Способ термической обработки холодно-катаной изотропной электротехническойстали

 

Союз Советских

Социалистических

Республик о|т846583

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВ ЕТВЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 031279 (21) 2845459/22-02 (51)М. Кл З

С 21 0 8/12 с присоединением заявки Йо

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 150781.Бюллетень "@ 26 (53) УДК 621.785 ° .3(088 ° 8) Дата опубликования описания 150781

f е

И. В. Еранценюк, Н. П. Гребенюк, А. И. Трееаекрн, A„T. Гриднев и В. В. ЛОляков) .

Центральный научно-исследовательскйй институт; черной металлургии им. И. P. Барди -и--йово.=,..»

Липецкий металлургический завод (72) Авторы изобретения (71) Заявители (54) СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОИ OBPAEOTKH ХОЛОДНОКАТАНОИ

ИЭОТРОПНОИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОИ СТАЛИ

Изобретение относится к производ ству специальных сталей и сплавов, в частности к технологии производства иэотропной электротехнической стали, широко применяемой для изготовления магнитопроводов вращающихся машин (электродвигателей, генераторов и т.д.).

Для обеспечения высоких техникоэкономических показателей электрических машин и аппаратов сталь, из которой изготавливают их магнитопроводы, должна обладать низкими удельными потерями, высокой магнитной индукцией и изотропностью магнитных свойств в плоскости листа, определяемую как разница магнитной индукции вдоль и поперек направления прокатки — ВВ2 о . В соответствии с требованиями ГОСТ 21427.2-75 ЬВ оо

4 0,16 Т.

Одним из принципов, обеспечивающих,получение высоких магнитных свойств при сохранении их иэотропности, служит создание плоскостной кубической текстуры типа (100)(OV%)

Однако способы, обеспечивающие формирование такой текстуры, дорогостоящи, сложны в технологическом осуществлении и не находят практическо- ЗО го применения для изготовления стали толщиной более 0,2 мм.

Известен способ производства стали с совершенной кубической текстурой, по которому горячекатаную полосу с содержанием 2,5-4% кремния подвергают двухкратной холодной прокатке с обжатиями 15-25% при первой и 80-93% при второй холодной прокатке и промежуточный отжиг проводят при 750

1350ос 5-60 мин. Окончательный отt о жиг проводят при 900-1300 С свыше

1 ч в специальной защитной атмосфере, содержащей Не, 5, О и т.д. Создать такую атмосферу при высокотемпературном отжиге почти невозможно в производственных условиях. Кроме того, при- менение при первой холодной прокатке обжатий 15-25% в сочетании с обжатиями 80-93% при второй прокатке .приводит к тому, что в производственных условиях, исходя из технических воэможностей.современного оборудования, трудно получить сталь толщиной более

0,35 мм (1).

Известе способ изготовления холоднокатаных листов и полос электротехнической стали с неориентированной (иэотропной) структурой, по которому сталь с содержанием до 4%

846583 кремния:; до 3%,. алюминия подвергают горячей прокатке с обжатиями более

98%, кислотному травлению; холодной прокатке с обжатиями 64-84% и окончательному отжигу при 600-1200 С в течение 10 с, и более со скоростью нагрева 1, б"100 С/с. Для обеспечения

l изотропности магнитных Свойств в плоскости листа этот способ преду,сматривает подавление ребровой текс» туры за счет высоких обжатий при холодной прокатке и быстрого нагрева при высокотемпературном отжиге.

С другой стороны, эти факторы ведут к увеличению удельных потерь в стали Р2 1.

Известен способ изготовления 15 холоднокатаной электротехнической стали, по которому с целью уменьшения удельных потерь в сталь, содержащую

0,5-4% кремния, вводят до 0,04% церия;

0,8% алюминия горячекатаные полосы Щ отжигают при 900-1000 С, травят, подвергают однократной холодной прокатке на конечную толщину, нормализационному отжигу во влажной водородсодержащей среде при 800-850 С и конечному отжигу в сухом водороде при .800-1050 С. Этот способ позволяет получать довольно низкие удельные потериг при содержании 3 03% кремния; ко

0,31% алюминия и 0,013% церия Р -о

=1,15 Вт/кг; Pg,g(o = 2,66 Вт/кг (для толщины 0,47 мм) f3) °

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ термической обработки электро- З5 технической стали, в котором для получения изотропных холоднокатаных . листов с содержанием. 0,3-0,4%, кремния горячекатаную полосу подвергают обезуглероживающему отжигу, рафини- 40 рующему отжигу при 1020-1300 С в течение 2-10 ч,холодной прокатке на конечную толщину и окончательному отжигу ступенями при 500-600 С с выдержкой

10-50 ч с последующим подъемом темпе- 4 ратуры до 850-1000 С и выдержкой в течение 2 ч. По этому, способу рафинирующий отжиг способствует глубокому деазотированию и обессериванию стали (до содержания 0,003% и менее), что в сочетании с высокими обжатиями при холодной прокатке и конечным высокотемпературным отжигом обеспечивает формирование плоскостной кубической текстуры и высоких магнитных свойств: при содержании кремния 0,3% Р 1=

91,91 Вт/кгпв Pg+/ =4,47 Вт/кг;

В =1„644 Т аВ - =0,11 T (для толщины 0,50 мм); Р р =0,77 Вт/кг;

Р july =2., 01,Вт/кг; В2 о„=1,573 Т; аВ = 0,14 T (в толщине 0,35вег) 4.3. 0

Однако дальнейшее улучшение магННТННх свойств затруднено присутствием неметаллических включений. (главным образом, нитридов, оксидов), 4, растворенных в металле в виде дисперсных фаз.

Цель изобретения — повышение магнитных свойств.

Укаэанная цель достигается тем, что конечный отжиг ведут в азотном газе при 1010-1300 С, а затем дополнительно производят искусственное магнитное старение при 160-180 С в течение 70-90 ч на 86 до,120% и трав ление.

Повышение температуры окончательного отжига до 1010-1300 С способствует укрупнению структуры, что ведет к снижению удельных потерь. Кроме того, при этих температурах происходит активное растворение примесей.

Низкотемпературная выдержка при 160180 С в течение 70-90 ч способствует выпадению этих примесей в виде дисперсной фазы. В результате этого происходит магнитное старение — ухудшение магнитных свойств, характеризуемое коэффициентом старения

Котрх100%ф где P — удельные потери до ста, /5о рения, Вт/кг;

Р - удельные потери после

М - старения, Вт/кг.

Коэффициент старения является показателем количества выделившейся дисперсной фазы: чем он выше, тем большее количество неметаллических включений выделилось в виде дисперсной Фазы. Как показывают исследования, концентрация этой фазы происходит у поверхности полосы. При ее стравливании металл освобождается от неметаллических включений, в результате чего происходит значительное улучшение магнитных свойств: снижаются удельные потери, немного повышается магнитная индукция при сохранении изотропности,магнитных свойств в плоскости листа. Минимальный коэффициент старения, при котором неметаллические включения полностью выделяются в виде дисперсной фазы, равен 86%. При более низких его значениях иеметаллические включения выделяются неполностью и улучшения магнитных свойств не наблюдается.

С другой стороны, при коэффициенте старения, превышающем 120%, выделяется избыточное количество дисперсной фазы, которая не удаляется при травлении, в.результате чего улучшения магнитных свойств готовой стали также не происходит. В соответствии с предлагаемым способом выплавку стали проводят в электродуговой, мартеновской печи или кислородном конвертере с содержанием до

3,5% кремния, до 0,6% алюминия, до

0,2% фосфора и до 0,12% углерода.

После горячей прокатки на полосу толщиной 1; 5-5,0 мм и травления в

846583 сернокнслотных или солянокислотных ваннах проводят обезуглероживание (например, путем "черного отжига" при 780-800 С), рафинирующий отжиг при 1020-1300 С (в соответствии с известным) и холодную прокатку на толщину 0,1-0,7 мм. Холоднокатаный металл отжигают в азотном газе в проходных (предпочтительнее) или колпаковых печах при 1010-1300 С с произвольной скоростью нагрева и охлаждения. Выдержка при температуре задания составляет 3-10 мин в проходных и 15-20 ч в колпаковых печах. Пос. ле конечного отжига проводят магнитное старение путем отжига в колпаковой печи при 160-180ОC в течение 7090 ч. Металл, подвергнутый старению, травят в сернокислотных или солянокислотных ваннах с целью удаления дисперсной фазы, выделившейся при старении. Время, необходимое для 20 травления, зависит от концентрации раствора. При концентрации серной кислоты 250-300 г/л, наиболее типичныМ для сернокислотных ванн, время травления составляет 4-6 мин. 25

Пример 1. Сталь с содержани- . ем, вес.%: С 0,008; Si 0,1; А8 0,015;

М 0,004; S 0,005 после обезуглероживания путем "черного отжига" и 30 рафинирующего отжига подвергают холодной прокатке до толщины 0;50 мм и конечному отжигу в колпаковых печах при 1300ОC в течение 20 ч. Нагрев и охлаждение металла производят с печью: в качестве защитной среды используют азотный газ состава 96% N и 4% Н . После такого отжига сталь обладает магнитными свойствами:

Р< <о =2,48 Вт/кг; Рщ5о =5,66 Вт/кгпв

В25оо =1,648 Т ЬВ 5оо =0,095 Т. После 40 отжига проводят искусственное магнитное старение стали путем выдержки

70 ч при 160 С, после чего магнитные свойства находятся на уровне: Р / о

=6,58 Вт/кг; Р ц5о =12,45 Вт/кг; 45

В 5оо=1, 605 Т; h B o =O 115 Т, т.е. коэффициент старения составляет

К 12 45 — 5 бб х 100% = 120% от 5,66

После травления этой полосы в 50 растворе серной кислоты, содержащем

250-300 г/л Н Ь04, сталь обладает следующим уровнем магнитных свойств:

Р,. =1,70 Вт/кг, Р 5»1 -=3,98 Вт/кг, B o= 1,655 Т, двд . =0,115 T. По

ГОСТ 21427.2-75 для высшей марки cãàлей этого типа (2013) Р 2,5 Вт/кг, Р 5(5О -5, б Вт/к г, В зоо > 1, б 5 Т, аВ о, -0,13 Т. По известному способу для такой стали Р,. = 1,92 Вт/кг, Р 6О 5О=4,47 Вт/кг, 3 5оо=1,644 Т, Ы

;ййч1о= 0,11 т. Таким образом, маг, нитные свойства стали изготавливае- мой по .предлагаемому способу; на

29% лучше гарантируемых ГОСТом 21427.2-75 и на 11% лучше известной; Я

Пример 2. Сталь с содержанием 1,7% кремния (содержание осталь-. ,ных элементов. аналогично примеру 1)

„"обрабатывают как в предыдущем примере и отжимают при 1150"С. Полученную таким путем сталь с магнитными свойствами Рд5О=1,89 Вт/кг, Р,5/5о

=428 Вт/кг, Basso 1,617 Т, aB26oo

0,101 Т подвергают искусственному магнитному старению путем выдержки

80 ч при 170 С, после чего удельные ,потери составляют Р „р., =8,69 Вт/кг, т.е. коэффициент старения равен 103%.

После удаления путем травления дисперсной фазы, выделившейся при старе. нии, сталь обладает следующим уровнем магнитных свойств: Р р / =

=1,64 Вт/кг; P 5g+o = 3,67 Вт/кг

В 5 о= 1,637 Тцф = 0,083 T.

Для высшей марки сталей такого состава (2212) по ГОСТ 21427.2-75

Р -2,2 Вт/кг; Р 5оущ, 5,0 Вт/кгпв

В Э1,60 Т; АB o 0,13 Т по известному способу Р / », = 1,86 Вт/кг

Р,5фр =4,17 Вт/кг; В 5»,о=1,629 Т;

ЬВ oo- =0,094 Т.

Магнитные свойства стали, изго- товленной по предлагаемому сопсобу, на 27% лучше гарантированных ГОСТом и на 12% лучше известной.

Пример 3. Сталь с содержанием 3,5% кремния и остальных элементов аналогично примеру 1 обрабатывают как в примере 1 и отжигают при 1010 С. После отжига сталь имеет удельные потери Р о 5 2,92 Вт/кг. ,Эту сталь подвергают магнитному старению путем отжига при 180 С в течение 90 ч, после чего ее удельные по- . тери увеличиваются до Р, =5,43Вт/кг

4&Э 5о т.е. К > = 86%. После удаления дисперсной фазы путем травления полосы (аналогично примеру 1) сталь обладает магнитными свойствами: Р /5О =

0,97 Вт/кг; P45lso = 2,06 Нт/кгпв

В 5оо=1,628 Т; дй„5о,у0,057 Т, которые на 33% лучше гарантированных ГОСТом

21427.2-75 -для высшей марки сталей2412 и на 15% лучше известной.

По ГОСТ 21427.2-75 Р 1g30 Вт/_#_r

Ру5/5 > 3,1 Вт/кг, В ) 1,50 Т д Ыоо 0, 16 Т.

При изготовлении по известному способу P g5o =,1,02 Вт/кг Р 5 =

=2,43 Вт/Ыг; В =1,582 Т; аВ

0,132 T.

Пример 4 (контрольный).

Сталь по составу и обработку, аналогичную примеру 1, подвергают конечному отжигу при 1000» С. После отжига сталь имеет Р,5) =6,81 Вт/кгпв

В =1,631 Тр hBg5oo=0,122 Т, а после.старения при 160ОС в течение 70 ч

Р„5 =12,67 Вт/кг, т.е. коэффициент старения составляет 86%. После травления полосы по режиму примера 1 магнитные свойства находятся на уровнЕ- Р (р .=3,01 Вт/кг; Р15/5О =

6,74 Вт/кг; Вщор=1, 635 Г; Ьв „ =

846583

=0,0118 Т, т.е. не соответствуют марке 2013 по ГОСТ 21427.2-75 и хуже стали, изготовленной по известному способу (пример 1).

Пример 5 (контрольный).

Сталь по составу и обработку, аналогичную примеру 2, после конечного отжига подвергают искусственному магнитному старению при 150 С в те,чение 60 ч. После этого сталь имеет P< / =6,93 Вт/кг, т.е. старение составляет 62%. После травления магнитные свойства находятся на уровне

Р =2,04 Вт/кг; P<<)«= 4,57 Вт/кг;

Bazoo=1,589 Ti аВ2 оо=0,122 Т, т,е. хуже, чем для стали, изготовленной по известному способу (пример 2).

Пример 6 (контрольный).

Сталь по составу и обработку, аналогичную примеру 3, подвергают магнитному старению: при 190 С в течение 100 ч. Коэффициент старения пос- 20 ле такой обработки составляет 127%, а магнитные свойства находятся на; уровне Р = 1,36 Вт/кг; Р - o =

=2,96 Вт/кг; Bzsoa=1 ° 568 Т ° ласо =

=0,147 Т, т.е. хуже, чем для стали, 25 изготовленной по известному способу (пример 3), В таблице приведены другие примеры использования предлагаемого изобретения.

Выплавку металла опытных плавок проводят в электродуговой печи; содержание кремния варьируют от минимального (0,1%).до среднего (1,7%) ,и максимального (3,5%). После горячей прокатки металл обезуглероживают путем "черного отжига" при 800 С, подвергают рафинирующему отжигу по режиму известного (4 ) способа и холодной прокатке .на толщину 0,50 мм. дисперсную Фазу, выделившуюся при 40 старении, удалюят травлением в сернокислотных ваннах, содержащих 250300 г серной кислоты на 1 л воды.

Время нахождения полосы в травильных ваннах составляет 4-6 мин. 45

Как видно иэ приведенных примеров (таблица) магнитные свойства стали, иэготовленной по предлагаемо.му сПособу на 11-15% выае по известному f4 (, т.е. предлагаемый спо=-. 0 соб позволяет разрабатывать качест": венно новые марки электротехнической стали со значительно более высоким уровнем магнитных свойств.

Известно, что высокий уровень магнитных свойств обеспечивается при полной рекристаллиэации стали. Как показывают исследования, при данном режиме обработки полная рекристаллизация завершается при температуре отжига 1010 С и выае. При более низких температурах не весь металл рекристаллиэуется полностью, в результате чего, например, отжиг при 1000 С ведет к ухудшению магнитных свойств.

Отжиг при температуре выше 1300"С провести не удалось из-за сваривания металла. Для полной гарантии несвари ваемости витков рулонов отжиг. по:. предлагаемому способу в промышленных условиях рекомендуется проводить в интервале температур 1010-1250 С.

Как показывают исследования, для обеспечения высоких свойств стали плотность дисперсной Фазы в поверхностных слоях должна находиться в пределах 10 - 10 ; Такая концентрация обеспечивается коэффициентом старения 86-120%. При температурах старения ниже укаэанных в формуле изобретения не все неметаллические включения выделяются в виде дисперсной фазы и ее плотность составляет 10 —

10, а коэффициент старения 10-80%.

При травлении часть неметаллических включений остается в металле, и магнитные свойства ухудшаются. Подобные же явления наблюдаются при снижении времени выдержки старения. Повышение температуры старения или времени выдержки, наоборот, способствует увеличению плотности дисперсной фазы до

10 0-10 и коэффициента старения до 125-200%. Глубина залегания дисперсной фазы составляет 0,1-0,2 мм с каждой стороны полосы. При травлении всю дисперсную фазу удалить не удается, что, ведет к ухудшению магнитных свойств.

Предлагаемый способ не требует дополнительного оборудования и может быть реализован в существующих специализированных цехах Ново-Липецкого, Верх-Исетского и Череповецкого металлургических заводов.

Народно-хозяйственный экономический эффект за счет улучшения магнитных свойств составляет около 1 млн.руб в год.

846583

1О

Время выдержки при старении, ч

Примеры

Содержание кремния, %

Способ изготовленияТемпература конечного отжи га, Т, С

Температура магнитного старения, g> с

КозфАициент старения, Кств в,Т T р lю

Вт/кг

Ры/, ВтГ кг

1 0,1

1010

160 70

86 1,87 4,22

1,671 0,073

Предлагаемый

1,663

6 i 085

103 1,83

1010

4,17

1010

1150

1150

1150

1300

8 и

1300

1300

0,112 о, в0,110

4, 01

4.34,6

3 70

1,654

1,631,660

1,640

1,643

120 1,92

Н 1,92,0

0,1

Известный

Предлагаемый

11 1,7

1010 160

86 1,68 170 . 80

180 90

160 70

0,112

И

1010

120 1,55

1010

И

1150

15

170

И

1150

180 90

Н

1150

70

160

1300

80

170

1300

18

120 1,44

1, 71,9

86 1,01

1,618

1,611 64

1,620

0,073

0,08О,.f 2

0,073

3,40

4 О4,3

2,03

180 90

1300

Известный

20 3,5

1010

Предлагаемый

1010.22 и

1010

1150

Н

24

1 619 0 107

1150

1150

1300

0,101

160

1300

27.

170

1,598 0,137

1300

180 90 120 0,85 1,95

1,01,1

1,58- 0,061,62 0,015

2,42,6

Известный

170 80

180 . 90

160 70

170 80

180 90

160 70.

170 80

180 90

160 70

170 80

180 90

160 70

170 80

180 90

Магнитные свойства

120 1,85 4,12 1,667 0,102

86 1,81 4,05 1,656 0,107

103 1,65 3,83 1,657 0,114 .120 1,69 3,87 1,659 0,118

86 1,70 3,98 1,655 0,115

103 1,89 4,02 1,652 О,110

103 1,59 3,61

3,58 1,641 0,107

86 1,70 3,79 1 633 0,092

86 1,70 Зв79, 1,633 0,092

120 1,53 3,55 1,633 0,093

86 1,57 3,59 1,629 0,087

103 1,50 3,48 1,621 0,082

103 0,99 2,01 1,625 0,082

120 0,97 2,06 1,628 0,057

86 1,02 2,08 1,631 0,094

103 0,98 2,05

120 0,88 1 99 1,615 0,109

86 0,95 2,03 1,592

103 0,87 1,98 1,595 0,122

846583

Составитель Г. Дудик .

Редактор М. ДМлын Техред Т. Маточка Корректор М, Шароши г

Заказ .5380/37 Тираж 618 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

:113035 М скв о а, 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4.Ормула изобретения

Способ термической обработки хо.лоднокатаной изотропной электротехнической стали, содержащей до 3,5% кремния, вклвчакщий конечный отжиг, о т л и ч. а в шийся тем, что, с целью повнаения магнитных свойств;. отжиг проводят в азотном газе при

1010-1300еg а затем дополнительно производят искусственное магнитное старение при 160-180 С в течение

70-90 ч и травление.

Источники иноформации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии Р 48-9767, кл. 10 J 183 1973 °

2, Патент ChlA 9 3948691, кл. 148-112, 1976.

3. Патент США 9 3960616, кл. 148-111, 1976..

)Q 4. Авторское свидетельство СССР

9 545681, кл. С 21 0 9/46, 1977.