高温常化处理对Fe-,2%Si无取向硅钢组织和织构的影响
时间：2023-03-10 08:25:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
晁理想 李建军 卢林峰 江海东 徐明沁
(1.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001；
2.中国冶金科工股份有限公司 科技部，北京 100020；
3.钢铁研究总院 连铸技术国家工程研究中心，北京 100081；
4.常州东方特钢有限公司炼铁厂技术科，江苏 常州 213151)
无取向硅钢是一种碳含量极低的硅铁软磁合金，广泛应用于发动机、发电机、变压器铁芯和各种电讯器材上，在电力、机械和军工等行业都有着举足轻重的地位[1- 3]。随着现代科技的发展和对能源的需求持续增长，研究人员期望制备出铁损更低、磁感应强度更高的无取向硅钢。低铁损和高磁感应强度是衡量无取向硅钢性能的重要指标，其影响因素有很多，如热轧板的组织状态[4]、中间退火[5]、析出相[6]、合金元素[7]等。由于组织的遗传性，初始热轧板的状态对无取向硅钢的性能有很大影响，而常化处理是优化硅钢热轧组织、改善其磁性能的重要工艺之一[8- 11]。
一般认为，常化温度越高，晶粒尺寸越大，在冷轧变形组织中形成的剪切带越多，其较高的储存能有利于再结晶晶粒形核长大，从而提高硅钢的磁性能[12]。同时，常化处理可以消除因铸造过程形成的粗大柱状晶而产生的瓦楞状缺陷，改善热轧板的组织均匀性[13]。此外，常化处理能显著改善低硅和高硅含量成品板的磁性能。例如，50W470无取向硅钢经常化处理后，热轧板的纤维组织消失，并且热轧板和退火组织晶粒尺寸随常化温度的升高而增大，对磁性能有利的{001}和{110}织构组分所占比例增大,并在950 ℃常化处理时达到最大值[13]。武晓龙等[14]指出，低硅含量的50W800热轧板经常化处理后，晶粒尺寸显著增大，{111}织构比例降低，Goss织构略有增强，并且900 ℃常化处理对提高成品板的磁性能作用最显著。同样，Lan等[15]对Fe- 1%Si(质量分数，下同)连铸钢条带进行1 060 ℃的高温常化处理，经过冷轧和再结晶退火后，有利的α和λ纤维织构增多，γ纤维织构减少，磁感应强度从未常化时的1.747 T提高到常化后的1.782 T。此外，常化温度对高硅含量无取向硅钢织构和磁性能的影响有着相同的规律[16]，即随着常化温度的提高，有利织构逐渐增多，铁损降低、磁感提高，并且在1 000 ℃高温常化后磁性能达到最佳。以上研究表明，高温常化处理更有利于对磁性能有利的织构形成，而众多研究中的常化温度并未超过1 110 ℃，因此有必要探索更高的常化温度并研究其对无取向硅钢组织和织构的影响。
本文通过对热轧Fe- 2%Si无取向硅钢板进行常化、冷轧和再结晶退火处理，研究了1 150 ℃高温常化处理(发生部分奥氏体相变)对无取向硅钢组织和织构的影响，并与未常化板进行对比，探索了高温常化处理改善有利织构的原因，这有助于获得对磁性能更有利的织构和组织。
试验材料为热轧Fe- 2%Si无取向硅钢板，厚度为2.5 mm，其化学成分如表1所示。在热轧板上取若干片60 mm×30 mm×2.5 mm试样，进行真空常化处理，加热温度为1 150 ℃，保温时间为10 min，加热设备采用合肥科晶的GSL- 1700X型管式炉。利用MSK- 5070- AC型冷轧机对常化和未常化处理的钢板进行多道次轧制，压下量为80%，轧至0.5 mm厚。随后进行再结晶退火，加热温度为850 ℃，保温时间为5 min，随炉冷却。常化处理工艺示意图如图1所示。在未常化和常化及其冷轧和退火试样上分别取10 mm×5 mm×0.5 mm的片状试样，对其厚度方向截面进行磨抛后，再用体积分数为5%的硝酸酒精溶液腐蚀，利用蔡司金相显微镜观察其组织形貌。使用Philip PW3040/60型X射线衍射仪(X- ray diffractometer, XRD)测定宏观织构，采用Co- Kα辐射，通过测量试样的{110}、{200}和{112} 3个不完整极图并计算取向分布函数(orientation distribution function, ODF)，最大系列展开项Lmax=22。
表1 热轧Fe- 2%Si无取向硅钢板的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the hot- rolled Fe- 2%Si non- oriented silicon steel plate (mass fraction) %
图1 常化过程示意图Fig.1 Schematic diagram of the normalizing process
2.1 常化处理对显微组织的影响
图2为热轧Fe- 2%Si无取向硅钢板经不同工艺处理后的显微组织，均由铁素体组成。图2(a)为未常化热轧板组织，其表面区域的晶粒尺寸小于中心区域，且中心区域晶粒有被拉长的特征，这是热轧过程中中心区域所受轧制变形程度较表面低及晶粒未完全回复所致。在热轧过程中，钢板的表面和心部组织因应变方式不同而有所差异[17]。热轧板表面发生切应变，大的形变储存能促使再结晶优先发生；
而热轧板心部发生压应变，较小的形变储存能未能提供充足的回复再结晶驱动力，导致心部晶粒被拉长。图2(b)为常化热轧板组织，可见经1 150 ℃常化处理后，晶粒显著长大，尺寸为500 μm左右，相比未常化热轧板晶粒尺寸大一个数量级，这种晶粒组织特征被保留至随后的冷轧组织中。
图2(c)和图2(d)分别为未常化和常化钢板经80%压下量冷轧后的显微组织，均包含细长变形的轻蚀晶粒和严重变形的深蚀晶粒。冷轧后出现明显的剪切带，该条带为金属和合金受到严重变形时的应变不均匀和局部塑性不稳定造成的局部变形区域[18- 19]，其中未常化钢板的剪切带较为细小，常化钢板的较宽。受原始组织影响，在冷轧变形过程中，晶粒被拉长且在晶粒内部形成纤维组织。晶粒越粗大，形成的纤维组织越多，并集中变形成较宽的剪切带。
图2(e)和图2(f)分别为未常化和常化钢板冷轧和再结晶退火后的显微组织。可见经过再结晶退火的钢板均发生了完全再结晶，且常化钢板的晶粒更加粗大。热轧板经常化处理后，晶粒尺寸显著增大，进而在冷轧变形过程中具有较低的形变储存能，从而导致退火再结晶形核驱动力减小，再结晶形核率降低[15]。此外，再结晶形核率还与原始晶界数量正相关，晶粒较粗大的热轧板冷轧后，由于可供新晶粒形核的原始晶界位置较少，再结晶形核率较低。因此，原始晶粒粗大的特征决定了后续加工处理的晶粒大小，相比于未常化钢板，常化钢板的大晶粒降低了退火后再结晶形核率，最终形成较粗大的晶粒。
图2 热轧Fe- 2%Si无取向硅钢板经不同工艺处理后的显微组织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，Fe- 2%Si无取向硅钢板经过常化处理后，晶粒尺寸显著增大，且该特征持续保留至冷轧和退火再结晶组织中，晶粒形核及晶界迁移改变了晶粒原有的取向，对织构将产生较大影响。
2.2 常化处理对退火织构的影响
图3和图4为热轧板和1 150 ℃常化板经冷轧退火后的恒φ2=45° ODF截面图和取向线的取向密度分布图。可以看出，热轧板直接冷轧退火，对应成品板的织构主要为较强且不均匀的γ纤维织构，α和λ纤维织构强度较弱且相对均匀，高斯织构{110}<001>不明显。1 150 ℃常化对应成品板的γ纤维织构明显减弱，{100}<012>和{100}<001> λ纤维织构显著增强，并且高斯织构{110}<001>变得明显。
图3 热轧板(a)和常化板(b)经冷轧退火后的恒φ2=45° ODF截面图Fig.3 ODFs constant sections of φ2=45° for the hot- rolled plate(a)and the normalized plate(b) after cold rolling and annealing
图4 冷轧退火后的热轧板和常化板沿γ(a)、α(b)和λ(c)取向线的取向密度分布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
由于组织的遗传性，冷轧退火后的再结晶织构与冷轧前的组织和织构密切相关。纤维织构的形核长大一般在能量较高的晶界或剪切带附近，其中{111}位相织构优先在晶界附近形核并长大，而高斯织构{110}<001>在晶内剪切带处形核并长大。未常化的热轧板经冷轧后，保留了大量的热轧原始晶界，一方面晶界附近严重变形引起晶界移动而形成高迁移率和大角度晶界，另一方面变形晶界附近具有高的储存能。因此较大的取向差和变形储能有利于γ纤维再结晶晶粒的形核和长大，从而导致未常化成品板中γ纤维织构增多。
热轧板经1 150 ℃常化处理后，一方面，原始晶界消失，冷轧后变形晶粒附近具有较小的取向差和较低的变形储能，抑制了γ纤维再结晶晶粒的形核和长大；
另一方面，常化后晶粒尺寸显著增大， 该粗大组织促使冷轧γ变形晶粒中形成大量的晶内剪切带，有利于{110}<001>高斯织构的形成[20- 21]，并且{110}<001>织构的发展同样抑制了γ再结晶织构的发展。因此，热轧板常化后γ纤维织构显著减弱且高斯织构变得明显。
值得注意的是，经高温常化处理的成品板出现了明显的{100}<012>和{100}<001> λ纤维织构。这是由于应变诱发晶界迁移，低形变储存能的{100}取向晶粒通过消耗形变储存能高的晶粒而生长，从而促进{100}再结晶织构的形成[22]。众所周知，{100}面具有两个<001>易磁化方向，且<100>方向与磁力线方向平行显著降低了硅钢的铁损及提高磁感应强度，因此更希望形成对磁感有利的{100}<0vw>面织构。因此，本文热轧板经1 150 ℃常化处理后形成的强烈的λ纤维织构与冷轧后初次再结晶形成的{100}织构有关。初次再结晶后，试样在真空中继续升高至1 150 ℃，原立方取向的晶粒二次再结晶，长大粗化形成取向集中的{100}织构。综上所述，强烈的λ纤维织构和减弱的γ纤维织构将有利于Fe- 2%Si无取向硅钢的磁性能。
(1)热轧板经1 150 ℃常化处理后，晶粒尺寸显著增大，冷轧后剪切带较长且宽，再结晶晶粒比未常化的稍大且相对均匀。
(2)常化板再结晶织构出现少量的高斯织构，γ纤维织构明显减弱，α纤维织构变化不明显。
(3)高温常化处理更易促进强烈的{100}<012>和{100}<001>λ纤维织构形成，有利于成品板磁性能的改善。
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