退火工藝對平整軋制后50W800無取向硅鋼磁性能的影響

譙德高， 趙小龍， 狄彥軍， 郭淵強， 藺曉亮

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

板形和表面質量是無取向電工鋼的重要質量指標[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，需要對再結晶退火后的帶鋼進行平整軋制。平整實質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]。小角度晶界的結構可以用位錯模型來解釋，退火之后會發(fā)生應力釋放，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行去應力退火處理以改善50W800無取向硅鋼成品的性能。

1 試驗方案

試驗材料采用某鋼廠經(jīng)過熱軋、酸軋、罩式爐退火和平整機軋制后的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)場退火設備在BF1400-50箱式高溫爐中進行，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。試驗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強度，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，使用Channel 5 軟件分析織構類型。

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

2 試驗結果與分析

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，當退火溫度達到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)軋制方向對鐵損的影響不大。

從圖2(b)中可以看出，軋向的磁感應強度普遍高于橫向，說明軋制方向對磁感有影響。平整之前軋向磁感為1.708 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，且當退火溫度為500 ℃時，鋼磁感應強度恢復至未平整狀態(tài)，當退火溫度為700 ℃時，磁感應強度達到最大值，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)和磁感應強度(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的影響

為進一步分析平整軋制前后磁性能下降的原因以及去應力退火對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無取向硅鋼織構分布圖，圖3中紅色晶界線代表2°～5°的小角度晶界，藍色晶界線代表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{100}、{110}有利于硅鋼獲得良好的各向同性磁性，應盡量增加此類織構，而織構{111}對其磁性能不利，應盡量減少。圖3中不同晶粒顏色代表不同取向織構，從圖3可以看出，平整前和平整后不利織構{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部運動，當這些位錯運動到晶界處時，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，增加晶界附近的位錯密度。當晶界處的位錯密度繼續(xù)增加，達到一定程度時，就會形成位錯晶胞，從而最終發(fā)展成小角度晶界。另外，晶界附近的位錯團的形成和位錯密度的增加又會阻礙位錯的進一步運動，并且阻止晶粒的進一步塑性變形，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，而在晶界處應力較大，缺陷也比較多，這些阻礙了磁疇的移動，進而使得磁疇的尺寸變小，阻礙了磁化過程，從而進一步降低磁感[12]。因此，冷軋板進行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，平整后形成較強的{111}<112>形變織構，織構分布密度水平達到14.0；經(jīng)過400 ℃退火后，{111}<112>織構強度大幅降低，分布密度水平降到4.9；經(jīng)過700 ℃退火后，{111}<112>織構強度降到最低，分布密度水平為1.1；經(jīng)過800 ℃退火后，{111}<112>織構強度由于晶粒長大又變強，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{111}<110>織構?？梢?00 ℃平整退火可使平整板中不利的{111}<112>織構強度降低到最低水平。

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

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 力學性能

眾所周知，電工鋼沖片性的好壞對電工鋼質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性能。但經(jīng)過不同溫度去應力退火后，隨著退火溫度的升高，50W800無取向硅鋼的抗拉強度逐漸降低，特別是800 ℃退火時，其抗拉強度急速下降，同時屈服強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%，磁感應強度J5000降低。鐵損增加的原因為平整過程中新產(chǎn)生的位錯發(fā)展成小角度晶界，阻礙磁疇的移動，從而進一步降低磁感。

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

3) 平整后進行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。