一种抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁及其制造方法与流程

本发明涉及一种电磁纯铁及其制造方法，尤其涉及一种免磁化退火电磁纯铁及其制造方法。

背景技术：

国家电网智能化改造需配备可远程控制的电子电表，从而实现无人抄表，磁保持继电器作为电子电表不可缺少的部件，市场需求不断增长。矫顽力(Hc，对应退磁功能)是磁屏蔽材料的重要性能指标，与Ni-Fe、硅钢、Fe-Co和铁素体不锈钢等材料相比，电磁纯铁矫顽力较低，并且成本低、成形性和焊接性优良，作为强磁屏蔽材料具有一定优势。

目前，冷轧电磁纯铁产品以退火态出厂，用户加工成型后进行磁化退火处理以消除冷加工晶格畸变，从而充分发挥纯铁磁性能。根据国标GB/T 6983-2008，电磁纯铁磁化退火工艺如下：真空或惰性气体保护退火时，随炉升温到900±10℃保温1h，保温结束后以低于50℃/h的速度冷却到500℃以下或室温出炉；如果采用脱碳气氛进行退火，则随炉升温到800℃，然后经不小于2h的时间加热到900±10℃保温4h，保温结束后以低于50℃/h的速度冷却到500℃以下或室温出炉。

然而目前，现有技术由于磁化退火工序周期长、退火设备要求高，且产量受限于装炉量，使产品生产加工周期延长、成本高，因而，需要开发出成形后可直接使用的冷轧电磁纯铁，免磁化是电磁纯铁重要的发展方向。

公开号为CN1211625，公开日为1999年3月24日，名称为“具有粗大晶粒组织的冷轧纯铁板的生产方法”的中国专利文献公开了一种具有粗大晶粒组织的冷轧纯铁板的生产方法，采用高温退火技术获得晶粒度3级以下组织，矫顽力低至36-44A/m。由于退火温度850℃以上，退火时间长达数小时，对退火加热炉设备要求很高。

此外，为降低纯铁矫顽力并且提高冲裁性能，公开号为CN1410580，公开日为2003年4月16日，名称为“具有极低矫顽力的冷轧电磁纯铁板带及其生产方法”的中国专利文献公开了一种具有极低矫顽力的冷轧电磁纯铁板带，其采用低磷、低铝成分，严格控制AlN、MnS等夹杂物，最终成品在磁化退火后矫顽力达到40A/m以下。

公开号为CN1775466，公开日为2006年5月24日，名称为“低矫顽力高磁导率电磁纯铁冷轧薄板材料制造方法”的中国专利文献公开了一种低矫顽力高磁导率电磁纯铁冷轧薄板材料制造方法，采用了高铝成分(Al：0.5-0.8％)，使成品氧含量降低，并通过严格控制炼钢工艺降低夹杂物含量。可见，氧含量和夹杂物是影响矫顽力的关键要素，根据需要针对零部件具体，对铝、磷等元素精准控制。

因此，期望获得一种免磁化退火电磁纯铁，其能在提高电磁性能的同时，抗折弯开裂性能优良。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁，所述免磁化退火电磁纯铁电磁性能优良，且抗折弯开裂性能优良。

基于上述发明目的，本发明提供了一种抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁，其微观组织为等轴铁素体，等轴铁素体的平均晶粒尺寸为60-100μm，其中尺寸为60μm以上的等轴铁素体的体积分数超过80％；所述免磁化退火电磁纯铁具有夹杂物，所述夹杂物为Al₂O₃-MnS体系，其中Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.01％，MnS夹杂物的面积百分比低于0.004％。

根据发明人研究发现，电磁纯铁磁性能与其晶粒尺寸有关，晶粒尺寸越大，则电磁纯铁磁性能越佳。经过发明人大量实验研究发现，当所述的免磁化退火电磁纯铁为微观组织为等轴铁素体，并且对其晶粒尺寸和所含体积分数进行控制为：等轴铁素体的平均晶粒尺寸为60-100μmm，其中尺寸为60μm以上的等轴铁素体的体积分数超过80％时，所获得的免磁化退火电磁纯铁具有较高抗折开裂性能和磁性能。

此外，由于电磁纯铁性能还与其所含夹杂物有关，所含夹杂物的体积百分数越小，则电磁纯铁性能越佳，因此，本案发明人将所述免磁化退火电磁纯铁的夹杂物限定在所述夹杂物为Al₂O₃-MnS体系，其中Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.01％，MnS夹杂物的面积百分比低于0.004％。

优选地，在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，所述等轴铁素体的平均晶粒尺寸为80-90μm，其中尺寸为80μm以上的等轴铁素体的体积分数超过60％；所述Al₂O₃夹杂物的面积百分比低于0.007％，所述MnS夹杂物的面积百分比低于0.002％。

进一步地，在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，其矫顽力低于80A/m，并且180℃-0T折弯表面不开裂。

进一步地，在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，其厚度为1.2-2.5mm。

进一步地，在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，其硬度为80-110Hv，沿轧制方向的屈服强度≥160MPa，抗拉强度≥270MPa，延伸率A₅₀≥35％。

进一步地，在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，其化学元素质量百分比为：

C≤0.005％，Si≤0.01％，Mn：0.1～0.25％，0＜P≤0.02％，S≤0.01％，Al：0.002～0.006％，N≤0.005％，O≤0.01％，B：0.002～0.006％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

在本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁的各化学元素设计原理如下所述：

C和N：在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，C和N均为有害元素，这是因为：电磁纯铁的磁时效就是由常温下过饱和固溶的N、C元素以化合物氮化铁(Fe₁₆N₄)和ε碳化铁形式析出造成的。C、N都是间隙原子，在高温下钢水中C、N有较高的固溶度，随钢水的冷却其溶解度逐渐降低，因此，来不及析出的C、N在α-Fe中形成过饱和固溶体。在电磁纯铁长期工作时，特别是由于温升因素，多余的C、N原子就以细小弥散的ε碳化物和针状Fe₁₆N₄氮化铁质点析出。而细小的C、N类夹杂物为非磁性相，因而会增加电磁纯铁的内应力，导致钉扎磁畴移动，对磁性极为有害，引起电磁纯铁的矫顽力Hc升高，磁导率μ下降和磁感应强度B降低。因此，在本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁控制C、N的质量百分比在：C≤0.005％，N≤0.005％。优选地，C和N的质量百分比进一步控制在C≤0.003％，N≤0.003％。

Si：在本发明所述的技术方案中，Si以固溶体的形式存在于α-Fe中，增加硅的质量百分比将引起饱和磁感B的降低，因此，在本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁中Si的质量百分比控制在Si≤0.01％。优选地，Si的质量百分比进一步控制在Si≤0.005％。

Mn和S：在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，Mn与S形成MnS，可防止沿晶界形成低熔点的FeS所引起的热脆现象。此外，在本发明所述的技术方案中，将Mn/S的质量百分比比值控制在Mn/S≥10从而改善热轧塑性和使MnS粗化。由于在α-Fe中形成了细小的MnS和FeS(没有锰元素时，S与Fe生成FeS)，所形成的细小的MnS和FeS强烈阻碍成品退火时的晶粒长大，阻碍磁畴壁的移动，引起磁化困难，使矫顽力增加，磁导率降低。当S的质量百分比在0.004～0.01％时，提高锰的质量百分比可使MnS粗化，晶粒容易长大；当S的质量百分比<0.004％时，Mn量增高反而会使晶粒变小，因为热轧板退火后析出了细小的MnSiN₂；此外，当S、Mn的质量百分比都很低时，晶粒更容易长大。因此，在本发明所述的技术方案中对S和Mn控制为：S≤0.01％，Mn：0.10～0.25％；在一些优选实施方式中，控制S和Mn的质量百分比在S≤0.006％，Mn：0.10～0.20％。

P：磷用于减小γ相区，促使晶粒长大。磷沿晶界的偏聚可提高(110)组分减少(111)组分，所以对磁感应强度也有提高作用。另外P能提高硬度，但磷量过高，特别是碳含量很低的情况下，冷加工性能变坏，产品冷脆性提高。因此，本发明所述的免磁化退火电磁纯铁控制P的质量百分比为：0＜P≤0.020％；优选地，控制P的质量百分比在0＜P≤0.015％。

Al：Al是电磁纯铁的一个重要组成元素，对产品的磁性能有重要影响。Al使γ相区缩小，促使晶粒长大，对钢的强度和硬度影响相对于硅、锰要小得多，从外，铝可使电工钢冷轧板(110)组分增多，(111)组分减少，提高磁导率μ值。由于酸溶铝Als在0.005～0.014％范围内最易形成细小的AlN，从而阻止晶粒长大，进而使得晶粒细小，(111)位向组分增多，对磁性能有害。因此，本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁控制Al的质量百分比在：Al：0.002～0.006％；优选地，进一步控制Al的质量百分比为Al：0.003～0.005％。

O：由于O在电磁纯铁中为有害元素，所形成SiO₂、Al₂O₃、MnO等氧化物夹杂降低磁性，并且细小氧化物阻碍晶粒长大，强烈影响磁化，增大矫顽力。另外，氧会加速氮在α-Fe中的扩散速度，间接地加速磁时效的发生。因此，本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁中，O的质量百分比为O≤0.01％；优选地，进一步控制O的质量百分比在O≤0.008％。

B：硼在γ相中与氮优先形成BN，防止热轧时AlN的析出，使细小AlN的危害减小。此外，B可使(111)位相强度减小，晶粒粗化和磁性提高。

在一些优选的实施方式中，B/N的质量百分比比值控制在0.5～2.5，这是因为：当B的加入量过高时，则提高了生产成本、且晶粒变细，导致力学性能也会变坏。因此，在本发明所述的技术方案中，对B的添加质量百分比范围控制在：0.002～0.006％；优选地，B的质量百分比进一步控制在B：0.003～0.004％。

更进一步地，在本发明所述的免磁化退火电磁纯铁中，其化学元素质量百分比为：

C≤0.003％，Si≤0.005％，Mn：0.1～0.2％，0＜P≤0.015％，S≤0.006％，Al：0.003～0.005％，N≤0.003％，O≤0.008％，B：0.003～0.004％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。

相应地，本发明还提供了一种免磁化退火电磁纯铁的制造方法，其依次包括步骤：

(1)冶炼和连铸；

(2)热轧；

(3)酸洗；

(4)冷轧，控制冷轧压下量为25-70％；

(5)再结晶退火。

本发明所述的电磁纯铁的制造方法相较于现有技术的区别在于本发明技术方案无需磁化退火处理，因而克服了现有技术中因为需要进行磁化退火处理所导致的大尺寸零件生产受磁化退火装炉的限制，并且避免了大尺寸零件生产加工周期长，成本高的问题。

由于本技术方案中没有磁化退火工艺，因而为了获得高抗折弯开裂性能，并确保磁性能优良，需要严格控制冷轧工艺，这是因为：冷轧过程中，不同的冷轧压下量将对应得到不同的形变微观组织，从而影响再结晶形核与长大动力。较低的冷轧压下量将通过对热轧板引入应变诱发晶界迁移，促进退火晶粒长大而获得了较好的磁性能；而随着冷轧压下量继续增加，复杂滑移区域增加，胞状组织发展完善，尽管退火时再结晶形核率、晶粒长大速率都增加，但形核率大于晶粒长大速率，造成再结晶晶粒变细，相应的矫顽力Hc升高，磁性能变坏。因此，在本发明技术方案的步骤(4)中，冷轧压下量控制在25-80％。

优选地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(4)中，控制冷轧压下量为30-55％。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(2)中，控制加热温度为1100～1250℃；终轧温度为800～920℃；卷取温度为550～720℃，这是因为：热轧采用高温终轧和高温卷取。当采用连铸方式制备热轧所需板坯时，热轧前需要对板坯实施再加热，当加热温度超过1250℃时，会造成板坯过烧，板坯内晶粒组织粗大从而使其热加工性能降低；当加热温度低于1100℃时会造成板料的变形抗力过大，使得钢板出现表面缺陷和无法达到厚度1.2-2.5mm的问题。此外，热轧终轧温度低于800℃会造成板料变形抗力过高，从而难以制造出厚度1.2-2.5mm并且无表面和边部缺陷的钢板。卷取温度需要低于720℃下卷取所述热轧板，因为卷取温度高于720℃，容易引起扁卷，并且热轧卷的头部、中部和尾部材料显微组织不均匀性增加，影响钢板折弯性能和矫顽力的稳定性。

进一步地，在本发明所述的制造方法中，在所述步骤(5)中，采用连续退火，控制均热段温度为750～850℃，均热时间150～250s；缓冷段出口温度为575～675℃，缓冷段冷却速度为2.5～10℃/s；快冷段出口温度为380～420℃，快冷段冷却速度为15～25℃/s；过时效段温度为270～310℃；退火介质为H₂+N₂非氧化性气氛。由于轧制过程使铁素体晶内存在大量点阵畸变，磁畴移动阻力大，高温退火为再结晶消除冷轧点阵畸变提供了足够的热力学驱动力，当退火温度太低或时间太短，晶粒长大不充分，则电磁纯铁材料的矫顽力不理想。因此需要退火的均热温度在750～850℃，均热段时间为150～250s，以保证材料矫顽力的同时，兼顾生产效率。

需要说明的是，再结晶退火后需要开辊免平整处理，以避免在退火板中引入新的晶体缺陷，从而增大磁畴阻力进而影响矫顽力性能，大幅恶化磁性能。

本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁，其矫顽力低于80A/m，并且180℃-0T折弯表面不开裂。

此外，本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁，其硬度为80-110Hv，沿轧制方向的屈服强度≥160MPa，抗拉强度≥270MPa，延伸率A₅₀≥35％。

本发明所述的抗折弯开裂的免磁化退火电磁纯铁的制造方法无需磁化退火处理，因而解决了现有技术中因为需要进行磁化退火处理所导致的大尺寸零件生产受磁化退火装炉的限制，并且也避免了大尺寸零件生产加工周期长，成本高的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的金相照片。

图2为本发明实施例1的Al₂O₃及MnS夹杂物照片。

图3为本发明实施例1的低倍镜下观察到的冲裁截面形貌。

图4为本发明实施例1的高倍镜下观察到的冲裁截面形貌。

具体实施方式

下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的抗折弯开裂的免磁化电磁纯铁及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

本技术方案中各实施例的免磁化退火电磁纯铁和对比例的电磁纯铁采用下述步骤制得：

(1)冶炼和连铸：按表1的各化学元素的质量百分比进行冶炼、连铸制成板坯；

(2)热轧：控制加热温度为1100～1250℃；终轧温度为800～920℃；卷取温度为550～720℃；

(3)酸洗；

(4)冷轧，控制冷轧压下量为25-70％；

(5)再结晶退火：采用连续退火，控制均热段温度为750～850℃，均热时间150～250s；缓冷段出口温度为575～675℃，缓冷段冷却速度为2.5～10℃/s；快冷段出口温度为380～420℃，快冷段冷却速度为15～25℃/s；过时效段温度为270～310℃；退火介质为H₂+N₂非氧化性气氛。

表1列出了各实施例的免磁化退火电磁纯铁和对比例的电磁纯铁中各化学元素的质量百分配比。

表1.(wt％，余量为Fe和其他不可避免的杂质元素)

表2列出了各实施例和对比例的制造方法的具体工艺参数。

表2.

对上述各个实施例和对比例取样，进行各项测试，测试结果中微观组织构成列于表3，电磁纯铁性能参数列于表4.

表3列出了本案各实施例和对比例的微观组织构成。

表3.

从表3中可以看出，对比例1和对比例2中Al₂O₃夹杂物和MnS夹杂物的面积百分比显著大于各实施例的Al₂O₃夹杂物和MnS夹杂物的面积百分比。

表4列出了本技术方案各实施例和对比例的电磁纯铁性能参数。

表4.

从表4可以看出，各实施例的力学性能全部满足本案限定的性能指标：硬度为80-110Hv，沿轧制方向的屈服强度≥160MPa，抗拉强度≥270MPa，延伸率A₅₀≥35％。，并且其矫顽力低于80A/m，并且180℃-0T折弯表面不开裂。然而，结合表1至表4可以看出，由于对比例1和对比例2没有控制Al₂O₃夹杂物和MnS夹杂物的面积百分比，从而导致其抗折弯开裂性能较低，即对比例1和对比例2在180℃-0T折弯表面发生开裂。

图1为本发明实施例1的金相照片，如图1所示，实施例1的微观组织为等轴铁素体晶粒组织，平均晶粒尺寸为80.5μm。

图2为本发明实施例1的Al₂O₃及MnS夹杂物照片。如图2所示，夹杂物呈链状分布，并对浅灰色标记处1、黑色标记处2以及白色标记处3进行测定，测定结果列于表5。

表5列出了图2标记处所测得的元素及其对应的元素质量百分比和原子含量。

表5.

由表5可知，浅灰色标记处1为MnS夹杂物，黑色标记处2为Al₂O₃夹杂物，白色标记处3为夹杂物脱落。

图3为本发明实施例1的低倍镜下观察到的冲裁截面形貌。图4为本发明实施例1的高倍镜下观察到的冲裁截面形貌。结合图3和图4可知，实施例1的冲裁边部质量优良，撕裂带由大量韧窝构成，撕裂带与光亮带的比例达到1:1。

需要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。