高硅钢二次冷轧薄带再结晶结构研究

摘要

含6.5wt.％Si的高硅钢具有高电阻率、低磁晶各向异性以及接近零的磁致伸缩系数，因而具有低铁损和低噪音的优势，是制备电机和变压器铁芯的理想材料，同时也是电力电子领域实现节能减排的关键材料之一。成形和织构控制是获得优质高硅钢的两个核心问题，由于高硅钢具有高室温脆性，采用传统轧制法难以制备，因此在很长一段时间内关于高硅钢的研究侧重于制备方法。近些年来，国内科研单位对高硅钢轧制成形取得突破，基于轧制法制备的高硅钢薄带织构控制逐渐成为研究热点。 由于具有较高的流变应力，故采用二次冷轧法是制备高硅钢薄带的必要工艺过程。增强有利的η（<001>//RD，RD为轧向）再结晶织构、减弱不利的γ(<111>//ND，ND为轧面法向)再结晶织构是硅钢织构控制的核心问题之一。然而，γ再结晶晶粒往往具有形核数量和尺寸优势，因此在初次再结晶晶粒长大过程中难以获得强η织构。初始晶粒尺寸和冷轧压下率是改善η初次再结晶织构的重要参数，其对于高硅钢薄带η初次再结晶织构在晶粒长大过程中的影响机理还缺乏系统研究。另一方面，通过二次再结晶获得Goss({110}<001>)和Cube({100}<001>)织构能够显著提升高硅钢薄带磁性能，但二次再结晶对于合金成分、晶粒尺寸分布、晶界特征等因素非常敏感。迄今为止，高硅钢薄带中二次再结晶织构的形成机制还缺乏研究。 本研究采用二次冷轧法制备0.10～0.30mm规格的高硅钢薄带，并利用X-射线衍射和EBSD技术研究了高硅钢薄带η初次再结晶织构的强化机制以及Goss和Cube二次再结晶织构的形成机制。 中间晶粒尺寸（一次冷轧和二次冷轧之间进行中间退火获得的晶粒尺寸，是二次冷轧的初始晶粒尺寸）对高硅钢薄带η初次再结晶织构影响显著。中间晶粒尺寸从40μm增大至120μm，最终高温退火后η再结晶织构增强而γ再结晶织构显著减弱。中间晶粒尺寸能够有效地调控冷轧微结构中剪切带和晶界这两种高储能区域的比例，使得初次再结晶完成时η再结晶晶粒能够获得数量和尺寸优势，从而在较高温退火后发展成为强势织构。 二次冷轧压下率也对高硅钢薄带η初次再结晶织构有明显影响。在60％～80％范围内增大二次冷轧压下率均能获得有利的强η再结晶织构，而过高的二次冷轧压下率增强不利的γ再结晶织构。二次冷轧压下率通过改变形变晶粒的晶界间距以及剪切带数量和强度来影响η再结晶织构。二次冷轧压下率增大的同时，相应地增大中间晶粒尺寸可能有利于进一步改善再结晶织构。 以NbC作为抑制剂的高硅钢薄带在最终成品退火过程中Goss晶粒发生了二次再结晶。初次再结晶基体中Goss晶粒所占分数很小，在基体晶粒被强烈钉扎的情况下，具有尺寸优势的Goss晶粒能够借助高能晶界实现异常长大，即本研究中Goss晶粒异常长大为高能晶界机制。 高硅钢薄带冷轧后形成强λ(<001>//ND)、γ和α（<110>//RD）织构的情况下，初次再结晶退火形成了峰值位于{210}<001>的η、峰值位于Cube的λ以及γ再结晶织构。Cube初次再结晶织构的形成是定向形核与定向长大共同起作用的结果。通过晶体塑性有限元(CPFEM)计算，解析了{111}<112>～<110>、{112}<110>基体中剪切带的取向以及初始λ取向在变形过程中的取向流动，提出冷轧基体的取向分布与η和λ初次再结晶织构特征的关系。初次再结晶基体中存在一些相近取向晶粒大量聚集的区域，而Cube晶粒在这些取向集中区域具有更高比例的高能晶界，从而诱发Cube晶粒的二次再结晶。 鉴于本论文采用的高硅钢薄带制备流程与传统硅钢板带工业制造流程接近，故提出的改善初次再结晶织构以及获得二次再结晶织构的机理，可为高硅钢再结晶织构控制与工业化制备奠定理论和技术基础。

目录

声明

摘要

1．1 高硅钢简介

1．2 高硅钢薄带的制备技术

1．2．1 快速凝固法

1．2．2 CVD渗硅法

1．2．3 喷射成形法

1．2．4 直接轧制法

1．3 硅钢的形变与再结晶织构

1．3．1 硅钢的形变织构

1．3．2 硅钢的初次再结晶织构

1．3．3 初次再结晶织构形成机理

1．4 轧制工艺参数对硅钢初次再结晶织构的影响

1．4．1 初始晶粒尺寸对硅钢初次再结晶织构的影响

1．4．2 冷轧压下率对硅钢初次再结晶织构的影响

1．5 硅钢的二次再结晶

1．5．1 CSL晶界理论

1．5．2 HE晶界理论

1．6 高硅钢的初次与二次再结晶织构

1．6．1 高硅钢的初次再结晶织构

1．6．2 高硅钢的二次再结晶织构

1．7 研究目的和主要内容

第二章 技术路线与研究方法

2．1 高硅钢薄带的研制流程与技术路线

2．2 高硅钢薄带的合金成分与制备过程

2．2．1 高硅钢薄带的合金成分

2．2．2 高硅钢薄带的制备过程

2．3 高硅钢薄带的制备与分析测试方法

2．3．1 高硅钢薄带制备与检测设备

2．3．2 高硅钢薄带的分析测试方法

第三章 高硅钢薄带初次再结晶η织构强化：中间晶粒尺寸的影响

3．1 引言

3．2 材料与实验方法

3．3 热轧和常化板的组织与织构

3．4 一次冷轧和中间退火板的组织与织构

3．5 中间晶粒尺寸对二次冷轧组织与织构的影响

3．6 中间晶粒尺寸对再结晶组织与织构的影响

3．6．1 初次再结晶组织与织构

3．6．2 高温退火组织与织构

3．6．3 中间晶粒尺寸对磁性能的影响

3．7 讨论

3．7．1 中间晶粒尺寸对初次再结晶形核的影响

3．7．2 中间晶粒尺寸对初次再结晶织构的影响机制

3．8 本章小结

第四章 高硅钢薄带初次再结晶η织构强化：二次冷轧压下率的影响

4．1 引言

4．2 材料与实验方法

4．3 一次冷轧和中间退火板的组织与织构

4．4 二次冷轧压下率对冷轧组织与织构的影响

4．5 二次冷轧压下率对再结晶组织与织构的影响

4．5．1 初次再结晶组织与织构

4．5．2 高温退火组织与织构

4．5．3 二次冷轧压下率对磁性能的影响

4．6 升温过程中再结晶织构的演变

4．6．1 升温温度对织构的影响

4．6．2 升温温度对磁性能的影响

4．7 讨论

4．7．1 二次冷轧压下率对初次再结晶形核的影响

4．7．2 二次冷轧压下率对初次再结晶织构的影响机制

4．8 本章小结

第五章 高硅钢薄带Goss二次再结晶织构的形成机制

5．1 引言

5．2 材料与实验方法

5．3 热轧组织与织构

5．4 冷轧过程中的组织与织构的演变

5．4．1 一次冷轧织构

5．4．2 中间退火组织与织构

5．4．3 二次冷轧组织与织构

5．5 高温退火过程中组织与织构的演变

5．5．1 脱碳退火组织与织构

5．5．2 高温退火组织与织构

5．5．3 高温退火组织EBSD分析

5．5．4 磁性能

5．6 讨论

5．6．1 Goss再结晶晶粒的异常长大机制

5．6．2 析出相分析

5．6．3 岛状晶粒形成原因

5．7 本章小结

第六章 高硅钢薄带Cube二次再结晶织构的形成机制

6．1 引言

6．2 材料与实验方法

6．3 热轧和常化板的组织与织构

6．4 冷轧组织与织构

6．5 高温退火过程中组织与织构的演变

6．5．1 脱碳退火组织与织构

6．5．2 高温退火组织与织构

6．5．3 高温退火组织EBSD分析

6．6 讨论

6．6．1 初次再结晶织构的形成机制

6．6．2 初次再结晶织构与冷轧基体的关系

6．6．3 Cube再结晶晶粒的异常长大机制

6．7 本章小结

第七章 结论

参考文献

博士期间发表和待发表的论文及专利

致谢