常化溫度對50W470無取向硅鋼組織及磁性能的影響

朱志勇 郭海榮 李化龍

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院，江蘇 張家港 215625)

冷軋無取向硅鋼廣泛應用于電機和發電機行業[1- 2]，其化學成分、熱軋工藝、冷軋退火工藝對產品磁性能均有重要的影響[1,3]。高牌號冷軋無取向硅鋼鐵損低、磁導率高、磁致伸縮性小，常用于大中型電機及發電機。因其成分硅、鋁含量高，鋼水流動性差，產品表面缺陷多，性能不穩定，且鑄造過程中易形成粗大的柱狀晶，產生瓦楞狀缺陷。因此，高牌號冷軋無取向硅鋼生產需常化處理，以改善熱軋板組織均勻性，避免表面瓦楞狀缺陷，同時粗化晶粒和析出物，增強{100}和{110}有利織構組分強度及減弱{111}不利織構組分強度，提高產品磁性能[4- 6]，因此探索常化工藝對冷軋無取向硅鋼磁性能的影響具有重要意義。本文在實驗室條件下，研究了常化溫度對50W470無取向硅鋼組織及磁性能的影響。

1 試驗材料及方法

試驗材料選取工業生產的2.5 mm厚50W470無取向硅鋼熱軋板，其化學成分見表1。

試驗選取600 mm×130 mm×2.5 mm尺寸的熱軋板，分別在850、900、950和1 000 ℃進行常化處理200 s。常化處理后酸洗去除表面氧化鐵皮，采用4輥單機架往復式軋機冷軋到0.5 mm厚。取450 mm×120 mm×0.5 mm尺寸的退火試板，在實驗室連續退火爐中進行退火，退火過程采用抽真空氮氣保護，退火工藝為 920 ℃保溫36 s。

表1 試驗材料的化學成分 (質量分數)Table 1 Chemical compositions of the tested steel (mass fraction) %

采用TD- 8510磁性能測量儀測量不同溫度常化的退火樣品的單片磁性能，樣品尺寸為100 mm×100 mm×0.5 mm；在5 000 A/m磁場強度下測量產品的磁感應強度B50，在1.5 T磁感應強度和50 Hz頻率下測量產品的鐵損P15/50。將熱軋板、常化板及各退火樣品沿軋向剖開，經機械磨拋后，用蔡司金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織，并采用截線法測量晶粒的尺寸；在JSM- 7001F場發射掃描電子顯微鏡上進行電子背散射衍射(EBSD) 微觀取向分析 (織構體積分數以偏差角15°進行統計)。

2 試驗結果與分析

2.1 常化溫度對顯微組織的影響

圖1顯示熱軋板和經不同溫度常化處理后熱軋板的顯微組織。如表1所示，試驗鋼中C的質量分數低于0.005%，Si的質量分數高于1.7%，在生產過程中無相變發生，均為鐵素體組織。由于板坯在軋制過程中其表面及心部的溫度分布、形變方式和形變量均不同，在熱軋過程中會造成表面和心部熱軋組織存在較大的差別[7]。如圖1(a)所示，未常化的原始態熱軋板表面為細小等軸的再結晶組織。心部為拉長的纖維狀組織。主要是由于熱軋板表面溫度雖然較低，但其發生了切應變，形變儲能較大，優先發生再結晶。而熱軋板心部溫度雖然較高，但發生了壓應變，其形變儲能小，再結晶驅動力小，因此熱軋板表面為細小的再結晶組織，心部為拉長的變形組織。

由圖1(b～e)可知：熱軋板在850～1 000 ℃常化處理后變形組織發生了明顯的再結晶，且隨著常化溫度的升高，再結晶逐漸完全、晶粒不斷長大。850 ℃保溫200 s常化處理后，熱軋纖維組織明顯再結晶，但由于常化溫度較低，熱軋板中部仍存在極少量的變形組織；在900～1 000 ℃常化處理，變形組織均發生完全再結晶，隨著常化溫度的提高，再結晶晶粒尺寸增大，組織均勻性改善。

圖1 (a)熱軋態及經(b)850、(c)900、(d)950和(e)1 000 ℃常化后熱軋板的顯微組織Fig.1 Microstructures of the plates after (a) hot- rolling and hot- rolling followed by normalizing at(b) 850, (c) 900, (d) 950 and (e) 1 000 ℃

圖2為不同溫度常化處理冷軋退火樣品的顯微組織。由圖2可知：不同溫度常化處理的冷軋退火樣品均發生了完全再結晶，且隨著常化溫度由850 ℃提高到1 000 ℃，退火成品試樣的平均晶粒尺寸不斷增大，依次為28、46.7、56.5、64.7 μm，組織均勻性顯著提高。如圖1所示，熱軋板經常化處理后，變形組織消除，且隨著常化溫度的升高，熱軋晶粒尺寸不斷增大，熱軋組織晶粒尺寸越大，冷軋后形變儲能越低，退火再結晶形核驅動力降低，再結晶形核率降低；同時由于再結晶晶核易在熱軋原始晶界處形核，熱軋板晶粒尺寸越大，冷軋后原始晶界越少，從而顯著減少了退火再結晶過程中的形核位置，造成形核率降低[8- 9]；相同退火工藝條件下，再結晶形核率越低，成品晶粒尺寸越大，因此不同溫度常化處理退火樣品的晶粒尺寸隨常化溫度的升高而逐漸增大。

圖2 (a)850、(b)900、(c)950和(d)1 000 ℃常化處理退火樣品的顯微組織Fig.2 Microstructures of the annealed samples after normalizing at (a) 850, (b) 900, (c) 950 and (d) 1 000 ℃

2.2 常化溫度對退火成品織構的影響

圖3為不同溫度常化處理后退火成品的取向分布函數φ2=45°截面圖。由圖3可知：不同溫度常化處理后冷軋退火樣品的織構均以α和γ取向線再結晶織構為主。由于織構的遺傳性，熱軋板原始組織和織構對退火再結晶織構有重要的影響，γ取向線織構易在熱軋原始晶界附近優先形核生長，γ纖維織構的優先形核生長會不斷吞并相鄰的λ和α纖維織構，減弱λ和α纖維織構，加強γ纖維織構[9]。常化處理后，熱軋板發生再結晶和晶粒長大，原始晶界減少，冷軋變形晶粒晶界附近取向差較小、變形儲能低，不利于γ纖維再結晶晶粒的發展，如圖3(a～c)所示。當常化溫度從850 ℃升高到950 ℃時，熱軋板晶粒尺寸不斷增大，退火成品{111}織構組分強度逐漸減弱。

退火再結晶包含再結晶和晶粒長大兩個過程。{111}織構由于形變儲能大，退火再結晶過程中優先形核生長，在晶粒長大過程中，優先形核的{111}晶粒經過較長時間的生長，尺寸較大，界面能較低，晶粒長大過程中會吞噬周圍較小的晶粒而繼續生長，如圖3(d)所示。即當常化溫度上升到1 000 ℃時，熱軋板變形組織完全再結晶，熱軋板晶粒尺寸較大，冷軋形變儲能小，大大降低了退火再結晶{111}織構的形核率。但由于{111}織構在再結晶過程中優先形核生長，在晶粒長大過程中，長大阻力小，會不斷吞噬周圍較小的晶粒而繼續生長，{111}織構組分強度提高。因此，在850～950 ℃常化處理再結晶退火后的成品織構由形核織構決定，{111}織構組分強度隨常化溫度的升高而逐漸減弱；當常化溫度提高到1 000 ℃后，退火成品織構由于晶粒長大，表現為晶粒長大織構，{111}織構組分強度增強。

2.3 常化溫度對磁性能的影響

表2顯示了不同溫度常化的退火樣品的磁性能。由表2可知：隨常化溫度從850 ℃提高到1 000 ℃，試樣的鐵損P15/50從4.669 W/kg降低到3.696 W/kg，磁感應強度B50先從1.687 T提高到1.730 T，再降低到1.716 T；950 ℃常化處理退火成品的磁性能最優，鐵損低、磁感應強度高，鐵損P15/50為3.872 W/kg，磁感應強度B50為1.730 T。

圖3 (a)850、(b)900、(c)950和(d)1 000 ℃常化處理退火樣品的取向分布函數φ2=45°截面圖Fig.3 ODFs of φ2=45° sections of the annealed samples after normalizing at (a) 850, (b) 900, (c) 950 and (d) 1 000 ℃

表2 不同溫度常化的退火樣品的磁性能Table 2 Magnetic properties of the annealed samples normalized at different temperatures

在無取向硅鋼中，{100}晶面和{110}晶面分別包含兩個和一個易磁化<001>軸，屬于有利織構，{111}晶面無易磁化<001>軸，劣化磁性能；加強{100}和{110}有利織構組分強度，減弱{111}不利織構組分的強度有利于改善無取向硅鋼磁性能[10- 12]。表3顯示了不同溫度常化處理后退火樣品{001}、{110}、{111}3種面織構的面積分數比。圖4為常化溫度與退火樣品平均晶粒尺寸和織構分布之間的關系，圖5顯示了常化溫度與磁性能的關系。

表3 不同溫度常化處理的退火樣品{001}、{110}、{111}3種面織構的面積分數Table 3 Area fraction ratios of {001}, {110} and {111} texture components of the annealed samples normalized at different temperatures

圖4 (a)退火樣品平均晶粒尺寸和(b)織構分布與常化溫度之間的關系Fig.4 Relationship between (a) the average grain size and (b) texture distribution and the normalizing temperature for the annealed samples

由圖4可知：隨著常化溫度的升高，退火樣品的平均晶粒尺寸顯著增大，有利織構({001}+{110})與不利織構{111}面積比先升高后降低，在850～950 ℃常化，有利織構組分相對強度隨常化溫度的升高而不斷增強，而不利織構{111}組分相對強度則不斷減弱，有利于磁感應強度提高。

圖5 常化溫度與磁性能的關系Fig.5 Dependence of magnetic properties on normalizing temperatures

當常化溫度提高到1 000 ℃后，({001}+{110})/{111}面積比降低，不利織構{111}組分相對強度提高，磁感應強度降低。如圖5所示，當常化溫度從850 ℃升高到950 ℃時，磁感應強度從1.687 T提高到1.730 T；當常化溫度繼續上升到1 000 ℃后，磁感應強度反而降低到1.716 T。電工鋼鐵損包含磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗3部分，無取向硅鋼以磁滯損耗為主，其產品晶粒尺寸越大，晶粒邊界面積越小，磁滯損耗越小，渦流損耗越大，但渦流損耗遠遠小于磁滯損耗，因此表現為無取向硅鋼產品鐵損隨晶粒尺寸的增大而減小[1,13]。當常化溫度從850 ℃上升到1 000 ℃后，退火晶粒尺寸不斷增大，晶粒邊界面積大大減小，磁滯損耗降低，鐵損降低；在850～950 ℃，{111}不利織構組分強度隨溫度升高逐漸減弱，磁滯損耗減小；當常化溫度升高到1 000 ℃后，不利織構{111}組分強度的增強也會導致材料磁滯損耗的升高，但由于晶粒尺寸增大帶來的磁滯損耗的降低遠遠大于{111}不利織構組分強度增強所帶來的磁滯損耗的升高，因此表現為退火成品的鐵損隨常化溫度的升高而逐漸降低。熱軋板選擇合適的常化溫度，優化成品晶粒尺寸和織構分布，能獲得最優的磁性能。本試驗中，以950 ℃常化200 s的退火成品的磁性能最優，鐵損P15/50為3.872 W/kg，磁感應強度B50為1.730 T。

3 結論

(1)常化處理能顯著改善熱軋板的晶粒尺寸及組織均勻性，消除熱軋變形組織，對成品組織及磁性能產生重要影響。

(2)在850～1 000 ℃常化處理，熱軋板晶粒尺寸隨常化溫度的升高不斷增大，退火樣品晶粒尺寸不斷增大，有利織構({001}+{110})與不利織構{111}的面積比先增大后減小，退火成品鐵損逐漸降低，磁感應強度先升高后降低。

(3)950 ℃常化處理200 s，能得到最優的晶粒尺寸和({001}+{110})/{111}面積比，退火樣品的磁性能最優，鐵損P15/50值達到 3.872 W/kg，磁感應強度B50值達到1.730 T。