（材料学专业论文）合金元素对65％wtsi高硅钢组织及塑性的影响.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：蕴盔日期：邀笸z 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：蕴掘 指导教师签名：囱迸 日期：速边。z 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 6 5 s i 高硅钢是一种具有高磁导率，低矫顽力和低铁损等优异软磁性能的合金，但是 其室温脆性和低的热加工性能严重影响了在工业领域的应用。 本文主要研究了合金化( 主要通过单独添加m n ，b ，n b 以及复合添加n b 和b ) 对 6 5 高硅钢显微组织，显微硬度及室温应变量的影响。加入合金元素锰的目的是使y 区扩 大，从而改善塑性；加入合金元素硼是利用硼强烈的晶界偏聚，来细化晶粒组织，从而提 高塑性；加入合金元素铌，以期在熔液中获得细小、弥散的的质点作为结晶核心，来细化 晶粒，从而提高塑性。 结果表明：含量较低的锰元素会使6 5 s i 高硅钢晶粒粗大，而含量较高的锰则会促使 枝状晶的形成，都会对合金塑性变形能力产生不利影响。硼元素会形成枝状晶组织，而且 形貌尺寸与硼含量无关，使得压缩应力应变曲线没有明显改变。加入较少量( s 1 ) 铌会 使显微组织晶粒粗大，但加入较多量( 之1 5 ) 铌则会使显微组织晶粒细小。说明铌的加 入量有一个临界值，只有添加量超过此临界值时才会对塑性变形能力产生有益影响。铌硼 微合金化的6 5 s i 高硅钢，硼含量并不是越高越好，而且过量的硼反会促使枝状晶组织的 形成，从而对塑性变形能力造成有害影响；而铌含量只有达到一定量时，才能形成细小的 晶粒组织从而对塑性变形能力造成有益影响。 关键词：6 5 s i 高硅钢；合金元素；显微组织；塑性压缩率 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i ti sw e l lk n o w nt h a tf e - 6 5 w t s ie l e c t r i c a ls t e e li so n ek i n do fs o f tm a g n e t i c m a t e r i a l sw i t hh i g h e rr e l a t i v ep e r m e a b i l i t y , l o w e rc o e r c i v ef o r c ea n di r o nl o s st h a nt h o s eo f c o n v e n t i o n a li n d u s t r i a ls i l i c o ns t e e l ( s ic o n t e n t 源变压器压器( t i g ， 1 0 k v a )m i g ，c 0 2 ) 频率( h z ) 4 0 03 6 02 3 0 k8 k 功率( k v a ) 2 0 01 2 03 0 m 4 0 01 2 传统材料0 3 5 m m 取向硅0 3 5 r a m 取o 1 5 r a m 无取向0 3 5 m m 取 钢向硅钢硅钢向硅钢 质量( k g ) 3 0 02 0 04 0 , - , 2 0 07 5 6 5 s i 高硅 o 3o 3o 3 钢( 蚴) 质量减轻3 0 0 - * 2 2 57 5 3 ( 7 5 k g ) 噪音降低7 5 6 5 ( 1o d b ) 7 3 ，6 39 0 7 0 表1 46 5 s i 高硅钢在高频扼流线圈中的应用 部件应用 不间断供电电源系统电车电动机风扇电动机 转换器逆变器 功率( k v a ) 5 ，断口为解理断1 3 1 4 】。 1 3 3 时效现象 比利时研究人员在对不同硅含量s i - f e 合金( 1 9 5 6 ) 进行研究发现，由于间隙 原子( c 和n ) 移动到结构缺陷处及在硅原子的短程有序相中的取代，增加了内部摩擦的 阻尼。而且随着硅含量的增大，时效现象得以加速发生。在相同时间内，c 间隙原子的移 动到缺陷处以及在硅原子有序结构相中的取代，提高了合金的机械强度 1 5 1 。即合金的脆性 增大，塑性降低。 1 3 4 晶粒尺寸 6 5 s i 高硅钢的晶粒尺寸都很大，一般大于0 2m m 1 6 明。晶粒越粗大，在一定体积内 的晶粒数目越少，则在同样塑性变形量下，变形分散在更少的晶粒内进行，造成变形不均 匀。晶粒越粗大，使得分散在每个品粒内的位错密度增大，从而使材料可以在较低的塑性 变形时造成很大的应力集中，使得因应力集中引起的开裂机会增大。使其有可能在断裂之 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 前只能承受较小的变形量，即表现出较低的塑性。 1 4 现有制备工艺 1 9 6 5 年伯尔( d j b u r r ) 等指出含5 s i 的s i - f e 合金的伸长率只有1 屯，添加6 n i 时伸长率增高到9 ，添加7 5 n i 时伸长率为2 0 ，可以进行冷轧，因为n i 扩大y 相区， 热轧时通过两相区可获得小晶粒。1 9 6 6 年石坂泽郎等用不同硅含量的钢进行热轧和冷轧试 验表明，含4 0 - 4 7 s i 的s i _ f e 合金当热轧条件合适时可进行冷轧，含5 s i 的s i e 合金热轧板切掉裂边部分后也可以冷轧，含6 5 s i 的s i - f e 合金在6 0 0 - - 7 5 0 经 7 0 压 下率热轧，获得纤维状组织，剪边后从l m m 厚可冷s l n _ 4 0 0 。c 时板厚精度下降，当硅含量超出4 7 时磁性变坏【1 8 】。 另一项专利也提出类似的轧制条件，并总结出含6 5 s i 的s i f e 合金的加工特性。 含4 7 s i 的高硅钢坯，在高于9 0 0 的高温范围内有很好的加工性能，在9 0 0 以下时 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 加工性能直线下降，至6 0 0 左右几乎不可能轧制；通过热加工产生细化的再结晶组织， 或通过热轧使板厚方向的晶界间距变小，从而提高加工性能：高硅钢带轧制时，材料组 织与加工温度关系极大，明显存在不- 1 车l 制的极限温度【1 9 1 。 2 包套轧制 日本钢管公司还提出一项采用包套轧制法制造高硅钢板的专利。该方法包括，将一块 或数块叠层高硅钢板作为芯材，周围由包覆材料包覆并加以焊封，然后热轧。在这种工艺 中，正确选择包覆材料和叠层钢板之间的剥离剂至关重要。当芯材( 高硅钢板) 的变形抗力 大于或等于包覆材料的变形抗力时在包覆层内的芯材才能得到稳定的轧制，并可获得形 状良好的钢板。此外还需控制芯材厚度与包套后待轧材总厚度之比，比值一般以0 3 0 8 为宜。从焊接性、延伸率和成本等因素考虑，选择低碳钢( 0 1 c ) 作包覆材料，并在芯材温 度低于9 0 0 时* l n 是合适的：为便于轧制钢板的剥离，在钢板包覆前需涂上剥离剂。要 求剥离剂能与钢板表面形成绝缘膜，并在轧制温度下不发生分解。可选用无机剥离剂如 m g o 、a 1 2 0 3 、s i 0 2 、t i 0 2 、b 2 0 5 和m g p 0 5 当中的一种或数种【2 0 1 。 用轧法制造的钢带具有表面形状好，具有产品的宽度和厚度范围宽的特点，但整个生 产过程中工艺控制因素非常复杂和严格，工艺参数波动范围非常窄因而很难掌握，因而成 本较高，因而未能走向工业化。 1 4 2 快速凝固工艺 1 急冷制带法 ， 1 9 7 8 年，日本东北大学n t s u y a 和k t a r a i 首次报道了快淬技术制造含4 5 7 0 s i 的s i _ f e 极薄合金带并且利用急冷工艺生产出0 0 3 一0 1 m m 的6 5 s i 高硅钢薄带，极其细小 的晶粒组织引起了人们的极大关注【2 1 1 。国内某科研单位应用快速凝固方法成功地研制出了 磁致伸缩接近零和电阻率高达8 2 p q c m 的含6 5 s i 的s i 一- f e 铸态极薄带( 厚4 0 - - 一6 0 9 m ，宽 10 - 、，2 5 r a m ) 2 2 1 。 快凝法生产的微晶薄带有以下一些特点：避开了冶炼、热轧、冷轧高硅的困难，提高 了溶质的溶解度，降低了偏析，细化晶粒，能将难于成形的材料制成薄带，简化了薄带的 制造工艺等，这些特点对于制造高硅钢带十分有利。但薄带的厚度和织构不易控制，产品 宽度窄，板形差，而且磁致伸缩系数k 比传统硅钢片大，高达约3 0 0 1 0 西( 传统无取向硅 钢片只有5 0 x 1 0 击，而6 5 s i 的s i f e 合金的磁致伸缩系数k 为0 0 1 1 0 击) ，另外其工艺因素 很复杂、工艺参数适用范围非常窄，生产起来易断带，很难控制，成品率低，因此也没有 形成工业化生产。 2 喷射成形法 喷射成形工艺是涉及粉末冶金、液态金属雾化、快速冷却和非平衡凝固等多领域的新 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 型材料制备技术。其特点就是将经气体雾化的液态金属熔滴沉积到一定形状的接收器上， 直接制成一定形状的产品。由于该技术是具有通用性和产品多样性的柔性制造系统，厚度 不受限制，产品形状也容易控制。 研究人员对此种方法制备不同硅含量的s i - f e 合金进行了一系列的研究i 2 3 - 2 6 ，认为 加入砧后利用此种方法制备的含6 5 s i 的s i _ - f e 合金改善了延展性，其原因在于抑制了 b 2 有序相的形成，而b 2 有序相正是造成含6 5 s i 的s i f e 合金高脆性的原因之一，而且 喷射成形法形成的均匀等轴晶粒也有助于延展性的改善。 但此种方法制备的f e 6 5 s i 1 0 a 1 合金存在着不可避免的气孔，而且磁性能也不及 二元的含6 5 s i 的s i - f e 合金。 1 4 3 沉积扩散工艺 沉积扩散法即在基体表面沉积高硅层再通过扩散渗硅热处理使表面的高硅量扩散到基 体内从而达到生产高硅钢的目的。根据沉积方式的不同，该法又分为如下几种： 1 化学气相沉积扩散工艺法( c v d ) 主要思路是：将s i c l 4 气化成气体在无氧气氛( 如n 2 、h 2 等) 保护下在高温( 10 2 3 1 2 0 0 。c ) 与基体表面的铁( f e ) 发生化学反应 5 f e + s i c l 。一f e 。s i + 2 f e c l 。f ( f e e l ：在高温 时形成气体跑掉) 生成一层高硅含量的硅铁化合物f e 3 s i 并沉积在基体表面。1 9 8 8 年日本 钢管公司( n k k ) 成功开发并利用该工艺，生产出厚0 1 o 5 m m 、宽4 0 0 m m 的含6 5 s i 无取 向高硅钢片。通过不断的实践和研究，于1 9 9 3 年7 月正式建成月产1 0 0 吨的c v d 连续渗硅生 产线。生产0 1 - - - 0 3 m m 厚、6 0 0 m m 宽的6 5 s i 高硅钢片。由于半导体的迅速发展，推动电 器设备在更高频率下工作并要求具有更低的铁损。为此，n k k 于1 9 9 5 年又开发生产了 0 0 5 m m x 6 0 0 m m 的产品。c v d 法已形成工业化生产规模，技术已趋成熟并申请了专利，是 研制高硅钢最成功的典范。 其主要原理与工艺如下： 将( 0 1m l t l - - 4 ) 5 m m ) x ( - - 4 0 01 1 1 1 1 1 ) 硅含量为2 5 3 o s i 的普通冷轧硅钢带作基材在 无氧气氛( s i c l 4 ：5 3 5 ，以n 2 或惰性气体保护) 中加热至1 0 2 3 1 2 0 0 。c ，使钢表面暴露 在s i c l 4 气体中，进行如下的反应： s i c l 4 + 5 f e 卜f e 3 s i + 2 f e c l 2 t 反应生成的f e 3 s i 沉积在钢板表面再热分解成活性硅原子( s i ) ，然后在惰性气氛中 高温保温，这时表面富硅层中的硅原子向钢板内部中心扩散。c v d 沉积后进行还原气氛保 护下的高温扩散退火，使其成份达到6 5 s i 的要求。然后在冷却炉中进行控速冷却，冷却 过程中进行两种处理：其一是冷却至居罩温度以下时进行磁场冷却，这样可显著提高磁性。 其二是在磁场冷却之前或之后抑或之中，对钢带在2 0 0 , - - 6 0 0 的温度进行温轧塑性加工以 改善表面质量。这也是目前制备6 5 s i 高硅钢最成熟的工艺【3 】。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 但c v d 法存在如下问题： ( 1 )沉积温度高，能耗大。s i c h 气体具有很强的腐蚀性，在高温下更加显著，因此对 设备的侵蚀严重，使设备使用寿命缩短。 ( 2 )s i c h 通过腐蚀化学反应与基体表面的铁( f e ) 作用形成高硅含量化合物f c 3 s i 而沉 积，由于腐蚀的不均匀性造成了基体表面的腐蚀程度有差别从而使钢板表面质量变得很差 ( 出现腐蚀坑洼与不平整) ，因而在后续处理中不得不重新进行一道使表面平整光洁的温 轧工序。但温轧工艺操作很困难( 因为轧制时一方面需气氛保护以防止高硅钢氧化，另一 方面由于高硅脆性大造成温轧时易断带) ，而且其成本也很高。 ( 3 )沉积时由于腐蚀，化学反应中有高温f e c l 2 气体跑出，一方面造成铁( f e ) 的流失， 使高硅钢中的铁含量降低；另一方面跑掉的f e c l 2 气体严重污染环境，对环境保护极为不 利。 2 等离子化学气相沉积法( p c v d ) 是通过等离子体强烈的电离作用在较低温度( 4 5 0 4 8 0 ) 使s i c h 离解成s i 针离子 而沉积在作为负极的基体板( 无取向硅钢片) 上并形成一层高硅含量的硅铁化合物层( 厚 度可达1 0 w 以上) 。该方法具有沉积温度低，时间短( 1 0 2 0 m i n ) ，沉积表面质量好( s i 4 + 离子沉积，没有腐蚀反应，不会形成侵蚀沟) 的优点。所制得的样品与相同基底s i 的无取 向硅钢片相比，铁损p l o ，5 0 降低5 0 以上，其它磁性能也大有改掣2 7 0 1 1 。 但p c v d 法存在如下问题： ( 1 ) 硅沉积量低，难以满足高硅含量的需要。 ( 2 )该法沉积时需要在真空下进行。真空一方面使工艺操作难度加大、连续工业化生 产难于实现；另一方面如果真空度控制不好很容易使空气进入沉积炉内从而造成高硅钢被 严重氧化现象( 氧化会严重恶化硅钢磁性能) 。 ( 3 ) s i c h 在等离子体作用下离解出的c 1 - 与炉内的h 2 反应产生腐蚀性很强的h c l 废 气，h c l 废气的排出一方面严重污染环境；另一方面剧烈腐蚀设备，特别是h c l 废气经过 真空泵排出时，对真空泵的腐蚀严重，使真空泵漏气( 漏气导致高硅钢片表面被氧化) 。 另外腐蚀产物( f e c l 2 ) 也会阻塞真空泵而使整个过程中断。 ( 4 )s i 4 + 离子沉积到基体表面形成硅铁化合物，硅原子占据了铁原子的晶格使得基体表 面晶格的铁原子数相对降低，即造成了铁源的贫化。随着基体表面晶格中铁原子的有效占 据数目相对减小、硅原子的有效占据数目相对增加，基体表面层的导电性会成比例地降低， 从而使基体表面层的电阻逐渐增加，外加电场消耗在表面沉积层硅铁化合物上的电位差增 大，基体表面所带的负电荷减少，基体表面与正极间的电场减弱，s i 4 + 离子向基体表面沉 积越来越难，最后会中断s i 4 * 离子的离解反应而使整个沉积过程停止。 ( 5 )s i c h 价格昂贵，加之s i c h 中有效硅含量只有质量分数的1 6 5 ( s i c h 中有4 个无 效的c l 原子只有一个有效的s i 原子) ；另外s i c h 在等离子体作用下还不是完全被离解， 而只是部分被离解，即s i c l 4 的有效离解率不是1 0 0 。上述两项加起来说明s i c l 4 的有效 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 利用率很低。因此，该法的沉积成本很高。 3 热浸法 将已轧制好的0 3 5 r a m 厚的基片( 0 - - 3 s i ) 在( 8 0 0 。c - - - 8 5 0 c ) 时浸入熔融的舢s i 浴中，从而在表面形成一定梯度的砧一s i 分布，随后进行中间冷轧，最后在1 1 0 0 ( 2 以上 真空炉内进行退火热处理，使舢s i 原子扩散到基片内部。其铁损p l o 脚为o 8 1w k 9 1 ，p l o ，4 0 0 为1 3 5 w k g - 1 【3 2 - 3 6 1 。 4 电沉积扩散法( e d ) 通过电的作用( 如电离、电解、电镀、电泳等) 利用电化学等原理使超细硅微粉颗粒 ( 即分子团) 沉积在基体表面上，经高温扩散将超细硅微粉中的硅原子渗入钢中。由于硅 属于半导体性质，很难离子化，即在水溶液中很难电离化变成含s i 4 + 离子的溶液，因此不 能以水溶液中硅离子( s i 4 + ) 形式放电直接电镀沉积到基体表面上，只能通过电泳工艺以 超细硅微粉颗粒( 即分子团) 形式沉积于基体表面上。电泳沉积超细硅微粉工艺具有如下 优点： ( 1 )实现了低温沉积，而且由于采取电泳沉积，在电的作用下硅粉颗粒沉积均匀、表 面平整、堆垛密实均匀整齐，因此沉积层密度大、表面质量好； ( 2 )采取超细微粒( 粒径几个微米甚至一个微米以下) 因此扩散容易； ( 3 )电泳工艺中硅粉的沉积量容易控制，需要多少增硅量就沉积多少硅微粉量，完全 能满足高硅钢的成分要求； ( 4 )溶液中沉积，无有害气体放出也无强烈的腐蚀，对环保和设备都有利； ( 5 ) 溶液循环使用、无消耗，只需补充硅粉，沉积成本低； ( 6 )电场作用沉积，能实现连续工业化生产，工艺操作性好。 经1 2 0 0 。c 保温1 5 小时的0 5 r a m 厚的样品，p o 2 l o k 铁损为1 0 3 2w k 9 1 【3 7 1 。 但电沉积工艺也存在如下问题： ( 1 )沉积层与基体的结合是机械和物理的结合方式，其结合强度很脆弱，沉积层容易 被剥落。 ( 2 )沉积层是纯硅粉电泳堆垛而成的，扩散热处理后由于s i 、f e 互扩散使得沉积层也 成为了独立的s i _ f e 合金夹层，但夹层与基体没有有效地结合在一起而形成冶金结合，这 夹层有些部位能剥离掉但有些部位很难剥离掉，因而影响了高硅钢的表面质量。 ( 3 )电泳沉积的硅粉颗粒虽然是有规律的堆垛，但硅原子之间的距离及硅原子与铁原 子之间的距离还是比较远，因此扩散渗硅时沉积层还有少量剩余硅粉，扩散效果不是很理 想。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 1 4 4 粉末冶金法 以雾化铁粉和硅粉为原料，按照6 5 s i 的配比混合。然后将具有塑性的混合原料粉末 在两辊轧机上进行轧制，轧制出粉末带材。将粉末带材切割为片材，在a r + 5 h 2 气氛保 护下进行初次烧结，烧结后的片材经过多道次轧制至0 3 0 r a m ，涂m g o ，在同样条件下于 进行二次烧结，经二次烧结后带材的致密度可达到9 8 ( 含6 5 s i 的f e - s i 合金的理论密 度为7 4 8 9 c m 3 ) 。此种方法制备出的0 3 0 m m 厚6 5 s i 硅钢片试样的饱和磁感应强度达到 1 8 t ，其高频铁损p 2 ，l o k 为6 9w k 9 1 【3 8 删。 但粉末冶金法也存在如下问题： ( 1 )由于高纯铁微粉和高纯超细硅微粉颗粒很小，表面积很大，表面能很大，颗粒间 容易团聚很难分离，因而分散性差，所以粉末间难以均匀混合； ( 2 )轧制时各点轧制压力难以达到一致，轧坯密度一致性差，烧结后各点的收缩率不 同，轧坯密度小处收缩大而轧坯密度大处收缩小，因而板坯厚度偏差大，这严重影响磁性 能。粉末轧制工艺复杂，影响因素多，板形控制很难； ( 3 )铁微粉很容易被氧化，超细硅微粉在制造过程中也会被氧化，在颗粒表面形成二 氧化硅( s i 0 2 ) 从而影响铁硅扩散及烧结过程。 1 4 5 传统轧制法的最新进展 从以上的叙述中可以看到，人们利用非传统轧制工艺对制备6 5 s i 高硅钢进行了种种 尝试，其目的在于避免其高脆性的形成，但由于影响工艺的因素复杂，技术参数的难于控 制，并没有走出实验室，形成规模化工业生产，即便是已投入实际生产的工艺，也存在着 对设备的侵蚀，生产成本过高等缺点。如何寻求到一种利用传统轧制工艺进行6 5 s i 高硅 钢制备的方法，将产生巨大的经济效益和社会效益，而在这其中利用合金化改善其机械加 工性能( 降低脆性、提高塑性) 是研究重点之一。 在2 0 0 3 年t r o s y a n e s 报道了利用微合金化在6 3 s i 高硅钢中加入m n 和舢通过传 统热轧泠轧法制备出了0 4 0 m m 厚的高硅钢片【4 。但此种工艺需要在冷轧前调整轧制方 向，沿热轧方向旋转9 0 0 ，即沿着热轧板的横向再进行冷轧，因此也不适合大规模工业生 产。 最近北京科技大学通过微合金化并结合适当热处理方式利用传统轧制法制备出了 o 0 3 m m 厚6 5 s i 高硅钢【1 4 , 1 6 , 1 7 , 4 2 , 4 3 1 。通过真空感应熔炼、铸锭退火、自由锻造、控温热 轧、热轧退火、控温温轧、温轧热处理、反复冷轧制备出了0 0 3 - - 0 0 5 m m 厚的6 5 s i 高 硅钢板。他们发现合金元素a l 的加入扩大了6 5 s i 高硅钢b 2 + do3 两相区，降低了再结 晶温度；而t i 的加入则细化了晶粒从而提高了合金热加工变形能力：随着n i 含量的提高， 再结晶温度降低；而b 的加入使得d03 相的微观环境得以改变从而降低反应畴界能，畴 界密度增大，长程有 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 了晶界形貌，减小了强度较低的大角度晶界的存在，使得晶界互相缠绕纠结而且其强共价 键的形成改善了晶界间的结合，从而避免高脆性的形成，从而达到了提高塑性和机械加工 性能的目的。其最终得到的高硅钢产品其高频铁损p o 0 7 愀达2 6 1 w k 9 1 ，虽然低于取向硅 钢( 3 7 ow k 酉1 ) ，但仍高于国外c v d 法6 5 训：s i 高硅钢的指标( 2 0 5w k 9 1 ) 【1 4 1 。而这可能 与晶粒间的晶界对磁畴运动的阻碍作用有关。由此可见，如何在通过合金化来改善6 5 高 硅钢机械加工性能的同时，继续提高其磁学性能，降低铁损，仍然需要人们去努力探索研 究。 1 5 本研究的内容和目的 1 5 1 本研究的内容 ( 1 )制备不同微合金化的含6 5 s i 的s i - f e 合金。 ( 2 ) 对含6 5 s i 的s i _ - f e 合金进行结构分析和性能表征。 ( a ) 对含6 5 s i 的s i _ - f e 合金金相分析： ( b )对含6 5 s i 的s i 一- f e 合金进行显微硬度和压缩测试，表征其室温时的塑性变形能 力和抗压强度。 ( 3 )探讨不同成分、不同含量微合金元素对含6 5 s i 的s i _ f e 合金金相和室温时塑性 变形能力的影响。 1 5 2 本研究的目的 ( 1 )加入合金元素锰使得y 区扩大，从而改善塑性；加入合金元素硼，利用硼强烈的 晶界偏聚作用( 其原因在于当含硼量为7 2 a t 时，在1 3 9 2 1 0 发生包晶反应( 6 f e ) h “f e ) + l ) ，来细化晶粒组织，提高塑性；加入合金元素铌，以期在熔液中获得细小、弥散的的 质点作为结晶核心，来细化晶粒，提高塑性。 ( 2 ) 希望通过改变工艺因素( 不同合金成分、不同合金含量、热处理方式等) 对含6 5 s i 的s i f e 合金塑性造成有益影响，其中主要目的是为了提高其室温时的塑性应变能力。 ( 3 )通过不同检测手段来研究工艺因素对含6 5 s i 的s i _ f e 合金室温塑性的影响规 律，其中主要是对室温时的塑性应变能力的影响规律。 1 5 3 本实验执行的基本路线 本实验基本路线如图所示： 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 实验材料 第二章实验设备及方法 实验原材料为：电工纯铁、金属硅、金属锰、硼铁( 质量分数为1 6 8 3 ) 、a l f aa e s a r 铌粉( 质量分数为9 9 8 ) 2 2 实验仪器 梅特勒托利多x s 2 0 5 d u 分析天平、g p 3 0 b 高频感应加热设备、d m k 4 0 0 e z 3 k 精密 数控电火花线切割机床、s x 2 2 5 1 2 实验电炉、n u 2 金相显微镜、h x - 1 0 0 0 t m c 显微硬度 而低共熔点氧化物 金中的氧化铁反应 流动性和粘度，也 被氧化。 时的成分配比。 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 在炼制造渣剂之前，根据计算出的两组元的质量，用电子分析天平尽量准确的称取出来。 将两组元混合物装入一大型容器内混合搅拌均匀，然后倒入石墨坩锅中使用高频感应加热 设备进行加热。 由于造渣剂在受热后熔化之前会发生体积膨胀，有可能会喷出坩埚之外，因此在加热 过程中应逐渐升高感应电流从而逐渐升高加热功率，使得造渣剂的温度缓慢升高。待造渣 剂完全熔化、内部没有气泡产生后再倾倒在周围盛有冷水的铁质容器中进行冷却，以保证 造渣剂能迅速凝结成块状。待完全冷却下来后，将浅蓝色玻璃状造渣剂敲碎成小块备用。 2 3 2 合金成分的确定与称取 综合考虑确定设计成分后，先称取某一组元的质量，由此组元的质量来确定其它组元 的质量。 利用电子分析天平进行称量，其o o l m g 的最小量程，确保称量的精确性。在称量时 应对各组分逐个称取，以确保不漏称，不重称。将误差控制在电子天平显示数字的最末位， 以保证称量的准确。 2 3 3 合金的制备 将电工纯铁用稀盐酸除锈，并用酒精洗净。本实验采用在空气中熔炼合金，熔炼时所 使用的坩埚为石墨氧化铝复合材料坩埚。熔炼前在坩埚内壁上形成c a o 和b 2 0 3 混合物的 涂层，以减少熔炼时碳的渗入。每次熔炼的合金量为2 5 0 9 。将成分配比好的原料放入石墨 氧化铝复合材料坩埚中，并在其上放上造渣剂，使之尽可能将原料覆盖，以免合金在加热 过程中被氧化，导致成分出现偏差。应缓慢提高感应电流，从而能比较稳定的升高温度， 以免原料粉末因剧烈受热而猛烈膨胀冲开造渣剂，导致成分的挥发和氧化。 待合金慢慢熔化时，用细长石英玻璃管缓慢搅拌。其目的：一是为了让尚未熔化的原 料熔到合金熔液中，促进合金快速熔化；二是为了使造渣剂和熔液良好接触，充分发挥其 造渣剂功能，除去熔液中的氧化物和杂质。 待合金完全熔化后，减小感应电流，静置数秒，待其成分均匀后，迅速将熔液倾倒于 内径2 5 m m ，外径5 0 m m ，高7 0 m m 的紫铜模具中，等其自然冷却。随后除去合金铸锭上 的废渣，即制得所需合金。 2 3 4 样品的制备 最终浇铸出的合金试样尺寸为直径为2 5 m m ，高度为7 0 m m 。利用精密数控电火花线 切割机床进行加工，从中加工出一个直径为1 0 m m ，高度为6 0 m m 的圆柱样品，并截为3 0 m m 一段。 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 2 3 5 热处理方式 将一部分制得的样品放入瓷舟内，将瓷舟推入管式炉，并在热处理过程中时刻不停的 对管式炉进行抽真空处理。试样随炉升温到8 5 0 ，升温速率为8 c r a i n ，保温- - d , 时，并 随炉冷却。 取压缩试样长度取为l = 2 d ，其中d = 1 0 m m ，显微结构分析试样为3 m m ，并从当中剖 开。 2 3 6 金相试样的制各 ( 1 ) 磨制 将取好的试样镶嵌好后放在金相砂纸上在流水中磨制。根据砂纸粒度依次取用1 8 旷、 3 2 矿、6 0 矿、8 0 扩、1 0 0 0 、1 2 0 0 、15 0 0 撑和2 0 0 0 水磨砂纸放在玻璃板上依次进行磨制。随 着砂纸号数增加，砂纸粒度减小，砂纸变细。 磨制时，必须遵守下列原n - 第一，试样不应压紧，避免由于用力不均划破砂纸；第 二，在一定号数砂纸上磨制时，试样位置不应变动，换下一号砂纸时，将试样旋转9 0 0 ， 使新的较细磨痕垂直于前一号砂纸上得到的磨痕。只有当前一号砂纸所留下磨痕完全磨掉 时，才能换用下一号砂纸。 ( 2 ) 抛光 经过磨制好的试样要进行抛光。抛光的目的在于去除试样表面剩余的划痕，使最后呈 现出如镜面的光滑平面。 抛光时应注意的是：用力轻匀、干湿适当、不时移动、保持清洁。抛光时间大约5 1 0 分钟为好。在最终抛光后，试样上应当具有像镜子那样光滑的表面，在任何放大倍数观察 时看不到磨痕。制备好的试样要很好地用流水冲洗，用吹风机吹干。 ( 3 ) 浸蚀 抛光后的试样，根据试样材料的不同，采用不同的浸蚀剂。在本实验中采用4 硝酸 酒精溶液。在浸蚀前先用酒精洗涤试样表面，以洗涤去除污渍，然后用脱脂棉沾浸蚀剂擦 在试样表面上，经过几秒钟，然后用大量流水进行冲洗，再用酒精洗涤，用吹风机吹干即 可。 2 4 性能检测 2 4 1 形貌观察 在材料科学领域中，大量的材料或生产材料所用的原料都是由各种各样的晶体组成 的。不同材料的晶相组成直接影响到它们的结构和性质：而生产材料所用原料的晶相组成 及其显微结构也直接影响着生产工艺过程及产品性能。因此对于各种材料及其原料的性 能、质量的评价，除了考虑其化学组成外，还必须考虑它的晶相组成及显微结构。所谓显 微结构就是指构成材料的晶相形貌、大小、分布以及它们之间的相互关系。利用金相显微 镜可以对光片表面相的形貌、尺寸、颜色、分布进行观察。 实验条件为：放大2 0 0 倍。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 2 4 2 维氏显微硬度 金属硬度实质是材料抵抗另一种较硬材料压入的能力。或者说材料抵抗局部变形，特 别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度是衡量金属软硬的判断依据。通过硬度试验可以 反映出金属材料在不同化学组成、组织结构及热处理工艺条件下性能的差别，因此硬度实 验广泛应用金属材料性能的检验和监督热处理工艺质量。 硬度本身是一个不确定物理量，同一种金属材料，使用不同的试验方法，得到的硬度 值不同，各种硬度表现的是在各自规定的试验条件下所反应的材料弹性、塑性、强度、韧 性及磨损力等多种物理量的综合性能。所以，在测定硬度时，要根据材料的软硬，选择合 适的硬度试验方法，得到的硬度值才比较准确。 在用静态力测定硬度的方法中，维氏硬度试验方法是最精确的一种，而且这种方法测 量硬度的范围较宽，可以测定目前所使用的绝大部分金属材料的硬度。当试验的材质硬度 是均匀的结构时，用测量对角线长度方法计算的硬度值精确度高、重复性好。 显微硬度试验时选用的试验力较小，达到0 0 9 8 1 9 6 1 n ，可测定金属箔、极薄的表面 层的硬度以及合金中各种组成相的硬度。 。 维氏显微硬度从侧面表征了在一定时间内，一定应力作用下，晶粒内部塑性变形的能 力。 试验条件为：试验力为5 0 西加载时间为2 0 s 。 2 4 3 压缩实验 a 值为最大切应力与最大正应力o m 瓤的比值。a 值越大的试验方法，试验中最大 切应力分量越大，表示应力状态越“软”，金属越不易产生脆性断裂越而易于产生塑性变形 和韧性断裂。反之，a 值越小的试验方法，试样中最大正应力分量越大，表示应力状态越 “硬”，金属越不易产生塑性变形而易于产生脆性断裂。 单向压缩试验的应力状态软性系数a = 2 ，比拉伸、扭转、弯曲的应力状态都软，所以 主要用于拉伸时呈脆性的金属材料力学性能测定，以显示这类材料在塑性状态下的力学行 为。 试验条件为：等速试验力控制，加载速率为5 k n m i n 。 在进行压缩试验时，是以等速加载试验力的方式进行测试。测试开始前要使万能试验 机的压板与试样完全接触，会给予样品施加一定的初始预应力，而控制的惯性作用往往会 使这个初始预应力偏高。因此在压缩应力应变曲线上，当应变显示为零时，应力显示往往 并不为零，一般为一正值。然而由于此时样品处于弹性应变阶段，初始预应力的不同，只 是影响弹性应变区的大小以及塑性应变区的相对位置，而并不影响压缩塑性应变量的大 小，因此初始预应力的不同对于所测的铸态6 5 s i 高硅钢的室温压缩塑性没有影响。 第三章合金元素对6 5 s i 高硅钢组织及压缩性能的影响 3 1 锰元素对6 5 s i 高硅钢组织及压缩性能的影响 3 1 1 锰元素对铸态6 5 s i 高硅钢组织及压缩性能的影响 1 锰元素对铸态6 5 s i 高硅钢显微结构的影响 图3 16 5 s i 铸态组织( 横截面与纵剖面) 图3 20 5 m n 铸态组织( 横截面与纵剖面) 图3 31 m n 铸态组织( 横截面与纵剖面) lllllliilllillillilliilillillillillillillillillil 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 图3 41 5 m n 铸态组织( 横截面与纵剖面) 图3 52 m n 铸态组织( 横截面与纵剖面) 对比6 5 s i 高硅钢与不同锰含量的铸态组织( 图3 1 3 5 ) ，可以发现，随着锰含量的 提高，晶粒尺寸呈现先增大后减小的变化趋势，但晶界形貌变化不大。并且随着锰含量的 提高，晶粒形貌呈现出由粗大的等轴晶逐渐转变为细长的枝状晶。在( 1 锰( 图3 3 ) ，1 5 锰( 图3 4 ) ，2 锰( 图3 5 ) ) 中均出现枝状晶的形貌。随着锰含量的提高，枝状晶组织出 现的愈发明显。这说明锰元素有促进枝状晶形成的作用。 2 锰元素对铸态6 5 s i 高硅钢显微硬度的影响 表3 1 含锰铸态6 5 s i 高硅钢显微硬度 l23 6 5 s i3 9 93 8 63 9 2 0 5 m n 3 5 5 3 9 1 3 8 0 1 m h 3 7 6