高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼常化板不同溫度下的力學(xué)性能研究

楊 光 杜麗影 雷 艷 李 珉 童海斌

(1.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430080；2.寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：43080；3.寶鋼股份武鋼有限硅鋼部 湖北 武漢：430083)

0 前言

高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼因其合金含量高、鐵損低，廣泛應(yīng)用于高效電機(jī)、高速電機(jī)、中高頻電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。但是，隨著硅含量的提高，材料強(qiáng)度提高，冷軋時(shí)變形抗力大，冷軋軋制斷帶率高。目前較多采用小輥徑工作輥的可逆軋機(jī)進(jìn)行冷軋，以減少斷帶風(fēng)險(xiǎn)，但可逆軋機(jī)生產(chǎn)效率及成材率較連軋機(jī)低。而采用帶溫軋制(溫軋)的冷連軋機(jī)能夠有效的降低斷帶風(fēng)險(xiǎn)[1]。冷連軋機(jī)軋制高牌號(hào)時(shí)，因變形抗力大，軋制力高，出口最大軋制速度較中低牌號(hào)低很多，根據(jù)秒流量計(jì)算，入口速度也將比中低牌號(hào)低，軋制溫升較小。提高開軋溫度，既能夠降低高牌號(hào)硅鋼變形抗力，也能提高機(jī)架間的板溫，提升生產(chǎn)效率[2]。

羅陽(yáng)等[3]研究發(fā)現(xiàn)，3%Si-Fe的熱軋板在0～100℃范圍內(nèi)會(huì)經(jīng)過(guò)韌脆轉(zhuǎn)變，在該溫度區(qū)間內(nèi)，沖擊韌性對(duì)溫度的變化極為敏感，冷軋前預(yù)熱到60～80℃既能避免冷軋時(shí)斷帶，又能減少最終磁性的時(shí)效現(xiàn)象。武鋼研究表明，HiB鋼采用時(shí)效軋制法，在冷軋時(shí)通過(guò)變形熱使鋼板溫度升高(100～300℃)，可以提高鋼板塑形，減少軋制斷帶，還能通過(guò)應(yīng)變時(shí)效作用使鋼板中的固溶碳、氮量增多，提高釘扎位錯(cuò)的能力，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而改變滑移系統(tǒng)，使冷軋織構(gòu)發(fā)生變化，促使形成更多的形變帶和過(guò)渡帶，改善成品鐵損。

但冷軋預(yù)熱溫度并不是越高越好，溫度升高可能會(huì)帶來(lái)其他不利的影響。安治國(guó)、毛衛(wèi)民[4]研究發(fā)現(xiàn)，在100～160℃范圍內(nèi)取向電工鋼拉伸變形時(shí)位錯(cuò)滑移會(huì)拖曳柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)隨之遷移，造成了隨溫度升高延伸率下降，且屈服強(qiáng)度的降幅減緩的現(xiàn)象。Stein等[5]檢測(cè)Fe-3.25%Si合金的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)，在溫度較低時(shí)C原子擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于位錯(cuò)遷移速度，變形會(huì)破壞柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)；溫度更高時(shí)C原子無(wú)需位錯(cuò)拖曳，僅借助熱激活就可隨時(shí)跟隨位錯(cuò)遷移。同時(shí)，高溫?zé)峒せ钜苍斐煽麓範(fàn)枤鈭F(tuán)明顯弱化，因此硬化現(xiàn)象消失。

以上文獻(xiàn)認(rèn)為，鋼中的C原子會(huì)與位錯(cuò)結(jié)合形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)。當(dāng)位錯(cuò)在拉伸變形過(guò)程中滑移時(shí)，柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)有被位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)拖曳而隨之遷移的傾向。在原則上，總會(huì)存在一個(gè)C原子擴(kuò)散速度能夠接近位錯(cuò)滑移步長(zhǎng)的溫度范圍，使位錯(cuò)能借助其應(yīng)力場(chǎng)的拖曳效應(yīng)吸附柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)與之同步遷移并造成硬化現(xiàn)象。如果冷軋開軋溫度在這個(gè)范圍，對(duì)降低變形抗力的效果將會(huì)減弱甚至惡化。

以上研究的主要對(duì)象為一般取向硅鋼或者高磁感取向硅鋼，而高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼其C、N含量遠(yuǎn)低于取向電工鋼，對(duì)無(wú)取向電工鋼而言，是否也存在類似的規(guī)律尚無(wú)相關(guān)資料。

本文利用三種不同合金量高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼?；暹M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)-20～300℃范圍內(nèi)的力學(xué)性能并觀察斷口形貌，對(duì)其變化規(guī)律開展研究，為采用合適的冷軋方式提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選取三種不同合金量高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼?；?厚度均為2.20±0.10mm)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成分如表1所示：

表1 三種材料成分(wt/%)

在室外溫度為-2℃時(shí)，測(cè)量常化機(jī)組卷取機(jī)鞍座上鋼卷邊部平均溫度約有28℃，庫(kù)區(qū)放置24h后邊部溫度仍有10℃。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，在極端條件下板溫也不會(huì)低于-20℃，而機(jī)架出口板溫如果上升到300℃以上，冷軋板面將會(huì)發(fā)藍(lán)氧化，嚴(yán)重影響成品磁性能和表面質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中也應(yīng)當(dāng)避免，故僅在-20～300℃范圍內(nèi)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。

按照GB/T 228-2010標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，將三種沿軋向?；逶嚇鱼姵删匦谓孛姹壤嚇?，并打磨拉伸區(qū)毛刺。將拉伸試樣放入AG-IS 100kN電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)環(huán)境箱中，當(dāng)環(huán)境箱溫度達(dá)到目標(biāo)溫度(誤差±2℃)并保溫15min后進(jìn)行拉伸，初始變形速率0.002/min，塑性變形之后變形速率提升到0.006/min直至拉斷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 三種材料在不同溫度下的強(qiáng)度與延伸率

利用軟件擬合三種材料在不同溫度下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率，見圖1。常溫下，X材料與Y材料抗拉強(qiáng)度較為接近，但X材料屈服強(qiáng)度比Y材料高出很多，0℃以下X材料屈強(qiáng)比達(dá)到0.90以上。Z材料因合金量最低，故抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度最低。隨著溫度升高三種材料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均逐漸降低，且X材料在180～280℃、Y材料在120～200℃、Z材料在120～240℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度開始上升。隨著溫度繼續(xù)升高，強(qiáng)度再次開始下降。

在常溫下隨著溫度升高，X材料延伸率迅速?gòu)?20～10℃區(qū)間的低于5%上升到30℃時(shí)的22%，其間發(fā)生了脆韌轉(zhuǎn)化，超過(guò)30℃時(shí)鋼材顯現(xiàn)出良好的塑性。而Y、Z材料在整個(gè)溫度范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯脆性。三種材料延伸率在80℃附近出現(xiàn)最大值并基本保持不變，其后隨著溫度繼續(xù)升高，X材料在160～220℃、Y材料在100～180℃、Z材料在120～220℃范圍內(nèi)出現(xiàn)延伸率下降的現(xiàn)象，其后延伸率再次上升。

從延伸率對(duì)比圖1(b)可以看出，X材料在10℃以下表現(xiàn)出明顯脆性。本實(shí)驗(yàn)在材料出現(xiàn)屈服之前應(yīng)變速率僅為0.0002/s，按照S.Ekelund公式計(jì)算，

式中，R為軋輥半徑，v為軋輥圓周速度，H為入側(cè)鋼帶厚度，h為出側(cè)鋼帶厚度?？梢杂?jì)算出軋制時(shí)的應(yīng)變速率在102～103/s，高出實(shí)驗(yàn)變形速率很多，在慣性因素的影響下材料的屈服強(qiáng)度將會(huì)繼續(xù)升高而抗拉強(qiáng)度基本不變[7]，即，在軋制時(shí)材料將會(huì)表現(xiàn)出更高的屈強(qiáng)比，對(duì)軋制更加不利。所以在軋制X材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高開軋溫度，避開脆性區(qū)。尤其是考慮到冷連軋機(jī)由于輥徑大，第一道次壓下率較二十輥軋機(jī)小，因軋制變形產(chǎn)生的鋼帶溫升小，更應(yīng)當(dāng)提高開軋前的板溫。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 斷口形貌觀察

X材料斷口在-20～10℃溫度范圍均表現(xiàn)為解理脆斷，宏觀斷口平直，試樣變形量很小，在20℃時(shí)斷口形貌以解理為主，但可以觀察到少量韌窩，見圖2。30～160℃斷口形貌均以韌窩為主，且韌窩大小及深度較為接近，在180℃以上斷口中可以觀察到既有解理又有韌窩，隨著溫度升高，韌窩深度與大小逐漸降低，解理比例逐漸增加，至300℃時(shí)斷口中仍可觀察到解理與韌窩并存，但韌窩再次變大，且韌窩占比增加，部分?jǐn)嗫谖⒂^形貌見圖3。

Y、Z材料在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)均顯現(xiàn)為韌性斷裂，斷口形貌基本以韌窩為主，僅在延伸率出現(xiàn)下降的溫度區(qū)間內(nèi)可以觀察到少量解理，與X材料180℃斷口形貌相近。

3.2 韌脆轉(zhuǎn)變溫度的討論

影響體心立方鐵素體金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素主要有晶粒大小和化學(xué)成分[8]。

三種不同材料?；褰M織見圖4，因目標(biāo)性能不同，三種材料?；に囈膊灰恢?，?；褰M織有一定差距。X材料合金量最高，采用更高的常化溫度，使常化板晶粒更大，可以獲得更低的成品鐵損，但因變形抗力較大，目前采用可逆軋機(jī)進(jìn)行軋制。Y、Z材料在生產(chǎn)時(shí)均使用連軋機(jī)軋制，采用略低的常化溫度，控制常化板晶粒尺寸，避免因晶粒過(guò)大造成軋制時(shí)脆斷[10]。

晶粒粗大會(huì)使鋼的強(qiáng)度降低，韌性變差。X材料雖然合金量高，但?；瘻囟纫哺?，晶粒尺寸大，抗拉強(qiáng)度仍然與Y材料相當(dāng)，沒有顯示出相對(duì)于更高合金量而應(yīng)有的更大的抗拉強(qiáng)度。

圖2 X材料-20℃～40℃斷口宏觀形貌

圖3 X材料部分?jǐn)嗫谖⒂^形貌

圖4 三種不同材料?；褰M織

從圖5[10]可以看出，在其他合金(C、Mn、P等)差異不大的情況下，隨著硅含量的升高，材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度迅速上升。

圖5 合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

X材料由于合金量高且晶粒大，使得韌脆轉(zhuǎn)變溫度已上升到常溫，而Y、Z材料在-20℃時(shí)仍未顯現(xiàn)出脆性。

3.3 材料屈服強(qiáng)度出現(xiàn)反常的討論

低溫條件下鐵素體對(duì)C、N的溶解度基本為零，因此盡管鋼中只有少量的C、N原子，但在低溫下仍會(huì)以Fe3C、Fe4N析出的形式存在。從圖6可以看出，本實(shí)驗(yàn)條件下，C不會(huì)在鋼中溶解，但N在高溫區(qū)域會(huì)溶解在鋼中[11]。雖然硅鋼材料中添加了大量的 Si、Mn、Al元素，但由于相關(guān)元素在基體中處于置換固溶狀態(tài)，置換固溶原子產(chǎn)生的內(nèi)耗相對(duì)較小，而且其內(nèi)耗峰溫度一般在400℃以上，遠(yuǎn)超出本試驗(yàn)測(cè)試溫度，因此在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，Si、Mn、Al置換固溶原子對(duì)強(qiáng)度的影響可以不作為主要因素考慮。在硅鋼材料中C、N間隙固溶原子引起的晶格畸變是對(duì)稱的，在一定溫度和應(yīng)力作用下，C、N間隙固溶原子通過(guò)原子跳躍改變其取向，降低晶格畸變能，從而使材料處于低能狀態(tài)[12]。

圖6 C、N含量在5×10-5之內(nèi)的Fe-C、Fe-N二元相圖

在溫加工溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)屈服強(qiáng)度反常上升，一般認(rèn)為是由于變形所產(chǎn)生的位錯(cuò)同 C、N 發(fā)生作用形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，因而使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生困難。由于這個(gè)原因，在溫加工溫度變形的材料位錯(cuò)密度較高，體心立方鐵素體金屬中C、N固溶原子的內(nèi)耗峰溫度在140～200℃之間。在此溫度區(qū)間，由于內(nèi)耗引起的晶格畸變?cè)黾?，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度升高[13]。

這個(gè)機(jī)理在溫加工引起的強(qiáng)度提高的很多鋼中都有，但因?yàn)殇撝刑蓟锏膹?qiáng)度非常高，所以這種強(qiáng)度提高可以認(rèn)為主要是由鐵素體強(qiáng)度的提高所造成的。也就是說(shuō)，通過(guò)位錯(cuò)的增殖以及伴隨而來(lái)的應(yīng)變時(shí)效所得到的動(dòng)態(tài)強(qiáng)化，比冷加工后低溫退火的材料還硬。

通過(guò)降低?；瘻囟葴p小晶粒尺寸或者降低硅含量雖然可以一定程度上降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高材料韌性，使材料利于冷軋加工，但也會(huì)對(duì)成品磁性能造成不利的影響。比較有效的方法就是將開軋前的板溫提高到韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，使材料具有良好的韌性。但過(guò)高的開軋溫度也會(huì)降低冷軋儲(chǔ)能，且在100℃開始會(huì)由內(nèi)耗引起延伸率降低以及力學(xué)性能反常等現(xiàn)象，在軋制過(guò)程中，隨著變形量的增大，鋼帶溫度將會(huì)進(jìn)一步上升，應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)整乳化液流量，控制板溫，避免在內(nèi)耗溫度范圍軋制引起軋制不穩(wěn)定。

4 軋制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將X材料與Y材料?；寮舫?0mm(橫向)×600mm(軋向)條料，在中試帶溫軋功能的四輥冷軋機(jī)上按照相同壓下規(guī)程進(jìn)行不同板溫軋制實(shí)驗(yàn)[14]，觀察軋制力與邊部情況。

不同開軋溫度下第一道次兩種材料軋制穩(wěn)定時(shí)的軋制力見圖7，兩種材料不同開軋溫度下的軋制力變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致。X材料在板溫低于0℃時(shí)，所有常化板在起步時(shí)均脆斷；開軋板溫為20℃試樣，第一道次軋完后邊部即出現(xiàn)較深邊裂；開軋板溫40℃試樣，軋至成品0.5mm后邊部有細(xì)小邊裂。開軋板溫在40～100℃溫度區(qū)間試樣軋制穩(wěn)定，成品板面良好。開軋溫度在100～240℃時(shí)，因軋制溫升，在軋制過(guò)程中，鋼帶溫度升高到材料力學(xué)性能反常區(qū)間，軋制力較大波動(dòng)，軋制不穩(wěn)定，板型較差。240℃及以上溫度，軋制成品板面因溫度過(guò)高出現(xiàn)氧化。

對(duì)比X、Y兩種材料的軋制力，X材料在80℃時(shí)每道次軋制力較Y材料20℃時(shí)低，且成品邊部良好，無(wú)邊裂。即：將X材料開軋溫度提高到80℃時(shí)，冷軋軋制力可以降低到Y(jié)材料常溫下的水平。但如果開軋溫度過(guò)高，隨著軋制溫升，板溫提升到反常區(qū)域，將對(duì)軋制穩(wěn)定性造成較大影響。

圖7 不同開軋溫度下第一道次兩種材料軋制穩(wěn)定時(shí)的軋制力

5 結(jié)論

(1)在其他合金元素變化不大的情況下，Si含量超過(guò)3.2%時(shí)，高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼?；逶诔叵乱扬@示出脆性。

(2)體心立方鐵素體金屬中C、N 固溶原子在內(nèi)耗峰溫度范圍內(nèi)，由于內(nèi)耗引起的晶格畸變?cè)黾?，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度升高。

(3)選擇合適的冷軋開軋溫度可以有效的避免3.2%Si高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼在脆性區(qū)軋制，還能降低變形抗力，減少斷帶風(fēng)險(xiǎn)，較為合適的開軋溫度為80℃。