芯。因此，采用取向硅鋼片不合理。所以，對(duì)電機(jī)硅鋼片的要求是磁各向異性越小越好。作變壓器用的冷軋取向硅鋼片，要求軋制方向?yàn)閇001]晶向，軋制面為(001)晶面或(011)晶面。這時(shí)軋向就是易磁化方向。制造變壓器時(shí)，一般將硅鋼片剪成片條，再疊成方形鐵芯，也有時(shí)用硅鋼片卷成鐵芯。在這些情況下，用冷軋取向硅鋼片(或帶鋼)可保證鐵芯的磁化方向與易磁化的軋制方向一致。3/21/20246磁致伸縮要小。當(dāng)硅鋼片類軟磁材料磁化時(shí)，試樣在長(zhǎng)度方向、寬度方向上尺寸發(fā)生變化，即發(fā)生伸縮現(xiàn)象。此伸縮現(xiàn)象稱為磁致伸縮。變壓器鐵芯在工作時(shí)發(fā)出的嗡嗡的噪音主要與此有關(guān)。要求磁致伸縮越小越好。3/21/20247良好的表面質(zhì)量和均勻的厚度。硅鋼片的表面質(zhì)量良好和厚度均勻可提高鐵芯的填充系數(shù)(即一垛硅鋼片的實(shí)際體積與理論體積之比)。填充系數(shù)提高1％，相當(dāng)于鐵損降低2％，磁感應(yīng)強(qiáng)度提高1％。用表面不平或厚度不均的沖片制成的鐵芯，當(dāng)螺絲擰緊時(shí)，凸出的接觸部分會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力而使磁性下降。厚度不均時(shí)，噪音增大，電機(jī)振動(dòng)增大。3/21/202484.4.2影響電磁性能的因素晶粒大小晶粒取向夾雜物的影響化學(xué)成分磁性材料的厚度3/21/20249晶粒大小硅鋼片的晶粒大小是指退火后鐵素體晶粒的大小而言。一般認(rèn)為，硅鋼片的晶粒越大，磁性越好。晶粒粗大會(huì)使總的晶粒邊界減少。這樣，就減少了由于夾雜的存在，晶粒的混亂、位錯(cuò)、空穴等缺陷的聚集而造成磁阻較大的現(xiàn)象。所以，晶粒增大，晶界減少，磁阻降低。從而使矯頑力和磁滯損耗減少。3/21/202410圖中示出含4％Si的硅鋼片的晶粒大小與磁滯損耗的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，晶粒越大，磁滯損耗也越小，且成直線關(guān)系。3/21/202411晶粒增大，也存在不利的一面，也就是會(huì)使渦流損耗增加。這是因?yàn)椋ЯＴ龃髸r(shí)，晶界相對(duì)減少，使渦流回路電阻減小。此外，晶粒尺寸增大時(shí)，磁疇尺寸也增大，使磁疇在移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的困難增大，使鐵損增加。這樣，在討論晶粒大小對(duì)磁性影響時(shí)，必須對(duì)上述有利因素和不利因素進(jìn)行綜合考慮。有的認(rèn)為，對(duì)于成分、厚度、織構(gòu)基本一定的0.35mm的硅鋼片，晶粒直徑為1－1.5mm時(shí)其鐵損值急劇下降，而晶粒尺寸大于上述數(shù)值時(shí)，鐵損反而增加。3/21/202412晶粒尺寸對(duì)具有相同取向度和化學(xué)成分的3.25％硅鋼樣晶鐵損的影響1－400赫，2－50赫3/21/202413晶粒取向硅鋼的組織是由體心立方的a－Fe固溶體的晶粒所組成。其磁性能沿各晶向方向不同。有的方向的磁性最優(yōu)，稱為易磁化方向，而又有的方向磁性最差，稱為難磁化方向。[100]方向磁性最好，[111]方向磁性最差，而[110]方向居于其間。在高斯織構(gòu)中，易磁化的[100]方向平行于軋制方向，(110)晶面平行于軋面。在立方織構(gòu)中，[100]方向平行于軋向，(001)晶面平行于軋面。3/21/202414鐵單晶體的磁方向性(110)[001]織構(gòu)(100)[001]織構(gòu)3/21/202415在<100>方向上所以具有優(yōu)良的磁性是因?yàn)槊總€(gè)磁疇的磁化矢量分布于這個(gè)晶體軸上。在平時(shí)，由于許多磁疇的相互混亂排列而不顯示磁性。但磁化時(shí)，由于磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)到一致的方向，而顯示出磁性。原先分布在<100>方向上的磁疇能量最低，磁化時(shí)消耗的能量也最少，所以最易磁化，磁滯損耗也最小。3/21/202416夾雜物的影響硅鋼中的非金屬夾雜物對(duì)硅鋼片的磁性和成品的織構(gòu)的形成有很大影響。為區(qū)別非金屬夾雜物對(duì)磁性和成品織構(gòu)形成的影響，可把非金屬夾雜物，人為地區(qū)分為有利夾雜和有害夾雜兩種。有利夾雜物一般為非穩(wěn)定夾雜物有害夾雜物一般為穩(wěn)定夾雜物鋼中的夾雜物一般都是非磁性或弱磁性的。由于夾雜物的存在，會(huì)造成晶格畸變，位錯(cuò)、空位等晶格缺陷和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，使磁化阻力增大，矯頑力增大，從而使磁滯損耗增加。夾雜物的影響程度與其數(shù)量、形狀和彌散程度有關(guān)。夾雜物越細(xì)小影響程度越大。3/21/202417作為有利夾雜物需具備以下兩個(gè)主要條件：能夠強(qiáng)烈地阻止初次再結(jié)晶晶粒的正常長(zhǎng)大，并其質(zhì)點(diǎn)細(xì)小而又彌散均勻分布在二次再結(jié)晶溫度范圍(820～1000℃)，有利夾雜應(yīng)聚集，隨溫度的升高而溶解，促使二次再結(jié)晶晶粒非連續(xù)性突然長(zhǎng)大，并能在高溫下(高溫成品退火)除掉。3/21/202418一定數(shù)量的有利夾雜在鋼中能夠均布的彌散析出，以限制初次再結(jié)晶晶粒的正常長(zhǎng)大，而能讓作為二次再結(jié)晶晶核的(110)[001]晶粒得到優(yōu)先的長(zhǎng)大。當(dāng)溫度升高到某一定溫度后，這些夾雜物便突然溶解或聚集而進(jìn)行二次再結(jié)晶，使(110)[001]取向的一些個(gè)別大晶粒吞并周?chē)某醮卧俳Y(jié)晶的小晶粒而長(zhǎng)大，獲得(110)[001]織構(gòu)。于二次再結(jié)晶后，這些夾雜物已完成了它的有利作用，并在更高的溫度下，由于退火氣氛H2的作用而將S和N除掉或在高溫下使這些夾雜物聚集成更大的顆粒而減少其有害的影響。3/21/202419有利夾雜物主要有：MnS

利用MnS作有利夾雜的歷史很久，而且應(yīng)用的也最普遍。但其缺點(diǎn)是：熱軋時(shí)板坯加熱溫度要高(一般>1300℃)；最終退火溫度要高，時(shí)間要長(zhǎng)，才能將硫脫掉；硫化物容易在氧化物夾雜附近聚集。因此氧化物必須少。并在鋼中必須脫凈，才能使硫化錳起到有利的作用。AlN

利用AlN作為有利夾雜是很有前途的。高磁感的H1B硅鋼片在生產(chǎn)中就是利用AlN作為有利夾雜。3/21/202420化學(xué)成分硅在鐵碳平衡圖中可以縮小g區(qū)。當(dāng)鋼中的含碳量和含硅量適宜時(shí)，可使鋼在加熱和冷卻中不發(fā)生相變，皆為鐵素體組織，而使高溫退火形成的織構(gòu)不會(huì)在冷卻時(shí)因相變而遭到破壞。這就使鋼有條件進(jìn)行高溫退火。硅加入鐵中形成替代固溶體，對(duì)原子晶格發(fā)生畸變的影響較小，對(duì)脫碳和形成織構(gòu)有利。硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。它不僅不與碳化合形成穩(wěn)定的化合物而且能使碳由對(duì)磁性有害的滲碳體凝聚成害處較小的石墨。硅在鋼中可使電阻增加，降低渦流損耗；硅促使鐵素體晶粒粗化，使矯頑力降低，降低晶體的各向異性，使磁化容易，磁滯損耗下降。2009-9-21-23/21/202421鋁在鐵中的作用與硅相似。它使g區(qū)縮小，使鐵素體晶粒粗化。Fe－Al合金具有高的電阻率，使渦流損耗降低。鋁可使鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，使材料變脆。如果在鋼中存在顆粒細(xì)小的Al203時(shí)，對(duì)磁性的影響極壞。在生產(chǎn)取向冷軋硅鋼片時(shí)，在硅鋼中，生成一定數(shù)量和大小合適的AlN，作為有利夾雜。碳在鐵硅合金中是一種有害的元素。它在鐵中以間隙固溶體狀態(tài)存在，使晶格產(chǎn)生畸變，內(nèi)應(yīng)力增加。因而使導(dǎo)磁率降低，磁滯損耗增加。所以，一般在冶煉硅鋼時(shí)的含碳量控制在0.05~0.08％以下，經(jīng)過(guò)以后退火時(shí)的再脫碳可使之降至0.02％以下。3/21/202422錳為擴(kuò)大g區(qū)元素，使硅鋼片在加熱和冷卻中易發(fā)生相變。錳提高碳在鐵中的溶解度，對(duì)脫碳不利。錳可使磁滯損耗增加，但由于增加了電阻率又使渦流損耗下降。硅鋼中含有少量的錳能改善鋼的塑性。此外，為了形成MnS有利夾雜必須有一定的含錳量。硫是硅鋼中有害元素之一。它是間隙式原子，在體心立方晶格中引起晶格的歪扭，使內(nèi)應(yīng)力急劇增加。它對(duì)磁性能是極為有害的，使矯頑力和磁滯損耗增加，使磁感應(yīng)強(qiáng)度下降，使晶粒變小。此外，由于低熔點(diǎn)的硫化鐵存在于晶界上，可引起鋼的熱脆。但在生產(chǎn)冷軋取向硅鋼片的過(guò)程中，應(yīng)含有一定量的硫和錳，以生成MnS有利夾雜。3/21/202423磷的作用和硅相似，溶解于鐵中為替代式固溶體。它能使g區(qū)縮小，使晶粒粗大和鋼的電阻率升高。這樣，磷可使嬌頑力和磁滯損耗降低，使渦流損耗降低。磷增加鋼的冷脆性，使冷加工困難。氮、氫、氧：氮為擴(kuò)大奧氏體的元素，成間隙式固溶于鐵中，使矯頑力升高，導(dǎo)磁率降低。氮在鋼中可與鋁形成AlN有利夾雜，提高冷軋硅鋼的取向度；氫大都是間隙式溶于鐵中，使矯頑力和鐵損增加；氧對(duì)硅鋼片也是一個(gè)極為不利的因素。它象碳一樣，劇烈地降低磁性，使鐵芯損耗升高，導(dǎo)磁率和磁感應(yīng)強(qiáng)度下降。3/21/202424磁性材料的厚度磁性材料的厚度，例如硅鋼片的厚度，對(duì)材料的鐵損有比較明顯的影響。其他條件相同時(shí)，隨著厚度的減小，渦流損耗降低。對(duì)于整塊硅鋼和疊片硅鋼做的鐵芯，由于疊片硅鋼的每一片產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)較小，則疊片后的渦流耍比整塊時(shí)小的多。鋼片的厚度越小，渦流就越小，因而渦流損失也越小。硅鋼片的厚度對(duì)磁滯損耗也有影響。由于硅鋼片的變薄，在單位厚度的鐵芯內(nèi)的界面增多，使磁化阻力增加，矯頑力增大，因而也就使磁滯損耗升高。3/21/2024254.4.3軋制工藝參數(shù)的控制加熱制度的控制熱軋制度的控制冷軋制度的控制3/21/202426加熱制度的控制高溫加熱和長(zhǎng)時(shí)間保溫可使有利夾雜充分固溶。而快速熱軋和快速冷卻又使有利夾雜析出的顆粒細(xì)小和分布均勻，對(duì)冷軋后初次再結(jié)晶晶粒的正常長(zhǎng)大起到均勻阻礙作用。使有害夾雜在高溫聚集，例如氧化物夾雜經(jīng)高溫加熱和長(zhǎng)時(shí)間保溫后，其尺寸為1～10μm，而經(jīng)一般的加熱后小于1μm。氧化物夾雜的尺寸越細(xì)小，分布越彌散對(duì)磁性越有害。減少鋼錠中硅和其它夾雜的偏析觀象。否則，偏析會(huì)產(chǎn)生不良的影響。例如11.5噸的鑄鋼枝晶內(nèi)的硅比其周?chē)貐^(qū)要低0.6％～0.7％。加熱時(shí)，貧硅區(qū)會(huì)出現(xiàn)奧氏體，冷卻時(shí)會(huì)發(fā)生相變而破壞織構(gòu)和局部晶粒細(xì)化等。由于板坯加熱溫度的提高，勢(shì)必導(dǎo)致終軋溫度的升高。為了不使晶粒過(guò)分長(zhǎng)大和Fe3C的大塊析出，應(yīng)在終軋后立即將帶鋼迅速冷卻到600～700℃，進(jìn)行低溫卷取。3/21/202427熱軋制度的控制在熱連軋機(jī)上軋制取向板帶卷時(shí)，沿帶鋼厚度方向上，表面層為等軸晶粒區(qū)，中心層為拉長(zhǎng)的變形晶粒區(qū)。區(qū)域性晶粒組織各層的厚度與加工條件有關(guān)。在工業(yè)生產(chǎn)條件下，最后一軋制道次的壓下率由10～15％提高到17～20％時(shí)，等軸區(qū)加深。壓下率增大到25～30％時(shí)，等軸區(qū)深度幾乎增加一倍。65～70％壓下率時(shí)，表面層和中心層的晶粒尺寸差別達(dá)到最小值。熱軋板卷的卷取溫度對(duì)最終產(chǎn)晶的磁性也有影響。卷取溫度低的板卷比卷取溫度高的板卷有更高的磁性。3/21/202428冷軋制度的控制為了形成(110)[001]二次再結(jié)晶織構(gòu)，必須在冷軋帶鋼中存在(111)[112]取向的晶粒。因此，需對(duì)總壓下率、道次壓下率等因素加以控制。在總壓下率的影響中，一般認(rèn)為第二次冷軋的總壓下率對(duì)磁性的影響較大。實(shí)驗(yàn)指出，第二次冷軋總壓下率以50％為好，成品(110)[001]取向度最高，鐵損最低。當(dāng)軋制道次減少和相應(yīng)地增大道次壓下率時(shí)，電磁性能為好。3/21/202429退火以及涂絕緣層等對(duì)提高硅鋼片的電磁性能也是極其重要的。初退火的主要目的是使組織均勻化，因熱軋板卷沿其斷面上晶粒大小和分布是不均勻的。在初退火過(guò)程中，中心部位的拉長(zhǎng)晶粒有足夠的溫度和充分的時(shí)間進(jìn)行再結(jié)晶，產(chǎn)生等軸晶粒，使帶材的中部和表面層晶粒達(dá)到均勻化。初退火也有脫碳作用。硅鋼片經(jīng)第一次和第二次冷軋后要分別進(jìn)行中間退火和脫碳退火。前者的目的是發(fā)生初次再結(jié)晶，消除加工硬化，產(chǎn)生部分(110)[001]織構(gòu)和進(jìn)行脫碳；而后者的目的是脫碳和形成SiO2薄膜。3/21/202430冷軋取向硅鋼片經(jīng)涂隔離層(Mg0)之后必須進(jìn)行成品高溫退火。其目的是；(1)完成二次再結(jié)晶，使成品獲得高的取向度；(2)減少和去除鋼中的夾雜或使之聚集；(3)進(jìn)一步脫碳和改變碳在鋼中的狀態(tài)，使碳石墨化。拉伸平整退火的主要目的是消除高溫退火后板卷產(chǎn)生的瓢曲和浪形等使鋼帶平直，降低磁致伸縮，改善磁織構(gòu)，降低鐵損，減小變壓器噪音。此外，必須在鋼帶上涂絕緣層以提高層間電阻和防銹耐蝕的能力。涂絕緣層和拉伸退火同時(shí)進(jìn)行。因此，確定拉伸退火溫度時(shí)，要考慮涂層燒結(jié)的要求。3/21/2024314.5熱強(qiáng)性能控制熱強(qiáng)性能的概念影響熱強(qiáng)性能的因素工藝參數(shù)的控制3/21/2024324.5.1熱強(qiáng)性能的概念高溫合金、耐熱鋼等熱強(qiáng)金屬材料是現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)、艦艇燃汽輪機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以及原子能、石油化工等各方面所必須的金屬材料。熱強(qiáng)性能是熱強(qiáng)金屬村料的重要指標(biāo)。3/21/202433熱強(qiáng)金屬材料在使用過(guò)程中要承受一種或多種形式的應(yīng)力作用，要求它在使用中首先要有抵抗塑性變形和斷裂的能力。另與使用溫度關(guān)系密切與承受載荷的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)不僅室溫下的性能不能完全代表高溫下的性能，而且短時(shí)間條件的性能也不能完全代表長(zhǎng)時(shí)間條件下的性能。所謂熱強(qiáng)性能是指材料在高溫和外加載荷(短期或長(zhǎng)期)的同時(shí)作用下，抵抗塑性變形和破壞的能力。3/21/202434熱強(qiáng)性能高溫蠕變極限高溫、小應(yīng)力、長(zhǎng)時(shí)間高溫持久極限高溫、長(zhǎng)時(shí)間、斷裂高溫下的屈服極限高溫下的強(qiáng)度極限高溫疲勞極限高溫、周期應(yīng)力高溫短時(shí)拉伸性能3/21/2024354.5.2影響熱強(qiáng)性能的因素在高溫和應(yīng)力作用下，晶界的主要表現(xiàn)：原子或空位以較大的速度進(jìn)行擴(kuò)散，使晶界變成薄弱環(huán)節(jié)；晶粒沿晶界產(chǎn)生粘滯性流動(dòng)，使蠕變加速。隨溫度的升高，晶界強(qiáng)度顯著降低。3/21/202436在等強(qiáng)溫度以下，晶界強(qiáng)度大于晶粒強(qiáng)度，變形主要在晶較內(nèi)進(jìn)行，斷裂形式為穿晶斷裂，而在等強(qiáng)溫度以上，形變主要發(fā)生在晶界，斷裂為沿晶形式。等強(qiáng)溫度曲線當(dāng)變形速度減慢時(shí)，一般，晶粒強(qiáng)度變化很小，甚至沒(méi)有變化，可是晶界強(qiáng)度則由于變形速度的減小(易產(chǎn)生粘性流動(dòng))而降低。這時(shí)，等強(qiáng)溫度便由原來(lái)的了T1降到T2。23/21/202437在等強(qiáng)溫度以上的高溫條件下，晶粒越粗，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目越少，晶界面積相對(duì)減少，容易產(chǎn)生斷裂的地方越少，熱強(qiáng)性能也就越高。相反，在等強(qiáng)溫度以下，晶粒越細(xì)，晶界面積相對(duì)增多，因而細(xì)晶粒材料的強(qiáng)度高。為提高熱強(qiáng)材料的熱強(qiáng)性能，采用粗晶材料比細(xì)晶材料為佳。粗晶粒材料的塑性低，抗疲勞能力差，工作中容易疲勞。粗晶粒高溫合金的抗氧化和抗腐蝕性能差。和雜質(zhì)分布有關(guān)。對(duì)具體合金究竟采用何種晶粒度級(jí)別，主要看工作條件及其對(duì)合金性能的要求而定。3/21/202438不均勻的晶粒組織對(duì)合金的性能也有重要的影響。當(dāng)晶粒大小不同時(shí)，其塑性和抗力也就不同，在承受裁荷時(shí)就會(huì)造成變形不均，使材料過(guò)早的斷裂。各鋼種由于化學(xué)成分和生產(chǎn)條件的不同，所產(chǎn)生的晶粒不均也有差異。晶粒的帶狀組織也是晶粒不均的表現(xiàn)，會(huì)使材料的高溫性能(如持久性能)下降。在這種情況下，裂紋將沿大小晶粒的交界處伸展。在生產(chǎn)中保證材料得到均勻而又合乎要求的晶粒度是提高材料使用性能的一個(gè)重要方面。3/21/2024394.5.3工藝參數(shù)的控制變形溫度、變形程度和變形速度固溶處理形變熱處理3/21/202440變形溫度由于高溫合金具有再結(jié)晶開(kāi)始溫度高、再結(jié)晶速度低和硬化傾向大的特點(diǎn)，決定了終軋溫度不能過(guò)低。如果終軋溫度過(guò)低，再結(jié)晶進(jìn)行的不完善，則所獲得的合金組織就不均勻。當(dāng)降低高溫合金的終軋溫度時(shí)，由于強(qiáng)化相的析出，使合金出現(xiàn)明顯的多相組織，使不均勻變形增加，導(dǎo)致產(chǎn)生晶粒大小不等的帶狀組織和高的殘余應(yīng)力，這也會(huì)大大降低高溫合金的機(jī)械性能和物理性能。終軋溫度也不能太高，以免引起晶粒粗大。因此，終軋溫度是保證無(wú)相變重結(jié)晶的高溫合金獲得所需組織的重要因素。3/21/202441變形程度為使合金具有一定大小的晶粒度，必須給以相應(yīng)的變形程度。但在具體確定變形程度的大小