Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 4. Роль неметаллических включений

УДК 538.911

Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 4. Роль неметаллических включений

В.В. Губернаторов, Т.С. Сычева

Институт физики металлов УрО РАН, Екатеринбург, 620990, Россия

Проведен анализ макроструктуры, остроты ребровой кристаллографической текстуры (110)[001] и магнитных свойств анизотропной электротехнической стали (магнитомягкий ОЦК-сплав Fe - 3 мас. % Si), произведенной по технологиям, отличающимся химическим составом ингибиторов—частиц неметаллических включений: нитридной (AlN), сульфидной (MnS), сульфонитридной (MnS + AlN) и нитридно-медной (AlN + CuMn2O4). Обнаружено, что сталь, содержащая только хрупкие включения AlN, имеет наиболее рассеянную ребровую текстуру и наихудшие магнитные свойства. Это обусловлено тем, что в ней при формировании ребровой текстуры рекристаллизации нет «ориентированного зарождения» около включений AlN, переходные полосы отсутствуют, а полосы сдвига не «работают». Предложен механизм формирования зародышей (центров) рекристаллизации ребровой ориентировки около пластичных включений MnS и CuMn2O4. При холодной прокатке стали присутствующие в ней пластичные включения вытягиваются и гофрируются. При этом имеет место проскальзывание по межфазным границам «матрица - включение» с образованием областей с текстурой трения (в ОЦК-металлах и сплавах — (110)[001]), которые становятся центрами рекристаллизации при отжиге холоднокатаной стали. Справедливость предложенного механизма подтверждена экспериментальным моделированием влияния специально проведенного (искусственного) гофрирования поверхностных слоев стальной полосы на формирование центров рекристаллизации ребровой ориентировки. Полученные результаты положены в основу способа улучшения магнитных свойств наиболее дешевой и простой по технологии производства стали, содержащей только ингибиторы AlN. Его суть заключается в управлении количеством и ориентировкой центров вторичной рекристаллизации путем локального искусственного гофрирования поверхностных слоев стальной полосы, что при отжиге приводит к формированию необходимой структуры и текстуры стали. Предложенный способ позволил повысить уровень магнитных свойств этой стали до уровня свойств сталей, производимых по другим технологиям.

Ключевые слова: анизотропная электротехническая сталь, неметаллические включения, ингибиторы, деформация прокаткой, гофрирование, рекристаллизация, структура и кристаллографическая текстура, магнитные свойства

The corrugation phenomenon and formation of strained and recrystallized structure and texture in metallic materials. Part IV. The role of nonmetallic inclusions

V.V. Gubernatorov and T.S. Sycheva

Institute of Metal Physics UrB RAS, Ekaterinburg, 620990, Russia

This paper analyzes the macrostructure, sharpness of rib crystallographic texture (110)[001], and magnetic properties of anisotropic electrical steel (soft magnetic bcc alloy Fe-3 mass % Si) whose production technologies differ only in the chemical composition of inhibitors that are nonmetallic inclusions: nitride (AlN), sulphide (MnS), sulfonitride (MnS + AlN), and nitride copper (AlN + CuMn2O4). It has been found that steel containing only brittle AlN inclusions has the most diffuse rib texture and the worst magnetic properties. This is due to the fact that there is no "oriented nucleation" near AlN inclusions during the formation of rib recrystallization texture, no transition bands, and shear bands do not "work". A formation mechanism of recrystallization nuclei (centers) of rib orientation near ductile MnS and CuMn2O4 inclusions is suggested. In cold rolling of steel, ductile inclusions extend and corrugate. This is accompanied by slipping along "matrix-inclusion" interfaces with the formation of regions with friction texture ((110)[001] in bcc metals and alloys) which become recrystallization centers during annealing of cold rolled steel. The suggested mechanism is validated by experimental modeling of the effect of corrugation artificially produced in surface layers of a steel strip on the formation of recrystallization centers of rib orientation. Based on the obtained results, a method has been developed to improve the magnetic properties of the cheapest and easiest to produce steel containing only AlN inhibitors. The method allows control over the number and orientation of secondary recrystallization centers by artificially corrugating steel surface areas, owing to which the steel acquires necessary structure and texture during annealing. The improved magnetic properties of the studied steel reached the properties of steels produced by other technologies.

Keywords: anisotropic electrical steel, nonmetallic inclusions, inhibitors, rolling deformation, corrugation, recrystallization, structure and crystallographic texture, magnetic properties

© Губернаторов В.В., Сычева Т.С., 2017

1. Введение

В [1-3] установлено, что в структурно-однородных средах (в частности в металлических монокристаллах) основную роль в образовании полос деформации и разделяющих их переходных полос при холодной прокатке играет гофрирование определенных слоев материала при обжатии его в начале очага деформации. При этом и последующем обжатиях материала возникшие переходные полосы и полосы сдвига гофрируются и в них формируется ячеистая (субзеренная) микроструктура. Благодаря происходящим при гофрировании полос удлинению субзерен и повороту кристаллической решетки в них появляется ориентационный и размерный контраст между субзернами полос деформации и наружными субзернами переходных полос и полос сдвига, что позволяет последним стать зародышами (центрами) первичной рекристаллизации при отжиге.

Однако большинство реальных поликристаллических металлов и сплавов структурно-неоднородны. Помимо границ кристаллитов (зерен), они содержат по меньшей мере случайно образовавшиеся при выплавке и охлаждении слитка и/или специально внесенные неметаллические включения различного типа, которые оказывают влияние на структуро- и текстурообразова-ние в материале при деформации и рекристаллизации [4, 5]. К последним относится и анизотропная электротехническая сталь (магнитомягкий ОЦК-сплав Fe-3 мас. % Si, далее по тексту — сталь).

Листовую сталь толщиной 0.23-0.30 мм с крупными сквозными ребровыми зернами используют для изготовления магнитопроводов различных электротехнических машин и аппаратов. Такая структура и текстура формируются при вторичной рекристаллизации (аномальный рост зерен) во время высокотемпературного отжига стали, претерпевшей один или два цикла «холодная прокатка - низкотемпературный отжиг на первичную рекристаллизацию».

Основным условием реализации вторичной рекристаллизации в металлических материалах является предотвращение нормального роста зерен (собирательной рекристаллизации) за счет наличия в них дисперсных частиц неметаллических включений (так называемых ингибиторов, которые специально вносят в материал) или острой однокомпонентной текстуры первичной

рекристаллизации. При производстве стали в качестве ингибиторов (по ним часто называют технологию и вариант выплавки) используют АШ (нитридная), М^ (сульфидная), АШ + М^ (сульфонитридная), АШ + СиМп204 (нитридно-медная) [6].

Для развития ребровой текстуры в стали текстура первичной рекристаллизации должна иметь основную компоненту {111}(П2) и содержать небольшое количество ориентировки (110)[001] (зерна (110)[001] отделены от зерен матрицы {П1}(112) границами наибольшей подвижности) [7]. Текстура {111}(112) получается при определенных режимах прокатки и низкотемпературного рекристаллизационного отжига. Механизм образования крупных и/или групп зерен с ориентировкой (110)[001] (центров вторичной рекристаллизации) до сих пор остается неясным.

Известно, что чем острее ребровая текстура в стали, тем лучше ее магнитные свойства: выше магнитная индукция В800 и ниже удельные магнитные потери Р17/50. По данным табл. 1, составленной по данным [6], наихудшими свойствами и более рассеянной ребровой текстурой обладает сталь нитридного варианта выплавки. Внесение в эту сталь М^ или СиМп204 улучшает ее свойства за счет повышения остроты текстуры, что указывает на их положительное влияние на образование ребровых центров рекристаллизации. Рассеянная ребровая текстура в стали, содержащей только АШ, свидетельствует о том, что в ней: 1) отсутствует «ориентированное зарождение» около включений и нет переходных полос, а полосы сдвига почему-то не «работают»; 2) текстура формируется за счет «ориентированного роста», т.е. текстура первично рекристаллизованной матрицы {111 }(112) позволяет развиваться случайно возникшим центрам рекристаллизации не только с идеальной, но и с отклоненной ребровой ориентировкой.

Из общих соображений и данных работ [4, 5] следует, что влияние АШ, СиМп204 и М^ на образование центров рекристаллизации ребровой ориентировки обусловлено их поведением при прокатке и последующем отжиге. Отметим, что при анализе влияния отжига на центрообразование необходимо учитывать зависящую от температуры сумму изменений коэффициентов линейного теплового расширения ЕДат1п включений Да1п и матрицы Fe - 3 % Si Дат, т.к. возникающие

Таблица 1

Характеристики анизотропной электротехнической стали толщиной 0.3 мм, произведенной по различным технологиям

Технология производства (ингибиторы) Максимальный размер зерна, мм Магнитная индукция в800, Тл Удельные магнитные потери Р1 7/50, Вт/кг

Нитридная (А1Ы) 40 1.80 1.43

Сульфидная (МпБ) 5 1.85 1.16

Сульфонитридная (МпБ + АШ) 25 1.92 1.03

Нитридно-медная (А1Ы + СиМп^О^ 40 1.90 1.12

Таблица 2

Изменение коэффициентов линейного теплового расширения (Да • 106, °С-1) и их суммы (ЕДа 106, °С-1) Fe - 3 % Si (т), МЫ (ш1) и СиМп204 (ш2) в интервале температур развития первичной и вторичной рекристаллизации

Температурный интервал, °С Дат ^е - 3 % Si) Да1п1 (МЫ) ЕДа тДп1 Да1п2 (СиМп204) ЕДа тДп2

20 ^ 600 4.3

600 ^ 900 -0.8

около включений напряжения прямо пропорциональны ЕДат ¡п (при этом можно использовать данные табл. 2, составленной с использованием результатов [8-10]).

Согласно [4], при холодной прокатке стали нитрид-ного варианта хрупкие частицы АШ разрушаются и осколки выстраиваются в цепочки вдоль направления прокатки. Они приводят к увеличению искажений и кривизны кристаллической решетки и уменьшению размера субзерен в окружающей их матрице [5]. При температуре отжига ~600 °С около частиц А1Ы начинается первичная рекристаллизация, которой способствуют и небольшие напряжения, создаваемые ЕДат1п (табл. 2). При этом, как показано в [5], образуется такая же текстура, как и в основной матрице (в нашем случае {111}(112)), но более рассеянная. При дальнейшем повышении температуры отжига существенных изменений в структуре и текстуре матрицы около частиц АШ не происходит, т.к. напряжения при отрицательной сумме ЕДа т ¡п1 (табл. 2) отсутствуют. Следовательно, около хрупких ингибиторов в прокатанной стали центры рекристаллизации ребровой ориентировки не образуются.

Иначе ведут себя пластичные ингибиторы, в частности СиМп204, при прокатке и отжиге стали. При прокатке они вытягиваются и принимают извилистую форму [4], т.е. гофрируются. По нашему мнению, имеющее место проскальзывание по межфазной границе «матрица - включение» при гофрировании включения приводит к формированию текстуры трения (в ОЦК металлах и сплавах — (110)[001]) в стальной матрице. Локальный разогрев при проскальзывании инициирует динамическую полигонизацию с укрупнением субзерен и сохранением текстуры трения. При нагреве прокатанной стали до температуры начала первичной рекристаллизации (~600 °С) субзерна матрицы около включений укрупняются с сохранением ориентировки (110)[001] за счет полигонизации, инициируемой большими напряжениями, вызванными ЕДат 1п2 (табл. 2). Эти крупные субзерна и/или группы субзерен и становятся центрами первичной рекристаллизации. При дальнейшем нагреве стали зерна (110)[001] около включений будут укрупняться с сохранением своей ориентировки путем динамической полигонизации, вызван-

ной напряжениями от ЕДа т ¡п2 (табл. 2). Приобретая таким механизмом ориентационный и размерный контраст, эти зерна становятся центрами вторичной рекристаллизации ребровой ориентировки.

Задача данной работы — экспериментально показать, что образование центров рекристаллизации ребровой ориентировки (110)[001] при отжиге холоднокатаной анизотропной электротехнической стали связано с гофрированием пластичных ингибиторов при прокатке. При этом предпринята попытка определить роль включений и переходных полос (последние могут быть и в холоднокатаном металлическом поликристалле [7]) в формировании центров рекристаллизации. Поскольку границы зерен при холодной прокатке поликристаллов вытягиваются без гофрирования, то их влияние на цент-рообразование при рекристаллизации в настоящей работе не рассматривается.

2. Материал, обработка, методы исследования

Исследование проведено на моно- и поликристаллах анизотропной электротехнической стали производства Новолипецкого металлургического комбината (г. Липецк) нитридного варианта выплавки (ингибиторы — дисперсные частицы АШ). Опытные образцы изготовляли из стальной полосы толщиной 0.6 мм, полученной на комбинате по технологической схеме: горячая прокатка слябов на полосы толщиной ~2.5 мм; первая холодная прокатка полос на толщину ~0.6 мм; промежуточный отжиг на первичную рекристаллизацию и обезуглероживание (~750 °С). Дальнейшую обработку образцов проводили в лабораторных условиях.

Макроструктуру образцов выявляли химическим травлением в кипящем 30% водном растворе соляной кислоты. Ориентировку крупных зерен определяли по фигурам травления, которые получали травлением химически полированных образцов (10 % ортофосфорной кислоты + 90 % перекиси водорода) в реактиве: 70 % воды + 30 % перекиси водорода + несколько капель соляной кислоты.

Основные магнитные характеристики стали (магнитную индукцию В800 и удельные магнитные потери при перемагничивании Р17/50) определяли на полосках 0.3 х30х280 мм стандартными методами [11].

-Температура, НП

Рис. 1. Начало первичной рекристаллизации (б) в гофрированной зоне прокатанного на 60 % за один проход монокристалла (110)[001] (а) при градиентном отжиге: НП — направление прокатки. Фигуры травления: [] — (110)[001], < — (111)[112]

3. Результаты и их обсуждение

Роль гофрирования слоев стальной полосы в образовании центров рекристаллизации ребровой ориентировки исследовали следующим образом. На плоский монокристалл (110) сплава Fe - 3 % Si толщиной 0.45 мм была нанесена вдоль [001] узкая (~2 мм) полоска односторонней клейкой ленты на тканевой основе толщиной 0.08 мм, затем произведена холодная прокатка на лабораторном стане за один проход до 0.17 мм (обжатие ~60 %) в направлении [001]. При этом под клейкой лентой получилась полоска с гофрированной поверхностью (рис. 1, а). Этот процесс будем называть искусственным гофрированием. Далее следовал низкотемпературный градиентный отжиг: образцы помещали в нагретую печь (максимальная температура ~750 °С, минимальная — 20 °С, градиент — 35 °С/см) и выдерживали

30 мин. Оказалось, что при отжиге холоднокатаных образцов в печи с растянутым температурным градиентом первичная рекристаллизация с образованием зерен ребровой ориентировки, определенной по фигурам травления, начинается значительно раньше в искусственно гофрированной полоске, а именно на гребнях гофров (рис. 1, б), по сравнению с основным металлом. Различие температур начала первичной рекристаллизации обусловлено размерным фактором: в первом случае «работают» макро-, а во втором — микрогофры.

Если с полоской клейкой ленты прокатать за один проход поликристалл {111}(112) сплава Fe-3%Si, содержащего включения АШ, толщиной 0.6 до 0.3 мм (обжатие ~50 %), а затем произвести высокотемпературный градиентный отжиг (максимальная температура 1000 °С, минимальная — 20 °С, градиент — 35 °С/см) с выдержкой 30 мин, то вторичная рекристаллизация начинается в первую очередь в искусственно гофрированной полоске (рис. 2, а) с образованием зерен ребровой ориентировки (рис. 2, б).

Проведенные модельные эксперименты показали, что при искусственном гофрировании поверхностных слоев стальной полосы в ней, благодаря поворотам кристаллической решетки, образуются субзерна с ориентировкой (110)[001]. При высокотемпературном отжиге холоднокатаной стали эти субзерна становятся сначала центрами первичной, а затем и вторичной рекристаллизации. Очевидно, аналогичным образом происходит формирование острой ребровой текстуры в стали с пластичными включениями М^ или СиМп204, гофрирующимися при холодной прокатке, поэтому у нее хорошие магнитные свойства (табл. 1).

В стали нитридного варианта с хрупкими включениями АШ этот процесс не «работает», ее текстура и магнитные свойства неудовлетворительные. Но если искусственно создать центры рекристаллизации ребровой ориентировки, то можно улучшить свойства этой стали.

В данной работе это реализовано путем локального искусственного гофрирования поверхностных слоев стальной полосы. Из первично рекристаллизованной

Температура, НП

а

тж.

I ШйШ

ЩрШШ

I

Ьа

и-1

*; < 9 /

0.01 мм

Рис. 2. Начало вторичной рекристаллизации в гофрированной зоне прокатанного на 50 % за один проход поликристалла {111}(112) при градиентном отжиге (а) с образованием зерен ребровой ориентировки (б): НП — направление прокатки. Фигуры травления:

В — (110)[001]

и обезуглероженной стальной полосы были вырезаны полоски размером 0.6 х40х 150 мм и на них посередине по линии параллельной длинной стороне нанесены фрагменты клейкой ленты размером 2х2 мм на расстоянии 25 мм друг от друга. Далее проводили вторую холодную прокатку до конечной толщины 0.3 мм (е = 0.5) и вырезали образцы 0.3 х30 х280 мм, которые нагревали со скоростью 20 °С/ч до 1100 °С в вакууме и выдерживали 8 ч. При прокатке на 50 % расстояние между фрагментами вдоль направления прокатки увеличилось в 2 раза, под ними получалось локальное гофрирование поверхности, а при высокотемпературном отжиге образовались зерна вторичной рекристаллизации размером ~50 мм. После завершения обработки проводили измерение магнитных свойств. Получены следующие средние значения по пяти образцам: В800 = 1.92 Тл, Рх 7/50 = = 1.04 Вт/кг. Магнитные свойства стали улучшены за счет повышения остроты ребровой текстуры на 6 и 27 % соответственно (см. табл. 1).

Эти результаты позволили предложить способ производства анизотропной электротехнической стали нит-ридного варианта выплавки с высоким уровнем магнитных свойств. Он заключается в том, что перед холодной прокаткой стали на конечную толщину на полосу наносят фрагменты тонкого пластичного материала. Причем фрагменты определенного размера располагают на расстоянии около 50 мм друг от друга по ширине полосы и 50(1 - е) мм по длине полосы, где е — относительное обжатие полосы при холодной прокатке. Эти фрагменты, локально гофрируя поверхностные слои полосы, при последующем отжиге холоднокатаной стали задают количество и ориентировку центров рекристаллизации и тем самым определяют макроструктуру и текстуру стали. Сталь нитридного варианта, полученная по предлагаемому способу, не уступает по своим характеристикам сталям, произведенным по другим технологиям (табл. 1).

4. Заключение

Предложен механизм формирования зародышей (центров) первичной и вторичной рекристаллизации ребровой ориентировки (110)[001] в холоднокатаной анизотропной электротехнической стали, содержащей специально внесенные при выплавке пластичные неметаллические включения (ингибиторы). Такие включения при прокатке стали вытягиваются и гофрируются. При этом имеет место проскальзывание по межфазным границам «матрица - включение» и формирование субзерен с текстурой трения (в ОЦК металлах и сплавах — (110)[001]). При отжиге стали субзерна сохраняют ребровую ориентировку и приобретают размерное преимущество благодаря динамической полигонизации, вы-

званной напряжениями из-за разницы теплового расширения включений и матрицы. Этот механизм работает, если сумма изменений коэффициентов теплового расширения включений и матрицы в температурном интервале развития рекристаллизации положительна. Справедливость предложенного механизма подтверждена экспериментом со специально проведенным (искусственным) гофрированием поверхностных слоев стальной полосы.

Показано, что путем локального искусственного гофрирования поверхностных слоев полосы анизотропной электротехнической стали можно управлять количеством и ориентировкой центров вторичной рекристаллизации. Этот путь позволил получить сталь нитрид-ного варианта выплавки (ингибиторы — хрупкие частицы AlN), магнитные свойства которой не уступают свойствам сталей, производимых с использованием пластичных ингибиторов MnS и CuMn2O4.

Работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема «Магнит», № 01201463328).

Литература

1. Губернаторов В.В., Владимиров Л.Р., Сычева Т.С., Долгих Д.В. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 1. Геометрическая модель пластического течения структурно-однородных сред при прокатке // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. -№ 5. - C. 97-101.

2. ГубернаторовВ.В., Сычева Т.С., ВладимировЛ.Р., МатвееваВ.С., Пятыгин А.И., Мельников М.Б. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 2. Сплавы кубической сингонии // Физ. мезомех. - 2002. - Т. 5. - № 6. - C. 95-99.

3. ГубернаторовВ.В., ВладимировЛ.Р., Сычева Т.С., МатвееваВ.С., Драгошанский Ю.Н., Пятыгин А.И. Явление гофрирования и формирование структуры и текстуры в металлических материалах при деформации и рекристаллизации: 3. Новые пути получения высококачественной анизотропной электротехнической стали // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 3. - C. 107-112.

4. Губенко С.И. Трансформация неметаллических включений в стали. - М.: Металлургия, 1991. - 225 с.

5. Гольдштейн В.Я., Гершман Р.Б. К вопросу о влиянии неметаллических включений на рекристаллизацию кремнистого железа // Изв. АН СССР. Сер. физ. - 1975. - Т. 39. - № 7. - С. 1503-1509.

6. Лобанов М.Л., Русаков Г.М., Редикульцев А.А. Электротехническая

анизотропная сталь. Часть 1. История развития // МИТОМ. -2011.- № 7. - С. 18-25.

7. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1978. - 568 с.

8. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел. - М.: Наука, 1974. - 294 с.

9. http ://www.ceramtec.ru/ceramic-materials/aluminum-nitride/.

10. Князев Н.Г., Черноруков С.С., Князева О.В., Крашениннико-ваА.С., Плесовских К.В. Высокотемпературные исследования соединений состава MjMn2O4 (Mt — Li, Cu, Zn, Cd) // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2014. -№4(1). - С. 114-121.

11. Дружинин В.В. Магнитные свойства электротехнической стали. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 320 с.

Поступила в редакцию 12.07.2016 г.

Сведения об авторах

Губернаторов Владимир Васильевич, д.т.н., гнс ИФМ УрО РАН, sych@imp.uran.ru Сычева Татьяна Сергеевна, нс ИФМ УрО РАН, sych@imp.uran.ru