Razogljičenje in rekristalizacija neorientirane elektro pločevine
Decarburization and Recrystallization of Non-oriented Electrical Steel Sheet
Steiner Petrovič D1., M. Jenko, F. Vodopivec, IMT Ljubljana F. Marinšek, ACRONI Jesenice
Opredelili smo kinetiko razogljičenja hladno valjane neorientirane elektro pločevine industrijske izdelave ter hkrati zasledovali proces tudi v hladno valjanih trakovih iz dveh vrst jekel za neorientirano elektro pločevino, ki sta bili izdelani v laboratoriju, s taljenjem v vakuumski indukcijski peči. Vzorce vseh treh neorientiranih elektro pločevin smo žarili v atmosferi vlažnega vodika pri različnih temperaturah, različnih vlažnostih vodika ter različnih časih in analizirali koncentracijo ogljika. Rast rekristaliziranih zrn smo določili v nerazogljičeni in razogljičenih neorientiranih elektro pločevinah glede na mikrostrukturo in merjenje poprečne velikosti rekristaliziranih zrn.
Ključne besede: razogljičenje, rekristalizacija
The kinetics of decarburization process of industrially and laboratorially manufactured cold rolled non-oriented silicon steel sheets vvas investigated. Samples of the different electrical steel sheets vvere decarburized by annealing in wet hydrogen vvith different dew points and at different times and the carbon content vvas measured. The recrystallization of decarburized and undecarburized samples of electrical steels, vvhich vvere annealed in a lead bath, vvas investigated. The microstructure vvas examined and average grain size vvas determined.
Key vvords: decarburization, recrystallization
1. Uvod
Neorientirane elektro pločevine se izdelujejo iz jekla z dodatkom do 3 % silicija.
Proizvodni proces izdelave trakov elektro pločevin obsega vroče in hladno valjanje, žarjenje za razogljičenje, rekristalizacijo in rast zrn ter nanos izolacijske prevleke. Elektro pločevine dosežejo ustrezne lastnosti šele potem, ko jim z razogljičenjem zmanjšamo koncentracijo ogljika pod 0,003 %.
V idealnih razmerah je stopnja razogljičenja odvisna od difuzije ogljika na površino pločevine. Med razogljičevanjem pločevine je koncentracija ogljika na površini zmanjšana na zelo nizko vrednost in ogljik difundira iz jekla. tako. da je profil koncentracije ogljika podan z izrazom (1)':
c = c0 • erf (x/2\ Dt)	(1)
erf (x/2\'Dt) = 2/71 ■ exp (-y:) dy x ... globina razogljičene plSsti D... difuzijski koeficient t ... čas razogljičevanja y ... integracijska spremenljivka
1 Darja STEINER PETROVIČ, dipl. inž. met.
Inštitut za kovinsko materiale in tehnologije
Lepi pot I I. 6HMK) Ljubljana
V	industrijskih razmerah se izvrši razogljičenje med žarjen-jem pločevine v atmosferi vlažnega vodika ali pa v vlažni mešanici dušika in vodika pri temperaturah od 800 do 900 °C.
Proces je voden s kontrolo razmerja parcialnih tlakov vodne pare in vodika oz. razmerja parcialnih tlakov ogljikovega dioksida in monoksida.
Pri visoko legiranih jeklih lahko z ustreznim razmerjem parcialnih tlakov omenjenih plinov preprečimo tvorbo železovega oksida. Pri teh pogojih vseeno pride do oksidacije silicija z železom, kar tvori kompleksni oksidni sloj na površini in ovira difuzijo ogljika na površino in s tem povezano razogljičenje. ki poteka po reakciji:
|C]Fe + H:0 = C0 + H.	(2)
Silicij stabilizira in širi feritno območje železa, difuzija ogljika pa je v feritu hitrejša kot v austenitu1
V	temperaturnem območju od 600 do 900 °C je difuzivnost ogljika podana z naslednjo enačbo'4:
Dc(Fe-a) = ^exp(-|L)	(3)
x ... difuzijska pot
t ... čas
Q... aktivacijska energija za difuzijo ogljika
R ... splošna plinska konstanta
T... temperatura
Optimalna temperatura razogljičenja se viša z naraščajočo koncentracijo silicija. Pri konstantni temperaturi je razogljičenje v silicijevih jeklih hitrejše kot v jeklih, ki niso legirana s silicijem2.
2. Eksperimentalno delo
Analize in preiskave smo izvršili na trakovih neorientirane silicijeve elektro pločevine, industrijske izdelave (N6) ter na neorientiranih elektro pločevinah laboratorijske izdelave z različnimi kemijskimi sestavami.
Tabela 1: Kemijska sestava
C Si Mn Al P Š Sb Oznaka jekla	(mas. %)
NI 0.0400 2,00 0,20 0,50 0.001 0,001 N3 0,0420 2.00 0.20 0,50 0,001 0,001 0,052
N6_0.0210 2,02 0,25 1,00 0,014 0,003
N4 0,0310 1,78 0,22 0.28 0,001 0,017 D1 0,0035 2.12 0.22 0.28 0,001 0,001 D2_0.0040 1.85 0.18 0,19 0.001 0,001 0,052
Iz trakov jekel vseh vrst smo izrezali vzorce dimenzij 30 x 20 mm, ki smo jih za razogljičenje žarili pri temperaturah 800, 820. 840 in 860 °C v atmosferi vlažnega vodika, ki smo ga navlažili pri temperaturah 40 in 55 °C z vodnim vlažilnikom.
Časi žarjenja so bili 1.2. 5. 10, 20. 40. 60 minut.
Po žarjenju smo koncentracijo ogljika določili s sežigom dela vzorcev v toku kisika z IR absorbcijo z napravo LH tip CSA 2003.
Zarjenje za rekristalizacijo je potekalo v svinčevi kopeli pri temperaturah od 700 do 800 °C. ki smo ji za dezoksidacijo dodali indij ter zaščitili površino kopeli pred oksidacijo z grafitnim prahom.
Izbrani časi žarjenja so bili 1, 2. 5, 10, 20, 40 in 60 minut.
Iz vzorcev smo po končani toplotni obdelavi izdelali meta-lografske obruse. Za preučevanje mikrostrukture smo uporabili optični mikroskop Leitz-Wetzlar. Vzorce smo fotografirali pri 100-kratni povečavi.
Velikost zrn smo statistično obdelali po metodi kroga5.
T = 820°C ; TH2 = 40°C
Slika 1: Odvisnost med koncentracijo ogljika in časom razogljičevalnega žarjenja pri temperaturi 820°C in točki rosišča
vodika pri 40 °C Figure I: Relationship carbon content - time of decarburization annealing at the temperature 820 °C and hydrogen devv point at 40 °C
3. Rezultati in diskusija
Prt raziskavi smo spreminjali parametre procesa razogljiče-vanja; temperaturo, čas in vlažnost vodikove atmosfere ter ugotovili. da optimalni padec koncentracije ogljika v vzorcih dosežemo že po kratkih časih (1 minuta) razogljičevalnega žarjenja.
Sliki I in 2 prikazujeta padec koncentracije ogljika v odvisnosti od časa razogljičevalnega žarjenja pri temperaturah 820 in 840 °C. v atmosferi vlažnega vodika, navlaženi pri temperaturi vode 40 in 55 °C. za tri vrste nerazogljičenih elektro pločevin.
Dokler je prisotna porozna oksidna plast, poteka razogljičenje kot proces ovirane difuzije. Pri površini, deloma pokriti s plastjo oksida, nastopa tudi podaljšana difuzijska pot. ki prav tako zmanjša možnost prehajanja ogljika skozi površino.
Kot za vse difuzijske procese je tudi pri razogljičenju odvisnost difuzijske poti od časa podana z enačbo, iz katere lahko ob znanem difuzijskem koeficientu izračunamo potrebni čas raz-ogljičevanja.
Slika 2: Odvisnost med koncentracijo ogljika in časom razogljičevalnega žarjenja pri temperaturi 840 °C in točki rosišča
vodika pri 55 °C Figure 2: Relationship carbon content - time of decarburization annealing at the temperature 840 °C and hydrogen dew point at 55 °C
x2 = 2.D.t	(4)
x ... difuzijska pot D... difuzijski koeficient
t ... čas
Za dosego optimalnih magnetnih lastnosti je za elektro pločevine pomembna tudi velikost zrn.
Slika 3 prikazuje velikost rekristaliziranih zrn v odvisnosti od temperature pri različnih časih žarjenja za nerazogljičeno ter dve vrsti razogljičene pločevine.
Pri nerazogljičenem jeklu opazimo parabolično naraščanje velikosti rekristaliziranih zrn. Pri temperaturah višjih od 750 °C postane ta rast hitrejša, kar je posledica anomalne rasti zrn.
0.0100 7. C
0.0080
0.0060 0,0040
0.0020
0,0001
12 5 10 20	40
t [min]
0.0100 7. C
0.0060 0,0040 0.0020 0.0001
T = 840°C ; Th2 = 55°C
V nerazogljičenem jeklu za neorientirano elektro pločevino je ogljik delno raztopljen v 1'eritu. večina pa gaje vezana v ce-mentitnih izločkih, ki v zadostnem številu ovirajo rast zrn.
Slika 3: Odvisnost med velikostjo zrn in temperaturo žarjenja pri različnih časih žarjenja za razogljičeno. legirano in nelegirano jeklo ter nerazogljičeno jeklo Figure 3: Relationship average grain size - temperature by different annealing times for decarburized and non-decarburized steels
Ogljik v obliki cementitnih precipitatov ugodno vpliva na nastanek rekristalizacijskih kali. v fazi rasti pa ta proces zavira.
Pri nerazogljičeni elektro pločevini opazimo popolnoma rekristalizirano mikrostrukturo že pri najnižjih temperaturah in najkrajših časih žarjenja, medtem ko so se pri obeh razogljičenih elektro pločevinah nerekristalizirana področja ohranila dalj časa.
4.	Zaključki
Optimalni padec koncentracije ogljika v vzorcih nerazoglji-čenih elektro pločevin dosežemo že po kratkem času (1 minuta) razogljičevalnega žarjenja pri vseh preiskovanih temperaturah in vlažnostih delovne atmosfere.
V	temperaturnem intervalu sprememba vlažnosti ni bistveno vplivala na razogljičenje preiskovanih jekel.
Primerjava rezultatov kaže, da se kljub nižji začetni koncentraciji ogljika industrijsko izdelano jeklo (N6) razogljičuje slabše. To je lahko posledica različne oksidne plasti, ki se tvori na površini. Kinetika razogljičenja je odvisna od strukture nastalega kompleksnega oksida, katerega tvorba je linearno odvisna od časa žarjenja6.
V	smislu velikosti rekristaliziranih zrnje pomembna razlika med razogljičenim in nerazogljičenim jeklom v tem. da sta začetna in končna velikost zrn v nerazogljičenem jeklu veliko manjši. Veliko manjša velikost rekristaliziranih zrnje posledica koncentracije ogljika, saj znatno zmanjšanje koncentracije ogljika (razogljičenje) povzroči v razogljičenih elektro pločevinah očitno splošno in zelo hitro rast zrn.
5.	Literatura
D. A. Porter, K. E. Easterling. Phase Transformations in Metals and Alloys. Second Edition. Chapman and Hali. 1992. 75 Ci. Lyudkovsky, P. K. Rastogi. M. Bala. Journal of Metals, January. 1986. 23
1 R. P. Smith. Trans. TMS - AIME, 224. 1962. 105
4	J. H. Svvisher. Trans. TMS - AIME. 242, 1968. 746
5	H. Schumann, Metallographie, VEB - Leipzig. 1975, 53
" U. Wiesner, J. Kuntze, Diss. A. AdW der DDR. Dresden. 1988