高硅钢复合板热轧过程中Si元素丢失成因分析

杨兴文， 李 强， 涂 琴， 杨克立

(1.中原工学院， 郑州 451191； 2.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心， 郑州 450000)

高硅钢复合板热轧过程中Si元素丢失成因分析

杨兴文1， 李 强1， 涂 琴2， 杨克立1

(1.中原工学院， 郑州 451191； 2.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心， 郑州 450000)

针对采用包覆轧制工艺制备Fe-6.5wt%Si薄板过程中出现的Si元素丢失现象，采用EDS、SEM、XRD等对热轧高硅钢薄板进行了分析，得出了Si元素丢失成因，并提出了预防措施。实验结果表明：高硅钢复合板Si元素丢失主要发生在芯层，Si元素丢失量达到2wt%；采用SEM背散射分析发现，高硅钢复合界面处结合不良，存在显微缝隙，高温时芯层主要沿晶界和晶内以圆点形式发生氧化；经XRD分析可知，Si元素主要以Fe2SiO4、FeSiO3、Fe1.6SiO4和SiO2形式丢失。为预防Si元素丢失，在复合板外表面涂覆隔绝材料可有效达到目的。

高硅钢复合板；Si丢失；氧化；SiO2；隔绝材料

Fe-6.5wt%Si合金具有优异的软磁性能，是高频电机铁芯的理想材料，尤其适合制造高频高速电机、音频和高频变压器、扼流线圈和高频磁屏蔽等铁芯，还可广泛应用于空调、冰箱变流系统、太阳能系统、有轨电车能量系统等众多领域。但是由于其室温本征及环境脆性，轧制成形非常困难。目前，主要采用快速冷凝[1-3]、粉末压延[4-5]、沉积扩散[6-8]、特殊轧制[9-10]等工艺生产，但效果均不理想。本研究中高硅钢复合板由包覆轧制工艺[11]制备而成，不添加任何合金元素，极大地节省了成本。但在复合板热轧过程中存在Si元素丢失现象。针对该问题，通过对复合板进行两次热轧，跟踪热轧过程中Si元素成分变化，并对试样进行EDS、SEM、XRD等分析，最终找出Si元素丢失原因，并提出相应的预防措施。

1 实验材料和方法

利用真空感应加热炉浇注出高硅钢复合铸坯，复合铸坯覆层为Fe-3wt%Si钢，芯层为Fe-10wt%Si钢，化学成分见表1和表2。浇注后，在1 200 ℃高温进行锻造，在1 150 ℃下利用二辊热轧机将其热轧成8.5 mm的薄板，切板，选取较好薄板进行二次热轧，热轧后薄板厚度为2.5 mm。

表1 覆层Fe-3wt%Si钢化学成分 wt%

表2 芯层Fe-10wt%Si钢化学成分 wt%

对高温锻造后的复合板坯锻件进行化学分析，检测复合板坯覆层、芯层Si元素含量。对8.5 mm、2.5 mm热轧薄板分别取样，采用LEO1450扫描电子显微镜观察试样中Si元素分布聚集状况，对热轧薄板试样进行EDS分析。用XRD-6100衍射仪对2.5 mm热轧薄板进行相分析，探究Si元素丢失形式，并找出预防Si元素丢失的措施。

2 实验结果及分析

2.1 高硅钢热轧复合板的EDS扫描分析

对锻造后的复合板坯锻件进行化学分析可知：芯层Si元素含量为9.8wt%，覆层Si元素含量为2.96wt%，在锻造过程中基本不存在Si元素丢失现象。对一次热轧复合板、二次热轧复合板进行Si元素扫描跟踪，结果如图1、图2所示。

图1 一次热轧后复合板试样EDS能谱点扫描分析图

图2 二次热轧后复合板试样EDS能谱分析图

从图1可以看出，经过一次热轧后，复合板覆层Si元素含量为2.65wt%，芯层的Si元素含量为8.83wt%。由能谱分析可知，合金中除含有Fe、Si元素外，还含有少量Al元素，Al元素对复合板的磁性有影响。另外，对合金EDS扫描分析没有发现O元素，与锻造的复合板坯Si元素相比，芯层Si元素含量减少约0.93wt%，覆层Si元素含量减少约0.31wt%。

从图2可以看出，芯层Si元素含量在8.0wt%左右，覆层Si元素含量维持在2.60wt%左右。在二次热轧过程中，覆层Si元素含量趋于稳定，而芯层Si元素仍在继续丢失，减少量约为0.83wt%。经EDS扫描分析可知，在整个热轧过程中，芯层Si元素丢失达到2wt%，较为严重，而覆层硅元素丢失为0.4wt%，在氧化烧损范围内。这说明，在热轧过程中，复合板Si元素丢失主要发生在芯层，芯层Si元素含量极高，极易在高温下发生氧化。但是，其以哪种形式丢失需要进一步探究。覆层由于Si元素含量较低，加上外氧化形成氧化膜，随着加热时间的延长，阻止了Si元素继续氧化。

2.2 热轧复合板显微界面分析

针对芯层Si元素丢失严重的问题，采用SEM背散射及XRD对试样进行分析。图3为热轧复合板显微界面及氧化层SEM背散射扫描图。

(a)显微界面

(b)氧化层SEM背散射扫描图图3 热轧复合板显微界面和氧化层扫描图

从图3(a)中可以得出，由于芯层Si元素含量极高，在显微组织中有裂纹产生，且复合界面处结合不良，有显微缝隙存在；靠近裂纹的地方，有氧化圆点存在。有研究表明，热轧裂纹的起始温度越高，氧化圆点层就越厚[12]，而含Si量越高，形成的氧化圆点尺寸就越大，尤其是表面生成的氧化铁前沿在随氧气扩散、析出过程中，基体中的Si易与氧气结合，特别是在高温下，之前生成的分散、细小的氧化圆点会在高硅基体中逐渐偏聚，最终生成大尺寸的氧化圆点，造成芯层Si元素大量丢失。同时，通过背散射对氧化层表面进行扫描分析发现，氧化层表面有大量富Si相存在。如图3(b)所示，颜色较深的区域为富Si相区域。对图中的深色区域A和B进行成分分析，发现区域A处主要含有Fe、Si、O 3种元素，其中Si元素的含量高达17.46wt%，O元素含量为30.87wt%，Fe元素为51.67wt%。综合分析该处组成，可确定该处为Fe2SiO4或FeSiO3相。通过对区域B处进行成分分析发现，该处主要元素为Fe和Si，不存在O元素，该处应属于基体组织。该处Si元素含量为2.25wt%，说明在高温下覆层Si元素出现偏聚现象。对试样进行XRD分析，如图4所示。从图4可知，芯层除了DO3相以外，还存在Fe2SiO4、FeSiO3、Fe1.6SiO4以及SiO2相，说明Si元素主要以铁的氧化物和SiO2形式丢失，其中SiO2含量较多。因此，在热轧过程中，随着高温保温时间的延长，以及包覆层的破坏，不仅在高硅钢的表面形成氧化皮，同时在芯层内部沿晶界和晶内氧化形成次生氧化皮，且氧化皮的生长遵从抛物线规律[13]，即随着Si元素含量的提高，外氧化皮生长速率逐渐降低，当覆层表面形成致密氧化膜后，Si元素丢失不再发生，而芯层由于内氧化，Si元素丢失依旧存在。

(a)氧化物XRD

(b)XRD局部放大图图4 二次热轧复合板芯层XRD分析图

2.3 Si元素丢失预防措施

经以上实验分析可知，高硅钢复合板在热轧过程中Si元素丢失主要发生在芯层，高温下复合板的内氧化是Si元素丢失的主要原因。因此，要防止Si元素丢失，必须减小复合板的内氧化。内氧化的原因主要是复合界面存在显微缝隙，在高温下显微缝隙进一步扩大，热O2进入，造成严重的氧化。因此，要预防复合板芯层被氧化，必须消除复合界面显微缝隙。这可以通过优化锻造工艺，改善复合界面结合状态，并促进覆层和芯层Si元素扩散来实现。另外，可通过在复合板外表面涂覆一层耐高温隔绝材料(二聚磷酸三氢铝)阻止高温下O2的进入。通过对两种措施的实验对比发现：在复合板外表面涂覆隔绝材料(二聚磷酸三氢铝)能够有效防止Si元素丢失。

3 结 语

(1)热轧过程中复合板存在Si元素丢失现象，主要以芯层Si元素丢失为主，Si元素丢失达到2wt%。

(2)热轧复合板复合界面处结合不良，存在显微缝隙，且靠近裂纹的地方存在氧化圆点，高温时主要沿晶界和晶内氧化。Si元素主要以Fe2SiO4、FeSiO3、Fe1.6SiO4和SiO2形式丢失。

(3)通过对Si元素丢失原因分析，提出预防Si元素丢失的措施：优化锻造工艺和在复合板外表面涂覆隔绝材料。实验对比发现，在复合板外表面涂覆隔绝材料更有效。

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(责任编辑：席艳君)

Analysis of Si Element Loss in Hot Rolling Process of High Silicon Steel Composite Plate

YANG Xing-wen1， LI Qiang1, TU Qin2, YANG Ke-li1

(1.Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 451191；2.Patent Examination Cooperation Center of The Patent Office, SIPO, Henan, Zhengzhou 450000， China)

The cause of Si element loss by EDS, SEM and XRD in hot-rolled high silicon steel plate and preventive measures are determined, aiming at the loss of Si element in the process of preparing Fe-6.5wt% Si plate by cladding rolling process. The results show that Si element loss of high silicon steel composite plate mainly occures in the core layer and the content of Si element loss reaches 2wt%. SEM analysis shows that there are micro-cracks in the composite plate interface and the surface of the core layer is oxidized in the form of oxidized dots along the grain boundary and in grains at high temperature. The Si elements are lost in the form of Fe2SiO4, FeTiO3, Fe1.6SiO4, and SiO2by XRD. In order to prevent loss of Si element, the method of coating the insulating material on the outer surface of the composite plate is more effective.

high silicon steel composite plate； loss of Si； oxidation； SiO2； insulating material

2016-11-10

杨兴文(1987-)，男，河南安阳人，硕士，主要研究方向为高硅钢复合板制备。

1671-6906(2016)06-0063-05

TG142. 7

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2016.06.013