探究高强度无取向电工钢

1.1热轧板、常化板的组织及分析

热轧过程是一个非常复杂的过程，金属热塑性加工时，其内部主要发生两种微观过程。其一是以位错运动为主的塑性变形，并伴随着金属基体缺陷密度的升高；其二是以回复、形核和晶粒长大为主的动态再结晶，并伴随着金属基体缺陷密度的下降。二者在变形过程中同时或交替出现，使实际发生的微观过程很复杂[10]。此外，由于轧件终轧后的温度较高，随后空冷时要发生静态回复和再结晶及晶粒长大的过程[11]。图2(a)为热轧板TD-ND截面组织。热轧过程中，一方面，轧件与轧辊间较大的摩擦力使轧件表面受到的约束多、应力应变状态复杂、积累的储能高。另一方面，轧件表层温度低于中心温度，表层储能升高的速度较快，而动态回复速度慢、能量消耗速度低。所以热轧板表层有足够多的储能做为驱动力来发生再结晶，从而形成细小的再结晶晶粒组织。由表及里，可用于再结晶的储能整体上呈下降趋势，以致形核速率和晶粒长大速率都相对降低，而形核速率与晶粒长大速率相比降低的更多一些，最终表现为热轧板再结晶区域的晶粒直径由表及里呈变大趋势。热轧板中心区附近，则由于回复和再结晶缓慢，铸坯中尺寸很大的{100}柱状晶不能彻底破碎，而形成粗大的形变晶粒。常化处理可使热轧板组织更均匀，使再结晶晶粒增多，防止瓦垅状缺陷。同时使晶粒和析出物粗化，加强{100}和{110}组分以及减弱{111}组分，磁性明显提高，特别是B50值。热轧板经950℃×5min常化后的组织如图2(b)所示。常化过程中，板厚中心附近的粗大未再结晶形变晶粒都发生了再结晶和晶粒的正常长大。

1.2退火板的组织及分析

不同退火工艺对应的试样的平均晶粒直径见表2，其金相组织如图3所示。700℃×4min的退火处理不足以使冷轧板发生再结晶，退火板为未再结晶的回复组织。经不小于800℃退火后，退火板为完全再结晶组织。再结晶和晶粒长大过程是热激活过程，与温度的高低密切相关，随温度的升高再结晶和晶粒长大过程的速度加快，所以，平均晶粒直径随退火温度的升高而变大。

2退火后成品板的性能及分析

2.1不同退火制度下的成品性能

高强度无取向电工钢需要具有高的屈服强度和抗拉强度来防止转子因高速旋转或应力集中而导致的变形或疲劳断裂。而高的拉伸试验断后伸长率则可以保证其具有较好的冲片性，即不致于因脆性变大而使冲片性变差。对于铁损，传统无取向电工钢一般只重视低频铁损P15/50，但使用高强度无取向电工钢的电机的转速往往很高，在高转速下电机的励磁频率很高，所以对于高强度无取向电工钢还应重视高频铁损。目前常用P10/400、P10/800和P10/1000来作为衡量高频铁损的指标。对于磁感，高的磁感可以提升电机的转矩并降低电机的铜损。因此检测了成品板的Rp0.2、Rm、A、P15/50、P10/400、P10/800、P10/1000和B50值。各退火工艺对应的成品性能（轧性能向）见表3。新日铁住金0.5mm厚的高强度无取向电工钢的典型性能[12]见表4。本试验开发的1#试样的组织完全为未再结晶的回复组织，故强度的提升主要靠固溶强化和位错强化，其与新日铁住金50HXT780T相比，强度更高，铁损水平稍差，B50水平较低。本试验开发的2#、3#、4#试样的组织为完全再结晶组织，强度的提升主要靠固溶强化和细晶强化，其中2#的平均晶粒直径最小（12.37μm），力学性能优于3#和4#试样，但2#试样与新日铁住金50HXT590T相比，强度较低、磁性能水平较高。据此推测，通过调整退火工艺参数，采用一个退火效果介于1#（700℃×4min）和2#（800℃×4min）的退火制度，有望开发出性能水平与新日铁住金同类产品相近的高强度无取向电工钢。

2.2成品板力学性能与平均晶粒直径的关系

成品板的强度和拉伸试验断后伸长率与平均晶粒直径的关系如图4所示。由图4(a)可见，屈服强度和抗拉强度随平均晶粒直径的减小而变大，而且随着平均晶粒直径的减小，强度上升的速率呈变大的趋势，这一关系理论上应服从Hall-Petch公式。图4(a)中的散点为试验结果的数据点，两条曲线为按Hall-Petch公式拟合后的结果。拟合关系式及相关的拟合参数见表5。图4(b)及文后的图中，以平均晶粒直径为0代表成品板组织为未再结晶的回复组织。由图4(b)可见，随着平均晶粒直径的减小，断后伸长率逐渐变大，这验证了细晶强化可以同时提高钢的强度和韧性。当成品板组织完全为未再结晶的回复组织时，钢的强度大幅提升，但断后伸长率显著降低，即韧性变差。

2.3成品板磁性能与平均晶粒直径的关系

成品板的铁损和磁感与平均晶粒直径的关系如图5所示。铁损由涡流损耗和磁滞损耗两部分组成，随着晶粒直径的增大，涡流损耗变大，而磁滞损耗变小。如图5(a)、图5(b)所示，P15/50和P10/400随着平均晶粒直径的增大而单调减小，说明该试验成分的电工钢在以50Hz的频率磁化到1.5T或以400Hz的频率磁化到1.0T的过程中，平均晶粒直径小于59.67μm时，随着晶粒直径的增加，磁滞损耗的减小量要大于涡流损耗的增大量。那么，分别使P15/50和P10/400最低的平均晶粒直径都大于59.67μm。如图5(c)、图5(d)所示，P10/800和P10/1000随着平均晶粒直径的增大呈现先减小后稍增大的规律，其最小时对应的平均晶粒直径处于12.37~59.67μm的尺寸区间。这是因为励磁频率越大，涡流损耗在总损耗中占的比重就越大，磁化过程中，随着晶粒直径的变大，在12.37~59.67μm的某个晶粒直径下涡流损耗的增大量开始大于磁滞损耗的减小量。这与M.F.DeCampos等提出的模型[13]，即铁损最小对应的合适晶粒尺寸随电工钢使用频率的增高而减小相一致。另外，当成品板组织完全为未再结晶的回复组织时，基体位错密度高、内应力大，使畴壁移动速度减慢，材料不容易磁化，磁滞损耗变大，铁损也显著变大。对于磁感，如图5(e)所示，当成品组织完全为再结晶组织时，随着平均晶粒直径的减小磁感变高；当成品组织为未再结晶的回复组织时，因材料磁化困难，磁感产生较大的劣化。

3结论

1）实验室模拟TSCR流程并采用固溶强化、细晶强化和位错强化方法试开发高强度无取向电工钢，主要合金元素含量为3%Si、0.83%Al、2.99%Mn。当成品平均晶粒直径为12.37μm时，Rp0.2为530MPa，Rm为618MPa，P15/50为4.694W/kg，P10/400为37.07W/kg，P10/800为106.3W/kg，BB50为1.671T。当经700℃×4min退火后，成品板全部为未再结晶的回复组织时，Rp0.2为853.5MPa，Rm为895.5MPa，P15/50为9.659W/kg，P10/400为57.56W/kg，P10/800为145.8W/kg，B50B为1.538T。