一种硅钢及其板材的制备方法与流程

本发明涉及钢铁制造领域，尤其涉及一种硅钢及其板材的制备方法。

背景技术：

硅钢作为具有特殊用途的功能性材料，在电子、电力和军事工业等行业有广泛用途，其生产工艺复杂、制造技术严格，在如今科技领域下，一般用硅钢都是由钢厂直接轧制成钢板，然后得以使用。

传统的轧制分为热轧与冷轧，但是其板材的厚度均在1mm以下，采用传统轧制生产方法生产的大型硅钢板机械性能差、紧实度差，生产方法也受到了很大的局限性。现阶段中对硅钢制成的各类零件的需要越来越多，对其性能的要求也越来越高，传统的硅钢制品及工艺难以满足要求。

有鉴于现提出一种硅钢及其板材的制备方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种硅钢及其板材的制备方法，通过对新配方的硅钢熔炼毛坯进行锻造，从而实现提高其性能。

本发明采用的技术是：

一种硅钢，硅钢的化学成分，按重量百分比如下：c≤0.06%，si：2.5-3.5%，mn≤0.25%，s≤0.02%，p≤0.02%，al≤1.20%，其余成分为fe。配方是决定材料性能的根本，在发明中的硅钢采用上述配比进行配料熔炼。采用本配方的硅钢板，热处理后的奥氏体晶粒大且多，克服了传统的轧制硅钢板中的结构疏松问题，同时厚度大，可用于加工各类零件，不在局限于薄板。

一种硅钢的板材的制备方法，包括以下工艺步骤：步骤1：坯料准备：采用以上化学成分进行配料，熔炼成坯料；步骤2：毛坯处理：将坯料表面进行打磨、修整，制成方形坯料；步骤3：锻前升温：包括低温区升温及高温区升温；低温区升温：将坯料加热至800℃-850℃，保温；高温区升温：将坯料加热至1250℃-1270℃，保温；步骤4：热锻：对坯料进行展宽及拔长，厚度方向中下压量为36%-40%。锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。因此在完成升温后进行厚度方向的热锻，能够有效改善熔炼后坯料的紧实度差的问题，提供机械性能。

作为方案的进一步优化，低温区升温包括以下步骤：步骤3-1：自由功率升温至第一温度点，进行第一次保温；步骤3-2：升温至第二温度点，进行第二次保温；步骤3-3：升温至第三温度点，进行第三次保温；第三温度点大于第二温度点，第二温度点大于第一温度点。由于硅钢板含硅量高，导热性较差，所以在加热的过程尤其是低温区加热时必须缓慢进行。

作为方案的进一步优化，步骤3-2及步骤3-3中，升温速度小于等于80℃/小时，第一次保温、第二次保温及第三次保温的保温时间为2-4小时。

作为方案的进一步优化，第一温度点为200℃-210℃，第二温度点为500℃-520℃，第三温度点为800℃-850℃。

作为方案的进一步优化，热锻包括以下步骤：步骤4-1：展宽：采用砧在坯料的厚度方向上进行下压，下压量为厚度的18%-20%，坯料始锻温度为1250℃-1270℃，终锻温度为大于等于850℃；步骤4-2：拔长：对已经进行展宽的坯料回炉升温，采用对砧在坯料的厚度方向上进行下压，下压量为厚度的18%-20%，坯料始锻温度为1250℃-1270℃，终锻温度为大于等于850℃。

作为方案的进一步优化，高温区升温包括第四次保温，保温时间大于等于4小时。

作为方案的进一步优化，还包括步骤4-3：展宽与拔长完成后，采用大平砧进行校平、校直，坯料温度为850℃-1270℃，低于850℃需要进行回炉升温。

作为方案的进一步优化，回炉升温包括第五次保温，保温时间大于等于3小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用本技术方案生产的硅钢板，增强了零件成型的灵活性，丰富了零件的种类，更不再局限于薄板类零件，同时增加了零件的紧实度，消除了原材料的疏松，增强了零件的综合机械性能。

采用合理的锻前升温工艺，保证了锻前毛坯的内外温度均匀，保证锻造过程中应力的控制，提高锻后品质。

附图说明

图1为本发明提供的一种硅钢及其板材的制备方法的锻前升温升温曲线示意图；

图2为本发明提供的一种硅钢及其板材的制备方法的回炉升温升温曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1：

一种硅钢，硅钢的化学成分，按重量百分比如下：c≤0.06%，si：2.5-3.5%，mn≤0.25%，s≤0.02%，p≤0.02%，al≤1.20%，其余成分为fe。

硅钢中加硅的主要作用是提高电阻率，降低涡流损耗、矫顽力和磁滞损耗，从而降低铁损。在硅的含量小于等于3.5%时，硅含量的增加，硅钢的屈服强度与抗张强度明显提高，但在硅含量大于3.5时，随着硅含量的增加，屈服强度与抗张强度都迅速下降，在硅钢配方主要用于厚度较大的板材上，作为零部件的加工毛坯，要求机械性能较高，故控制硅含量获得较高的屈服强度与抗张强度，硅含量越接近3.5%越好，但是熔炼工艺对各个元素的含量存在较大影响，控制在2.5-3.5%为佳。

而碳元素在硅钢中是一种有害元素，含碳量提高，会使硅钢片矫顽力提高，造成铁损增加，磁性下降。碳还是扩大γ区元素，易促成相变，使晶粒细化，从而导致磁性能恶化。碳在钢中以石墨状态存在对磁性能影响最小。考虑到硅钢在后续热锻及退火过程有一定的脱碳能力，熔炼样碳含量0.04%～0.07%，以避免钢中含氧量和气体量增加，恶化钢的质量。因此含碳量控制在0.06%以下为佳。

磷与硅相似，使钢的γ区缩小，促使钢的晶粒长大及电阻增加，从而降低了铁损，提高了电磁性能。钢中磷含量增加，在弱的和中磁场下磁感会提高。在热轧低硅钢以磷代硅能取得较高磁电率。磷会提高钢的冷脆性，使冷加工困难，故对于冷轧取向硅钢，磷应作为有害元素而去除。本配方的板材需要经过热锻及冷加工制成零件，冷加工涉及到各类成型加工，因此磷的含量不应过高，在0.02%以下为佳。

铝与硅有相似作用，如使硅钢片晶粒长大，促使碳石墨化和脱氧。但铝含量高，形成氧化铝夹杂，则磁性恶化并在浇注时水口结瘤。本配方制备的板材希望获得晶粒相对较大的结构，因此铝含量相对较高，但是不能超过1.2%，控制硅与铝的总含量在4%左右较为合适。

硫对硅钢的危害性不仅使钢产生热脆，而且对磁性也是有害的，磁导率下降，铁损显著升高。锰会与硫反应生成mns，主要起减少钢中硫的作用。锰含量高时，将使硅钢片磁性变坏。锰含量在传统硅钢中时控制在0.35%以下，考虑到本配方中硫在0.02%以下，锰的含量需要进一步降低到0.25%以下。

采用本配方的硅钢板，经过热锻和热处理后的奥氏体晶粒大且多，克服了传统的轧制硅钢板中的结构疏松问题，同时厚度大，可用于加工各类零件，不在局限于薄板。

实施例2：

请参照图1与图2所示，本实施例主要为利用实施例1中提供的配方来进行厚度较大的硅钢板制备。

一种硅钢的板材的制备方法，包括以下工艺步骤：步骤1：坯料准备：采用实施例1中的化学成分进行配料，熔炼成坯料；步骤2：毛坯处理：将坯料表面进行打磨、修整，制成方形坯料；步骤3：锻前升温：包括低温区升温及高温区升温；低温区升温：将坯料加热至800℃-850℃，保温；高温区升温：将坯料加热至1250℃-1270℃，保温；步骤4：热锻：对坯料进行展宽及拔长，厚度方向中下压量为36%-40%。

在现有技术中，基于硅钢的产品基本上只有连铸坯和硅钢片（厚度小于1mm）的形式，生产的方式为热轧或冷轧，在生产厚度较大的硅钢板材或零件的领域上基本上处于空白阶段。基于对此类产品的需要，本发明提供了一种利用高温锻造的方式进行板材加工，来使得熔炼后的毛坯的结构更加紧密，提高其机械性能。

传统的薄硅钢板在熔炼后直接将坯料进行轧制，导致其性能不佳，应用领域窄。在本发明中提出了通过锻造来提高硅钢板的性能，提高密实度。在本实施例中，坯料锻造前先采用天然气炉进行加热升温，使其适合热锻；其中在升温过程中，采用多段保温的方式来升温至热锻需要最低的800℃，采用多段升温来保证坯料里外温度均匀，减少热应力，保证锻造过程中均匀受力变形，减少应力的残留。同时锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。因此在完成升温后进行厚度方向的热锻，能够有效改善熔炼后坯料的紧实度差的问题，提供机械性能。

在本实施例中的锻造设备中，采用了液压机与砧进行展宽与拔长，由于在宽度方向上比长度方向上镦粗更有利于进行，在锻造第一火时首先考虑展宽，然后在第二火进行拔长、修整与校平。

作为方案的进一步优化，低温区升温包括以下步骤：步骤3-1：自由功率升温至第一温度点，进行第一次保温；步骤3-2：升温至第二温度点，进行第二次保温；步骤3-3：升温至第三温度点，进行第三次保温；第三温度点大于第二温度点，第二温度点大于第一温度点。步骤3-2及步骤3-3中，升温速度小于等于80℃/小时，第一次保温、第二次保温及第三次保温的保温时间为2-4小时。由于硅钢板含硅量高，导热性较差，所以在加热的过程尤其是低温区加热时必须缓慢进行。

在制定加热及后续热处理工艺时，由于考虑硅钢的导热性能差，根据坯料的具体尺寸，为了减小加热时的内应力，故采取了阶梯式的加热方法，在低温区采用保温和≤80℃/h加热速度，都是为了在材料塑性区差的区域减小内应力。实践生产证明，该加热工艺保证了产品的锻造质量。如果在加热过程中采用更大的加热速度，可能导致加热裂纹的产生。

在锻造前的加热中，高温时间不能过长，时间过长容易导致晶粒生长过大，机械性能不好，高温时间过短，里外有温差，存在应力，因此颗粒控制保温时间以及升温速率，是保证锻造质量的关键。因此，在高温区升温时，采用加热设备的最大公率进行加热，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加大于长大速度，使奥氏体晶粒大小适中。再通过短时的保温来时锻前坯料的温度均匀。

作为方案的进一步优化，第一温度点为200℃-210℃，第二温度点为500℃-520℃，第三温度点为800℃-850℃。800℃时钢铁的相变点，在800℃完成保温后，需要快速高温升温。

作为方案的进一步优化，热锻包括以下步骤：步骤4-1：展宽：采用砧在坯料的厚度方向上进行下压，下压量为厚度的18%-20%，坯料始锻温度为1250℃-1270℃，终锻温度为大于等于850℃；步骤4-2：拔长：对已经进行展宽的坯料回炉升温，采用对砧在坯料的厚度方向上进行下压，下压量为厚度的18%-20%，坯料始锻温度为1250℃-1270℃，终锻温度为大于等于850℃。

该锻造工艺进行了两次下压，每次压下量取厚度的20%，进行这样选择一是每次厚度20%的压下量刚好满足了锻件的尺寸要求，更重要的是每次20%左右的压下量保证了锻造的锻透性，保证原材料中疏松的消除，保证了锻件的紧实度。

如果采取更大的压下量首先不利于锻件尺寸的保证，其次更大的压下量会造出更大的加工硬化而造成锻件裂纹的产生；如果采取小压下量，则不能使锻件充分锻透，内部疏松也无法得到消除。

作为方案的进一步优化，高温区升温包括第四次保温，保温时间大于等于4小时。在实施例中采用了6小时的保温时间来确保温度均匀性。

作为方案的进一步优化，还包括步骤4-3：展宽与拔长完成后，采用大平砧进行校平、校直，坯料温度为850℃-1270℃，低于850℃需要进行回炉升温。若完成拔长后，温度低于终锻温度，需要回炉加热，才能记性后续的修整、校平校直等操作。

作为方案的进一步优化，回炉升温包括第五次保温，保温时间大于等于3小时。由于坯料已经经过第一火加热，坯料降温时为外部温度先降低，因此保温时间不需要像第一火那么长。

以下为锻造的一个实际操作流程，如实施例中的锻前坯料尺寸为：2100mm*1160mm*220mm。

第一火，即坯料从常温开始加热，（用于展宽）：（长度不变）坯料按上述加热曲线进行，在小于等于1260℃保温后出炉，锻造开始，用液压操作机在厚度方向夹持坯料，锻造用砧子选用1500mm*400mm对砧，对砧长度方向与坯料长度方向相同，为了防止氧化皮嵌入锻件本体内，先轻压坯料表面，除去氧化皮，去除氧化皮防止氧化后的杂质被压紧内部，影响整体性能，然后用满砧在坯料的操作车钳口夹持方向相反的一头中间部分开锻，压下量约为45mm，再依次向两边进行，然后掉头在剩余长度部分继续锻压，第一火结束后锻件有效尺寸为：2100mm*1370mm*175mm。然后锻坯入加热炉进行加热。

第二火，即已经经过第一火加热后的再次加热，用于拔长，（宽度不变）将对砧旋转90度，使对砧长度方向与坯料长度方向垂直，从坯料中部开始拔长，压下量约为35mm，锻造方式同第一火，直到锻件有效尺寸为2500mm*1370mm*140mm时，将对砧的下砧换成大平砧进行较平、较直。

通过上述锻造，将坯料在厚度方向上进行了36%-40%的下压，提供了硅钢板的紧密度，提高机械性能。锻造前，对连铸坯取样进行机械加工，在不同深度的加工面上出现宏观疏松缺陷。锻造后在锻件上取样进行机械加工，未见宏观缺陷。对整个锻件机械加工后作着色探伤，未见缺陷显示。从前后的对比来看，锻造增加了零件的紧实度，消除了材料的疏松。

本锻造工艺通过在坯料的厚度方向上进行两次下压，砧的方向进行两次垂直交换，使其结构更加紧密，传统的热轧难以进行厚度超过100mm的硅钢板加工，采用本制备方法，能得到机械性能优异的厚的硅钢板。

完成锻造后的硅钢板，经过外部机械挤压及自然降温后，内部存在一定应力，晶粒生长大小不够均匀，虽然性能比传统的轧制的硅钢板性能改善明显，但还存在可以提升的空间。

通过将锻后的硅钢板进行热处理，也就是进行退火，能有效提高内部晶粒的奥氏体化及消除热应力，在本实施中的退火升温曲线与锻前升温曲线类似，采用低温区的多段升温保温，使得硅钢板的内外温度均匀，在低温区（小于800℃）的升温速率小于等于80℃/小时，在800℃升至退火温度时，采用自由功率加热，按设备最大功率进行，在保温完成后降温速率控制在小于等于60℃/小时。完成退火的硅钢板，消除了锻造产生的应力，内部晶粒生长大小适中，并生长均匀，有效克服了现有硅钢产品中的性能不足的问题。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。