高溫?；幚韺?duì)Fe- 2%Si無(wú)取向硅鋼組織和織構(gòu)的影響

晁理想 李建軍 盧林峰 江海東 徐明沁

(1.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001； 2.中國(guó)冶金科工股份有限公司 科技部，北京 100020；3.鋼鐵研究總院 連鑄技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100081； 4.常州東方特鋼有限公司煉鐵廠技術(shù)科，江蘇 常州 213151)

無(wú)取向硅鋼是一種碳含量極低的硅鐵軟磁合金，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器鐵芯和各種電訊器材上，在電力、機(jī)械和軍工等行業(yè)都有著舉足輕重的地位[1- 3]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和對(duì)能源的需求持續(xù)增長(zhǎng)，研究人員期望制備出鐵損更低、磁感應(yīng)強(qiáng)度更高的無(wú)取向硅鋼。低鐵損和高磁感應(yīng)強(qiáng)度是衡量無(wú)取向硅鋼性能的重要指標(biāo)，其影響因素有很多，如熱軋板的組織狀態(tài)[4]、中間退火[5]、析出相[6]、合金元素[7]等。由于組織的遺傳性，初始熱軋板的狀態(tài)對(duì)無(wú)取向硅鋼的性能有很大影響，而?；幚硎莾?yōu)化硅鋼熱軋組織、改善其磁性能的重要工藝之一[8- 11]。

一般認(rèn)為，?；瘻囟仍礁撸Я３叽缭酱?，在冷軋變形組織中形成的剪切帶越多，其較高的儲(chǔ)存能有利于再結(jié)晶晶粒形核長(zhǎng)大，從而提高硅鋼的磁性能[12]。同時(shí)，常化處理可以消除因鑄造過(guò)程形成的粗大柱狀晶而產(chǎn)生的瓦楞狀缺陷，改善熱軋板的組織均勻性[13]。此外，?；幚砟茱@著改善低硅和高硅含量成品板的磁性能。例如，50W470無(wú)取向硅鋼經(jīng)常化處理后，熱軋板的纖維組織消失，并且熱軋板和退火組織晶粒尺寸隨常化溫度的升高而增大，對(duì)磁性能有利的{001}和{110}織構(gòu)組分所占比例增大,并在950 ℃常化處理時(shí)達(dá)到最大值[13]。武曉龍等[14]指出，低硅含量的50W800熱軋板經(jīng)?；幚砗?，晶粒尺寸顯著增大，{111}織構(gòu)比例降低，Goss織構(gòu)略有增強(qiáng)，并且900 ℃?；幚韺?duì)提高成品板的磁性能作用最顯著。同樣，Lan等[15]對(duì)Fe- 1%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)連鑄鋼條帶進(jìn)行1 060 ℃的高溫?；幚?，經(jīng)過(guò)冷軋和再結(jié)晶退火后，有利的α和λ纖維織構(gòu)增多，γ纖維織構(gòu)減少，磁感應(yīng)強(qiáng)度從未?；瘯r(shí)的1.747 T提高到常化后的1.782 T。此外，?；瘻囟葘?duì)高硅含量無(wú)取向硅鋼織構(gòu)和磁性能的影響有著相同的規(guī)律[16]，即隨著常化溫度的提高，有利織構(gòu)逐漸增多，鐵損降低、磁感提高，并且在1 000 ℃高溫?；蟠判阅苓_(dá)到最佳。以上研究表明，高溫常化處理更有利于對(duì)磁性能有利的織構(gòu)形成，而眾多研究中的常化溫度并未超過(guò)1 110 ℃，因此有必要探索更高的?；瘻囟炔⒀芯科鋵?duì)無(wú)取向硅鋼組織和織構(gòu)的影響。

本文通過(guò)對(duì)熱軋F(tuán)e- 2%Si無(wú)取向硅鋼板進(jìn)行?；⒗滠埡驮俳Y(jié)晶退火處理，研究了1 150 ℃高溫?；幚?發(fā)生部分奧氏體相變)對(duì)無(wú)取向硅鋼組織和織構(gòu)的影響，并與未?；暹M(jìn)行對(duì)比，探索了高溫?；幚砀纳朴欣棙?gòu)的原因，這有助于獲得對(duì)磁性能更有利的織構(gòu)和組織。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為熱軋F(tuán)e- 2%Si無(wú)取向硅鋼板，厚度為2.5 mm，其化學(xué)成分如表1所示。在熱軋板上取若干片60 mm×30 mm×2.5 mm試樣，進(jìn)行真空?；幚恚訜釡囟葹? 150 ℃，保溫時(shí)間為10 min，加熱設(shè)備采用合肥科晶的GSL- 1700X型管式爐。利用MSK- 5070- AC型冷軋機(jī)對(duì)?；臀闯；幚淼匿摪暹M(jìn)行多道次軋制，壓下量為80%，軋至0.5 mm厚。隨后進(jìn)行再結(jié)晶退火，加熱溫度為850 ℃，保溫時(shí)間為5 min，隨爐冷卻。?；幚砉に囀疽鈭D如圖1所示。在未常化和常化及其冷軋和退火試樣上分別取10 mm×5 mm×0.5 mm的片狀試樣，對(duì)其厚度方向截面進(jìn)行磨拋后，再用體積分?jǐn)?shù)為5%的硝酸酒精溶液腐蝕，利用蔡司金相顯微鏡觀察其組織形貌。使用Philip PW3040/60型X射線衍射儀(X- ray diffractometer, XRD)測(cè)定宏觀織構(gòu)，采用Co- Kα輻射，通過(guò)測(cè)量試樣的{110}、{200}和{112} 3個(gè)不完整極圖并計(jì)算取向分布函數(shù)(orientation distribution function, ODF)，最大系列展開(kāi)項(xiàng)Lmax=22。

表1 熱軋F(tuán)e- 2%Si無(wú)取向硅鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the hot- rolled Fe- 2%Si non- oriented silicon steel plate (mass fraction) %

圖1 ?；^(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the normalizing process

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常化處理對(duì)顯微組織的影響

圖2為熱軋F(tuán)e- 2%Si無(wú)取向硅鋼板經(jīng)不同工藝處理后的顯微組織，均由鐵素體組成。圖2(a)為未常化熱軋板組織，其表面區(qū)域的晶粒尺寸小于中心區(qū)域，且中心區(qū)域晶粒有被拉長(zhǎng)的特征，這是熱軋過(guò)程中中心區(qū)域所受軋制變形程度較表面低及晶粒未完全回復(fù)所致。在熱軋過(guò)程中，鋼板的表面和心部組織因應(yīng)變方式不同而有所差異[17]。熱軋板表面發(fā)生切應(yīng)變，大的形變儲(chǔ)存能促使再結(jié)晶優(yōu)先發(fā)生；而熱軋板心部發(fā)生壓應(yīng)變，較小的形變儲(chǔ)存能未能提供充足的回復(fù)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力，導(dǎo)致心部晶粒被拉長(zhǎng)。圖2(b)為?；療彳埌褰M織，可見(jiàn)經(jīng)1 150 ℃常化處理后，晶粒顯著長(zhǎng)大，尺寸為500 μm左右，相比未常化熱軋板晶粒尺寸大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這種晶粒組織特征被保留至隨后的冷軋組織中。

圖2(c)和圖2(d)分別為未常化和?；摪褰?jīng)80%壓下量冷軋后的顯微組織，均包含細(xì)長(zhǎng)變形的輕蝕晶粒和嚴(yán)重變形的深蝕晶粒。冷軋后出現(xiàn)明顯的剪切帶，該條帶為金屬和合金受到嚴(yán)重變形時(shí)的應(yīng)變不均勻和局部塑性不穩(wěn)定造成的局部變形區(qū)域[18- 19]，其中未?；摪宓募羟袔л^為細(xì)小，?；摪宓妮^寬。受原始組織影響，在冷軋變形過(guò)程中，晶粒被拉長(zhǎng)且在晶粒內(nèi)部形成纖維組織。晶粒越粗大，形成的纖維組織越多，并集中變形成較寬的剪切帶。

圖2(e)和圖2(f)分別為未?；统；摪謇滠埡驮俳Y(jié)晶退火后的顯微組織?？梢?jiàn)經(jīng)過(guò)再結(jié)晶退火的鋼板均發(fā)生了完全再結(jié)晶，且?；摪宓木Я８哟执?。熱軋板經(jīng)?；幚砗螅Я３叽顼@著增大，進(jìn)而在冷軋變形過(guò)程中具有較低的形變儲(chǔ)存能，從而導(dǎo)致退火再結(jié)晶形核驅(qū)動(dòng)力減小，再結(jié)晶形核率降低[15]。此外，再結(jié)晶形核率還與原始晶界數(shù)量正相關(guān)，晶粒較粗大的熱軋板冷軋后，由于可供新晶粒形核的原始晶界位置較少，再結(jié)晶形核率較低。因此，原始晶粒粗大的特征決定了后續(xù)加工處理的晶粒大小，相比于未?；摪?，常化鋼板的大晶粒降低了退火后再結(jié)晶形核率，最終形成較粗大的晶粒。

圖2 熱軋F(tuán)e- 2%Si無(wú)取向硅鋼板經(jīng)不同工藝處理后的顯微組織Fig.2 Microstructures of the hot- rolled Fe- 2%Si non- oriented silicon steel plate treated by different procedures

由以上分析可知，F(xiàn)e- 2%Si無(wú)取向硅鋼板經(jīng)過(guò)常化處理后，晶粒尺寸顯著增大，且該特征持續(xù)保留至冷軋和退火再結(jié)晶組織中，晶粒形核及晶界遷移改變了晶粒原有的取向，對(duì)織構(gòu)將產(chǎn)生較大影響。

2.2 常化處理對(duì)退火織構(gòu)的影響

圖3和圖4為熱軋板和1 150 ℃?；褰?jīng)冷軋退火后的恒φ2=45° ODF截面圖和取向線的取向密度分布圖?？梢钥闯?，熱軋板直接冷軋退火，對(duì)應(yīng)成品板的織構(gòu)主要為較強(qiáng)且不均勻的γ纖維織構(gòu)，α和λ纖維織構(gòu)強(qiáng)度較弱且相對(duì)均勻，高斯織構(gòu){110}<001>不明顯。1 150 ℃?；瘜?duì)應(yīng)成品板的γ纖維織構(gòu)明顯減弱，{100}<012>和{100}<001> λ纖維織構(gòu)顯著增強(qiáng)，并且高斯織構(gòu){110}<001>變得明顯。

圖3 熱軋板(a)和?；?b)經(jīng)冷軋退火后的恒φ2=45° ODF截面圖Fig.3 ODFs constant sections of φ2=45° for the hot- rolled plate(a)and the normalized plate(b) after cold rolling and annealing

圖4 冷軋退火后的熱軋板和?；逖卅?a)、α(b)和λ(c)取向線的取向密度分布Fig.4 Orientation density distributions along γ(a)，α(b) and λ(c) orientation lines of the hot- rolled plate and the normalized plate after cold rolling and annealing

由于組織的遺傳性，冷軋退火后的再結(jié)晶織構(gòu)與冷軋前的組織和織構(gòu)密切相關(guān)。纖維織構(gòu)的形核長(zhǎng)大一般在能量較高的晶界或剪切帶附近，其中{111}位相織構(gòu)優(yōu)先在晶界附近形核并長(zhǎng)大，而高斯織構(gòu){110}<001>在晶內(nèi)剪切帶處形核并長(zhǎng)大。未常化的熱軋板經(jīng)冷軋后，保留了大量的熱軋?jiān)季Ы?，一方面晶界附近?yán)重變形引起晶界移動(dòng)而形成高遷移率和大角度晶界，另一方面變形晶界附近具有高的儲(chǔ)存能。因此較大的取向差和變形儲(chǔ)能有利于γ纖維再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致未?；善钒逯笑美w維織構(gòu)增多。

熱軋板經(jīng)1 150 ℃?；幚砗?，一方面，原始晶界消失，冷軋后變形晶粒附近具有較小的取向差和較低的變形儲(chǔ)能，抑制了γ纖維再結(jié)晶晶粒的形核和長(zhǎng)大；另一方面，常化后晶粒尺寸顯著增大， 該粗大組織促使冷軋γ變形晶粒中形成大量的晶內(nèi)剪切帶，有利于{110}<001>高斯織構(gòu)的形成[20- 21]，并且{110}<001>織構(gòu)的發(fā)展同樣抑制了γ再結(jié)晶織構(gòu)的發(fā)展。因此，熱軋板?；螃美w維織構(gòu)顯著減弱且高斯織構(gòu)變得明顯。

值得注意的是，經(jīng)高溫常化處理的成品板出現(xiàn)了明顯的{100}<012>和{100}<001> λ纖維織構(gòu)。這是由于應(yīng)變誘發(fā)晶界遷移，低形變儲(chǔ)存能的{100}取向晶粒通過(guò)消耗形變儲(chǔ)存能高的晶粒而生長(zhǎng)，從而促進(jìn){100}再結(jié)晶織構(gòu)的形成[22]。眾所周知，{100}面具有兩個(gè)<001>易磁化方向，且<100>方向與磁力線方向平行顯著降低了硅鋼的鐵損及提高磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此更希望形成對(duì)磁感有利的{100}<0vw>面織構(gòu)。因此，本文熱軋板經(jīng)1 150 ℃常化處理后形成的強(qiáng)烈的λ纖維織構(gòu)與冷軋后初次再結(jié)晶形成的{100}織構(gòu)有關(guān)。初次再結(jié)晶后，試樣在真空中繼續(xù)升高至1 150 ℃，原立方取向的晶粒二次再結(jié)晶，長(zhǎng)大粗化形成取向集中的{100}織構(gòu)。綜上所述，強(qiáng)烈的λ纖維織構(gòu)和減弱的γ纖維織構(gòu)將有利于Fe- 2%Si無(wú)取向硅鋼的磁性能。

3 結(jié)論

(1)熱軋板經(jīng)1 150 ℃?；幚砗?，晶粒尺寸顯著增大，冷軋后剪切帶較長(zhǎng)且寬，再結(jié)晶晶粒比未常化的稍大且相對(duì)均勻。

(2)?；逶俳Y(jié)晶織構(gòu)出現(xiàn)少量的高斯織構(gòu)，γ纖維織構(gòu)明顯減弱，α纖維織構(gòu)變化不明顯。

(3)高溫?；幚砀状龠M(jìn)強(qiáng)烈的{100}<012>和{100}<001>λ纖維織構(gòu)形成，有利于成品板磁性能的改善。