常化工藝對無取向硅鋼熱軋組織和析出物的影響

張旭東，齊建波，金自力，吳忠旺

（內蒙古科技大學材料與冶金學院，內蒙古 包頭 014010）

無取向硅鋼是含碳量低的硅鐵軟磁合金，主要用于制作在旋轉磁場下工作的電機鐵芯，是電力電子和軍工行業極為重要的軟磁合金材料[1]。無取向硅鋼磁性能受很多因素影響，如化學成分、晶粒尺寸大小、夾雜物大小及數量等。常化主要目的是使熱軋板發生再結晶，使組織更均勻，粗化晶粒和析出物等，從而提高成品磁性能。因此，常化工藝對成品性能有重要影響。本文以含硅量2.6%的無取向硅鋼為研究對象，研究了常化過程組織和析出物的變化。

1 試驗材料及方法

本實驗鋼工藝參數：開軋溫度1 150 ℃，終軋溫度850 ℃，卷曲溫度650 ℃，熱軋板厚2.5 mm。常化工藝參數：保護氣體為100%N2，空冷。成分如表1 所示。

表1 試驗鋼主要化學成分 %

2 結果與討論

2.1 熱軋板及其常化后的組織特征

如圖1 熱軋板在厚度方向上晶粒分布不均，表層為不規則且細小的晶粒，1/4 層為細小再結晶晶粒和變形組織的混合組織，中心為長條變形晶粒[2]。這是熱軋過程中表層存在剪切應力，而中心層則以平面壓縮為主，因此厚度方向上的變形較復雜。一方面，表層到中部有著明顯的溫度梯度，表層溫度低且剪切變形多，在熱軋卷曲過程中能夠保留較多應變儲能，而中部溫度高、剪切變形弱，使得形變儲能降低，不足以發生再結晶，從而保留了大量的變形組織。

圖1 不同常化工藝下對應的金相組織

熱軋板在940 ℃×5 min 常化后發生完全再結晶，晶粒長大，但表層晶粒較小，平均晶粒尺寸為90 μm，主要集中在50～150 μm，其中50～100 μm 占60%，100～150 μm 占30%。970 ℃×5 min 后晶粒尺寸進一步增大，且組織均勻，50～100 μm 占35%，100～150 μm占30%。1 000 ℃×5 min 后再結晶晶粒雖然增大，但中部發生了異常長大，平均晶粒尺寸達到137 μm，200 μm 以上比例增加，對成品磁性能產生了消極影響。因此，970 ℃×5 min 為較佳工藝。

2.2 熱軋板及其常化后的析出物特征

無取向硅鋼中析出物的尺寸及分布對成品磁性能有著重要影響。其一是析出物的存在增大了周圍區域的位錯密度，使磁疇結構改變，析出釘扎磁疇，阻礙疇壁移動，進而降低成品磁性能。其二是析出物釘扎晶界，間接阻礙再結晶晶粒長大，導致鐵損增加。析出物的尺寸越小，體積分數越大，析出物釘扎晶界的能力越強。經過常化處理后使原析出物粗化和新的析出物生成，粗化的析出物減少了對晶粒長大的抑制作用，對成品磁性能影響較小[3]。

熱軋板中析出物數量較多，尺寸較小。析出物的面密度約為3 720 個／5 000 μm2，大部分析出物的尺寸在150 nm 以下，主要為MnS 和AlN。其中析出的MnS 尺寸為幾十納米到一百多納米之間，多為圓形，彌散分布，如圖2 所示。析出的AlN 尺寸為100 nm 左右，數量較少，多為方形，如圖3 所示。

圖2 熱軋板中MnS 形貌及能譜

圖3 熱軋板中AlN 形貌及能譜

熱軋板常化后析出物數量減少，尺寸增大。析出物的面密度約為1 072 個/5 000 μm2，200 nm 以上析出物比例增大，主要為MnS 析出和MnS+AlN 的復合析出。其中MnS 析出尺寸增加至200 nm 以上，形狀多為圓形，如圖4 所示。MnS+AlN 的復合析出尺寸可達幾百nm，形狀為方形，如圖5 所示。AlN 的析出溫度比MnS 高，AlN 優先析出和粗化。隨后析出的MnS以AlN 為基體附著在上面，形成復合析出。由于MnS數量遠多于AlN，因此，本論文中相應成份的無取向硅鋼經常化后未找到單獨析出的AlN。

圖4 熱軋板常化后MnS 形貌及能譜

圖5 熱軋板常化后MnS+AlN 形貌及能譜

3 結論

1）與熱軋板相比，常化后發生再結晶，晶粒尺寸進一步長大，再結晶率提高。含硅量2.6%的無取向硅鋼在940 ℃×5 min 常化時晶粒較小且不均勻；1 000 ℃×5 min 常化時出現了組織的異常長大；970 ℃×5 min 常化時平均晶粒尺寸121 μm，組織均勻且無異常長大。因此，970 ℃×5 min 為較佳常化工藝。

2）常化處理后，熱軋板析出物數量減少，尺寸增大。析出的MnS 可增大到200 nm 以上，且部分MnS會附著在AlN 上形成粗大的MnS+AlN 復合析出。