常化溫度對50W470無取向硅鋼組織及磁性能的影響

朱志勇 郭海榮 李化龍

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

冷軋無取向硅鋼廣泛應用于電機和發(fā)電機行業(yè)[1- 2]，其化學成分、熱軋工藝、冷軋退火工藝對產(chǎn)品磁性能均有重要的影響[1,3]。高牌號冷軋無取向硅鋼鐵損低、磁導率高、磁致伸縮性小，常用于大中型電機及發(fā)電機。因其成分硅、鋁含量高，鋼水流動性差，產(chǎn)品表面缺陷多，性能不穩(wěn)定，且鑄造過程中易形成粗大的柱狀晶，產(chǎn)生瓦楞狀缺陷。因此，高牌號冷軋無取向硅鋼生產(chǎn)需?；幚恚愿纳茻彳埌褰M織均勻性，避免表面瓦楞狀缺陷，同時粗化晶粒和析出物，增強{100}和{110}有利織構組分強度及減弱{111}不利織構組分強度，提高產(chǎn)品磁性能[4- 6]，因此探索?；に噷滠垷o取向硅鋼磁性能的影響具有重要意義。本文在實驗室條件下，研究了常化溫度對50W470無取向硅鋼組織及磁性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料選取工業(yè)生產(chǎn)的2.5 mm厚50W470無取向硅鋼熱軋板，其化學成分見表1。

試驗選取600 mm×130 mm×2.5 mm尺寸的熱軋板，分別在850、900、950和1 000 ℃進行?；幚?00 s。?；幚砗笏嵯慈コ砻嫜趸F皮，采用4輥單機架往復式軋機冷軋到0.5 mm厚。取450 mm×120 mm×0.5 mm尺寸的退火試板，在實驗室連續(xù)退火爐中進行退火，退火過程采用抽真空氮氣保護，退火工藝為 920 ℃保溫36 s。

表1 試驗材料的化學成分 (質量分數(shù))Table 1 Chemical compositions of the tested steel (mass fraction) %

采用TD- 8510磁性能測量儀測量不同溫度?；耐嘶饦悠返膯纹判阅?，樣品尺寸為100 mm×100 mm×0.5 mm；在5 000 A/m磁場強度下測量產(chǎn)品的磁感應強度B50，在1.5 T磁感應強度和50 Hz頻率下測量產(chǎn)品的鐵損P15/50。將熱軋板、?；寮案魍嘶饦悠费剀埾蚱书_，經(jīng)機械磨拋后，用蔡司金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，并采用截線法測量晶粒的尺寸；在JSM- 7001F場發(fā)射掃描電子顯微鏡上進行電子背散射衍射(EBSD) 微觀取向分析 (織構體積分數(shù)以偏差角15°進行統(tǒng)計)。

2 試驗結果與分析

2.1 ?；瘻囟葘︼@微組織的影響

圖1顯示熱軋板和經(jīng)不同溫度?；幚砗鬅彳埌宓娘@微組織。如表1所示，試驗鋼中C的質量分數(shù)低于0.005%，Si的質量分數(shù)高于1.7%，在生產(chǎn)過程中無相變發(fā)生，均為鐵素體組織。由于板坯在軋制過程中其表面及心部的溫度分布、形變方式和形變量均不同，在熱軋過程中會造成表面和心部熱軋組織存在較大的差別[7]。如圖1(a)所示，未?；脑紤B(tài)熱軋板表面為細小等軸的再結晶組織。心部為拉長的纖維狀組織。主要是由于熱軋板表面溫度雖然較低，但其發(fā)生了切應變，形變儲能較大，優(yōu)先發(fā)生再結晶。而熱軋板心部溫度雖然較高，但發(fā)生了壓應變，其形變儲能小，再結晶驅動力小，因此熱軋板表面為細小的再結晶組織，心部為拉長的變形組織。

由圖1(b～e)可知：熱軋板在850～1 000 ℃?；幚砗笞冃谓M織發(fā)生了明顯的再結晶，且隨著?；瘻囟鹊纳?，再結晶逐漸完全、晶粒不斷長大。850 ℃保溫200 s?；幚砗螅瑹彳埨w維組織明顯再結晶，但由于?；瘻囟容^低，熱軋板中部仍存在極少量的變形組織；在900～1 000 ℃常化處理，變形組織均發(fā)生完全再結晶，隨著常化溫度的提高，再結晶晶粒尺寸增大，組織均勻性改善。

圖1 (a)熱軋態(tài)及經(jīng)(b)850、(c)900、(d)950和(e)1 000 ℃常化后熱軋板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the plates after (a) hot- rolling and hot- rolling followed by normalizing at(b) 850, (c) 900, (d) 950 and (e) 1 000 ℃

圖2為不同溫度?；幚砝滠埻嘶饦悠返娘@微組織。由圖2可知：不同溫度?；幚淼睦滠埻嘶饦悠肪l(fā)生了完全再結晶，且隨著常化溫度由850 ℃提高到1 000 ℃，退火成品試樣的平均晶粒尺寸不斷增大，依次為28、46.7、56.5、64.7 μm，組織均勻性顯著提高。如圖1所示，熱軋板經(jīng)?；幚砗?，變形組織消除，且隨著?；瘻囟鹊纳?，熱軋晶粒尺寸不斷增大，熱軋組織晶粒尺寸越大，冷軋后形變儲能越低，退火再結晶形核驅動力降低，再結晶形核率降低；同時由于再結晶晶核易在熱軋原始晶界處形核，熱軋板晶粒尺寸越大，冷軋后原始晶界越少，從而顯著減少了退火再結晶過程中的形核位置，造成形核率降低[8- 9]；相同退火工藝條件下，再結晶形核率越低，成品晶粒尺寸越大，因此不同溫度?；幚硗嘶饦悠返木Я３叽珉S常化溫度的升高而逐漸增大。

圖2 (a)850、(b)900、(c)950和(d)1 000 ℃?；幚硗嘶饦悠返娘@微組織Fig.2 Microstructures of the annealed samples after normalizing at (a) 850, (b) 900, (c) 950 and (d) 1 000 ℃

2.2 ?；瘻囟葘ν嘶鸪善房棙嫷挠绊?/h3>

圖3為不同溫度?；幚砗笸嘶鸪善返娜∠蚍植己瘮?shù)φ2=45°截面圖。由圖3可知：不同溫度?；幚砗罄滠埻嘶饦悠返目棙嬀驭梁挺萌∠蚓€再結晶織構為主。由于織構的遺傳性，熱軋板原始組織和織構對退火再結晶織構有重要的影響，γ取向線織構易在熱軋原始晶界附近優(yōu)先形核生長，γ纖維織構的優(yōu)先形核生長會不斷吞并相鄰的λ和α纖維織構，減弱λ和α纖維織構，加強γ纖維織構[9]。常化處理后，熱軋板發(fā)生再結晶和晶粒長大，原始晶界減少，冷軋變形晶粒晶界附近取向差較小、變形儲能低，不利于γ纖維再結晶晶粒的發(fā)展，如圖3(a～c)所示。當?；瘻囟葟?50 ℃升高到950 ℃時，熱軋板晶粒尺寸不斷增大，退火成品{111}織構組分強度逐漸減弱。

退火再結晶包含再結晶和晶粒長大兩個過程。{111}織構由于形變儲能大，退火再結晶過程中優(yōu)先形核生長，在晶粒長大過程中，優(yōu)先形核的{111}晶粒經(jīng)過較長時間的生長，尺寸較大，界面能較低，晶粒長大過程中會吞噬周圍較小的晶粒而繼續(xù)生長，如圖3(d)所示。即當?；瘻囟壬仙? 000 ℃時，熱軋板變形組織完全再結晶，熱軋板晶粒尺寸較大，冷軋形變儲能小，大大降低了退火再結晶{111}織構的形核率。但由于{111}織構在再結晶過程中優(yōu)先形核生長，在晶粒長大過程中，長大阻力小，會不斷吞噬周圍較小的晶粒而繼續(xù)生長，{111}織構組分強度提高。因此，在850～950 ℃?；幚碓俳Y晶退火后的成品織構由形核織構決定，{111}織構組分強度隨常化溫度的升高而逐漸減弱；當常化溫度提高到1 000 ℃后，退火成品織構由于晶粒長大，表現(xiàn)為晶粒長大織構，{111}織構組分強度增強。

2.3 ?；瘻囟葘Υ判阅艿挠绊?/h3>

表2顯示了不同溫度常化的退火樣品的磁性能。由表2可知：隨?；瘻囟葟?50 ℃提高到1 000 ℃，試樣的鐵損P15/50從4.669 W/kg降低到3.696 W/kg，磁感應強度B50先從1.687 T提高到1.730 T，再降低到1.716 T；950 ℃?；幚硗嘶鸪善返拇判阅茏顑?yōu)，鐵損低、磁感應強度高，鐵損P15/50為3.872 W/kg，磁感應強度B50為1.730 T。

圖3 (a)850、(b)900、(c)950和(d)1 000 ℃?；幚硗嘶饦悠返娜∠蚍植己瘮?shù)φ2=45°截面圖Fig.3 ODFs of φ2=45° sections of the annealed samples after normalizing at (a) 850, (b) 900, (c) 950 and (d) 1 000 ℃

表2 不同溫度?；耐嘶饦悠返拇判阅躎able 2 Magnetic properties of the annealed samples normalized at different temperatures

在無取向硅鋼中，{100}晶面和{110}晶面分別包含兩個和一個易磁化<001>軸，屬于有利織構，{111}晶面無易磁化<001>軸，劣化磁性能；加強{100}和{110}有利織構組分強度，減弱{111}不利織構組分的強度有利于改善無取向硅鋼磁性能[10- 12]。表3顯示了不同溫度?；幚砗笸嘶饦悠穥001}、{110}、{111}3種面織構的面積分數(shù)比。圖4為常化溫度與退火樣品平均晶粒尺寸和織構分布之間的關系，圖5顯示了?；瘻囟扰c磁性能的關系。

表3 不同溫度常化處理的退火樣品{001}、{110}、{111}3種面織構的面積分數(shù)Table 3 Area fraction ratios of {001}, {110} and {111} texture components of the annealed samples normalized at different temperatures

圖4 (a)退火樣品平均晶粒尺寸和(b)織構分布與?；瘻囟戎g的關系Fig.4 Relationship between (a) the average grain size and (b) texture distribution and the normalizing temperature for the annealed samples

由圖4可知：隨著常化溫度的升高，退火樣品的平均晶粒尺寸顯著增大，有利織構({001}+{110})與不利織構{111}面積比先升高后降低，在850～950 ℃常化，有利織構組分相對強度隨常化溫度的升高而不斷增強，而不利織構{111}組分相對強度則不斷減弱，有利于磁感應強度提高。

圖5 常化溫度與磁性能的關系Fig.5 Dependence of magnetic properties on normalizing temperatures

當?；瘻囟忍岣叩? 000 ℃后，({001}+{110})/{111}面積比降低，不利織構{111}組分相對強度提高，磁感應強度降低。如圖5所示，當?；瘻囟葟?50 ℃升高到950 ℃時，磁感應強度從1.687 T提高到1.730 T；當?；瘻囟壤^續(xù)上升到1 000 ℃后，磁感應強度反而降低到1.716 T。電工鋼鐵損包含磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗3部分，無取向硅鋼以磁滯損耗為主，其產(chǎn)品晶粒尺寸越大，晶粒邊界面積越小，磁滯損耗越小，渦流損耗越大，但渦流損耗遠遠小于磁滯損耗，因此表現(xiàn)為無取向硅鋼產(chǎn)品鐵損隨晶粒尺寸的增大而減小[1,13]。當?；瘻囟葟?50 ℃上升到1 000 ℃后，退火晶粒尺寸不斷增大，晶粒邊界面積大大減小，磁滯損耗降低，鐵損降低；在850～950 ℃，{111}不利織構組分強度隨溫度升高逐漸減弱，磁滯損耗減?。划敵；瘻囟壬叩? 000 ℃后，不利織構{111}組分強度的增強也會導致材料磁滯損耗的升高，但由于晶粒尺寸增大帶來的磁滯損耗的降低遠遠大于{111}不利織構組分強度增強所帶來的磁滯損耗的升高，因此表現(xiàn)為退火成品的鐵損隨?；瘻囟鹊纳叨饾u降低。熱軋板選擇合適的常化溫度，優(yōu)化成品晶粒尺寸和織構分布，能獲得最優(yōu)的磁性能。本試驗中，以950 ℃?；?00 s的退火成品的磁性能最優(yōu)，鐵損P15/50為3.872 W/kg，磁感應強度B50為1.730 T。

3 結論

(1)常化處理能顯著改善熱軋板的晶粒尺寸及組織均勻性，消除熱軋變形組織，對成品組織及磁性能產(chǎn)生重要影響。

(2)在850～1 000 ℃?；幚?，熱軋板晶粒尺寸隨?；瘻囟鹊纳卟粩嘣龃?，退火樣品晶粒尺寸不斷增大，有利織構({001}+{110})與不利織構{111}的面積比先增大后減小，退火成品鐵損逐漸降低，磁感應強度先升高后降低。

(3)950 ℃?；幚?00 s，能得到最優(yōu)的晶粒尺寸和({001}+{110})/{111}面積比，退火樣品的磁性能最優(yōu)，鐵損P15/50值達到 3.872 W/kg，磁感應強度B50值達到1.730 T。