热处理工艺对冷轧硅钢性能的影响

随着环境污染和能源危机的加剧，电动汽车作为一种新能源汽车逐渐走入人们的生活，并将成为未来机动车的主流。驱动电机是电动汽车的心脏，电机转子由冷轧无取向硅钢叠片制成。由于驱动电机转速高，而且电动汽车启动和加速时要求高扭矩，转子用铁芯材料需满足高强度和高磁通密度性能。另一方面，转子高速旋转时，铁损所占功率损失的比重大，因此，电动汽车转子用冷轧无取向硅钢在具备高强度和高磁通密度性能的同时，还需满足高频低铁损性能。

 

目前，日本JFE和日本住友金属已成功开发了适用于混合动力汽车和纯电动汽车的驱动电机转子特性的无取向硅钢，该系列产品不仅解决了生产产量低和合金成本高等问题，而且具有优良的力学性能和磁性能，而国内尚未对此类产品进行工业化生产。本文利用大生产无取向硅钢冷轧板，通过实验室研究，在化学成分一定的前提下，通过调整热处理工艺，在研究硅钢高频磁性能和强度变化规律的同时确定最佳热处理工艺，为工业化生产提供参数。

 

1试验过程

 

试料为大生产冷轧板，其化学成分为0.003%C、2.35%Si、0.22%Mn、0.011%P、0.002%S、0.36%Al和0.003%N。铸坯加热温度为1120℃，铸坯断面厚220mm，加热时间230min，热轧板厚度为2.3mm。一部分热轧板的常化温度为890℃，另一部分热轧板的常化温度为940℃，常化时间均为3min。常化后一次冷轧至0.35mm。

 

将以上两种不同常化工艺的大生产无取向硅钢冷轧板各自裁成30mm×300mm规格的试料，每种常化工艺100片，其中横向、纵向各50片。将同种工艺试样的横向和纵向各取10片组成1组，插入试料架，按照表1设计的5种退火温度，利用实验室的箱式退火炉模拟大生产退火，退火时间为3min，退火保护气氛为高纯氩气。

 

试验结束后，采用爱泼斯坦方圈检测每组试样的高频（400Hz）和低频（50Hz）磁性能，采用光学显微镜观察金相，并利用图像分析软件统计晶粒尺寸（尺寸大小通过统计3张金相图片平均后得出），最后在每组试样中取3片横向试料，裁成30mm×240mm规格进行力学性能检测。

 

2试验结果分析

 

2.1磁性能分析

 

图1显示400Hz时，常化温度和退火温度对磁性能的影响。从图1（a）中可以看出，随着退火温度的升高，P10/400迅速降低；当退火温度升至一定值时，P10/400降低至最低值；然后，随着退火温度的继续升高，P10/400反而增加。退火温度在830℃至920℃范围内，P10/400波动小，波动幅度小于0.6W/kg。当退火温度小于860℃时，P10/400随着常化温度的升高而降低；当退火温度大于890℃时，P10/400随着常化温度的升高而增加。从图1（b）中可以看出，随着退火温度的升高，J50逐渐降低；常化温度提高后，各退火温度对应的J50整体高出0.01-0.015T；退火温度升至890℃后，J50受温度影响较小，下降趋势趋于平缓。

 

图2显示50Hz时，常化温度和退火温度对磁性能的影响。随着退火温度升高，P15/50逐渐降低，J50也逐渐降低。常化温度提高后，P15/50平均降低0.2W/kg左右，J50提高0.01-0.015T。退火温度升至890℃后，J50下降趋势趋于平缓。

 

图3显示频率对J50的影响情况。相对400Hz时的J50，不同退火温度时对应的50Hz的J50略高；由于差值极小（0.001-0.002T），基本可忽略不计。

 

2.2金相组织分析

 

两种常化温度条件下，5种不同退火温度时，试样均发生完全再结晶。常化温度高时，常化板晶粒尺寸较高（平均提高10μm），相对应的成品晶粒尺寸也稍高。随着退火温度的升高，成品的晶粒尺寸递增，当退火温度升至890℃后，晶粒尺寸增幅变缓，晶粒尺寸相对均匀。详见图4，图5和图6。

 

2.3强度对比

 

对不同热处理制度下的试料进行抗拉强度检测，为保证数据准确性，每组试料随机抽取3个样品进行检测，并取平均值。随着退火温度的升高，抗拉强度（Rm）缓缓下降；相同退火温度条件下，常化温度940℃时试料的抗拉强度比890℃时平均低约5MPa。

 

3结果讨论

 

常化的目的是使热轧板组织更均匀，使再结晶晶粒增多，同时使晶粒和析出物粗化，因此钢板强度略有下降。另外，常化可以加强｛100｝和｛110｝组分以及减弱｛111｝组分，使磁性能显著提高，尤其是J50值。再结晶完全后进一步退火，彼此相碰的晶粒平均尺寸增大，刚完成再结晶时，晶粒平均尺寸较小，并且晶粒尺寸不均匀性较严重。随着晶粒尺寸的增大，晶粒的不均匀性得到改善。退火温度升高，完成再结晶所需时间缩短，在退火时间不变的条件下，再结晶完成后晶粒长大的时间随退火温度的升高而增加，并且晶粒长大的速率随温度的升高而增加。因此，随着退火温度的升高，平均晶粒尺寸增加。

 

生产中常见的晶粒度在1-8号范围内，其中1-3号（直径250-125μm）为粗晶，4-6号（直径88-44μm）为中等晶粒，7-8号（直径31-22μm）为细晶。随着退火温度的降低，晶粒逐渐细化，抗拉强度增加。由于本次试验试料均发生完全再结晶，晶粒度差异不大，强度提高幅度有限。退火温度为800℃时，晶粒尺寸小，分别为18μm和20μm，属于细晶范畴，见图5（a）和图6（a），与之相对应的高频铁损P10/400稍差；830-920℃退火温度范围内生成的晶粒均属于中等晶粒范畴，且该温度范围各自对应的晶粒尺寸差值小，与之相对应的高频铁损P10/400值也接近；退火温度每升高30℃，低频铁损P15/50降低约0.3W/kg，当温度升至890℃和920℃时，由于晶粒尺寸接近，对应的P15/50差异小。

 

冷轧无取向硅钢的铁损PT主要由磁滞损耗Ph和涡流损耗Pe组成。PT既取决于材料本身化学成分，也决定于该材料在交变磁场中的工作频率f。Ph与f成正比，Pe与f 2成正比，故PT=af+bf 2，a和b为与f无关的常数。随着频率的提高， Pe在铁损PT所占比重增加。因此，和低频铁损相比，高频铁损中Pe的比重将随着频率的升高而逐渐增加；当频率提高至一定值时，Pe在高频铁损中的比重将超Ph所占比重。

 

随着退火温度的升高，成品晶粒尺寸增大，Ph降低，Pe增高。因此，当退火温度较低时，由于晶粒尺寸较小，Pe较低，此时，冷轧无取向硅钢的铁损PT主要以Ph为主，当退火温度在较低值范围内升高时，高频铁损P10/400和低频铁损P15/50均降低，见图1（a）和图2（a）；但是，如果频率非常高（例如，1000Hz），即使晶粒尺寸较小，高频铁损仍将随着退火温度的升高而增加。当退火温度升至较高值时，晶粒尺寸增大，Pe增大；如果冷轧无取向硅钢工作频率较低，Pe受f影响的增值也小，低频铁损P15/50仍将随着退火温度的升高而降低，但由于Pe随晶粒尺寸增大而增加，使得P15/50降幅趋缓，见图2（a）；如果冷轧无取向硅钢工作频率较高，Pe受f影响的增值也增加，Pe的增幅将逐渐超过Ph的降幅，因此，随着退火温度的继续升高，P10/400将增加，见图1（a）。

 

影响无取向电工钢磁感应强度的主要因素是化学成分、晶体织构以及晶粒尺寸，在成分和生产工艺不变条件下，高频和低频下J50基本无差异，随着退火温度升高，晶粒尺寸增大，磁感应强度降低。当退火温度升至890℃和920℃时，由于晶粒尺寸接近，J50变化不大。

 

通过以上分析可获悉，实验室退火温度在830-920℃范围时，P10/400存在最低值，且波动小；抗拉强度虽然随着退火温度的下降而增加，但增幅有限。因此，为获取较高强度且高频磁性能优良的硅钢片，应在保证P10/400不恶化的前提下尽可能地降低退火温度。因此，认为常化温度940℃、退火温度830℃时为本试验中最佳热处理工艺，此时，试料抗拉强度Rm=565MPa，高频铁损P10/400=21.5W/kg，磁感应强度J50=1.69T。

 

4结论

　　1）随着退火温度的升高，高频铁损P10/400先降低后升高；退火温度在830-920℃范围时，P10/400存在最低值，且波动小；常化温度高时，P10/400较好。

　　2）退火温度为800℃时，成品晶粒尺寸小且不均匀；当退火温度升至890℃后，晶粒尺寸增幅变缓，晶粒尺寸相对均匀，J50基本不变。

　　3）随着退火温度的降低，成品晶粒尺寸变小，抗拉强度增大；常化温度高时，成品晶粒尺寸略高，抗拉强度略有降低。

　　4）常化温度为940℃，退火温度830℃时为本试验中最佳热处理工艺，其中Rm=565MPa，P10/400=21.5W/kg，J50=1.69T。

表1 退火温度