退火工艺对平整轧制后50W800无取向硅钢磁性能的影响

2022-11-29谯德高赵小龙狄彦军郭渊强蔺晓亮

金属热处理 2022年11期

谯德高，赵小龙，狄彦军，郭渊强，蔺晓亮

(1. 酒钢宏兴股份公司碳钢薄板厂，甘肃嘉峪关 735100；2. 酒钢宏兴股份公司钢铁研究院，甘肃嘉峪关 735100)

板形和表面质量是无取向电工钢的重要质量指标[1-2]。为了提高叠片系数，必须保证无取向电工钢表面光滑、板形良好[3-5]。因此，需要对再结晶退火后的带钢进行平整轧制。平整实质是一种小压下量的轧制变形，经过平整，可以消除屈服平台[6]，防止带钢在拉伸或深冲时出现滑移线，以便钢板在拉伸或深冲时获得均匀的延伸。但退火后的无取向硅钢再经过平整机轧制后会增加小角度晶界含量，阻碍磁畴的移动，使得磁畴的尺寸变小，阻碍了磁化过程，从而降低磁感，提高铁损[7-8]。小角度晶界的结构可以用位错模型来解释，退火之后会发生应力释放，位错减少，宏观上表现为吞并亚晶，晶粒长大[9-10]。因此可以通过对平整轧制后的硅钢片进行去应力退火处理以改善50W800无取向硅钢成品的性能。

1 试验方案

试验材料采用某钢厂经过热轧、酸轧、罩式炉退火和平整机轧制后的50W800冷轧无取向电工钢板，切取尺寸200 mm×400 mm的试样备用。模拟现场退火设备在BF1400-50箱式高温炉中进行，使用容积80 L，控温精度±1 ℃，升温速率≤30 ℃/min。为防止试样表面氧化，将金相试样置于空心线棒，并加入少量碳粉作保护。试验时分别将试样加热至400、500、600、700、800 ℃，并保温2 min，之后空冷至室温，如图1 所示。随后用单片测量法测量其铁损和磁感应强度，将金相样镶嵌好后打磨、抛光、电解腐蚀后通过场发射扫描电镜配备的EBSD组件观察无取向硅钢组织织构，使用Channel 5 软件分析织构类型。

图1 试验试样退火工艺Fig.1 Annealing process of the tested specimen

2 试验结果与分析

2.1 退火工艺对无取向硅钢磁性能的影响

图2为50W800无取向硅钢退火温度与磁性能的关系。从图2(a)中可以看出，50W800无取向硅钢平整之前纵向铁损为5.8 W/kg，平整之后铁损增大到7.0 W/kg，平整导致铁损增加20.7%。但随着平整之后退火温度的提高，无取向硅钢无论横向还是纵向的铁损都呈降低趋势，特别是退火温度为400～700 ℃时，铁损几乎呈直线下降，当退火温度达到800 ℃时，纵向铁损降低到5.0 W/kg，表明平整之后的退火可以降低50W800无取向硅钢的铁损，由平整之前的5.8 W/kg降低到5.0 W/kg，降低13.8%。对比横向和轧向的铁损曲线，发现轧制方向对铁损的影响不大。

从图2(b)中可以看出，轧向的磁感应强度普遍高于横向，说明轧制方向对磁感有影响。平整之前轧向磁感为1.708 T，平整之后为1.693 T，平整使磁感降低0.015 T，但随着平整之后退火温度的升高，无论横向还是纵向，50W800钢的磁感都呈缓慢上升趋势，且当退火温度为500 ℃时，钢磁感应强度恢复至未平整状态，当退火温度为700 ℃时，磁感应强度达到最大值，轧向磁感为1.717 T，较平整之前磁感提高了0.009 T。因此，对平整之后50W800冷轧板进行700 ℃退火处理有利于降低无取向硅钢铁损、提高磁感。

图2 50W800无取向硅钢平整后退火温度对铁损(a)和磁感应强度(b)的影响Fig.2 Effect of annealing temperature on iron loss(a) and magnetic induction strength(b) of the flattening rolled 50W800 non-oriented silicon steel

2.2 退火工艺对无取向硅钢组织与织构的影响

为进一步分析平整轧制前后磁性能下降的原因以及去应力退火对50W800无取向硅钢组织的影响，使用EBSD(电子背散射衍射)技术表征50W800无取向硅钢的具体晶粒取向变化。图3为平整轧制和退火前后50W800无取向硅钢织构分布图，图3中红色晶界线代表2°～5°的小角度晶界，蓝色晶界线代表5°～15°的小角度晶界。由图3可以看出，平整前后小晶粒众多，且晶粒均匀性较差，并存在许多小角度晶界，经400 ℃退火后，50W800无取向硅钢晶粒尺寸明显增大，晶粒均匀性也有所上升，700 ℃退火处理后晶粒均匀性最好，随着退火温度提高至800 ℃，组织中出现个别尺寸较大的晶粒，导致晶粒整体均匀性下降。

图3 平整前后和不同退火工艺下50W800无取向硅钢织构分布图(a)平整前; (b)平整后; (c)400 ℃; (d)700 ℃; (e)800 ℃Fig.3 Texture distribution diagrams of the 50W800 non-oriented silicon steel before and after flattening and then after different annealing processes(a) before flattening; (b) after flattening; (c) 400 ℃; (d) 700 ℃; (e) 800 ℃

无取向硅钢织构{100}、{110}有利于硅钢获得良好的各向同性磁性，应尽量增加此类织构，而织构{111}对其磁性能不利，应尽量减少。图3中不同晶粒颜色代表不同取向织构，从图3可以看出，平整前和平整后不利织构{111}占比大，经过平整退火后占比大幅降低，在700 ℃占比最低，但800 ℃退火时{111}织构占比又有所上升，这是由于晶粒异常长大造成的。

图4为平整退火前后小角度晶界变化。由图4可以看出，较平整前而言，平整后的50W800无取向硅钢增加了许多小角度晶界，经过400 ℃退火后确实能消耗小部分小角度晶界，经过700 ℃退火时小角度晶界总含量最低。小角度晶界形成和聚集的主要原因在于晶粒的变形和位错运动。在平整过程中新产生的位错随着变形的增加倾向于往晶粒内部运动，当这些位错运动到晶界处时，由于晶界的阻隔作用，这些位错将会在晶界处堆积成位错团，增加晶界附近的位错密度。当晶界处的位错密度继续增加，达到一定程度时，就会形成位错晶胞，从而最终发展成小角度晶界。另外，晶界附近的位错团的形成和位错密度的增加又会阻碍位错的进一步运动，并且阻止晶粒的进一步塑性变形，也就产生了宏观所见的加工硬化现象[11]。小角度晶界的增加还会阻碍磁畴的移动，其磁畴依靠磁畴壁移动长大，而在晶界处应力较大，缺陷也比较多，这些阻碍了磁畴的移动，进而使得磁畴的尺寸变小，阻碍了磁化过程，从而进一步降低磁感[12]。因此，冷轧板进行700 ℃短时间退火处理能消耗大量小角度晶界，使得晶界含量降低，磁畴壁更易移动，从而降低铁损。

图4 平整前后和不同工艺退火后50W800无取向硅钢中小角度晶界分布Fig.4 Distribution of small angle grain boundary in the 50W800 non-oniented silicon steel before and after flattening and then after different annealing processes

图5为平整退火后取向分布函数的φ2=45°截面图。从图5可以看出，平整后形成较强的{111}<112>形变织构，织构分布密度水平达到14.0；经过400 ℃退火后，{111}<112>织构强度大幅降低，分布密度水平降到4.9；经过700 ℃退火后，{111}<112>织构强度降到最低，分布密度水平为1.1；经过800 ℃退火后，{111}<112>织构强度由于晶粒长大又变强，分布密度水平上升到2.8，并形成了分布密度水平为9.61 的较强{111}<110>织构。可见700 ℃平整退火可使平整板中不利的{111}<112>织构强度降低到最低水平。

图5 平整及不同温度退火后50W800无取向硅钢取向分布函数的φ2=45°截面图(a)平整后; (b)400 ℃; (c)700 ℃; (d)800 ℃Fig.5 φ2=45° section diagrams of orientation distribution function of the 50W800 non-oriented silicon steel after flattening and then annealing at different temperatures(a) after flattening; (b) 400 ℃; (c) 700 ℃; (d) 800 ℃

图6为平整退火后ODF的α、γ和η取向线。从α取向线上可以看出，平整板经过700 ℃退火后形成较强的{112}<110>织构，其分布密度水平为7.0；平整板经过800 ℃退火后形成较强的{111}<110>织构；从γ取向线上可以看出，平整后形成的强{111}<112>织构经退火后强度大幅度降低，700 ℃退火后，{111}<112>织构强度最低；{111}<110>织构强度随退火温度的升高先降低后升高，700 ℃退火强度最低；从η取向线上可以看出，400 ℃平整退火{110}<001>织构强度最高。

图6 50W800无取向硅钢平整及不同温度退火后ODF的α(a)、γ(b)和η(c)取向线Fig.6 α(a), γ(b) and η(c) orientation lines of ODF of the 50W800 non-oriented silicon steel after flattening and then annealing at different temperatures

2.3 力学性能

众所周知，电工钢冲片性的好坏对电工钢质量的好坏起着很重要的作用[13-14]。电工钢板的冲片性越好，冲模和剪刀寿命就越长，节约生产成本，而且可以保证叠片尺寸精度及减少其毛刺。硅钢片表面光滑、平整和厚度均匀，可以提高铁芯的叠片系数，即铁芯的有效利用空间。叠片系数高，铁芯中空气间隙就小，从而减小激磁电流。因此，希望50W800无取向硅钢具有较好的力学性能，以减少冲片后边部毛刺的含量[13-14]。

图7 平整及不同温度退火后50W800无取向硅钢的力学性能Fig.7 Mechanical properties of the 50W800 non-oriented silicon steel after flattening and then annealing at different temperatures

从图7可以看出，50W800无取向硅钢平整后，即室温时，材料拥有较好的力学性能。但经过不同温度去应力退火后，随着退火温度的升高，50W800无取向硅钢的抗拉强度逐渐降低，特别是800 ℃退火时，其抗拉强度急速下降，同时屈服强度也随退火温度的升高呈先上升再下降的趋势，而无取向硅钢的断后伸长率随退火温度的升高整体呈上升趋势，因此退火温度为800 ℃时有利于降低剪刀和冲模的损耗。但考虑到700 ℃退火时磁性能更佳，在工业化生产中选择700 ℃ 作为退火温度，更有利于降低50W800无取向硅钢的生产成本。