Введение к работе
Актуальность работы. Электротехническая анизотропная сталь (ЭАС, технический сплав Fe-3%Si, трансформаторная сталь) – важнейший магнитно-мягкий материал, использующийся для изготовления магнитопроводов и магнитоактивных частей разнообразных электротехнических устройств. В настоящее время ЭАС выпускается 13 крупнейшими мировыми металлургическими холдингами на 17 предприятиях по пяти различным технологиям (~2,2 млн. тонн в 2008 г.). Несмотря на продолжительную историю развития кремнистых сталей (1900 г. – открытие W.F. Barret, W. Brown, R.A Hadfield положительного влияния кремния на удельные потери в стали, 1934 г. – изобретение N.P.Goss метода получения холоднокатаной текстурованной стали), некоторые процессы структурообразования в стали и, соответственно, технологические аспекты производства ЭАС остаются непонятными.
Высокие магнитные свойства ЭАС обеспечиваются наличием в ней совершенной текстуры (110)[001] (ребровая текстура, текстура Госса). Только однофазное (ферритное) состояние при высокотемпературном отжиге (ВТО) позволяет сформировать полноценную текстуру при вторичной рекристаллизации (ВР) в ЭАС. Механизм текстурной наследственности при деформациях и рекристаллизациях материала, при реализации которого формируется матрица ВР, также предполагает нахождение стали в однофазном состоянии. Однако на первых стадиях промышленной цепочки производства ЭАС в ней содержится углерод в количестве ~ 0,02…0,05 мас. %, что приводит к тому, что при характерных температурах горячей прокатки (ГП) и отжига горячекатаного подката в стали может содержаться до ~ 30…50 % аустенита. Наличие g-фазы на начальных переделах производства ЭАС должно оказывать существенное влияние на процессы структуро- и текстурообразования и, соответственно, на конечные магнитные свойства стали.
Современная ЭАС по существу является композиционным материалом, состоящим из магнитной основы и электроизоляционного покрытия (ЭП), представляющего собой многокомпонентную металлокерамическую плёнку. Формирование ЭП – многостадийный процесс, включающий несколько операций ХТО (обезуглероживающий отжиг – ОО, нанесение термостойкого покрытия, формирование грунтового слоя (ГС) в процессе ВТО, собственно нанесение электроизоляционного покрытия). Несмотря на то, что технологические цепочки производства ЭАС сложились достаточно давно, процессы, происходящие на поверхности стали, остаются во многом непонятными (по крайней мере, в деталях). Особенно это касается окисления поверхности при обезуглероживании и термохимии формирования ГС (как основы для ЭП).
В последние годы в мировое производство активно внедряется метод изготовления ЭАС, основанный на применении азотирования. Важно отметить, что ХТО стали с целью повышения эффективности ингибиторной фазы представляет интерес для любого способа производства ЭАС, основанного на применении нитридов в качестве замедлителей нормального роста зерен. Внедрение операции азотирования в производство ЭАС ставит целый ряд как технологических, так и материаловедческих вопросов: оптимальные параметры процесса ХТО (температура, время, состав атмосферы); место проведения азотирования в технологической цепи производства ЭАС; влияние состава и структуры поверхности сплава (т.е. предшествующей обработки) на результат процесса азотирования; эволюция азота в сплаве после ХТО.
В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал по вопросам формирования текстуры в ЭАС. Однако несколько аспектов этой проблемы остаются неразрешенными. Это: механизм происхождения зерен Госса; их аномальный рост; влияние некоторых легирующих элементов и смысл ряда технологических операций при производстве ЭАС. Результаты последних исследований говорят о том, что предпосылки образования ребровой текстуры на финальном этапе производства стали закладываются, главным образом, при холодной прокатке (ХП). Т.е., при деформации происходит формирование будущих зародышей первичной рекристаллизации (ПР) ребровой ориентировки, и более того, у них возникает определенное ориентационное окружение, которое и позволяет затем им расти аномально.
Уже достаточно давно широкое распространение получила гипотеза о механизме ВР, основывающаяся на высокой подвижности специальных границ зерен типа 9. Однако имеющиеся данные о специальных границах позволяют лишь предполагать возможность их появления в процессе отжига между зернами, образующими решетку совпадающих узлов. Поэтому более актуальным вопросом остается механизм происхождения зерен с ребровой ориентировкой, находящихся в специальной разориентации с окружающей их матрицей. Понимание физических процессов, ответственных за образование текстуры {110}<001>, даст возможность оптимизировать технологию получения качественной ЭАС.
Цель и задачи работы. Цель работы заключалась в исследовании закономерностей структуро- и текстурообразования в электротехнической анизотропной стали нитридного варианта ингибирования, для оптимизации процессов ее производства. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1 Исследование влияния аустенита (его химического состава, морфологии, распределения) и фазовой перекристаллизации на первых этапах производства ЭАС на процессы формирования текстуры и параметры структуры аномального роста, а также конечные магнитные свойства стали.
2 Изучение закономерностей процессов, протекающих на поверхности ЭАС при химико-термических обработках (обезуглероживании, грунтообразовании, азотировании). Оценка возможности улучшения свойств ЭАС нитридно-медного варианта производства за счет оптимизации процессов ХТО.
3 Оценка возможной роли специальных разориентаций в формировании ребровой текстуры ЭАС. Исследование закономерностей преобразования ориентировки {110}<001> при холодной прокатке и рекристаллизации и на этой основе разработка модели формирования областей с «ребровой» ориентацией.
4 Разработка наиболее благоприятных режимов обработки стали нитридного варианта ингибирования с различными химическим составом и условиями горячей прокатки и оптимизация параметров технологических этапов обработки применительно к существующему на предприятиях оборудованию.
Научная новизна работы.
1 Показано, что фазовая перекристаллизация, реализующаяся в ЭАС при ГП, интенсифицирует процессы рекристаллизации, следствием чего является замена острой текстуры деформации в подповерхностном слое (110)[001] на ориентировки (110)[uvw], что приводит к образованию в дальнейшем рассеянной текстуры ВР.
2 Установлено, что наличие g-фазы в структуре ЭАС при ГП позволяет зафиксировать при охлаждении часть азота в феррите и в метастабильных нитридах кремния. За счет «запасенного» азота при термообработках ЭАС формируется дополнительная ингибиторная фаза. Неоднородность в распределении аустенита в структуре ЭАС приводит к неравномерности выделения «вторичной» нитридной фазы, что негативно отражается на стабильности процесса ВР в локальных областях. Показана возможность устранения данной неравномерности за счет температурно-временных параметров ГП и термических обработок.
3 Показано, что в процессе ОО основным оксидом, формирующимся в поверхности ЭАС, является SiO2. Распределение его выделений от поверхности вглубь материала существенно неравномерно. Повышенное количество SiO2 на поверхности может блокировать, а в глубине затруднять процессы обезуглероживания и окисления ЭАС.
4 Предложена модель формирования ГС на поверхности ЭАС в процессе ВТО, основой которой служит реакция растворения MgO в FeO с образованием магнезиовюстита - (FeMg)O.
5 Установлено, что при азотировании ЭАС после ОО основное количество азота находится в подповерхности материала за зоной внутреннего окисления в виде дисперсной фазы Si3N4. Повышение азотирующего потенциала атмосферы, повышение температуры ХТО, а также усиление окисления кремния в поверхности стали приводит к формированию в ЗВО g-фазы, следствием чего является возникновение напряжений в материале и ухудшение грунтообразования при ВТО.
6 Кристаллографическим анализом показано, что одна из двенадцати возможных специальных разориентаций типа 9 (27) по отношению к ориентировке {111}<112> (формирующейся из {110}<001> при холодной прокатке ЭАС) имеет «ребровую» ориентацию. Экспериментально установлено, что двойниковая разориентация 3 возникает и сохраняется в процессе ХП монокристаллов ЭАС. При последующей ПР возможен механизм возникновения зерен «ребровой» ориентировки на двойниковых границах «октаэдрической» {111}<112> матрицы, как на подложках. Возникшие по данному механизму кристаллиты находятся в разориентациях 9 (27) с «октаэдрической» матрицей.
7 Предложена модель образования полос сдвига (ПС) в кристаллах ориентировки {111}<112> при ХП ЭАС по двустадийному механизму. На первом этапе осуществляется аномальное двойникование по системе {114}<221>, на следующем этапе - вторичное двойникование ПС по двум системам {112}<111>. В итоге ПС состоит из областей практически «ребровой» и областей «октаэдрической» ориентировки, симметричной к исходной ориентировке {111}<112>.
Достоверность результатов и сделанных выводов обеспечиваются:
– использованием комплекса современных методов исследования структуры (металлографии с компьютерным анализом изображения, электронной сканирующей микроскопии, EBSD - ориентационной микроскопии, рентгенографии, микрорентгеноспектрального анализа, послойного химического анализа с применением спектрального анализа тлеющего разряда);
– согласованностью результатов лабораторных и промышленных экспериментов;
– большим объемом экспериментальных данных с их статистико-вероятностной обработкой и воспроизводимостью результатов экспериментов;
– успешной реализацией разработанных методов в технологии производства ЭАС.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1 Оптимизирован химический состав выплавляемой ЭАС нитридного варианта применительно к используемому на ОАО «ММК» и ООО «ВИЗ-Сталь» оборудованию. С целью получения подката с максимальным совершенством ребровой текстуры, за счет снижения склонности материала к фазовой перекристаллизации при температурах ГП, были оптимизированы в химическом составе выплавляемой стали соотношения углерода и кремния, а также углерода и марганца.
2 С целью производства горячекатаного подката, характеризующегося наилучшим сочетанием текстуры и эффективности ингибиторной фазы, на ОАО «ММК» и ОАО «НЛМК» были разработаны, внедрены и оптимизированы температурно-временные параметры режимов ГП ЭАС с нитридным ингибированием на непрерывных широкополосных станах.
3 Разработаны и внедрены режимы обработки ЭАС нитридного варианта с различными химическим составом и условиями ГП, а также оптимизированы параметры технологических этапов обработки стали применительно к существующему оборудованию и возможностям ООО «ВИЗ-Сталь».
4 Разработан промышленный способ азотирования ЭАС в промежуточной и конечной толщинах. Под данный процесс реконструирована горизонтальная печь для проведения промышленных экспериментов. С использованием разработанных процессов и реконструированного оборудования в промышленных условиях показана возможность производства ЭАС по методу приобретенного ингибитора в условиях ООО «ВИЗ-Сталь».
Большинство разработанных технологических приемов защищены патентами РФ и европатентами.
На защиту выносятся:
– особенности формирования структуры и текстуры ЭАС при наличии -фазы: влияние аустенита на растворимость нитридных фаз; изменение текстуры стали в процессе горячей прокатки в условиях протекания фазовой перекристаллизации; образование естественных структурных барьеров для вторичнорекристаллизованных зерен;
– методы управления фазовым составом, структурой и текстурой ЭАС, основанные на изменении соотношения феррито- и аустенитообразующих элементов и варьировании температурно-временных параметров горячей прокатки;
– установленные закономерности процессов химико-термической обработки ЭАС: окисления при обезуглероживающем отжиге, азотирования, грунтообразования при высокотемпературном отжиге. Особенности формирования структуры и фазового состава поверхности стали на различных этапах обработки, их взаимосвязь, влияние на них технологических параметров;
– анализ роли специальных разориентаций в формировании текстуры ЭАС. Экспериментально установленные закономерности возникновения, сохранения и трансформации специальных разориентаций при холодной прокатке и рекристаллизации монокристаллов сплава Fe-3%Si-0.5%Cu. Модель формирования полос сдвига в структуре ЭАС;
– способ создания термоустойчивых структурных барьеров для измельчения доменной структуры ЭАС, основанный на применении локальной плазменной обработки.
Работа выполнена на кафедре термообработки и физики металлов ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» и в ООО «ВИЗ-Сталь» (Верх-Исетский металлургический завод, «ВИЗ»).
Работа выполнена в рамках грантов РФФИ № 04-02-96086 (Урал), Фонда ОАО «ММК», ИТЦ «Аусферр» и ФНиО «Интелс» №13-03-01 и №42-06-02.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на X Международном совещании по физике и металловедению электротехнических сталей и сплавов (г. Липецк, 1995), на Всероссийской научно-технической конференции по современным аспектам металлургии получения и обработки металлических материалов (г. Екатеринбург, 1995), XIV Уральской Школе металловедов-термистов (г. Ижевск, 1998), XV Уральской Школе металловедов - термистов (2000), III, IV и V региональных школах-семинарах «Фазовые и структурные превращения в сталях», (г. Магнитогорск, 2002, 2004 и 2006); на второй Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» (г. Екатеринбург, 2003); на II Международной школе «Физическое материаловедение», XVIII Уральской школе металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов», (г. Тольятти, 2006).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 31 печатная работа, получены 14 патентов Российской федерации, 3 положительных решения на выдачу патентов, 3 европатента.
Личный вклад диссертанта состоит в постановке задач исследования, научно обоснованном выборе: химических составов ЭАС при выплавке; режимов ГП стали; исследовательских методик и путей решения, в получении результатов, изложенных в диссертационной работе; интерпретации и обсуждении полученных экспериментальных данных, формировании основных положений и выводов.
Все лабораторные и промышленные исследования, а также их трактовка выполнены при непосредственном участии автора. Организация промышленного внедрения химических составов, выплавляемой ЭАС, режимов горячей прокатки ЭАС, технология обработки ЭАС на ООО «ВИЗ-Сталь» по нитридному варианту проводилась в равной степени соавторами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов по работе и списка литературы. Диссертация изложена на 238 страницах, включает 89 рисунков, 18 таблиц. В списке литературы приведено 195 работ отечественных и зарубежных авторов.
Автор выражает благодарность за детальное обсуждение результатов работы д.т.н. М.Б. Цырлину и к.ф.-м.н. Г.М. Русакову.
