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(1. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院， 内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古包钢钢联股份有限公司 技术中心， 内蒙古 包头 014010)

金属材料经轧制和热处理后，其内部微观组织会发生显著变化，由此导致宏观物理性能的改变。此外，金属材料变形之后的再结晶退火阶段形成的显微组织和织构对其最终性能也将产生较大影响。因此，通过热处理工艺的优化来调控材料显微组织的过程已成为科研工作者的主要手段。磁场热处理是一种在磁场条件下对材料进行热处理以改善其微观组织和宏观性能的方法。材料经磁场热处理后的退磁过程中，磁畴有序排列且磁矩方向基本倾向于所施加磁场的方向。经磁场热处理的合金通过内部微观结构的变化，随之带来宏观性能的改变。

取向硅钢属于软磁材料的一种，主要用于制造变压器铁芯，要求具有高的磁感应强度和低的铁损值。取向硅钢生产流程较长且工艺复杂，轧制和热处理过程中的每道工序都对最终成品的性能有重要的影响。早在1913年，Pender等[1]最先开始研究将磁场应用于硅钢热处理，发现磁场退火对硅钢磁导率的影响效果显著。此后，科研人员不断完善并开发硅钢的磁场热处理技术。例如，Bacaltchuk等[2]在无取向硅钢生产过程中施加8 T的强磁场后发现磁场退火能促进高斯织构的形成。目前，磁场热处理对取向硅钢织构的影响是材料电磁过程研究的热门领域。东北大学王强等[3]开展了强磁场材料科学的研究，主要是研究不同工艺的强磁场处理后材料的微观结构演变情况。脉冲电磁技术[4]具有瞬时大功率的特点，脉冲磁场退火装置简单且在磁场处理时可实现多参数可调，能够实现磁场处理过程中的材料组织精细化控制。

本文主要在取向硅钢脱碳退火阶段进行脉冲磁场热处理，采用显微组织观察和XRD宏观织构测试等方法，分析磁场热处理对取向硅钢脱碳退火阶段显微组织和织构的影响。研究不同强度的脉冲磁场热处理下取向硅钢的显微组织和织构的变化，尤其是脉冲磁场作用下取向硅钢脱碳退火阶段的显微组织和织构演变，有助于拓展取向硅钢组织和织构技术的调控手段，以期实现取向硅钢电磁热处理技术的突破。

图2 脉冲磁场强度对取向硅钢脱碳退火过程中显微组织的影响Fig.2 Effect of pulsed magnetic field intensity on microstructure of the oriented silicon steel during decarburization annealing(a) 0 mT; (b) 15 mT; (c) 20 mT; (d) 40 mT

1 试验材料与方法

1.1 试样制备

试验材料选用某冷轧硅钢厂二次冷轧法生产的普通CGO取向硅钢，主要化学成分如表1所示。

表1 试验钢的主要成分(质量分数，%)

取向硅钢热轧钢带厚度为2.6 mm，经20辊轧机一次冷轧至0.63 mm，进入连续脱碳退火炉完成脱碳退火，然后二次冷轧至0.27 mm，涂MgO隔离剂后进入罩式退火炉进行高温退火，最后经拉伸平整退火工艺处理后进行成品的性能检验。该冷轧硅钢厂主要生产工艺流程为热轧钢带→一次冷轧→脱碳退火→二次冷轧→高温退火→拉伸平整退火。

磁场热处理的试验材料选用一次冷轧后厚度为0.63 mm的取向硅钢试样，试样尺寸为30 mm×300 mm(轧向)，采用脉冲磁场热处理装置进行脱碳退火试验。

1.2 试验装置与工艺方案

试验设备为自主研发设计的脉冲磁场热处理装置，如图1所示。该装置可实现最高退火温度为1200 ℃的磁场热处理试验。磁场处理退火炉外接脉冲电源，可以通过设置频率、峰值电流以及占空比来控制所施加的磁场强度。取向硅钢在脉冲磁场脱碳退火过程中，退火温度为780 ℃，退火时间为6 min，加磁温度为780 ℃，加磁时间为6 min，磁场强度分别为0、15、20和40 mT。

图1 脉冲磁场退火装置Fig.1 Pulsed magnetic field annealing device

低强度脉冲磁场脱碳退火试验完成后，用钼丝切割机切取试样，尺寸为15 mm×20 mm(轧向)，采用蔡司光学显微镜进行显微组织观察，利用X射线衍射仪完成宏观织构检测。

2 试验结果与讨论

2.1 脱碳退火过程中显微组织的变化

一次冷轧试样经脉冲磁场热处理后的轧向显微组织见图2。可以看出，经脉冲磁场热处理后试样的基体组织类型为铁素体。随着磁场强度的增加，取向硅钢显微组织沿着磁场方向即轧向延伸长大趋势较为明显。

采用Nano Measurer软件统计脉冲磁场脱碳退火后试样的平均晶粒尺寸，脉冲磁场退火后平均晶粒尺寸见表2。从图2和表2可以看出，随着脉冲磁场强度的增加，脱碳退火后试样的平均晶粒尺寸逐渐增加。在磁场强度为15 mT时，试样的平均晶粒尺寸较未经磁场热处理的增加15.94%；当磁场强度增加到20 mT，试样的平均晶粒尺寸则较15 mT磁场处理的增大20.77%；当磁场强度达到40 mT时，显微组织均匀性明显降低，晶粒尺寸增长幅度减小。产生这种现象的原因主要是在脉冲磁场的作用下，相邻晶粒存在的各向异性会产生自由能差，作为晶界移动的附加驱动力，会促进晶粒长大[5]。这种驱动力跟边界系数无关，而是从晶界出发，从自由能低的地方向自由能高的地方移动[6]。

表2 脉冲磁场退火后试样的平均晶粒尺寸

图3 不同脉冲磁场强度下取向硅钢脱碳退火后的晶粒尺寸分布Fig.3 Grain size distribution of the oriented silicon steel after decarburization annealing under different pulsed magnetic field intensities

由图3可以看出，与1号未施加磁场处理的试样相比，2～4号试样在脱碳退火过程中施加低强度脉冲磁场以后，取向硅钢铁素体晶粒尺寸分布明显改变，整体向大尺寸范围迁移，晶粒尺寸仍是以5～10 μm为主。随着磁场强度增加，晶粒尺寸为20～40 μm的晶粒增多，说明脉冲磁场对促进晶粒长大具有一定的选择性，且这种选择性与晶粒的原始位向有关。关于这方面的研究将作为今后的重点探索方向进行更深入的分析。

2.2 脱碳退火过程中宏观织构的变化

由于新晶粒长大是通过大角度晶界的迁移来完成的[7]，所以宏观织构也将发生很大的变化。采用X射线衍射技术测试了1～4号试样的{100}、{200}和{211}3张不完整极图，并按照级数展开法计算ODF强度，如图4所示。由图4可以看出，磁场热处理并不会改变取向硅钢的织构类型，1～4号试样的主要织构类型为γ织构{111}<112>、{111}<110>、立方织构{001}<110>、{112}<110>，其中最强峰值出现在{001}<110>。经过磁场热处理的试样，立方织构{001}<100>强度减弱，高斯织构{110}<001>和{111}<112>织构增强。已有的研究结果表明[8-9]，{111}<112>取向与{110}<001>Goss取向所形成的大角度晶界可以快速迁移，所以在后续的高温退火过程中{111}<112>织构会被Goss晶粒优先吞并长大，有利于获得更好的成品织构和磁性能。

图4 不同强度脉冲磁场热处理后取向硅钢的宏观织构Fig.4 Macro textures of the oriented silicon steel after pulsed magnetic field heat treatment under different intensities (a) 0 mT; (b) 15 mT; (c) 20 mT; (d) 40 mT

3 结论

1) 经过磁场热处理后，取向硅钢的基体组织主要为铁素体，脉冲磁场热处理会使取向硅钢平均晶粒尺寸增加。15 mT脉冲磁场热处理后的取向硅钢试样平均晶粒尺寸较未施加磁场的试样增加1.39 μm。

2) 磁场热处理不会改变取向硅钢的织构类型，经过脉冲磁场热处理后的取向硅钢试样，立方织构{001}<100>强度减弱，高斯织构{110}<001>和{111}<112>织构增强，有利于获得更好的成品织构和磁性能。