劉云霞,李 躍,程 林,曹瑞芳,劉恭濤,劉曉強,安冬洋,李澤琳 

(首鋼智新遷安電磁材料有限公司,遷安 064400) 

摘 要:選用硅含量2.5%~3.5%(質(zhì)量分數(shù))的無取向硅鋼作為分析對象,研究了其在全工藝 流程(熱軋、常化、冷軋、退火)中的組織和織構(gòu)變化。結(jié)果表明:由于形變和溫度場的分布特征,該 無取向硅鋼熱軋板形成組織分層,表層為再結(jié)晶組織,中心層為帶狀回復組織,過渡區(qū)域混雜分布 再結(jié)晶和回復組織。同時厚度方向表現(xiàn)出很大的織構(gòu)梯度,并會一直遺傳至成品板,但織構(gòu)梯度隨 著形變和再結(jié)晶會不斷弱化。?；鬅彳垘罱M織消失,再結(jié)晶晶粒發(fā)生了充分長大。冷軋后,無 取向硅鋼的組織主要表現(xiàn)為沿軋制方向伸長的帶狀組織。該無取向硅鋼的形變和再結(jié)晶行為一般 規(guī)律為形變形成α線織構(gòu),再結(jié)晶后轉(zhuǎn)變為γ線織構(gòu)和α * 織構(gòu)。

關(guān)鍵詞:無取向硅鋼;組織;織構(gòu);帶狀組織;織構(gòu)梯度 中圖分類號:TB31 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)04-0029-05

新能源汽車要求其驅(qū)動電機具備效率高、能耗 低、體積小、質(zhì)量輕等特點,因此對驅(qū)動電機鐵芯用 無取向硅鋼的磁性能提出了更加苛刻的要求。降低 無取向硅鋼的鐵損對提高驅(qū)動電機效率和汽車行駛 里程具有重要意義,因此新能源汽車驅(qū)動電機用無 取向硅鋼的磁性能改善是技術(shù)人員持續(xù)努力的方 向。影響無取向硅鋼磁性能的因素,除了合金成分 外,還有組織和織構(gòu)[1-2],無取向硅鋼的晶粒尺寸直 接影響磁滯損耗的大小,不同取向晶粒的磁性能也 各向異性。無取向硅鋼中各面織構(gòu)對磁感值的貢獻 按以下晶面族順序依次降低:{100},{310},{411}, {210},{110},{211},{111}[3]。所以,優(yōu)化無取向硅 鋼的組織和織構(gòu)類型是改善和提升其磁性能的有效途徑之一。高硅含量新能源車用無取向硅鋼的組織 和織構(gòu)分析多基于試驗室制備的樣品[4-6],而關(guān)于工 業(yè)生產(chǎn)全流程樣品的分析卻鮮有報道。因此,筆者通 過分析硅質(zhì)量分數(shù)為2.5%~3.5%的無取向硅鋼在 全工藝流程中的組織和織構(gòu)變化,研究了無取向硅鋼 在全工藝流程中各階段的組織和織構(gòu)的演變規(guī)律。 

1 試驗方法 

試驗材料為硅質(zhì)量分數(shù)為2.5%~3.5%的新能 源汽車用無取向硅鋼,其化學成分見表1。為了分 析全工藝流程(熱軋、?；?/span>、冷軋、退火)中樣品組織、 織構(gòu)的轉(zhuǎn)變,選取該硅鋼熱軋、常化、冷軋和成品板 試樣,對軋制方向-法線方向(ND-RD)的全厚度方 向進行金相觀察及電子背散射衍身(EBSD)取向成 像分析(金相觀察時定義上下表面至板厚1/4層位 置為表層,上下1/4層之間為中心層),并對冷硬板 表層進行 X射線衍射(XRD)織構(gòu)檢測。

2 試驗結(jié)果與討論 

2.1 熱軋板的組織和織構(gòu) 

該無取向硅鋼熱軋板的顯微組織形貌如圖1所 示,可見熱軋板沿厚度方向上存在明顯的組織不均勻 性,而這種不均勻性必然也會導致織構(gòu)的不均勻性, 即織構(gòu)梯度。其熱軋板為正常的分層組織,表層為再 結(jié)晶組織,中心層為帶狀回復組織,過渡區(qū)域為再結(jié) 晶和回復組織混雜分布。原因主要是在熱軋溫度及 應(yīng)力場的共同作用下,熱軋板表面會優(yōu)先于中心層區(qū) 域發(fā)生再結(jié)晶,而中心層區(qū)域由于存儲能較低,且溫 度較高,動態(tài)回復占主導作用,所以主要為回復組織。 熱軋板厚度方向不同位置的EBSD取向成像圖 如圖2所示,熱軋組織表現(xiàn)為很強的分層現(xiàn)象,表層 為再結(jié)晶組織,中心層為帶狀的形變組織,次表層為 過渡組織。由取向分布函數(shù)(ODF)圖可看出中心 層表現(xiàn)為強α線織構(gòu),次表層主要為 Goss織構(gòu)、黃 銅和銅型剪切織構(gòu)。這是因為板坯加熱階段組織為 無相變的鐵素體,不會有兩相區(qū)軋制時的相變碎化 作用,中心層的帶狀組織是鑄坯中的大量柱狀晶和 心部等軸晶組織經(jīng)熱變形后形成的。而次表層的過 渡區(qū)域存在少量再結(jié)晶組織和殘留形變組織,由于熱軋過程中剪切力的作用而形成上述織構(gòu)。

由圖1和圖2均可觀察到再結(jié)晶晶粒的分布不 均勻現(xiàn)象,其表層主要為再結(jié)晶組織,從表層到中心 層,再結(jié)晶晶粒的面積分數(shù)逐漸減少,通過EBSD數(shù) 據(jù)分析可以區(qū)分出完整的再結(jié)晶組織、亞晶組織和 形變組織。熱軋板中 示,可見亞晶組織和形 3 變 種 組 不 織 同 大 組 致 織 交 的 替 分 層 布 疊 如 分 圖 布 3所 在 中心層區(qū)域。再結(jié)晶組織、亞晶組織和形變組織的 面積分數(shù)分別為31.1%,36.3%,32.6%。

對熱軋板中3種不同組織的織構(gòu)分析如圖4所 示,再結(jié)晶組織主要為銅型織構(gòu)、黃銅織構(gòu)和 Goss 織構(gòu),亞晶組織表現(xiàn)為很強的旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu)和{111} <110>,而形變組織則主要為α線織構(gòu)。表層和次表 層的再結(jié)晶晶粒主要來源于剪切組織的原位再結(jié) 晶,因此保留了剪切織構(gòu)的特征,中心層的亞晶組織 則來自于強α線的帶狀組織,因此具有α線織構(gòu)特 征,熱軋板中的形變組織主要為中心層的帶狀組織 和次表層的剪切形變組織,因此保留了強α線織構(gòu) 特征和較弱的剪切織構(gòu)特征。

2.2 常化板的組織和織構(gòu) 

無取向硅鋼?；蟮娘@微組織形貌如圖 5 所 示,與熱軋組織相比,?；鬅彳垘罱M織消失,再 結(jié)晶晶粒發(fā)生了充分長大,從厚度方向來看,再結(jié)晶 晶粒尺寸沿厚度方向存在著一定的不均勻性,表層 區(qū)域的晶粒稍大。 ?；宓木Я３叽缫姳?/span>2,可見上、下表層晶粒 的平均尺寸均比中心層晶粒的大10 下表層晶粒尺寸更大是由于?；?μ 熱 m 軋 左 板 右 中 。 的 上 組 、 織狀態(tài)決定的,熱軋板的上、下表層已經(jīng)出現(xiàn)了再結(jié) 晶組織,而中心層的再結(jié)晶晶粒很少,次表層的再結(jié) 晶晶粒及其周圍的形變和亞晶組織所構(gòu)成的環(huán)境促 進了?；^程中再結(jié)晶晶粒的繼續(xù)長大,晶粒長大 的驅(qū)動力為組織的形變儲存能。因此,正是上、下表 層的熱軋組織特征導致了?；蟮慕M織不均勻性。 常化板的組織不均勻性還有可能是由熱軋臨界壓下 造成的,如果熱軋后進行小變形量臨界軋制,使熱軋 板表層晶粒產(chǎn)生形變,由于形變的不均勻性存在導致熱軋板表層晶粒的形變儲存能存在差異,?；瘯r, 一些形變儲能低的晶粒極易吞并周邊儲能較大的晶 粒從而發(fā)生異常長大,在表層形成隨機取向的類柱 狀晶粗大再結(jié)晶組織。 

?；褰孛娴?EBSD 取向成像圖如圖6所示, 可見?；鬅o取向硅鋼再結(jié)晶完全,由于熱軋組織 的織構(gòu)梯度存在,常化后不同厚度層的織構(gòu)同樣存 在顯著的差異。對上、下表層及中心層分別計算其 織構(gòu)分布,可知 常 化 板 表 層 及 次 表 層 區(qū) 域 主 要 為 {110}織構(gòu)和{112}<111>織構(gòu),這一類織構(gòu)顯然來 自于熱軋板表層及次表層區(qū)域的剪切織構(gòu)形變組 織,而常化板中心層的再結(jié)晶組織則主要為{φ1,φ, φ2}={20°,10°~30°,45°}的α * 織構(gòu),EBSD 取向成 像圖中中心層大量分布的{112}<241>和{114}<481> 取向晶粒就屬于 α * 織構(gòu),α * 織構(gòu)的出現(xiàn)與熱軋板 中心層的強α線形變織構(gòu)有關(guān)。 

2.3 冷軋板的組織和織構(gòu) 

無取向硅鋼冷軋后的組織主要表現(xiàn)為沿軋制方 向伸長的帶狀組織,如圖7所示。可見其內(nèi)部粗大 的帶狀組織局部有明顯的剪切帶分布,這些剪切帶 有利于后期η線晶粒的形核和再結(jié)晶。 冷軋織構(gòu)的形成主要是受到冷軋壓下率的影 響,隨著形變量的增大,冷軋織構(gòu)不斷向α線聚集, 最終的穩(wěn)定冷軋織構(gòu)為{112}<110>和{111}<110>織構(gòu)的密度水平也在不斷增強。冷軋板表層的織構(gòu) ODF截面圖如圖8所示,其織構(gòu)為密度水平很強的 α線織構(gòu),主要織構(gòu)集中在旋轉(zhuǎn)立方到{114}<110> 附近。 

2.4 成品板的組織和織構(gòu) 

該無取向硅鋼成品板的顯微組織形貌如圖9所 示,成品板的晶粒尺寸為97μm,晶粒尺寸大是其鐵 損較低的原因之一。 成品板的 EBSD取向成像圖及織構(gòu) ODF 截面 圖如圖 10 所 示,從 成 品 板 的 縱 截 面 觀 察,{100}<021>和{114}<481>兩種取向晶粒占據(jù)主導,織構(gòu)類 型主要為較強的{114}<481>為主的α * 織構(gòu)和較弱 的γ線織構(gòu),這種織構(gòu)特征由于弱化了γ線,不利于 織構(gòu)的強度,有利于磁性能的提升。

?；寰Я３叽绱执?/span>,對無取向硅鋼的成品織 構(gòu)改善有利。通過提高常化溫度使熱軋晶粒長大, 中等壓下量軋制過程中容易形成更多的剪切帶,再 結(jié)晶時促進η線晶粒的形核,成品板中 γ線織構(gòu)的 體積分數(shù)降低同時η線織構(gòu)的體積分數(shù)提高,在降 低鐵 損 的 同 時 改 善 了 成 品 的 磁 感 值[7]。PARK 等[8]的 研 究 證 實 了 Goss 織 構(gòu) 容 易 在 形 變 {111} <112>,{111}<110>和{112}<110>晶粒的剪切帶處形 核和再結(jié)晶,立方取向晶粒也會在剪切帶處形核和 再結(jié)晶。

3 結(jié)論 

(1)無取向硅鋼的熱軋板由于形變和溫度場的 分布特征,表現(xiàn)出很大的織構(gòu)梯度,這種梯度會一直 遺傳至成品板,但織構(gòu)梯度隨著形變和再結(jié)晶會不 斷弱化。 (2)?；鬅彳垘罱M織消失,再結(jié)晶晶粒發(fā) 生了充分長大,上、下表層的熱軋組織分層特征導致 了?；蟮慕M織不均勻。無取向硅鋼冷軋后的組織主要表現(xiàn)為沿軋制方向伸長的帶狀組織,其內(nèi)部粗 大的帶狀組織局部會觀察到明顯的剪切帶分布。剪 切帶在組織中越多越有利于成品退火時有利織構(gòu)的 形成。 (3)新能源汽車用無取向硅鋼的形變和再結(jié)晶 行為一般規(guī)律為:形變形成α線織構(gòu),再結(jié)晶后轉(zhuǎn)變 為γ 線 和 α * 織 構(gòu),成 品 織 構(gòu) 類 型 主 要 為 較 強 的 {114}<481>為主的α * 織構(gòu)和較弱的γ線織構(gòu)。