劉云霞,李 躍,程 林,曹瑞芳,劉恭濤,劉曉強(qiáng),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?jǐn)?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(fù)組織,過渡區(qū)域混雜分布 再結(jié)晶和回復(fù)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。常化后熱軋帶狀組織消失,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(xiàn)標(biāo)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(xiàn) 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?jǐn)?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?jǐn)?shù)為2.5%~3.5%的新能 源汽車用無取向硅鋼,其化學(xué)成分見表1。為了分 析全工藝流程(熱軋、常化、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(jìn)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(jìn)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(dǎo)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(fù)組織,過渡區(qū)域為再結(jié) 晶和回復(fù)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(fù)占主導(dǎo)作用,所以主要為回復(fù)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(qiáng)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(qiáng)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?jǐn)?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?jǐn)?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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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)

無取向硅鋼常化后的顯微組織形貌如圖 5 所 示,與熱軋組織相比,常化后熱軋帶狀組織消失,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。 常化板的晶粒尺寸見表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常化之前 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(jìn)了常化過程中再結(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(dǎo)致了常化后的組織不均勻性。 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(jìn)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(dǎo)致熱軋板表層晶粒的形變儲存能存在差異,常化時, 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(jī)取向的類柱 狀晶粗大再結(jié)晶組織。

常化板截面的 EBSD 取向成像圖如圖6所示, 可見常化后無取向硅鋼再結(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(qiáng)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(qiáng)。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(qiáng)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(dǎo),織構(gòu)類 型主要為較強(qiáng)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(qiáng)度,有利于磁性能的提升。

常化板晶粒尺寸粗大,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(jìn)η線晶粒的形核,成品板中 γ線織構(gòu)的 體積分?jǐn)?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)常化后熱軋帶狀組織消失,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(dǎo)致 了常化后的組織不均勻。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(qiáng) 的 {114}<481>為主的α * 織構(gòu)和較弱的γ線織構(gòu)。