低压脉冲磁场凝固硅钢的热变形组织和行为_郑策.pdf

第 卷 第期 年月钢铁 ，：低压脉冲磁场凝固硅钢的热变形组织和行为郑策，李应举，陶文哲，罗天骄，杨院生（中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 ；中国宝钢集团武汉钢铁股份有限公司，湖北 武汉 ）摘要：为了细化硅钢铸锭组织，提高其加工性能，研究了低压脉冲磁场对硅钢凝固组织的影响规律，并对比了不同凝固组织的热变形行为和组织。研究结果表明，在硅钢的凝固过程中施加脉冲磁场，传统的柱状晶组织转变为等轴晶组织。随着磁场频率的增加，等轴晶比率（等轴晶面积整体面积）先增加后降低，等轴晶晶粒尺寸先减小后增大。随着励磁电压增加，等轴晶比率增加，等轴晶晶粒尺寸不断增加，获得最佳脉冲磁场工艺参数，磁场频率为，励磁电压为 。在该脉冲磁场工艺参数下，硅钢凝固组织中的等轴晶尺寸细化至无磁场作用时的，等轴晶比率提高至 。对无脉冲磁场的柱状晶组织和施加脉冲磁场（磁场频率为，励磁电压为 ）的等轴晶组织，进行了热压缩试验（温度为 ，应变速率为 和）和热轧试验（初轧温度 ）。通过微观组织结果发现，无脉冲磁场作用的柱状晶凝固组织在热压缩过程中发生少量动态再结晶，组织中存在难以消除的变形晶粒，影响后续加工性能。脉冲磁场作用下等轴晶凝固组织在相同热压缩条件下获得细小均匀的再结晶组织，平均晶粒尺寸为 。对比热轧板材组织和织构结果，同样发现脉冲磁场作用下的等轴晶凝固组织在热变形过程中更易发生动态再结晶，且轧制织构强度和板材各向异性更弱。关键词：热变形；低压脉冲磁场；硅钢；凝固组织；再结晶文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），（），（，）（）（，），：；基金项目：国家重点研发计划资助项目（）；国家科技重大专项资助项目（）作者简介：郑策（），男，博士，助理研究员；：；收稿日期：通讯作者：李应举（），男，博士，研究员；：钢铁第 卷作为一种重要的磁性材料，硅钢被广泛用作各种电动机、发电机和变压器的铁芯。硅钢多采用连铸连轧法进行生产，但当硅质量分数大于时，硅钢板材表面常产生高低不平的“瓦楞状”缺陷，影响叠片系数，导致电磁性能下降和绝缘膜层间电阻降低。影响瓦楞状缺陷的主要因素是热轧板组织的均匀性。提高热轧板材组织均匀性，有利于轧制过程均匀变形，起到消减瓦楞状缺陷的效果。通过调整化学成分、细化铸造晶粒、调控热轧工艺、热轧后常化等手段可提高热轧板的组织均匀性。其中最有效的措施是控制凝固过程，细化凝固组织，提高等轴晶率，增加硅钢的热轧和冷轧组织均匀性，从而获得电磁性能和叠片系数优异的板材。年，等发现在金属凝固过程中施加脉冲电场，可使得产生的树枝状初生相球化。继而研究学者将强脉冲磁场（励磁电压不小于 ）作用于不锈钢、铝合金等金属材料的凝固过程。结果发现，调整合适强脉冲磁场处理工艺参数，可实现凝固组织中柱状晶发生等轴晶转变，从而实现铸态组织细化的目的。为了开发更具有工业应用前景的脉冲磁场凝固技术，杨院生等提出低压脉冲磁场（，）凝固的新方法（励磁电压小于 ），对低熔点的镁合金、高熔点的高温合金等金属材料的铸态组织均取得了显著的细化效果。低压脉冲磁场凝固新技术因其励磁电压低、使用过程安全、磁场装置小巧、穿透性强、易于工业化应用等诸多优点受到了广泛关注。等通过在制备 铝合金半固态浆料时施加低压脉冲磁场，发现脉冲磁场处理之后的凝固组织中初生 相由粗大的树枝状转变为细小的球状。等 探讨了低压脉冲磁场作用下不同凝固阶段 合金组织细化机理，发现施加脉冲磁场为形核提供额外的能量，降低了能量势垒和形核临界半径。等 分析了低压脉冲磁场作用下，镁合金枝晶形貌由树枝状转变为玫瑰状的作用机理。华骏山等 采用低熔点伍德合金研究了工频脉冲磁场对金属液面波动行为的影响规律。滕跃飞等 研究了 高温合金在低压脉冲磁场作用下，矩形截面宽厚比对其凝 固 过 程 晶 粒 细 化 行 为 的 影 响 规 律。张 建 伟等 研究了脉冲磁场作用下 钢定向凝固晶粒细化 行 为，发 现 低 压 脉 冲 磁 场 可 明 显 减 小 二 次枝晶壁间距。冀焕明等 研究了低压脉冲磁场对 镁合金半连续铸造过程的影响规律，发现施加脉冲磁场后晶粒尺寸减小。但目前研究多关注低压脉冲磁场在合金凝固过程中的作用及其组织细化机理，对于低压脉冲磁场凝固合金晶粒细化后的热变形行为及组织研究较少。因此本文以硅钢为研究对象，研究低压脉冲磁场凝固硅钢晶粒细化对其热变形行为及组织的影响。试验方法试验材料为硅钢，主要化学成分（质量分数）为 、，余量为 。首先将硅钢表面的氧化皮打磨干净，然后在中频感应熔炼炉中（镁砂坩埚）对其进行加热，加热温度为 ，加热时充入氩气进行保护；待金属块全部熔化后，保温 后进行浇铸。金属熔液浇铸至脉冲磁场凝固装置（图）中的石墨模具（图中），石墨模具内径为，高度为 ，外部采用填充镁砂进行保温。浇铸时金属熔液温度为 ，石墨模具预热温度为 。施加低压脉冲磁场参数分别 为：频 率、，励 磁电 压、。使用电火花线切割将铸锭沿横截面（距离底部）切开，进行铸态组织观察和分析。由于硅钢凝固组织的晶粒尺寸较大，约为毫米级，因此在高清扫描仪上获取其宏观铸态组织。单向热压缩变形试验在 热物理模拟试验机上进行，热变形工艺及样品尺寸如图所示，取样位置为距铸锭高度的半径处，压缩试样尺寸为 （图（）。通过在样品表面焊接热电偶的方式进行样品温度数据的采集和控制。样品加热路径为以加热至 ，保温 ，以降至 进行热压缩，总应变为，变形速率为 和，变形后样品空冷至室温（图（）。将变形后的样品沿压缩方向切开，进行组织观察与分析。从 的铸锭纵向方向切 取 （长宽厚）板坯（图（）。硅钢热轧试验在辊径 的双辊轧机进行，轧前将试样加热至 保温 ，初轧温度为 ，终轧温度为（）。轧制结束后将试样在 保温 ，最后在冷水中淬火。经过道 次轧制获得厚度约为 的热轧板。组第期郑策，等：低压脉冲磁场凝固硅钢的热变形组织和行为磁场发生器；线圈；冷却水入口；冷却水出口；模具；熔体；镁砂。图低压脉冲磁场凝固装置示意 织观察试样的取样位置为轧板的轧向（，）以及横向（，）的中间位置，观察面为 面。对铸态、热压缩态和热轧态合金的金相样品经过磨抛至镜面后，用（体积比）硝酸酒精溶液进行化学腐蚀，采用金相显微镜 进行组织观察和分析。利用 射线衍射仪测定热轧硅钢板的宏观织构，样品尺寸为 。利用板状拉伸试样测定热轧板的力学性能，拉伸试样分别沿着轧向（）和横向（）方向切取。在 型拉伸试验机上进行单向拉伸试验，变形速率为 。每个状态的样品进行次重复试验，力学性能结果取其算术平均值。（）压缩样品取样位置和尺寸；（）热压缩加热路径；（）轧制样品取样位置和尺寸；（）热轧加热路径；（）拉伸试样尺寸。图热变形工艺及样品尺寸示意（）（）结果与讨论 脉冲磁场参数对铸态组织的影响图所示为硅钢铸锭宏观组织。图（）所示为无脉冲磁场作用时的凝固组织，从试样边部到心部，组织依次为发达柱状晶和少量等轴晶，等轴晶比率约 为 ；图（）（）所 示 为 施 加 频 率 脉冲磁场（励磁电压为）时硅钢的凝固组织，可以看出，施加脉冲磁场后，整个试样的横截面组织等轴晶粒比例增多且等轴晶晶粒尺寸变小。利用 图像处理软件，统计分析了不同脉冲磁场频率下硅钢凝固组织的等轴晶晶粒尺寸和等轴晶比率，结果如图所示。可以发现，施加脉冲磁场后等轴晶比率明显增加，等轴晶晶粒尺寸显钢铁第 卷著减小；随着脉冲磁场频率的增加，等轴晶比率出现了先增加后减少的现象，等轴晶晶粒尺寸曲线表现出先减小后增大的趋势，在脉冲磁场频率为 时，硅钢铸锭组织细化程度最明显，此时等轴晶晶粒尺寸最小（），等轴晶比率最高（约）。说明施加脉冲磁场使得硅钢凝固组织得到了明显细化，且最佳脉冲磁场频率为。当交替变化的脉冲磁场作用于金属熔液时，会在金属熔液中产生感应电流，磁场与电流交互作用会产生周期震荡的电磁力。在电磁力的作用下，金属液 会 产 生 涡 流，使 得 金 属 液 熔 体 产 生 搅 拌 作用。相比于脉冲磁场频率 ，脉冲磁场频率为 时，周期震荡的电磁力变化更快，震荡作用更为激烈，因此磁场频率 时，凝固组织更加细小。当脉冲磁场频率增加至 和 时，脉冲电流会在熔体内产生焦耳热，且随着频率增加，焦耳热增加明显，这些热量使得游离晶核发生重熔，减少了形核核心，使得细化效果减弱。（）；（）；（）；（）；（）。图施加不同频率脉冲磁场硅钢铸锭宏观凝固组织（电压）（）图脉冲磁场频率对硅钢凝固组织等轴晶尺寸和等轴晶比率的影响 图所示为硅钢铸锭宏观组织。图（）为无脉冲磁场作用时的凝固组织；图（）（）所示为施加励磁电压 脉冲磁场（频率为）时硅钢的凝固组织，可看出随着励磁电压的增加，凝固组织中的等轴晶比率增加，等轴晶晶粒尺寸减小。利用 图像处理软件，统计分析了不同励磁电压硅钢凝固组织的等轴晶晶粒尺寸和等轴晶比率，结果如图所示。可以发现，随着励磁电压由 增加至 ，等轴晶比率有所增加，等轴晶晶粒尺寸减小，在励磁电压为 时，硅钢铸锭组织 细 化 程 度 最 佳，此 时 等 轴 晶 晶 粒 尺 寸 最 小（），等轴晶比率最高（约 ）。在金属的实际凝固过程中，由于模壁温度较低，有强烈激冷作用，使模壁附近的薄层金属液产生极大的过冷度，同时模壁可提供非均匀形核基底，因此在模壁附近的薄层液体中产生大量的晶核。无磁场第期郑策，等：低压脉冲磁场凝固硅钢的热变形组织和行为（）；（）；（）；（）；（）。图不同励磁电压作用下硅钢宏观凝固组织（频率）（）图励磁电压对硅钢凝固组织等轴晶尺寸和等轴晶比率的影响（）（）作用凝固时，模壁附近产生的细小晶核，会沿着各个方向同时生长，相邻的晶粒在长大过程中相遇而停止生长，进而形成细小的等轴晶层即表面的激冷区；随着凝固过程的进行，模壁温度升高，且当表面激冷区形成后金属熔液散热困难，温度梯度变得平缓。在垂直于模壁方向的温度梯度驱动下，晶体会生长成柱状晶；随着柱状晶的生长，在凝固组织心部的熔液，温度梯度失去了方向性，晶核生长方向各向同性，从而形成了中心等轴晶组织。施加脉冲磁场后，电磁力对金属熔体产生搅拌作用，而且由于集肤效应，距离模壁越近，电磁力越大，搅拌效果越剧烈，延缓表层凝壳的形成。同时在电磁力作用下，模壁晶核脱落，处于游离状态；脱落的晶核在脉冲磁场作用产生的涡流作用下均匀分布，而且熔体的温度场、浓度场在涡流的搅拌下更均匀，使得游离晶存活几率增加，。金属熔液在脉冲磁场的电磁搅拌下，产生强烈的对流作用，导致模壁附近晶核脱落游离，并在金属熔体中均匀分布，增加了形核质点，最终导致细小的完全等轴晶组织的形成。随着励磁电压的增加，脉冲磁场强度增加，由此产生的电磁力增大，引起产生的电磁震荡加剧，所以凝固组织中等轴晶比率更大、晶粒尺寸更小。热压缩行为及变形组织图所示为应变速率 和 进行热压缩时的真应力真应变曲线。可以看出，在应变速率为 和 时，施加脉冲磁场（励磁电压为 ，脉冲磁场频率为）所得试样的流变应力（图曲线（）和（）均大于无脉冲磁场作用所得试样（图曲线（）和（），主要原因为施加脉冲磁场试样的铸态组织为细小均匀的等轴晶组织，较多的晶界增加了变形过程中位错运动阻力，在晶界附近引起了位错塞积，从而增加了其流变应力。钢铁第 卷本研究所用硅钢的硅质量分数为 ，碳质量分数为 ，在整个热变形过程中无相变转变，组织为单相铁素体。由于 的层错能较高，位错在高温变形时，容易发生交滑移及攀移，因此该合金的热变形行为主要以动态回复为主，较难发生明显的动态再结晶。如图所示，在应变速率 时，由于变形速率较小，位错增殖较慢，位错运动以交滑移攀移进行，不利于位错的积累，硅钢的变形机制以动态回复为主，真应力真应变曲线（图曲线和曲线）为典型的动态回复型。压缩变形后的组织如图所示，图（）和（）为应变速率 时的压缩变形组织。由于凝固过程中无脉冲磁场处理，压缩变形时，铸态柱状晶组织被压扁，形成伸长的变形晶粒，且在原始晶界附 近 可 观 察 到 少 许 细 小 等 轴 再 结 晶 晶 粒（图（）。当凝固过程中施加脉冲磁场时，等轴晶铸态组织在压缩之后被明显拉长，少量晶粒内部可观察到细小的再结晶晶粒（图（）。图真应力真应变曲线 （）未施加磁场样品，应变速率 ；（）施加磁场样品，应变速率 ；