刘云霞,李 跃,程 林,曹瑞芳,刘恭涛,刘晓强,安冬洋,李泽琳
(首钢智新迁安电磁材料有限公司,迁安 064400)
摘 要:选用硅含量2.5%~3.5%(质量分数)的无取向硅钢作为分析对象,研究了其在全工艺 流程(热轧、常化、冷轧、退火)中的组织和织构变化。结果表明:由于形变和温度场的分布特征,该 无取向硅钢热轧板形成组织分层,表层为再结晶组织,中心层为带状回复组织,过渡区域混杂分布 再结晶和回复组织。同时厚度方向表现出很大的织构梯度,并会一直遗传至成品板,但织构梯度随 着形变和再结晶会不断弱化。常化后热轧带状组织消失,再结晶晶粒发生了充分长大。冷轧后,无 取向硅钢的组织主要表现为沿轧制方向伸长的带状组织。该无取向硅钢的形变和再结晶行为一般 规律为形变形成α线织构,再结晶后转变为γ线织构和α * 织构。
关键词:无取向硅钢;组织;织构;带状组织;织构梯度 中图分类号:TB31 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)04-0029-05
新能源汽车要求其驱动电机具备效率高、能耗 低、体积小、质量轻等特点,因此对驱动电机铁芯用 无取向硅钢的磁性能提出了更加苛刻的要求。降低 无取向硅钢的铁损对提高驱动电机效率和汽车行驶 里程具有重要意义,因此新能源汽车驱动电机用无 取向硅钢的磁性能改善是技术人员持续努力的方 向。影响无取向硅钢磁性能的因素,除了合金成分 外,还有组织和织构[1-2],无取向硅钢的晶粒尺寸直 接影响磁滞损耗的大小,不同取向晶粒的磁性能也 各向异性。无取向硅钢中各面织构对磁感值的贡献 按以下晶面族顺序依次降低:{100},{310},{411}, {210},{110},{211},{111}[3]。所以,优化无取向硅 钢的组织和织构类型是改善和提升其磁性能的有效途径之一。高硅含量新能源车用无取向硅钢的组织 和织构分析多基于试验室制备的样品[4-6],而关于工 业生产全流程样品的分析却鲜有报道。因此,笔者通 过分析硅质量分数为2.5%~3.5%的无取向硅钢在 全工艺流程中的组织和织构变化,研究了无取向硅钢 在全工艺流程中各阶段的组织和织构的演变规律。
1 试验方法
试验材料为硅质量分数为2.5%~3.5%的新能 源汽车用无取向硅钢,其化学成分见表1。为了分 析全工艺流程(热轧、常化、冷轧、退火)中样品组织、 织构的转变,选取该硅钢热轧、常化、冷轧和成品板 试样,对轧制方向-法线方向(ND-RD)的全厚度方 向进行金相观察及电子背散射衍身(EBSD)取向成 像分析(金相观察时定义上下表面至板厚1/4层位 置为表层,上下1/4层之间为中心层),并对冷硬板 表层进行 X射线衍射(XRD)织构检测。
2 试验结果与讨论
2.1 热轧板的组织和织构
该无取向硅钢热轧板的显微组织形貌如图1所 示,可见热轧板沿厚度方向上存在明显的组织不均匀 性,而这种不均匀性必然也会导致织构的不均匀性, 即织构梯度。其热轧板为正常的分层组织,表层为再 结晶组织,中心层为带状回复组织,过渡区域为再结 晶和回复组织混杂分布。原因主要是在热轧温度及 应力场的共同作用下,热轧板表面会优先于中心层区 域发生再结晶,而中心层区域由于存储能较低,且温 度较高,动态回复占主导作用,所以主要为回复组织。 热轧板厚度方向不同位置的EBSD取向成像图 如图2所示,热轧组织表现为很强的分层现象,表层 为再结晶组织,中心层为带状的形变组织,次表层为 过渡组织。由取向分布函数(ODF)图可看出中心 层表现为强α线织构,次表层主要为 Goss织构、黄 铜和铜型剪切织构。这是因为板坯加热阶段组织为 无相变的铁素体,不会有两相区轧制时的相变碎化 作用,中心层的带状组织是铸坯中的大量柱状晶和 心部等轴晶组织经热变形后形成的。而次表层的过 渡区域存在少量再结晶组织和残留形变组织,由于热轧过程中剪切力的作用而形成上述织构。
由图1和图2均可观察到再结晶晶粒的分布不 均匀现象,其表层主要为再结晶组织,从表层到中心 层,再结晶晶粒的面积分数逐渐减少,通过EBSD数 据分析可以区分出完整的再结晶组织、亚晶组织和 形变组织。热轧板中 示,可见亚晶组织和形 3 变 种 组 不 织 同 大 组 致 织 交 的 替 分 层 布 叠 如 分 图 布 3所 在 中心层区域。再结晶组织、亚晶组织和形变组织的 面积分数分别为31.1%,36.3%,32.6%。
对热轧板中3种不同组织的织构分析如图4所 示,再结晶组织主要为铜型织构、黄铜织构和 Goss 织构,亚晶组织表现为很强的旋转立方织构和{111} <110>,而形变组织则主要为α线织构。表层和次表 层的再结晶晶粒主要来源于剪切组织的原位再结 晶,因此保留了剪切织构的特征,中心层的亚晶组织 则来自于强α线的带状组织,因此具有α线织构特 征,热轧板中的形变组织主要为中心层的带状组织 和次表层的剪切形变组织,因此保留了强α线织构 特征和较弱的剪切织构特征。
2.2 常化板的组织和织构
无取向硅钢常化后的显微组织形貌如图 5 所 示,与热轧组织相比,常化后热轧带状组织消失,再 结晶晶粒发生了充分长大,从厚度方向来看,再结晶 晶粒尺寸沿厚度方向存在着一定的不均匀性,表层 区域的晶粒稍大。 常化板的晶粒尺寸见表2,可见上、下表层晶粒 的平均尺寸均比中心层晶粒的大10 下表层晶粒尺寸更大是由于常化之前 μ 热 m 轧 左 板 右 中 。 的 上 组 、 织状态决定的,热轧板的上、下表层已经出现了再结 晶组织,而中心层的再结晶晶粒很少,次表层的再结 晶晶粒及其周围的形变和亚晶组织所构成的环境促 进了常化过程中再结晶晶粒的继续长大,晶粒长大 的驱动力为组织的形变储存能。因此,正是上、下表 层的热轧组织特征导致了常化后的组织不均匀性。 常化板的组织不均匀性还有可能是由热轧临界压下 造成的,如果热轧后进行小变形量临界轧制,使热轧 板表层晶粒产生形变,由于形变的不均匀性存在导致热轧板表层晶粒的形变储存能存在差异,常化时, 一些形变储能低的晶粒极易吞并周边储能较大的晶 粒从而发生异常长大,在表层形成随机取向的类柱 状晶粗大再结晶组织。
常化板截面的 EBSD 取向成像图如图6所示, 可见常化后无取向硅钢再结晶完全,由于热轧组织 的织构梯度存在,常化后不同厚度层的织构同样存 在显著的差异。对上、下表层及中心层分别计算其 织构分布,可知 常 化 板 表 层 及 次 表 层 区 域 主 要 为 {110}织构和{112}<111>织构,这一类织构显然来 自于热轧板表层及次表层区域的剪切织构形变组 织,而常化板中心层的再结晶组织则主要为{φ1,φ, φ2}={20°,10°~30°,45°}的α * 织构,EBSD 取向成 像图中中心层大量分布的{112}<241>和{114}<481> 取向晶粒就属于 α * 织构,α * 织构的出现与热轧板 中心层的强α线形变织构有关。
2.3 冷轧板的组织和织构
无取向硅钢冷轧后的组织主要表现为沿轧制方 向伸长的带状组织,如图7所示。可见其内部粗大 的带状组织局部有明显的剪切带分布,这些剪切带 有利于后期η线晶粒的形核和再结晶。 冷轧织构的形成主要是受到冷轧压下率的影 响,随着形变量的增大,冷轧织构不断向α线聚集, 最终的稳定冷轧织构为{112}<110>和{111}<110>织构的密度水平也在不断增强。冷轧板表层的织构 ODF截面图如图8所示,其织构为密度水平很强的 α线织构,主要织构集中在旋转立方到{114}<110> 附近。
2.4 成品板的组织和织构
该无取向硅钢成品板的显微组织形貌如图9所 示,成品板的晶粒尺寸为97μm,晶粒尺寸大是其铁 损较低的原因之一。 成品板的 EBSD取向成像图及织构 ODF 截面 图如图 10 所 示,从 成 品 板 的 纵 截 面 观 察,{100}<021>和{114}<481>两种取向晶粒占据主导,织构类 型主要为较强的{114}<481>为主的α * 织构和较弱 的γ线织构,这种织构特征由于弱化了γ线,不利于 织构的强度,有利于磁性能的提升。
常化板晶粒尺寸粗大,对无取向硅钢的成品织 构改善有利。通过提高常化温度使热轧晶粒长大, 中等压下量轧制过程中容易形成更多的剪切带,再 结晶时促进η线晶粒的形核,成品板中 γ线织构的 体积分数降低同时η线织构的体积分数提高,在降 低铁 损 的 同 时 改 善 了 成 品 的 磁 感 值[7]。PARK 等[8]的 研 究 证 实 了 Goss 织 构 容 易 在 形 变 {111} <112>,{111}<110>和{112}<110>晶粒的剪切带处形 核和再结晶,立方取向晶粒也会在剪切带处形核和 再结晶。
3 结论
(1)无取向硅钢的热轧板由于形变和温度场的 分布特征,表现出很大的织构梯度,这种梯度会一直 遗传至成品板,但织构梯度随着形变和再结晶会不 断弱化。 (2)常化后热轧带状组织消失,再结晶晶粒发 生了充分长大,上、下表层的热轧组织分层特征导致 了常化后的组织不均匀。无取向硅钢冷轧后的组织主要表现为沿轧制方向伸长的带状组织,其内部粗 大的带状组织局部会观察到明显的剪切带分布。剪 切带在组织中越多越有利于成品退火时有利织构的 形成。 (3)新能源汽车用无取向硅钢的形变和再结晶 行为一般规律为:形变形成α线织构,再结晶后转变 为γ 线 和 α * 织 构,成 品 织 构 类 型 主 要 为 较 强 的 {114}<481>为主的α * 织构和较弱的γ线织构。