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位错强化开发超高强度无取向硅钢
潘振东，吴昆，赵向东，林媛，张文康
(山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心， 山西 太原 030003)
01
摘 要
为了满足高速电机转子对硅钢材料的力学要求，在实验室开发超高强度无取向硅钢，以期对大生产起到一定的借鉴意义。采用一次冷轧法和二次冷轧法两条工艺路线，使合金成分为3%Si-0.8%Al的试验钢退火板保留未再结晶组织，即用位错强化方法开发超高强度无取向硅钢。一次冷轧法开发的500、600 MPa级超高强度无取向硅钢磁极化强度J5 000可分别达到1.66、1.61 T。其中，退火工艺为675 ℃-4 min时，产品再结晶分数为81.2%，屈服强度Rp0.2为542 MPa；退火工艺为650 ℃-2 min时，再结晶分数为30.3%，屈服强度Rp0.2为656 MPa。二次冷轧法开发的600 MPa级超高强度无取向硅钢，退火工艺为650 ℃-2 min时，产品再结晶分数为30.7%，屈服强度Rp0.2为642 MPa；磁极化强度J5 000较一次冷轧600 MPa级产品提高约0.04 T，达到1.65 T；产品综合性能水平与日本制铁35HXT590T相当。试验钢的开始再结晶温度约为625 ℃。退火工艺为700 ℃-4 min时产品组织再结晶完全。随着退火温度的升高和退火时间的延长，产品再结晶分数逐渐变大，产品力学强度、铁损单调下降，磁极化强度单调上升。退火温度从525 ℃到725 ℃，产品磁极化强度J1 500提升了0.331 T，J5 000提升了0.143 T，即低场磁极化强度的提升幅度更大。退火工艺不同，产品再结晶分数会有较大差异，从而对性能造成很大影响。大生产试制超高强硅钢，需要更加精确地控制退火温度和时间，才能确保产品组织和性能的稳定。
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关 键 词
高强度； 无取向硅钢； 位错强化； 未再结晶； 600 MPa级
03
引 言
硅钢是电力、国防以及军事等领域不可或缺的重要金属材料。提高无取向硅钢磁性能一直是硅钢领域研究的重点，人们对无取向硅钢力学性能的研究并不多。新能源汽车的迅速发展和“双碳”目标的提出，对电机的能效指标提出了更高的要求，电机设计转速向高速化发展，电机转子则需要使用高强度无取向硅钢。常规工艺下，最高牌号无取向硅钢(如35W210)的轧向屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm的典型值为420、550 MPa。本文所指的超高强度无取向硅钢是指屈服强度Rp0.2大于500 MPa的产品。
日本各大钢企对超高强硅钢的研究较早。日本制铁的硅钢产品说明书中，有形成系列的超高强度硅钢产品，其产品特点是同时具备优异的力学强度和磁感应强度。特别是0.35 mm厚顶级牌号，屈服强度达到800 MPa以上，磁感B50典型值仍高达1.63 T。中国钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学及部分钢企近十年加快了超高强度硅钢的研发速度，宝钢、太钢、首钢也发布了相关产品，产品的屈服强度级别主要为500级、600 MPa级。
在常规高牌号无取向硅钢基础上，继续提高硅含量，强度提升的幅度很有限，且易导致热轧边裂、冷轧断带等突出的生产问题。本文通过使成品残留未再结晶组织，开发超高强度无取向硅钢，研究了生产工艺、成品组织对性能的影响。实验室开发成功500、600 MPa级产品，并预判更高强度级别产品的开发路线，以期对大生产起到一定的借鉴意义。
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精 选 图 表
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结 论
(1)3%Si-0.8%Al试验成分，使用一次冷轧工艺路线，通过使成品保留未再结晶组织，开发的500、600 MPa级超高强度无取向硅钢磁极化强度J5 000可分别达到1.66、1.61 T。其中，退火工艺为675 ℃-4 min时，产品再结晶分数为81.2%，屈服强度Rp0.2为542 MPa；退火工艺为650 ℃-2 min时，再结晶分数为30.3%，屈服强度Rp0.2为656 MPa。
(2)3%Si-0.8%Al试验成分，使用二次冷轧工艺路线，退火工艺650 ℃-2 min下，产品再结晶分数为30.7%，屈服强度Rp0.2为642 MPa；J5 000较一次冷轧600 MPa级产品提高约0.04 T，达到1.65 T；产品综合性能水平与日本制铁35HXT590T相当。
(3)对硅钢冷轧板退火，在组织再结晶状况逐渐趋于完善的过程中，成品铁损呈逐步降低趋势，磁极化强度呈逐步上升趋势，力学强度呈逐步下降趋势。其中，低场磁极化强度(如J1 500)的提升幅度大于高场磁极化强度(如J5 000)的提升幅度。退火温度从525 ℃到725 ℃，J1 500提升了0.331 T，J5 000提升了0.143 T。600 MPa级超高强硅钢J1 500已大于1.4 T，可以满足电机转子的设计需求。
(4)使用未再结晶组织的位错强化方法，未再结晶组织含量的变化会对产品力学性能产生很大的影响。大生产试制超高强硅钢，较常规无取向硅钢需要更加精确地控制退火温度和时间，才能确保产品组织和性能的稳定。
(5)对更高强度级别产品的开发路线进行预判，认为使用二次冷轧工艺路线的位错强化方法，并探索添加可同时提高磁极化强度和力学的镍元素，或可开发出与日本制铁35HXT680T、35HXT780T性能相近的700、800 MPa级超高强硅钢产品。
来源：《钢铁》2023年第3期
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