65%si高硅鋼的組織與性能

65%si高硅鋼的組織與性能

0熱軋板和si含量對硅鋼織構(gòu)的影響硅鋼是一種重要的電磁性材料，用于決定電磁性能的主要因素有兩個(gè)。其中之一是它的化學(xué)成分，尤其是硅含量。其次，它是晶體織物結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)鐵磁學(xué)原理,鐵單晶的〈001〉方向?yàn)橐状呕较?〈111〉方向?yàn)殡y磁化方向。因此,易磁化方向〈001〉平行于軋向的η織構(gòu)是對硅鋼磁性能有益的織構(gòu)。目前,人們對普通硅鋼織構(gòu)的研究已經(jīng)比較成熟。例如,工業(yè)生產(chǎn)中采用二次再結(jié)晶法制造的取向硅鋼具有強(qiáng)烈的{110}〈001〉高斯(Goss)織構(gòu),其{110}面平行于軋面,〈001〉方向平行于軋向,主要用于制造各類電力變壓器、配電變壓器的鐵芯?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明,對于Fe-3%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)取向硅鋼,Goss織構(gòu)的形成要具備如下條件:(1)板材次表層區(qū)具有一定數(shù)量的Goss晶核;(2)初次再結(jié)晶后,Goss晶核周圍要有相當(dāng)數(shù)量的{111}〈112〉晶粒,以便在二次再結(jié)晶時(shí)被Goss晶粒順利“吃掉”;(3)具有阻止其他位向晶粒長大的細(xì)小、彌散第二相質(zhì)點(diǎn)或晶界偏聚元素的抑制劑等。具有{100}〈001〉立方織構(gòu)的雙取向硅鋼,其軋向和橫向都為易磁化方向,且板面上沒有〈111〉難磁化方向,適合用作各種電機(jī)、U型、L型和E型小變壓器、磁放大器和磁屏蔽以及1~50kHz高頻下的電器元件;無取向硅鋼主要用于制造各類電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子,織構(gòu)類型對磁性能也有很大的影響,其理想的晶體織構(gòu)為{100}〈uvw〉,而實(shí)際上不能得到這種單一織構(gòu),一般存在(100)、(111)、(110)、(112)等織構(gòu)組分,其中(100)組分織構(gòu)只占約20%,基本上屬于無取向混亂織構(gòu)。提高(100)和(110)的織構(gòu)組分,降低(111)織構(gòu)組分,有利于提高無取向硅鋼的磁性能。研究表明,熱軋板組織對無取向硅鋼的織構(gòu)和磁性能有顯著的影響,均勻、粗大的熱軋板晶粒有利于冷軋無取向硅鋼織構(gòu)的優(yōu)化和磁性能的改善,隨著熱軋板晶粒尺寸的增加,冷軋無取向硅鋼成品中{111}(110)織構(gòu)的強(qiáng)度明顯降低,同時(shí)不利織構(gòu){112}(110)的強(qiáng)度也不斷降低,有利織構(gòu){01l}〈100〉的強(qiáng)度也略微有所下降。綜上所述,織構(gòu)對于普通硅鋼的磁性能和最終用途有很大的影響。因此,通過適當(dāng)?shù)墓に噷桎摰目棙?gòu)進(jìn)行有效控制以獲得所需的織構(gòu)類型,是硅鋼生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)。另一方面,Si含量對電工鋼磁性能的影響也非常顯著。隨著Si含量增加硅鋼的磁性能逐漸變好,當(dāng)Si含量達(dá)到6.5%時(shí),綜合磁性能最優(yōu)。然而,Si含量的增加在提高磁性能的同時(shí),卻導(dǎo)致高硅鋼的室溫脆性和低的熱加工性。研究結(jié)果表明,其脆性產(chǎn)生的主要原因有:(1)低溫時(shí)DO3、Fe14-Si2、大B2和小B2等有序結(jié)構(gòu)的出現(xiàn);(2)6.5%Si高硅鋼的晶界存在大量的氧原子,晶界氧化嚴(yán)重;(3)硅含量的增加,加速了時(shí)效現(xiàn)象的發(fā)生,提高了合金的強(qiáng)度,降低了塑性。由于高硅鋼的脆性問題,用傳統(tǒng)的軋制工藝難以生產(chǎn)出適合工業(yè)需求的高硅鋼。針對這一問題,廣大科研人員對其制備技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和探索,目前出現(xiàn)的制備技術(shù)主要可分為兩類:(1)對高硅鋼進(jìn)行韌化改性,提高其塑性,或改進(jìn)現(xiàn)有軋制技術(shù),用軋制法獲得高硅鋼薄板,如包套軋制法、三軋法、合金改性法、薄板帶連鑄法等;(2)利用新技術(shù)避開其脆性,如化學(xué)氣相沉積(CVD)法、急冷制帶法、噴射成型法、粉末軋制法、等離子體化學(xué)氣相沉積(PCVD)法、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)法、磁控濺射法、多弧離子沉積法、熱浸滲-擴(kuò)散法、激光熔覆法、電泳沉積法、熔鹽電沉積法等。人們在對高硅鋼制備技術(shù)進(jìn)行研究的同時(shí),其織構(gòu)演變也是人們關(guān)注的另一熱點(diǎn)。相對于普通硅鋼,高硅鋼的織構(gòu)對其磁性能的影響更為重要。例如,對于6.5%Si高硅鋼,其〈100〉方向的飽和磁致伸縮λ100幾乎為零,這對降低鐵芯噪音來說至關(guān)重要;Goertz測得,(100)位向的6.4%Si-Fe單晶體的磁導(dǎo)率最大,磁場退火后可達(dá)3.8×106;Brown等證明Fe-6.5%Si單晶體比Fe-3.5%Si單晶體的W15/50低0.2W/kg,λs低90%,KI低1/3;Honma等發(fā)現(xiàn),具有高斯(Goss)織構(gòu)的6.5%Si取向高硅鋼具有最佳的磁性能,在所有頻率下6.5%Si取向高硅鋼的鐵損都小于3.0%Si取向硅鋼和6.5%Si無取向高硅鋼,0.15mm厚的6.5%Si取向高硅鋼的鐵損值W13/50=0.105W/kg?？梢?如果對高硅鋼的織構(gòu)進(jìn)行有效控制和優(yōu)化可使高硅鋼獲得良好的電磁性能,特別是在硅含量增加降低了硅鋼磁感應(yīng)強(qiáng)度的情況下,這點(diǎn)顯得尤為重要。定向凝固技術(shù)可以制備出具有強(qiáng)烈立方織構(gòu)的6.5%Si高硅鋼合金,但在脆性問題沒有得到有效解決的情況下,此方法很難制備出薄規(guī)格、適于工業(yè)需求的6.5%Si高硅鋼合金板。本文對不同的工藝制備高硅鋼過程中織構(gòu)的演變研究現(xiàn)狀及進(jìn)展做一綜述。1高硅鋼紡織機(jī)的制造1.1goss區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶Ros等研究了高硅鋼在熱軋、退火(HRA)過程中織構(gòu)的演變情況,發(fā)現(xiàn)鑄態(tài)Fe-6.3%Si高硅鋼經(jīng)4道次總壓下量92%~93%熱軋至25mm厚,其板材中心部位為均勻的{111}〈112〉γ織構(gòu)和{001}〈010〉立方織構(gòu),表層附近為{110}〈001〉Goss織構(gòu)。造成熱軋板表層和中心位置織構(gòu)差異的主要原因是:(1)表層區(qū)在熱軋過程中受到板面與軋輥之間強(qiáng)烈的摩擦作用,形成了強(qiáng)的Goss擇優(yōu)位向,但是在熱軋板的最表層,這種Goss擇優(yōu)位向因發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而受到削弱,在次表層區(qū),僅僅發(fā)生了回復(fù),Goss擇優(yōu)位向被保留下來,通常,{110}組分在距表面1/5~1/4厚度的地方最強(qiáng);(2)熱軋過程中板面表層至中心受到的摩擦力大小呈梯度分布,造成了其最終織構(gòu)類型也呈現(xiàn)梯度分布;(3)板材厚度、壓下量、軋制參數(shù)、軋輥對板材表面的粘附力及屈服強(qiáng)度等因素影響了表面剪切應(yīng)變,進(jìn)而影響織構(gòu)的形成。將此熱軋樣品在800℃進(jìn)行再結(jié)晶退火處理,退火10min后,次表層區(qū)完全再結(jié)晶,一部分Goss織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎娇棙?gòu),中心區(qū)的γ織構(gòu)強(qiáng)度開始下降;退火6h后中心層完全再結(jié)晶,表層和中心均變?yōu)榫鶆虻牧⒎娇棙?gòu)。表層區(qū)再結(jié)晶速度快,中心區(qū)的再結(jié)晶速度慢,這主要是因?yàn)闊彳堊冃芜^程中表層剪切帶內(nèi)集中存在的反相晶界形成了無序相,而中心層存在有序相極大減少了晶界的遷移,使再結(jié)晶速度變緩慢?？傊?熱軋高硅鋼板材中心位置具有均勻的{111}〈112〉γ織構(gòu)及{001}〈010〉立方織構(gòu),表層附近為{110}〈001〉Goss織構(gòu),退火熱處理后形成了均勻的立方織構(gòu)。1.2壓下率導(dǎo)致的織構(gòu)分析Liu等利用雙輥連鑄→(熱軋→)溫軋→退火(HWRA/WRA)的方法制備了0.3mm厚的Fe-6.2%Si無取向高硅鋼薄板。(1)雙輥連鑄后在400℃采用80%的壓下量直接溫軋至0.5mm,其織構(gòu)主要為強(qiáng)的α織構(gòu)和不均勻的γ織構(gòu),1000℃退火5min后主要為弱的不均勻的γ織構(gòu)和弱的{001}〈0vw〉織構(gòu)。究其原因主要是溫軋后γ織構(gòu)位向晶粒的形變儲(chǔ)能高于α織構(gòu)位向晶粒,因此在退火過程中γ織構(gòu)位向晶粒優(yōu)先形核和長大。(2)雙輥連鑄后在1200℃熱軋至1.55mm,再在400℃溫軋至0.5mm,其織構(gòu)主要為強(qiáng)的均勻的γ織構(gòu)和弱的{001}〈0vw〉織構(gòu),在1000℃退火5min后γ織構(gòu)減弱,{001}〈0vw〉織構(gòu)增強(qiáng)?？梢?熱軋工藝對后續(xù)溫軋、退火織構(gòu)的影響明顯。盡管在后續(xù)退火過程中γ織構(gòu)位向晶粒在形核長大方面具有一定的優(yōu)勢,但是由于溫軋前的熱軋使{001}〈0vw〉織構(gòu)位向晶粒在尺寸方面占有優(yōu)勢而在退火再結(jié)晶中并沒有被γ織構(gòu)位向晶粒消耗,反而回復(fù)發(fā)生在{001}〈0vw〉織構(gòu)位向晶粒中,形成了強(qiáng)的{001}〈0vw〉織構(gòu)。近期,Liu等利用雙輥連鑄→熱軋→溫軋→退火(HWRA)的方法制備了0.3mm厚的6.5%Si-0.3%Al無取向高硅鋼薄板。中等壓下量的溫軋后薄板具有強(qiáng)的α織構(gòu)和弱的γ織構(gòu),退火處理后發(fā)現(xiàn)盡管存在{110}〈100〉和{111}〈110〉~{111}〈112〉位向晶核,但因λ織構(gòu)位向晶粒在尺寸和數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢,優(yōu)先發(fā)生了形核長大,最終形成了以{001}〈140〉~{001}〈010〉為主的λ織構(gòu),沿軋向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B8達(dá)到1.458T。房現(xiàn)石等對2.2mm厚的熱軋板在350~750℃區(qū)間內(nèi)采用不同的壓下率進(jìn)行溫軋,研究了壓下率對溫軋6.5%Si高硅鋼板織構(gòu)的影響規(guī)律。在溫軋壓下率小于75%時(shí),隨著壓下率的增大,{100}〈110〉、{110}〈100〉和γ纖維織構(gòu)組分在薄板表層中的強(qiáng)度表現(xiàn)為先增強(qiáng)后減弱,其中{100}〈110〉和{110}〈100〉組分在壓下率為50%時(shí)達(dá)到最大值,γ纖維織構(gòu)則是在壓下率65%時(shí)達(dá)到最大值。在溫軋板的心部,{100}〈110〉組分強(qiáng)度則是先減弱后增強(qiáng),{110}〈100〉和γ纖維織構(gòu)組分的強(qiáng)度隨著壓下率增大都表現(xiàn)為逐漸增強(qiáng)的趨勢。因此,對鑄態(tài)高硅鋼采用較大壓下量(80%)直接溫軋,主要為強(qiáng)的α織構(gòu)和不均勻的γ織構(gòu),退火后γ織構(gòu)變?nèi)?有少量{001}〈0vw〉織構(gòu);對熱軋高硅鋼板進(jìn)行溫軋,壓下量對織構(gòu)影響顯著,較大壓下量主要為強(qiáng)γ織構(gòu)和{001}〈0vw〉織構(gòu);中等壓下量為強(qiáng)α織構(gòu)和弱γ織構(gòu)。在后續(xù)退火再結(jié)晶過程中受晶粒形核和長大機(jī)制影響,最終形成了以λ織構(gòu)為主的有益于磁性能的織構(gòu)。1.3熱處理工藝對區(qū)域化硅鋼薄膜織構(gòu)的影響冷軋是軋制法制備高硅鋼的最后一道成型工序。目前,冷軋高硅鋼主要通過兩種途徑實(shí)現(xiàn):一是對熱軋高硅鋼板先溫軋,再進(jìn)行冷軋和退火(HWCRA);二是對熱軋高硅鋼板?；笾苯舆M(jìn)行冷軋和退火(HNCRA)。劉艷等采用熔煉→澆鑄→鍛造→1050~850℃熱軋至1mm→650℃溫軋至0.3mm→室溫下冷軋至0.05mm→除油、涂MgO→1200℃退火1.5h的工藝制備了0.05mm厚、45mm寬的0.02%C-6.56%Si無取向高硅鋼薄板,所得冷軋薄板的{001}面織構(gòu)比較發(fā)達(dá),退火之后{001}面織構(gòu)消失,出現(xiàn){111}面織構(gòu)。梁永鋒等將鍛造后的高硅鋼在1000~750℃熱軋至1mm,熱軋后的板坯進(jìn)行熱處理,之后在350~650℃溫軋至0.3mm,熱處理后進(jìn)行冷軋,中間不退火,經(jīng)過83%~90%大變形冷軋得到0.03~0.05mm厚的高硅鋼薄板。該冷軋薄板具有強(qiáng)度較高的{001}面織構(gòu),經(jīng)900℃退火1.5h后{001}面織構(gòu)消失,{111}面織構(gòu)顯現(xiàn)。林均品等通過添加微量B、Al、Ti、Ni合金元素,采用真空熔煉、鍛造開坯、熱軋、熱處理、溫軋、冷軋工藝成功制備出厚度為0.03~0.05mm厚的6.5%Si高硅鋼薄板。同樣,其軋制態(tài)薄板主要織構(gòu)為{001}面織構(gòu),退火后{001}面織構(gòu)消失,最終形成了{(lán)111}面織構(gòu)。柳金龍等利用熔煉→鍛造→1200℃熱軋→常化、酸洗→冷軋→退火(HNCRA)的工藝制備了0.5mm厚的6.5%Si高硅鋼,其冷軋織構(gòu)主要以γ織構(gòu)為主,沿板面法向在板材最中心位置{111}〈110〉~{111}〈123〉織構(gòu)呈均勻分布,距板材中心位置1/2和3/4處以{111}〈112〉織構(gòu)為主。經(jīng)900℃退火后距板材中心位置1/2和3/4處形成了以{210}〈001〉為主的η織構(gòu),中心位置η織構(gòu)和γ織構(gòu)混合分布,二者取向密度近似相等?？梢?900℃退火形成了以{001}〈210〉為主的η織構(gòu),這有利于無取向高硅鋼薄板再結(jié)晶織構(gòu)的優(yōu)化。Ros等將熱處理后的熱軋F(tuán)e-6.3%Si高硅鋼沿?zé)彳埛较蛐D(zhuǎn)90°后再冷軋,經(jīng)過900℃的再結(jié)晶退火2h后,形成了以{111}〈110〉為主的γ織構(gòu)及少量{001}織構(gòu),這與柳金龍的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同,可能是由于冷軋后退火時(shí)間不足或熱軋、冷軋方向不同所造成的?？傊?熱軋高硅鋼在退火后主要形成{001}〈010〉立方織構(gòu);溫軋高硅鋼在退火后可形成對磁性有益的λ織構(gòu);熱軋→溫軋→冷軋法得到的高硅鋼主要為{001}面織構(gòu),退火后{001}面織構(gòu)消失,{111}面織構(gòu)出現(xiàn);將熱軋高硅鋼直接冷軋,主要為α織構(gòu)和γ織構(gòu),高溫退火有利于形成強(qiáng)的{001}織構(gòu),對磁性有益。因此,在軋制法制備高硅鋼的過程中抑制對磁性有害的γ再結(jié)晶織構(gòu)的形成和促進(jìn)對磁性有益的η織構(gòu)的形成是織構(gòu)優(yōu)化的主要方向。2化學(xué)硅材料的性質(zhì)及織構(gòu)演變CVD法在制備高硅鋼領(lǐng)域已獲得了巨大的成功。左良等研究了CVD法滲硅過程中薄板織構(gòu)的演變。結(jié)果表明,滲硅過程中伴隨著再結(jié)晶的發(fā)生,沉積溫度為1050℃時(shí)沒有發(fā)生再結(jié)晶;滲硅后形成了以{120}〈001〉為主的強(qiáng)η織構(gòu),分析其原因可能是基底鋼在冷軋前的中溫退火使其表層形成了以{120}〈001〉為主的η織構(gòu),滲硅時(shí)繼承了這種取向;基底材料的類型對后續(xù)退火過程中的織構(gòu)演變也有很大影響,以傳統(tǒng)冷軋3.0%Si硅鋼為基底材料,滲硅后在950℃退火,{120}〈001〉織構(gòu)有向{130}〈001〉織構(gòu)轉(zhuǎn)化的趨勢,同樣條件下以異步軋制的3.0%Si硅鋼為基底材料時(shí),滲硅退火后{120}〈001〉織構(gòu)強(qiáng)度增大,同時(shí)兩者皆有少量{111}〈112〉織構(gòu)組分存在。He等利用電子束物理氣相沉積法在旋轉(zhuǎn)不銹鋼基底上制備了0.15mm厚的6.5%Si高硅鋼片,沉積態(tài)鋼片成分不均勻,致密度低,具有弱的{111}〈011〉織構(gòu)和{001}纖維織構(gòu)。沉積擴(kuò)散法制備高硅鋼過程中,受制備方法、工藝參數(shù)、基底材料、熱處理工藝等多種因素的影響其織構(gòu)演變更為復(fù)雜。盡管CVD法已成功用于工業(yè)化生產(chǎn)高硅鋼,但此方法尚不能生產(chǎn)出取向高硅鋼。因此需要進(jìn)一步研究此類工藝,尤其是織構(gòu)的演變和控制。3其他工藝中的高硅鋼紡織結(jié)構(gòu)發(fā)展3.1急冷法制備的6.5%si高硅鋼薄帶的織構(gòu)Fish等指出,急冷6.5%Si高硅鋼薄帶經(jīng)過在真空爐中1100℃、1h和在干燥H2氣氛中850℃、4h的兩次連續(xù)退火可形成{001}〈uv0〉織構(gòu),有利于鐵損的降低。Nakano等將一次退火后的快淬6.5%Si高硅鋼薄帶浸入H2SO4溶液中冷卻,再進(jìn)行二次退火,可獲得(100)織構(gòu)。左良等研究表明,單輥快凝法制備的6.5%Si薄帶具有{100}織構(gòu),織構(gòu)密度隨單輥速度增加而減小,在初次退火后{100}織構(gòu)減弱。此外,二次退火過程中,氣氛對織構(gòu)影響明顯,在Ar或H2氣氛中退火,(100)織構(gòu)增強(qiáng)的同時(shí)出現(xiàn)(110)織構(gòu);在真空氣氛中高于1100℃退火,織構(gòu)由(100)向(110)轉(zhuǎn)變。Ken等發(fā)現(xiàn)快淬6.5%Si高硅鋼薄帶的厚度對織構(gòu)亦有影響,小于130μm的6.5%Si高硅鋼薄帶在1150~1200℃退火后可獲得(100)織構(gòu)?？梢?急冷法生產(chǎn)6.5%Si高硅鋼薄帶的織構(gòu)以(100)織構(gòu)為主。Bolfarini等利用噴射成型技術(shù)制備出Fe-6.5%Si-1.0%Al合金,將此合金熱軋至0.7mm后進(jìn)行冷軋,消除氣孔,再進(jìn)行溫軋后空冷,主要為(110)織構(gòu)及少量G