朱志勇 郭海榮 李化龍

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

冷軋無(wú)取向硅鋼廣泛應(yīng)用于電機(jī)和發(fā)電機(jī)行業(yè)[1- 2]，其化學(xué)成分、熱軋工藝、冷軋退火工藝對(duì)產(chǎn)品磁性能均有重要的影響[1,3]。高牌號(hào)冷軋無(wú)取向硅鋼鐵損低、磁導(dǎo)率高、磁致伸縮性小，常用于大中型電機(jī)及發(fā)電機(jī)。因其成分硅、鋁含量高，鋼水流動(dòng)性差，產(chǎn)品表面缺陷多，性能不穩(wěn)定，且鑄造過(guò)程中易形成粗大的柱狀晶，產(chǎn)生瓦楞狀缺陷。因此，高牌號(hào)冷軋無(wú)取向硅鋼生產(chǎn)需?；幚?，以改善熱軋板組織均勻性，避免表面瓦楞狀缺陷，同時(shí)粗化晶粒和析出物，增強(qiáng){100}和{110}有利織構(gòu)組分強(qiáng)度及減弱{111}不利織構(gòu)組分強(qiáng)度，提高產(chǎn)品磁性能[4- 6]，因此探索?；に噷?duì)冷軋無(wú)取向硅鋼磁性能的影響具有重要意義。本文在實(shí)驗(yàn)室條件下，研究了?；瘻囟葘?duì)50W470無(wú)取向硅鋼組織及磁性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選取工業(yè)生產(chǎn)的2.5 mm厚50W470無(wú)取向硅鋼熱軋板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

試驗(yàn)選取600 mm×130 mm×2.5 mm尺寸的熱軋板，分別在850、900、950和1 000 ℃進(jìn)行?；幚?00 s。?；幚砗笏嵯慈コ砻嫜趸F皮，采用4輥單機(jī)架往復(fù)式軋機(jī)冷軋到0.5 mm厚。取450 mm×120 mm×0.5 mm尺寸的退火試板，在實(shí)驗(yàn)室連續(xù)退火爐中進(jìn)行退火，退火過(guò)程采用抽真空氮?dú)獗Ｗo(hù)，退火工藝為 920 ℃保溫36 s。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the tested steel (mass fraction) %

采用TD- 8510磁性能測(cè)量?jī)x測(cè)量不同溫度常化的退火樣品的單片磁性能，樣品尺寸為100 mm×100 mm×0.5 mm；在5 000 A/m磁場(chǎng)強(qiáng)度下測(cè)量產(chǎn)品的磁感應(yīng)強(qiáng)度B50，在1.5 T磁感應(yīng)強(qiáng)度和50 Hz頻率下測(cè)量產(chǎn)品的鐵損P15/50。將熱軋板、?；寮案魍嘶饦悠费剀埾蚱书_(kāi)，經(jīng)機(jī)械磨拋后，用蔡司金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，并采用截線法測(cè)量晶粒的尺寸；在JSM- 7001F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡上進(jìn)行電子背散射衍射(EBSD) 微觀取向分析 (織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)以偏差角15°進(jìn)行統(tǒng)計(jì))。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常化溫度對(duì)顯微組織的影響

圖1顯示熱軋板和經(jīng)不同溫度?；幚砗鬅彳埌宓娘@微組織。如表1所示，試驗(yàn)鋼中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.005%，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于1.7%，在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)相變發(fā)生，均為鐵素體組織。由于板坯在軋制過(guò)程中其表面及心部的溫度分布、形變方式和形變量均不同，在熱軋過(guò)程中會(huì)造成表面和心部熱軋組織存在較大的差別[7]。如圖1(a)所示，未?；脑紤B(tài)熱軋板表面為細(xì)小等軸的再結(jié)晶組織。心部為拉長(zhǎng)的纖維狀組織。主要是由于熱軋板表面溫度雖然較低，但其發(fā)生了切應(yīng)變，形變儲(chǔ)能較大，優(yōu)先發(fā)生再結(jié)晶。而熱軋板心部溫度雖然較高，但發(fā)生了壓應(yīng)變，其形變儲(chǔ)能小，再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力小，因此熱軋板表面為細(xì)小的再結(jié)晶組織，心部為拉長(zhǎng)的變形組織。

由圖1(b～e)可知：熱軋板在850～1 000 ℃?；幚砗笞冃谓M織發(fā)生了明顯的再結(jié)晶，且隨著?；瘻囟鹊纳?，再結(jié)晶逐漸完全、晶粒不斷長(zhǎng)大。850 ℃保溫200 s?；幚砗螅瑹彳埨w維組織明顯再結(jié)晶，但由于?；瘻囟容^低，熱軋板中部仍存在極少量的變形組織；在900～1 000 ℃常化處理，變形組織均發(fā)生完全再結(jié)晶，隨著?；瘻囟鹊奶岣撸俳Y(jié)晶晶粒尺寸增大，組織均勻性改善。

圖1 (a)熱軋態(tài)及經(jīng)(b)850、(c)900、(d)950和(e)1 000 ℃常化后熱軋板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the plates after (a) hot- rolling and hot- rolling followed by normalizing at(b) 850, (c) 900, (d) 950 and (e) 1 000 ℃

圖2為不同溫度?；幚砝滠埻嘶饦悠返娘@微組織。由圖2可知：不同溫度?；幚淼睦滠埻嘶饦悠肪l(fā)生了完全再結(jié)晶，且隨著?；瘻囟扔?50 ℃提高到1 000 ℃，退火成品試樣的平均晶粒尺寸不斷增大，依次為28、46.7、56.5、64.7 μm，組織均勻性顯著提高。如圖1所示，熱軋板經(jīng)常化處理后，變形組織消除，且隨著?；瘻囟鹊纳?，熱軋晶粒尺寸不斷增大，熱軋組織晶粒尺寸越大，冷軋后形變儲(chǔ)能越低，退火再結(jié)晶形核驅(qū)動(dòng)力降低，再結(jié)晶形核率降低；同時(shí)由于再結(jié)晶晶核易在熱軋?jiān)季Ы缣幮魏?，熱軋板晶粒尺寸越大，冷軋后原始晶界越少，從而顯著減少了退火再結(jié)晶過(guò)程中的形核位置，造成形核率降低[8- 9]；相同退火工藝條件下，再結(jié)晶形核率越低，成品晶粒尺寸越大，因此不同溫度?；幚硗嘶饦悠返木Я３叽珉S?；瘻囟鹊纳叨饾u增大。

圖2 (a)850、(b)900、(c)950和(d)1 000 ℃常化處理退火樣品的顯微組織Fig.2 Microstructures of the annealed samples after normalizing at (a) 850, (b) 900, (c) 950 and (d) 1 000 ℃

2.2 ?；瘻囟葘?duì)退火成品織構(gòu)的影響

圖3為不同溫度常化處理后退火成品的取向分布函數(shù)φ2=45°截面圖。由圖3可知：不同溫度常化處理后冷軋退火樣品的織構(gòu)均以α和γ取向線再結(jié)晶織構(gòu)為主。由于織構(gòu)的遺傳性，熱軋板原始組織和織構(gòu)對(duì)退火再結(jié)晶織構(gòu)有重要的影響，γ取向線織構(gòu)易在熱軋?jiān)季Ы绺浇鼉?yōu)先形核生長(zhǎng)，γ纖維織構(gòu)的優(yōu)先形核生長(zhǎng)會(huì)不斷吞并相鄰的λ和α纖維織構(gòu)，減弱λ和α纖維織構(gòu)，加強(qiáng)γ纖維織構(gòu)[9]。?；幚砗?，熱軋板發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，原始晶界減少，冷軋變形晶粒晶界附近取向差較小、變形儲(chǔ)能低，不利于γ纖維再結(jié)晶晶粒的發(fā)展，如圖3(a～c)所示。當(dāng)?；瘻囟葟?50 ℃升高到950 ℃時(shí)，熱軋板晶粒尺寸不斷增大，退火成品{111}織構(gòu)組分強(qiáng)度逐漸減弱。

退火再結(jié)晶包含再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大兩個(gè)過(guò)程。{111}織構(gòu)由于形變儲(chǔ)能大，退火再結(jié)晶過(guò)程中優(yōu)先形核生長(zhǎng)，在晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中，優(yōu)先形核的{111}晶粒經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)，尺寸較大，界面能較低，晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中會(huì)吞噬周圍較小的晶粒而繼續(xù)生長(zhǎng)，如圖3(d)所示。即當(dāng)?；瘻囟壬仙? 000 ℃時(shí)，熱軋板變形組織完全再結(jié)晶，熱軋板晶粒尺寸較大，冷軋形變儲(chǔ)能小，大大降低了退火再結(jié)晶{111}織構(gòu)的形核率。但由于{111}織構(gòu)在再結(jié)晶過(guò)程中優(yōu)先形核生長(zhǎng)，在晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中，長(zhǎng)大阻力小，會(huì)不斷吞噬周圍較小的晶粒而繼續(xù)生長(zhǎng)，{111}織構(gòu)組分強(qiáng)度提高。因此，在850～950 ℃?；幚碓俳Y(jié)晶退火后的成品織構(gòu)由形核織構(gòu)決定，{111}織構(gòu)組分強(qiáng)度隨?；瘻囟鹊纳叨饾u減弱；當(dāng)?；瘻囟忍岣叩? 000 ℃后，退火成品織構(gòu)由于晶粒長(zhǎng)大，表現(xiàn)為晶粒長(zhǎng)大織構(gòu)，{111}織構(gòu)組分強(qiáng)度增強(qiáng)。

2.3 ?；瘻囟葘?duì)磁性能的影響

表2顯示了不同溫度?；耐嘶饦悠返拇判阅?。由表2可知：隨?；瘻囟葟?50 ℃提高到1 000 ℃，試樣的鐵損P15/50從4.669 W/kg降低到3.696 W/kg，磁感應(yīng)強(qiáng)度B50先從1.687 T提高到1.730 T，再降低到1.716 T；950 ℃?；幚硗嘶鸪善返拇判阅茏顑?yōu)，鐵損低、磁感應(yīng)強(qiáng)度高，鐵損P15/50為3.872 W/kg，磁感應(yīng)強(qiáng)度B50為1.730 T。

圖3 (a)850、(b)900、(c)950和(d)1 000 ℃?；幚硗嘶饦悠返娜∠蚍植己瘮?shù)φ2=45°截面圖Fig.3 ODFs of φ2=45° sections of the annealed samples after normalizing at (a) 850, (b) 900, (c) 950 and (d) 1 000 ℃

表2 不同溫度常化的退火樣品的磁性能Table 2 Magnetic properties of the annealed samples normalized at different temperatures

在無(wú)取向硅鋼中，{100}晶面和{110}晶面分別包含兩個(gè)和一個(gè)易磁化<001>軸，屬于有利織構(gòu)，{111}晶面無(wú)易磁化<001>軸，劣化磁性能；加強(qiáng){100}和{110}有利織構(gòu)組分強(qiáng)度，減弱{111}不利織構(gòu)組分的強(qiáng)度有利于改善無(wú)取向硅鋼磁性能[10- 12]。表3顯示了不同溫度?；幚砗笸嘶饦悠穥001}、{110}、{111}3種面織構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)比。圖4為?；瘻囟扰c退火樣品平均晶粒尺寸和織構(gòu)分布之間的關(guān)系，圖5顯示了?；瘻囟扰c磁性能的關(guān)系。

表3 不同溫度?；幚淼耐嘶饦悠穥001}、{110}、{111}3種面織構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)Table 3 Area fraction ratios of {001}, {110} and {111} texture components of the annealed samples normalized at different temperatures

圖4 (a)退火樣品平均晶粒尺寸和(b)織構(gòu)分布與?；瘻囟戎g的關(guān)系Fig.4 Relationship between (a) the average grain size and (b) texture distribution and the normalizing temperature for the annealed samples

由圖4可知：隨著?；瘻囟鹊纳?，退火樣品的平均晶粒尺寸顯著增大，有利織構(gòu)({001}+{110})與不利織構(gòu){111}面積比先升高后降低，在850～950 ℃?；?，有利織構(gòu)組分相對(duì)強(qiáng)度隨?；瘻囟鹊纳叨粩嘣鰪?qiáng)，而不利織構(gòu){111}組分相對(duì)強(qiáng)度則不斷減弱，有利于磁感應(yīng)強(qiáng)度提高。

圖5 ?；瘻囟扰c磁性能的關(guān)系Fig.5 Dependence of magnetic properties on normalizing temperatures

當(dāng)?；瘻囟忍岣叩? 000 ℃后，({001}+{110})/{111}面積比降低，不利織構(gòu){111}組分相對(duì)強(qiáng)度提高，磁感應(yīng)強(qiáng)度降低。如圖5所示，當(dāng)?；瘻囟葟?50 ℃升高到950 ℃時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度從1.687 T提高到1.730 T；當(dāng)常化溫度繼續(xù)上升到1 000 ℃后，磁感應(yīng)強(qiáng)度反而降低到1.716 T。電工鋼鐵損包含磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗3部分，無(wú)取向硅鋼以磁滯損耗為主，其產(chǎn)品晶粒尺寸越大，晶粒邊界面積越小，磁滯損耗越小，渦流損耗越大，但渦流損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于磁滯損耗，因此表現(xiàn)為無(wú)取向硅鋼產(chǎn)品鐵損隨晶粒尺寸的增大而減小[1,13]。當(dāng)?；瘻囟葟?50 ℃上升到1 000 ℃后，退火晶粒尺寸不斷增大，晶粒邊界面積大大減小，磁滯損耗降低，鐵損降低；在850～950 ℃，{111}不利織構(gòu)組分強(qiáng)度隨溫度升高逐漸減弱，磁滯損耗減小；當(dāng)常化溫度升高到1 000 ℃后，不利織構(gòu){111}組分強(qiáng)度的增強(qiáng)也會(huì)導(dǎo)致材料磁滯損耗的升高，但由于晶粒尺寸增大帶來(lái)的磁滯損耗的降低遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于{111}不利織構(gòu)組分強(qiáng)度增強(qiáng)所帶來(lái)的磁滯損耗的升高，因此表現(xiàn)為退火成品的鐵損隨?；瘻囟鹊纳叨饾u降低。熱軋板選擇合適的?；瘻囟?，優(yōu)化成品晶粒尺寸和織構(gòu)分布，能獲得最優(yōu)的磁性能。本試驗(yàn)中，以950 ℃常化200 s的退火成品的磁性能最優(yōu)，鐵損P15/50為3.872 W/kg，磁感應(yīng)強(qiáng)度B50為1.730 T。

3 結(jié)論

(1)常化處理能顯著改善熱軋板的晶粒尺寸及組織均勻性，消除熱軋變形組織，對(duì)成品組織及磁性能產(chǎn)生重要影響。

(2)在850～1 000 ℃常化處理，熱軋板晶粒尺寸隨?；瘻囟鹊纳卟粩嘣龃螅嘶饦悠肪Я３叽绮粩嘣龃?，有利織構(gòu)({001}+{110})與不利織構(gòu){111}的面積比先增大后減小，退火成品鐵損逐漸降低，磁感應(yīng)強(qiáng)度先升高后降低。

(3)950 ℃?；幚?00 s，能得到最優(yōu)的晶粒尺寸和({001}+{110})/{111}面積比，退火樣品的磁性能最優(yōu)，鐵損P15/50值達(dá)到 3.872 W/kg，磁感應(yīng)強(qiáng)度B50值達(dá)到1.730 T。