磁场退火对无取向硅钢再结晶组织结构的影响：II 再结晶晶粒尺寸

II 再结晶晶粒尺寸1

裴伟1, 周世春1,2, 沙玉辉1, 左良1

1东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，沈阳(110004)

2宝山钢铁股份有限公司，上海(201900)

E-mail：yhsha@mail.neu.edu.cn

摘 要：本文研究了磁场作用下同步和异步冷轧无取向硅钢再结晶晶粒尺寸的特征。不同工艺轧制的无取向硅钢薄板再结晶晶粒尺寸与磁场强度呈相似的非线性关系，且磁场退火增大晶粒尺寸。不同退火工艺下再结晶晶粒尺寸与冷轧工艺亦呈相近的依赖性，即再结晶晶粒尺寸随速比和异步道次增加而增大。磁场下再结晶晶粒尺寸的丰富变化，表明磁场退火在无取向硅钢晶粒尺寸的优化控制中具有巨大的应用潜力。

关键词：磁场退火无取向硅钢晶粒尺寸

中图分类号：TG 302

1．引言

再结晶织构和晶粒尺寸是决定无取向硅钢磁性能的两个关键结构参数。无取向硅钢退火织构通常由较强的γ(<111>//ND)组分（对磁性不利）以及较弱的{100}和η(<001>RD)

∥组分（对磁性有利）构成，存在很大的改进空间。另一方面，随晶粒尺寸增大，磁滞损耗减小、涡流损耗增大，故在一定成分、厚度和使用频率下存在一个最优晶粒尺寸。因此,需要探索有效无取向硅钢再结晶织构和组织的形变与退火新方法。

异步轧制是两个工作辊面速度（或摩擦系数）不等的轧制方式，具有精度高、道次压下量大和能耗低等优势。更重要的是，异步轧制独特的搓轧变形能从产生贯穿板材厚度的剪切应变，同步轧制产生的剪切变形则局限在表层至1/4厚度层范围内。研究表明，异步轧制显著影响Fe、Al、Mg 等合金的形变织构和组织特征[1-5]。因此，异步轧制方式提供了板材整个厚度层应变状态分布的可能性，可望实现冷轧织构和组织的优化控制。

近年来，磁场热处理在材料微观组织结构上的潜力受到关注。磁场特别是强磁场具有能量密度高、方向精确可控、非接触性并对材料过程存在丰富而强烈作用的优势。一些研究表明，磁场退火对Fe[6]、Fe-Co[7]、Fe-Si[8,9]以及Ti[10]和Zn[11]等金属材料的再结晶织构有较明显的影响。因此，在无方向性温度场基础上耦合施加强方向性的磁场，可望强化对再结晶织构和组织的优化控制。

本文将异步轧制引入无取向硅钢冷轧过程，将磁场引入再结晶退火过程，探查磁场退火和异步轧制下无取向硅钢再结晶组织的特征，寻求无取向硅钢再结晶晶粒尺寸的新方法。

2．实验方法

以2.6mm厚的Fe-2.1%Si-0.9%Al无取向硅钢工业热轧板为原材料。采用全同步以及涉及1.06、1.125两个速比的全异步和末道次异步等五种工艺冷轧至0.5mm，而后进行850°C×40min 的普通退火和磁场退火，其中磁场退火包括四种方式：全程（含加热、保温、冷却阶段）施

1本研究得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20040145024）和国家自然科学基金（项目编号：50471103）的资助。

加0.1T 、6T 、12T 以及仅在冷却阶段施加12T （以12T/850表示）的磁场，磁场方向平行轧向。

3．实验结果

图1～5为同步和异步冷轧无取向硅钢薄板经过不同工艺退火后的纵截面显微组织。所有样品均完全再结晶，组织特征通体均匀，即异步轧制未导致再结晶组织沿层厚的不对称分布。

100um (a) (b)

(c) (d)图1 全同步冷轧薄板磁场与非磁场退火后的纵截面显微组织 Fig. 1 Microstructures of longitudinal section in the sheets symmetrically cold rolled in all passes after annealing in magnetic fields of 0T (a), 6T (b), 12T (c) and 12T/850 (d) at 850℃for 40 min

(c) (a) (b)100um (d)图2 1.06速比末道次异步冷轧薄板磁场与非磁场退火后的纵截面显微组织 Fig. 2 Microstructures of longitudinal section in the sheets asymmetrically cold rolled with μ=1.06 in last pass after annealing in magnetic fields of 0T (a), 6T (b), 12T (c) and 12T/850 (d) at 850℃ for 40 min

(c) (d)100um

图3 1.06速比全道次异步冷轧薄板磁场与非磁场退火后的纵截面显微组织

Fig. 3 Microstructures of longitudinal section in the sheets asymmetrically cold rolled with μ=1.06 in all passes after annealing in magnetic fields of 0T (a), 6T (b), 12T (c) and 12T/850 (d) at 850℃ for 40 min

(b)

(a)

100um

(c) (d)

图4 1.125速比末道次异步冷轧薄板磁场与非磁场退火后的纵截面显微组织

Fig. 4 Microstructures of longitudinal section in the sheets asymmetrically cold rolled with μ=1.125 in last pass after annealing in magnetic fields of 0T (a), 6T (b), 12T (c) and 12T/850 (d) at 850℃ for 40 min

(b)(c) (d)(a) 100um 图5 1.125速比全道次异步冷轧薄板磁场与非磁场退火后的纵截面显微组织 Fig. 5 Microstructures of longitudinal section in the sheets asymmetrically cold rolled with μ=1.125 in all passes after annealing in magnetic fields of 0T (a), 6T (b), 12T (c) and 12T/850 (d) at 850℃ for 40 min

但磁场退火工艺和冷轧工艺对再结晶平均晶粒尺寸有显著影响。对于不同工艺轧制的薄板，再结晶组织呈现出相似的磁场退火工艺依赖性：磁场退火后的晶粒尺寸大于普通退火；磁场退火对再结晶晶粒尺寸的作用呈非线性关系，12T/850方式下的晶粒尺寸最大，6T 方式次之，而12T 方式较小。对于不同工艺退火的薄板，再结晶组织亦呈现出相似的冷轧工艺依赖性：随速比提高，再结晶晶粒尺寸有所增大；相同速比下全部道次异步轧制大于末道次异步轧制。

4．讨论

如本研究再结晶织构部分（I ）的分析，再结晶晶粒长大和再结晶织构发展通过晶界迁移实现，故磁场退火对无取向硅钢再结晶组织的影响，可以从磁场退火对晶界迁移驱动力和晶界可动性影响的角度进行分析。在磁场退火方式下，除了常规的应变储能（初次再结晶阶段）和晶界能（晶粒均匀长大阶段）外，引入取向相关的磁晶各向异性能，从而为晶界迁移提供附加的驱动力[10]。具体而言，磁场的驱动力效应促进η取向晶粒，抑制{111}<112>取向晶粒，对{100}取向晶粒的影响（促进或抑制）则与应变状态和退火工艺（温度、磁场方式、磁场强度）有关。另一方面，磁场诱发产生的磁有序降低原子的扩散性，进而降低晶界的可动性[9]，导致再结晶进程延迟。 尽管磁场退火由于磁有序抑制再结晶进程，但研究发现再结晶晶粒尺寸与磁场强度呈非线性关系。0.2T 和0.5T 磁场降低再结晶晶粒尺寸[7]，而8T 、10T 和15T 磁场对再结晶晶粒尺寸无明显影响[8, 9]。相关解释认为：磁场的抑制作用使初次再结晶晶粒尺寸减小，而同时细小的晶粒亦为晶粒长大提供了较高的驱动力。但这种解释未与再结晶织构的变化联系起来。

在本研究中，无取向硅钢的再结晶晶粒尺寸和织构均对磁场强度呈非线性依赖关系。作者认为：磁场的抑制效应和驱动力效应共同决定了再结晶晶粒尺寸与织构的变化，而不同强度的磁场会带来不同的结果。

在0.1T 低磁场下，η取向晶粒的加速长大不能弥补γ取向晶粒的减慢生长以及晶界可动性的降低，导致平均晶粒尺寸减小，η组分增加而γ组分减少。{100}织构的增加则可归因于磁场的抑制作用，因为本研究实验结果显示{100}所属各组分的取向密度与其沿轧向的取向并不显著有关。

在6T 中等磁场下，磁场的抑制力和驱动力都增强，当退火温度升高到居里温度（Tc ）时，η和{100}取向晶粒均已建立起一定程度的尺寸优势，使其可以在顺磁性区域的晶粒长大过程中，借助消耗细小的γ取向晶粒而择优长大。因此，η和{100}织构强化而γ织构减弱，同时得到较大的平均晶粒尺寸。

在12T 强磁场下，晶界可动性显著降低，了η和{100}取向晶粒在温度达到Tc 前建立一定的尺寸优势，择优长大趋势减弱。因此，与6T 磁场退火相比，η和{100}强度降低、γ织构强度提高，同时平均晶粒尺寸降低。

在晶粒长大阶段施加磁场，可做如下分析。晶粒尺寸为R 时长大速率可以表示为[12]： (1) 式中α为常数，γ为晶界能，R 为平均晶粒尺寸。显然，R R >的晶粒长大，R R <的晶粒收缩，R R =的晶粒尺寸不变，故R 又称为临界晶粒尺寸。在磁场退火方式下，附加了一项磁驱动力（），式（1）改写为： m p Δ (2) η取向晶粒的项为正，这相当于降低了临界晶粒尺寸m p m Δ−R ，即更多的η取向晶粒可以长大，另一方面提高了。相反，γ取向晶粒的dt dR /m p m Δ−项为负，即一方面R 提高使可长大的γ取向晶粒数减少，同时降低。 dt dR /12T/850磁场退火工艺是在保温阶段开始施加磁场，即在晶粒长大阶段施加磁场。该工艺下晶粒尺寸比普通退火以及其它磁场退火样品的晶粒尺寸大，表明磁场对晶粒长大的整体抑制作用不及其对η以及{100}取向晶粒长大的促进作用。 5．结论 （1）对于同步和异步轧制（速比1.06、1.125）的无取向硅钢薄板，再结晶晶粒尺寸与退火工艺具有相似的依赖性：磁场退火后的晶粒尺寸大于普通退火；磁场下再结晶晶粒尺寸与磁场强度呈非线性关系。 （2）对于普通和不同工艺磁场退火的无取向硅钢薄板，再结晶晶粒尺寸与冷轧工艺具有相似的依赖性：随速比提高，再结晶晶粒尺寸增大；相同速比下全部道次异步轧制大于末道次异步轧制。 （3）基于磁有序的抑制效应和基于磁晶各向异性能的驱动力效应共同决定了再结晶晶粒尺寸与织构的变化。 ⎟⎠⎜⎝−=R m dt γα⎞⎛dR 11m p m m dR Δ−⎟⎞⎜⎛−=11γαR dt ⎠⎝

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Effect of magnetic annealing on recrystallization microstructure in non-oriented silicon steel: II Grain size Pei Wei1，Zhou Shichun1,2，Sha Yuhui1，Zuo Liang1

1 Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials (MOE), Northeastern University,

Shenyang, PRC (110004)

2 Baosteel company Ltd, Shanghai, PRC (201900)

Abstract

Recrystallization grain size in conventionally and asymmetrically rolled non-oriented silicon steel sheets after magnetic annealing has been characterized. Various sheets show a similar non-linear dependence of average grain size on magnetic filed intensity, and magnetic annealing tends to increase the grain size. Moreover, the average grain size in both ordinarily and magnetically annealed sheets also exhibits a similar rolling-process dependence that the grain size increases with the increasing speed ratio and asymmetric rolling pass. The various change of grain size under magnetic annealing indicates a pronounced potential of magnetic annealing in grain size control of high-graded non-oriented silicon steel.

Keywords:Magnetic annealing Non-oriented silicon steel Grain size

作者简介：裴伟，男，1981年生，博士研究生，主要研究方向是高性能硅钢轧制与退火技术。