軋制溫度對雙輥鑄軋硅鋼形變與再結晶織構的影響*

孫　超，張　芳，沙玉輝，柳金龍，左　良

(1. 東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室， 沈陽 110819;2. 河鋼集團唐鋼公司技術中心，河北 唐山 063016)

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軋制溫度對雙輥鑄軋硅鋼形變與再結晶織構的影響*

孫超1,2，張芳1，沙玉輝1，柳金龍1，左良1

(1. 東北大學 材料各向異性與織構教育部重點實驗室， 沈陽 110819;2. 河鋼集團唐鋼公司技術中心，河北 唐山 063016)

摘要：采用宏微觀織構分析相結合的方法，研究了軋制溫度對雙輥鑄軋Fe-2.8%Si-0.8%Al硅鋼形變與再結晶織構的影響。室溫和200 ℃軋制樣品形變織構均由α(〈110〉∥RD)、γ(〈111〉∥ND)和λ(〈001〉∥ND)纖維織構組成，但200 ℃軋制顯著減弱α、λ形變織構，增強γ形變織構特別是1/4層的{111}〈110〉織構。200 ℃軋制時，剪切帶數量增多、儲能增強，從而促進了Goss({110}〈001〉)、Cube ({001}〈100〉)再結晶晶粒分別在γ和{111}〈110〉形變基體剪切帶的大量形核，γ再結晶晶粒在晶界少量形核以及Goss和Cube再結晶晶粒的增多，有效抑制了γ織構。λ織構的變化由Cube和{001}〈110〉的變化共同決定，在1/4層，Cube織構顯著增強導致λ織構的增強；在中心層，Cube略微增強而{001}〈110〉顯著減弱導致λ織構的減弱。

關鍵詞：無取向硅鋼；軋制溫度；雙輥鑄軋；形變織構；再結晶織構

0引言

無取向硅鋼是用量最大的軟磁材料，主要應用于制作發電機和電動機的鐵芯。無取向硅鋼的成分、組織與織構均對磁性能有顯著影響，其中織構優化仍有較大提升空間。有利于磁性能的織構主要為λ(〈001〉∥ND)和η(〈001〉∥RD)織構，對磁性能產生不利影響的織構主要為γ(〈111〉∥ND)織構。

傳統無取向硅鋼制備流程中，Goss({110}〈001〉)和γ再結晶織構之間的競爭決定了再結晶織構特征[1]。軋制溫度是一個重要的加工參數，對Goss和γ再結晶織構的形成與演變有顯著影響[2-3]。Lee等[2]研究表明，Fe-3%Si硅鋼經50和200 ℃下65%壓下率冷軋、退火后呈現不同的再結晶形核機制：前者以γ晶粒在晶界形核為主，后者以Goss晶粒在剪切帶形核為主。Barnett等[3]對低碳鋼再結晶織構的研究顯示，70 ℃軋制時，再結晶織構為γ和Goss織構；300 ℃軋制時，Goss織構增強。200和300 ℃軋制溫度下的Goss織構強化，應與發生動態應變時效進而促進γ形變基體內剪切帶形成相關。

雙輥鑄軋技術應用于無取向硅鋼，可大幅縮短生產流程。特別是其薄帶坯具有初始λ織構特征，使再結晶織構除了常見的Goss和γ外，還包含Cube({001}〈100〉)和λ組分。Liu等[4-5]研究表明，雙輥鑄軋Fe-3%Si和Fe-3.2%Si-0.7%Al硅鋼帶坯分別經75%和82%室溫冷軋和退火后，依次形成強γ和Goss以及強Cube和γ的再結晶織構。Pei等[6]發現，鑄軋Fe-2.99%Si硅鋼帶坯經80%壓下率室溫冷軋和退火后，形成強Goss和γ再結晶織構。由于Goss、Cube和γ再結晶晶粒均可在γ形變基體內形核，且消耗γ形變基體長大，三者之間的競爭關系將影響鑄軋硅鋼薄帶再結晶織構的形成與發展。目前，尚缺少對軋制溫度與雙輥鑄軋硅鋼薄帶中Cube、Goss和γ織構間相互競爭的研究。

本文以雙輥鑄軋帶坯為初始材料，分別采用室溫和200 ℃直接冷軋的方式，研究軋制溫度對形變與再結晶織構的影響。

1實驗

研究用Fe-2.8%Si-0.8%Al雙輥鑄軋帶坯，厚度為2.0mm。經酸洗去除氧化皮后，分別在室溫和200 ℃直接冷軋至0.35mm，冷軋方向(RD)與鑄軋方向平行。隨后將兩種冷軋板在氬氣保護氣氛中進行1 200 ℃保溫1min的再結晶退火。對于軋制和退火樣品，采用SmartLab型X射線衍射儀測試宏觀織構，按Schulz背反射法實測{110}、{200}和{211}不完整極圖，進而通過LaboTex織構分析軟件計算出取向分布函數(ODF)和織構組分體積分數。測試分別在1/4層和中心層進行。切取200mm×30mm的試樣，其中長度方向與軋向平行，經1 200 ℃保溫1min退火后，利用Iwatsusy-8232型B-H分析儀，分析退火雙輥鑄軋硅鋼的磁性能。測試指標為磁場強度2 500A/m時的磁感應強度B25以及磁感應強度為1.5T、頻率為50Hz時的鐵損P15/50。此外，對200 ℃軋制樣品進行了1 200 ℃保溫3s退火，獲得10%再結晶分數的樣品，采用電子背散射衍射(EBSD)技術觀察再結晶形核特征。采用OLYMPUS的OLS3100激光共聚焦顯微鏡在軋板ND-RD面進行組織觀察。

2結果與討論

雙輥鑄軋薄帶坯通體由均勻的等軸晶粒組成，平均晶粒尺寸約為300μm。帶坯織構主要是以Cube為峰值的λ織構，并含有少量{113}〈361〉和Goss織構[7]。圖1(a)、(b)給出了帶坯經室溫和200 ℃軋制后的顯微組織，可觀察到明顯的剪切帶特征。與室溫軋制相比，200 ℃軋制樣品的剪切帶數量占優。由于高儲能區域更容易被腐蝕，從剪切帶腐蝕襯度可知，200 ℃軋制樣品中剪切帶同時具有較高的儲能。圖2為經室溫和200 ℃冷軋后的形變織構。

圖1　鑄軋硅鋼帶坯經不同溫度軋制和1 200 ℃保溫1 min退火的金相組織

Fig1Microstructuresofsiliconsteelsheetscoldrolledwithdifferentrollingtemperaturesandannealedat1 200 ℃for1min

圖2　鑄軋硅鋼帶坯經不同溫度軋制后ODF的2=45°截面圖(取向密度等級：1,2,3…)

圖3　鑄軋硅鋼軋制織構沿α、γ和λ取向線分布特征

Fig3Orientationdensitiesalongα,γandλfibersofsiliconsteelsheetsrolledwithdifferentrollingtemperatures

形變織構主要由α、γ和λ組成，軋制溫度對各組分強度影響顯著：室溫冷軋時，通體由{001}～{112}〈110〉區間的α、{001}〈110〉～〈210〉區間的λ及較弱的γ織構組成；200 ℃冷軋時，1/4層的形變織構由以近{111}〈110〉為峰值的強γ織構和弱α、λ織構構成，中心層的形變織構相對較弱。圖3給出了冷軋織構沿α、γ和λ取向線的取向密度分布。由圖3可知，當軋制溫度由室溫升高至200 ℃時，{001}～{112}〈110〉強α織構和{001}〈110〉～〈210〉λ織構顯著減弱，γ織構特別是1/4層的{111}〈110〉織構則顯著增強。

圖1(c)、(d)和圖4分別給出了室溫和200 ℃冷軋板經1 200 ℃保溫1min退火后的組織與織構。軋制溫度對再結晶組織影響較小，兩者均為等軸晶且尺寸接近。但軋制溫度對再結晶織構影響顯著，室溫軋制時，1/4和中心層再結晶織構均為以Goss為峰值的η、α、{113}〈361〉和較弱的Cube織構，中心層還有較強的{111}〈112〉和{001}〈110〉～〈210〉區間的λ織構；200 ℃軋制時，1/4和中心層再結晶織構均由以Goss為強點的η、{001}〈100〉～〈210〉區間的λ、Cube及{113}〈361〉織構組成，α和γ織構幾乎完全消失。

圖4　不同溫度冷軋和1 200 ℃保溫1 min退火后的ODF恒2 =0和45°截面圖(取向密度等級：1,2,3…)

Fig4Constant2=0and45°sectionsofODFsofsiliconsteelsheetscoldrolledwithdifferentrollingtemperaturesandannealedat1 200 ℃for1min

圖5給出了各主要再結晶織構組分的體積分數。在1/4層，200 ℃軋制顯著增強再結晶織構中的Cube、Goss和λ織構，減弱{111}〈112〉織構；在中心層，200 ℃軋制減弱{111}〈112〉和λ織構，略微增強Cube和Goss織構。結合圖4可知，λ織構體積分數的減少，與{001}〈110〉織構的顯著減弱相關。磁性能測試結果表明，軋制溫度對磁感應強度B25影響顯著而對鐵損P15/50影響不明顯，軋制溫度由室溫升高至200 ℃時，B25由1.60T升高至1.63T，而P15/50保持在2.5W/kg左右。結合再結晶組織和織構可知，200 ℃軋制時，B25的提高與Goss、Cube的增強以及γ織構的減弱有關，P15/50變化不明顯可能是由于兩者最終退火后晶粒尺寸相似。

由以上結果可知，在200 ℃軋制增強Goss、Cube再結晶織構、減弱γ再結晶織構。鑒于三者均可在γ形變基體形核，這種影響應與γ形變織構的增強相關聯。為了進一步分析200 ℃軋制改善再結晶織構的原因，選擇200 ℃軋制樣品并采用EBSD技術，分析γ形變基體內Goss、Cube和{111}〈112〉晶粒的形核特征。

圖5不同溫度軋制的硅鋼薄板經1 200 ℃保溫1min退火后各織構組分的體積分數

Fig5Volumefractionsofvariousrecrystallizationtexturecomponentsofsiliconsteelsheetscoldrolledatdifferenttemperaturesandannealedat1 200 ℃for1min

圖6分別給出了{111}〈112〉和{111}〈110〉-〈112〉形變基體內再結晶晶粒取向成像圖。{111}〈112〉形變基體的剪切帶主要為Goss再結晶晶粒形核；{111}〈110〉形變基體的剪切帶主要為Goss和Cube再結晶晶粒形核，且兩者數量相當。γ再結晶晶粒主要在γ形變基體的晶界區域形核，且形核數量很少。

無取向硅鋼再結晶織構演變與形變組織和織構密切相關，軋制溫度對雙輥鑄軋硅鋼薄帶再結晶織構演變的影響，其原因即在于特殊的形變組織與織構。Goss晶粒主要形核于γ形變基體的剪切帶[8-9]，200 ℃軋制使γ形變織構顯著增強，剪切帶數量增加且儲能提高。結合γ形變基體的形核特征(圖6)可知，Goss晶粒在{111}〈112〉和{111}〈110〉形變基體均可大量形核，由此雙輥鑄軋硅鋼通過軋制溫度升高使Goss再結晶織構得以顯著強化。

Cube晶粒主要形核在由初始Cube晶粒演變而來的Cube形變帶[10-11]、γ形變基體的剪切帶[7]以及{112}〈110〉[1]和{110}〈110〉[12]等α形變基體的剪切帶。200 ℃軋制顯著減弱了可能對Cube形核有貢獻的{112}〈110〉和{001}〈210〉形變織構，但γ織構特別是1/4層的{111}〈110〉織構顯著增強，而{111}〈110〉的增強與Cube再結晶織構的增強相對應。結合剪切帶數量增加、儲能增強和{111}〈110〉形變基體的形核特征(圖6)，200 ℃軋制下Cube再結晶織構的增強主要是由{111}〈110〉形變基體的剪切帶形核貢獻增加所致。

圖6200 ℃軋制樣品中形核位置和周圍形變基體的取向成像圖

Fig6Orientationimagesmapsofnucleationsitesandsurroundeddeformedmatricesinsiliconsheetrolledat200 ℃

γ再結晶晶粒主要形核于γ形變基體的晶界和形變帶[13]。200 ℃軋制有效促進Goss和Cube再結晶晶粒在γ形變基體剪切帶的大量形核，并消耗γ形變基體長大，減少了γ再結晶晶粒的發展空間，同時γ再結晶晶粒在晶界形核數量很少，兩者共同決定了200 ℃軋制時γ再結晶晶粒的形成和發展均被有效抑制。λ織構的強度變化則由{001}〈110〉和Cube組分的變化共同決定：在1/4層，λ織構主要為{001}〈100〉-〈210〉，Cube織構的顯著增強導致λ織構增強；在中心層，織構中既包含Cube織構也包含{001}〈110〉織構，Cube織構強度略微增強而{001}〈110〉織構顯著減弱，導致λ織構整體強度減弱。

剪切帶是均勻變形受阻時出現的集中變形組織[14]，200 ℃軋制增加剪切帶數量、增強儲能，這應與動態應變時效現象有關[2-3]。鑄軋帶坯中不可避免地含有少量C、N原子，200 ℃軋制時C、N原子活動性增加并在軋制變形時富集于位錯，產生動態應變時效，促進局部區域出現高速集中變形的失穩特征，即形成由剪切帶承擔晶粒變形的非均勻變形方式，使剪切帶數量增加且剪切帶內等效應變提高。

3結論

以具有初始λ織構的雙輥鑄軋薄帶坯為對象，研究了室溫與200 ℃軋制對形變和再結晶織構的影響，主要結論如下：

(1)軋制溫度顯著影響形變織構和剪切帶特征：形變織構均由α、γ和λ纖維織構組成，但200 ℃軋制顯著減弱α、λ織構，增強γ織構特別是1/4層的{111}〈110〉織構；200 ℃軋制增加剪切帶數量及其儲能。

(2)再結晶織構隨軋制溫度提高變化明顯，200 ℃軋制促進了Goss和Cube再結晶織構增強，γ再結晶織構有效抑制，在1/4層λ織構因Cube織構增加而強化，中心層λ織構則由于{001}〈110〉減少而弱化。

(3)適宜的軋制溫度結合壓下率和初始織構，有利于雙輥鑄軋硅鋼薄帶中形成強λ和Goss有利再結晶織構，抑制γ不利再結晶織構，并顯著提高磁感應強度B25。

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文章編號：1001-9731(2016)07-07071-05

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2012AA03A505)；國家自然科學基金資助項目(51171042, 51101031)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20110042110002)

作者簡介：孫超(1981-)，男，河北衡水人，博士，師承沙玉輝教授，從事硅鋼組織和織構優化及相關機制研究。

中圖分類號：TG337.3

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.07.014

Effectofrollingtemperatureondeformationandrecrystallizationtextureintwin-rollcastsiliconsteel

SUN Chao1,2，ZHANG Fang1，SHA Yuhui1，LIU Jinlong1，ZUO Liang1

(1.KeyLaboratoryforanisotropyandTextureofmaterials,MinistryofEducation,NortheasternUniversity,Shenyang110819,China;2.HesteelGroupTangsteelCompanyTechnicalCenter,Tangshan063016,China)

Abstract:The twin-roll cast Fe-2.8%Si-0.8%Al strips were cold rolled at room temperature and 200 ℃, respectively, and annealed to investigate the effect of rolling temperature on deformation and recrystallization texture by macro- and micro-texture analysis. Deformation textures are both composed of α, γ and λ fibers under the two rolling temperatures, but rolling at 200 ℃ reduces α and λ fibers while increases γ fiber especially {111}〈110〉 component at quarter layer. Recrystallization textures for the two rolling temperatures consist of Goss, λ and γ. Relative to the room temperature rolling, the rolling at 200 ℃ promotes the nucleation of Goss and Cube grains at shear bands, whereas weakens nucleation of γ grain at grain boundaries. Moreover, the recrystallization λ fiber is enhanced at quarter layer by the increase of Cube and weakened at center layer due to the reduction of {001}〈110〉, respectively.

Key words:non-oriented silicon steel; rolling temperature; twin-roll strip casting; deformation texture; recrystallization texture

收到初稿日期：2015-06-10 收到修改稿日期：2015-09-26 通訊作者：張芳，E-mail:zhangf@smm.neu.edu.cn