不同生產(chǎn)流程對(duì)無取向硅鋼消除應(yīng)力退火后磁性能的影響

馬文超 楊 光 李海波 李 準(zhǔn)

(寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司 武漢：430080)

寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司無取向硅鋼具備兩種流程生產(chǎn)的能力：常規(guī)煉鋼連鑄流程和CSP薄板坯連鑄連軋流程。兩種不同的工藝流程導(dǎo)致再結(jié)晶、相變以及第二相粒子析出過程、狀態(tài)和條件不同，影響了成品組織結(jié)構(gòu)和性能[1]。客戶在用硅鋼材料制造電機(jī)鐵芯時(shí)，因硅鋼片沖片、焊接產(chǎn)生的加工應(yīng)力造成硅鋼片磁性惡化，導(dǎo)致鐵芯性能不佳，因而常采取對(duì)疊裝好的鐵芯進(jìn)行消除應(yīng)力退火的方法，使鐵芯得到更好的性能。因此，用戶在對(duì)材料的使用和挑選中，不僅考慮硅鋼片出廠時(shí)的磁性能，還增加了對(duì)材料消除應(yīng)力退火后(俗稱為黑片)的磁性能要求。本文以無取向硅鋼產(chǎn)品50W470為研究對(duì)象，對(duì)常規(guī)煉鋼連鑄流程和CSP短流程生產(chǎn)的成品消除應(yīng)力退火前后的磁性能變化進(jìn)行對(duì)比，從金相組織、第二相析出物、織構(gòu)三個(gè)方面分析造成差異的原因。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)取CSP流程及常規(guī)煉鋼連鑄流程的50W470成品，生產(chǎn)流程僅在硅鋼前工序有差別。二者成分體系如表1所示，差異在于CSP相比常規(guī)煉鋼連鑄增加了Mn，并降低了Als含量，主要因?yàn)镃SP流程鑄坯中柱狀晶發(fā)達(dá)，通過加Mn增大γ相區(qū)從而使CSP熱軋過程中經(jīng)過相變促使晶粒生長，提高磁性并避免瓦楞狀缺陷的產(chǎn)生。熱軋工藝、CSP短流程終軋溫度更高。二者經(jīng)冷軋至0.50mm后在同一退火機(jī)組，采用相同的退火工藝(930℃、20～50s)的進(jìn)行退火。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%)

采用標(biāo)準(zhǔn)愛潑斯坦方圈樣進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火工藝為：樣片放入預(yù)先調(diào)整好溫度的馬弗爐，氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，750℃保溫2小時(shí)后，逐步冷卻至室溫。分析退火前后試樣的磁性能、金相組織、析出物及織構(gòu)等。為便于區(qū)分，將兩種不同流程的無取向硅鋼成品牌號(hào)標(biāo)識(shí)為50W470-H(HSM)和50W470-P(CSP)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 磁性能對(duì)比分析

成品愛潑斯坦方圈樣磁性能測(cè)試及其消除應(yīng)力退火后的黑片磁性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 磁性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)比試樣A、B與C、D的磁性測(cè)試結(jié)果，試樣C/D的磁感B50相比A/B高約50-60Gs，鐵損P1.5/50相當(dāng)。消除應(yīng)力退火后，磁感B50的變化均很微弱，但試樣A/B的鐵損P1.5/50比C/D低0.3W/kg左右。常規(guī)煉鋼連鑄成品經(jīng)消除應(yīng)力退火，其鐵損P1.5/50改善率比CSP流程高7%左右。

2.2 金相組織對(duì)比分析

成品試樣在消除應(yīng)力前(白片)、后(黑片)的金相組織如圖1所示，其晶粒尺寸如表3所示。

圖1 常規(guī)煉鋼連鑄和CSP流程生產(chǎn)50W470成品金相組織

表3 常規(guī)煉鋼連鑄和CSP流程生產(chǎn)50W470成品晶粒尺寸

由圖1和表3對(duì)比可見，常規(guī)煉鋼連鑄與CSP流程的50W470成品試樣(白片)平均晶粒尺寸相當(dāng)，都在29μm左右，而消除應(yīng)力退火后(黑片)晶粒尺寸差異較大，常規(guī)煉鋼連鑄的成品(試樣A/B)平均晶粒尺寸在37μm左右，CSP流程的成品(試樣C/D)平均晶粒尺寸約為30μm。說明在消除應(yīng)力退火后，常規(guī)煉鋼連鑄的成品晶粒明顯長大，而CSP流程成品晶粒尺寸無明顯變化，該結(jié)果與表2中磁性檢測(cè)結(jié)果相呼應(yīng)，常規(guī)煉鋼連鑄成品晶粒尺寸長大，鐵損下降。

2.3 析出物分析

析出物影響無取向硅鋼磁性能的主要原因?yàn)椋?1)析出物尺寸較小，接近疇壁尺寸，阻礙晶粒長大；(2)析出物使晶體點(diǎn)陣發(fā)生畸變，析出物周圍位錯(cuò)密度增高，引起內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致靜磁能和磁彈性能增高，磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，磁化困難，所以磁性能劣化[2]。通常認(rèn)為，尺寸1μm以下的微細(xì)析出物對(duì)硅鋼的磁性危害較大[3,5]，因?yàn)榫Ы缟系囊种屏εc析出物的體積分?jǐn)?shù)成正比，與析出物的平均半徑成反比[4]。為了研究兩種工藝流程的成品板中微細(xì)析出物，將制好的試樣按照砂紙打磨、拋光、腐蝕的流程進(jìn)行加工，利用透射電鏡和能譜儀，對(duì)試樣在20000倍和50000倍的放大倍數(shù)下采集視場(chǎng)，然后統(tǒng)計(jì)析出物的種類和尺寸，對(duì)比分析兩個(gè)工藝成品板微細(xì)析出物的構(gòu)成與分布。

常規(guī)煉鋼連鑄50W470-H成品板中僅觀測(cè)到少量CuxS析出物，如圖2所示主要為圓球形，尺寸在100-300nm之間。而CSP流程50W470-P成品板中彌散分布有大量細(xì)小析出物，如圖3所示，觀察到的析出物有：球形、橢圓的CuxS，尺寸在50-200nm之間；片狀的AlN，尺寸在50-200nm之間；圓形及不規(guī)則形狀的AlN、CuxS復(fù)合析出物，尺寸在100-200nm；橢圓、短棒狀的MnS與CuxS的復(fù)合析出物，有的短棒長400-500nm；方形和橢圓形的AlN、CuxS及MnS的復(fù)合析出物，尺寸在200-400nm之間；不規(guī)則形狀的Ti(CN)、AlN和CuxS的復(fù)合析出物，尺寸在200-400nm。

圖2 常規(guī)煉鋼連鑄成品50W470-H中析出的CuxS

圖3 CSP流程50W470-P成品中的微細(xì)析出物

對(duì)兩個(gè)不同工藝流程的成品樣片隨機(jī)選取25個(gè)視場(chǎng)，對(duì)微細(xì)析出物的種類及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表4所示，常規(guī)煉鋼連鑄50W470-H中析出物基本都為CuxS；CSP流程50W470-P中析出物(按數(shù)量比例統(tǒng)計(jì))主要有CuxS占40%左右，AlN及CuxS、AlN的復(fù)合物共占38%左右。從25個(gè)視場(chǎng)的析出物總量對(duì)比，CSP流程成品微細(xì)析出物數(shù)量是常規(guī)煉鋼連鑄的6倍左右。

表4 常規(guī)煉鋼連鑄和CSP流程生產(chǎn)50W470成品析出物數(shù)量(個(gè))

對(duì)比來看，CSP流程成品主要析出物CuxS、AlN及其復(fù)合物尺寸較常規(guī)煉鋼連鑄成品析出的CuxS尺寸更小，分布更密集，對(duì)其成品晶粒進(jìn)一步生長造成較強(qiáng)抑制作用，分析結(jié)果與章節(jié)2.2中CSP流程50W470成品消除應(yīng)力退火后晶粒沒有明顯長大、而常規(guī)煉鋼連鑄成品晶粒平均尺寸變大的結(jié)果相呼應(yīng)。

2.4 成品織構(gòu)分析

對(duì)試驗(yàn)材料采用EBSD測(cè)定取向分布函數(shù)，截取φ2= 45°的ODF圖。根據(jù)圖4、圖5的檢驗(yàn)結(jié)果, 無論是常規(guī)煉鋼連鑄還是CSP 流程生產(chǎn)的50W470，成品均表現(xiàn)出很強(qiáng)的以{111}γ纖維織構(gòu)為主的織構(gòu)特征,〈110〉 // RD的α纖維織構(gòu)及{100}〈uvw〉立方織構(gòu)較弱。圖4可見常規(guī)煉鋼連鑄流程的成品中，不利組分{111}面織構(gòu)對(duì)應(yīng)強(qiáng)度峰值分布在{111}〈110〉、{111}〈132〉、{111}〈112〉，有利組分{100}對(duì)應(yīng)強(qiáng)度峰值分布在{001}〈120〉；消除應(yīng)力退火后不利組分{111}面強(qiáng)度峰值轉(zhuǎn)移至{111}〈231〉和{111}〈011〉，{111}〈231〉取向密度最大，有利組分{001}〈120〉取向密度增強(qiáng)。圖5可見CSP流程成品中，不利組分{111}面對(duì)應(yīng)強(qiáng)度峰值分布在{111}〈121〉和{111}〈112〉，有利組分{100}對(duì)應(yīng)強(qiáng)度峰值分布在{001}〈120〉和{001}〈130〉；消除應(yīng)力退火后不利組分{111}面強(qiáng)度峰值分布在{111}〈121〉和{111}〈110〉，取向密度較之前降低，α纖維織構(gòu)中組分{112}〈110〉增強(qiáng)，{100}對(duì)應(yīng)強(qiáng)度峰值轉(zhuǎn)移至{001}〈120〉且取向密度增強(qiáng)。

圖4 50W470-H成品板的ODF圖

圖5 50W470-P成品板的ODF圖

3 討論

無論是常規(guī)煉鋼連鑄還是CSP 流程生產(chǎn)的無取向硅鋼50W470，成品均表現(xiàn)出很強(qiáng)的以γ纖維織構(gòu)為主的織構(gòu)特征, 有利組分{100}立方織構(gòu)強(qiáng)度較弱，α纖維織構(gòu)較弱，二者的組分類型基本一致。消除應(yīng)力退火后，兩種工藝的有利織構(gòu)組分有微弱增強(qiáng)，磁感強(qiáng)度有微弱提高。在成品晶粒尺寸相當(dāng)，鐵損處于相同水平的情況下，由于CSP流程生產(chǎn)的無取向硅鋼50W470析出物尺寸較常規(guī)煉鋼連鑄更小，且密集程度遠(yuǎn)大于常規(guī)煉鋼連鑄，對(duì)成品晶粒生長造成較強(qiáng)抑制作用[6]，所以經(jīng)過消除應(yīng)力退火，常規(guī)煉鋼連鑄的晶粒尺寸較CSP流程有更大幅度增長，鐵損改善率更高。

4 結(jié)論

(1)常規(guī)煉鋼連鑄生產(chǎn)的無取向硅鋼50W470，磁感B50略低于CSP流程，鐵損相當(dāng)；消除應(yīng)力退火后，二者磁感B50微弱提高，而常規(guī)煉鋼連鑄較CSP流程的成品鐵損P1.5/50有更大幅度改善。

(2)常規(guī)煉鋼連鑄生產(chǎn)的無取向硅鋼50W470成品析出物主要為CuxS；CSP流程析出物為CuxS、AlN、MnS、Ti(CN)及其復(fù)合物，其中以CuxS、AlN及二者復(fù)合物為主；CSP流程大量彌散的析出物相比常規(guī)煉鋼連鑄更細(xì)小，數(shù)量約達(dá)到常規(guī)煉鋼連鑄的6倍，對(duì)產(chǎn)品晶粒生長有較強(qiáng)的抑制作用。

(3)消除應(yīng)力退火后，兩種工藝的有利織構(gòu)組分有微弱增強(qiáng)。