鹽浴退火過程中取向硅鋼超薄帶的再結(jié)晶行為

丁 嬌，賈 涓，黃咸波，宋新莉

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢,430081)

取向硅鋼超薄帶是指厚度小于0.1 mm的取向硅鋼板，其在中高頻條件下具有優(yōu)異的磁性能，是軍工和電子工業(yè)中一種重要的軟磁材料[1]。對于取向硅鋼而言，減薄厚度有利于降低鐵損，但會導(dǎo)致退火過程中抑制劑的熟化及分解速度加劇，通過常規(guī)二次再結(jié)晶法難以制得厚度小于0.10 mm的取向硅鋼薄帶[2-3]。近年來，國內(nèi)外研究者提出了一次再結(jié)晶法、三次再結(jié)晶法、薄帶鑄軋+二次再結(jié)晶等方法來制備取向硅鋼超薄帶[4-5]，其中一次再結(jié)晶法是當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)取向硅鋼超薄帶的主要手段，該方法以成品取向硅鋼板為原料，經(jīng)過一次冷軋和一次再結(jié)晶退火，利用原始板中初始Goss晶粒在變形和再結(jié)晶過程中的遺傳性來制備取向硅鋼超薄帶[6]。目前，一次再結(jié)晶退火通常在H2或真空氛圍中進(jìn)行，并且關(guān)于初始Goss晶粒取向度[7-8]、冷軋壓下率[9-10]、軋制方式[11]、退火溫度[12-13]和升溫速率[14-16]等對制備超薄取向硅鋼過程中織構(gòu)演變規(guī)律和磁性能的影響已有大量研究報道。但在H2或真空條件下，再結(jié)晶形核和長大的速度很快，很難控制極短時間的退火，而鹽浴退火方式不僅易于控制退火時間，而且加熱速率快，保溫性和加熱均勻性好。為此，本研究以0.27 mm厚取向硅鋼成品板為原料，采用冷軋+一次再結(jié)晶法制備取向硅鋼超薄帶，退火方式為鹽浴退火，研究了780 ℃保溫不同時間后退火板中組織、織構(gòu)和磁性能的變化，分析了取向硅鋼超薄帶再結(jié)晶形核與晶粒長大過程，以期為取向硅鋼超薄帶的研發(fā)提供參考。

1 實驗材料與方法

本研究所用0.27 mm厚成品取向硅鋼板的化學(xué)成分見表1，利用四輥軋機將硅鋼板冷軋至0.08 mm，冷軋壓下率為68.0%。在冷軋板上截取若干尺寸為30 mm×30 mm×0.08 mm(RD×TD×ND，RD：軋向，TD：橫向，ND：法向)的試樣，退火在中溫鹽浴爐中進(jìn)行，熔鹽成分配比(質(zhì)量百分比)為50%NaCl+50%BaCl2。待熔鹽達(dá)到780 ℃后將試樣浸入，保溫1～270 s，將短時間(1～20 s)鹽浴退火后的試樣水冷至室溫，將長時間(180～270 s)鹽浴退火后試樣空冷至室溫。

在鹽浴退火試樣上截取尺寸為8 mm×10 mm(RD×TD)的樣片，對RD×ND面和RD×TD面進(jìn)行打磨，在室溫下用5%的高氯酸醋酸溶液對試樣進(jìn)行電解拋光，電壓為45 V，電流為0.17 A，電解時間為45 s。借助Nova Nano SEM400型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)及其配備的HKL Channel 5 EBSD系統(tǒng)對試樣進(jìn)行EBSD組織、織構(gòu)分析。利用MPG-100D型磁性能測試儀對試樣的磁性能進(jìn)行測試，檢測指標(biāo)為B8(磁場強度為800 A/m時的磁感應(yīng)強度)和P1.5/400(磁感應(yīng)強度為1.5 T、頻率為400 Hz時，單位質(zhì)量取向硅鋼的鐵芯損耗)，測試的有效區(qū)域為30 mm×30 mm(RD×TD)。

表1 成品取向電工鋼板的化學(xué)成分(wB/%)

2 實驗結(jié)果

2.1 冷軋試樣的EBSD分析

圖1所示為冷軋試樣的EBSD取向成像圖及φ2=45°時的ODF截面圖。由圖1(a)可見，冷軋試樣中有大量{111}<112>變形晶粒(藍(lán)色區(qū)域)，體積百分含量為62.65%，少量{100}取向晶粒(綠色區(qū)域)，體積百分含量為7.13%，以及極少量的{100}<011>條帶組織(紅色帶狀區(qū))，所占比例僅為1.85%。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，紅色條帶組織與基體之間為Σ3晶界，存在<111>60°取向關(guān)系，故判斷紅色條帶組織為孿晶。

圖1(b)中，極密度等高線出現(xiàn)在φ1=30°和90°、Φ=55°處，對應(yīng)的織構(gòu)組分為{111}<112>；在φ1=0°和90°、Φ=0°處聚集的極密度等高線對應(yīng)于{100}<011>旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)；此外，φ1= 90°、Φ=90°處也有極密度等高線聚集，對應(yīng)于Goss({110}<001>)晶粒。

(a) EBSD取向成像圖

(b) φ2=45°的ODF截面圖

2.2 鹽浴退火試樣的EBSD分析

2.2.1 退火等溫時間1～20 s

圖2所示為短時退火試樣的EBSD取向成像圖及晶界分布情況。由圖2可見，當(dāng)保溫時間僅為1 s時，所得到的退火組織與冷軋組織類似，主要由藍(lán)色變形組織和紅色條狀孿晶組成；保溫2 s后，退火組織中出現(xiàn)了極少量綠色等軸晶粒，主要分布在表層和變形痕跡明顯的區(qū)域；保溫4 s后，退火組織中綠色等軸晶粒數(shù)量增多，紅色形變孿晶基本沒有變化，結(jié)合圖2(b)中保溫4 s后的晶界分布情況來看，新生成的等軸晶粒與變形組織之間大都是高能晶界，紅色孿晶與變形組織間為大角度晶界；隨著保溫時間延長至8 s，退火組織中綠色等軸晶粒進(jìn)一步增多，表層基本被等軸晶粒取代，中心層還有較多的藍(lán)色變形組織；隨著保溫時間的繼續(xù)延長，退火組織中藍(lán)色變形組織逐漸減少，綠色等軸晶粒數(shù)量增加，部分紅色條狀孿晶被綠色再結(jié)晶晶粒吞并；當(dāng)保溫時間達(dá)到15 s和18 s，退火組織中還殘留少量的藍(lán)色組織和不連續(xù)的紅色孿晶組織；保溫20 s后，紅色孿晶組織消失，結(jié)合圖2(b)相應(yīng)的晶界分布可知，綠色等軸晶粒之間大都是小角度晶界，綠色晶粒與其他晶粒之間多是高能晶界或大角度晶界。這是因為隨著保溫時間的延長，退火試樣發(fā)生了再結(jié)晶，藍(lán)色和紅色的變形組織逐漸被綠色的等軸晶粒取代，再結(jié)晶首先發(fā)生在變形嚴(yán)重區(qū)和軋板表面，等軸晶粒先吞并藍(lán)色的變形組織，紅色的條狀孿晶最后被吞并。

(a)EBSD取向成像圖

(b)晶界分布圖

圖3為短時退火試樣中主要織構(gòu)組分的體積百分含量隨保溫時間的變化情況(發(fā)散角為15°)。由圖3可見，隨著保溫時間的延長，退火試樣中Goss織構(gòu)和η線織構(gòu)(<100>//RD)含量逐漸增多，且η線織構(gòu)與Goss織構(gòu)含量的差值越來越大，即非Goss的η線織構(gòu)越來越多，而以{111}<112>織構(gòu)組分為主的{111}面織構(gòu)含量逐漸減少；當(dāng)保溫時間為20 s時，Goss織構(gòu)和η線織構(gòu)的體積百分含量分別達(dá)到75.91%和80.72%，而{111}面織構(gòu)和{100}<011>立方織構(gòu)含量極少；另外，退火織構(gòu)中{100}<011>立方織構(gòu)含量較低，隨著保溫時間的延長，大致呈降低的趨勢。這與圖1和圖2的觀察結(jié)果一致，在鹽浴退火過程中，{111}<112>變形晶粒和{100}<011>晶粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐訥oss取向為主的η線織構(gòu)再結(jié)晶晶粒。

圖3 短時退火試樣中各織構(gòu)組分的體積百分含量

圖4為短時退火試樣的平均晶粒尺寸和再結(jié)晶百分比隨保溫時間的變化情況，可以看出，隨著保溫時間延長，退火試樣的平均晶粒尺寸和再結(jié)晶百分比均逐漸增大。當(dāng)保溫時間由1 s增加至12 s時，退火試樣的平均晶粒尺寸增長較為平緩，平均增幅僅為4.62%，隨著保溫時間的進(jìn)一步延長，試樣的平均晶粒尺寸增幅明顯，保溫時間為20 s時，退火試樣的平均晶粒尺寸達(dá)到19.28 μm。另一方面，當(dāng)保溫時間較短時(1～2 s)，退火試樣的再結(jié)晶百分比較低，不超過6.0%，隨著保溫時間延長至6 s，試樣的再結(jié)晶百分比明顯增加，而當(dāng)保溫時間進(jìn)一步延長時，試樣的再結(jié)晶百分比增加幅度較為平緩，保溫時間為20 s時，退火試樣的再結(jié)晶百分比達(dá)到83.74%。這是因為保溫階段初期主要是再結(jié)晶形核階段，平均晶粒尺寸和再結(jié)晶百分比均相對較低，隨著保溫時間的延長，再結(jié)晶晶核逐漸長大，變形組織逐漸被吞并，兩者相對應(yīng)的值均逐漸升高，保溫20 s后，退火試樣已基本完成再結(jié)晶。

圖4 短時退火試樣的平均晶粒尺寸和再結(jié)晶百分比

2.2.2 退火等溫時間180～270 s

圖5為長時退火試樣的EBSD取向成像圖及晶界分布情況。由圖5可見，保溫時間為180 s時，退火試樣的再結(jié)晶晶粒細(xì)小均勻，主要以綠色等軸晶粒為主，還存在有少量其他取向的晶粒；隨著保溫時間進(jìn)一步延長，其他顏色等軸晶粒的體積百分含量和尺寸均逐漸增加。

由圖5(b)可見，灰色的Goss晶粒之間大都是小角度晶界，取向差范圍在15°以內(nèi)，而Goss晶粒與非Goss晶粒之間幾乎是大角度晶界(取向差大于45°)或高能晶界(取向差范圍20°～45°)。

(b) 晶界分布圖

圖6為長時退火試樣中各織構(gòu)組分的體積百分含量隨保溫時間的變化情況。由圖6可見，隨著保溫時間的延長，退火試樣中Goss織構(gòu)和η線織構(gòu)的含量先增加后減少，{411}<148>、{100}<025>和{111}<110>織構(gòu)含量則逐漸增加；當(dāng)保溫時間為210 s時，Goss織構(gòu)表現(xiàn)出較強的長大優(yōu)勢，其體積百分含量高達(dá)76.92%，但當(dāng)保溫時間進(jìn)一步延長時，Goss織構(gòu)占比反而有所降低，保溫270 s時，Goss織構(gòu)的體積百分含量僅為66.70%。

圖6 長時退火試樣中各織構(gòu)組分的體積百分含量

圖7為長時退火試樣中不同取向晶粒的平均尺寸隨保溫時間的變化情況。由圖7可見，隨著保溫時間的延長，退火試樣中各取向晶粒的平均尺寸均大致呈增加的趨勢。當(dāng)保溫時間由180s增至210 s，各取向晶粒平均尺寸的增加幅度較為一致，隨著保溫時間進(jìn)一步延長，非Goss取向的{411}<148>、{111}<110>、{100}<025>晶粒迅速長大，其平均尺寸明顯超過Goss晶粒的相應(yīng)值。

圖7 長時退火試樣中不同取向晶粒的平均尺寸

2.3 退火試樣的磁性能

保溫時間對取向硅鋼超薄帶退火試樣磁感B8和鐵損P1.5/400的影響如圖8所示。由圖8可以看出，隨著退火時間的延長，試樣磁感應(yīng)強度B8先升高后降低，鐵損P1.5/400則先降低后升高。當(dāng)退火條件為780 ℃×210 s時，所得試樣的磁感應(yīng)強度最大(B8=1.85 T)、鐵損最小(P1.5/400=23.74 W/kg)，此時取向硅鋼超薄帶具有最佳的磁性能。

圖8 長時退火試樣的磁感B8及鐵損P1.5/400

3 討論

本研究用取向硅鋼超薄帶在鹽浴退火過程中，再結(jié)晶初期階段，再結(jié)晶Goss晶粒在變形嚴(yán)重區(qū)域和樣品表面處先形核，逐漸吞并{111}<112>變形晶粒和{100}<011>帶狀孿晶組織；再結(jié)晶結(jié)束后，樣品中主要為以Goss取向為主的η線織構(gòu)，晶粒細(xì)小均勻；隨著保溫的繼續(xù)進(jìn)行，再結(jié)晶晶粒長大，非Goss晶粒平均尺寸逐漸大于Goss晶粒的相應(yīng)值，并且非Goss晶粒占比逐漸增多。

冷軋過程中，鋼中Goss晶粒逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閧111}<112>晶粒，而{001}<110>取向晶粒則沒有發(fā)生明顯的塑性變形。冷軋后硅鋼板中各位向組分的儲能不同，按照儲能從大到小順序依次為：{110}>{111}>{112}>{100}。在冷軋組織中，含量較多的{111}<112>剪切帶形變儲能較高，形核點較多，同時包含冷軋時殘留在剪切帶內(nèi)大量的Goss亞結(jié)構(gòu)，鹽浴退火過程中，這些Goss亞結(jié)構(gòu)成為再結(jié)晶形核的核心，逐漸形核并吞并變形組織而長大，最終形成以Goss取向晶粒為主的再結(jié)晶晶粒。

隨著保溫時間的延長，再結(jié)晶Goss晶粒先吞并{111}<112>變形晶粒，最后吞并{100}<011>形變孿晶。Hayakawa提出的高能晶界理論認(rèn)為，取向差范圍在20°～45°的晶界具有晶界能高、晶界遷移率大的特點[17]。Goss晶粒與{111}<112>晶粒之間的標(biāo)準(zhǔn)取向差為35.3°，屬于高能晶界的范疇，而其與形變孿晶{100}<011>之間的標(biāo)準(zhǔn)取向差為62.8°<221>，不屬于高能晶界的范疇。Shimizu提出的CSL晶界理論指出，BCC結(jié)構(gòu)中Σ3和Σ9是共格對稱的孿晶界[18]。由于引發(fā)晶界遷移的驅(qū)動力是晶界兩側(cè)的化學(xué)勢差，恒溫下晶界兩側(cè)化學(xué)勢為:Δμ=Vmγb(1/r1+1/r2)，式中r1和r2為主曲率半徑，Vm是摩爾體積，γb是晶界能。相關(guān)實驗證明，Σ3和Σ9晶界的γb分別為320、600 mJ/m2，相同情況下Σ9具有更高的化學(xué)勢，更易遷移[19]。Goss晶粒與{111}<112>晶粒間的取向差接近38.9°<110>的Σ9晶界，而Goss晶粒與形變孿晶{100}<011>之間的取向差接近60°<111>的Σ3晶界。因此，在取向硅鋼超薄帶中，優(yōu)先形核的Goss晶粒先吞并{111}<112>晶粒，最后吞并形變孿晶。

隨著保溫時間進(jìn)一步延長，在后期長大過程中，Goss晶粒不具有優(yōu)勢，{411}<148>、{100}<025>和{111}<110>等取向的晶粒通過吞噬Goss晶粒而含量逐漸增多。由于Goss晶粒周圍基本都是Goss晶粒，它們之間大都是小角度晶界，相互產(chǎn)生了織構(gòu)抑制，導(dǎo)致晶界遷移速率慢。圖5(a)的取向成像圖中，紫色的{411}<148>晶粒與Goss晶粒之間的標(biāo)準(zhǔn)取向差為38.9°，紅色的{100}<025>晶粒與Goss晶粒之間的標(biāo)準(zhǔn)取向差為49.8°，藍(lán)色的{111}<110>晶粒與Goss晶粒之間的標(biāo)準(zhǔn)取向差為45.8°。結(jié)合圖5(b)可以看出，它們與Goss晶粒之間屬于高能晶界或大角度晶界，與此同時，超薄帶中沒有抑制劑的作用，隨保溫時間延長，{411}<148>、{100}<025>和{111}<110>等取向晶粒開始吞噬初生的Goss晶粒而逐漸長大，導(dǎo)致退火板組織中Goss織構(gòu)含量開始減少，進(jìn)而導(dǎo)致其磁性能降低。

4 結(jié)論

(1)鹽浴退火過程中，冷軋取向硅鋼板中發(fā)生了再結(jié)晶，Goss晶粒最先出現(xiàn)在變形嚴(yán)重的區(qū)域和冷軋板表面，逐漸吞并{111}<112>變形組織和{100}<011>條帶孿晶。在780 ℃下保溫20 s后，退火板發(fā)生了完全再結(jié)晶，形成了具有以Goss晶粒為主的η線織構(gòu)再結(jié)晶組織。

(2)隨著保溫時間的延長，退火板中Goss織構(gòu)組分和η線織構(gòu)組分含量先增加后減少，在780 ℃保溫210 s后達(dá)到最大值，其體積百分含量分別為76.92%和93.10%。繼續(xù)延長保溫時間，退火板中晶粒逐漸長大，但由于織構(gòu)抑制的影響，具有{411}<148>、{100}<025>和{111}<110>取向的非Goss晶粒尺寸逐漸增大，所占比例逐漸增多。

(3)隨著保溫時間的延長，取向硅鋼退火板的磁感應(yīng)強度B8先升高后降低，鐵損P1.5/400先降低后升高。當(dāng)退火條件為780 ℃×210 s時，所得取向硅鋼板退火板的磁性能最佳。