同步與異步熱軋硅鋼帶顯微組織特點(diǎn)

張小玲， 李文強(qiáng)， 張中瑞， 于永梅

(沈陽化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110142)

硅鋼是電力電子工業(yè)不可或缺的鐵磁材料，高磁感應(yīng)強(qiáng)度、低的鐵芯損耗是取向硅鋼需求的優(yōu)良性能，這與熱軋鋼帶晶粒的尺寸以及微觀織構(gòu)中高斯織構(gòu)的取向有密切的關(guān)系.取向硅鋼的生產(chǎn)工藝繁瑣，且各工藝之間緊密銜接，要想二次再結(jié)晶后獲得大尺寸的晶粒，并獲得更多取向單一的大尺寸高斯取向晶粒，需要合理地安排取向硅鋼的工藝流程，嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，以確保最終的顯微組織與織構(gòu)均達(dá)到理想狀態(tài)[1-2].傳統(tǒng)取向硅鋼生產(chǎn)均以同步熱軋為主，由于同步熱軋沿板厚方向剪切力相對較小，所以，本文采用異步熱軋以增加剪切力，為了對比分析本文采用同步熱軋和1.1異速比異步熱軋的兩種軋制方式制備熱軋鋼帶，重點(diǎn)研究分析了同步熱軋和異步熱軋工藝中各鋼帶的顯微組織特點(diǎn)，研究異步熱軋條件下顯微組織的演變規(guī)律及對磁性能的影響規(guī)律，為取向硅鋼工藝優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)鋼的化學(xué)成分如表1所示.在專門的鋼鐵冶煉企業(yè)進(jìn)行冶煉后，用熱軋實(shí)驗(yàn)機(jī)軋制成厚度為2.5 mm的鋼帶.

表1 鑄坯的成分

1.2 實(shí)驗(yàn)工藝

采用不同的異速比進(jìn)行熱軋實(shí)驗(yàn).將實(shí)驗(yàn)材料分為2份，分別標(biāo)注為A1、A2，其中A1實(shí)驗(yàn)材料為異速比為1.0的同步熱軋的鋼帶，A2為異速比為1.1的異步熱軋的鋼帶.具體的熱軋實(shí)驗(yàn)工藝如表2所示.

表2 熱軋實(shí)驗(yàn)工藝

1.3 顯微組織試樣制備

取同步與異步熱軋后的鋼帶進(jìn)行試樣的制備，流程如下：線切割→熱鑲嵌→打磨→膏拋→水拋→腐蝕→酒精沖洗→吹干→拍照、觀察.對制備完成的試樣用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織的觀察.

2 熱軋硅鋼帶顯微組織演化規(guī)律

金屬材料在再結(jié)晶溫度以上的溫度進(jìn)行軋制的過程被稱為熱軋.在熱軋過程中使金屬或合金發(fā)生再結(jié)晶時(shí)的溫度被稱為再結(jié)晶溫度[3].

2.1 同步熱軋硅鋼帶顯微組織形貌

圖1為同步熱軋硅鋼帶顯微組織圖，(a)～(d)分別為試樣上表面、過渡層、中心層和下表面.

圖1 同步熱軋鋼帶的顯微組織

由圖1可知：同步熱軋后硅鋼帶的顯微組織沿厚度方向呈現(xiàn)明顯的組織不均勻.試樣上、下表面(圖(a)、(d))有相同的顯微組織.試樣沿鋼帶厚度方向分為表層、過渡層和中心層三個(gè)區(qū)域[4-6].其中過渡層晶粒最細(xì)，試樣表層和中心層的晶粒都較為粗大.

鋼帶在發(fā)生再結(jié)晶時(shí)會在變形組織的基體上形成新的晶核，并且迅速長大為新的等軸晶粒，等軸晶粒逐漸取代變形組織，性能也有了明顯的變化.影響再結(jié)晶的因素有：溫度、變形程度、微量溶質(zhì)原子、原始晶粒尺寸、分散相粒子等[7].加熱溫度越高，再結(jié)晶轉(zhuǎn)變速度越快，完成再結(jié)晶所需要的時(shí)間也越短.金屬的變形程度越大，儲存能越多，再結(jié)晶驅(qū)動力也越大，因此，再結(jié)晶溫度也越低，同時(shí)再結(jié)晶速度也越快.存在微量的溶質(zhì)原子對再結(jié)晶有巨大的影響.溶質(zhì)原子或雜質(zhì)原子與位錯(cuò)、晶界存在交互作用，偏聚在位錯(cuò)及晶界處，對位錯(cuò)運(yùn)動及晶界遷移起阻礙作用，因此，不利于再結(jié)晶的形核和長大.在其他相同的情況下，晶粒越細(xì)，變形抗力越大，變形儲能越多，再結(jié)晶溫度越低.相同變形程度，晶粒越細(xì)，可供形核位置越多，形核率也增大，再結(jié)晶速度加快.分散相粒子直徑較大.粒子間距較大的情況下，再結(jié)晶被促進(jìn)；而小的粒子尺寸和小的粒子間距，再結(jié)晶被阻礙.

為使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為直觀，利用image-pro plus軟件并采用截距法對晶粒尺寸進(jìn)行測量[8].從圖2可明顯看出:同步軋制后試樣的上、下表面晶粒大小差距不大，晶粒大小分別為73 μm和70 μm，平均晶粒尺寸為72 μm;上、下過渡區(qū)位置也有相似的顯微組織晶粒，尺寸大小分別為51 μm和49 μm，平均晶粒尺寸為50 μm;中心層晶粒最為粗大，平均晶粒尺寸達(dá)到131 μm.這是由于表層在軋制過程中發(fā)生脫碳，使得碳化物含量降低，表層晶粒發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，沒有了碳化物對晶粒長大的抑制作用，晶?？梢蚤L大，因此，平均晶粒尺寸變大.過渡區(qū)由于溫降較慢且剪切變形量較大，所以，該區(qū)再結(jié)晶增多且晶粒相對細(xì)小[9].由過渡區(qū)到中心層剪切變形逐漸減弱，導(dǎo)致在軋制過程中中心層無法發(fā)生再結(jié)晶，只發(fā)生回復(fù)，所以中心層晶粒粗大并且在晶界上散亂分布著細(xì)小的碳化物.

圖2 同步熱軋晶粒尺寸分布圖

2.2 異步熱軋鋼帶顯微組織形貌

如圖3的(a)～(e)所示：異步熱軋硅鋼的顯微組織沿著厚度方向也呈現(xiàn)出明顯的組織不均勻.1.1異速比熱軋后試樣上、下表面具有不同的顯微組織，上、下過渡區(qū)的顯微組織也有很大區(qū)別.

圖3 異步熱軋鋼帶(異速比為1.1)的顯微組織

通過觀察，1.1異速比熱軋硅鋼試樣上、下表面晶粒大多為等軸晶，且分布均勻.下表面為軋輥的快速面，平均晶粒尺寸為48 μm(圖3(e))，上表面晶粒較下表面粗大，晶粒尺寸達(dá)到55 μm，最大晶粒尺寸出現(xiàn)在中心層，晶粒尺寸為119 μm，最小晶粒尺寸位于下表面過渡區(qū)，其平均晶粒尺寸為39 μm.在熱軋過程中，由于變形量較大，為動態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生提供了足夠的驅(qū)動力，試樣表面因此發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶.由于表層脫碳，導(dǎo)致表層晶粒尺寸較大.具體晶粒尺寸分布見圖4.

圖4 異速比1.1的熱軋晶粒尺寸分布圖

影響晶粒長大的因素有：溫度、雜質(zhì)和合金元素、第二相質(zhì)點(diǎn)以及相鄰晶粒的取向差.溫度一定時(shí)，晶粒的生長受到限制，但是隨著溫度的升高晶粒長大將繼續(xù)進(jìn)行；雜質(zhì)和合金元素融入基體后會阻礙晶界的運(yùn)動，特別是晶界偏聚顯著的元素.一般來說雜質(zhì)原子釘扎在晶界上，晶界在發(fā)生移動時(shí)被阻礙，晶粒的長大受到影響[10].彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動，可以使晶粒長大受到抑制.當(dāng)晶界能所提供的晶界移動驅(qū)動力正好等于分散粒子對晶界移動所施加的約束力時(shí)，晶粒停止長大.第二相的粒子相對越細(xì)小，數(shù)量越多，阻礙晶粒長大的能力越強(qiáng).晶界的界面能與相鄰晶粒的位相差有關(guān)，小角度晶界界面能低，故界面移動的驅(qū)動力小，晶界移動速度低，界面能高的大角度晶界可動性高.

2.3 同步與異步熱軋鋼帶顯微組織對比分析

通過之前的分析，不難發(fā)現(xiàn)，異步軋制可以顯著改善晶粒尺寸，從而影響材料的性能.

圖5為同步熱軋與1.1異速比熱軋鋼帶下表面顯微組織圖.相比同步軋制，1.1異速比熱軋后硅鋼帶下表面的顯微組織更為細(xì)小，且在過渡區(qū)存在較多的碳化物.在厚度方向的各個(gè)位置，異步軋制晶粒尺寸均小于同步軋制.說明在細(xì)化晶粒能力方面，下表面即快速輥一側(cè)作用最大，其次是下過渡區(qū)，最后為中心位置.1.1異速比熱軋后試樣中心位置晶粒明顯細(xì)于同步軋制.這是因?yàn)楫惒杰堉萍羟凶冃慰梢载灤┲龄搸е行?，?shí)現(xiàn)對整個(gè)厚度上晶粒的細(xì)化.

異步軋制晶粒細(xì)化機(jī)理可以從晶粒破碎的幾何條件、塑性功率、等效應(yīng)變、充分塑性變形應(yīng)變畸能和晶粒尺寸關(guān)系等方面進(jìn)行分析.由于異步軋制引入附加剪切變形，改變了軋件的受力狀態(tài)，使軋件沿軋制方向發(fā)生變形，這樣對軋件的晶粒破碎更為有利，為晶粒的充分破碎提高了幾何充分性[11].這樣高溫狀態(tài)下的奧氏體，在剪切變形下更為細(xì)小，相應(yīng)后續(xù)相變后的晶粒也更加細(xì)小.

3 結(jié) 論

以Fe-3 %Si取向硅鋼為研究對象，對同步熱軋、異步熱軋工藝后的顯微組織進(jìn)行試樣的制備、觀察及分析，重點(diǎn)研究了不同熱軋工藝下鋼帶顯微組織特點(diǎn)及演變規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 同步與異步熱軋鋼帶沿厚度方向組織均呈現(xiàn)“不均勻分布”的等軸晶粒，同步熱軋鋼帶上下層尺寸基本相同，表層、過渡層和中心層的顯微組織平均晶粒尺寸分別為72 μm、50 μm和131 μm.

(2) 1.1異速比熱軋硅鋼試樣上、下表面晶粒大多為等軸晶，且分布均勻.下表面為軋輥的快速面，平均晶粒尺寸為48 μm，上表面平均晶粒尺寸達(dá)到55 μm，最大晶粒尺寸出現(xiàn)在中心層，平均晶粒尺寸為119 μm，最小晶粒尺寸位于下表面過渡區(qū)，其平均晶粒尺寸為39 μm.

(3) 1.1異步熱軋帶鋼的晶粒尺寸比同步熱軋帶鋼的尺寸小，上下層晶粒尺寸不同，同步熱軋鋼帶的上下層晶粒尺寸基本相同；異步軋制有益于鋼帶整個(gè)厚度方向各個(gè)部位晶粒的細(xì)化.