同步與異步熱軋硅鋼帶顯微組織特點

張小玲， 李文強， 張中瑞， 于永梅

(沈陽化工大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110142)

硅鋼是電力電子工業(yè)不可或缺的鐵磁材料，高磁感應強度、低的鐵芯損耗是取向硅鋼需求的優(yōu)良性能，這與熱軋鋼帶晶粒的尺寸以及微觀織構中高斯織構的取向有密切的關系.取向硅鋼的生產工藝繁瑣，且各工藝之間緊密銜接，要想二次再結晶后獲得大尺寸的晶粒，并獲得更多取向單一的大尺寸高斯取向晶粒，需要合理地安排取向硅鋼的工藝流程，嚴格控制各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，以確保最終的顯微組織與織構均達到理想狀態(tài)[1-2].傳統(tǒng)取向硅鋼生產均以同步熱軋為主，由于同步熱軋沿板厚方向剪切力相對較小，所以，本文采用異步熱軋以增加剪切力，為了對比分析本文采用同步熱軋和1.1異速比異步熱軋的兩種軋制方式制備熱軋鋼帶，重點研究分析了同步熱軋和異步熱軋工藝中各鋼帶的顯微組織特點，研究異步熱軋條件下顯微組織的演變規(guī)律及對磁性能的影響規(guī)律，為取向硅鋼工藝優(yōu)化提供堅實的理論基礎.

1 實驗材料及方案

1.1 實驗材料

實驗鋼的化學成分如表1所示.在專門的鋼鐵冶煉企業(yè)進行冶煉后，用熱軋實驗機軋制成厚度為2.5 mm的鋼帶.

表1 鑄坯的成分

1.2 實驗工藝

采用不同的異速比進行熱軋實驗.將實驗材料分為2份，分別標注為A1、A2，其中A1實驗材料為異速比為1.0的同步熱軋的鋼帶，A2為異速比為1.1的異步熱軋的鋼帶.具體的熱軋實驗工藝如表2所示.

表2 熱軋實驗工藝

1.3 顯微組織試樣制備

取同步與異步熱軋后的鋼帶進行試樣的制備，流程如下：線切割→熱鑲嵌→打磨→膏拋→水拋→腐蝕→酒精沖洗→吹干→拍照、觀察.對制備完成的試樣用光學顯微鏡進行顯微組織的觀察.

2 熱軋硅鋼帶顯微組織演化規(guī)律

金屬材料在再結晶溫度以上的溫度進行軋制的過程被稱為熱軋.在熱軋過程中使金屬或合金發(fā)生再結晶時的溫度被稱為再結晶溫度[3].

2.1 同步熱軋硅鋼帶顯微組織形貌

圖1為同步熱軋硅鋼帶顯微組織圖，(a)～(d)分別為試樣上表面、過渡層、中心層和下表面.

圖1 同步熱軋鋼帶的顯微組織

由圖1可知：同步熱軋后硅鋼帶的顯微組織沿厚度方向呈現(xiàn)明顯的組織不均勻.試樣上、下表面(圖(a)、(d))有相同的顯微組織.試樣沿鋼帶厚度方向分為表層、過渡層和中心層三個區(qū)域[4-6].其中過渡層晶粒最細，試樣表層和中心層的晶粒都較為粗大.

鋼帶在發(fā)生再結晶時會在變形組織的基體上形成新的晶核，并且迅速長大為新的等軸晶粒，等軸晶粒逐漸取代變形組織，性能也有了明顯的變化.影響再結晶的因素有：溫度、變形程度、微量溶質原子、原始晶粒尺寸、分散相粒子等[7].加熱溫度越高，再結晶轉變速度越快，完成再結晶所需要的時間也越短.金屬的變形程度越大，儲存能越多，再結晶驅動力也越大，因此，再結晶溫度也越低，同時再結晶速度也越快.存在微量的溶質原子對再結晶有巨大的影響.溶質原子或雜質原子與位錯、晶界存在交互作用，偏聚在位錯及晶界處，對位錯運動及晶界遷移起阻礙作用，因此，不利于再結晶的形核和長大.在其他相同的情況下，晶粒越細，變形抗力越大，變形儲能越多，再結晶溫度越低.相同變形程度，晶粒越細，可供形核位置越多，形核率也增大，再結晶速度加快.分散相粒子直徑較大.粒子間距較大的情況下，再結晶被促進；而小的粒子尺寸和小的粒子間距，再結晶被阻礙.

為使得實驗結果更為直觀，利用image-pro plus軟件并采用截距法對晶粒尺寸進行測量[8].從圖2可明顯看出:同步軋制后試樣的上、下表面晶粒大小差距不大，晶粒大小分別為73 μm和70 μm，平均晶粒尺寸為72 μm;上、下過渡區(qū)位置也有相似的顯微組織晶粒，尺寸大小分別為51 μm和49 μm，平均晶粒尺寸為50 μm;中心層晶粒最為粗大，平均晶粒尺寸達到131 μm.這是由于表層在軋制過程中發(fā)生脫碳，使得碳化物含量降低，表層晶粒發(fā)生回復和再結晶，沒有了碳化物對晶粒長大的抑制作用，晶粒可以長大，因此，平均晶粒尺寸變大.過渡區(qū)由于溫降較慢且剪切變形量較大，所以，該區(qū)再結晶增多且晶粒相對細小[9].由過渡區(qū)到中心層剪切變形逐漸減弱，導致在軋制過程中中心層無法發(fā)生再結晶，只發(fā)生回復，所以中心層晶粒粗大并且在晶界上散亂分布著細小的碳化物.

圖2 同步熱軋晶粒尺寸分布圖

2.2 異步熱軋鋼帶顯微組織形貌

如圖3的(a)～(e)所示：異步熱軋硅鋼的顯微組織沿著厚度方向也呈現(xiàn)出明顯的組織不均勻.1.1異速比熱軋后試樣上、下表面具有不同的顯微組織，上、下過渡區(qū)的顯微組織也有很大區(qū)別.

圖3 異步熱軋鋼帶(異速比為1.1)的顯微組織

通過觀察，1.1異速比熱軋硅鋼試樣上、下表面晶粒大多為等軸晶，且分布均勻.下表面為軋輥的快速面，平均晶粒尺寸為48 μm(圖3(e))，上表面晶粒較下表面粗大，晶粒尺寸達到55 μm，最大晶粒尺寸出現(xiàn)在中心層，晶粒尺寸為119 μm，最小晶粒尺寸位于下表面過渡區(qū)，其平均晶粒尺寸為39 μm.在熱軋過程中，由于變形量較大，為動態(tài)再結晶的發(fā)生提供了足夠的驅動力，試樣表面因此發(fā)生動態(tài)再結晶.由于表層脫碳，導致表層晶粒尺寸較大.具體晶粒尺寸分布見圖4.

圖4 異速比1.1的熱軋晶粒尺寸分布圖

影響晶粒長大的因素有：溫度、雜質和合金元素、第二相質點以及相鄰晶粒的取向差.溫度一定時，晶粒的生長受到限制，但是隨著溫度的升高晶粒長大將繼續(xù)進行；雜質和合金元素融入基體后會阻礙晶界的運動，特別是晶界偏聚顯著的元素.一般來說雜質原子釘扎在晶界上，晶界在發(fā)生移動時被阻礙，晶粒的長大受到影響[10].彌散分布的第二相粒子阻礙晶界的移動，可以使晶粒長大受到抑制.當晶界能所提供的晶界移動驅動力正好等于分散粒子對晶界移動所施加的約束力時，晶粒停止長大.第二相的粒子相對越細小，數(shù)量越多，阻礙晶粒長大的能力越強.晶界的界面能與相鄰晶粒的位相差有關，小角度晶界界面能低，故界面移動的驅動力小，晶界移動速度低，界面能高的大角度晶界可動性高.

2.3 同步與異步熱軋鋼帶顯微組織對比分析

通過之前的分析，不難發(fā)現(xiàn)，異步軋制可以顯著改善晶粒尺寸，從而影響材料的性能.

圖5為同步熱軋與1.1異速比熱軋鋼帶下表面顯微組織圖.相比同步軋制，1.1異速比熱軋后硅鋼帶下表面的顯微組織更為細小，且在過渡區(qū)存在較多的碳化物.在厚度方向的各個位置，異步軋制晶粒尺寸均小于同步軋制.說明在細化晶粒能力方面，下表面即快速輥一側作用最大，其次是下過渡區(qū)，最后為中心位置.1.1異速比熱軋后試樣中心位置晶粒明顯細于同步軋制.這是因為異步軋制剪切變形可以貫穿至鋼帶中心，實現(xiàn)對整個厚度上晶粒的細化.

異步軋制晶粒細化機理可以從晶粒破碎的幾何條件、塑性功率、等效應變、充分塑性變形應變畸能和晶粒尺寸關系等方面進行分析.由于異步軋制引入附加剪切變形，改變了軋件的受力狀態(tài)，使軋件沿軋制方向發(fā)生變形，這樣對軋件的晶粒破碎更為有利，為晶粒的充分破碎提高了幾何充分性[11].這樣高溫狀態(tài)下的奧氏體，在剪切變形下更為細小，相應后續(xù)相變后的晶粒也更加細小.

3 結 論

以Fe-3 %Si取向硅鋼為研究對象，對同步熱軋、異步熱軋工藝后的顯微組織進行試樣的制備、觀察及分析，重點研究了不同熱軋工藝下鋼帶顯微組織特點及演變規(guī)律，得出以下結論：

(1) 同步與異步熱軋鋼帶沿厚度方向組織均呈現(xiàn)“不均勻分布”的等軸晶粒，同步熱軋鋼帶上下層尺寸基本相同，表層、過渡層和中心層的顯微組織平均晶粒尺寸分別為72 μm、50 μm和131 μm.

(2) 1.1異速比熱軋硅鋼試樣上、下表面晶粒大多為等軸晶，且分布均勻.下表面為軋輥的快速面，平均晶粒尺寸為48 μm，上表面平均晶粒尺寸達到55 μm，最大晶粒尺寸出現(xiàn)在中心層，平均晶粒尺寸為119 μm，最小晶粒尺寸位于下表面過渡區(qū)，其平均晶粒尺寸為39 μm.

(3) 1.1異步熱軋帶鋼的晶粒尺寸比同步熱軋帶鋼的尺寸小，上下層晶粒尺寸不同，同步熱軋鋼帶的上下層晶粒尺寸基本相同；異步軋制有益于鋼帶整個厚度方向各個部位晶粒的細化.