楊經(jīng)富， 張迎暉， 秦鏡， 周情耀， 趙海斌， 聶金成， 徐星星

（江西理工大學(xué)材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州341000）

能源消耗和環(huán)境保護(hù)問題促使新能源汽車成為未來機(jī)動車的主流[1]，高牌號無取向電工鋼作為一種重要的軟磁性材料，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車的驅(qū)動電機(jī)上， 現(xiàn)代汽車快速發(fā)展要求電工鋼擁有更高的磁感、更低的鐵損以及更薄的厚度等[2-3]。 通常把鐵損P1.5/50≤4.00 W/kg 的無取向電工鋼稱為高牌號無取向電工鋼[4]，它是功能性軟磁材料的重要組成部分之一，因其鐵損值低、磁導(dǎo)率高、磁致伸縮性小和加工性能好等眾多優(yōu)良特性，使之成為電磁轉(zhuǎn)換過程中高端鐵芯制造領(lǐng)域的主要材料[5-6]。 據(jù)各國家的標(biāo)準(zhǔn)及各企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 高牌號無取向電工鋼主要分為以下幾大類：特殊厚規(guī)格系列、0.50 mm 厚度系列、0.35 mm 厚度系列和特殊薄規(guī)格系列[4]。 提高無取向電工鋼的磁性能和優(yōu)化產(chǎn)品制造工藝一直以來是發(fā)展和研究的重點(diǎn)，無取向電工鋼的生產(chǎn)工藝主要分為一次冷軋法和二次冷軋法，從成本和生產(chǎn)效率的考量，大多數(shù)企業(yè)都更傾向于采用一次冷軋法[7]。

電工鋼的技術(shù)指標(biāo)包括磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵芯損耗，電工鋼的磁性能與成品板晶粒尺寸、鋼水的純凈度、硅含量、晶體織構(gòu)以及成品板的厚度等有關(guān)[8]。在BCC 結(jié)構(gòu)電工鋼中，晶粒容易磁化的是{100}方向，{110}方向次之，最難磁化的是{111}方向，在產(chǎn)品制造過程中，追求獲得更多的{100}和{110}織構(gòu)，弱化{111}織構(gòu)，從而達(dá)到優(yōu)化磁性能的目的[9]。通常在高牌號無取向電工鋼中，經(jīng)冷軋并退火后會得到典型的γ 織構(gòu)和λ 織構(gòu)，有時也會出現(xiàn)一些高斯織構(gòu)， 主要以對磁性能不利的γ織構(gòu)為主[10]。 另外較大的冷軋壓下率退火后能得到另一種典型的α* 織構(gòu)，ɑ* 織構(gòu)是經(jīng)大壓下率 （80%~95%）冷軋退火后形成的{h,1,1}<1/h,1,2>再結(jié)晶織構(gòu)，一般是在高應(yīng)變下起降低γ 織構(gòu)的作用[11]。 如何優(yōu)化織構(gòu)是獲得具有優(yōu)異磁性能高牌號無取向電工鋼的關(guān)鍵。 以企業(yè)生產(chǎn)的高牌號無取向電工鋼?；鍨槌跏荚?，使用一次冷軋法制備成品板，研究了不同厚度成品板組織和織構(gòu)的差異，及其對磁性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

表1 ?；宓幕瘜W(xué)成分表Table 1 Chemical composition of normalized sheet單位：質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

實(shí)驗(yàn)原材料為某企業(yè)生產(chǎn)的2.1 mm 厚?；澹浠瘜W(xué)成分見表1 所列。 經(jīng)76.2%、83.3%、85.7%不同的壓下率冷軋至最終厚度為0.5 mm、0.35 mm、0.30 mm 的冷軋板，最后經(jīng)980 ℃×6 min 退火得到成品板，退火氣氛為75%N2+25%H2。

利用SIGMA 掃描電鏡上配置的牛津儀器HKL Channel 5 EBSD 系統(tǒng)對?；搴统善钒逦⒂^織構(gòu)進(jìn)行檢測分析，使用蔡司光學(xué)顯微鏡對冷軋板進(jìn)行金相組織觀察，最后將成品板沿橫向和縱向切成30 mm×300 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，使用MPG200D 測量儀的愛潑斯坦方圈檢測硅鋼片磁性能，包括磁感B50（5000 A/m磁場下磁感應(yīng)強(qiáng)度）、鐵損P1.5/50（50 Hz 頻率、1.5 T 磁感下的鐵損）、鐵損P1.5/50（50 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）、 鐵損P1.0/100（100 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）、鐵損P1.0/200（200 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）和P1.0/400（400 Hz 頻率、1.0 T 磁感下的鐵損）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 所示為?；鍌?cè)面的EBSD 取向成像，由圖1 可見?；逡呀?jīng)基本完成再結(jié)晶，僅在心部存在少量的變形組織， 主要是由于?；瘻囟绕臀催_(dá)到各區(qū)域晶粒長大即再結(jié)晶所需能量[12]。表層組織為細(xì)小的等軸晶，心部則表現(xiàn)為不均勻狀態(tài)的晶粒組織，呈現(xiàn)出一定的尺寸梯度，EBSD 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)常化板的平均晶粒尺寸為70 μm。 從圖1（b）?；宓膡200}極圖和圖1（c）φ2=45°截面ODF 圖可以看出，此時的織構(gòu)較為弱化，主要存在的織構(gòu)組分為{100}011 立方織構(gòu)。

冷軋的目的是獲得所需要的板型和板厚，圖2 所示為不同厚度冷軋板的側(cè)面金相組織圖， 隨著冷軋的進(jìn)行， 晶粒沿軋制方向被拉長。 當(dāng)?；謇滠堉?.5 mm時，觀察到冷軋板內(nèi)出現(xiàn)了較多的剪切帶，S C Paolinelli等[13-14]認(rèn)為硅鋼中剪切帶對后續(xù)退火過程中立方取向和高斯取向晶粒的形核有促進(jìn)作用，當(dāng)冷軋壓下率繼續(xù)增加時，晶粒變形更明顯，且進(jìn)一步被拉長，冷軋板中的剪切帶逐漸減少，此時冷軋板內(nèi)的結(jié)構(gòu)主要是與軋制方向平行的帶狀組織，即典型的纖維狀晶粒組織結(jié)構(gòu)。

不同厚度的冷軋板經(jīng)再結(jié)晶退火處理后，在960 ℃下退火時均發(fā)生了完全再結(jié)晶， 成品板金相組織見圖3 所示。圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）為不同厚度成品板的金相組織照片， 無取向電工鋼的組織均為鐵素體，并結(jié)合圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）成品板側(cè)面的IPF圖， 使用EBSD 統(tǒng)計(jì)0.5、0.35 mm 和0.35 mm 成品退火板的平均晶粒尺寸為86.8、85.8 μm 和85.1 μm，方差分別為37.6、42.7 和43.4。 隨著冷軋壓下率增加，平均晶粒尺寸基本無變化，組織的均勻性略有降低。

圖1 ?；鍌?cè)面的EBSD 取向成像Fig. 1 EBSD maping on the side of normalized sheet

圖2 冷軋板金相組織Fig. 2 Optical microstructure of cold rolled sheets

圖3 成品板金相組織Fig. 3 Optical microstructure of final sheets

從圖4（d）、圖4（e）、圖4（f）對應(yīng)的φ2=45°截面ODF 圖中可以看出，再結(jié)晶退火后，不同厚度下的成品板中含有的織構(gòu)是較為典型的γ 織構(gòu)、λ 織構(gòu)和大壓下退火后得到的α* 織構(gòu)，其中主導(dǎo)織構(gòu)是γ 織構(gòu)和α* 織構(gòu)，小部分存在的α 織構(gòu)強(qiáng)度較弱。 且隨著厚度的減薄，再結(jié)晶織構(gòu)呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢，主要是由于γ 織構(gòu)和α*織構(gòu)在不斷增強(qiáng)。

圖4 0.5 mm、0.35 mm 和0.3 mm 厚成品板的EBSD 取向成像Fig. 4 EBSD maping of 0.5 mm, 0.35 mm and 0.3 mm thick final sheets

圖5 成品板取向線上的密度分布Fig. 5 Density distribution on the orientation line of the final sheets

圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）為λ 取向線、λ 取向線和α*取向線密度分布圖。 其中γ 取向線的密度峰值在{111}<112>織構(gòu)上， 即成品板中的γ 織構(gòu)主要以{111}<112>再結(jié)晶織構(gòu)為主，隨著厚度的減薄密度線出現(xiàn)了上升的趨勢。α*取向線也出現(xiàn)了上升，且密度峰值介于{111}<231>和{112}<241>織構(gòu)之間。 而λ 織構(gòu)則出現(xiàn)了減弱，密度峰值主要是集中在{100}<012>織構(gòu)上。

從圖5（d）{111}和{111}面織構(gòu)的體積分?jǐn)?shù)占比情況來看，0.5、0.35、0.30 mm 下{111}面織構(gòu)所占的體積分?jǐn)?shù)分別為44.8%、46.3%、50.4%，{100} 面織構(gòu)所占的體積分?jǐn)?shù)為25.3%、24.7%、23.3%。

利用單片檢測儀測得成品退火板磁性能，結(jié)果如表2 所列。隨著成品板厚度的減薄，磁感應(yīng)強(qiáng)度值B50出現(xiàn)了下降的趨勢，鐵損值也隨著降低，且在高頻下鐵損值降低的更明顯。

表2 成品退火板磁性能Table 2 Magnetic properties of final annealed sheets

3 分析與討論

3.1 成品板厚對磁性能的影響

無取向電工鋼的磁性能指標(biāo)包括磁感應(yīng)強(qiáng)度與鐵芯損耗，根據(jù)Bertotti 提出的經(jīng)典的鐵損分離理論[3,15]，硅鋼的總鐵損（Pt）由磁滯損耗（Ph）、渦流損耗（Pe）和反常損耗（Pa）3 個部分組成，即Pt=Ph+Pe+Pa。一般情況下主要考慮磁滯鐵損（Ph）和渦流鐵損（Pe），在圖6 中行分離出了不同厚度和不同頻率下相應(yīng)的磁滯鐵損和渦流鐵損。

圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）、圖6（d）為成品退火板在磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.0 T 和頻率為50、100、200 Hz 和400 Hz 時鐵損的變化情況。 鐵損分離結(jié)果表明，隨著厚度減薄，磁滯損耗占總鐵損的比重不斷升高，渦流鐵損所占比重不斷降低； 而隨著工作頻率的增高，渦流損耗占總鐵損的比重則出現(xiàn)上升的情況，最低鐵損有向更薄厚度變化的趨勢。

圖6 不同頻率下的鐵損值隨著成品板厚度的變化Fig. 6 Variation of iron loss value with the thickness of final sheet at different frequencies

分析鐵芯損耗降低的原因，根據(jù)麥克斯韋方程導(dǎo)出的渦流損耗的經(jīng)典表達(dá)式：

式（1）中t 是成品板的厚度；f 是頻率；Bmax是最大磁通密度；ρ 是電阻率；γ 是材料的密度， 一般高牌號的硅鋼密度為c=7.5 g/cm3；k 是波形系數(shù)， 對于正弦波形，k的值為1.11。 從渦流損耗分析，厚度t 和頻率f 與渦流鐵損成正比，隨著成品板的厚度t 的減小，在同一頻率下，其渦流鐵損均在相應(yīng)的減??；但隨著頻率f 的增加，渦流鐵損則表現(xiàn)為增加，這與成品板磁性能的檢測也是相一致的，因此在高頻下鐵損值的降低更為明顯，減薄成品板厚能夠有效降低鐵損。

3.2 成品板組織和織構(gòu)對磁性能的影響

成品板的鐵芯損耗在晶粒尺寸一定時，影響鐵損的主要因素是成品板厚度。 隨著厚度的減薄，晶粒尺寸基本不變，因此對鐵損的影響不大，總鐵損出現(xiàn)顯著下降的原因是由于渦流損耗隨著厚度減薄急劇降低。 厚度從0.5 mm 降低到0.3 mm 時，組織均勻性出現(xiàn)降低相對會增加一定的鐵芯損耗，但厚度減薄導(dǎo)致渦流損耗降低仍占據(jù)著主導(dǎo)作用，因此整體鐵芯損耗呈下降趨勢。 一般來說，冷軋壓下率應(yīng)控制在70%～80%，當(dāng)冷軋壓下率出現(xiàn)過大時，會使成品板的晶粒小、鐵損升高、磁感降低[16]。

而對磁性能指標(biāo)中磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響因素主要考慮的是晶體織構(gòu)。無取向電工鋼在退火過程中發(fā)生的再結(jié)晶過程一般包括再結(jié)晶晶核的形成以及后續(xù)的晶粒長大過程，再結(jié)晶初期新晶核的形成以及哪些特殊取向的晶核能夠長大能夠直接決定成品板中的再結(jié)晶織構(gòu)類型[17-18]。 在不同的壓下率冷軋并退火后，所得成品板中所含的織構(gòu)類型均主要為γ 和α* 織構(gòu)，說明在960 ℃退火溫度下發(fā)生再結(jié)晶時，以γ 取向晶粒和α*取向晶粒形核長大為主。

在高牌號無取向電工鋼的成品板中，對磁性能不利的{111}再結(jié)晶晶粒通常來自形變基體中的{111}取向晶粒內(nèi)的切變帶上或者初始晶界處的附近[19-20]，而關(guān)于{111}再結(jié)晶織構(gòu)的發(fā)展，Hutchinson 等[21]認(rèn)為是由于尺寸優(yōu)勢造成的原因。 變形量越大時切邊帶則越多， 則更有利于γ 纖維織構(gòu)的增強(qiáng)和后續(xù){111}取向晶粒的形核。因此隨著冷軋壓下率的增加， 成品板中的γ 織構(gòu)也在不斷增加，{111}取向晶粒在長大過程中也更容易吞并部分{100}取向晶粒。

影響磁感應(yīng)強(qiáng)度B50的主要因素是織構(gòu)類型，將Rt稱為有利織構(gòu){100}所占體積分?jǐn)?shù)和有害織構(gòu){111}所占體積分?jǐn)?shù)之比，如圖7 所示。 結(jié)果表明隨著厚度的減薄，有利織構(gòu)和有害織構(gòu)比Rt值為0.56、0.53 和0.46，處于不斷降低的趨勢。 有利織構(gòu)不斷降低，有害織構(gòu)不斷增加，導(dǎo)致此時磁化越來越困難，這也是造成磁感應(yīng)強(qiáng)度B 降低的主要原因。

圖7 不同厚度下成品板的Rt 值Fig. 7 Rt value of final sheet under different thickness

4 結(jié) 論

1） 隨著成品厚度減薄，總鐵損不斷降低，尤其在高頻下更為明顯， 這是因?yàn)楦哳l下渦流損耗占主導(dǎo)；同時渦流損耗占總鐵損的比重也隨著成品厚度減薄而不斷降低，減薄厚度能有效降低鐵損。

2） 隨著成品厚度減薄，平均晶粒尺寸略有減小，組織均勻性變差，但厚度減薄導(dǎo)致的渦流損耗降低仍占據(jù)著主導(dǎo)作用，總的鐵芯損耗出現(xiàn)下降。

3） 隨著成品厚度減薄，γ織構(gòu)和α* 織構(gòu)不斷增強(qiáng)，λ 織構(gòu)逐漸減弱； 有利織構(gòu)和有害織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)的比值Rt逐漸減小，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度B50也隨之降低。