常化工艺对无取向硅钢热轧组织和析出物的影响

张旭东，齐建波，金自力，吴忠旺

（内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010）

无取向硅钢是含碳量低的硅铁软磁合金，主要用于制作在旋转磁场下工作的电机铁芯，是电力电子和军工行业极为重要的软磁合金材料[1]。无取向硅钢磁性能受很多因素影响，如化学成分、晶粒尺寸大小、夹杂物大小及数量等。常化主要目的是使热轧板发生再结晶，使组织更均匀，粗化晶粒和析出物等，从而提高成品磁性能。因此，常化工艺对成品性能有重要影响。本文以含硅量2.6%的无取向硅钢为研究对象，研究了常化过程组织和析出物的变化。

1 试验材料及方法

本实验钢工艺参数：开轧温度1 150 ℃，终轧温度850 ℃，卷曲温度650 ℃，热轧板厚2.5 mm。常化工艺参数：保护气体为100%N2，空冷。成分如表1 所示。

表1 试验钢主要化学成分 %

2 结果与讨论

2.1 热轧板及其常化后的组织特征

如图1 热轧板在厚度方向上晶粒分布不均，表层为不规则且细小的晶粒，1/4 层为细小再结晶晶粒和变形组织的混合组织，中心为长条变形晶粒[2]。这是热轧过程中表层存在剪切应力，而中心层则以平面压缩为主，因此厚度方向上的变形较复杂。一方面，表层到中部有着明显的温度梯度，表层温度低且剪切变形多，在热轧卷曲过程中能够保留较多应变储能，而中部温度高、剪切变形弱，使得形变储能降低，不足以发生再结晶，从而保留了大量的变形组织。

图1 不同常化工艺下对应的金相组织

热轧板在940 ℃×5 min 常化后发生完全再结晶，晶粒长大，但表层晶粒较小，平均晶粒尺寸为90 μm，主要集中在50～150 μm，其中50～100 μm 占60%，100～150 μm 占30%。970 ℃×5 min 后晶粒尺寸进一步增大，且组织均匀，50～100 μm 占35%，100～150 μm占30%。1 000 ℃×5 min 后再结晶晶粒虽然增大，但中部发生了异常长大，平均晶粒尺寸达到137 μm，200 μm 以上比例增加，对成品磁性能产生了消极影响。因此，970 ℃×5 min 为较佳工艺。

2.2 热轧板及其常化后的析出物特征

无取向硅钢中析出物的尺寸及分布对成品磁性能有着重要影响。其一是析出物的存在增大了周围区域的位错密度，使磁畴结构改变，析出钉扎磁畴，阻碍畴壁移动，进而降低成品磁性能。其二是析出物钉扎晶界，间接阻碍再结晶晶粒长大，导致铁损增加。析出物的尺寸越小，体积分数越大，析出物钉扎晶界的能力越强。经过常化处理后使原析出物粗化和新的析出物生成，粗化的析出物减少了对晶粒长大的抑制作用，对成品磁性能影响较小[3]。

热轧板中析出物数量较多，尺寸较小。析出物的面密度约为3 720 个／5 000 μm2，大部分析出物的尺寸在150 nm 以下，主要为MnS 和AlN。其中析出的MnS 尺寸为几十纳米到一百多纳米之间，多为圆形，弥散分布，如图2 所示。析出的AlN 尺寸为100 nm 左右，数量较少，多为方形，如图3 所示。

图2 热轧板中MnS 形貌及能谱

图3 热轧板中AlN 形貌及能谱

热轧板常化后析出物数量减少，尺寸增大。析出物的面密度约为1 072 个/5 000 μm2，200 nm 以上析出物比例增大，主要为MnS 析出和MnS+AlN 的复合析出。其中MnS 析出尺寸增加至200 nm 以上，形状多为圆形，如图4 所示。MnS+AlN 的复合析出尺寸可达几百nm，形状为方形，如图5 所示。AlN 的析出温度比MnS 高，AlN 优先析出和粗化。随后析出的MnS以AlN 为基体附着在上面，形成复合析出。由于MnS数量远多于AlN，因此，本论文中相应成份的无取向硅钢经常化后未找到单独析出的AlN。

图4 热轧板常化后MnS 形貌及能谱

图5 热轧板常化后MnS+AlN 形貌及能谱

3 结论

1）与热轧板相比，常化后发生再结晶，晶粒尺寸进一步长大，再结晶率提高。含硅量2.6%的无取向硅钢在940 ℃×5 min 常化时晶粒较小且不均匀；1 000 ℃×5 min 常化时出现了组织的异常长大；970 ℃×5 min 常化时平均晶粒尺寸121 μm，组织均匀且无异常长大。因此，970 ℃×5 min 为较佳常化工艺。

2）常化处理后，热轧板析出物数量减少，尺寸增大。析出的MnS 可增大到200 nm 以上，且部分MnS会附着在AlN 上形成粗大的MnS+AlN 复合析出。