成品厚度對(duì)高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼組織、織構(gòu)和磁性能的影響

楊經(jīng)富， 張迎暉， 秦鏡， 周情耀， 趙海斌， 聶金成， 徐星星

（江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州341000）

能源消耗和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題促使新能源汽車(chē)成為未來(lái)機(jī)動(dòng)車(chē)的主流[1]，高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼作為一種重要的軟磁性材料，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)上， 現(xiàn)代汽車(chē)快速發(fā)展要求電工鋼擁有更高的磁感、更低的鐵損以及更薄的厚度等[2-3]。 通常把鐵損P1.5/50≤4.00 W/kg 的無(wú)取向電工鋼稱(chēng)為高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼[4]，它是功能性軟磁材料的重要組成部分之一，因其鐵損值低、磁導(dǎo)率高、磁致伸縮性小和加工性能好等眾多優(yōu)良特性，使之成為電磁轉(zhuǎn)換過(guò)程中高端鐵芯制造領(lǐng)域的主要材料[5-6]。 據(jù)各國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)及各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼主要分為以下幾大類(lèi)：特殊厚規(guī)格系列、0.50 mm 厚度系列、0.35 mm 厚度系列和特殊薄規(guī)格系列[4]。 提高無(wú)取向電工鋼的磁性能和優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝一直以來(lái)是發(fā)展和研究的重點(diǎn)，無(wú)取向電工鋼的生產(chǎn)工藝主要分為一次冷軋法和二次冷軋法，從成本和生產(chǎn)效率的考量，大多數(shù)企業(yè)都更傾向于采用一次冷軋法[7]。

電工鋼的技術(shù)指標(biāo)包括磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵芯損耗，電工鋼的磁性能與成品板晶粒尺寸、鋼水的純凈度、硅含量、晶體織構(gòu)以及成品板的厚度等有關(guān)[8]。在BCC 結(jié)構(gòu)電工鋼中，晶粒容易磁化的是{100}方向，{110}方向次之，最難磁化的是{111}方向，在產(chǎn)品制造過(guò)程中，追求獲得更多的{100}和{110}織構(gòu)，弱化{111}織構(gòu)，從而達(dá)到優(yōu)化磁性能的目的[9]。通常在高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼中，經(jīng)冷軋并退火后會(huì)得到典型的γ 織構(gòu)和λ 織構(gòu)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些高斯織構(gòu)， 主要以對(duì)磁性能不利的γ織構(gòu)為主[10]。 另外較大的冷軋壓下率退火后能得到另一種典型的α* 織構(gòu)，ɑ* 織構(gòu)是經(jīng)大壓下率 （80%~95%）冷軋退火后形成的{h,1,1}<1/h,1,2>再結(jié)晶織構(gòu)，一般是在高應(yīng)變下起降低γ 織構(gòu)的作用[11]。 如何優(yōu)化織構(gòu)是獲得具有優(yōu)異磁性能高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼的關(guān)鍵。 以企業(yè)生產(chǎn)的高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼常化板為初始原料，使用一次冷軋法制備成品板，研究了不同厚度成品板組織和織構(gòu)的差異，及其對(duì)磁性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

表1 ?；宓幕瘜W(xué)成分表Table 1 Chemical composition of normalized sheet單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

實(shí)驗(yàn)原材料為某企業(yè)生產(chǎn)的2.1 mm 厚?；?，其化學(xué)成分見(jiàn)表1 所列。 經(jīng)76.2%、83.3%、85.7%不同的壓下率冷軋至最終厚度為0.5 mm、0.35 mm、0.30 mm 的冷軋板，最后經(jīng)980 ℃×6 min 退火得到成品板，退火氣氛為75%N2+25%H2。

利用SIGMA 掃描電鏡上配置的牛津儀器HKL Channel 5 EBSD 系統(tǒng)對(duì)?；搴统善钒逦⒂^織構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)分析，使用蔡司光學(xué)顯微鏡對(duì)冷軋板進(jìn)行金相組織觀察，最后將成品板沿橫向和縱向切成30 mm×300 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，使用MPG200D 測(cè)量?jī)x的愛(ài)潑斯坦方圈檢測(cè)硅鋼片磁性能，包括磁感B50（5000 A/m磁場(chǎng)下磁感應(yīng)強(qiáng)度）、鐵損P1.5/50（50 Hz 頻率、1.5 T 磁感下的鐵損）、鐵損P1.5/50（50 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）、 鐵損P1.0/100（100 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）、鐵損P1.0/200（200 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）和P1.0/400（400 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 所示為?；鍌?cè)面的EBSD 取向成像，由圖1 可見(jiàn)?；逡呀?jīng)基本完成再結(jié)晶，僅在心部存在少量的變形組織， 主要是由于?；瘻囟绕臀催_(dá)到各區(qū)域晶粒長(zhǎng)大即再結(jié)晶所需能量[12]。表層組織為細(xì)小的等軸晶，心部則表現(xiàn)為不均勻狀態(tài)的晶粒組織，呈現(xiàn)出一定的尺寸梯度，EBSD 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)?；宓钠骄Я３叽鐬?0 μm。 從圖1（b）?；宓膡200}極圖和圖1（c）φ2=45°截面ODF 圖可以看出，此時(shí)的織構(gòu)較為弱化，主要存在的織構(gòu)組分為{100}011 立方織構(gòu)。

冷軋的目的是獲得所需要的板型和板厚，圖2 所示為不同厚度冷軋板的側(cè)面金相組織圖， 隨著冷軋的進(jìn)行， 晶粒沿軋制方向被拉長(zhǎng)。 當(dāng)?；謇滠堉?.5 mm時(shí)，觀察到冷軋板內(nèi)出現(xiàn)了較多的剪切帶，S C Paolinelli等[13-14]認(rèn)為硅鋼中剪切帶對(duì)后續(xù)退火過(guò)程中立方取向和高斯取向晶粒的形核有促進(jìn)作用，當(dāng)冷軋壓下率繼續(xù)增加時(shí)，晶粒變形更明顯，且進(jìn)一步被拉長(zhǎng)，冷軋板中的剪切帶逐漸減少，此時(shí)冷軋板內(nèi)的結(jié)構(gòu)主要是與軋制方向平行的帶狀組織，即典型的纖維狀晶粒組織結(jié)構(gòu)。

不同厚度的冷軋板經(jīng)再結(jié)晶退火處理后，在960 ℃下退火時(shí)均發(fā)生了完全再結(jié)晶， 成品板金相組織見(jiàn)圖3 所示。圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）為不同厚度成品板的金相組織照片， 無(wú)取向電工鋼的組織均為鐵素體，并結(jié)合圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）成品板側(cè)面的IPF圖， 使用EBSD 統(tǒng)計(jì)0.5、0.35 mm 和0.35 mm 成品退火板的平均晶粒尺寸為86.8、85.8 μm 和85.1 μm，方差分別為37.6、42.7 和43.4。 隨著冷軋壓下率增加，平均晶粒尺寸基本無(wú)變化，組織的均勻性略有降低。

圖1 ?；鍌?cè)面的EBSD 取向成像Fig. 1 EBSD maping on the side of normalized sheet

圖2 冷軋板金相組織Fig. 2 Optical microstructure of cold rolled sheets

圖3 成品板金相組織Fig. 3 Optical microstructure of final sheets

從圖4（d）、圖4（e）、圖4（f）對(duì)應(yīng)的φ2=45°截面ODF 圖中可以看出，再結(jié)晶退火后，不同厚度下的成品板中含有的織構(gòu)是較為典型的γ 織構(gòu)、λ 織構(gòu)和大壓下退火后得到的α* 織構(gòu)，其中主導(dǎo)織構(gòu)是γ 織構(gòu)和α* 織構(gòu)，小部分存在的α 織構(gòu)強(qiáng)度較弱。 且隨著厚度的減薄，再結(jié)晶織構(gòu)呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)，主要是由于γ 織構(gòu)和α*織構(gòu)在不斷增強(qiáng)。

圖4 0.5 mm、0.35 mm 和0.3 mm 厚成品板的EBSD 取向成像Fig. 4 EBSD maping of 0.5 mm, 0.35 mm and 0.3 mm thick final sheets

圖5 成品板取向線上的密度分布Fig. 5 Density distribution on the orientation line of the final sheets

圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）為λ 取向線、λ 取向線和α*取向線密度分布圖。 其中γ 取向線的密度峰值在{111}<112>織構(gòu)上， 即成品板中的γ 織構(gòu)主要以{111}<112>再結(jié)晶織構(gòu)為主，隨著厚度的減薄密度線出現(xiàn)了上升的趨勢(shì)。α*取向線也出現(xiàn)了上升，且密度峰值介于{111}<231>和{112}<241>織構(gòu)之間。 而λ 織構(gòu)則出現(xiàn)了減弱，密度峰值主要是集中在{100}<012>織構(gòu)上。

從圖5（d）{111}和{111}面織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)占比情況來(lái)看，0.5、0.35、0.30 mm 下{111}面織構(gòu)所占的體積分?jǐn)?shù)分別為44.8%、46.3%、50.4%，{100} 面織構(gòu)所占的體積分?jǐn)?shù)為25.3%、24.7%、23.3%。

利用單片檢測(cè)儀測(cè)得成品退火板磁性能，結(jié)果如表2 所列。隨著成品板厚度的減薄，磁感應(yīng)強(qiáng)度值B50出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，鐵損值也隨著降低，且在高頻下鐵損值降低的更明顯。

表2 成品退火板磁性能Table 2 Magnetic properties of final annealed sheets

3 分析與討論

3.1 成品板厚對(duì)磁性能的影響

無(wú)取向電工鋼的磁性能指標(biāo)包括磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵芯損耗，根據(jù)Bertotti 提出的經(jīng)典的鐵損分離理論[3,15]，硅鋼的總鐵損（Pt）由磁滯損耗（Ph）、渦流損耗（Pe）和反常損耗（Pa）3 個(gè)部分組成，即Pt=Ph+Pe+Pa。一般情況下主要考慮磁滯鐵損（Ph）和渦流鐵損（Pe），在圖6 中行分離出了不同厚度和不同頻率下相應(yīng)的磁滯鐵損和渦流鐵損。

圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）、圖6（d）為成品退火板在磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.0 T 和頻率為50、100、200 Hz 和400 Hz 時(shí)鐵損的變化情況。 鐵損分離結(jié)果表明，隨著厚度減薄，磁滯損耗占總鐵損的比重不斷升高，渦流鐵損所占比重不斷降低； 而隨著工作頻率的增高，渦流損耗占總鐵損的比重則出現(xiàn)上升的情況，最低鐵損有向更薄厚度變化的趨勢(shì)。

圖6 不同頻率下的鐵損值隨著成品板厚度的變化Fig. 6 Variation of iron loss value with the thickness of final sheet at different frequencies

分析鐵芯損耗降低的原因，根據(jù)麥克斯韋方程導(dǎo)出的渦流損耗的經(jīng)典表達(dá)式：

式（1）中t 是成品板的厚度；f 是頻率；Bmax是最大磁通密度；ρ 是電阻率；γ 是材料的密度， 一般高牌號(hào)的硅鋼密度為c=7.5 g/cm3；k 是波形系數(shù)， 對(duì)于正弦波形，k的值為1.11。 從渦流損耗分析，厚度t 和頻率f 與渦流鐵損成正比，隨著成品板的厚度t 的減小，在同一頻率下，其渦流鐵損均在相應(yīng)的減小；但隨著頻率f 的增加，渦流鐵損則表現(xiàn)為增加，這與成品板磁性能的檢測(cè)也是相一致的，因此在高頻下鐵損值的降低更為明顯，減薄成品板厚能夠有效降低鐵損。

3.2 成品板組織和織構(gòu)對(duì)磁性能的影響

成品板的鐵芯損耗在晶粒尺寸一定時(shí)，影響鐵損的主要因素是成品板厚度。 隨著厚度的減薄，晶粒尺寸基本不變，因此對(duì)鐵損的影響不大，總鐵損出現(xiàn)顯著下降的原因是由于渦流損耗隨著厚度減薄急劇降低。 厚度從0.5 mm 降低到0.3 mm 時(shí)，組織均勻性出現(xiàn)降低相對(duì)會(huì)增加一定的鐵芯損耗，但厚度減薄導(dǎo)致渦流損耗降低仍占據(jù)著主導(dǎo)作用，因此整體鐵芯損耗呈下降趨勢(shì)。 一般來(lái)說(shuō)，冷軋壓下率應(yīng)控制在70%～80%，當(dāng)冷軋壓下率出現(xiàn)過(guò)大時(shí)，會(huì)使成品板的晶粒小、鐵損升高、磁感降低[16]。

而對(duì)磁性能指標(biāo)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響因素主要考慮的是晶體織構(gòu)。無(wú)取向電工鋼在退火過(guò)程中發(fā)生的再結(jié)晶過(guò)程一般包括再結(jié)晶晶核的形成以及后續(xù)的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，再結(jié)晶初期新晶核的形成以及哪些特殊取向的晶核能夠長(zhǎng)大能夠直接決定成品板中的再結(jié)晶織構(gòu)類(lèi)型[17-18]。 在不同的壓下率冷軋并退火后，所得成品板中所含的織構(gòu)類(lèi)型均主要為γ 和α* 織構(gòu)，說(shuō)明在960 ℃退火溫度下發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，以γ 取向晶粒和α*取向晶粒形核長(zhǎng)大為主。

在高牌號(hào)無(wú)取向電工鋼的成品板中，對(duì)磁性能不利的{111}再結(jié)晶晶粒通常來(lái)自形變基體中的{111}取向晶粒內(nèi)的切變帶上或者初始晶界處的附近[19-20]，而關(guān)于{111}再結(jié)晶織構(gòu)的發(fā)展，Hutchinson 等[21]認(rèn)為是由于尺寸優(yōu)勢(shì)造成的原因。 變形量越大時(shí)切邊帶則越多， 則更有利于γ 纖維織構(gòu)的增強(qiáng)和后續(xù){111}取向晶粒的形核。因此隨著冷軋壓下率的增加， 成品板中的γ 織構(gòu)也在不斷增加，{111}取向晶粒在長(zhǎng)大過(guò)程中也更容易吞并部分{100}取向晶粒。

影響磁感應(yīng)強(qiáng)度B50的主要因素是織構(gòu)類(lèi)型，將Rt稱(chēng)為有利織構(gòu){100}所占體積分?jǐn)?shù)和有害織構(gòu){111}所占體積分?jǐn)?shù)之比，如圖7 所示。 結(jié)果表明隨著厚度的減薄，有利織構(gòu)和有害織構(gòu)比Rt值為0.56、0.53 和0.46，處于不斷降低的趨勢(shì)。 有利織構(gòu)不斷降低，有害織構(gòu)不斷增加，導(dǎo)致此時(shí)磁化越來(lái)越困難，這也是造成磁感應(yīng)強(qiáng)度B 降低的主要原因。

圖7 不同厚度下成品板的Rt 值Fig. 7 Rt value of final sheet under different thickness

4 結(jié) 論

1） 隨著成品厚度減薄，總鐵損不斷降低，尤其在高頻下更為明顯， 這是因?yàn)楦哳l下渦流損耗占主導(dǎo)；同時(shí)渦流損耗占總鐵損的比重也隨著成品厚度減薄而不斷降低，減薄厚度能有效降低鐵損。

2） 隨著成品厚度減薄，平均晶粒尺寸略有減小，組織均勻性變差，但厚度減薄導(dǎo)致的渦流損耗降低仍占據(jù)著主導(dǎo)作用，總的鐵芯損耗出現(xiàn)下降。

3） 隨著成品厚度減薄，γ織構(gòu)和α* 織構(gòu)不斷增強(qiáng)，λ 織構(gòu)逐漸減弱； 有利織構(gòu)和有害織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)的比值Rt逐漸減小，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B50也隨之降低。