薄带连铸高强度无取向电工钢组织、织构及性能研究

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随着环境问题的日益严峻和石油储量的不断减少,新能源汽车的研发得到广泛关注。而高强度无取向电工钢是新能源汽车驱动电机转子铁芯的关键材料,由于其制备工艺不够成熟,在一定程度上制约了新能源汽车的发展,因此,迫切需要开发出具有优良的力学性能及磁性能的高强度无取向电工钢。除了常规流程以外,双辊薄带连铸技术因其工艺的特殊性,在高品质电工钢开发方面具有显著的技术优势。开展基于双辊薄带连铸的高强度、低铁损、薄规格无取向电工钢的制备理论与技术研究,对于完善高品质无取向电工钢制造理论以及形成具有我国自主知识产权的制造技术,进而满足新能源汽车等领域发展的迫切需求具有重要的理论和现实意义。本研究将短流程的双辊薄带连铸技术引入高强度无取向电工钢的制备流程,对全流程带钢的组织、织构、析出物控制以及力学和磁性能的影响规律进行了系统研究,旨在挖掘薄带连铸流程的技术潜力,为实现薄带连铸制备高强度无取向电工钢的产业化提供理论依据与技术指导。本研究的主要工作及结果如下:(1)研究了添加Ni元素对带钢组织与织构的演变以及对力学性能和磁性能的影响规律。结果表明,由于Ni元素加入降低了合金凝固温度,有利于铸带形成典型的柱状晶组织,并且获得了较为发达的λ({100}//ND)织构。这种铸态组织有助于冷轧板中剪切带的形成,使冷轧板具有更强的λ取向线织构,最终退火板中对磁性能有利的λ织构组分强度更高,对磁性能有害的γ({111}//ND)织构组分强度较低。Ni元素的添加,在一定程度上延缓了退火再结晶过程的进行,降低了再结晶速率,起到了抑制晶粒长大的作用,在提高力学性能的同时,还可有效地改善磁感强度。与不加Ni钢相比,当退火温度为680℃时,退火板的屈服强度提高65 MPa,磁感强度B50提高0.03 T。(2)研究了铸带热轧与常化处理对冷轧、退火阶段带钢的组织、织构演变和析出行为的影响。结果表明,常化处理对AlN和MnS的析出行为产生影响,进而对带钢的组织、织构及磁性能产生重要影响。热轧后经常化处理的冷轧板在退火过程中,析出相迅速长大,失去了对晶界的钉扎作用,导致最终退火后的晶粒尺寸较大。同时,较强的{100}<011>冷轧织构有利于退火初期{411}<148>晶核在{100}<011>晶粒的晶界上优先形核,最终形成了强烈的{411}<148>和较弱的γ再结晶织构。与热轧后无常化处理相比,经常化处理后的最终退火板的磁感强度得到显著改善,B50从1.69 T提高到1.71 T;磁滞损耗和矫顽力均大幅降低,其中Pi0/1000从122.31 W/kg降低到104.70 W/kg。(3)研究了铸带在不同热轧、冷轧压下率分配情况下,带钢的组织、织构演变与性能的变化规律。结果表明,轧制压下率的分配通过影响变形储能进而对组织、织构的演变和性能产生重要影响。随着热轧压下率的增大和冷轧压下率的减小,冷轧变形储能相应减小,冷轧板中α({110}//RD)和γ取向线上织构组分的分布更集中,退火时再结晶的速率逐渐降低,最终的晶粒尺寸逐渐增大。当冷轧压下率较大(84%)时,退火初期形成的γ再结晶晶粒具备显著的尺寸及数量优势,退火后期发展为主要的再结晶织构,使磁性能降低;当冷轧压下率较小(72%)时,退火后获得发达的α及γ再结晶织构,磁性能随之降低;当冷轧压下率适中(77%)时,退火初期形成的γ再结晶晶粒不具备数量优势,而{001}<100>晶粒具备明显的数量和尺寸优势,退火后期形成了 {001}<100>组分占主导的再结晶织构,从而获得最佳的磁性能。(4)研究了添加Nb元素对带钢组织、织构演变及力学和磁性能的影响规律。一方面,含Nb钢铸带中λ织构组分仍占主导地位,热轧板和冷轧板均获得了较强的α织构与γ织构。退火初期,{111}<112>晶核在γ变形晶粒的晶界上优先形核,通过不断吞噬其它取向的晶粒而长大,退火后期形成了强烈的{111}<112>织构。另一方面,与不含Nb钢相比,含Nb钢由于Nb(C,N)主要在退火过程中析出,可以强烈地推迟再结晶进程,从而起到了细化晶粒的作用,使含Nb钢的力学性能得到明显改善,当退火温度为780℃时,屈服强度从687 MPa提高到789 MPa。(5)研究了添加Cu元素对带钢组织、织构演变的影响及其全流程的析出行为。随着时效温度的升高,屈服强度和抗拉强度不断增加,当时效温度为550℃时,屈服强度和抗拉强度取得峰值。退火板在550℃等温时效过程中,晶粒尺寸和主要的织构组分均没有发生明显改变,主要的织构组分均为{411}<148>织构,但形成了大量弥散分布的纳米级的Cu析出相。在Cu的析出-长大过程中,发生从bcc→9R→fcc的晶体结构变化。这些纳米级的Cu析出相可起到显著的析出强化效果,并且对磁性能的影响不大。(6)采用薄带连铸技术在实验室成功制备出了不同强度级别的高强度无取向电工钢产品。与日本新日铁住金制备的35HXT590T产品相比,薄带连铸制备的含Cu无取向电工钢在力学性能与磁性能方面均具有显著优势。在屈服强度基本相同的情况下,磁感强度 B50 从 1.65 T 提高到 1.71 T,P10/400从42.4 W/kg 降低到 26.4 W/kg。
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