楊 光 杜麗影 雷 艷 李 珉 童海斌

(1.國(guó)家硅鋼工程技術(shù)研究中心 湖北 武漢：430080；2.寶鋼股份中央研究院武漢分院(武鋼有限技術(shù)中心) 湖北 武漢：43080；3.寶鋼股份武鋼有限硅鋼部 湖北 武漢：430083)

0 前言

高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼因其合金含量高、鐵損低，廣泛應(yīng)用于高效電機(jī)、高速電機(jī)、中高頻電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等。但是，隨著硅含量的提高，材料強(qiáng)度提高，冷軋時(shí)變形抗力大，冷軋軋制斷帶率高。目前較多采用小輥徑工作輥的可逆軋機(jī)進(jìn)行冷軋，以減少斷帶風(fēng)險(xiǎn)，但可逆軋機(jī)生產(chǎn)效率及成材率較連軋機(jī)低。而采用帶溫軋制(溫軋)的冷連軋機(jī)能夠有效的降低斷帶風(fēng)險(xiǎn)[1]。冷連軋機(jī)軋制高牌號(hào)時(shí)，因變形抗力大，軋制力高，出口最大軋制速度較中低牌號(hào)低很多，根據(jù)秒流量計(jì)算，入口速度也將比中低牌號(hào)低，軋制溫升較小。提高開(kāi)軋溫度，既能夠降低高牌號(hào)硅鋼變形抗力，也能提高機(jī)架間的板溫，提升生產(chǎn)效率[2]。

羅陽(yáng)等[3]研究發(fā)現(xiàn)，3%Si-Fe的熱軋板在0～100℃范圍內(nèi)會(huì)經(jīng)過(guò)韌脆轉(zhuǎn)變，在該溫度區(qū)間內(nèi)，沖擊韌性對(duì)溫度的變化極為敏感，冷軋前預(yù)熱到60～80℃既能避免冷軋時(shí)斷帶，又能減少最終磁性的時(shí)效現(xiàn)象。武鋼研究表明，HiB鋼采用時(shí)效軋制法，在冷軋時(shí)通過(guò)變形熱使鋼板溫度升高(100～300℃)，可以提高鋼板塑形，減少軋制斷帶，還能通過(guò)應(yīng)變時(shí)效作用使鋼板中的固溶碳、氮量增多，提高釘扎位錯(cuò)的能力，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而改變滑移系統(tǒng)，使冷軋織構(gòu)發(fā)生變化，促使形成更多的形變帶和過(guò)渡帶，改善成品鐵損。

但冷軋預(yù)熱溫度并不是越高越好，溫度升高可能會(huì)帶來(lái)其他不利的影響。安治國(guó)、毛衛(wèi)民[4]研究發(fā)現(xiàn)，在100～160℃范圍內(nèi)取向電工鋼拉伸變形時(shí)位錯(cuò)滑移會(huì)拖曳柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)隨之遷移，造成了隨溫度升高延伸率下降，且屈服強(qiáng)度的降幅減緩的現(xiàn)象。Stein等[5]檢測(cè)Fe-3.25%Si合金的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度時(shí)發(fā)現(xiàn)，在溫度較低時(shí)C原子擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于位錯(cuò)遷移速度，變形會(huì)破壞柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)；溫度更高時(shí)C原子無(wú)需位錯(cuò)拖曳，僅借助熱激活就可隨時(shí)跟隨位錯(cuò)遷移。同時(shí)，高溫?zé)峒せ钜苍斐煽麓範(fàn)枤鈭F(tuán)明顯弱化，因此硬化現(xiàn)象消失。

以上文獻(xiàn)認(rèn)為，鋼中的C原子會(huì)與位錯(cuò)結(jié)合形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)。當(dāng)位錯(cuò)在拉伸變形過(guò)程中滑移時(shí)，柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)有被位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)拖曳而隨之遷移的傾向。在原則上，總會(huì)存在一個(gè)C原子擴(kuò)散速度能夠接近位錯(cuò)滑移步長(zhǎng)的溫度范圍，使位錯(cuò)能借助其應(yīng)力場(chǎng)的拖曳效應(yīng)吸附柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)與之同步遷移并造成硬化現(xiàn)象。如果冷軋開(kāi)軋溫度在這個(gè)范圍，對(duì)降低變形抗力的效果將會(huì)減弱甚至惡化。

以上研究的主要對(duì)象為一般取向硅鋼或者高磁感取向硅鋼，而高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼其C、N含量遠(yuǎn)低于取向電工鋼，對(duì)無(wú)取向電工鋼而言，是否也存在類似的規(guī)律尚無(wú)相關(guān)資料。

本文利用三種不同合金量高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼?；暹M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)-20～300℃范圍內(nèi)的力學(xué)性能并觀察斷口形貌，對(duì)其變化規(guī)律開(kāi)展研究，為采用合適的冷軋方式提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選取三種不同合金量高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼?；?厚度均為2.20±0.10mm)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成分如表1所示：

表1 三種材料成分(wt/%)

在室外溫度為-2℃時(shí)，測(cè)量常化機(jī)組卷取機(jī)鞍座上鋼卷邊部平均溫度約有28℃，庫(kù)區(qū)放置24h后邊部溫度仍有10℃。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，在極端條件下板溫也不會(huì)低于-20℃，而機(jī)架出口板溫如果上升到300℃以上，冷軋板面將會(huì)發(fā)藍(lán)氧化，嚴(yán)重影響成品磁性能和表面質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中也應(yīng)當(dāng)避免，故僅在-20～300℃范圍內(nèi)進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)。

按照GB/T 228-2010標(biāo)準(zhǔn)要求[9]，將三種沿軋向常化板試樣銑成矩形截面比例試樣，并打磨拉伸區(qū)毛刺。將拉伸試樣放入AG-IS 100kN電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)環(huán)境箱中，當(dāng)環(huán)境箱溫度達(dá)到目標(biāo)溫度(誤差±2℃)并保溫15min后進(jìn)行拉伸，初始變形速率0.002/min，塑性變形之后變形速率提升到0.006/min直至拉斷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 三種材料在不同溫度下的強(qiáng)度與延伸率

利用軟件擬合三種材料在不同溫度下屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及延伸率，見(jiàn)圖1。常溫下，X材料與Y材料抗拉強(qiáng)度較為接近，但X材料屈服強(qiáng)度比Y材料高出很多，0℃以下X材料屈強(qiáng)比達(dá)到0.90以上。Z材料因合金量最低，故抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度最低。隨著溫度升高三種材料抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度均逐漸降低，且X材料在180～280℃、Y材料在120～200℃、Z材料在120～240℃區(qū)間內(nèi)，隨著溫度升高，抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度開(kāi)始上升。隨著溫度繼續(xù)升高，強(qiáng)度再次開(kāi)始下降。

在常溫下隨著溫度升高，X材料延伸率迅速?gòu)?20～10℃區(qū)間的低于5%上升到30℃時(shí)的22%，其間發(fā)生了脆韌轉(zhuǎn)化，超過(guò)30℃時(shí)鋼材顯現(xiàn)出良好的塑性。而Y、Z材料在整個(gè)溫度范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯脆性。三種材料延伸率在80℃附近出現(xiàn)最大值并基本保持不變，其后隨著溫度繼續(xù)升高，X材料在160～220℃、Y材料在100～180℃、Z材料在120～220℃范圍內(nèi)出現(xiàn)延伸率下降的現(xiàn)象，其后延伸率再次上升。

從延伸率對(duì)比圖1(b)可以看出，X材料在10℃以下表現(xiàn)出明顯脆性。本實(shí)驗(yàn)在材料出現(xiàn)屈服之前應(yīng)變速率僅為0.0002/s，按照S.Ekelund公式計(jì)算，

式中，R為軋輥半徑，v為軋輥圓周速度，H為入側(cè)鋼帶厚度，h為出側(cè)鋼帶厚度。可以計(jì)算出軋制時(shí)的應(yīng)變速率在102～103/s，高出實(shí)驗(yàn)變形速率很多，在慣性因素的影響下材料的屈服強(qiáng)度將會(huì)繼續(xù)升高而抗拉強(qiáng)度基本不變[7]，即，在軋制時(shí)材料將會(huì)表現(xiàn)出更高的屈強(qiáng)比，對(duì)軋制更加不利。所以在軋制X材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高開(kāi)軋溫度，避開(kāi)脆性區(qū)。尤其是考慮到冷連軋機(jī)由于輥徑大，第一道次壓下率較二十輥軋機(jī)小，因軋制變形產(chǎn)生的鋼帶溫升小，更應(yīng)當(dāng)提高開(kāi)軋前的板溫。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 斷口形貌觀察

X材料斷口在-20～10℃溫度范圍均表現(xiàn)為解理脆斷，宏觀斷口平直，試樣變形量很小，在20℃時(shí)斷口形貌以解理為主，但可以觀察到少量韌窩，見(jiàn)圖2。30～160℃斷口形貌均以韌窩為主，且韌窩大小及深度較為接近，在180℃以上斷口中可以觀察到既有解理又有韌窩，隨著溫度升高，韌窩深度與大小逐漸降低，解理比例逐漸增加，至300℃時(shí)斷口中仍可觀察到解理與韌窩并存，但韌窩再次變大，且韌窩占比增加，部分?jǐn)嗫谖⒂^形貌見(jiàn)圖3。

Y、Z材料在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)均顯現(xiàn)為韌性斷裂，斷口形貌基本以韌窩為主，僅在延伸率出現(xiàn)下降的溫度區(qū)間內(nèi)可以觀察到少量解理，與X材料180℃斷口形貌相近。

3.2 韌脆轉(zhuǎn)變溫度的討論

影響體心立方鐵素體金屬材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度的因素主要有晶粒大小和化學(xué)成分[8]。

三種不同材料?；褰M織見(jiàn)圖4，因目標(biāo)性能不同，三種材料?；に囈膊灰恢?，常化板組織有一定差距。X材料合金量最高，采用更高的?；瘻囟?，使?；寰Я８?，可以獲得更低的成品鐵損，但因變形抗力較大，目前采用可逆軋機(jī)進(jìn)行軋制。Y、Z材料在生產(chǎn)時(shí)均使用連軋機(jī)軋制，采用略低的?；瘻囟龋刂瞥；寰Я３叽纾苊庖蚓Я＿^(guò)大造成軋制時(shí)脆斷[10]。

晶粒粗大會(huì)使鋼的強(qiáng)度降低，韌性變差。X材料雖然合金量高，但?；瘻囟纫哺?，晶粒尺寸大，抗拉強(qiáng)度仍然與Y材料相當(dāng)，沒(méi)有顯示出相對(duì)于更高合金量而應(yīng)有的更大的抗拉強(qiáng)度。

圖2 X材料-20℃～40℃斷口宏觀形貌

圖3 X材料部分?jǐn)嗫谖⒂^形貌

圖4 三種不同材料?；褰M織

從圖5[10]可以看出，在其他合金(C、Mn、P等)差異不大的情況下，隨著硅含量的升高，材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度迅速上升。

圖5 合金元素對(duì)韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響

X材料由于合金量高且晶粒大，使得韌脆轉(zhuǎn)變溫度已上升到常溫，而Y、Z材料在-20℃時(shí)仍未顯現(xiàn)出脆性。

3.3 材料屈服強(qiáng)度出現(xiàn)反常的討論

低溫條件下鐵素體對(duì)C、N的溶解度基本為零，因此盡管鋼中只有少量的C、N原子，但在低溫下仍會(huì)以Fe3C、Fe4N析出的形式存在。從圖6可以看出，本實(shí)驗(yàn)條件下，C不會(huì)在鋼中溶解，但N在高溫區(qū)域會(huì)溶解在鋼中[11]。雖然硅鋼材料中添加了大量的 Si、Mn、Al元素，但由于相關(guān)元素在基體中處于置換固溶狀態(tài)，置換固溶原子產(chǎn)生的內(nèi)耗相對(duì)較小，而且其內(nèi)耗峰溫度一般在400℃以上，遠(yuǎn)超出本試驗(yàn)測(cè)試溫度，因此在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，Si、Mn、Al置換固溶原子對(duì)強(qiáng)度的影響可以不作為主要因素考慮。在硅鋼材料中C、N間隙固溶原子引起的晶格畸變是對(duì)稱的，在一定溫度和應(yīng)力作用下，C、N間隙固溶原子通過(guò)原子跳躍改變其取向，降低晶格畸變能，從而使材料處于低能狀態(tài)[12]。

圖6 C、N含量在5×10-5之內(nèi)的Fe-C、Fe-N二元相圖

在溫加工溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)屈服強(qiáng)度反常上升，一般認(rèn)為是由于變形所產(chǎn)生的位錯(cuò)同 C、N 發(fā)生作用形成柯垂?fàn)枤鈭F(tuán)，因而使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)發(fā)生困難。由于這個(gè)原因，在溫加工溫度變形的材料位錯(cuò)密度較高，體心立方鐵素體金屬中C、N固溶原子的內(nèi)耗峰溫度在140～200℃之間。在此溫度區(qū)間，由于內(nèi)耗引起的晶格畸變?cè)黾樱诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度升高[13]。

這個(gè)機(jī)理在溫加工引起的強(qiáng)度提高的很多鋼中都有，但因?yàn)殇撝刑蓟锏膹?qiáng)度非常高，所以這種強(qiáng)度提高可以認(rèn)為主要是由鐵素體強(qiáng)度的提高所造成的。也就是說(shuō)，通過(guò)位錯(cuò)的增殖以及伴隨而來(lái)的應(yīng)變時(shí)效所得到的動(dòng)態(tài)強(qiáng)化，比冷加工后低溫退火的材料還硬。

通過(guò)降低常化溫度減小晶粒尺寸或者降低硅含量雖然可以一定程度上降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高材料韌性，使材料利于冷軋加工，但也會(huì)對(duì)成品磁性能造成不利的影響。比較有效的方法就是將開(kāi)軋前的板溫提高到韌脆轉(zhuǎn)變溫度以上，使材料具有良好的韌性。但過(guò)高的開(kāi)軋溫度也會(huì)降低冷軋儲(chǔ)能，且在100℃開(kāi)始會(huì)由內(nèi)耗引起延伸率降低以及力學(xué)性能反常等現(xiàn)象，在軋制過(guò)程中，隨著變形量的增大，鋼帶溫度將會(huì)進(jìn)一步上升，應(yīng)當(dāng)通過(guò)調(diào)整乳化液流量，控制板溫，避免在內(nèi)耗溫度范圍軋制引起軋制不穩(wěn)定。

4 軋制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將X材料與Y材料常化板剪成80mm(橫向)×600mm(軋向)條料，在中試帶溫軋功能的四輥冷軋機(jī)上按照相同壓下規(guī)程進(jìn)行不同板溫軋制實(shí)驗(yàn)[14]，觀察軋制力與邊部情況。

不同開(kāi)軋溫度下第一道次兩種材料軋制穩(wěn)定時(shí)的軋制力見(jiàn)圖7，兩種材料不同開(kāi)軋溫度下的軋制力變化趨勢(shì)與屈服強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本一致。X材料在板溫低于0℃時(shí)，所有?；逶谄鸩綍r(shí)均脆斷；開(kāi)軋板溫為20℃試樣，第一道次軋完后邊部即出現(xiàn)較深邊裂；開(kāi)軋板溫40℃試樣，軋至成品0.5mm后邊部有細(xì)小邊裂。開(kāi)軋板溫在40～100℃溫度區(qū)間試樣軋制穩(wěn)定，成品板面良好。開(kāi)軋溫度在100～240℃時(shí)，因軋制溫升，在軋制過(guò)程中，鋼帶溫度升高到材料力學(xué)性能反常區(qū)間，軋制力較大波動(dòng)，軋制不穩(wěn)定，板型較差。240℃及以上溫度，軋制成品板面因溫度過(guò)高出現(xiàn)氧化。

對(duì)比X、Y兩種材料的軋制力，X材料在80℃時(shí)每道次軋制力較Y材料20℃時(shí)低，且成品邊部良好，無(wú)邊裂。即：將X材料開(kāi)軋溫度提高到80℃時(shí)，冷軋軋制力可以降低到Y(jié)材料常溫下的水平。但如果開(kāi)軋溫度過(guò)高，隨著軋制溫升，板溫提升到反常區(qū)域，將對(duì)軋制穩(wěn)定性造成較大影響。

圖7 不同開(kāi)軋溫度下第一道次兩種材料軋制穩(wěn)定時(shí)的軋制力

5 結(jié)論

(1)在其他合金元素變化不大的情況下，Si含量超過(guò)3.2%時(shí)，高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼常化板在常溫下已顯示出脆性。

(2)體心立方鐵素體金屬中C、N 固溶原子在內(nèi)耗峰溫度范圍內(nèi)，由于內(nèi)耗引起的晶格畸變?cè)黾樱诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增加，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度升高。

(3)選擇合適的冷軋開(kāi)軋溫度可以有效的避免3.2%Si高牌號(hào)無(wú)取向硅鋼在脆性區(qū)軋制，還能降低變形抗力，減少斷帶風(fēng)險(xiǎn)，較為合適的開(kāi)軋溫度為80℃。