（材料加工工程专业论文）铁硅合金中立方织构的形成及其影响因素.pdf

摘要 本文综述了铁硅合金中立方织构形成的一般规律，在此基础上选用f e 3 s i 合金作为实验材料，通过热轧后退火、二次冷轧及中间退火，最后进行二次再 结晶退火获得0 3 m m 厚的立方织构电工钢；并对立方织构的形成及其影响因素 进行了研究。 在轧制一退火工艺过程中，重点研究了含碳量、冷轧道次和压下量、一次冷 轧、最终退火时的升温速率等因素对立方织构形成的影响。利用腐蚀坑法与 e b s d ( 电子背散射衍射) 技术对不同条件获得的试样进行织构分布检测。通过 对检测结果的比较、分析，总结出了一种有利于立方织构形成的工艺条件。即， 对o 0 5 c 的f e - 3 s i 合金，经8 0 0 8 9 0 时热轧( 压下量为4 5 6 0 ) 、8 5 0 退火3 0 m i n 、一次冷轧( 压下量为5 5 6 5 ) 、1 0 5 0 下中间退火l h ( 真空度为 l p a ) 、二次冷轧至0 3 0 m m 、1 0 5 0 加热5 m i n ( 真空度为0 0 1 p a ) ，以及1 0 5 0 下最终退火5 h ( 加热速率为2 5 m i n ，真空度为0 1 p a ) 后，获得立方取向晶粒 覆盖试样表面达8 0 ，平均晶粒直径为0 4 m m 的立方织构电工钢。 本文还讨论了f e 3 s i 合金中立方织构的形成。材料经热轧退火得到弱的 f 1 1 0 织构，再沿 方向一次冷轧并中间退火，晶体取向转变为 ( 2 1 0 ) 0 0 1 、( 3 l o ) o m ，( 司o o o ) o o h 取向靠近，再经二次冷轧和最终退火，利用 到温入炉加热方法，抑制回复过程，并在短时间内对变形材料施加足够的能量， 获得o o o ) o o u 取向晶核；在二次再结晶初始阶段，立方取向晶粒依靠表面能差 优先长大，吞并周围其它取向晶粒，最终获得集中的立方织构。 关键词：电工钢，立方织构，形变，再结晶，e b s d 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l e sf o rc u b et e x t u r ed e v e l o p m e n ti ns i l i c o n i r o na l l o yw e r e r e v i e w e d b a s e do nt h e s ep r i n c i p l e s ，f e - 3 s ia l l o yw a su s e dt oo b t a i nc u b et e x t u r e e l e c t r i c a l s t e e l st h r o u g hh o tr o l l i n ga n da n n e a l i n g , t w o - s t a g ec o l dr o i l i n gw i t h i n t e r m e d i a t ea n n e a l i n ga n df i n a l l ya n n e a l i n g f o r m a t i o no fc u b et e x t u r ea n di t s i n f l u e n c i n gf a c t o r sw e r ei n v e s t i g a t e d t h r o u g h o u tt h ep r o c e s s i n gr o u t e , s p e c i a le m p h a s i sw a sp l a c e do nt h ee f f e c to f c a r b o nc o n c e n t r a t i o n s ，p a s s e sa n dr e d u c t i o n so f c o l dr o i l i n g , s i n # e - s t a g ec o l dr o l l i n g , h e a t i n gr a t e so ff i n a la n n e a l i n go nt h ed e v e l o p m e n to fc u b et e x t u r e t e x t u r e sw e r e m e a s u r e db ye t c h f i g u r em e t h o da n de b s d ( e l e c t r o nb a c ks c a t t e r i n gd i f f r a c t o m e t r y ) b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er e s u l t s ，ap r o c e s sc o n d i t i o nw h i c hw a si nf a v o ro f o b t a i n i n gs h a r pc u b et e x t u r ew a sa t t a i n e d n a m e l y , t h es t e e l so ft h ec h e m i c a l c o m p o n e n t sa r o u n df e - 3 s i 一0 0 5 c w e r eh o t - r o l l e da tt e m p e r a t u r e s r a n g i n g b e t w e e n8 0 0a n d8 9 0 0 cw i t hr e d u c t i o no f4 5t o6 0 ，a n n e a l e da t8 5 0 0 ( 2f o r3 0 m i n ， c o l d - r o l l e dw i t hr e d u c t i o no f5 5t o6 5 i n t e r m e d i a t e l ya n n e a l e da t1 0 5 0 。cf o r1 h u n d e rav a c u u mo fa b o u t1p a ，t w o - s t a g ec o l d r o l l e dt ot h ef i n a lt h i c k n e s so f0 3 m m ， a n n e a l e da t1 0 5 0 。cf o r5 m i nw i t hi s o t h e r m a la n n e a l i n gu n d e rav a c u u mo fo 0 1 p a , a n df i n a l l ya n n e a l e da t1 0 5 0 0 cf o r5 ha th e a t i n gr a t eo f 2 5 0 c m i nu n d e rav a c u u mo f o 1 p a s t e e ls h e e t st h u so b t a i n e dc o n s i s t e do fg r a i n so fa b o u to 4 m md i a m e t e r , m o r e t h a n8 0 o f w h i c hw e r ew e l la l i g n e dw i t ht h ec u b eo r i e n t a t i o n f o r m a t i o no fc u b et e x t u r ei nf e - 3 s i a l l o yw a sd i s c u s s e dt o o t h ew e a k 1 1 0 r e e r y s t a l l i z a t i o nt e x t u r ee m e r g e do nt h es u r f a c eo f s t e e ls h e e t sa f t e rh o t r o l l i n ga n da n n e a l i n g , a n dw h e nt h es a m p l e sw i t ht h i st e x t u r ew e r ec o l dr o l l e da l o n g d i r e c t i o na n d i n t e r m e d i a t e l ya n n e a l e d ，t h eo r i e n t a t i o n sc o n v e r t e dt o ( 2 10 ) 0 0 1 】， ( 3 l o ) 0 0 1 ，a n d ( 1 0 0 ) 0 0 1 a f t e rt w o s t a g ec o l dr o l l i n ga n df i n a la n n e a l i n gp r o c e s s ， r e c o v e r yw a sr e s t r a i n e da n dc u b en u c l e u sf o r m e db e c a u s et h ed e f o r m e dm a t e r i a l a b s o r b e d e n o u g he n e r g y i nas h o r tt i m e a tt h e b e g i n n i n go fs e c o n d a r y r e c r y s t a u i z a t i o n ，t h ec u b eg r a i n ss e l e c t i v e l yg r e wb yv i r t u eo fl o ws u r f a c ee n e r g ya t t h ee x p e n s eo f o t h e ro r i e n t e dg r a i n s a sa r e s u l t ，as h a r pc u b et e x t u r ew a so b t a i n e d u 上海大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ls t e e l s ，c u b et e x t u r e , d e f o r m a l i o n ，r e c r y s t a l l i z a t i o n ，e b s d l 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：百删、日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：静多八导师签名：型丝日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 电工钢，又称为硅钢，是一种含碳很低的铁硅软磁合金，含硅量一般为o 5 4 5 ，主要用于制作变压器、电动机和发电机的铁芯，是电机、电器和电讯工 业上用量最大的一种软磁材料，也是一种重要的节电材料和功能材料。低的铁损 和强磁场下高的磁感应强度是硅钢十分重要的技术指标。 目前我国电力紧缺，新机组的建设投资逐渐加大，近几年我国电工钢的需求 呈旺盛增长【l 】( 如图1 1 ) 。据报道，2 0 0 3 年我国总装机容量3 8 4 5 0 万k w ，( 同 比增长7 8 ) 。2 0 0 4 年总装机容量为4 2 0 0 0 万k w ( 同比增长9 2 ) ，2 0 0 5 年 总装机容量为4 6 8 0 0 万k w ( 同比增长1 1 4 ) 。电工钢板消费量大体上与发电 量成正比的关系。由此可知近两年的需求量为：2 0 0 4 年为3 7 0 万吨( 其中取向电 工钢5 5 5 万吨) ，2 0 0 5 年为4 1 0 万吨( 其中取向电工钢6 1 5 万吨) 。2 0 0 3 年我国 电工钢进口量达1 5 8 万吨。2 0 0 5 年冷轧电工钢板新增生产和实际生产能力如表 1 1 所示，其中高磁感电工钢仅为1 4 万吨。由此可见，我国电工钢无论从数量 还是质量上都很难满足国内需求，这就要求人们不断去学习国外先进技术、改善 并探索新技术，从而增加产量、提高产品质量。 蓍 r v 删 糕 圈1 1 近几年我国电工钢需求量和产量 铁硅单晶体的磁性是各向异性的( 如图1 2 所示) ，其q 6 方向是最容易 磁化方向【2 】因此，最理想的取向电工钢是立方织构电工钢。有数据表呀3 1 ，在 磁场强度为1 7 0 0 0 a m 时，立方织构电工钢片的电能损耗，大约只有单取向电工 上海大学硕十学位论文 表1 12 0 0 5 年冷轧电工钢板新增生产和实际生产能力 规模万吨 序号企业钢种 新增以前+ 新增 取向：1 2 万吨( h i _ b ：1 4 万吨) l武钢8 6 1 2 6 无取向高牌号：5 万吨 无取向低牌号：1 0 9 万吨 2 鞍钢 8 08 0 5 0 w 4 7 0 1 3 0 0 3 宝钢 3 5 5 0 4 7 0 1 3 0 0 4太钢 1 0 5 0 w 4 7 0 1 3 0 0 合计 1 6 62 5 1 r i 越 髫 藿 图1 2 铁硅单晶体的磁各向异性 钢片的6 0 。由此可见，如果使用高质量的立方织构电工钢，可以大大降低铁 芯的电能损耗，从而达到节约能源、提高效率的目的。这就要求人们深入研究铁 硅合金中立方织构的形成机理并探索工业规模生产立方织构电工钢的制造工艺。 但是，由于铁硅合金是体心立方晶体结构，要在这种晶体结构中获得立方织 构，并不如在面一心立方晶体结构的c u 、a 1 和f e - - n i 合金中那样容易，这对生产 立方织构电工钢带来了很大的困难。直到1 9 5 7 年，a s s m u s 等【4 才首次报道获得 立方织构电工钢片。至今为止，尽管世界上发达国家一直从未间断过对立方织构 电工钢的研究和生产工艺的探索，但由于生产工艺的繁杂，还未能实现工业化生 产，只有那些特殊用途的仪表才使用立方织构电工钢片。 为了达到简化制造工艺的目的，我们采用相对简单的工艺过程( 即，热轧后 2 上海大学硕士学位论文 退火、二次冷轧和中间退火、最终退火) 在实验室获得了立方织构电工钢，并研 究了轧制一退火工艺对电工钢织构演化的影响，以及立方织构的形成机制。 1 2 电工钢种类及生产工艺 电工钢种类较多，按轧制方法可分为热轧电工钢和冷轧电工钢，冷轧电工钢 又可按品粒取向分为无取向电工钢和取向电工钢，如图1 3 。无取向电工钢的品 粒取向特征为f 1 1 1 ， 或 1 1 0 ，或 1 0 0 织构，其特征是在板面 内不含有难磁化的 晶向；取向电工钢，又分为一般取向电工钢和高磁感取 向电工钢( h i b ) 。取向电工钢的晶粒取向特征为f 1 1 0 1 晶面平行于轧面， 方向平行于轧向，即呈现 1 1 0 织构。通常提到的取向电工钢是指单取向 电工钢，也称作高斯织构电工钢：而 1 0 0 晶面平行于轧面， 晶向平行于 轧向的电工钢则称为双取向电工钢，也称立方织构电工钢。 ( a ) 图1 3 无取向电上钢( a ) 、单取向电工钢( b ) h x 2 取向电工钢( c ) 中晶粒分布示意图 1 2 1 冷轧无取向电工钢 美国h r m c o 公司从2 0 世纪4 0 年代初开始生产冷轧无取向电工钢，新日铁 公司于1 9 5 8 年开始生产。无取向电工钢的生产经历了电弧炉炼钢、平炉炼钢和 顶底复合吹炼转炉炼钢的历程。2 0 世纪5 0 年代末，由于氧气顶吹转炉和真空处 理等冶炼技术的发展，钢中的c 、n 、o 可降至5 0 1 0 4 以下，故无取向电工钢 磁时效明显减轻，磁性大幅度提高。从1 9 7 8 年开始，新日铁公司和川崎钢公司 采用顶底复合吹炼和三次脱硫工艺来冶炼纯净钢水以后，陆续生产出h 8 ( r m 8 ) 、 h 7 ( r m 7 ) 、h 6 ( r m 6 ) 高牌号无取向电工钢。1 9 8 3 年以来，新同铁公司采用 上海大学硕士学位论文 同样的工艺生产了高效小电机用n c 2 m 3 和n c 2 m 4 低碳电工钢，基本解决了无 取向电工钢铁损与磁感应强度这两个参量相互矛盾的问题。 冷轧无取向电工钢一般用作电机铁芯材料，其生产工艺主要有一次冷轧法和 二次冷轧、法【5 1 。一次冷轧法通常适用于低牌号( 含硅量小于2 0 ) 无取向电工 钢的生产。其特点是利用冷轧制度与热处理退火工艺来获得( 1 1 l 或 f 1 1 0 类型磁各向异性好的钢板。这种方法的优点是工艺设备简单。但由 于没有中间退火，脱碳能力差，所以必须选用含碳量低的电工钢原料卷，才能获 得良好的磁性与高的生产率。二次冷轧法包括临界变形法和中间压下率法，主要 用来生产高牌号无取向电工钢。它与一次冷轧法比较多了中间退火工艺，因而脱 碳能力强。采用临界变形法的目的在于破坏冷轧或中间退火过程中所引起的取向 织构，以获得无取向的钢板。 1 2 2 冷轧取向电工钢 冷轧取向电工钢经历了两个发展阶段：( 1 ) 冷轧取向电工钢发展阶段 ( 1 9 3 0 1 9 6 7 年) ，1 9 3 4 年美国采用两次冷轧法( a r m c o ) 制成含3 硅和强 f 1 1 0 织构的冷轧取向电工钢【6 7 1 ，从而取代热轧电工钢片：( 2 ) 高磁感取 向电工钢发展阶段( 1 9 6 1 1 9 9 4 年) ，由田口悟和坂仓昭采用m n s 和a 1 n 综合 抑制剂，并使用一次冷轧法制成高磁感取向电工钢片( 简称h i b ) 【8 】，这一技 术的发明为以后高磁感取向电工钢的生产奠定了基础。 现在冷轧取向电工钢的生产有一次冷轧法和二次冷轧法【9 】。一次冷轧法是将 热轧带钢常化处理后一次冷轧至成品厚度，再进行脱碳退火。特点为：( 1 )以 a i n + m n s ( 以a l 为主) 作为有利的夹杂抑制初次再结晶晶粒的长大，促进g o s s 取向晶粒长大；( 2 ) 以8 7 的大压下量获得f 1 1 1 1 变形织构。二次冷轧法 由热轧带钢常化后冷轧至中间厚度并退火，然后经过二次冷* l n 最终厚度后进行 最终退火等工序组成。特点为：( 1 ) 以m n s 或m n s e 作为有利的夹杂抑制初次 再结晶晶粒的长大：( 2 ) 采用中等压下量的冷轧获得 1 1 1 1 变形织构。新 日铁等生产h i b 电工钢和一般取向电工钢的工艺流程见表1 2 。 4 上海大学硕士学位论文 表1 2 新日铁、武钢、j i l 崎h i b 高磁感取向电工钢和一般取向电工钢的工艺流程” h i - b 高磁感取向电_ i 二钢 一般取向电工钢 新日铁及武钢 川崎 炼钢( 3 s i ，m n ，s 或 炼钢( 3 s i ，a i ，n ，m n ，s ：炼钢( 3 s i ，m n ，s e ，p b ) s e ) 热轧热轧( 板厚3 m )热轧 常化 常化 无 一次大压下冷轧第一次冷轧第一次冷轧 ( 压卜量 8 0 ) 中间退火 中间退火 第二次冷轧( 压下量6 0 7 0 )第二次冷轧 脱碳退火 脱碳退火 脱碳退火 最终高温退火 最终高温退火( 1 1 0 0 以上二 最终高温退火( 通常 次再结晶退火)1 1 0 0 罩式退火) 平整退火平整退火平整退火 涂层涂层涂层 1 2 3 立方织构电工钢 如前所述，立方织构电工钢在轧向和横向都是易磁化方向，具有更低的铁损、 更高的磁导率，所以人们不断致力于获得取向集中的立方织构电工钢的研究。以 下对近年来出现的一些工艺作简单介绍。 ( 1 ) 激冷甩带法。1 9 8 3 年，a r a 采用激冷甩带技术，得到o 3m i l l 厚的 f e 一3 s i 薄带，其组织为柱状晶。在这种柱状晶组织中，具有立方取向的晶粒或 者有利于最终获得立方织构的晶粒占有较大比例。 ( 2 ) 添加一定量其它合金元素。金子辉雄等人】在2 0 3 5 s i 的电工钢 中同时加入大于1 0 的m n 和a l ，利用它们形成的a 1 n 、m n s 等化合物，抑制 退火过程中基体晶粒的长大。在它们共存的条件下，热轧板退火后可以获得比较 理想的晶粒尺寸，从而对 l o o 织构形成有利。 ( 3 ) 交叉轧制法。原势二郎、清水剜1 2 1 在研究f e - 3 s i 时，先沿热轧方 向以4 0 0 压下量冷轧，再以4 0 压下量沿横向冷轧( 也就是交叉轧制) ，经脱碳 退火和二次再结晶退火得到强的f 1 0 0 织构。 上海大学硕士学位论文 ( 4 )1 9 9 3 年，t o m i d a 等人【1 3 】采用成分为o 1 c 1 o m n 2 3 s i 的钢板 在9 0 0 1 0 0 0 。c 进行真空脱镭退火，使钢板表层形成单一的旺相。然后将该钢板 置入2 0 h 2 与8 0 a r 的混合气氛中，加热到8 5 0 并保温3 0m i n ，进行脱碳退 火。结果在钢板中形成了柱状晶粒，并具有强的 l o o 织构。在随后的几年中， 他们又采用成分为0 0 5 6 c 3 0 1 s i 1 0 7 m n - 0 0 3 n i 0 0 0 1 7 s - 0 0 0 0 6 a 1 的电工钢进行轧制退火1 5 l ，并在试样最终退火时，在各叠片层之间加入比例 为l ：l 的高纯度s i 0 2 ( 9 9 ) 和t i 0 2 ( 9 8 ) 粉末。利用s i 0 2 、t i 0 2 与碳发生 反应，脱碳脱锰( m n 在高温气化) 引发试样从表面层至中心层的t 一相变， 使得y 晶粒逐渐减少直至几乎消失。随退火时间的延长，从表层至中心层，n 晶 粒数量逐渐增多并不断长大，最后形成两层柱状晶，见图1 4 。 圈1 4 退火2 h 和1 6 h 后的柱状品粒u w 尽管已经出现上述几种立方织构的生产工艺，但由于这些工艺或设备过于复 杂、现场生产难于控制、生产成本太高等原因，规模生产尚不能开展。 1 3 合金元素对电工钢性能影响 电工钢性能由其组织结构所决定，如晶粒大小、织构类型和集中度、合金元 素的偏析等，而组织结构的形成除受加工工艺影响外又与其所含合金元素密切相 关。一般来讲，电工钢的基本组成元素主要包括三大类1 6 】，分为基本元素、杂 质元素和其它元素。 1 3 1 基本合金元素 ( 1 ) s i 元素。s i 是电工钢中主要合金元素，可以使电工钢易磁化，减少磁 阻和涡流损失，从而使总铁芯损失减少。硅还能减轻钢中其它元素带来的危害， 与氧有强亲和力，起脱氧作用；可减少碳、氧和氮在f e 中脱溶引起的磁时效 现象。但是硅的加入也有不利的影响，如使钢变脆、导热性和韧性下降，对散热 和机械加工不利等。且随着硅含量增加，电工钢不但硬度增加，而且还容易氧化， 6 上海人学硕士学位论文 在其表面形成氧化膜，缩短电工钢冲模的使用寿命。 ( 2 ) c 元素。c 元素对软磁材料的磁性极为有害，因为电工钢成品中如果 残留碳，会出现磁时效。而当磁时效在电机或其它电气设备中产生时，铁损值可 增加到初始值的二倍，设备会受到损坏。另外，c 元素会增大a f e 的矫顽力， 加大磁滞损失，降低磁感应强度，所以高级优质电工钢中碳含量一般控制在o 0 2 左右，有时甚至低于o 0 1 蜊 1 。但是，适量c 元素的存在也有其优点，如碳 可以影响电工钢中固溶体的固溶温度，并且碳含量的升高可以增强固溶体分解的 驱动力。碳元素的存在有它的不足之处，但也有优点，可根据对电工钢性能要求 的不同来控制碳的含量【1 8 】。 ( 3 ) m n 元素。m n 是奥氏体稳定化元素，它在临界退火区会向奥氏体中扩 散，使得m n 和c 同时在奥氏体中富集和均匀化，从而改变了奥氏体在随后冷 却过程中的稳定性及珠光体的形成。另外，锰是防止热脆不可缺少的元素，其含 量应控制在o 1 以上，锰会提高碳在铁中的溶解度，扩大y 相区，但是过量的 锰会对电工钢磁性产生有害影响 1 9 】，故锰的含量不宜过高，一般不超过1 5 。 1 3 2 杂质元素 杂质元素主要包括：p 、a i 、c u 、s 、n 等。其中，p 元素主要用来提高电 工钢的冲片性，但磷是一种界面活性元素，偏析于晶界会导致严重的晶界脆化。 a 1 元素的存在可减少电工钢的铁芯损失，但会降低磁感应强度，且铝含量高时 会使电工钢变脆。c u 元素可显著提高电工钢的防锈能力。n 、s 两元素通过形成 相应的a i n 、m n s 沉淀，会降低磁导率，提高铁损，但适量a i n 、m n s 的存在 对取向电工钢的织构形成有特殊的作用，如1 2 2 节所述。 1 3 3 其它特殊用途合金元素 其它特殊用途的合金元素主要为s n 、s b 等。锡和锑均是表面活性元素，因 此有可能在最终高温退火的升温阶段在晶界发生偏析，加强对晶粒正常长大的抑 制能力，减小初次再结晶晶粒尺寸，从而起到辅助抑制剂的作用。因此在最终退 火时，这种元素会阻碍f l l l 取向晶粒在晶界附近形核，使得 1 1 1 ) 组分减少，相 应地 1 0 0 和f 1 1 0 组分增加，从而降低电工钢的铁损，提高其磁感应强度。 上海大学硕士学位论文 1 4 立方织构形成的有关问题 铁硅合金的体心立方晶体结构特点给立方织构电工钢的生产带来很大的困 难，但由于其具有优越的磁性能，自从1 9 5 7 年首次报道获得立方织构电工钢片 以来，众多学者对体心立方金属和合金中立方织构的形成机理、影响因素等，进 行了广泛的研刭2 0 2 9 1 ，并取得了很大的进展，其中包括合金纯度、样品厚度、 冷轧次数、压下量、中间退火、最终退火、立方取向晶核的获得和立方取向晶粒 的长大条件等。现将各种影响因素及形成机理总结如下。 1 4 1 立方织构形成的一般规律 立方织构一般是通过二次再结晶得到。因织构、杂质偏聚和第二相在晶界析 出等，使初次再结晶后的晶粒长大受到阻碍，其中少数特殊取向的晶粒与周围其 他取向的晶粒间，构成了特殊关系的晶界，这种特殊晶界的迁移速率受杂质偏聚 或第二相钉扎的影响较小，在退火温度进一步升高时，由于界面能或表面能降低 的策动，这种晶粒可以长大到比初次再结晶的晶粒大数十至数百倍，成为二次再 结晶过程。因此，初次再结晶后某种弱织构的取向，往往会成为二次再结晶后强 织构的取向。这种再结晶理论为立方织构的形成提供了理论依据。以下因素是立 方织构形成的重要条件。 ( 1 ) 合金纯度及最终样品厚度1 2 0 1 最初只是在o 0 4 m m 厚的电工钢片中才能获得立方织构。如果用纯铁粉和纯 硅配制铁硅合金，在最终厚度为o 2 m m 的样品中，立方取向晶粒也容易生长。 特别是样品在冷轧退火，进行初次再结晶后，如果主要织构是 h k o ，尤 其是 1 1 0 ，二次再结晶后得到的立方织构 方向集中。 h k o 初 次再结晶织构中不仅包含二次再结晶时需要的立方晶核，且立方取向晶粒也容易 生长。这说明铁硅合金的纯度和样品最终厚度，以及初次再结晶后f h k o 织构的出现，都是立方织构形成的关键因素。 ( 2 ) 最终退火温度及退火气氛 要使立方取向晶粒充分长大，需要在1 0 5 0 。c 以上高温加热，为防止样品氧 化，可以在氢气中或真空中加热，但是太纯的氢以及太高的真空度对立方取向晶 粒的生长不利，因为当含有一定量的氧时，利用氧原子作为杂质在晶体表面吸附， 引起 1 1 0 ) 和 1 0 0 面的表面能变化，使得 1 0 0 面表面能较 1 1 0 面表面能更低， 上海大学硕士学位论文 使 1 0 0 取向晶粒长大。周邦新认为比较合适的真空度范围是o 1 3 1 3 p a 2 们。 t o m i d a 等人 2 s , 2 9 通过热计算( t h c r m o c a l c ) 得到f c - c 3 s i 1 m n 合金a 一 两相区的温度大约为7 2 7 。c 1 1 2 7 。c ，如图1 5 。他们将试样层叠，用s i 0 2 + a 1 2 0 3 作隔离片，并在隔离片上均匀分布t i 0 2 粉末，然后在1 0 7 5 。c 和1 1 0 0 。c 进行最终 脱碳退火( 真空度为1 0 4 p a ) ，得到厚度为o 3 5 m m 、平均晶粒大小为o 4 m m 立 方织构电工钢片。这表明，即使试样厚度达到o 3 5 m m ，在适当的退火气氛和介 质下也能获得集中的立方织构。尽管利用氧化物脱碳对立方取向晶粒长大效果明 显，但在进行工业生产时，电工钢片的层叠和隔离片的插入等问题还有待进一步 解决。 坌 赵 赠 图1 5f e c 3 s i 1 m n 相图”1 综上所述，要在f e 一3 s i 合金中通过二次再结晶获得集中的立方织构，需 要以下条件：( 1 ) 合金的纯度和厚度要有利于立方织构的形成，要在较厚的样品 中得到立方织构，需要提高合金的纯度；( 2 ) 初次再结晶后出现f h k 0 织 构；( 3 ) 最终高温退火的温度和气氛应对立方取向晶粒的长大有利。 1 4 2 二次再结晶时立方取向晶核的获得 关于f e 3 s i 合金在冷轧和退火后晶粒的初始取向和再结晶晶粒取向的关 系已有广泛的研究。d e t e r t 等人认为【2 引在冷轧前 1 0 0 一 2 1 0 织构成 分的存在，是通过初次再结晶过程获得立方织构成分的一个重要因素。周邦新、 刘起秀等人通过研究m o 、w 、n b 、和f e s i 等体心立方单晶体的冷轧和再结晶 织构的变化规律，得到如下一致的结梨2 3 2 5 】：( 1 1 1 ) 和 1 1 0 取向的 9 上海大学硕士学位论文 体心立方单晶体经过6 0 7 0 冷轧退火后都可以得到集中的f 1 1 0 再结晶 织构，随着冷轧压下量增加，再结晶织构取向会逐渐变为 3 2 0 、 2 1 0 、( 3 1 0 和 4 1 0 ，向 1 0 0 取向趋近，如图1 6 所 示。如果单晶的取向已经是 2 1 0 或 3 1 0 ，经过大于7 0 的冷轧变 形，再结晶后就可得到 1 0 0 织构。 l t i n ) l 7 l l l 嗡 图1 6 立方织构形成示意图 t o m i d a 等人2 8 1 也认为：在两次冷轧中，最佳的压下量分配为，第一次冷轧 7 0 7 5 ，第二次冷轧5 0 6 0 ，但是他们在文献中没有提及轧制道次的问题。 对经过7 3 冷轧和1 0 5 0 中间退火试样近表层的e b s d 分析( 如图1 7 ) 发现， 晶粒取向的分布靠近 4 1 0 ，位于 1 0 0 和 2 1 0 之间。由于这 种成分的存在，在终轧后初次再结晶阶段，就会有立方织构成分的出现。因此， 立方织构成分可能是在中间退火后由靠近 4 1 0 附近的成分发展而来。 绕r d 向旋转角 图1 77 3 一次冷轧后1 0 5 0 中间退火后表层取向分布函数 1 0 上海大学硕士学位论文 而且，靠近f 4 1 0 ， 的成分可能与热轧后分散的g o s s 织构的存在相关。 在文献 2 8 】中报道：对具有集中g o s s 织构的硅钢片冷轧和退火，在初次再结晶 后基体中会出现 2 1 0 成分。1 9 9 4 年，h a r a s e 等人3 0 】用具有g o s s 取向的单 晶研究了冷轧和退火后的织构。结果也表明，初次再结晶后，在相对高的温度下， 2 1 0 织构在随后的晶粒长大过程中出现。在t o m i d a 等人的实验中，靠近 4 1 0 的成分也可以在热轧后从分散的g o s s 织构成分中发展而来，如图1 8 所示。 _ 、j olf 厂形 l 、 fn 瓣j 懋 匡嚣0j 一弓莎 一”7 。 d 图1 8 热轧硅钢片表面下0 1 m m 处的 o o l l 极图口” 另外，合适的初次再结晶织构可以为立方取向晶粒的长大提供有利的条件。 杂质原子在晶界上的偏聚、第二相在晶界上的析出、以及降低加热温度，都会减 慢晶界的迁移速度，但对某种特殊取向关系晶粒之间构成的特殊晶界的影响要比 任意取向关系晶粒之间构成的任意晶界小，这种因素对能否得到初次和二次再结 晶织构都是十分重要的。实验观察到 1 1 1 的初次再结晶织构，对获得 f 1 1 0 二次再结晶织构是有利的；得到 h k 0 初次再结晶织构，将有 利于立方取向晶粒的生长，这是因为 1 1 1 与f 1 1 0 取向之间，以及 f h k o 与 1 0 0 取向之间形成了以上所述的特殊晶界。 但是，在f e s i 合会中，长期争论的问题是哪种晶界类型对二次再结晶起主 导作用【3 1 】。有人认为，某种重合位置点阵( c o i n c i d e n c es i t el a t t i c e ) 晶界具有较 高的移动性，导致异常晶粒长大。s h i m i u z 等人指出【3 2 1 ，在各种c s l 晶界中， 7 型重合点阵晶界对 1 0 0 织构的发展起主导作用。尽管文献报道过许多 c s l 晶界对晶粒异常长大的作用的研究工作，但至今还没有一个令人信服的结 论。 上海大学硕士学位论文 h a y a k a w a 等人【3 3 】j 立用计算机模拟技术研究了在退火过程中晶界类型对晶粒 异常长大的作用。通过假定c s l 晶界和高能晶界具有较高的移动性，他们发现 高能晶界对晶粒异常长大起主导作用。在最终退火阶段，吸附沉积物的高能晶界 的移动比其它晶界更快，具有最高频率( t h e h i g h e s t f r e q u e n c y ) 的高能晶界的织 构成分在二次再结晶过程中通过选择性长大能成为主要织构成分。 综上所述，要在铁硅合金中获得立方织构，首先要通过适当的冷轧，获得立 方取向晶核，而立方取向晶核是由靠近f 4 1 0 附近的成分发展而来，靠近 f 4 1 0 的成分又与热轧后分散的g o s s 织构的存在相关，所以需要在热轧后 获得分散的g o s s 织构。 1 4 3 表面能的差别驱动 1 0 0 晶粒的长大 体心立方晶体中( 1 1 0 ) 晶面是原子密排面，也是表面能( o 。) 最低的晶面。 表1 _ 3 给出了一些金属不同原子面的o 。计算值。当其它原子或分子在晶体表面 吸附后，一般的规律都是降低表面能。不同晶面上原子排列的规律不同，晶体内 的缺陷在不同晶面上暴露时，也会引起缺陷周围原子排列的不同扰动，所以不同 晶面上吸附势能会有差别。由于吸附效应，不同取向晶面的表面能都会降低，但 降低的程度不同，超过一定吸附量后，( 1 0 0 ) 晶面的表面能就可以比( 1 1 0 ) 晶 面的低，策动( 1 0 0 ) 取向晶粒长大。特别是微量杂质p 固溶在f e 中可以明显 降低表面能，这对体心立方结构的8 - - f e 比面心立方结构的y f e 更显著。 表1 3 一些金属( h k l ) 晶面o 。的理论值【3 4 1 以下晶面的o 。( x1 0 7 j e m 2 ) 金属晶格类型 0 0 0 )( 1 l o )( 1 1 1 ) f e b e e1 6 0 01 3 0 01 5 4 0 c uf e e1 3 5 01 6 0 01 2 0 0 n if c e1 6 0 01 8 0 01 4 5 0 通过应用前人对铁硅合金中( 11 0 ) 和( 1 0 0 ) 晶面的表面能随气氛变化的研 究结果，t o m i d a 等人采用高温真空脱碳退火的工艺，利用表面能差的驱动最终 上海人学硕士学位论文 获得了集中的立方织构。在脱碳退火之前采用适当的二次冷轧，使初次再结晶阶 段得到立方取向核心；在高温退火过程中，利用 1 0 0 表面的表面能效应、界面 面能效应和脱碳诱导相变过程，f l o o 取向的a 颗粒在消耗其他取向的a 颗粒和 r 相的情况下优先长大，直到整个板面被 1 0 0 取向的晶粒覆盖。他们研究得到 了与基于表面能差的立方织构形成机理相一致的结论，即：在初次再结晶后基体 存在 1 0 0 取向成分，这种取向的晶粒后来发展为立方织构。 考虑表面能的作用，在没有钉扎效应时，把驱动力写作： p d r = m 【yb ( 1 r 。，一l r ) + ay d t 】 ( 1 - 1 ) m ：边界迁移率，y b ：界面能，y 。：表面能差，r ：晶粒半径，r a ，：平 均晶粒半径，t ：柱状晶粒高度或脱碳厚度。 最终冷轧后由于初次再结晶， 1 l l 成分为最多，ys 为 1 0 0 和( 1 1 1 ) 面差。 对f e - - 3 s i ，ay 。在高温低氧分压( a l o w o x y g e n p a r t i a lp r e s s u r ea ta n e l e v a t e d t e m p e r a t u r e ) 情况下最大为1 8 0 m j m 2 ，大约为表面能的1 0 。当f 1 1 0 面有最低 表面能时， 1 0 0 和 1 1 0 ) 面之间有较小的表面能差，其值为7 0 m j m 2 。f e - 3 s i 的界面能“报道为4 7 0 m j m 2 。因此，取y 。= 1 8 0 ，yb = 4 7 0 ，设r a 。= t ， 则表面能驱动力( ay 。t ) 与界面能驱动力( yb ( 1 l r a y i r ) ) 的比值 r = ( y 。t ) “yb ( 1 如。一l r ) 】= o 3 8 i1 一r a ，瓜l ( 1 2 ) 当o 7 2 r a ， r l ；当r = r a 。时，r 一+ 。，这表明晶粒在一 定的大小范围内，作为晶粒长大驱动力的表面能差可以比界面能大。即完全被 1 1 1 ) 晶粒包围的 1 0 0 ) 晶粒可以长大，除非其r 7 2 r 。，；相反，完全被 1 0 0 ) 品粒包围的 1 1 1 晶粒也可以长大，除非其r 1 6 2 r 。尽管以上估计比较粗 糙，且表丽能发挥最大作用，但作为表面能差的织构形成机理还是可信的。 从以上估计还可看出，径向长大是由界面能驱动。在文献 2 9 】中提到，界面 能在柱状晶长大的后阶段对其自身影响明显，在该阶段， 1 0 0 取向晶粒大量增 加，表面能机理已经失效。这个观点在t o m i d a 等人的实验中得到证明。当柱状 f 1 0 0 取向晶粒侵入并在消耗周围f l o o 取向的晶粒而进一步长大时，这些晶粒长 大以如下方式进行：大角度品界优先消失，这是由于它们有较高的能量。由于严 重偏离真实立方取向的f l o o 取向晶粒大部分被大量存在的具有良好取向的立方 取向晶粒所包围，它们通常被相对大角晶界包围。因此，这种偏离的f l o o 取向 晶粒在后面的脱碳阶段由于界面能减少而消耗，最终得到集中的立方织构。 上海大学硕士学位论文 综上所述，关于立方织构的驱动力按电工钢片厚度可以归纳为两点：( 1 ) 在 o 0 4 m m 厚度以下，立方织构形成的驱动力为 1 0 0 和f 1 1 0 面之问的表面能差； ( 2 ) 当厚度达到o 3 m m ，在立方取向晶粒刚形成时，其驱动力为表面能差；当 1 0 0 取向晶粒尺寸长大到一定值时，如式( 1 - 2 ) 所示，表面能机理失效，界面 能成为主要驱动力。 1 5 课题的提出及研究目的和内容 如前所述，为了简化双取向电工钢的生产工艺，达到工业化生产的目的，并 结合本课题组所承担的国家自然科学基金和上海宝钢集团公司联合资助项目“硅 钢中立方织构的形成机理和关键控制技术”( 5 0 4 7 1 1 0 4 ) 和“立方织构硅钢片的形 成机理和控制”( 5 0 5 7 1 0 5 8 ) ，本论文通过热轧、二次冷轧和退火工艺过程，获得 双取向电工钢。研究轧制一退火工艺对电工钢织构演化的影响、以及获得各种前 驱织构的关键控制因素。所研究的主要内容包括： 1 、合金成分和轧制一退火工艺( 冷轧方式、一次冷轧、最终退火时升温速率等) 对立方织构形成的影响； 2 、研究获得立方取向晶核、立方取向晶粒长大以及形成立方织构的工艺条件。 1 6 本论文的创新点 1 通过研究各种轧制一退火工艺及立方织构的形成过程，得到一种有利于立方 织构形成的相对简单的工艺。 2 对到温入炉加热退火工艺的初次再结晶样品，应用t e m 观察至l j ( 1 0 0 ) 0 0 1 取 向晶粒在f 1 1 l 取向晶粒内部的形核现象，这为再结晶形核过程提供依据。 3 尝试了一次冷轧获得立方织构的可能性。同两次冷轧工艺相比，采用一次冷 轧工艺获得的立方织构的集中度较差。 1 4 上海大学硕士学位论文 第二章实验原理 通常，电工钢是经过轧制一退火工艺获得的，立方织构电工钢的获得也是如 此。轧制一退火过程中合金材料组织和织构的变化决定着最终电工钢的织构和性 能，因此，弄清形变和再结晶的基本原理对控制轧制一退火工艺和最终获得立方 织构电工钢十分重要。本章着重讨论实验研究中所涉及的多晶体的变形和再结晶 机制，以及再结晶织构的形成规律，另外对织构的表达与检测进行简要阐述。 2 1 多晶体的塑性变形 晶体塑性变形的机制