Nb含量對(duì)取向硅鋼第二相粒子和性能的影響

汪 勇，黃羅翼，李光強(qiáng),2，朱誠(chéng)意,2

(1. 武漢科技大學(xué)耐火材料與冶金省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081；2. 武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081)

取向硅鋼作為一種重要的軟磁材料，具有高磁感、低鐵損等特性，被廣泛用于制造變壓器鐵芯[1-2]。取向硅鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵核心在于如何通過二次再結(jié)晶獲得鋒銳的Goss織構(gòu){110}<001>，其中細(xì)小、彌散分布的第二相粒子(抑制劑)在取向硅鋼制備中發(fā)揮著重要作用。這些抑制劑不僅可以抑制初次再結(jié)晶晶粒的正常長(zhǎng)大，還能在高溫退火過程中促進(jìn)Goss晶粒異常長(zhǎng)大，進(jìn)而獲得完善的二次再結(jié)晶組織[3-4]。然而，取向硅鋼的生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，不但制造工序長(zhǎng)(主要生產(chǎn)流程包括精煉、連鑄、鑄坯再加熱、熱軋、常化、冷軋和退火等)，而且對(duì)鋼的成分、組織和織構(gòu)的控制十分嚴(yán)格，各工藝段均會(huì)對(duì)取向硅鋼的組織和織構(gòu)產(chǎn)生影響，最終影響成品板的磁性能[5-6]。目前，工業(yè)生產(chǎn)取向硅鋼所使用的抑制劑主要為AlN和MnS[7]。為獲得細(xì)小、彌散分布的抑制劑，生產(chǎn)中通常將鑄坯加熱至1350 ℃甚至更高，并且保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，以確保大顆粒粒子能充分固溶，隨后在熱軋或?；A段重新析出。由此引發(fā)了許多問題，如成材率低、產(chǎn)品表面缺陷增多、能耗大、生產(chǎn)成本高等[8-9]。因此，開發(fā)新型抑制劑或優(yōu)化現(xiàn)有抑制劑體系，探索新的低溫生產(chǎn)工藝，成為當(dāng)今取向硅鋼生產(chǎn)需要解決的重要課題之一。

研究顯示，Nb作為強(qiáng)C、N化物形成元素，適量Nb能與鋼鐵中C、N元素形成細(xì)小Nb(C,N)第二相粒子，其固溶溫度相對(duì)較低，有望實(shí)現(xiàn)較低的板坯再加熱溫度，從而提高取向硅鋼板成品率及降低生產(chǎn)成本[10]。張穎等[11]研究發(fā)現(xiàn)，析出的Nb(C,N)粒子均勻細(xì)小，粗化速率低，抑制作用強(qiáng)，具有作為取向硅鋼抑制劑的一般特性。Hulka等[12]將以Nb(C,N)為主要抑制劑生產(chǎn)的取向硅鋼與以MnS、AlN為主要抑制劑得到的取向硅鋼進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，含Nb熱軋板中Goss織構(gòu)含量更多，且最終成品鐵損更低，但其研究所用的取向硅鋼中Nb含量高達(dá)0.090%，板坯加熱溫度達(dá)1350 ℃，而且未考慮含Nb夾雜物對(duì)鋼澆注和加工性能的影響。此外，有研究報(bào)道，含0.009%Nb取向硅鋼中NbC和NbN的完全固溶溫度分別為1210 ℃和1241 ℃，低于傳統(tǒng)抑制劑AlN+MnS的固溶溫度1400 ℃[13]。Feng等[14-15]對(duì)含Nb取向硅鋼中Nb(C,N)的析出行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明，隨著Nb含量的增加，Nb(C,N)的析出溫度顯著提高，Nb含量提高對(duì)MnS的析出行為沒有影響，但可以降低AlN的開始析出溫度。另外，合適Nb含量可以降低板坯加熱溫度，過量Nb則會(huì)惡化成品板磁性能，這是因?yàn)檫^多的Nb會(huì)提高Nb(C,N)的開始析出溫度，Nb(C,N)在鑄坯再加熱過程中難以完全固溶，不能得到細(xì)小、彌散分布的抑制劑。對(duì)于含0.045%Nb的取向硅鋼，當(dāng)板坯再加熱溫度為1220 ℃時(shí)，高溫退火后能夠發(fā)生完善的二次再結(jié)晶，對(duì)應(yīng)的B800=1.88 T，P1.7/50=1.31 W/kg[15]，F(xiàn)ang等[16]研究中也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。然而Wang等[17]研究顯示，含0.061%Nb取向硅鋼經(jīng)高溫退火后，磁性能較差，B800僅為1.48～1.50 T，這是因?yàn)镹b(C,N)粒子的抑制能力太強(qiáng)，使得初次再結(jié)晶板中Goss織構(gòu)含量低，高溫退火過程缺少異常長(zhǎng)大的Goss晶粒。Gao等[18]研究發(fā)現(xiàn)，添加0.005%Nb能得到性能較好的取向硅鋼，但其僅對(duì)脫碳退火過程進(jìn)行了探索。由此看來，對(duì)于含Nb取向硅鋼而言，合適的Nb含量以及相應(yīng)的加工工藝參數(shù)確定還有待進(jìn)一步研究；此外，由于取向硅鋼中Si含量較高，材料強(qiáng)度和硬度增加，塑性下降，冷軋時(shí)變形抗力較大，生產(chǎn)過程中易發(fā)生斷帶，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏[19]，研究顯示，Nb能顯著提高無取向硅鋼的強(qiáng)度[20-21]，而有關(guān)Nb含量對(duì)取向硅鋼力學(xué)性能的影響卻報(bào)道較少。

筆者在研究含Nb取向硅鋼過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Nb含量為0.050%時(shí)，鋼中含Nb抑制劑過多，使得初次再結(jié)晶晶粒過于細(xì)小，高溫退火后不能發(fā)生完善的二次再結(jié)晶，導(dǎo)致成品鋼磁性能下降[22]。考慮到Nb的析出特性及作為合金添加的成本因素，本研究采用Nb微合金化設(shè)計(jì)理念，在取向硅鋼中加入不同含量Nb作為輔助抑制劑，Nb含量控制在0～0.025%，系統(tǒng)研究了鋼中第二相粒子的形貌、尺寸及分布情況，分析了Nb含量對(duì)取向硅鋼組織、織構(gòu)、力學(xué)性能及磁性能的影響，以期為工業(yè)化生產(chǎn)低成本、高品質(zhì)低溫取向硅鋼提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本研究共設(shè)計(jì)了3種不同Nb含量的取向硅鋼，冶煉均在100 kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行，得到各鑄坯的主要化學(xué)成分如表1所示。將鑄坯加熱至1180 ℃后保溫90 min，然后熱軋至2.3 mm厚，開軋溫度和終軋溫度依次為1000、940 ℃；隨后，采用1140 ℃+ 930 ℃兩段式?；に噷?duì)熱軋板進(jìn)行?；幚恚鰻t后的板坯在850 ℃以上進(jìn)行淬沸水處理，其中在高溫段保溫50 s、在低溫段保溫120 s，并利用沸水水冷。在四輥精軋機(jī)上采用一次大壓下率冷軋法將?；謇滠堉?.23 mm，隨后將冷軋板加熱至840 ℃，脫碳退火200 s，氣氛比例控制為V(H2)∶V(N2)=55∶45，水氫比P(H2O)∶P(H2)=0.27；將脫碳板加熱至800 ℃滲氮處理60 s，均勻地涂抹上MgO溶液后進(jìn)行高溫退火處理，升溫速率為20 ℃/h，該階段V(H2)∶V(N2)=1∶3，待溫度達(dá)到1200 ℃后，將氣氛切換為純H2，保溫10 h進(jìn)行凈化處理。

表1 實(shí)驗(yàn)用取向硅鋼化學(xué)成分 (wB/%)

對(duì)于鋼中大尺寸第二相粒子(尺寸大于200 nm的夾雜物)，首先對(duì)試樣進(jìn)行非水溶液電解處理，采用Nova 400 Nano 型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)鋼基體中夾雜物進(jìn)行觀察分析，每個(gè)試樣在2000倍下連續(xù)拍攝30個(gè)視場(chǎng)，用Image-Pro Plus 6.0軟件對(duì)夾雜物尺寸分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；對(duì)于小尺寸第二相粒子(尺寸小于200 nm的析出物)，利用碳膜萃取復(fù)型技術(shù)提取鋼中析出物，采用JEM-2100型透射電鏡(TEM)結(jié)合能譜儀(EDS)對(duì)析出物的形貌和成分進(jìn)行表征，每個(gè)試樣在20 000倍率下連續(xù)拍攝100個(gè)視場(chǎng)，利用Image-Pro Plus 6.0軟件對(duì)析出物的尺寸、分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

將鑄坯加工成如圖1所示的微拉伸試樣(非標(biāo)試樣)，微拉伸實(shí)驗(yàn)在Instron 3382電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為2 mm/min，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用SEM觀察拉伸斷口形貌。采用線切割手段從滲氮板中截取尺寸為10 mm×7 mm(RD×TD)的試樣，振動(dòng)拋光處理后，利用Apreo S Hivac型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)滲氮板縱截面(RD×ND)進(jìn)行觀察，分析其微觀組織及織構(gòu)類型。

圖1 微拉伸試樣示意圖

高溫退火板經(jīng)過酸性處理后，利用線切割截取尺寸為300 mm×30 mm(RD×TD)的試樣并稱重，利用MPG-100D磁性測(cè)量?jī)x測(cè)量其磁性能，在1.7 T、50 Hz的磁場(chǎng)下測(cè)定試樣的鐵損P1.7/50，在磁場(chǎng)強(qiáng)度800 A/m條件下測(cè)取試樣的磁感應(yīng)強(qiáng)度B800。

2 結(jié)果與討論

2.1 取向硅鋼鑄坯中夾雜物以及材料力學(xué)性能

圖2為不同Nb含量鑄坯中夾雜物形貌及EDS面掃描分析結(jié)果。結(jié)合圖2分析可知，鑄坯中夾雜物主要有4類,無Nb鑄坯樣中主要夾雜物為Al2O3(圖2(a))和Al2O3-MnS復(fù)合夾雜(圖2(b))，除以上兩種外，含Nb鑄坯樣中還發(fā)現(xiàn)了Al2O3-Nb(C,N)復(fù)合夾雜(圖2(c))以及單獨(dú)的Nb(C,N)(圖2(d))，可以看出，鑄坯中復(fù)合夾雜物基本上都以Al2O3為核心，這是因?yàn)锳l2O3的固溶溫度高，在煉鋼過程中已形成[23]，沒來得及上浮被渣吸收的Al2O3保留在鋼液中，而MnS、Nb(C,N)的固溶溫度較低，一般在鋼液凝固和降溫過程中析出，根據(jù)經(jīng)典形核理論，后析出的粒子容易以已存在的粒子為核心析出長(zhǎng)大。

(a) Nb-free鋼 (b) 0.009%Nb鋼 (c) 0.025%Nb鋼

圖3為不同Nb含量鑄坯中單位面積的夾雜物數(shù)量和尺寸分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出，鑄坯中夾雜物尺寸主要分布在0.5～1.0 μm之間，尺寸在0.2～0.5 μm范圍的夾雜物數(shù)量最少；隨著鋼中Nb含量的增加，尺寸分布在0.5～1.0 μm范圍的夾雜物數(shù)量明顯減少，與無Nb鑄坯相比，0.009%Nb和0.025%Nb鑄坯試樣中該尺寸范圍的析出相數(shù)密度降幅分別為70.1%和82.3%；此外，鑄坯中大尺寸(尺寸大于2 μm)夾雜物數(shù)量隨著Nb含量的增加也明顯減少，數(shù)密度降幅依次為48.2%和80.8%。

(a)Al2O3

(b) Al2O3+MnS

(c)Al2O3+Nb(C,N)

(d)Nb(C,N)

圖3 鑄坯中夾雜物尺寸分布

圖4為不同Nb含量鑄坯試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的具體數(shù)值列于表2中。結(jié)合圖4和表2可知，無Nb鑄坯樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，隨著Nb含量的增加，鑄坯試樣的常溫力學(xué)性能顯著提升，當(dāng)Nb含量為0.025%時(shí)，鑄坯的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最高。圖5為鑄坯微拉伸樣的斷口形貌，可以看出，試樣斷口主要呈河流狀解離斷裂形貌，表現(xiàn)為脆性斷裂[24]。

圖4 鑄坯試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2中還列出了不同Nb含量鑄坯中夾雜物數(shù)密度及夾雜物平均尺寸，可以看出，隨著Nb含量的增加，雖然夾雜物平均尺寸變化不大，均在1.1～1.2 μm范圍，但鋼中夾雜物數(shù)密度急劇減小，并且0.025%Nb鑄坯中大尺寸夾雜物數(shù)量最少(如圖3所示)。一般而言，夾雜物附近區(qū)域易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響材料的連續(xù)性，夾雜物數(shù)量越多以及尺寸越大，裂紋產(chǎn)生的幾率越高[25]。由此看來，隨著Nb含量的增加，取向硅鋼中夾雜物數(shù)量減少，鋼中產(chǎn)生裂紋的可能性減小，這將有利于熱軋、冷軋等加工工序的順利進(jìn)行；同時(shí)，鑄坯力學(xué)性能隨著鋼中Nb含量的增加而提升明顯，鑄坯樣的最大應(yīng)變也隨之增加，這有利于高強(qiáng)度取向硅鋼的生產(chǎn)與加工。

表2 鑄坯的力學(xué)性能和夾雜物定量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 Nb含量對(duì)取向硅鋼二次再結(jié)晶的影響

圖6為不同Nb含量取向硅鋼高溫退火后的宏觀組織，可以觀察到，所有試樣均發(fā)生了一定程度的二次再結(jié)晶，無Nb試樣的二次再結(jié)晶不完全，還存在許多小晶粒，隨著Nb含量的增加，鋼樣二次再結(jié)晶完成度逐漸增加，其中0.009%Nb試樣主要為大尺寸二次再結(jié)晶晶粒，組織較為均勻，晶粒尺寸最大可達(dá)28 mm。表3為高溫退火后試驗(yàn)鋼的磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵損值。由表3可以看出，0.009%Nb鋼樣表現(xiàn)出最優(yōu)的磁性能，磁感應(yīng)強(qiáng)度最高而鐵損最低，這與圖6中組織觀察結(jié)果相一致。

圖6 高溫退火板的宏觀組織

表3 高溫退火板的磁性能

對(duì)于取向硅鋼而言，高溫退火前，鋼中析出物、組織和織構(gòu)分布等會(huì)直接影響其二次再結(jié)晶過程，本研究主要對(duì)滲氮板中析出物、組織和織構(gòu)進(jìn)行分析。圖7列出了滲氮板中主要析出物類型，可以看出，無Nb試樣中主要的析出物為球形MnS(圖7(a))和近橢圓形的復(fù)合析出物MnS+AlN(圖7(b))；除以上兩種析出物外，含Nb試樣中還觀察到矩形Nb(C,N)及其復(fù)合析出物，即MnS+Nb(C,N)和MnS+AlN+Nb(C,N)，如圖7(c)～圖7(e)所示；此外，滲氮板中還發(fā)現(xiàn)了Si3N4+AlN復(fù)合析出物(圖7(f))，這一般是在滲氮過程中形成的。需要注意的是，由于受析出物提取方法的影響(碳萃取復(fù)型技術(shù))，圖7所示

(a)MnS (b)MnS+AlN

(c)Nb(C,N)

(d) MnS+Nb(C,N)

(e) MnS+Nb(C,N)+AlN

(f) AlN+Si3N4

的EDS面掃描分析圖中碳元素分布沒有明顯區(qū)別，此外，由于N為輕元素且含量較低，這對(duì)EDS面掃描分析結(jié)果也有一定影響。

取向硅鋼中二次再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大速率可由下式計(jì)算[26]：

(1)

式中：α為常數(shù)，M為晶界遷移力，E為晶界能，Rc為初次再結(jié)晶晶粒尺寸，R為二次再結(jié)晶晶粒尺寸，g為形狀系數(shù)，Z為釘扎力。根據(jù)式(1)，當(dāng)不考慮晶界遷移力、晶界能和釘扎力時(shí)，二次再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大速率與初次再結(jié)晶晶粒尺寸成反比，亦即初次再結(jié)晶晶粒尺寸越小，二次再結(jié)晶的長(zhǎng)大速率越大。

圖8為不同Nb含量滲氮板的組織及織構(gòu)分布，所對(duì)應(yīng)的主要織構(gòu)含量列于表4中。由圖8統(tǒng)計(jì)分析可得，Nb-free、0.009%Nb、0.025%Nb滲氮板試樣的平均晶粒尺寸依次為22.3、16.4、16.8 μm，可以看出，含Nb滲氮板試樣的平均晶粒尺寸均小于無Nb滲氮板試樣的相應(yīng)值，其中0.009%Nb滲氮板試樣的平均晶粒尺寸最小。另一方面，Goss晶粒和非Goss晶粒的異常長(zhǎng)大與二次再結(jié)晶開始溫度有關(guān)，二次再結(jié)晶開始溫度低，非Goss晶粒易優(yōu)先異常長(zhǎng)大[27]，因此，為提高高溫退火板中Goss織構(gòu)強(qiáng)度，應(yīng)提高二次再結(jié)晶的開始溫度。

表5為不同Nb含量滲氮板中析出物尺寸及數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表5可見，0.009%Nb試樣中析出物平均尺寸最小，數(shù)密度最大。有研究表明，黃銅織構(gòu)({110}<112>)和Goss織構(gòu)在高溫退火過程中均能優(yōu)先長(zhǎng)大，發(fā)生二次再結(jié)晶，這是因?yàn)辄S銅織構(gòu)和Goss織構(gòu)均有平行于軋面的{110}面，在H2氣氛中{110}面具有表面能優(yōu)勢(shì)[28]。高溫退火過程中，黃銅織構(gòu)可能會(huì)與Goss織構(gòu)競(jìng)爭(zhēng)并優(yōu)先異常長(zhǎng)大，而黃銅取向晶粒在軋向<112>方向?yàn)榉且状呕较?，這會(huì)損害成品板的磁性能。冷軋時(shí)黃銅取向會(huì)轉(zhuǎn)向{111}<110>取向，若高溫退火前鋼中有較多黃銅取向晶粒和{111}<110>取向晶粒，就有可能造成黃銅取向晶粒在二次再結(jié)晶后保留下來。

表5 滲氮板中析出物的平均尺寸和數(shù)量密度

結(jié)合圖8和表4可知，隨著鋼中Nb含量的增加，滲氮板中Goss織構(gòu)占比變化不大，但{110}<112>織構(gòu)和{111}<110>織構(gòu)含量均降低。對(duì)于取向硅鋼而言，{111}<112>晶粒和{114}<481>晶粒均與Goss晶粒呈Σ9取向關(guān)系(沿RD軸旋轉(zhuǎn))[29]。根據(jù)CSL晶界理論，高溫退火過程中，當(dāng)Goss晶粒周圍存在大量Σ9晶界，在抑制劑粗化分解時(shí)，Σ9晶界相對(duì)其他晶界會(huì)優(yōu)先擺脫抑制劑的釘扎效應(yīng)，使Goss晶粒異常長(zhǎng)大，亦即{111}<112>織構(gòu)和{114}<481>織構(gòu)均是有利于高溫退火過程中Goss織構(gòu)異常長(zhǎng)大的織構(gòu)。隨著鋼中Nb含量的增加，{111}<112>織構(gòu)和{114}<481>織構(gòu)占比均呈降低趨勢(shì)，但0.009%Nb滲氮板中，上述兩種織構(gòu)量之和與無Nb鋼的相應(yīng)值相差不大，而0.025%Nb滲氮板中這兩種織構(gòu)占比最低。

圖8 滲氮板中主要織構(gòu)分布

表4 滲氮板中各織構(gòu)組分的含量(偏差角≤15°)

綜合以上分析，從抑制劑方面看，0.009%Nb滲氮板中析出物尺寸最小，數(shù)量最多，抑制能力最強(qiáng)，對(duì)應(yīng)的二次再結(jié)晶開始溫度最高，能有效抑制晶粒的普通長(zhǎng)大；從組織方面看，0.009%Nb滲氮板平均晶粒尺寸最小，高溫退火過程中二次再結(jié)晶長(zhǎng)大速率最大；從織構(gòu)方面看，0.009%Nb滲氮板Goss織構(gòu)占比最多，而不利于磁性能的黃銅織構(gòu)和{111}<110>織構(gòu)占比相對(duì)較小，并且能夠促進(jìn)Goss晶粒異常長(zhǎng)大的{111}<112>織構(gòu)和{114}<481>織構(gòu)占比較多。由此看來，含0.009%Nb取向硅鋼高溫退火后，易發(fā)生完善的二次再結(jié)晶，成品板能獲得優(yōu)異的磁性能。

3 結(jié)論

(1) 在取向硅鋼中添加微量Nb元素，能有效凈化鋼液，對(duì)夾雜物平均尺寸影響不大，但能顯著減少夾雜物的數(shù)量，當(dāng)鋼中Nb含量從0增加到0.025%時(shí)，鑄坯中夾雜物量密度從577.5 個(gè)/mm2減少到156.6個(gè)/mm2，并且大尺寸夾雜物(尺寸大于2 μm)數(shù)量明顯降低，有利于生產(chǎn)過程中熱軋和冷軋的順利進(jìn)行。

(2) 當(dāng)取向硅鋼中Nb含量從0增至0.025%時(shí)，鑄坯屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別由361、385 MPa增加到450、566 MPa，由此可見，Nb元素添加有利于高強(qiáng)度取向硅鋼的生產(chǎn)。

(3)當(dāng)取向硅鋼中Nb含量為0.009%時(shí)，滲氮板中析出物、組織和織構(gòu)分布最有利于Goss晶粒在高溫退火中異常長(zhǎng)大，高溫退火后，含0.009%Nb的成品取向硅鋼板發(fā)生了完善的二次再結(jié)晶，主要是大尺寸的二次再結(jié)晶晶粒，組織均勻，磁性能優(yōu)異，磁感應(yīng)強(qiáng)度B800和鐵損P1.7/50依次為1.872 T和1.252 W/kg。