冷轧压下率对高强无取向电工钢变形组织和磁性能的影响

2024-03-29宋新莉程朝阳

材料工程 2024年3期

吴硕，贾涓，宋新莉，程朝阳，吴隽，刘静

（武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，武汉 430081）

近年来，我国密集发布了有关“碳达峰、碳中和”的相关政策，提出加大新能源电动汽车的推广应用力度，电动汽车将成为汽车行业的发展趋势。高强无取向电工钢因在圆周方向具有高的磁感应强度、低的铁损值以及较好的力学性能，被广泛应用在电动汽车电机的铁芯上［1-3］。冷轧压下率对高强无取向电工钢的磁性能有明显的影响。李长一等［4］研究发现，冷轧压下率会影响金属各位向储存能的大小，从而影响再结晶织构的类型与强度。储双杰等［5］研究表明，冷轧压下率的增大会使α，γ 形变织构和λ 再结晶织构增强，η再结晶织构先增强后减弱。林媛等［6］发现，随冷轧压下率增大，γ 纤维织构增强，α 纤维织构减弱并逐渐转变为α*纤维织构，对磁性能有利的织构强度降低，不利的织构强度增大。再结晶晶粒率先在冷轧变形组织中的剪切带处形核，剪切带是衔接再结晶与冷轧组织的重要桥梁。金自力等［7］研究表明，当冷轧压下率达到30%时，剪切带开始产生，并逐渐增多。刘涛［8］发现，γ 取向冷轧织构中更易产生剪切带，退火时为η取向和Goss 取向的再结晶晶粒提供形核场所。陈思昊［9］研究发现，3% 硅钢冷轧后剪切带角度分布在17°~32°，随冷轧压下率增大，角度逐渐减小，数量增多，剪切带间距先增大后减小再增大。

因此，冷轧压下率显著影响冷轧变形组织，退火时率先形核的晶粒取向与变形组织织构密切相关，进而影响再结晶织构与磁性能。目前针对变形组织的研究主要集中在剪切带的宏观数量及倾斜角度等方面。本工作对不同冷轧压下率高强无取向电工钢的变形组织进行表征，研究其微观取向、形态特征和形变储存能，分析其对再结晶织构和磁性能的影响，以期指导高强无取向电工钢变形组织的调控。

1 实验材料与方法

本工作所用实验材料为高强无取向电工钢热轧板，厚度为2.3 mm，其化学成分如表1 所示。将热轧板在920 ℃常化处理90 s，常化酸洗后经多道次冷轧至0.30，0.27 mm 和0.25 mm，冷轧压下率分别为86.95%，88.26%和89.13%。对三种压下率的冷轧板进行再结晶退火处理：利用RTP1200 型快速升温管式炉，以30 ℃/s 速率升温到700 ℃，再以5 ℃/s 速率升温到960 ℃，保温25 s 后随炉冷却，加热和冷却过程中采用氮气保护。利用MPG-100D 型交流磁性能测量仪对退火样品进行磁性能测试。

表1 实验钢的化学成分（质量分数/%）Table1 Chemical compositions of test steel （mass fraction/%）

将不同冷轧压下率的冷轧板与退火板裁剪镶样，抛光后使用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀，观察平行轧向方向纵截面的显微组织形貌，同时借助配有电子背散射衍射系统的Apreo S HiVac 型场发射SEM进行EBSD 测试，放大倍数900 倍，步长0.5 μm。利用AZtecCrystal 软件对截取不同冷轧压下率下变形组织及剪切带进行汇总，使用Channel 5 软件获取IPF 图、ODF 截面图，计算平均晶粒尺寸、大小角度晶界分布、织构组分的百分含量及取向差。

2 实验结果

图1 为不同冷轧压下率冷轧板的显微组织和取向成像图。可以看出，冷轧后的晶粒沿轧向被拉长，形成水平方向长条状的形变条带。根据形变条带被腐蚀程度的深浅，发现主要有两种类型，一种是腐蚀程度较大、颜色较深且取向成像图主要呈蓝色的形变条带，称为粗糙条带；另一种是腐蚀程度较小、颜色较浅且取向成像图主要呈偏紫色和红色的形变条带，称为光滑条带。当正常的位错滑移不能实现外载荷所强制推动的瞬时大应变量时，会以瞬时塌陷的方式进行塑性变形，形成变形剪切带［10］。随冷轧压下率增大，粗糙条带逐渐变宽，其中存在大量破碎的晶粒和亚结构，形成与轧向呈20°~35°夹角的剪切带（图1 中红色虚线所示），剪切带逐渐清晰且数量增多。光滑条带中基本观察不到剪切带，随冷轧压下率增大，光滑条带中的亚结构增多，但未形成明显的剪切带形貌。

图1 不同冷轧压下率冷轧板的显微组织（1）和取向成像图（2）（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%Fig.1 Microstructures（1） and orientation imaging maps（2） of cold-rolled sheet with different cold rolling reduction rates（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%

图2 为不同冷轧压下率冷轧板粗糙条带和光滑条带的取向成像图及对应的取向分布函数（orientation distribution function，ODF）截面图（φ2=45°，极密度等高线强度：1，10，30，50）。可以看出，剪切带所在的粗糙条带呈｛111｝〈110〉为主的γ 取向。随冷轧压下率增大（分别为86.95%，88.26%，89.13%），强度逐渐向｛111｝〈110〉聚集；发散角为15°时，｛111｝〈110〉含量逐渐增多，依次为25.8%，27.7%，29.25%。光滑条带呈紫色的｛112｝取向和红色的｛001｝取向，其具体的晶体取向为｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉。发散角为15°时，｛112｝〈110〉含量逐渐减少，依次为37.2%，32.1%，29.8%；｛001｝〈110〉含量逐渐增多，依次为16%，22.6%，23.6%，｛112｝〈110〉取向逐渐转向｛001｝〈110〉取向。

图2 不同冷轧压下率冷轧板中粗糙条带和光滑条带的取向成像图（1）及对应的φ2=45° ODF 截面图（2）（a），（d）86.95%；（b），（e）88.26%；（c），（f）89.13%Fig.2 Orientation imaging maps of rough strips and smooth strips in cold-rolled sheet with different cold rolling reduction rates（1） and corresponding φ2=45° ODF cross-section maps（2）（a），（d）86.95%；（b），（e）88.26%；（c），（f）89.13%

图3 为不同冷轧压下率粗糙条带和光滑条带内晶界取向差的分布情况。可以看出，两种条带中均以0°~10°的小角度晶界为主，光滑条带中小角度晶界占比高于粗糙条带。随冷轧压下率增大，变形条带中的小角度晶界占比均减少，粗糙条带中出现少量大角度晶界。

图3 不同冷轧压下率粗糙条带（1）和光滑条带（2）内晶界取向差分布（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%Fig.3 Distributions of grain boundary misorientation in rough strips（1） and smooth strips（2） with different cold rolling reduction rates（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%

图4 为不同冷轧压下率样品中剪切带的平均微取向差（kernel average misorientation，KAM）分布图和取向差分布情况。可以看出，剪切带处的KAM 值比基体更高，主要在3.55~4.25 之间。KAM 反映样品的变形水平，剪切带比基体变形程度更大，其形变储存能更高；随冷轧压下率增大（分别为86.95%，88.26%，89.13%），KAM 值在3.55~4.25 范围内的占比依次为2.93%，8.08%和15.8%，剪切带数量随压下率增大逐渐增多。与此同时，垂直经过剪切带时（AB，CD，EF），取向差分布图中出现明显的双峰，两个峰之间的距离约为2~3 μm。剪切带边界与剪切带内外均存在取向差，约为10°~20°；剪切带内和基体中的取向差均在5°以下。随冷轧压下率增大，剪切带边界处的取向差逐渐增大到15°以上，这与图3中粗糙条带晶界取向差的变化规律吻合。剪切带是一组具有高形变储存能并且与变形基体具有一定取向差的条状亚结构。

分别在每种样品中截取6 条剪切带，统计计算得到剪切带的晶体取向。图5 为不同冷轧压下率冷轧板中剪切带的取向分布函数截面图（φ2=45°，极密度等高线强度：1，10，20，40）。可以看出，极密度等高线主要在γ取向线上分布，含有｛223｝〈110〉和｛111｝〈110〉取向。随冷轧压下率增大，取向强点逐渐上移，｛111｝〈110〉强度减弱，｛223｝〈110〉强度增强。发散角为5°时，｛223｝〈110〉含量逐渐增多，依次为6.88%，7.54%，9.74%；｛111｝〈110〉含量逐渐降低，依次为4.9%，4.09%，1.83%，｛111｝〈110〉取向逐渐转向｛223｝〈110〉取向。

图5 不同冷轧压下率冷轧板中剪切带的ODF 截面图（φ2=45°）（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%；（d）φ2=45°标准截面图Fig.5 ODF cross-section maps of cold-rolled sheet shear bands with different cold rolling reduction rates（φ2=45°）（a）86.95%；（b）88.26%；（c）89.13%；（d）φ2=45° standard cross-section map

图6为不同冷轧压下率退火板的取向成像图。可以看出，随冷轧压下率增大，红色的｛001｝晶粒数量减少，绿色的｛110｝晶粒数量增多。随冷轧压下率增大（分别为86.95%，88.26%，89.13%），退火样品的晶粒尺寸依次为128.52，120.08，109.15 μm，平均晶粒尺寸减小。

图6 不同冷轧压下率退火板的取向成像图（a），（b）86.95%；（c），（d）88.26%；（e），（f）89.13%Fig.6 Orientation imaging maps of annealed sheet with different cold rolling reduction rates（a），（b）86.95%；（c），（d）88.26%；（e），（f）89.13%

表2 为不同冷轧压下率退火板中织构组分含量的统计结果。随压下率增大，｛001｝面织构减少，｛111｝和｛110｝面织构增多；｛001｝〈100〉立方织构减少，Goss织构增多。

表2 不同冷轧压下率退火板中织构组分Table2 Texture components in annealed sheet with different cold rolling reduction rates

表3 为不同冷轧压下率冷轧板退火后的磁性能。随压下率增大，横向（TD）的磁感应强度B5000呈明显下降趋势，而轧向（RD）的磁感应强度略微上升，磁各向异性逐渐显著。工频铁损P1.5/50和高频铁损P1.0/400均呈降低趋势，其中高频铁损下降更明显。

表3 不同冷轧压下率冷轧板退火后横向与轧向的磁感应强度及铁损Table3 Magnetic induction intensity and iron loss in transverse and rolling direction of cold-rolled sheet after annealing with different cold rolling reduction rates

3 分析与讨论

大压下率下高强无取向电工钢中产生两种形变条带，粗糙条带以｛111｝〈110〉等γ 取向为主，光滑条带以｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉取向为主。研究表明［10］，冷轧后晶粒腐蚀强度的差异性与形变储存能有关。计算可知，｛111｝〈110〉等γ 取向晶粒变形时具有较大的取向因子，形变储存能高，变形后其内部出现大量小角度晶界等亚结构，因此腐蚀后形貌粗糙。｛112｝〈110〉和｛001｝〈110〉等α 取向晶粒变形后破碎晶粒和亚结构少，形变储存能低，因此腐蚀后形貌光滑。

在实验钢的粗糙条带中观察到大量剪切带，宽度约为2~3 μm，与轧向呈20°~35°夹角，与基体间具有较大取向差，且随压下率增大数量逐渐增多，取向差逐渐增大。研究表明［11］，电工钢中的剪切带多出现在｛111｝〈121〉和｛111｝〈110〉形变基体中，剪切带的形成趋势与形变基体Taylor 因子的大小、是否为冷轧主要织构及其生长过程密切相关［12］。当优先产生的变形带具有生长较快的冷轧主要织构和较高Taylor 因子时，更易形成剪切带。本工作的压下率下，｛111｝〈110〉逐渐增多，成为冷轧主要织构且其具有较大的Taylor 因子，随冷轧压下率增大，｛111｝〈110〉变形带生长更快，因此在粗糙的｛111｝〈110〉条带中观察到大量剪切带。在较大压下率下，局部切变使得平行于轧向的变形带发生弯折形成剪切带，实验钢中基体条带内部局部切变产生的剪切带主要具有｛223｝〈110〉和｛111｝〈110〉取向，计算可知二者的取向差约为12°，故剪切带与基体存在取向差。随冷轧压下率增大，变形不均匀程度增加，剪切带增多，同时剪切带的晶体取向逐渐转向｛223｝〈110〉，使其与基体间取向差不断增大。

随冷轧压下率增大，实验钢中剪切带的KAM 值逐渐增大，形变储存能增高。研究表明，退火过程中γ再结晶晶粒主要形核在γ 形变条带的晶界和条带上［13-14］，通过消耗γ 形变基体或吞并相邻基体长大；而Goss 再结晶晶粒主要形核于γ 形变基体内的剪切带处［15-17］，通过消耗γ 形变基体长大［18］。计算可知，Goss与剪切带间具有45°左右的大取向差角，同时剪切带具有更高的形变储存能，进一步证明Goss 再结晶晶粒在剪切带处形核长大。故随冷轧压下率增大，剪切带的增多导致Goss 晶粒的形核点增加，率先形核的Goss晶核具有尺寸优势，并借助大角度晶界迁移长大，从而使退火样品中Goss 织构含量增多。高强无取向电工钢的磁性能受再结晶织构影响显著［19-20］。随压下率增大（分别为86.95%，88.26%，89.13%），实验钢中立方织构减少，Goss 织构增多；轧向〈100〉晶向占比逐渐增多，依次为6.97%，10.51%，13.41%；横向〈100〉晶向占比逐渐减少，依次为6.67%，4.84%，4.32%。因此随压下率增大，实验钢轧向磁感升高，横向磁感降低，磁各向异性明显。