熱軋卷取時(shí)間對(duì)新型冷軋無取向電工鋼組織和性能的影響

摘 要：研究了熱軋卷取時(shí)間對(duì)無取向電工鋼晶粒組織、織構(gòu)演變、鐵損和磁感的影響。結(jié)果表明，成品晶粒尺寸在120～140 μm之間，隨卷取時(shí)間的增加，成品晶粒尺寸增大。成品織構(gòu)主要由γ纖維、а纖維和高斯織構(gòu)等構(gòu)成。隨著保溫時(shí)間的增加，{111}<110>和{112}<110>織構(gòu)強(qiáng)度降低。隨卷取時(shí)間的增加，成品P1.5降低。熱軋板最佳的卷取工藝為550 ℃保溫2～3 h，電工鋼的綜合磁性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：無取向電工鋼 卷取時(shí)間 組織結(jié)構(gòu) 磁性能

中圖分類號(hào)：TG142.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（c）-00-03

冷軋無取向低碳低硅電工鋼要求具有低鐵損、高磁感。主要用于生產(chǎn)<1 kW的家用電機(jī)和微電機(jī)、小電機(jī)、鎮(zhèn)流器和小型變壓器等，是用量最大的節(jié)能軟磁合金，在電力、電子、機(jī)械工業(yè)中發(fā)揮不可替代的作用。近年來，由于能源短缺，各個(gè)國家對(duì)節(jié)能降耗都非常重視，電工鋼生產(chǎn)商不斷致力于生產(chǎn)低鐵損和高磁感的材料來提高電機(jī)效率，節(jié)約電力[1，3]。熱軋卷取工藝是影響無取向電工鋼最終成品電磁性能的重要工藝參數(shù)之一，目前為止，研究熱軋卷取時(shí)間對(duì)無取向電工鋼電磁性能的影響工作還較少，因此，研究熱軋卷取時(shí)間對(duì)組織結(jié)構(gòu)和磁性能的影響對(duì)于開發(fā)高性能的冷軋電工鋼具有重要的意義。

該文是在原有電工鋼成分基礎(chǔ)上，通過調(diào)整碳、銅、錳、硅、鋁等元素的含量，開發(fā)出一種新型高效電機(jī)用高磁感、低鐵損低碳低硅冷軋無取向硅鋼。研究不同熱軋卷取時(shí)間對(duì)產(chǎn)品晶粒組織、織構(gòu)、和磁性能的影響，探討更加合理的卷取工藝控制制度，探索無取向電工鋼提高磁感和降低鐵損的新途徑。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用鋼在50 kg真空感應(yīng)爐中冶煉，其化學(xué)成分如表1所示。

將鋼錠鍛造成25 mm厚的板坯，該板坯在1150 ℃保溫1 h后開始軋制，3道次軋制，熱軋至4.0 mm厚，為了模擬卷取過程，熱軋結(jié)束后，將熱軋板冷至卷取溫度后裝入爐溫已經(jīng)升至設(shè)定卷取溫度的箱式爐中保溫不同時(shí)間，取出空冷。卷取溫度為550 ℃，保溫時(shí)間為1 h、2 h、3 h。酸洗后使用4輥軋機(jī)將熱軋板冷軋到0.5 mm，然后在小型連續(xù)退火爐中進(jìn)行再結(jié)晶退火，退火溫度950 ℃。由于原始碳含量較低，退火氣氛使用干的分解氨。成品試樣使用光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，并用圖像分析儀測(cè)量平均晶粒大小，觀察面為與軋制方向平行的縱截面。使用西門子D25000型X射線衍射儀對(duì)退火后試樣的織構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)使用Mo靶，首先檢測(cè)試{110}、{200}和{211}3個(gè)不完全極圖，然后采用級(jí)數(shù)展開法計(jì)算試樣的取向分布函數(shù)（ODF）。冷軋成品采用愛潑斯坦方圈測(cè)試電磁性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 熱軋板及成品金相組織

經(jīng)不同時(shí)間卷取后的電工鋼熱軋板的晶粒度如圖1所示，從圖中可以看出該電工鋼熱軋板的組織是完全再結(jié)晶的等軸晶，晶粒大小均勻，晶粒尺寸較小，隨保溫時(shí)間的增加，晶粒尺寸變化不大。

經(jīng)不同時(shí)間卷取后的該電工鋼成品的晶粒度如圖2所示，從圖中可以看出該電工鋼成品組織為較大等軸晶，晶粒大小基本均勻。

表2所示的為用截線法測(cè)量不同時(shí)間卷取后該電工鋼熱軋板及成品的晶粒尺寸，從表中的數(shù)據(jù)可以看出，在550 ℃卷取時(shí)，熱軋板的晶粒尺寸在20～25 μm之間，隨卷取保溫時(shí)間的增加，熱軋板的晶粒尺寸變化不明顯。成品晶粒尺寸變化幅度不大，平均晶粒尺寸在120～140 μm之間，隨著卷取保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，成品晶粒尺寸呈增大趨勢(shì)。

2.2 成品織構(gòu)分布

取向分布函數(shù)Ф2=45 °截面圖是表達(dá)無取向電工鋼鋼板織構(gòu)最具有代表性的截面圖。在這個(gè)截面圖上可以觀察到一系列重要的取向位置[2]。圖2顯示成品取向分布函數(shù)φ2=45 °截面圖。

由圖3看出，成品織構(gòu)主要由γ纖維、а纖維和高斯織構(gòu)組成，γ纖維包括{111}<110>和{111}<112>織構(gòu)分量，其中{111}<112>分量的強(qiáng)度最高。а纖維包含分量為{112}<110>、{100}<110>和{111}<110>織構(gòu)，а纖維織構(gòu)得強(qiáng)度較弱。隨著保溫時(shí)間的增加，{111}<110>和{112}<110>織構(gòu)強(qiáng)度降低。

2.3 磁性能

從圖3看出，熱軋板卷取經(jīng)550 ℃短時(shí)間保溫1小時(shí)，成品磁性能不好。最佳的熱軋板卷取工藝是在550 ℃保溫2～3 h。在550 ℃卷取時(shí)，鐵損隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，B50在保溫2 h時(shí)達(dá)到1.74 T。

3 討論

AlN等第二相析出物生產(chǎn)過程中會(huì)經(jīng)歷三種過程：固溶、析出和Ostwald熟化。在加熱時(shí)固溶，在熱軋卷取后的緩慢冷卻過程中隨固溶度下降析出。大量研究表明，細(xì)小彌散的第二相粒子對(duì)晶粒長(zhǎng)大時(shí)的釘扎力與第二相粒子的數(shù)量呈正比，與平均尺寸成反比。因此，當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ游龀龊头植季鶆驎r(shí)，細(xì)小、分布密集的粒子會(huì)對(duì)晶界產(chǎn)生強(qiáng)烈的釘扎效應(yīng)，抑制晶粒的長(zhǎng)大，使晶粒尺寸趨于更小；相反，熟化、粗大或分布不夠密集的粒子對(duì)晶界的釘扎作用減弱，使晶粒的生長(zhǎng)能力增強(qiáng)，晶粒尺寸趨于更大。熱軋板在低溫550 ℃時(shí)卷取，彌散析出的細(xì)小夾雜物少，阻礙晶粒長(zhǎng)大作用不明顯，卷取時(shí)間對(duì)熱軋板晶粒尺寸影響不大。在冷軋后再結(jié)晶退火過程中，第二相析出物發(fā)生ostwald熟化，對(duì)晶粒長(zhǎng)大的阻礙作用小。

無取向電工鋼（100）面織構(gòu)高，B50增高和P1.5降低，因?yàn)樵冢?00）晶面上有兩個(gè)易磁化的<001>軸；其次是（110）面織構(gòu)，在此晶面上有一個(gè)<001>軸。具有（111）面織構(gòu)的P1.5較高，因?yàn)樵诖司嫔蠜]有<001>軸，具有（112）面織構(gòu)的P1.5最高，因?yàn)樵诖司嫔嫌须y磁化的<111>軸[3]。因此，增加{100}和{110}織構(gòu)的強(qiáng)度和降低{111}和{112}織構(gòu)的強(qiáng)度有利于降低磁滯損耗和增加磁感。

晶界能抑制磁疇在磁化時(shí)的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，晶粒粗大使總的晶粒邊界減少，晶粒粗大還減少了因晶粒混亂、位錯(cuò)、空位等缺陷的聚集而造成磁阻較大的現(xiàn)象[4]。因此晶粒尺寸相對(duì)較大時(shí)，鐵損較低。影響電工鋼鐵損的成分主要是化學(xué)成分、晶粒尺寸、晶體織構(gòu)、雜質(zhì)等。晶粒尺寸變化通常導(dǎo)致晶體織構(gòu)也發(fā)生變化，磁感不一定一直隨著晶粒尺寸的增加而提高。影響無取向電工鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度的主要因素是化學(xué)成分與晶體織構(gòu)。

550 ℃卷取時(shí)，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，成品晶粒度增加，而對(duì)磁性能不利的{111}<110>和{112}<110>織構(gòu)強(qiáng)度減弱，導(dǎo)致鐵損降低，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到3 h，P1.5取得最小值3.22 W/kg；而當(dāng)保溫2 h，高斯織構(gòu){110}<001>強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度取得最小，磁感B50主要有晶體織構(gòu)來決定，因此其磁感B50達(dá)到最大值1.74 T。

4 結(jié)語

（1）熱軋板550 ℃卷取時(shí)，晶粒尺寸在20～25 μm之間，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，熱軋板晶粒尺寸變化不明顯。成品晶粒尺寸在120～140 μm之間，隨卷取時(shí)間的增加，晶粒尺寸增大。

（2）成品織構(gòu)主要由γ纖維、а纖維和高斯織構(gòu)等構(gòu)成。隨著保溫時(shí)間的增加，{111}<110>和{112}<110>織構(gòu)強(qiáng)度

降低。

（3）熱軋板最佳的卷取工藝是在550 ℃保溫2～3 h，能獲得較高的磁感和低的鐵損。隨卷取時(shí)間的增加，成品P1.5降低。

參考文獻(xiàn)

[1] 何忠治.電工鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[2] 毛衛(wèi)民，張新明.晶體材料織構(gòu)定量分析[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995.

[3] Jong-Tae，Jerzy A.Szpunar.Evolution of recrystallization texture in non-oriented electrical steels[J].Acta Materialia，2003，51：3037-3051.

[4] 趙楠，穆海玲，斯松華.冷軋無取向電工鋼的組織及性能分析[J].電工材料，2007，4：14-18.