制硅钢热轧冷轧织构演化

引言

电机铁芯损耗一般可占工业国家发电总能耗的5%以上，而我国能源效率较国际先进水平低近10%，故提高用量占到整体电工钢行业近70%份额的无取向硅钢的磁性能有重要意义［1］。化学成分及具体生产工艺决定了无取向硅钢磁性能，［SiAl］含量、平均晶粒尺寸、夹杂及析出物体积分数和平均直径以及织构组分、强度是磁性能的决定性因素［2］。文献［3］指出除织构外的其它几个因素研究已较成熟，并成功应用于实际工业生产中，对无取向硅钢织构形成及演变规律研究的工作还不充分，离实际应用还有一定距离。有关CSP制取无取向硅钢热轧、冷轧、退火织构的特征以及短流程织构间的演变规律已有研究者做了相关报道［4～6］，但对于热轧后用常化处理来改善成品无取向硅钢磁性能的研究几乎都仅限于析出物、组织及织构特征上，对于常化织构的演变研究较少。笔者在实验室模拟CSP流程生产低碳低硅无取向硅钢，并对热轧－常化－冷轧过程中织构的形成和演变进行了研究与分析。1试验钢成分及工艺流程试验制低碳低硅无取向硅钢的化学成分如表所示。模拟CSP的流程为:真空炉冶炼(铸坯尺寸为50mm×100mm×250mm)浇注(开模时铸坯表面温度大于950℃)均热(将铸坯直接装入指定温度为1100℃的马弗炉，均热时间约30min)热轧(用二辊可逆式轧机轧5～7道次轧至2．5mm，轧制完成后以约20℃/s的冷速将热轧板冷至650℃)卷取(将冷却至650℃的热轧板卷取并装入温度为650℃的马弗炉随炉冷却)常化(将热轧板置入高温管式退火炉内以900℃×5min常化酸洗冷轧，将2．3～2．5mm后的常化板经多道次冷轧轧至0．5mm，总压下率为75%～78%)再结晶退火(900℃×7min，气氛30%H2+70%N2)。按工序选取热轧板、常化板与冷轧板，裁为约22mm(RD方向)×20mm(TD方向)的试样，经砂纸打磨、抛光至指定厚度后，对热轧板表层、次表层中心层织构用EBSD测定，对常化板、冷轧板表层次表层和中心层织构用X射线衍射仪测定，对得到的{110}、{200}、{112}三个极图，用系统自带的计算软件获得取向分布函数。

2试验结果及讨论

根据晶体材料织构的形成机理，可将织构分类为铸造织构、形变织构、再结晶织构及晶粒长大织构。铸造织构由材料晶体定向散热的晶向决定;形变织构与形变温度、压下率、轧制速度、起始织构等有关;再结晶织构主要由冷轧织构及退火工艺决定;晶粒长大织构则主要受再结晶织构和退火温度、时间决定。不同位向铁单晶的冷轧织构可归为两种稳定的纤维织构:①绕轧向〈110〉轴散漫稳定的{001}～{991}〈110〉;②绕法向〈111〉轴连续性散漫稳定的{111}〈110〉～〈112〉。ODF定量计算及分析时将前者定为B类纤维织构，对应的欧拉角空间取向范围是φ1=0°，=0°90°，φ2=45°，后者定为A类纤维织构，欧拉角空间取向为φ1=0°30°，=54.7°，φ2=45°。截取三维欧拉空间取向φ2=45°面得到这两条纤维织构的全部信息［7］。

2．1低碳低硅无取向硅钢热轧板织构特征图1为检测出的热轧板各层φ2=45°的ODF图，图1(a)显示热轧板表层中的主要织构类型有旋转立方织构(001)［－1－10］，密度值约为5;B类纤维织构(112)［1－10］，密度值约7;A类纤维织构(111)［－1－11］，密度值约为4，此外还出现了TD//〈110〉的(111)［－1－11］织构，密度值约为3。图1(b)显示热轧板次表层包含的主要织构组分为A类纤维织构(111)［2－31］，密度值约为2;以及TD//〈110〉的(554)［－2－25］织构，密度值约为2。图1(c)显示中心层织构组分几乎只是TD//〈001〉的(001)〈－1－10〉旋转立方织构，取向密度值达到了3.5。图2为检测出的热轧板各层织构等高取向密度值水平，表层最大取向密度值为10.758，次表层最大密度值为36，中心层最大密度值为71.2。由此可知，热轧板由表至中的织构强度在逐渐增加，且幅度较大。相对而言，中心层表现出强的织构特征，而表层则相对散漫，次表层介于二者之间。由检测结果可知，热轧板表面织构、次表层织构及心部织构不仅在织构的取向密度强弱上有较大差别，而且织构的主要类别也相差较大。取向密度差别大的原因是热轧中发生的动态再结晶由板面至心部的程度不一样造成，动态再结晶的发生会产生再结晶织构，它在热轧过程中与形变织构的同时或交替进行使得两类织构都不能充分发展。由图3所示的热轧板ND方向金相组织知热轧板由表至中再结晶程度降低，因此由表至中织构的锋锐程度增加。而织构类别差别大的原因是热轧过程中钢板与轧辊间的大摩擦力产生的剪切形变随深度而变化，造成约1/4厚度织构梯度，在该区域剪切应变强使得晶体绕横向沿某一方向转动，产生{111}〈112〉及{100}〈011〉织构，形成(110)〈001〉位向，而中心层主要受压应变，形成旋转立方织构{001}〈110〉。

2．2低碳低硅无取向硅钢常化板织构特征采用X射线衍射技术检测出的常化板各层的织构(见图4)及各层等高取向密度值(见图5)。图4显示常化板表层与次表层织构分布散漫，几乎无主要织构出现，但中心层出现了具有一定强度的{001}〈010〉立方织构，取向密度值达到了3。由图5知，表层最大取向密度值为2.4，次表层最大密度值为2.7，中心层最大密度值为3.5，表层到中心层最大取向密度值逐渐增加，与热轧板的规律相同，体现了织构演变的继承性。由于测量热轧板织构用的是EBSD法，而测量常化板织构时用的是X射线衍射仪，二者对背底扣除的基准不同，故选取同样用X射线衍射仪测量的冷轧织构最大取向密度值来与常化板的最大取向密度值进行对比，结果见图6。由图6可知常化板表层、次表层及中心层的最大取向密度值相当于冷轧板表层织构的1/3、1/3、1/2，即常化板表层、次表层织构的锋锐度很弱，仅中心层织构相对较强。常化板表层、次表层及中心层织构锋锐程度降低的原因是热轧板在常化过程中发生了回复、再结晶及一次晶粒长大，但沿板厚方向的程度不同。对比热轧板金相组织(图3)和常化板金相组织(图7)可知，热轧板表层的细晶组织全部被晶粒尺寸大约在80μm的一次晶粒所替代，说明常化阶段表层组织发生了无择优取向的一次晶粒长大;次表层的平均晶粒尺寸相较表层、中心层的明显要小，存在明显的未被一次晶粒长大吞噬的小的再结晶晶粒，说明次表层发生了回复、再结晶及一次晶粒长大过程;常化后热轧板中心层的纤维形变组织基本消失，尺寸几乎没有变化，还可观察到残留的形变痕迹，说明心部组织只发生了回复。常化板组织不均匀的起因在于热轧板组织沿板厚方向的不同以及常化过程中沿板厚方向温度分布的不均匀性。一次晶粒长大是具有低晶界能取向的晶粒逐渐吞噬周围高晶界能的晶粒而使整个基体界面能降低的过程，但基体在较高温度发生一次晶粒长大时，这种差异性被削弱，此外热轧板表层织构锋锐度不强也是导致常化板表层织构锋锐度弱的重要原因。同理，次表层发生的回复、再结晶及不完全晶粒长大削弱了原来的形变织构，然而次表层的再结晶也未发展完善，因此导致常化板织构散漫。这与Jong－Tae，PARK［8］研究的无取向低硅电工钢晶粒长大过程中织构发展的结论相一致。中心层发生的回复削弱了织构锋锐度，回复过程中晶体的转动导致了择优取向由(001)〈－1－10〉转到了(001)〈0－10〉附近。

2．3低碳低硅无取向硅钢冷轧板织构特征无取向硅钢冷轧板厚度薄，所以只对试样表层及中心层用X射线衍射技术对织构进行了测量，得到表面和中心处的φ2=45°ODF如图8所示。由图8可知，冷轧板表面取向密度最大值达到了6．8，中心层为4．2;冷轧板表层及中心层织构都出现了明显的ND//〈111〉的A类纤维织构以及RD//〈110〉B类纤维织构;冷轧板表层织构与中心层织构类型几乎一样，都有(001)〈1－10〉、(223)〈1－10〉、(001)〈－1－10〉、(－111)〈－1－32〉织构;冷轧板表层、中心层主要织构的差别在取向密度值上，中心层的取向密度值平均较表层的高1～2个水平，表层织构表现出更强的锋锐度。各类铁单晶在不同压下率织构特征的结果指出，冷轧压下率大于60%，{211}〈111〉滑移系统起重要作用，增强了{211}〈011〉和{100}〈011〉组分，轧后的主要稳定位向有{223}〈110〉、{111}〈110〉、{112}〈110〉等。试验中冷轧板试样的压下率约为78%，检测出的织构特征与文献［9］、［10］报道相一致。表层织构锋锐度强的主要原因是常化板表层金相组织较中心层小;以及表层应力状态附加有剪切应力(由表层与轧辊间摩擦力产生)。

3结论

1)热轧板沿板厚方向的织构锋锐度及织构类型均存在明显变化，原因主要在于热轧过程中沿板厚方向的应力场及温度分布的不均匀性。表层动态再结晶剧烈，织构锋锐度低，主要织构为{112}〈110〉为主的B类织构;次表层再结晶度降低，主要织构为{111}〈112〉的A类织构;中心层有纤维组织，主要织构为{001}〈110〉旋转立方织构。2)常化板整体织构锋锐度弱，表层与次表层织构分布散漫，无典型织构出现，但中心层中还有密度值较高的{001}〈100〉织构。该结果产生的原因在于常化过程热轧板表层发生了择优取向弱的一次晶粒长大，次表层发生的不完全的一次晶粒长大，中心层组织发生的回复。3)冷轧板表层与中心层的织构在类型上几乎一样，为典型的低碳钢冷轧织构，主要为以{223}〈110〉为主的B类织构，以及以{111}〈112〉为主的A类织构。表层织构的锋锐度较中心层强，原因在于常化板表层组织较中心层小，冷轧中表层受到轧辊对它附加的摩擦剪切应力。4)从热轧板到常化板织构的演化由热轧板的组织、织构及常化过程组织的变化而决定。常化中热轧板表层及次表层形变织构锋锐度由于再结晶及一次晶粒长大而被削弱，常化后织构散漫，中心层组织在常化过程中通过回复使得晶粒产生了转动，使主要织构由{001}〈－1－10〉绕RD逆时针旋转45°至{001}〈0－10〉。常化板到冷轧板织构的演化与多晶纯铁冷变形形变织构相符，冷轧板表层、中心层织构类型相同，主织构演变为典型的低碳钢冷形变织构，表层织构锋锐度较中心层高。