高硅电工钢超薄带冷轧过程中的织构演变

第38卷第5期2017年5月东北大学学报（自然科学版）Journal of Northeastern University(Natural Science)V o l.38 ,N o.5M a y20 17doi：10. 3969/j.issn. 1005 -3026. 2017.05.008高硅电工钢超薄带冷轧过程中的织构演变柳金龙，沙玉辉，邵光帅，左良(东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，辽宁沈阳110819)摘要：采用轧制工艺制备了0. 10mm厚的6.5% S i髙硅电工钢超薄带，并用X射线衍射技术对冷轧过 程中的形变织构演变规律进行了研究，进而提出了分别有利于A (< 100 >//N D，N D为轧面法线方向）和n( <100 >//R D，R D为轧向）再结晶织构优化的形变织构控制方法.研究表明，50% ~70%压下率有利于n再 结晶织构优化，易于促进S =0. 5层强n再结晶织构的形成.小于30%压下率和91% ~ 97%压下率均有利于A 再结晶织构优化，其中30%的压下率更适合于二次冷轧法制备髙硅钢超薄带时A再结晶织构控制.关键词：F e-6.5% Si;髙硅钢;薄带;冷轧;织构中图分类号：TG 132. 271 文献标志码： A 文章编号：1005 -3026(2017)05 -0645 -06Texture Evolution of High Silicon Steel Ultra-thin Sheets During Cold RollingLIU Jin-long, SHA Yu-hui, SHAO Guang-shuai, ZOU Liang(Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials，Ministry of Education，Northeastern University，Shenyang 110819，China. Corresponding author：SHA Yu-hui，professor，E-mail：yhsha@ mail. neu. edu. cn)Abstract：H i g h silicon electrical steel ultra-thin sheets of0. 10 m m thick，containing about6.5% S i，were prepared b y rolling m e t h o d.T h e evolution of deformation texture during cold rolling w a s studied using X-ray diffraction.T h e n the methods of controlling deformation texture were proposed in favor of the A( < 100 > //N D，normal direction)and n( < 100 > //R D，rolling direction)recrystallization texture，respectively.T h e rolling reduction between50%and70%is easy to promote the formation of the n recrystallization texture at the layer of S=0•5. W h i l e，the rolling reductions of either less than 30% or 91% 〜97% are in favor of A recrystallization texture，in which the former reduction is m o r e suitable to control the A recrystallization texture w h e n using a two-stage cold rolling m e t h o d to prepare high silicon steel ultra-thin sheets.Key words：F e-6.5%Si；high silicon steel；thin sheets；cold rolling；texture厚0. 10 m m的高硅钢超薄带(6. 5%Si)具有 高磁导率、极低铁损和低噪音等优异的软磁性能, 是高频电机和变压器的理想铁芯材料[1-2].高硅 钢超薄带的磁性能对再结晶织构十分敏感，但由 于其高硬脆性，长期以来对高硅钢的研究主要集 中在如何改善加工成形问题上[3]，关于高硅钢织 构的优化控制进展较小.R o s- Y a n z e等[4]研究表 明，采用热轧、冷轧和退火方法制备的高硅钢薄板 中易形成以{111} <110 >为峰值的Y( <111 >// N D，N D为轧面法线方向）再结晶织构.林均品等[5]轧制的高硅钢薄板，在退火后形成了强Y再 结晶织构.刘璐等[6]研究表明，不同轧制工艺下 二次轧制法制备的高硅钢薄带中再结晶织构均由 Y和n织构组成，且先70%后50%的二次轧制法 可增强n、降低y织构.不同使用环境对高硅钢超薄带的织构特征提 出了不同的要求.高频电机中的铁芯处于旋转状 态,A再结晶织构是最理想的织构状态，髙频变压 器中的铁芯处于静止状态,n织构是最理想的织 构状态.Y再结晶织构是对磁性最不利的织构组收稿日期：2015-12-10基金项目：国家高技术研究发展计划项目（2012A A03A505);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（N141004002).作者简介：柳金龙（1979 -),男，山西大同人，东北大学讲师,博士；沙玉辉（1969 -),男，辽宁岫岩人，东北大学教授,博士生导师;左良（1963 -),男，安徽怀宁人,东北大学教授，博士生导师.646东北大学学报（自然科学版)第38卷分.再结晶过程中,A,n和Y晶核的形成位置各不 相同:n晶核的形成位置在11111 <112 >形变基 体的剪切带上[2],A晶核的形成位置为A形变基 体和{114} <481 >和{1131 <361 >形变基体的 形变带或晶界附近m,Y晶核的形成位置是Y形 变基体的晶界或晶内.因此,明确冷轧过程中织构 演变规律，阐明需保留的有利形变织构组态，对高 硅钢超薄带再结晶织构优化具有重要意义.本文 采用轧制法制造厚0. 1m m的高硅钢超薄带，并 通过分析冷轧过程的织构演变，探索分别有利于 A和n再结晶织构优化的形变织构控制方法.1实验材料和实验方法以工业纯铁（99.9% )和工业硅（98.8% )为原 料，使用真空感应炉熔炼高硅钢铸锭，并锻造成厚 40 m m的板坯，锻坯经1 200 °C加热后连轧至3.5 m m,热轧板成分见表1.热轧板先进行1050 °C x 10 m i n常化和酸洗，随后分别冷轧到2.45,1.75 , 1.05 ,0.30和0. 10 m m,对应冷轧压下率为30% , 50% ,70% ,91% ,97% .其中，从3.5 〜0.30 m m的冷轧采用常规轧制方法在200 C下进行，见图 1a.0.30〜0. 10 m m的冷轧采用叠轧方法在室温 下进行，即将两块0.30 m m的薄板叠在一起构成 0.60 m m的薄板，轧到0.20 m m时再将两块薄板 分开,获得厚0. 10 m m薄带，见图1b.通过光学显微镜沿纵截面观察冷轧组织，采用 X射线衍射技术和取向分布函数(O D F)方法测试和 计算热轧和冷轧板不同厚度层的织构特征.为准确表示不同厚度层位置，定义参数^ =2a/d,其中a 为5=0层的距离,d为整个板厚.厚度为0.30〜3.5 m m板带的测试位置如图1a中虚线所示，厚度 为0. 10 m m薄带的测试位置如图1b中虚线所示.表1高硅钢的化学成分（质量分数）Table 1Chemical composition of high silicon steel( mass fraction)% Si C S Mn P6. 530.0090.0140.0520.017Fig. 1Schematic diagram of cold rolling for high silicon steel(a)—常规轧制；（b)—叠轧.2结果与讨论高硅钢热轧板不同厚度层织构特征见图2.热轧板S= 0.75层形成了以G o s s ({ 110 1 <001 >)组分为主的强剪切织构,5=0层形成了 以平面应变织构{0011 < 110 >为峰值的强a织 构.热变形过程中轧辊与热轧板表面存在强摩擦 力，越靠近热轧板表面剪切应变织构越强，靠近 5=0层则平面应变织构越强.5 =0.5层为过渡 层，兼具5 =0. 75和0层的织构特征.-----5=0.75 5=0.50 水平:2,3,4 …5=0图2高硅钢热轧板不同厚度层的0D F恒9截面图Fig. 2 Constant 9sections of the ODF at different layers of hot bands in high silicon steels.常化后热轧板完全再结晶，平均晶粒尺寸约 170 p m,常化与热轧的织构特征相似，但强度显 著减弱.图3给出了 0. 10 m m高硅钢超薄带轧制 过程中不同压下率时的形变组织.在30%的压下 率时,冷轧组织中出现了明显的形变孪晶.Xie 等[3,8]研究了高硅钢在400 C下压缩变形时的孪 晶现象和形成机制，发现高硅钢压缩变形初期的 变形机制为滑移,没有形变孪晶形成;压缩变形量 为5.8%时，可观察到少量孪晶；压缩变形量为 10.8%〜26. 8%时,孪晶大量出现.随塑性变形增第5期柳金龙等：高硅电工钢超薄带冷轧过程中的织构演变647大滑移受阻，在5. 8% ~26. 8%范围内孪晶逐渐演 变为主导的变形机制.同时，孪晶机制又协调了高 硅钢晶粒的晶体学取向，促进滑移继续进行.高硅 钢变形时孪晶的形成与晶粒尺寸、晶粒取向和有 序相（B 2和D 03相）密切相关，故图3a 中孪晶呈 显著的不均匀分布.在50% ~70%压下率时，冷乳组织中出现了 大量的剪切带.剪切带是因不均匀变形而形成的 与乳面成20° ~40°角、厚度为1 ~ 10 p m 的集中 变形区域.随压下率的增加部分剪切带消失，故与 50%〜70%压下率相比，大于91%压下率时剪切 带数量明显减少.图4为0. 10 mm高硅钢超薄带乳制过程中不同压下率时^ =0.5层的织构特征.由图可知： 30%压下率时主要织构组分为A ，n 和{114} <481 > ~ {113} <361 > 织构；在 50% ~ 70% 范 围内，形成以{111} <112 >为峰值的y 织构和较 弱的a 织构;从70%增大到91%时，y 织构整体增强，Y 织构的峰值由{111} <112 >旋转到了 {111} <110> 位置，a 织构中的{112} <110>和 {001} <110 >组分都显著增强，整体上，a 与y 织 构强度相近;从91%增大到97%的过程中，基本 保持了 91%的织构特征.■166 |Jim■166表面.表面NDRD166 L L m表藤图3高硅钢超薄带冷轧过程中不同压下率时的形变组织Fig. 3 Microstructures of high silicon steel ultra-thin sheets after deformation with different cold rolling reduction(a )—30% ； (b )—50% ； (c )—70% ； (d )—91 % ； (e )—97% .------—0水平:2,3々--图4高硅钢超薄带轧制过程中不同压下率时S = 0. 5层的ODF 恒9截面图Fig. 4 Constant 9 sections of the ODF at the layer of S = 0. 5 in high silicon steel ultra-thin sheets with differentcold rolling reductions(a )—30% ； (b )—50% ； (c )—70% ； (d )—91 % ； (e)—97% .648东北大学学报（自然科学版)第38卷图5为0. 10 mm高硅钢超薄带轧制过程中 不同压下率时^ =0层的织构特征.由图可知： 30%压下率时形成了较强的{111} <112 >, {001} <110> ,{113| <110>和{114| <481 > ~{113} < 361 >织构；从30%增大到50%时, {001} <110 > ,{113} <110 >和{ 114} <481 > ~ {113} < 361 > 织构均向{ 112} < 110 > 汇聚, {111} <112 >向{ 111} <110 >旋转，达到50% 时 形成了较均匀的和A织构以及较弱的{114 }<481 > ~ {113} <361 > 织构；从 50% 增大到 70% 时，{111} <110 >和{ 112} <110 >持续增 强;在70%〜97%的范围内，均形成了以{ 111 } < 110 >为峰值的强Y 织构以及以{ 112 } < 110 >和{001 }< 110 >为峰值的强a 织构，且随压下率 增大，{112 }< 110 >组分持续增强.总体上,高硅钢超薄带轧制过程中的形变织 构演变规律与普通无取向硅钢冷轧织构特征相 似.随压下率增大，A 和n 织构减弱，{111} <112>织构先增强后减弱，{ 111 } < 110 > , {112} <110 >和{001} < 110 >组分增强.而且, 沿板厚方向形成了明显的织构梯度，随^值减小, 含剪切织构特征的{ 111 }< 112 >组分减弱，以 {111} <110>,{112} <110>和{001} <110>为 代表的平面应变织构增强.图6给出了 5=0.5和0层在不同压下率时 {111} <112>,{111} <110>,{112} <110>和图5高硅钢超薄带轧制过程中不同压下率时S =0层的ODF 恒9截面图Fig. 5 Constant ^ sections of the ODF at the layer of S = 0 in high silicon steel ultra-thin sheets with different coldrolling reductions(a )—30% ; (b )—50% ; (c )—70% ; (d )—91% ; (e )—97% .图6高硅钢超薄带冷轧过程中不同压下率时的主要织构组分取向密度Fig. 6 Orientation densities of the primary texture components in high silicon-steel ultra-thin sheetswith different cold rollingreductions第5期柳金龙等：高硅电工钢超薄带冷轧过程中的织构演变649丨001丨<110 >4种主要织构组分的取向密度特征.B C C金属冷轧时晶粒取向演变主要有如下两 种途径[9]:(A){110} < 001 > ^ { 111 }< 112 > ^丨111} <110>— {223} <110> ,(B){001} < 100 > — {001} < 110 > —{112} <110 >— {223} <110 >.由于{111} <110>和{112} <110>织构十分接近最终稳定取向{223} < 110 >,故图6中5=0.5 和 0 层的{111} <110>和{112} <110>织构均随压下率增大而逐渐增强.{001} <110 >织构是亚稳取向，随压下率增大先增强后减弱，当压下率为50%时，在5 = 0.5和0层均出现峰值.{111} <112 >在S =0层随压下率增大缓慢增强，当压下率为50°%时，在5 =0.5层中出现峰值，这是由于{111} <112 >织构位于欧拉空间中平面应变织构和剪切应变织构交汇的位置,5 =0.5层的较高剪切应变促进了 {111} <112 >组分 的发展.根据上述冷轧过程中形变织构的演变规律,下面分别针对a和n再结晶织构的优化控制，讨 论冷轧过程中需要保留的形变织构特征.n再结晶晶粒的主要形核位置在{111} <112 >形变基体的剪切带上.30%压下率时:从5 =0. 5层到5 = 0层均未形成强{111} <112 >织构,且由图3可知，在30%变形时剪切带很少形 成，故30%以下的变形量不利于n再结晶织构的 形成.压下率在50%〜70%之间：在5 = 0.5层形 成了强{111} <112 >织构,且由图3可知此时也 形成了大量的剪切带,故高硅钢退火薄板的5 = 0.5层易形成强n再结晶织构;在5 = 0层,50% 压下率时{111} < 110 >的织构强度与{111} <112 >相似，达到70%时{111} < 110 >织构明 显强于{111} <112 >,且5=0层形成剪切带困 难，故高硅钢薄带的中心层形成强n再结晶织构 较难.由于剪切应变会同时增强剪切带的强度和 {111} <112 >织构的强度,所以后续的研究工作 可考虑采用非对称轧制或增大常化板5 = 0层晶 粒尺寸等方法，增强5 = 0层的剪切应变,从而达 到优化5 =0层n织构的目的.A再结晶晶粒的主要形核位置为A形变基体 和{114} <481 > ~ {113} < 361 > 形变基体.30% 压下率时:在5 =0. 5层形成了较强的A形变织 构,A形变织构不是稳定的汇聚取向，故此时较强 的A形变织构主要遗传自热轧织构;在5 = 0层 形成了较强的Y织构，但也存在与Y织构强度相近的 A,a和{114} <481 > ~ {113} <361 >织构. 总体上,30%压下率的形变织构特征有利于再结 晶时A织构的形成,考虑到30%压下率的减薄效 果有限，故该变形量更适合于二次冷轧法制备高 硅钢超薄带的A再结晶织构控制.压下率在50%〜70%之间:从5 = 0.5层到5 =0层，织构特 征均为强Y,不利于A再结晶织构的形成.压下率 在91%〜97%之间：从5 =0.5层到5=0层，都 形成了强Y和强a织构的特征;强7形变织构不 利于A再结晶织构的形成,但对强a织构是有利 的.Q u a d i r等[|0]在研究大变形冷轧I F钢中a形 变基体的再结晶现象时发现，压下率超过85% 时,a形变晶粒会发生取向分裂，形成较多的形变 带,易形成{001} <210 > ,{114} <481 > ~ {113} <361 >等有利于A晶粒形核的形变基体，而且 伴随取向分裂存在的较大形变储能，也为{001} <210 >和{114} <481 > ~ {113} <361 > 等低 储能形变基体的形核创造了条件.因此，在大变形 下形成{001} <110 > ~ {112} <110 >织构有利 于A再结晶织构的优化.3结 论1)本研究利用轧制法成功制备了厚度0.10 m m的高硅钢超薄带,并通过分析变形过程 中的织构演变规律，提出了分别有利于A和n再 结晶织构优化的形变织构控制方法.2) 50%〜70%压下率有利于n再结晶织构 优化，易于促进再结晶过程中5 = 0.5层强n再结 晶织构的形成.小于30%压下率和91%〜97%压 下率均有利于A再结晶织构优化.30%的压下率 更适合于二次冷轧法制备高硅钢超薄带时A再 结晶织构控制.91%〜97%的大变形则可促进 {001} <210>和{114} <481 > ~ {113} <361 > 等有利形变基体的形成，并为这些低储能形变基 体的形核创造条件.参考文献：[1] Ruiz D,Ros-Yanez T, Vandenbossche L, et al. 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