取向硅鋼的軋向磁性能優(yōu)良，是電力、電子和軍工等領(lǐng)域不可缺少的軟磁材料 脫碳退火是制造取向硅鋼的一道重要工序，主要作用是脫碳和產(chǎn)生適當(dāng)?shù)某醮卧俳Y(jié)晶組織[1]

取向硅鋼的脫碳退火過程比較復(fù)雜，其中的碳與濕保護(hù)氣氛中的水分發(fā)生脫碳反應(yīng)并伴隨著表面氧化和初次再結(jié)晶 過高的退火溫度和退火氣氛中過高的水氫比使鋼板表面生成致密的氧化層，阻礙內(nèi)部的碳向鋼板表面擴(kuò)散而影響脫碳效果[2,3,4] 初次再結(jié)晶使冷軋鋼基體內(nèi)的位錯(cuò)密度急劇降低，導(dǎo)致碳的擴(kuò)散系數(shù)顯著降低而不利于脫碳[5] 在退火的開始階段，脫碳速率由碳在鋼板表面的化學(xué)反應(yīng)控制[6]，其后的脫碳速率由碳在鋼中的擴(kuò)散過程控制[7] 通常在取向硅鋼的兩相區(qū)進(jìn)行脫碳退火，碳在鐵素體(α)相中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)比在奧氏體(γ)相中的高[8,9] 隨著脫碳過程的進(jìn)行鋼中殘余碳的含量逐漸降低，γ相逐漸向α相轉(zhuǎn)變[10] 取向硅鋼基體中的碳含量低于0.0200%時(shí)γ相已完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣料郲11] 生產(chǎn)中通常要求脫碳退火后鋼板中的碳含量低于0.0030%[12,13]，因?yàn)檫^多的碳在使用過程中析出而影響磁疇移動，降低取向硅鋼的磁性能[14,15,16,17,18]

由于難以控制原始碳含量、保護(hù)氣氛、加熱溫度、加熱時(shí)間和鋼板厚度等成分和工藝參數(shù)，脫碳退火后鋼的碳含量可能高于0.0030% 鑒于此，本文通過控制脫碳退火加濕溫度，研究殘余碳對取向硅鋼初次、二次再結(jié)晶組織以及磁性能的影響，并討論相關(guān)的原理

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用材料為普通取向硅鋼二次冷軋板(成分列于表1)，其厚度為0.285 mm 沿冷軋硅鋼板軋向截取長300 mm、沿橫向?qū)?0 mm的樣品 使用SK型氫氣光亮管式退火爐進(jìn)行脫碳退火，退火均熱溫度為830℃，均熱時(shí)間為2 min，退火時(shí)通入水浴溫度為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃的25%H2+75%N2混合氣，混合氣流量約為2 L/min 每種水浴溫度的實(shí)驗(yàn)樣品數(shù)量為2片 圖1給出了脫碳退火示意圖

Table 1

表1

表1取向硅鋼冷軋樣品主要元素的含量

Table 1Main element content for grain oriented silicon steel subjected to cold rolling

Element	C	Si	Mn	P	S	N	Als
Content/%	0.0455	3.15	0.070	0.010	0.023	0.0050	0.013

圖1



圖1取向硅鋼的脫碳退火示意圖

Fig.1Schematic diagram of decarburization annealing for oriented silicon steel

在脫碳樣品表面涂敷MgO涂液并在溫度為200℃的烘干箱中烘干，然后疊放在管式退火爐中按圖2所示工藝進(jìn)行高溫退火

圖2



圖2高溫退火工藝方案

Fig.2Process scheme of high temperature annealing

將脫碳退火樣品打磨、拋光并在4%硝酸酒精中侵蝕后，用OLYMPUS金相顯微鏡觀測樣品縱截面金相組織；高溫退火樣品在4%硝酸酒精中侵蝕后，可用于觀測其軋面金相組織；使用Quanta FEG 400型掃描電鏡和Hikari型EBSD探頭檢測樣品的微區(qū)取向；使用LECO-CS600碳硫分析儀測量脫碳退火樣品中碳的含量；使用NIM-2000E磁性能測量儀檢測高溫退火樣品磁性能 使用熱力學(xué)軟件計(jì)算不同碳含量試樣中γ相含量隨溫度的變化和發(fā)生相變時(shí)臨界碳含量和臨界溫度

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1 硅鋼樣品的碳含量

圖3給出了不同水浴溫度條件下取向硅鋼樣品的脫碳量和殘余碳的含量 可以看出，水浴溫度越高脫碳退火時(shí)脫碳越多，鋼帶中的殘余碳含量越低 水浴溫度達(dá)到60℃時(shí)，樣品中殘余碳含量降低到0.0029% 在20~60℃，脫碳量與水浴溫度線性相關(guān)，水浴溫度每升高1℃脫碳量增加約0.0006%

圖3



圖3在不同水浴溫度下取向硅鋼脫碳退火樣品的脫碳量和殘余碳含量

Fig.3Decarburization amount and residual carbon content of grain oriented silicon after decarburization annealing at different water bath temperature

2.2 取向硅鋼的組織

(1) 取向硅鋼的脫碳退火組織

圖4給出了不同殘余碳含量取向硅鋼的脫碳退火金相組織 可以看出，脫碳退火組織為鐵素體和少量的帶狀或點(diǎn)狀珠光體 兩種珠光體在晶界和晶內(nèi)都有，點(diǎn)狀珠光體多分布于晶界或晶界附近，在晶內(nèi)帶狀珠光體較多，表層的數(shù)量少于中心層 C(殘余碳含量)=0.0029%～0.0088%時(shí)珠光體大多以點(diǎn)狀分布；C=0.0152%時(shí)帶狀珠光體出現(xiàn)在中心層；C≥0.0200%時(shí)出現(xiàn)在表層

圖4



圖4不同殘余碳含量取向硅鋼脫碳退火樣品的金相組織

Fig.4Microstructure of samples with different residual carbon content after decarburization annealing for grain oriented silicon steel (a) C=0.0029%; (b) C=0.0088%; (c) C=0.0152%; (d) C=0.0200%; (e) C=0.0265%

圖5給出了脫碳退火后不同殘余碳含量樣品的平均晶粒尺寸 總體而言，隨著殘余碳含量的增大初次再結(jié)晶的晶粒尺寸逐漸減小 C≤0.0088%時(shí)樣品的表層晶粒尺寸略比中心層的大；C為0.0152%~0.0265%時(shí)，隨著殘余碳含量的增大表層晶粒尺寸與中心層晶粒尺寸之差有增大趨勢

圖5



圖5不同殘余碳含量取向硅鋼脫碳退火樣品的平均晶粒尺寸

Fig.5Average grain size of samples subjected to decarburization annealing for grain oriented silicon steel with different residual carbon content

(2) 取向硅鋼的高溫退火組織

圖6給出了不同殘余碳含量條件下取向硅鋼高溫退火金相組織，圖7給出了殘余碳含量對二次再結(jié)晶率和晶粒尺寸的影響 可以看出，C≤0.0200%時(shí)二次再結(jié)晶完全，二次再結(jié)晶率為100%，隨殘余碳含量的增大二次晶粒尺寸先增加后減小；C=0.0265%時(shí)二次再結(jié)晶率只有約22%，平均晶粒尺寸約為1.1 mm

圖6



圖6不同殘余碳含量取向硅鋼高溫退火樣品的金相組織

Fig.6Macrostructure of samples with different residual carbon content after high temperature annealing for grain oriented silicon steel (a) C=0.0029%; (b) C=0.0088%; (c) C=0.0152%; (d) C=0.0200%; (e) C=0.0265%

圖7



圖7不同殘余碳含量取向硅鋼的二次再結(jié)晶率和晶粒尺寸

Fig.7Recrystallization ratio and grain size of secondary recrystallization for grain oriented silicon steel with different residual carbon content

2.3 取向硅鋼的磁性能

圖8給出了殘余碳含量對取向硅鋼高溫退火樣品磁性能的影響 從圖8可見，隨著殘余碳含量的增大鐵損(P1.7)值先降低后升高，C=0.0152%時(shí)最低；磁感(B800)先升高后降低，C=0.0152%時(shí)最高 這表明，C≤0.0152%時(shí)，隨著殘余碳含量的增大磁性能提高；C＞0.0152%時(shí)，隨著殘余碳含量的增大磁性能降低

圖8



圖8殘余碳含量對高溫退火取向硅鋼樣品磁性能的影響

Fig.8Effect of residual carbon content on magnetic properties of grain oriented silicon steel after high temperature annealing

3 分析與討論3.1 殘余碳含量對初次再結(jié)晶金相組織的影響

普通取向硅鋼板二次冷軋前在濕保護(hù)氣氛下進(jìn)行中間退火，中間退火后基體碳含量降為0.0450% 與鋼的原料成分相比碳含量約減少0.0050% 中間退火后的金相組織，如圖9所示 可以看出，表層為細(xì)小的鐵素體再結(jié)晶組織，從1/4層開始出現(xiàn)帶狀珠光體組織，鐵素體再結(jié)晶晶粒尺寸變大，中心層帶狀珠光體數(shù)量增多，鐵素體晶粒尺寸進(jìn)一步變大 中間退火前對鋼板進(jìn)行70%的大壓下率一次冷軋，大剪切變形使表層位錯(cuò)密度增加，中間退火時(shí)形核位置增多使表層的晶粒尺寸較小；1/4層和中心層較大的鐵素體晶粒主要遺傳于熱軋粗大的回復(fù)組織 按0.0450%的碳含量及890℃中間退火溫度計(jì)算，中間退火時(shí)基體中的γ相平均只有約5.4%，主要集中于1/4層和中心層，出現(xiàn)帶狀珠光體的鐵素體晶粒明顯細(xì)化，說明較高的碳含量使晶粒明顯細(xì)化

圖9



圖9取向硅鋼中間退火后的金相組織

Fig.9Microstructure of grain oriented silicon steel after intermediate annealing

中間退火后的樣品進(jìn)行55%壓下率的二次冷軋，樣品表層再次發(fā)生大的剪切變形，加上中間退火樣品表層晶粒尺寸小于中心層，按組織遺傳規(guī)律，脫碳退火樣品表層晶粒尺寸應(yīng)該明顯比中心層的小，但是圖5表明卻正好相反，即表層晶粒尺寸大于中心層 脫碳退火樣品的中心層與表層的主要差異在于碳含量 從圖4可見，中心層的珠光體數(shù)量比表層的多，說明中心層的碳含量比表層的高；從圖6可見，殘余碳含量越高晶粒尺寸越小，進(jìn)一步說明碳含量對晶粒尺寸有較大的影響 碳元素使脫碳退火樣品中心層初次晶粒尺寸減小的主要原因：1、中間退火時(shí)在γ→α+Fe3C相變過程中形成的Fe3C主要分布在1/4層至中心層的基體中，冷軋時(shí)可釘扎位錯(cuò)使退火形核位置增加而細(xì)化了晶粒；2、在脫碳退火升溫和降溫時(shí)1/4層至中心層再次發(fā)生了γ和α相變而細(xì)化了初次晶粒，生成的Fe3C阻礙晶界移動，防止了中心層初次晶粒粗化[11]

3.2 殘余碳含量對初次再結(jié)晶織構(gòu)的影響

圖10給出了殘余碳含量分別為0.0029%、0.0152%和0.0265%取向硅鋼脫碳退火樣品EBSD取向成像圖 可看出，C=0.0029%脫碳退火樣品的{111}<110>織構(gòu)強(qiáng)度最高，{110}<001>(即Goss)織構(gòu)強(qiáng)度次之，Goss晶粒主要分布在樣品厚度約1/4位置；C=0.0152%脫碳退火樣品的{111}<112>織構(gòu)強(qiáng)度最高，Goss晶粒數(shù)量非常少；C=0.0265%脫碳退火樣品的{112}<110>(即旋轉(zhuǎn)銅型)織構(gòu)強(qiáng)度最高，Goss晶粒在基體厚度方向的分布沒有明顯的規(guī)律 即脫碳退火時(shí)，殘余碳含量過高產(chǎn)生的相變使樣品1/4層和中心層織構(gòu)的類型改變，使部分1/4層Goss晶?；騵111}<112>晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌∠虻木Я?，從而形成了圖10d、e和f的織構(gòu)分布特征

圖10



圖10不同殘余碳含量取向硅鋼脫碳退火樣品的EBSD取向成像圖

Fig.10EBSD oriented images of samples after decarburization annealing for grain oriented silicon steel with different residual carbon content (a) Mapping image of sample with 0.0029% carbon; (b) Mapping image of sample with 0.0152% carbon; (c) Mapping image of sample with 0.0265% carbon; (d) ODF section diagram (φ2=45°) of sample with 0.0029% carbon; (e) ODF section diagram (φ2=45°) of sample with 0.0152% carbon; (f) ODF section diagram (φ2=45°) of sample with 0.0265% carbon; (g) Texture type on ODF section diagram (φ2=45°)

冷軋剪切變形較大的位置在樣品的1/4層附近，易形成位向更準(zhǔn)的Goss晶粒 在其周圍若有大量與Goss晶粒形成大角晶界的{111}<110>及{111}<112>晶粒，則高溫退火時(shí)Goss晶粒容易吞并{111}<110>及{111}<112>晶粒而形成異常長大的二次再結(jié)晶晶粒(圖6a和c)，而C=0.0152%樣品的二次再結(jié)晶晶粒尺寸比C=0.0029%的更大，說明強(qiáng){111}<112>織構(gòu)的初次再結(jié)晶組織有利于形成更完善的二次再結(jié)晶組織[19,20,21]；若Goss晶粒周圍有大量的{112}<110>晶粒，則這些晶粒很難被Goss晶粒吞并，從而使二次再結(jié)晶不完善，在基體中生成較多的細(xì)晶組織(圖6e) 同時(shí)，從圖10a、b和c也可以看出，初次再結(jié)晶組織表層的晶粒比中心層的大，C=0.0265%樣品的表層與中心層的晶粒尺寸差最大；而且C=0.0265%樣品的平均晶粒尺寸最小，與圖4和圖5給出的金相組織一致

3.3 殘余碳含量對二次再結(jié)晶金相組織的影響

在取向硅鋼的高溫退火過程中，溫度升高到400℃時(shí)鋼板表面涂敷的MgO開始釋放出結(jié)晶水，并隨25% H2+75% N2混合氣一起排出爐外 在600℃保溫2 h后結(jié)晶水基本除凈，在600~1200℃為干的25% H2+75% N2混合氣，而水與碳發(fā)生反應(yīng)的最低溫度為680℃[22] 這表明，高溫退火時(shí)鋼板幾乎不發(fā)生脫碳反應(yīng)

在600℃以上高溫退火升溫速率很小為17℃/h，達(dá)到820℃相變開始溫度時(shí)表層至中心層呈梯度增加的碳通過擴(kuò)散已經(jīng)均勻分布在鋼板中 退火溫度高于820℃時(shí)C≤0.0200%的樣品中沒有γ相，不會改變初次再結(jié)晶織構(gòu)分布特征 因此，高溫退火后的樣品二次再結(jié)晶完善(圖6a、b、c、d) 但是C=0.0265%的樣品中脫碳退火時(shí)含量較高的殘余碳已經(jīng)使初次再結(jié)晶織構(gòu)發(fā)生了顯著改變，形成了不利于二次再結(jié)晶的織構(gòu)分布；高溫退火溫度高于820℃后隨著溫度的升高γ相的含量先增后降，退火溫度為1070℃時(shí)γ相的含量達(dá)到最大值(2.8%)，如圖11所示 普通取向硅鋼的二次再結(jié)晶開始和結(jié)束的溫度分別為1000℃和1046℃[23]，則二次再結(jié)晶期間的γ相含量為2.2%~2.6% γ相含量雖然不多，但是對形成二次再結(jié)晶組織不利 同時(shí)，在高溫退火降溫過程中，γ→α轉(zhuǎn)變也使已經(jīng)異常長大的晶粒重新細(xì)化 以上原因的共同作用，使高碳含量樣品最終形成了不完善的二次再結(jié)晶組織(圖6e)

圖11



圖11退火溫度對C=0.0265%樣品中γ相含量的影響

Fig.11Effect of annealing temperature on γ content of sample with 0.0265% carbon

3.4 殘余碳含量對磁性能的影響

從圖7和圖8可看出，隨著脫碳退火樣品殘余碳含量的增大二次晶粒尺寸和磁感B800都先增大后減小，兩者有一定的相關(guān)性 圖4和圖5表明，隨著碳含量的提高，取向硅鋼的初次再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸減小，與二次晶粒尺寸和磁感變化的趨勢不同 這表明，初次再結(jié)晶的晶粒尺寸不是越小越好，而是有一個(gè)最佳值 對應(yīng)這一數(shù)值的樣品殘余碳含量為0.0152%，此時(shí)二次晶粒尺寸最大，磁性能最好；小于這個(gè)最佳值時(shí)二次晶粒尺寸變小，磁性能變差；大于這個(gè)最佳值時(shí)二次晶粒尺寸也變小，甚至二次再結(jié)晶不完善，磁性能也變差

4 結(jié)論

(1) 取向硅鋼在濕氣氛中脫碳退火后表層的初次晶粒尺寸比中心層的大，隨著碳含量的提高初次晶粒的平均尺寸減小，且表層與中心層的晶粒尺寸差增大

(2) 碳含量高于0.0200%的樣品脫碳退火時(shí)發(fā)生的相變使初次再結(jié)晶的{111}<110>或{111}<112>強(qiáng)織構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閧112}<110>強(qiáng)織構(gòu)，且使部分1/4層Goss晶?；騵111}<112>晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌∠蚓Я?，不利于高溫退火時(shí)的二次再結(jié)晶

(3) 隨著脫碳退火樣品殘余碳含量的提高高溫退火樣品的二次晶粒尺寸先增大后減小，磁性能有相似的變化規(guī)律；殘余碳含量高于0.0200%后不利的初次再結(jié)晶組織和織構(gòu)以及高溫退火升溫和降溫時(shí)的相變使二次再結(jié)晶不完善，出現(xiàn)較多的細(xì)晶，使磁性能降低

1 實(shí)驗(yàn)方法 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖1 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖32.2 取向硅鋼的組織 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖5 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖72.3 取向硅鋼的磁性能 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖93.2 殘余碳含量對初次再結(jié)晶織構(gòu)的影響 class="outline_tb" 1005-3093/richHtml_jats1_1/images/img_thumbnail_icon.jpg"/>圖113.4 殘余碳含量對磁性能的影響4 結(jié)論