3.10%Si高牌號(hào)冷軋無(wú)取向硅鋼組織織構(gòu)演變的研究

成印明，趙德琦

（1馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山243000；2北京科技大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100083）

1 前言

無(wú)取向硅鋼是制作各類(lèi)電機(jī)和發(fā)電機(jī)不可缺少的重要材料。高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼由于對(duì)產(chǎn)品的表面質(zhì)量和電磁性能要求高，且生產(chǎn)流程長(zhǎng)、生產(chǎn)難度大，其制造水平成為衡量鋼鐵制造水平的一個(gè)重要依據(jù)［1］。隨著冷軋無(wú)取向硅鋼的技術(shù)進(jìn)步，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼的企業(yè)也越來(lái)越多，但是Si含量在2.9%以上的高牌號(hào)，目前國(guó)內(nèi)僅有寶武鋼鐵、太鋼、首鋼、馬鋼等少數(shù)幾家企業(yè)具備批量生產(chǎn)的能力。

影響無(wú)取向硅鋼性能的因素中，夾雜物和晶粒尺寸的控制已經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究，但有關(guān)織構(gòu)控制的研究相對(duì)較少。改善鋼板織構(gòu)分布可以同時(shí)降低鐵損并提高磁感，尤其對(duì)磁感的改進(jìn)會(huì)比較明顯，因此得到了持續(xù)的關(guān)注和不斷深入的開(kāi)發(fā)研究［2-4］。

本文以某鋼廠工業(yè)化生產(chǎn)的50W250高牌號(hào)硅鋼為研究對(duì)象，研究了?；?、冷軋及成品熱處理的生產(chǎn)過(guò)程中高牌號(hào)硅鋼的組織織構(gòu)演變行為，并對(duì)有關(guān)機(jī)理進(jìn)行了分析，為工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)一步提升產(chǎn)品電磁性能指標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

試驗(yàn)鋼的熱軋板、?；?、冷軋板及退火板加工成10 mm（TD）×20 mm（RD）尺寸。金相組織使用光學(xué)顯微鏡觀察，并用圖像分析儀測(cè)量平均晶粒大??；采用掃描電鏡及其EBSD附件進(jìn)行顯微織構(gòu)測(cè)量；針對(duì)樣品的特點(diǎn)選用的不同織構(gòu)測(cè)量方法，其最終分析均運(yùn)用級(jí)數(shù)展開(kāi)法計(jì)算試樣的取向分布函數(shù)（ODF），并表示在歐拉角φ2＝45°的截面圖上進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 金相組織

3.1.1 熱軋和?；M織

圖1為試驗(yàn)鋼的熱軋和常化組織。由圖1a可以看到，熱軋板組織沿厚度方向分布不均勻，從表層到芯部變化較大，分層明顯。表層為細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，次表層為再結(jié)晶晶粒和變形晶粒的混合，芯部是拉長(zhǎng)的纖維組織。將熱軋板經(jīng)900℃常化，產(chǎn)生的組織形貌如圖1b所示，熱軋板經(jīng)常化后，再結(jié)晶完全，并且晶粒發(fā)生一定程度的長(zhǎng)大，雖然在厚度方向上看中心層晶粒尺寸稍大一些，但組織均勻性較熱軋板好，平均晶粒尺寸為119 μm。

圖1 試驗(yàn)鋼熱軋和?；M織

3.1.2 冷軋和退火組織

圖2為試驗(yàn)鋼的冷軋和退火組織。由圖2a可以看到，?；褰?jīng)冷軋后由原來(lái)的再結(jié)晶與形變組織轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂堉品较蛏扉L(zhǎng)的纖維組織。而經(jīng)過(guò)退火，冷軋板中的纖維組織發(fā)生了完全再結(jié)晶，如圖2b所示，平均晶粒尺寸為151 μm。

圖2 試驗(yàn)鋼冷軋和退火組織

3.2 織構(gòu)

對(duì)于無(wú)取向硅鋼而言，{l00}和{110}織構(gòu)是對(duì)磁性能有利的織構(gòu)，{111}和{112}是不利的織構(gòu)［5］。{111}織構(gòu)的形成與演變是冷軋無(wú)取向電工鋼生產(chǎn)加工過(guò)程中最主要的織構(gòu)行為，對(duì)成品磁性能有重要影響。織構(gòu)在生產(chǎn)加工過(guò)程中的演變具有一定的遺傳性，因此，熱軋板織構(gòu)組成也是影響成品性能的主要因素之一。因此，對(duì)試驗(yàn)鋼的熱軋板、?；濉⑼嘶鸢暹M(jìn)行織構(gòu)分析，觀察其演變規(guī)律［6］。

通過(guò)取向分布函數(shù)（ODF）來(lái)分析試驗(yàn)鋼的織構(gòu)，取向分布函數(shù)是由取向歐拉角φ1、Φ、φ23個(gè)自變量構(gòu)成的函數(shù)f（g）=f（φ1，Φ，φ2），取向完全隨機(jī)分布時(shí)，取向密度為1，即f（g）=1，因此，取向分布函數(shù)值表示的是取向密度相對(duì)于取向隨機(jī)分布密度的倍數(shù)。為了便于分析取向分布函數(shù)，把取向分布函數(shù)值繪在平面圖上，在垂直于取向空間φ2角坐標(biāo)軸方向，從取向空間中以5°間隔截取一系列等間距的取向面，繪制取向分布函數(shù)值的等密度線。

在硅鋼板加工過(guò)程中，各個(gè)晶粒的取向會(huì)逐步向取向空間中的兩條特定的取向線匯集，即α取向線和γ取向線，簡(jiǎn)稱(chēng)α線與γ線。兩條取向線在空間中的位置如圖3所示，α線的取向范圍為φ1=0°、Φ=0°～90°、φ2=45°，其上重要的取向有{001}<110>、{112}<110>、{111}<110>及{110}<110>，α線的特點(diǎn)是所有取向均有一個(gè)<110>平行于軋向；γ線的取向范圍為φ1=0°～90°、Φ=54.7°、φ2=45°，其上重要的取向有{111}<110>和{111}<112>，γ線的特點(diǎn)是所有取向均有一個(gè){111}平行于軋面。由于該取向空間具有3次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，所以只需要分析α線和1/3長(zhǎng)度的γ線（φ1=60°～90°）以上的取向密度，即可得到硅鋼的主要織構(gòu)類(lèi)型和相對(duì)強(qiáng)弱。

圖4為試驗(yàn)鋼熱軋、?；?、連退各工序典型織構(gòu)含量。由圖4可知，熱軋板和?；绢?lèi)似，{112}和{111}面織構(gòu)占比較大，而退火板則以{001}和{011}面織構(gòu)為主。

圖5給出了試驗(yàn)鋼熱軋板、常化板、連退板α線和γ線上的取向密度分布情況。由圖5可知，α取向線上，熱軋板的峰值出現(xiàn)在{001}<110>，?；宓姆逯党霈F(xiàn)在{112}<110>，退火板的峰值出現(xiàn)在{111}<110>和{001}<110>，{112}<110>明顯減弱。γ取向線上，?；宓膡111}<112>，退火板的{111}<110>附近明顯增強(qiáng)。但總體上，各試樣取向線上的織構(gòu)強(qiáng)度都比較弱。

圖3 取向空間中的α線和γ線位置與取向位置

圖4 不同工序典型織構(gòu)含量

圖5 α線和γ線上的取向密度

4 討論與分析

在熱軋過(guò)程中，表層存在較強(qiáng)的剪切應(yīng)力，而中心層主要以平面壓縮為主，使得厚度方向上的變形極為復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，表層到中心層會(huì)存在顯著的溫度梯度，表層溫度較低，且變形劇烈，熱軋過(guò)程中能夠保留較多的應(yīng)變儲(chǔ)能，而中心層由于溫度較高，回復(fù)作用加強(qiáng)，使其應(yīng)變儲(chǔ)能降低。表層熱軋變形儲(chǔ)能較高，因而能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，而中心層則不能。本文采用的樣品Si含量為3.1%，一般在硅鋼生產(chǎn)過(guò)程中，Si+2Al含量＞2%，生產(chǎn)過(guò)程就不存在相變，因此，試驗(yàn)鋼在單相鐵素體區(qū)軋制，屬于高層錯(cuò)能金屬，位錯(cuò)容易在滑移面間轉(zhuǎn)移，而使異號(hào)位錯(cuò)相互抵消，使位錯(cuò)密度下降，畸變能降低，較難達(dá)到動(dòng)態(tài)再結(jié)晶所需的能量，因而不易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得中心層保留了大量的變形組織［6-7］。

不同織構(gòu)組分的儲(chǔ)能是不同的，{112}面織構(gòu)儲(chǔ)能較高，會(huì)發(fā)生優(yōu)先長(zhǎng)大，因此，熱軋板的表層織構(gòu)主要為{112}面織構(gòu)。熱軋板及?；母鲗涌棙?gòu)以發(fā)達(dá)的α纖維織構(gòu)和較弱的不均勻γ纖維織構(gòu)為特征。?；軌蛱岣邿彳埥M織的均勻性，平均晶粒尺寸明顯增大，?；灞韺樱?01）面織構(gòu)組分含量與熱軋板表層相當(dāng)，不利織構(gòu){112}<110>組分含量增高。

冷軋過(guò)程中，由于溫度低，?；褰M織難以發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶，導(dǎo)致冷軋板組織為沿軋向伸長(zhǎng)的纖維組織，如圖2a所示。冷軋變形過(guò)程中，金屬晶粒的形狀發(fā)生顯著變化，晶粒沿著變形方向伸展，同時(shí)冷軋變形引起晶粒取向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而在多晶體內(nèi)形成冷軋織構(gòu)。此外，晶體內(nèi)的織構(gòu)缺陷如位錯(cuò)密度、空位密度均升高，壓晶界、層錯(cuò)和孿晶大量出現(xiàn)［8-9］。冷軋過(guò)程中{100}<011>織構(gòu)是不因變形而改變的，是僅有的穩(wěn)定原始位向。對(duì)＞2.0%Si的無(wú)取向硅鋼，其再結(jié)晶織構(gòu)組分主要為{100}<001>、{111}<112>以及Goss織構(gòu)，通過(guò)退火使冷軋板再結(jié)晶形成等軸晶，消除冷軋應(yīng)變，并能降低碳含量，退火溫度較高時(shí)晶界遷移速度加快，晶粒尺寸會(huì)逐漸增大。如圖2b所示，退火板中組織為完全再結(jié)晶組織。退火板中{001}<100>織構(gòu)取向晶粒快速長(zhǎng)大，導(dǎo)致{001}<100>織構(gòu)組分含量最高，{112}面織構(gòu)組分含量有所下降。γ纖維織構(gòu)依靠在晶界附近的擇優(yōu)形核與長(zhǎng)大機(jī)制發(fā)展起來(lái)。熱軋板經(jīng)900℃?；幚頃r(shí)，熱軋?jiān)季Ы缦?，冷軋組織中變形晶粒的晶界附近具有相對(duì)較小的取向差和較低的變形儲(chǔ)能，不利于γ纖維再結(jié)晶晶粒的發(fā)展，所以退火板中γ纖維織構(gòu)明顯減弱。

5 結(jié)論

5.1 熱軋板組織沿厚度方向分布不均勻，從表層到芯部變化較大，分層明顯，表層織構(gòu)主要為{111}和{112}。

5.2 ?；褰M織在厚度方向與熱軋板類(lèi)似，但晶粒明顯長(zhǎng)大，組織均勻性較好，平均晶粒尺寸為119 μm，織構(gòu)組分與熱軋板基本相當(dāng)。

5.3 冷軋板為沿著軋制方向伸長(zhǎng)的纖維組織。

5.4 退火板為再結(jié)晶組織，平均晶粒尺寸為151 μm，{001}<100>織構(gòu)組分含量最高。