譙德高， 趙小龍， 狄彥軍， 郭淵強(qiáng)， 藺曉亮

(1. 酒鋼宏興股份公司 碳鋼薄板廠，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；2. 酒鋼宏興股份公司 鋼鐵研究院， 甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

板形和表面質(zhì)量是無取向電工鋼的重要質(zhì)量指標(biāo)[1-2]。為了提高疊片系數(shù)，必須保證無取向電工鋼表面光滑、板形良好[3-5]。因此，需要對再結(jié)晶退火后的帶鋼進(jìn)行平整軋制。平整實(shí)質(zhì)是一種小壓下量的軋制變形，經(jīng)過平整，可以消除屈服平臺[6]，防止帶鋼在拉伸或深沖時出現(xiàn)滑移線，以便鋼板在拉伸或深沖時獲得均勻的延伸。但退火后的無取向硅鋼再經(jīng)過平整機(jī)軋制后會增加小角度晶界含量，阻礙磁疇的移動，使得磁疇的尺寸變小，阻礙了磁化過程，從而降低磁感，提高鐵損[7-8]。小角度晶界的結(jié)構(gòu)可以用位錯模型來解釋，退火之后會發(fā)生應(yīng)力釋放，位錯減少，宏觀上表現(xiàn)為吞并亞晶，晶粒長大[9-10]。因此可以通過對平整軋制后的硅鋼片進(jìn)行去應(yīng)力退火處理以改善50W800無取向硅鋼成品的性能。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料采用某鋼廠經(jīng)過熱軋、酸軋、罩式爐退火和平整機(jī)軋制后的50W800冷軋無取向電工鋼板，切取尺寸200 mm×400 mm的試樣備用。模擬現(xiàn)場退火設(shè)備在BF1400-50箱式高溫爐中進(jìn)行，使用容積80 L，控溫精度±1 ℃，升溫速率≤30 ℃/min。為防止試樣表面氧化，將金相試樣置于空心線棒，并加入少量碳粉作保護(hù)。試驗(yàn)時分別將試樣加熱至400、500、600、700、800 ℃，并保溫2 min，之后空冷至室溫，如圖1 所示。隨后用單片測量法測量其鐵損和磁感應(yīng)強(qiáng)度，將金相樣鑲嵌好后打磨、拋光、電解腐蝕后通過場發(fā)射掃描電鏡配備的EBSD組件觀察無取向硅鋼組織織構(gòu)，使用Channel 5 軟件分析織構(gòu)類型。

圖1 試驗(yàn)試樣退火工藝Fig.1 Annealing process of the tested specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 退火工藝對無取向硅鋼磁性能的影響

圖2為50W800無取向硅鋼退火溫度與磁性能的關(guān)系。從圖2(a)中可以看出，50W800無取向硅鋼平整之前縱向鐵損為5.8 W/kg，平整之后鐵損增大到7.0 W/kg，平整導(dǎo)致鐵損增加20.7%。但隨著平整之后退火溫度的提高，無取向硅鋼無論橫向還是縱向的鐵損都呈降低趨勢，特別是退火溫度為400～700 ℃時，鐵損幾乎呈直線下降，當(dāng)退火溫度達(dá)到800 ℃時，縱向鐵損降低到5.0 W/kg，表明平整之后的退火可以降低50W800無取向硅鋼的鐵損，由平整之前的5.8 W/kg降低到5.0 W/kg，降低13.8%。對比橫向和軋向的鐵損曲線，發(fā)現(xiàn)軋制方向?qū)﹁F損的影響不大。

從圖2(b)中可以看出，軋向的磁感應(yīng)強(qiáng)度普遍高于橫向，說明軋制方向?qū)Υ鸥杏杏绊?。平整之前軋向磁感?.708 T，平整之后為1.693 T，平整使磁感降低0.015 T，但隨著平整之后退火溫度的升高，無論橫向還是縱向，50W800鋼的磁感都呈緩慢上升趨勢，且當(dāng)退火溫度為500 ℃時，鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度恢復(fù)至未平整狀態(tài)，當(dāng)退火溫度為700 ℃時，磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值，軋向磁感為1.717 T，較平整之前磁感提高了0.009 T。因此，對平整之后50W800冷軋板進(jìn)行700 ℃退火處理有利于降低無取向硅鋼鐵損、提高磁感。

圖2 50W800無取向硅鋼平整后退火溫度對鐵損(a)和磁感應(yīng)強(qiáng)度(b)的影響Fig.2 Effect of annealing temperature on iron loss(a) and magnetic induction strength(b) of the flattening rolled 50W800 non-oriented silicon steel

2.2 退火工藝對無取向硅鋼組織與織構(gòu)的影響

為進(jìn)一步分析平整軋制前后磁性能下降的原因以及去應(yīng)力退火對50W800無取向硅鋼組織的影響，使用EBSD(電子背散射衍射)技術(shù)表征50W800無取向硅鋼的具體晶粒取向變化。圖3為平整軋制和退火前后50W800無取向硅鋼織構(gòu)分布圖，圖3中紅色晶界線代表2°～5°的小角度晶界，藍(lán)色晶界線代表5°～15°的小角度晶界。由圖3可以看出，平整前后小晶粒眾多，且晶粒均勻性較差，并存在許多小角度晶界，經(jīng)400 ℃退火后，50W800無取向硅鋼晶粒尺寸明顯增大，晶粒均勻性也有所上升，700 ℃退火處理后晶粒均勻性最好，隨著退火溫度提高至800 ℃，組織中出現(xiàn)個別尺寸較大的晶粒，導(dǎo)致晶粒整體均勻性下降。

圖3 平整前后和不同退火工藝下50W800無取向硅鋼織構(gòu)分布圖(a)平整前; (b)平整后; (c)400 ℃; (d)700 ℃; (e)800 ℃Fig.3 Texture distribution diagrams of the 50W800 non-oriented silicon steel before and after flattening and then after different annealing processes(a) before flattening; (b) after flattening; (c) 400 ℃; (d) 700 ℃; (e) 800 ℃

無取向硅鋼織構(gòu){100}、{110}有利于硅鋼獲得良好的各向同性磁性，應(yīng)盡量增加此類織構(gòu)，而織構(gòu){111}對其磁性能不利，應(yīng)盡量減少。圖3中不同晶粒顏色代表不同取向織構(gòu)，從圖3可以看出，平整前和平整后不利織構(gòu){111}占比大，經(jīng)過平整退火后占比大幅降低，在700 ℃占比最低，但800 ℃退火時{111}織構(gòu)占比又有所上升，這是由于晶粒異常長大造成的。

圖4為平整退火前后小角度晶界變化。由圖4可以看出，較平整前而言，平整后的50W800無取向硅鋼增加了許多小角度晶界，經(jīng)過400 ℃退火后確實(shí)能消耗小部分小角度晶界，經(jīng)過700 ℃退火時小角度晶界總含量最低。小角度晶界形成和聚集的主要原因在于晶粒的變形和位錯運(yùn)動。在平整過程中新產(chǎn)生的位錯隨著變形的增加傾向于往晶粒內(nèi)部運(yùn)動，當(dāng)這些位錯運(yùn)動到晶界處時，由于晶界的阻隔作用，這些位錯將會在晶界處堆積成位錯團(tuán)，增加晶界附近的位錯密度。當(dāng)晶界處的位錯密度繼續(xù)增加，達(dá)到一定程度時，就會形成位錯晶胞，從而最終發(fā)展成小角度晶界。另外，晶界附近的位錯團(tuán)的形成和位錯密度的增加又會阻礙位錯的進(jìn)一步運(yùn)動，并且阻止晶粒的進(jìn)一步塑性變形，也就產(chǎn)生了宏觀所見的加工硬化現(xiàn)象[11]。小角度晶界的增加還會阻礙磁疇的移動，其磁疇依靠磁疇壁移動長大，而在晶界處應(yīng)力較大，缺陷也比較多，這些阻礙了磁疇的移動，進(jìn)而使得磁疇的尺寸變小，阻礙了磁化過程，從而進(jìn)一步降低磁感[12]。因此，冷軋板進(jìn)行700 ℃短時間退火處理能消耗大量小角度晶界，使得晶界含量降低，磁疇壁更易移動，從而降低鐵損。

圖4 平整前后和不同工藝退火后50W800無取向硅鋼中小角度晶界分布Fig.4 Distribution of small angle grain boundary in the 50W800 non-oniented silicon steel before and after flattening and then after different annealing processes

圖5為平整退火后取向分布函數(shù)的φ2=45°截面圖。從圖5可以看出，平整后形成較強(qiáng)的{111}<112>形變織構(gòu)，織構(gòu)分布密度水平達(dá)到14.0；經(jīng)過400 ℃退火后，{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度大幅降低，分布密度水平降到4.9；經(jīng)過700 ℃退火后，{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度降到最低，分布密度水平為1.1；經(jīng)過800 ℃退火后，{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度由于晶粒長大又變強(qiáng)，分布密度水平上升到2.8，并形成了分布密度水平為9.61 的較強(qiáng){111}<110>織構(gòu)?？梢?00 ℃平整退火可使平整板中不利的{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度降低到最低水平。

圖5 平整及不同溫度退火后50W800無取向硅鋼取向分布函數(shù)的φ2=45°截面圖(a)平整后; (b)400 ℃; (c)700 ℃; (d)800 ℃Fig.5 φ2=45° section diagrams of orientation distribution function of the 50W800 non-oriented silicon steel after flattening and then annealing at different temperatures(a) after flattening; (b) 400 ℃; (c) 700 ℃; (d) 800 ℃

圖6為平整退火后ODF的α、γ和η取向線。從α取向線上可以看出，平整板經(jīng)過700 ℃退火后形成較強(qiáng)的{112}<110>織構(gòu)，其分布密度水平為7.0；平整板經(jīng)過800 ℃退火后形成較強(qiáng)的{111}<110>織構(gòu)；從γ取向線上可以看出，平整后形成的強(qiáng){111}<112>織構(gòu)經(jīng)退火后強(qiáng)度大幅度降低，700 ℃退火后，{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度最低；{111}<110>織構(gòu)強(qiáng)度隨退火溫度的升高先降低后升高，700 ℃退火強(qiáng)度最低；從η取向線上可以看出，400 ℃平整退火{110}<001>織構(gòu)強(qiáng)度最高。

圖6 50W800無取向硅鋼平整及不同溫度退火后ODF的α(a)、γ(b)和η(c)取向線Fig.6 α(a), γ(b) and η(c) orientation lines of ODF of the 50W800 non-oriented silicon steel after flattening and then annealing at different temperatures

2.3 力學(xué)性能

眾所周知，電工鋼沖片性的好壞對電工鋼質(zhì)量的好壞起著很重要的作用[13-14]。電工鋼板的沖片性越好，沖模和剪刀壽命就越長，節(jié)約生產(chǎn)成本，而且可以保證疊片尺寸精度及減少其毛刺。硅鋼片表面光滑、平整和厚度均勻，可以提高鐵芯的疊片系數(shù)，即鐵芯的有效利用空間。疊片系數(shù)高，鐵芯中空氣間隙就小，從而減小激磁電流。因此，希望50W800無取向硅鋼具有較好的力學(xué)性能，以減少沖片后邊部毛刺的含量[13-14]。

圖7 平整及不同溫度退火后50W800無取向硅鋼的力學(xué)性能Fig.7 Mechanical properties of the 50W800 non-oriented silicon steel after flattening and then annealing at different temperatures

從圖7可以看出，50W800無取向硅鋼平整后，即室溫時，材料擁有較好的力學(xué)性能。但經(jīng)過不同溫度去應(yīng)力退火后，隨著退火溫度的升高，50W800無取向硅鋼的抗拉強(qiáng)度逐漸降低，特別是800 ℃退火時，其抗拉強(qiáng)度急速下降，同時屈服強(qiáng)度也隨退火溫度的升高呈先上升再下降的趨勢，而無取向硅鋼的斷后伸長率隨退火溫度的升高整體呈上升趨勢，因此退火溫度為800 ℃時有利于降低剪刀和沖模的損耗。但考慮到700 ℃退火時磁性能更佳，在工業(yè)化生產(chǎn)中選擇700 ℃ 作為退火溫度，更有利于降低50W800無取向硅鋼的生產(chǎn)成本。

3 結(jié)論

1) 50W800無取向硅鋼平整后鐵損P1.5/50較未平整時增加20.7%，磁感應(yīng)強(qiáng)度J5000降低。鐵損增加的原因?yàn)槠秸^程中新產(chǎn)生的位錯發(fā)展成小角度晶界，阻礙磁疇的移動，從而進(jìn)一步降低磁感。

2) 平整后進(jìn)行短時間的退火處理，可提高組織均勻性，降低不利織構(gòu){111}<112>，改善磁性能。

3) 平整后進(jìn)行700 ℃短時間退火處理，鐵損最低、磁感最高，在工業(yè)化生產(chǎn)中選擇700 ℃作為平整退火的最佳溫度。