电工钢织构及织构与磁性能的关系

电工钢织构及织构与磁性能的关系彭彭(沈阳化工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 )1.2.1电工钢织构 电工钢在加工过程中(热轧、冷轧)可滑移面为110、112和123,滑移方向都为原子最密排的方向。以任何一个为晶轴的晶面都可能是滑移面,都会产生交叉滑移,特别是硅钢更容易产生交叉滑移。多晶体在滑移(塑性变形)时,不仅在每个晶粒内产生变形,而且晶粒间还要变形。由于金属整体变形的连续性,相邻晶粒间产生了相互牵制又彼此促进的协同动作,因而会出现力偶,造成晶粒间的相对转动。晶粒相对转动的结果可促使原来位向不适合变形的晶粒开始变形,或促使原来已变形的晶粒继续变形。但每个晶粒的转动必然会受到其周围晶粒的影响,与此同时所产生的滑移系也有朝着作用力轴的方向作定向旋转的趋势。当所承受的变形程度很大时,大多数晶粒的某个滑移系最终都将转至同一方向或接近一致的方向,其结果是使原来位向极其紊乱的晶粒出现有序化,并有严格的位向关系。电工钢经过塑性变形后,处于高温状态下。由于原子扩散能力加强,发生再结晶,即以新的等轴晶粒代替旧的变形晶粒。通常,再结晶后的新晶粒仍具有择优取向,这种再结晶后的择优取向往往与形变的择优取向具有一定的取向关系。在电工钢的成品生产工序中,为了得到完善的退火织构,工业上常常采用大压下量冷轧和高温长时间退火的办法。前者是为了得到很完善的冷变形织构,后者是使某种有利位向的晶粒充分长大,从而形成稳定、完善的退火织构。形成织构的特点是(100)或(110)面平行轧面,001方向平行于轧向,称为立方织构或高斯织构。 1.2.2无取向电工钢织构对磁感应强度的影响 织构是影响电工钢磁感应强度B25和B50的主要因素之一,理想的晶体织构为(100)uvw面织构,因为它是各向同性而且难磁化方向111不在轧面上(与取向硅钢不同,取向硅钢的磁感应强度只与(110)001晶粒取向度或(110)001位向偏离角有关)。为改善电工钢的磁性能,在生产过程中,从热轧工序开始,控制有利织构的形成是主要的技术手段之一。在实际生产控制过程中不可能得到这种单一的面织构,一般存在有(100)011、(111)112、(110)001和(112)011等织构组分,其中(100)组分织构度只占约20%,基本属于无取向混乱织构,也就是磁各向同性。由理论公式推导的结论为:按100和111单晶体的B25值计算出的理想(100)uvw面织构具有最高的B25值,比各向同性状态约高0.116T(10%),而（111)uvw和(110)uvw织构的B25值比各向同性状态分别低0.111T(7%)和0.104T(2%)。1.2.3无取向电工钢织构对铁损的影响 影响Ph(铁损)的因素也就是阻碍畴壁移动的主要因素,分别为晶体织构、杂质、夹杂物、内应力、晶粒尺寸、钢板厚度、钢板表面状态和主要化学成分。无取向电工钢(100)面织构高,Ph和P15降低,因为在(100)晶面上有两个易磁化的轴;其次是(110)面织构,在此晶面上有一个轴。具有(111)面织构的较高P15,因为在此晶面上没有轴,具有(112)面织构的P15最高,因为在此晶面上有难磁化的轴。 1.3热轧条件对无取向电工钢轧件织构形成的影响 对电工钢织构的形成,并对电工钢的最终铁磁性能起重要作用的基本组织参数是在轧件的热轧过程中形成的。对有取向和无取向电工钢来说都是如此,即其全部生产工艺操作过程中,对其组织和织构的影响是在热轧件原始组织的演变过程中形成的。国外电工钢科研机构对此做了专门的研究。研究了在2000mm宽带连轧机和1200mm可逆轧机等精轧机架上进行轧制时,轧制温度、速度以及变形量和变形次数等工艺参数对热轧带钢组织和织构的形成所产生的影响,以及电工钢热轧板沿带材厚度方向其织构的形成特点。测试方法:用X射线织构分析方法,根据反极图从表面到中心逐层对织构进行了测定研究,用机械方法剥去试样表层并对表面进行腐蚀以消除加工硬化层,根据极点密度最大的8个晶面族200、112、220、310、222、321、420和332的积分强度线,用钼辐射线测定了织构。分析表明,在热轧件的中心层内通常发生回复过程,这一层织构具有形成强烈200择优取向以及弱的112和222择优取向的特点;组织和织构沿厚度方向所出现的差别是由轧制温度速度参数以及压下量的不同所引起的(连轧机精轧末架压下率为12%,机架间通过时间为0.19s)。由于变形速度高,动态再结晶所需临界变形率至少要减小1/3,因此在带材表层发生局部的集合再结晶,这一点可由织构中出现具有220择优取向的粗大晶粒得以证实。无取向电工钢中心层200和222变形织构的择优取向在数量上大于取向电工钢,这是由于终轧温度相差4080造成的(取向硅钢T终=910930)。以上试样通过冷轧及最终织构测定及与成品磁性的对照分析,进一步认证了热轧板材厚度方向形成的织构将对随后的全部生产工艺操作中织构的形成产生重要影响。 1.4冷轧条件对无取向电工钢再结晶织构的影响 无取向电工钢的磁性主要取决于它的织构。为改善磁性,必须提高100或110织构的强度和降低111织构强度。100或110由带钢平面上易磁位向构成,而111由其平面附近的难磁化位向构成。1.4.1冷轧压下率对无取向电工钢织构的影响 为降低工序成本,提高产量,大多数生产厂均采用一次冷轧法生产中、低牌号冷轧电工钢。一次冷轧法要求大压下率(75%)来保证100组分进一步增高,使磁性能提高。根据取向分布函数(ODF)定量计算,电工钢冷轧织构基本分为两类纤维织构,即轴近似平行于法向(A类或称C纤维织构)和轴平行于轧向并在(100)011位向附近漫散(B类或称A纤维织构)。主要低指数组分为:111、111、112和001。也就是说,一类组分为平行于轧向,(001)(112)平行于轧面;另一类为111平行于轧面,而平行于轧向。在冷轧板微观结构分析中,压下率60%时,冷轧时微观带与轧向的偏离角逐渐减少,直到与轧向近似平行,其211组分逐渐加强。压下率为90%时,冷轧时微211位向是冷轧织构中最强组分,微观带边界已不是110面,即已形成明显的切变带。经压下率为50%90%的冷轧时都存在A和B类两类纤维织构组分。压下率60%时,冷轧时发生铅笔式的滑动,依靠等量的110和211滑移系统而发展成A类织构组分,但有些偏离。压下率60%时,冷轧时211滑移系统起重要作用,使111附近位向分解,并加强了211滑移系统,因此211和100组分进一步提高,而111强度保持不变。随形变量增加,100组分加强,并绕轧向漫散而形成B类纤维织构,漫散角度可达60,这包括了111位向;A类纤维织构随形变量增高而单调地增高,但分布不均匀。1.4.2冷轧再结晶织构电工钢冷轧后各位向组分的储能不同,从大到小的顺序为:110111112100,因此退火时110晶粒首先回复和再结晶。最终在初次再结晶基体中110晶粒半径比基体平均半径更大些。100晶粒最易滑移,位错密度低,储能低,所以最难再结晶。111晶粒介于两者之间。再结晶织构是由几个织构组分组成的。在正常晶粒长大时会加强某些组分,而使另外的组分减弱。这取决于那些位向晶粒具有更有利于吞并其它位向晶粒而长大的条件,这些条件就是晶粒尺寸或晶界曲率等。再结晶织构与冷轧织构相比,退火后B类纤维织构减弱,特别是100附近的组分减弱。A类纤维织构也有一定的变化(原因如上述)。经压下率为50%的冷轧(全工艺为二次中等压下率冷轧)和在铁素体相区退火再结晶后,形成以110为主,111为次和其它组分的再结晶织构,因为110晶粒的储能又高于111晶粒。如果冷轧前原始晶粒粗大,110组分更强。因为110晶粒是在111形变晶粒中的切变带内生核而成的。原始晶粒大可产生更多的切变带,110晶核数量增多。经压下率为70%的冷轧(为一次冷轧生产工艺)退火后,110组分减弱,111组分加强,同时形成111组分,即形成平行于法向漫散的近似完善的A类纤维织构。再结晶织构组分为111、111、111和211,压下率再增高,111组分减弱,而111组分更强(100及110所占比例未见相关介绍,生产中75%压下率冷轧生产织构分析仍为空白,有待进一步研究)。1.4.3冷轧轧制形状参数对再结晶织构的影响 为确定冷轧过程中变形的不均匀性,在板材轧制时,采用轧制形状参数。定义式为:RSF=2R(h1-h0)0.5/(h1+h0)式中R为工作辊半径;h0和h1分别为每道次前、后的带钢厚度。RSF大则表示由轧制过程引起的应变分布较均匀;RSF小则表示变形较不均匀。通过系列试验,在其它条件不变,只改变RSF公式中参数的情况下,得出直观结论:(1)工作辊半径减小,磁感增强;(2)热带增厚,磁感增强。原参考文献中,还有一点结论:B50值大、小的两种试样,工艺不同,经消除应力退火后变化不同,以此引出轧制形状参数RSF,本文只考虑轧制形状参数与织构形成之间的分析关系,以便指导工艺的实施及理论分析思路。继续以不同RSF下取得的试样,用Bunge方法测定冷轧后、再结晶退火后以及消除应力退火后试样的ODF,分析结论为:RSF大时,表面织构以及中间面织构发展成C纤维,即,它的组分是111。此外,随着消除应力退火晶粒长大,该组分增强。111取向在钢板平面上具有轴,而且它接近难磁化取向,于是在消除应力退火之后,ND织构的增强导致磁感下降。RSF小时,无论是退火再结晶织构,还是消除应力退火晶粒长大织构,ND织构在表面附近的积聚都受到抑制,织构的主要组分610和410,分别为一个轧向易磁化轴的组分和一个同带钢平面略倾斜的轴组分,这样,RSF小的试样表面织构在其钢板平面上具有两个易磁化取向,因此,虽然中间面上ND织构增强,但在消除应力退火晶粒长大后,试样B50值不变。1.5有利织构控制在冷轧电工钢生产中的应用1.5.1采用两个阶段冷轧方法时001织构发展情况 用于小型和中型电机以及小变压器上的低牌号电工钢薄板通常被冲成环状铁芯或片状铁芯,ND晶体学织构对于圆周方向上的磁性是非常有利的,显示出低的铁损和高的磁感。以往生产往往采用一次大压下率(80%)加高温退火(800)或二次冷轧方法,即中间退火温度700以下,发生完全再结晶。这两种工艺均未获得良好的磁性能,也就是并未获得以001为主的有利织构组分。调整后的二次冷轧法生产采用较低中间退火温度以使再结晶率达60%左右,二次冷轧后高温退火(800),获得良好的磁性,织构以001织构发展为主。 (1)一次冷轧在最终退火时,ND再结晶晶粒向变形区内发展,在再结晶温度比C纤维再结晶温度高时,变形区的再结晶被抑制,并且ND晶粒变成最终退火后的主要成分。 (2)二次冷轧中间退火为680以上时,可以观测到大多数为再结晶晶粒,并且有ND取向,这是典型的冷轧钢板再结晶织构,并且最终退火薄板中,中间退火期间形核的再结晶晶粒是最终ND取向晶粒的主要来源。 (3)二次冷轧中间退火为640时,可以观测到细小的等轴再结晶晶粒及拉长的变形再结晶晶粒。拉长的晶粒具有小的不利取向的边界层,并且大多数再结晶晶粒具有ND取向,而大多数变形晶粒具有RD取向。在一堆再结晶晶粒中,可以看到一些001取向的再结晶晶粒,而紧靠近A纤维变形区上,可以看到一些001取向变形区域。在最终退火期间ND再结晶晶粒向变形区内的发展受到抑制。这是因为第二次冷轧降低了ND再结晶晶粒和变形晶粒之间的储藏能量的差值。这样,ND再结晶晶粒就被变形区域形核的新的再结晶001晶粒所代替。1.5.2武钢冷轧电工钢高效材DW2的织构分析 为了电机的小型化和提高效率,国内外电机厂都期望得到磁感高、铁损低的电工钢原料。武钢为此专门进行了技术攻关,在原W18、W20、W23的基础上研制开发了DW2材,获得了良好的磁性能。DW2的主要织构为110型,W材(W10W18)的主要织构为111型;DW2材中,(100)织构率由里及表有上升的趋势;将测试的数据相比较可得出:DW2材的Tp值大于1;(100)织构率大于20%;DW2材1k0组分较强,即1k0%59%;DW2材每组试样中(100)组分强于自身的(111)组分;DW2材的磁感高于W材,大于1.17T(现普遍控制在1.1731.174T)。大量的织构数据说明,DW2材是以1k0纤维织构为有利织构的无取向电工钢,这种织构的获得与工艺制度密切相关(DW2材为一次大压下率冷轧),DW2材高的磁感强度主要是受此种有利织构的影响(因为导磁率是T和晶粒尺寸的函数,DW2材与W材的晶粒度基本相同,而Tp值较高)。1.5.3武钢W18一次冷轧法工艺中织构组分的变化 武钢W系列产品是按日本专利技术生产的,原专利要求W18采用二次冷轧法生产,常常生产出性能不稳定的产品。武钢科技人员经过多次技术攻关和反复验证,制定出一次冷轧生产工艺,提高了磁感应强度(提高了0.05T),并简化了生产工序,使成材率、合格品率均有所提高。分析表明,一次冷轧法产品和二次冷轧法产品在磁性上的差异主要是由于它们各自的织构和晶粒大小不同所决定的。以下摘述织构分析结果。一次冷轧法成品与二次冷轧法成品的主要织构组分(110)001基本相同,不一样的是一次法成品中(110)001及(100)001织构比二次法成品要强些。尤其是常化处理的作用使得(100)001织构组分增加,并使001方向与轧向的夹角