方位差角分布对电磁钢板磁性能的影响范文
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摘要：本文介绍了日本JFE公司在取向电磁钢板脱碳退火时采用快速加热技术后，经试验发现二次再结晶晶粒与理想的高斯方位相比较，其差值（方位差角）分布起到了特殊的作用，相邻晶粒间，其方位差角不同，将会使晶界静磁能增加，高的静磁能又能降低磁畴宽度，而改善了铁损特性。
关键词：快速加热；方位差角分布；细化晶粒；高磁感
为了降低取向电磁钢板的铁损，人们开发了各种新技术，使铁损大幅度改善，但是节能和环保的要求更趋严格，因此对材料低铁损化的要求也越来越高。要实现该目标，人们开发了比通常加热速度快得多的加热技术，取得了较好的效果，但是快速加热也带来了一系列的问题。无论是感应加热还是直接通电快速加热，其装置都是大型化的设备，工作电流为大电流，均使设备成本和运行成本大幅增加。此外，由于升温的速度过快，加大了钢板内部温度的不均匀性，钢板的板形变差，作业线的通板性也相应变差，沿板宽磁性能分布也不均匀，因此对改善磁性能有一定的局限。于是，日本JFE公司的今村猛等人针对以上问题通过试验并深入研究，认为一次再结晶升温速度不必过高，采取一定措施就可以细化二次再结晶晶粒和磁畴而获得磁性能优良的取向电磁钢板。同时也节约了设备成本和运行成本。
1试验
试验板坯化学成分为（质量分数）：C0．055％，Si3．25％，Mn0．09％，Al0．021％，N0．0082％，Se0．015％，将板坯经1410℃加热后热轧成2．2mm厚的热轧板，再经1000℃×60s的常化处理，接着冷轧至中间厚度1．8mm及1120℃×60s的中间退火，然后二次冷轧至最终板厚0．27mm，冷轧时的时效温度为200℃。将上述冷轧板在50％H2＋50％N2（体积分数）且露点为60℃的保护气氛中，经840℃×80s的脱碳及一次再结晶退火。在脱碳退火的升温阶段中，200℃至700℃升温过程的升温速度分别按20℃／s和120℃／s两种速度进行试验，但是都有一组在450℃时保温4s，如图1所示。由此，共有4种试验条件，其升温速度计算要扣除保温时间，那么升温速度为：（700℃－200℃）／（t1＋t3）自700℃后，按10℃／s的速度升温到脱碳退火的均热温度。脱碳退火后的钢板涂布以MgO为主剂的退火隔离剂并干燥，然后二次再结晶退火，其中纯净化退火气氛为纯氢，工艺为1200℃×7h。其成品按JISC2550记载的方法测定B800和P1．7／50，其结果如图2和图3所示，从中可知磁感B800尽管加热条件不同，但是4种条件几乎相同，而铁损P1．7／50却大不相同，升温速度120℃／s与20℃／s相比，前者铁损改善明显，特别是加热途
2试验讨论
2．1宏观组织观测和分析
将上述4种条件的成品试样在80℃×10％（质量分数）HCl水溶液中浸泡2min，除去镁橄榄石被膜显露出基体的宏观组织以测定二次再结晶晶粒直径，上述二次晶粒由计算机按宏观组织的图像对其处理而确定晶粒边界，再对晶界以最小二乘法描绘成近似的椭圆图形，计算出长轴直径和短轴直径，两者的平均值即为晶粒直径，其中直径为1mm以下的晶粒几乎不存在，可以忽略不计，其测定结果如图4所示。从图4可知，二次再结晶晶粒与升温速度有很大的依存关系。升温速度大，晶粒直径就变小，这是升温速度快铁损低的原因。结合图3和图4可以看出，在升温速度快的情况下，加热途中有无保温，对铁损的差别很大，但对晶粒度却没有太大的差别，因此可以推断：肯定有其他因素在起作用。
2．2用劳厄法测定方位差角
由于脱碳退火的加热途中有无保温对铁损性能影响很大，首先在升温速度120℃／s的情况下，对有无保温两种条件下的成品样品用劳厄法测定二次再结晶晶粒方位。方法是取成品板，其规格为1000mm×1000mm，分别沿长度方向及宽度方向均以30mm间隔划线，其板面内的相交点为1089个，对这1089个点测定晶粒方位。然后将所测定的方位与理想的高斯方位相比较，计算出方位差角，共计1089个数据，再以0．5°的间距绘制出直方图，其结果如图5所示，此图即为方位差角分布图。图5中有2条曲线，一是无保温的，二是有保温的，在无保温条件下，方位差角在4°附近有一个峰值，而有保温的分别在2．5°附近和6°附近各有一个峰值，即存在两个峰值，由此可推测出能降低铁损的原因所在。
2．3降低铁损的原理分析
存在两个以上的方位差角峰值是否能够显著降低铁损，还不十分明了，但是可作如下推测：铁损大小受到二次再结晶晶粒磁畴结构的影响。取向电磁钢板存在着几乎与轧制方向相平行的磁畴结构，称之为180°磁畴，该磁畴的宽度对铁损影响很大，宽度越小，铁损越低。例如有向钢板上机械刻出线状沟槽，这也是细化磁畴的方法之一。由于沟槽的存在，增大了沟槽断面的静磁能，而静磁能增大会使磁畴宽度变窄，从而降低了铁损。如果方位差角不存在，二次再结晶晶粒之间几乎都是以相同方位相邻，那么相邻的两个晶粒的晶界因方位相近而静磁能变得很低，180°磁畴宽度加大，铁损增高。假如方位差角分布存在两个以上的峰值，那么属于方位角不同峰值的两个晶粒相邻，其晶界的静磁能因方位差大而变大，高的静磁能降低了磁畴宽度，从而改善了铁损特性。但是磁畴变窄后，使磁壁量增加了，在从能量收支上看，静磁能减少与畴壁能增加是相平衡的。如果晶粒变小所增加的畴壁量就会相应减少，那么畴壁能增加的量也减少了，并且晶粒越小畴壁宽度也越小。由此分析可知，快速加热途中保温，能使铁损获得较大改善，是因为方位差角分布有2个以上的峰值，也与晶粒变小有关，而两者具有相乘的效果。
3实施例
3．1实施例1
板坯化学成分为（质量分数）：C0．071％，Si3．44％，Mn0．12％，Al0．028％，Se0．015％，Cu0．05％，Sb0．03％，经1400℃加热后热轧成厚度2．2mm的热轧板，再经1020℃×30s的常化处理，接着冷轧至中间厚度1．7mm及1100℃×60s的中间退火，然后二次冷轧至0．27mm最终板厚，冷轧时的时效温度为150℃。将上述冷轧板在50％H2＋50％N2（体积分数）且露点为55℃的保护气氛中，经850℃×80s的脱碳及一次再结晶退火。在脱碳退火的升温阶段中，从200℃至700℃的升温过程按表1所示的要求执行，其升温速度分别在25℃／s至500℃／s内变化，但是都在500℃时保温2s，此外，700℃后以10℃／s升温到均热温度。脱碳退火后的钢板涂布以MgO为主剂的退火隔离剂并干燥，然后二次再结晶退火，其中纯净化退火气氛为纯氢，工艺为1200℃×5h。其成品按JISC2550记载的方法测定B800和P1．7／50。将上述成品试样在80℃×10％HCl（质量分数）水溶液中浸泡2min，除去镁橄榄石被膜显露出基体的宏观组织以测定二次再结晶晶粒直径，上述二次晶粒由计算机按宏观组织的图像对其处理而确定晶粒边界，再对晶界以最小二乘法描绘成近似的椭圆图形，计算出长轴直径和短轴直径，两者的平均值即为晶粒直径，其中直径为1mm以下的晶粒几乎不存在，可以忽略不计。对成品样品用劳厄法测定二次再结晶晶粒方位。方法是取成品板，其规格为1000mm×1000mm，分别沿长度方向及宽度方向均以30mm间隔划线，其板面的相交点为1089个，对这1089个点测定晶粒方位。然后将所测定的方位与理想的高斯方位相比较，计算出方位差角，共计1089个数据，再以0．5°的间距绘制出直方图，判断一下是否有2个以上的方位差角峰值，然后求出第2个方位差角峰值的度数。其结果列于表1，从表1可知：符合本发明条件，即使不是过高的升温速度，也使铁损值下降了。关于快速升温速度只要达到150℃／s就可以了，不必追求过高的加热速度。此外，为了确认成品钢板的成分，要将镁橄榄石被膜去除后再次分析钢的化学成分，其中C0．003％，Si3．44％，Mn0．12％，Cu0．05％，Sb0．03％，除C元素之外其他主要元素都没变化。但是Al和Se检出都低于检测界限，在0．010％以下。
3．2实施例2
按表2列出的各种不同成分的钢坯经1400℃加热后热轧成厚度2．8mm的热轧板，再经1000℃×45s的常化处理，接着冷轧至中间厚度1．5mm及1100℃×45s的中间退火，然后二次冷轧至0．23mm最终板厚，冷轧时的时效温度为220℃。将上述冷轧板在50％H2＋50％N2（体积分数）且露点为61℃的保护气氛中，经850℃×80s的脱碳及一次再结晶退火。在脱碳退火的升温阶段中，从200℃至700℃的升温过程按150℃／s的速度升温，但是都在400℃时保温1．5s，此外700℃后以10℃／s升温到均热温度。脱碳退火后的钢板涂布以MgO为主剂的退火隔离剂并干燥，然后二次再结晶退火，其中纯净化退火气氛为纯氢，工艺为1200℃×10h。其成品按JISC2550记载的方法测定B800和P1．7／50。按例1同样的方法测定二次再结晶的晶粒直径和与高斯方位的方位差角以及绘制方位差角的分布图，如有第二峰值存在，求出其角度。上述结果列于表3。作为参考，要分析去除被膜的试样钢板的化学成分，其结果一并列于表3。从表3中可知，凡是符合本发明条件的均获得低铁损值，并且均有2个方位差角峰值。
4要点归纳
1）快速加热技术是一项重大的技术进步，试验发现的二次再结晶晶粒与理想的高斯方位差角分布起到了特殊的作用，相邻晶粒间，方位差角不同，将会使它们之间晶界的静磁能增加，高的静磁能又能降低磁畴宽度，从而改善铁损特性。
2）在方位差角分布图中，如果有2个以上的峰值存在，第一峰值与第二峰值应在5°以上，才能表明钢板内晶粒之间存在因方位差角不同而增强晶界的静磁能。关于峰值的判断，如果直方图的曲线上对应频度存在连续2个点以上的高峰即可判定为峰值。如果是多点连续的“高原”就不能认作为峰值。
3）二次再结晶晶粒大小应达到15mm以下，是测定200个晶粒后所取的平均值。如果二次晶粒过大，虽然减少了磁畴宽度，但是畴壁的数量也增加了，也难于达到降低铁损的效果。因此二次再结晶晶粒应在15mm以下，最好在12mm以下。
4）关于升温阶段的保温，温度在250℃至600℃之间，即冷轧组织回复的开始时至尚未发生再结晶的温度区间内，保温时间为1～10s，保温温度允许有15℃的波动。
5）如果按以上要求实施快速加热技术，那么加热速度达到150℃／s就可以了，不必追求更高的加热速度，由此将大大降低设备成本以及运行成本。
作者：今村猛 新垣 之啓 末廣 龍一 高宮俊人