3.10%Si高牌号冷轧无取向硅钢组织织构演变的研究

2020-03-10成印明赵德琦

山东冶金 2020年1期

成印明，赵德琦

（1马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山243000；2北京科技大学设计研究院有限公司，北京 100083）

1 前言

无取向硅钢是制作各类电机和发电机不可缺少的重要材料。高牌号无取向硅钢由于对产品的表面质量和电磁性能要求高，且生产流程长、生产难度大，其制造水平成为衡量钢铁制造水平的一个重要依据［1］。随着冷轧无取向硅钢的技术进步，开发生产高牌号无取向硅钢的企业也越来越多，但是Si含量在2.9%以上的高牌号，目前国内仅有宝武钢铁、太钢、首钢、马钢等少数几家企业具备批量生产的能力。

影响无取向硅钢性能的因素中，夹杂物和晶粒尺寸的控制已经进行了广泛研究，但有关织构控制的研究相对较少。改善钢板织构分布可以同时降低铁损并提高磁感，尤其对磁感的改进会比较明显，因此得到了持续的关注和不断深入的开发研究［2-4］。

本文以某钢厂工业化生产的50W250高牌号硅钢为研究对象，研究了常化、冷轧及成品热处理的生产过程中高牌号硅钢的组织织构演变行为，并对有关机理进行了分析，为工业生产中进一步提升产品电磁性能指标奠定了技术基础。

2 试验材料与方法

试验钢的主要化学成分如表1所示。

表1 试验钢的化学成分（质量分数） %

试验钢的热轧板、常化板、冷轧板及退火板加工成10 mm（TD）×20 mm（RD）尺寸。金相组织使用光学显微镜观察，并用图像分析仪测量平均晶粒大小；采用扫描电镜及其EBSD附件进行显微织构测量；针对样品的特点选用的不同织构测量方法，其最终分析均运用级数展开法计算试样的取向分布函数（ODF），并表示在欧拉角φ2＝45°的截面图上进行分析。

3 试验结果

3.1 金相组织

3.1.1 热轧和常化组织

图1为试验钢的热轧和常化组织。由图1a可以看到，热轧板组织沿厚度方向分布不均匀，从表层到芯部变化较大，分层明显。表层为细小的再结晶晶粒，次表层为再结晶晶粒和变形晶粒的混合，芯部是拉长的纤维组织。将热轧板经900℃常化，产生的组织形貌如图1b所示，热轧板经常化后，再结晶完全，并且晶粒发生一定程度的长大，虽然在厚度方向上看中心层晶粒尺寸稍大一些，但组织均匀性较热轧板好，平均晶粒尺寸为119 μm。

图1 试验钢热轧和常化组织

3.1.2 冷轧和退火组织

图2为试验钢的冷轧和退火组织。由图2a可以看到，常化板经冷轧后由原来的再结晶与形变组织转变为沿着轧制方向伸长的纤维组织。而经过退火，冷轧板中的纤维组织发生了完全再结晶，如图2b所示，平均晶粒尺寸为151 μm。

图2 试验钢冷轧和退火组织

3.2 织构

对于无取向硅钢而言，{l00}和{110}织构是对磁性能有利的织构，{111}和{112}是不利的织构［5］。{111}织构的形成与演变是冷轧无取向电工钢生产加工过程中最主要的织构行为，对成品磁性能有重要影响。织构在生产加工过程中的演变具有一定的遗传性，因此，热轧板织构组成也是影响成品性能的主要因素之一。因此，对试验钢的热轧板、常化板、退火板进行织构分析，观察其演变规律［6］。

通过取向分布函数（ODF）来分析试验钢的织构，取向分布函数是由取向欧拉角φ1、Φ、φ23个自变量构成的函数f（g）=f（φ1，Φ，φ2），取向完全随机分布时，取向密度为1，即f（g）=1，因此，取向分布函数值表示的是取向密度相对于取向随机分布密度的倍数。为了便于分析取向分布函数，把取向分布函数值绘在平面图上，在垂直于取向空间φ2角坐标轴方向，从取向空间中以5°间隔截取一系列等间距的取向面，绘制取向分布函数值的等密度线。

在硅钢板加工过程中，各个晶粒的取向会逐步向取向空间中的两条特定的取向线汇集，即α取向线和γ取向线，简称α线与γ线。两条取向线在空间中的位置如图3所示，α线的取向范围为φ1=0°、Φ=0°～90°、φ2=45°，其上重要的取向有{001}<110>、{112}<110>、{111}<110>及{110}<110>，α线的特点是所有取向均有一个<110>平行于轧向；γ线的取向范围为φ1=0°～90°、Φ=54.7°、φ2=45°，其上重要的取向有{111}<110>和{111}<112>，γ线的特点是所有取向均有一个{111}平行于轧面。由于该取向空间具有3次旋转对称性，所以只需要分析α线和1/3长度的γ线（φ1=60°～90°）以上的取向密度，即可得到硅钢的主要织构类型和相对强弱。

图4为试验钢热轧、常化、连退各工序典型织构含量。由图4可知，热轧板和常化基本类似，{112}和{111}面织构占比较大，而退火板则以{001}和{011}面织构为主。

图5给出了试验钢热轧板、常化板、连退板α线和γ线上的取向密度分布情况。由图5可知，α取向线上，热轧板的峰值出现在{001}<110>，常化板的峰值出现在{112}<110>，退火板的峰值出现在{111}<110>和{001}<110>，{112}<110>明显减弱。γ取向线上，常化板的{111}<112>，退火板的{111}<110>附近明显增强。但总体上，各试样取向线上的织构强度都比较弱。

图3 取向空间中的α线和γ线位置与取向位置

图4 不同工序典型织构含量

图5 α线和γ线上的取向密度

4 讨论与分析

在热轧过程中，表层存在较强的剪切应力，而中心层主要以平面压缩为主，使得厚度方向上的变形极为复杂。一般来说，表层到中心层会存在显著的温度梯度，表层温度较低，且变形剧烈，热轧过程中能够保留较多的应变储能，而中心层由于温度较高，回复作用加强，使其应变储能降低。表层热轧变形储能较高，因而能够发生动态再结晶，而中心层则不能。本文采用的样品Si含量为3.1%，一般在硅钢生产过程中，Si+2Al含量＞2%，生产过程就不存在相变，因此，试验钢在单相铁素体区轧制，属于高层错能金属，位错容易在滑移面间转移，而使异号位错相互抵消，使位错密度下降，畸变能降低，较难达到动态再结晶所需的能量，因而不易发生动态再结晶，使得中心层保留了大量的变形组织［6-7］。

不同织构组分的储能是不同的，{112}面织构储能较高，会发生优先长大，因此，热轧板的表层织构主要为{112}面织构。热轧板及常化的各层织构以发达的α纤维织构和较弱的不均匀γ纤维织构为特征。常化能够提高热轧组织的均匀性，平均晶粒尺寸明显增大，常化板表层（001）面织构组分含量与热轧板表层相当，不利织构{112}<110>组分含量增高。

冷轧过程中，由于温度低，常化板组织难以发生回复与再结晶，导致冷轧板组织为沿轧向伸长的纤维组织，如图2a所示。冷轧变形过程中，金属晶粒的形状发生显著变化，晶粒沿着变形方向伸展，同时冷轧变形引起晶粒取向转动，从而在多晶体内形成冷轧织构。此外，晶体内的织构缺陷如位错密度、空位密度均升高，压晶界、层错和孪晶大量出现［8-9］。冷轧过程中{100}<011>织构是不因变形而改变的，是仅有的稳定原始位向。对＞2.0%Si的无取向硅钢，其再结晶织构组分主要为{100}<001>、{111}<112>以及Goss织构，通过退火使冷轧板再结晶形成等轴晶，消除冷轧应变，并能降低碳含量，退火温度较高时晶界迁移速度加快，晶粒尺寸会逐渐增大。如图2b所示，退火板中组织为完全再结晶组织。退火板中{001}<100>织构取向晶粒快速长大，导致{001}<100>织构组分含量最高，{112}面织构组分含量有所下降。γ纤维织构依靠在晶界附近的择优形核与长大机制发展起来。热轧板经900℃常化处理时，热轧原始晶界消失，冷轧组织中变形晶粒的晶界附近具有相对较小的取向差和较低的变形储能，不利于γ纤维再结晶晶粒的发展，所以退火板中γ纤维织构明显减弱。