65%si高硅钢的组织与性能

65%si高硅钢的组织与性能

0热轧板和si含量对硅钢织构的影响硅钢是一种重要的电磁性材料，用于决定电磁性能的主要因素有两个。其中之一是它的化学成分，尤其是硅含量。其次，它是晶体织物结构和微观结构。根据铁磁学原理,铁单晶的〈001〉方向为易磁化方向,〈111〉方向为难磁化方向。因此,易磁化方向〈001〉平行于轧向的η织构是对硅钢磁性能有益的织构。目前,人们对普通硅钢织构的研究已经比较成熟。例如,工业生产中采用二次再结晶法制造的取向硅钢具有强烈的{110}〈001〉高斯(Goss)织构,其{110}面平行于轧面,〈001〉方向平行于轧向,主要用于制造各类电力变压器、配电变压器的铁芯。现有研究结果表明,对于Fe-3%Si(质量分数,下同)取向硅钢,Goss织构的形成要具备如下条件:(1)板材次表层区具有一定数量的Goss晶核;(2)初次再结晶后,Goss晶核周围要有相当数量的{111}〈112〉晶粒,以便在二次再结晶时被Goss晶粒顺利“吃掉”;(3)具有阻止其他位向晶粒长大的细小、弥散第二相质点或晶界偏聚元素的抑制剂等。具有{100}〈001〉立方织构的双取向硅钢,其轧向和横向都为易磁化方向,且板面上没有〈111〉难磁化方向,适合用作各种电机、U型、L型和E型小变压器、磁放大器和磁屏蔽以及1~50kHz高频下的电器元件;无取向硅钢主要用于制造各类电机的定子和转子,织构类型对磁性能也有很大的影响,其理想的晶体织构为{100}〈uvw〉,而实际上不能得到这种单一织构,一般存在(100)、(111)、(110)、(112)等织构组分,其中(100)组分织构只占约20%,基本上属于无取向混乱织构。提高(100)和(110)的织构组分,降低(111)织构组分,有利于提高无取向硅钢的磁性能。研究表明,热轧板组织对无取向硅钢的织构和磁性能有显著的影响,均匀、粗大的热轧板晶粒有利于冷轧无取向硅钢织构的优化和磁性能的改善,随着热轧板晶粒尺寸的增加,冷轧无取向硅钢成品中{111}(110)织构的强度明显降低,同时不利织构{112}(110)的强度也不断降低,有利织构{01l}〈100〉的强度也略微有所下降。综上所述,织构对于普通硅钢的磁性能和最终用途有很大的影响。因此,通过适当的工艺对硅钢的织构进行有效控制以获得所需的织构类型,是硅钢生产过程中的重要环节。另一方面,Si含量对电工钢磁性能的影响也非常显著。随着Si含量增加硅钢的磁性能逐渐变好,当Si含量达到6.5%时,综合磁性能最优。然而,Si含量的增加在提高磁性能的同时,却导致高硅钢的室温脆性和低的热加工性。研究结果表明,其脆性产生的主要原因有:(1)低温时DO3、Fe14-Si2、大B2和小B2等有序结构的出现;(2)6.5%Si高硅钢的晶界存在大量的氧原子,晶界氧化严重;(3)硅含量的增加,加速了时效现象的发生,提高了合金的强度,降低了塑性。由于高硅钢的脆性问题,用传统的轧制工艺难以生产出适合工业需求的高硅钢。针对这一问题,广大科研人员对其制备技术进行了大量的研究和探索,目前出现的制备技术主要可分为两类:(1)对高硅钢进行韧化改性,提高其塑性,或改进现有轧制技术,用轧制法获得高硅钢薄板,如包套轧制法、三轧法、合金改性法、薄板带连铸法等;(2)利用新技术避开其脆性,如化学气相沉积(CVD)法、急冷制带法、喷射成型法、粉末轧制法、等离子体化学气相沉积(PCVD)法、电子束物理气相沉积(EB-PVD)法、磁控溅射法、多弧离子沉积法、热浸渗-扩散法、激光熔覆法、电泳沉积法、熔盐电沉积法等。人们在对高硅钢制备技术进行研究的同时,其织构演变也是人们关注的另一热点。相对于普通硅钢,高硅钢的织构对其磁性能的影响更为重要。例如,对于6.5%Si高硅钢,其〈100〉方向的饱和磁致伸缩λ100几乎为零,这对降低铁芯噪音来说至关重要;Goertz测得,(100)位向的6.4%Si-Fe单晶体的磁导率最大,磁场退火后可达3.8×106;Brown等证明Fe-6.5%Si单晶体比Fe-3.5%Si单晶体的W15/50低0.2W/kg,λs低90%,KI低1/3;Honma等发现,具有高斯(Goss)织构的6.5%Si取向高硅钢具有最佳的磁性能,在所有频率下6.5%Si取向高硅钢的铁损都小于3.0%Si取向硅钢和6.5%Si无取向高硅钢,0.15mm厚的6.5%Si取向高硅钢的铁损值W13/50=0.105W/kg。可见,如果对高硅钢的织构进行有效控制和优化可使高硅钢获得良好的电磁性能,特别是在硅含量增加降低了硅钢磁感应强度的情况下,这点显得尤为重要。定向凝固技术可以制备出具有强烈立方织构的6.5%Si高硅钢合金,但在脆性问题没有得到有效解决的情况下,此方法很难制备出薄规格、适于工业需求的6.5%Si高硅钢合金板。本文对不同的工艺制备高硅钢过程中织构的演变研究现状及进展做一综述。1高硅钢纺织机的制造1.1goss区的动态再结晶Ros等研究了高硅钢在热轧、退火(HRA)过程中织构的演变情况,发现铸态Fe-6.3%Si高硅钢经4道次总压下量92%~93%热轧至25mm厚,其板材中心部位为均匀的{111}〈112〉γ织构和{001}〈010〉立方织构,表层附近为{110}〈001〉Goss织构。造成热轧板表层和中心位置织构差异的主要原因是:(1)表层区在热轧过程中受到板面与轧辊之间强烈的摩擦作用,形成了强的Goss择优位向,但是在热轧板的最表层,这种Goss择优位向因发生了动态再结晶而受到削弱,在次表层区,仅仅发生了回复,Goss择优位向被保留下来,通常,{110}组分在距表面1/5~1/4厚度的地方最强;(2)热轧过程中板面表层至中心受到的摩擦力大小呈梯度分布,造成了其最终织构类型也呈现梯度分布;(3)板材厚度、压下量、轧制参数、轧辊对板材表面的粘附力及屈服强度等因素影响了表面剪切应变,进而影响织构的形成。将此热轧样品在800℃进行再结晶退火处理,退火10min后,次表层区完全再结晶,一部分Goss织构转变为立方织构,中心区的γ织构强度开始下降;退火6h后中心层完全再结晶,表层和中心均变为均匀的立方织构。表层区再结晶速度快,中心区的再结晶速度慢,这主要是因为热轧变形过程中表层剪切带内集中存在的反相晶界形成了无序相,而中心层存在有序相极大减少了晶界的迁移,使再结晶速度变缓慢。总之,热轧高硅钢板材中心位置具有均匀的{111}〈112〉γ织构及{001}〈010〉立方织构,表层附近为{110}〈001〉Goss织构,退火热处理后形成了均匀的立方织构。1.2压下率导致的织构分析Liu等利用双辊连铸→(热轧→)温轧→退火(HWRA/WRA)的方法制备了0.3mm厚的Fe-6.2%Si无取向高硅钢薄板。(1)双辊连铸后在400℃采用80%的压下量直接温轧至0.5mm,其织构主要为强的α织构和不均匀的γ织构,1000℃退火5min后主要为弱的不均匀的γ织构和弱的{001}〈0vw〉织构。究其原因主要是温轧后γ织构位向晶粒的形变储能高于α织构位向晶粒,因此在退火过程中γ织构位向晶粒优先形核和长大。(2)双辊连铸后在1200℃热轧至1.55mm,再在400℃温轧至0.5mm,其织构主要为强的均匀的γ织构和弱的{001}〈0vw〉织构,在1000℃退火5min后γ织构减弱,{001}〈0vw〉织构增强。可见,热轧工艺对后续温轧、退火织构的影响明显。尽管在后续退火过程中γ织构位向晶粒在形核长大方面具有一定的优势,但是由于温轧前的热轧使{001}〈0vw〉织构位向晶粒在尺寸方面占有优势而在退火再结晶中并没有被γ织构位向晶粒消耗,反而回复发生在{001}〈0vw〉织构位向晶粒中,形成了强的{001}〈0vw〉织构。近期,Liu等利用双辊连铸→热轧→温轧→退火(HWRA)的方法制备了0.3mm厚的6.5%Si-0.3%Al无取向高硅钢薄板。中等压下量的温轧后薄板具有强的α织构和弱的γ织构,退火处理后发现尽管存在{110}〈100〉和{111}〈110〉~{111}〈112〉位向晶核,但因λ织构位向晶粒在尺寸和数量上占据优势,优先发生了形核长大,最终形成了以{001}〈140〉~{001}〈010〉为主的λ织构,沿轧向的磁感应强度B8达到1.458T。房现石等对2.2mm厚的热轧板在350~750℃区间内采用不同的压下率进行温轧,研究了压下率对温轧6.5%Si高硅钢板织构的影响规律。在温轧压下率小于75%时,随着压下率的增大,{100}〈110〉、{110}〈100〉和γ纤维织构组分在薄板表层中的强度表现为先增强后减弱,其中{100}〈110〉和{110}〈100〉组分在压下率为50%时达到最大值,γ纤维织构则是在压下率65%时达到最大值。在温轧板的心部,{100}〈110〉组分强度则是先减弱后增强,{110}〈100〉和γ纤维织构组分的强度随着压下率增大都表现为逐渐增强的趋势。因此,对铸态高硅钢采用较大压下量(80%)直接温轧,主要为强的α织构和不均匀的γ织构,退火后γ织构变弱,有少量{001}〈0vw〉织构;对热轧高硅钢板进行温轧,压下量对织构影响显著,较大压下量主要为强γ织构和{001}〈0vw〉织构;中等压下量为强α织构和弱γ织构。在后续退火再结晶过程中受晶粒形核和长大机制影响,最终形成了以λ织构为主的有益于磁性能的织构。1.3热处理工艺对区域化硅钢薄膜织构的影响冷轧是轧制法制备高硅钢的最后一道成型工序。目前,冷轧高硅钢主要通过两种途径实现:一是对热轧高硅钢板先温轧,再进行冷轧和退火(HWCRA);二是对热轧高硅钢板常化后直接进行冷轧和退火(HNCRA)。刘艳等采用熔炼→浇铸→锻造→1050~850℃热轧至1mm→650℃温轧至0.3mm→室温下冷轧至0.05mm→除油、涂MgO→1200℃退火1.5h的工艺制备了0.05mm厚、45mm宽的0.02%C-6.56%Si无取向高硅钢薄板,所得冷轧薄板的{001}面织构比较发达,退火之后{001}面织构消失,出现{111}面织构。梁永锋等将锻造后的高硅钢在1000~750℃热轧至1mm,热轧后的板坯进行热处理,之后在350~650℃温轧至0.3mm,热处理后进行冷轧,中间不退火,经过83%~90%大变形冷轧得到0.03~0.05mm厚的高硅钢薄板。该冷轧薄板具有强度较高的{001}面织构,经900℃退火1.5h后{001}面织构消失,{111}面织构显现。林均品等通过添加微量B、Al、Ti、Ni合金元素,采用真空熔炼、锻造开坯、热轧、热处理、温轧、冷轧工艺成功制备出厚度为0.03~0.05mm厚的6.5%Si高硅钢薄板。同样,其轧制态薄板主要织构为{001}面织构,退火后{001}面织构消失,最终形成了{111}面织构。柳金龙等利用熔炼→锻造→1200℃热轧→常化、酸洗→冷轧→退火(HNCRA)的工艺制备了0.5mm厚的6.5%Si高硅钢,其冷轧织构主要以γ织构为主,沿板面法向在板材最中心位置{111}〈110〉~{111}〈123〉织构呈均匀分布,距板材中心位置1/2和3/4处以{111}〈112〉织构为主。经900℃退火后距板材中心位置1/2和3/4处形成了以{210}〈001〉为主的η织构,中心位置η织构和γ织构混合分布,二者取向密度近似相等。可见,900℃退火形成了以{001}〈210〉为主的η织构,这有利于无取向高硅钢薄板再结晶织构的优化。Ros等将热处理后的热轧Fe-6.3%Si高硅钢沿热轧方向旋转90°后再冷轧,经过900℃的再结晶退火2h后,形成了以{111}〈110〉为主的γ织构及少量{001}织构,这与柳金龙的实验结果不同,可能是由于冷轧后退火时间不足或热轧、冷轧方向不同所造成的。总之,热轧高硅钢在退火后主要形成{001}〈010〉立方织构;温轧高硅钢在退火后可形成对磁性有益的λ织构;热轧→温轧→冷轧法得到的高硅钢主要为{001}面织构,退火后{001}面织构消失,{111}面织构出现;将热轧高硅钢直接冷轧,主要为α织构和γ织构,高温退火有利于形成强的{001}织构,对磁性有益。因此,在轧制法制备高硅钢的过程中抑制对磁性有害的γ再结晶织构的形成和促进对磁性有益的η织构的形成是织构优化的主要方向。2化学硅材料的性质及织构演变CVD法在制备高硅钢领域已获得了巨大的成功。左良等研究了CVD法渗硅过程中薄板织构的演变。结果表明,渗硅过程中伴随着再结晶的发生,沉积温度为1050℃时没有发生再结晶;渗硅后形成了以{120}〈001〉为主的强η织构,分析其原因可能是基底钢在冷轧前的中温退火使其表层形成了以{120}〈001〉为主的η织构,渗硅时继承了这种取向;基底材料的类型对后续退火过程中的织构演变也有很大影响,以传统冷轧3.0%Si硅钢为基底材料,渗硅后在950℃退火,{120}〈001〉织构有向{130}〈001〉织构转化的趋势,同样条件下以异步轧制的3.0%Si硅钢为基底材料时,渗硅退火后{120}〈001〉织构强度增大,同时两者皆有少量{111}〈112〉织构组分存在。He等利用电子束物理气相沉积法在旋转不锈钢基底上制备了0.15mm厚的6.5%Si高硅钢片,沉积态钢片成分不均匀,致密度低,具有弱的{111}〈011〉织构和{001}纤维织构。沉积扩散法制备高硅钢过程中,受制备方法、工艺参数、基底材料、热处理工艺等多种因素的影响其织构演变更为复杂。尽管CVD法已成功用于工业化生产高硅钢,但此方法尚不能生产出取向高硅钢。因此需要进一步研究此类工艺,尤其是织构的演变和控制。3其他工艺中的高硅钢纺织结构发展3.1急冷法制备的6.5%si高硅钢薄带的织构Fish等指出,急冷6.5%Si高硅钢薄带经过在真空炉中1100℃、1h和在干燥H2气氛中850℃、4h的两次连续退火可形成{001}〈uv0〉织构,有利于铁损的降低。Nakano等将一次退火后的快淬6.5%Si高硅钢薄带浸入H2SO4溶液中冷却,再进行二次退火,可获得(100)织构。左良等研究表明,单辊快凝法制备的6.5%Si薄带具有{100}织构,织构密度随单辊速度增加而减小,在初次退火后{100}织构减弱。此外,二次退火过程中,气氛对织构影响明显,在Ar或H2气氛中退火,(100)织构增强的同时出现(110)织构;在真空气氛中高于1100℃退火,织构由(100)向(110)转变。Ken等发现快淬6.5%Si高硅钢薄带的厚度对织构亦有影响,小于130μm的6.5%Si高硅钢薄带在1150~1200℃退火后可获得(100)织构。可见,急冷法生产6.5%Si高硅钢薄带的织构以(100)织构为主。Bolfarini等利用喷射成型技术制备出Fe-6.5%Si-1.0%Al合金,将此合金热轧至0.7mm后进行冷轧,消除气孔,再进行温轧后空冷,主要为(110)织构及少量G