含稀土取向硅钢高温铁素体区的再结晶及抑制剂析出行为

胡 帅，金自力，2，3，吴忠旺，2，李 涛，李 玮，2，3，胡雨晴，2，3，白 金

(1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古自治区新金属材料重点实验室，内蒙古 包头 014010；3. 白云鄂博共伴生矿资源高效综合利用省部共建协同创新中心，内蒙古 包头 014010；4. 内蒙古包钢稀土钢板材有限责任公司,内蒙古 包头 014010)

取向硅钢是制造特高压交/直流变压器、高效节能配电变压器、换流阀饱和电抗器等电力装备的核心材料，其成分控制严格，工艺流程复杂，性能影响因素较多，可用于衡量一个国家钢铁行业的水平，被誉为钢铁行业“皇冠上的明珠”[1]。取向硅钢要想获得高磁感和低铁损需具备锋锐的高斯织构和合适的晶粒尺寸。大量高斯织构的获得需要在热轧、常化以及退火等过程中进行精准的控制，同时添加抑制剂来阻碍初次结晶的晶粒长大以及促进二次再结晶的发生。目前，大多研究集中在取向硅钢常化与退火时抑制剂的析出变化[2-7]，但对热轧过程中抑制剂析出的研究并没有引起足够的重视。汪勇[8]、严彬等[9]发现，含Nb取向硅钢的热轧板中抑制剂主要有MnS、以MnS为核心的复合析出相和单独的Nb(C, N)，铌含量0.050%的硅钢热轧板中，析出相的面积密度较大，平均晶粒尺寸较小。同时Fe-3%Si取向硅钢中MnS粒子主要在位错线上析出，位错密度的增加对抑制剂析出的密度有很大影响[10]。本文在成分设计上充分考虑以白云鄂博矿为主冶炼生产的钢材中残留稀土的冶金特点，模拟残留在白云鄂博矿中的稀土含量进行试验，通过研究添加稀土的试验取向硅钢，在高温铁素体区热轧后保温不同时间的组织变化，析出相类型、分布，以及析出相体积分数，分析稀土对取向硅钢在铁素体区变形后抑制剂析出的影响。

图1 不同道次间隔时间下试验钢的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of the tested steel under different pass intervals(a) 10 s; (b) 20 s; (c) 30 s

1 试验材料与方法

试验用取向硅钢采用25 kg真空冶炼炉进行冶炼，化学成分见表1，冶炼后锻造成40 mm厚的钢坯。利用淬火热膨胀仪测定出试验钢由两相区转变为铁素体区的温度为1140.3 ℃，将试验钢切割为φ8 mm×15 mm的试样，利用Gleeble 1500D热模拟机在1200 ℃进行双道次压缩，压下量为30%，应变速率为0.1 s-1，两道次间隔时间分别为10、20和30 s，绘制出应力-应变曲线。将试验钢在1280 ℃保温0.5 h，使其抑制剂固溶，空冷至1200 ℃后，采用型号φ300 mm×450 mm二辊可逆式轧机进行一道次轧制，压下量为30%，利用公式(1)[11]计算变形渗透：

(1)

式中：S为变形渗透值；R为轧辊半径；H为试样变形前厚度；h为试样变形后厚度。

表1 试验钢的化学成分(质量分数，%)

计算得到变形渗透值S为1.248，大于1，表明热轧后试样中心变形量略大于表面的变形量。轧制结束后试样直接水冷以及在1200 ℃马弗炉中保温50、150及300 s后水冷。

将试样沿厚度方向从中间切割开，观察热轧样试从边部到中心的宏观组织，采用双A电解液电解后使用扫描电镜(SEM)观察析出相的分布和尺寸，同时统计析出相的体积分数。将试样用砂纸磨至30 μm以下后进行离子减薄，采用透射电镜观察第二相粒子的析出位置。通过电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定取向硅钢热轧过程中抑制剂的析出量。首先将试验钢切割成70 mm×25 mm×2.5 mm试样，将表面磨至光滑，称量。用绝缘胶带将其四周包裹起来测量裸漏面积，计算电流，电解后计算质量损失。将表面的析出相震荡到酒精中，经过抽滤后将收集到的析出相用王水(1/4 HNO3+3/4 HCl(体积比))溶解，在380 ℃电热板上加热2 h后用100 mL容量瓶定容，将溶液摇匀后测定析出相浓度，根据结果计算析出相元素占该元素总量的百分比[12]。

2 试验结果

2.1 保温时间对再结晶的影响

通过热模拟试验绘制出不同道次间隔时间下试验钢的应力-应变曲线(见图1)，之后用2%补偿法计算出软化率(即静态再结晶发生率)，2%补偿法的计算公式为：

Xi=(σm-σ2)/(σm-σ1)

(2)

式中：Xi为软化率；σm为第一道次卸载前的最大应力；σ1为第一道次加载前的屈服应力；σ2为第二道次加载前的屈服应力。

图2为取向硅钢经1200 ℃变形量30%的双道次压缩后，拟合出的0～300 s的软化率曲线。保温50 s时软化率为41%，保温150 s时软化率达到58%。可见，随着保温时间的延长，静态再结晶发生率升高，升高速率逐渐降低，直至300 s后趋于平缓，达到64%左右。

图2 试验钢在1200 ℃变形30%时的软化率拟合曲线Fig.2 Softening rate fitting curve of the tested steel deformed by 30% at 1200 ℃

图3 试验钢热轧后在1200 ℃保温不同时间水冷后的宏观形貌Fig.3 Macro morphologies of the tested steel after hot rolling and holding at 1200 ℃ for different time then water cooling(a) 0 s; (b) 50 s; (c) 150 s; (d) 300 s

2.2 保温时间对析出相的影响

图3为试验钢热轧后在1200 ℃保温不同时间试样的纵截面组织。直接水冷时(见图3(a))，试样整体晶粒呈扁平状，表层和过渡层平均晶粒尺寸在1.0 mm左右，靠近中心时，晶粒较小，平均尺寸为265 μm。图3(b～d)分别为保温50、150以及300 s的纵截面组织。保温50 s时，表层晶粒尺寸明显变大，平均晶粒尺寸为1.4 mm，中心层晶粒无明显变化。随着保温时间的增加，表层晶粒与过渡层及中心层晶粒具有较大差异，表层晶粒由原本的扁平状晶粒变化为尺寸更大，形状不规则的晶粒，保温300 s时平均晶粒尺寸达到5 mm，同时过渡层与中心层的晶粒愈加均匀，平均尺寸增长为357.56 μm。

图4为试验钢热轧后在1200 ℃保温不同时间后析出相粒子分布。图4(a)为直接水冷试样的析出相粒子分布，析出相数量极少，平均尺寸为37 nm，基本分布于晶粒内部。随保温时间延长，静态再结晶率升高，晶内抑制剂继续析出，且析出粒子尺寸增大、分布均匀，大多数已经长大成尺寸40 nm以上的第二相粒子。当保温时间延长至300 s时，晶内析出相粒子数量明显增多且分布更为均匀，同时亚结构以及位错线上也逐渐有析出相抑制剂粒子析出。

利用扫描电镜观察放大10 000倍下的微观照片，随机选取15个以上的视场，观察析出相的分布，统计析出相的平均尺寸，计算析出相的体积分数，体积分数的测定公式[13]为：

(3)

式中：Vf为体积分数；N为析出相的数目；Dmean为析出相粒子尺寸；A为被测照片面积。

图5为轧制后保温300 s的试样中析出相种类。图5(a)为透射电镜下利用STEM模式观察到的析出相，可见析出相粒子在位错线附近析出，能谱分析为MnS。图5(b)为扫描电镜下观察到的抑制剂析出相，该析出相在晶内析出，能谱显示为MnS与Cu2S的混合析出相。

图6为试验钢中析出相体积分数变化曲线，热轧后直接水冷试样中析出相粒子占2.42%，保温50 s后略微下降至1.98%，随着保温时间继续延长，静态再结晶发生率逐渐增大时，析出相所占体积分数开始大幅度增长，保温时间为300 s时，析出相体积分数增加到9.71%。

图4 试验钢热轧后在1200 ℃保温不同时间后析出相的形貌Fig.4 Morphologies of precipitated phase in the tested steel after hot rolling and holding at 1200 ℃ for different time(a) 0 s; (b) 50 s; (c) 150 s; (d) 300 s

图5 试验钢热轧后在1200 ℃保温300 s析出相能谱分析Fig.5 Energy spectrum analysis of precipitated phases in the tested steel after hot rolling and holding at 1200 ℃ for 300 s(a) MnS; (b) MnS+Cu2S

图6 试验钢静态再结晶发生率对析出相体积分数的影响Fig.6 Influence of static recrystallization fraction on volume fraction of precipitated phase in the tested steel

图7 试验钢中静态再结晶发生率对析出相元素含量的影响Fig.7 Effect of static recrystallization fraction on element content of precipitates in the tested steel

图7为ICP测试经电解后析出抑制剂中Cu、Mn元素的浓度，计算析出相中元素含量占试验钢中元素含量的百分比。可见，试验钢中Cu的含量从直接水冷时12.15%增长到保温300 s时的31.49%，而Mn的含量没有Cu的变化明显，增幅只有7.4%，再结晶发生率的提高对Mn的析出量影响不大。

3 分析与讨论

含稀土取向硅钢在1200 ℃变形时组织全部为铁素体，由于其较高的层错能，动态回复强烈，消耗了大量的储存能，严重阻碍了含铜取向硅钢动态再结晶的发生[14]。试验钢在1200 ℃变形30%轧制过程中，只发生了动态回复，析出相开始形核，抑制剂析出并不多，析出相中Cu2S和MnS数量也相差不多。在轧制后保温过程中发生了静态再结晶，通过变形渗透计算结果与组织观察表明，试样中心晶粒尺寸细小，再结晶形核率大，变形过程中形成的亚结构合并，在晶界以及位错线上给抑制剂提供了需要的析出通道，使MnS、Cu2S以细小弥散析出，尺寸逐渐均匀，分布更加弥散，再结晶发生率越高，析出相抑制剂体积分数增长的越快，其中Cu和Mn析出量整体上都随再结晶发生程度的升高而增多。文献[15]计算结果表明，含铜取向硅钢在相同平衡固溶度积下，Cu2S会优先于MnS析出，图5试验结果与文献[15]结果一致，即再结晶程度对Cu析出的影响较大，Mn影响较小。同时S与Cu若全部结合会有30%左右的Cu形成的Cu2S，所以，超过30%的Cu析出时，其余Cu可能会是单纯的含Cu析出相或者是形成复合析出相。稀土的加入提高了双道次压缩的软化率[16]，促进了取向硅钢静态再结晶的发生，由于稀土比较活泼，容易与S形成夹杂物，减少了抑制剂析出所需要的S，所以会减少抑制剂的析出量。综合试验分析，取向硅钢在实际生产过程中，在热轧阶段要快轧，否则晶粒会严重粗化，析出相增加，对后续生产工序中抑制剂及组织的控制不利。

4 结论

1) 试验含稀土取向硅钢在高温铁素体区热轧后发生了动态回复，并未发生动态再结晶，在1200 ℃变形30%后保温20 s左右开始发生静态再结晶，随着保温时间的延长，静态再结晶更加充分。

2) 试验含稀土取向硅钢在高温铁素体区热变形后未发生静态再结晶时，析出相的数量并没有出现明显的增加；发生静态再结晶时，促使抑制剂开始析出并且长大，再结晶发生率越高，析出相体积分数增长越快。

3) 试验含稀土取向硅钢变形结束后析出相中Cu2S和MnS数量相差不多，再结晶发生率为64%时，MnS增长约7.4%，Cu2S增长约19.34%。析出相大多于晶内析出，随保温时间延长，部分抑制剂逐渐在晶界处开始形核并长大。