取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2011.04.006 第33卷第4期 北京科技大学学报 Vol.33 No.4 2011年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2011 取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为 李 阳)✉ 毛卫民12 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:fcd1900@gmail.com 摘要利用场发射扫描电镜观察了以MS为主要抑制剂的普通取向电工钢加工过程中第二相粒子的分布状态，统计了粒 子面密度、平均尺寸以及相应的尺寸分布.结果显示，热轧加工造成了大量第二相粒子弥散、细小地析出，同时基体仍保持过 饱和状态.冷轧变形会造成第二相粒子的回溶行为，而基体的过饱和状态会减弱回溶现象.中间退火与脱碳退火过程中会同 时存在新粒子的形核及已析出粒子的粗化两个过程，而在最终二次再结晶升温阶段则以第二相粒子明显粗化为主、 关键词取向电工钢：第二相粒子；析出：抑制剂 分类号TG111.7:TM275 Precipitation behaviors of second-phase particles in grain-oriented electrical steels during manufacturing processes LI Yang,MAO Wei-min! 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author.E-mail:fcd1900@gmail.com ABSTRACT The distribution of second phase particles in conventional grain-oriented electrical steels during manufacturing processes with MnS as inhibitors was observed by field emission scanning electron microscopy,while the areal particle density,the average parti- cle size and the corresponding size distribution were statistically determined.It is indicated that hot rolling leads to dispersive precipita- tion of a large amount of fine second phase particles and the matrix keeps a supersaturated state further.Certain dissolution behaviors of second phase particles can be induced by cold rolling.in which the supersaturated state may reduce the dissolution.The precipitation nucleation of new particles and the coarsening of the particles coexist during the intermediate annealing and decarburizing annealing processes,after which the second-phase particles experience predominately the coarsening process during the final temperature rising stage of secondary recrystallization annealing. KEY WORDS grain oriented electrical steel:second-phase particles:precipitation:inhibitors 取向电工钢主要通过MnS等第二相粒子的钉 现，析出粒子为近球形，布满基体及晶界等位置，且 扎作用，抑制正常的晶粒长大，使Goss晶粒以二次 粒子随着温度升高而不断粗化、数量减少].Swf 再结晶的方式迅速长大并吞并周围晶粒，形成锋锐 等的研究也得到了类似的结论).这些对于第二相 的G0ss织构，获得优良的磁性能.因此，在加工过 析出的研究往往着重于热轧或脱碳退火等某一个单 程中，MnS等第二相的析出行为是控制取向电工钢 独的工艺环节.目前尚缺少对取向电工钢整体加工 组织、织构和性能的关键.Sun等运用高温蠕变的 流程中第二相粒子演变行为的研究.在取向电工钢 方法模拟了取向电工钢热轧时第二相的析出行为并 生产加工过程中的每一个工序都会对第二相粒子的 建立了MnS形核的动力学模型).Flowers等对脱 析出行为产生直接影响；该影响还会延续到后续工 碳退火及高温退火升温阶段的第二相析出的研究发 序，并决定了二次再结晶之前第二相粒子的分布状 收稿日期：201006-28 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。.50871015);冶金工程研究院基础理论研究基金资助项目(Y订2010-005)

第 33 卷 第 4 期 2011 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 4 Apr． 2011 取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为 李 阳1)  毛卫民1，2) 1) 北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京 100083  通信作者，E-mail: fcd1900@ gmail． com 摘 要 利用场发射扫描电镜观察了以 MnS 为主要抑制剂的普通取向电工钢加工过程中第二相粒子的分布状态，统计了粒 子面密度、平均尺寸以及相应的尺寸分布． 结果显示，热轧加工造成了大量第二相粒子弥散、细小地析出，同时基体仍保持过 饱和状态． 冷轧变形会造成第二相粒子的回溶行为，而基体的过饱和状态会减弱回溶现象． 中间退火与脱碳退火过程中会同 时存在新粒子的形核及已析出粒子的粗化两个过程，而在最终二次再结晶升温阶段则以第二相粒子明显粗化为主． 关键词 取向电工钢; 第二相粒子; 析出; 抑制剂 分类号 TG111. 7; TM275 Precipitation behaviors of second-phase particles in grain-oriented electrical steels during manufacturing processes LI Yang1)  ，MAO Wei-min1，2) 1) School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: fcd1900@ gmail． com ABSTRACT The distribution of second phase particles in conventional grain-oriented electrical steels during manufacturing processes with MnS as inhibitors was observed by field emission scanning electron microscopy，while the areal particle density，the average parti￾cle size and the corresponding size distribution were statistically determined． It is indicated that hot rolling leads to dispersive precipita￾tion of a large amount of fine second phase particles and the matrix keeps a supersaturated state further． Certain dissolution behaviors of second phase particles can be induced by cold rolling，in which the supersaturated state may reduce the dissolution． The precipitation nucleation of new particles and the coarsening of the particles coexist during the intermediate annealing and decarburizing annealing processes，after which the second-phase particles experience predominately the coarsening process during the final temperature rising stage of secondary recrystallization annealing． KEY WORDS grain oriented electrical steel; second-phase particles; precipitation; inhibitors 收稿日期: 2010--06--28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( No． 50871015) ; 冶金工程研究院基础理论研究基金资助项目( YJ2010--005) 取向电工钢主要通过 MnS 等第二相粒子的钉 扎作用，抑制正常的晶粒长大，使 Goss 晶粒以二次 再结晶的方式迅速长大并吞并周围晶粒，形成锋锐 的 Goss 织构，获得优良的磁性能． 因此，在加工过 程中，MnS 等第二相的析出行为是控制取向电工钢 组织、织构和性能的关键． Sun 等运用高温蠕变的 方法模拟了取向电工钢热轧时第二相的析出行为并 建立了 MnS 形核的动力学模型［1］． Flowers 等对脱 碳退火及高温退火升温阶段的第二相析出的研究发 现，析出粒子为近球形，布满基体及晶界等位置，且 粒子随着温度升高而不断粗化、数量减少［2］． Swift 等的研究也得到了类似的结论［3］． 这些对于第二相 析出的研究往往着重于热轧或脱碳退火等某一个单 独的工艺环节． 目前尚缺少对取向电工钢整体加工 流程中第二相粒子演变行为的研究． 在取向电工钢 生产加工过程中的每一个工序都会对第二相粒子的 析出行为产生直接影响; 该影响还会延续到后续工 序，并决定了二次再结晶之前第二相粒子的分布状 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.04.006

·440· 北京科技大学学报 第33卷 态.由此可见，整体把握第二相在整个加工过程中 察时，将从钢板上切割截取下的试样沿厚度方向打 的析出行为及其分布规律的演变十分重要. 磨减薄至中心部位，以排除表面对第二相粒子的干 1实验方法 扰，选取轧面作为观察平面，观察面积达到610μm'. 其后，应用Imagetool图像处理软件对照片视场中尺 选取以MnS为主要抑制剂的普通取向电工钢 寸为10~100nm的粒子进行统计，归纳出第二相粒 热轧板作实验原料山，其成分（质量分数）为： 子面密度以及平均尺寸随加工过程的变化规律. C0.25%0.30%,Si3.0%3.1%,Mn0.05% 2实验结果 0.12%.S0.015%-0.028%.P0.003%-0.006%, A10.003%~0.007%,N0.003%≈0.006%.采用 图1给出用FE-SEM观察到的各工艺环节第 一次冷轧、中间退火、二次冷轧和脱碳退火工序制成 二相粒子分布状态的示例.图中白色颗粒为第二相 0.3mm厚冷轧样品，然后将样品加热到高温二次再 析出粒子，其形状呈近球形，弥散地分布在基体中 结晶出现之前的875℃，随后快冷4].通过场发射 从图中可以大致观察到析出粒子的密度与尺寸.二 扫描电子显微镜(FE-SEM)分别观察热轧、一次冷 次冷轧后粒子数目明显减少；同时，中间退火与脱碳 轧、中间退火、二次冷轧、脱碳退火以及最终加热至 退火后，观察到部分尺寸较粗大的粒子；最终升温至 875℃六个工艺环节后样品的第二相粒子分布.观 875℃时，粒子尺寸明显增大 0.2 um 0.2 um 02m 图1各工艺环节第二相析出粒子的观察.()热轧：(b)一次冷轧：(c)中间退火：(d二次冷轧：(c)脱碳退火：()加热至875℃ Fig.1 Observation of second-phase particles in different production stages:a)hot rolling:(b)first-stage cold rolling:(c)intermediate annea- ling:d)second-stage cold rolling:e)decarburizing annealing:(f)annealing up to 875 C

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 态． 由此可见，整体把握第二相在整个加工过程中 的析出行为及其分布规律的演变十分重要． 1 实验方法 选取以 MnS 为主要抑制剂的普通取向电工钢 热轧 板 作 实 验 原 料［1］，其 成 分 ( 质 量 分 数) 为: C 0. 25% ～ 0. 30% ，Si 3. 0% ～ 3. 1% ，Mn 0. 05% ～ 0. 12% ，S 0. 015% ～ 0. 028% ，P 0. 003% ～ 0. 006% ， Al 0. 003% ～ 0. 007% ，N 0. 003% ～ 0. 006% ． 采用 一次冷轧、中间退火、二次冷轧和脱碳退火工序制成 0. 3 mm 厚冷轧样品，然后将样品加热到高温二次再 结晶出现之前的 875 ℃，随后快冷［4--5］． 通过场发射 扫描电子显微镜( FE--SEM) 分别观察热轧、一次冷 轧、中间退火、二次冷轧、脱碳退火以及最终加热至 875 ℃ 六个工艺环节后样品的第二相粒子分布． 观 察时，将从钢板上切割截取下的试样沿厚度方向打 磨减薄至中心部位，以排除表面对第二相粒子的干 扰，选取轧面作为观察平面，观察面积达到610 μm2 ． 其后，应用 Imagetool 图像处理软件对照片视场中尺 寸为 10 ～ 100 nm 的粒子进行统计，归纳出第二相粒 子面密度以及平均尺寸随加工过程的变化规律． 2 实验结果 图 1 给出用 FE--SEM 观察到的各工艺环节第 二相粒子分布状态的示例． 图中白色颗粒为第二相 析出粒子，其形状呈近球形，弥散地分布在基体中． 从图中可以大致观察到析出粒子的密度与尺寸． 二 次冷轧后粒子数目明显减少; 同时，中间退火与脱碳 退火后，观察到部分尺寸较粗大的粒子; 最终升温至 875 ℃时，粒子尺寸明显增大． 图 1 各工艺环节第二相析出粒子的观察． ( a) 热轧; ( b) 一次冷轧; ( c) 中间退火; ( d) 二次冷轧; ( e) 脱碳退火; ( f) 加热至 875 ℃ Fig． 1 Observation of second-phase particles in different production stages: ( a) hot rolling; ( b) first-stage cold rolling; ( c) intermediate annea￾ling; ( d) second-stage cold rolling; ( e) decarburizing annealing; ( f) annealing up to 875 ℃ ·440·

第4期 李阳等：取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为 ·441· 对所观察析出粒子面密度及平均尺寸的统计结 (图3(a)),并带有少量新粒子形核（图3(a)),因 果如图2所示.第二相粒子析出的面密度与平均尺 此平均尺寸基本不变而平均粒子密度降低（图2）· 寸随加工流程不断起伏变化.热轧后，面密度最高 二次冷轧后，30nm以下小尺寸粒子量大幅下降 而平均尺寸最小：一次冷轧后，面密度略有降低，平 (图3(b)),也造成了粒子密度下降和平均尺寸上 均尺寸增大；中间退火后，面密度进一步降低，平均 升（图2）.脱碳退火后，各尺寸范围粒子数目均有 尺寸变化不大；二次冷轧后，面密度大幅下降，平均 所增加（图3(b)),使得粒子密度明显上升，但平均 尺寸增大：脱碳退火后，面密度重新上升，平均尺寸 尺寸仍有所下降（图2），说明脱碳退火以新粒子形 略有下降：升温至875℃时，面密度迅速下降，平均 核过程为主.升温至875℃，小尺寸粒子数目迅速 尺寸明显上升 减少而大尺寸粒子增加（图3(b)),造成粒子密度 一面密度 和平均尺寸分别达到试验过程所观察到的最低和最 2☑析出尺寸 高值（图2），突出地反映了该过程中的粒子粗化 行为. 30 3讨论 20 取向电工钢中形成的MnS等第二相粒子主要 在高温退火的升温阶段钉扎晶界的迁移，阻碍正常 的晶粒长大，使得基体保持较小的晶粒尺寸，G0ss 晶粒在这种情况下很容易通过二次再结晶的方式吞 热轧 一次 中间 脱碳加热至 冷轧 退火 冷轧 退火 875℃ 并周围晶粒而迅速长大，最终形成锋锐的G0ss织 图2各工艺流程第二相粒子的面密度及平均析出尺寸 构，获得优良的磁性能6.根据Zener对第二相钉 Fig.2 Areal density and mean particle size of second-phase particles 扎作用的分析，第二相粒子的体积分数越大，尺寸越 in different production stages 小，其钉扎阻力越大.因此，在取向电工钢的加工 流程中希望控制第二相粒子以大量细小的形式析 每一工艺环节析出粒子的尺寸分布如图3所 出，进而在二次再结晶发生之前保持足够高的对普 示.热轧后，主要以20m以下的小尺寸析出为主， 通晶粒边界迁移的抑制力，为Goss取向晶粒的二次 大尺寸颗粒比例很小（图3(a)).一次冷轧后， 再结晶长大提供便利条件[图] 20nm以下的粒子数目明显减少（图3(a)),造成了 由图2所示变化规律可见，取向电工钢中第二 粒子密度下降和平均尺寸上升（图2）·中间退火 相粒子大量地在热轧时弥散析出，以30nm以下的 后，20nm以下粒子数目变化不大，20~50nm范围 小尺寸析出为主（图3(a)).Sun等的研究结果表 内粒子数目有所降低而50m以上大尺寸粒子数目 明，热轧时MnS以在位错处的非自发形核为主 增加，表明中间退火过程以析出粒子的粗化为主 所观察区域选在样品心部，其组织主要为轧制变形 (a) 12000f 12000 ☐热轧 口二次冷轧 10000 口一次冷轧 10000 口脱碳退火 ☑中间退火 ☑加热至875℃ 8000 8000 6000 6000 4000 4000 2000 2000 2030405060708090100 20 3040506070809000 析出粒子尺寸nm 析出粒子尺寸/mm 图3各工艺环节第二相粒子的尺寸分布.()热轧、一次冷轧及中间退火粒子尺寸分布：(b)二次冷轧、脱碳退火及加热至875℃粒子尺 寸分布 Fig.3 Size distribution of second-phase particles in different production stages:(a)after hot rolling,first-stage cold rolling and intermediate annea- ling:(b)after second-stage cold rolling.decarburizing annealing and annealing up to 875C

第 4 期 李 阳等: 取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为 对所观察析出粒子面密度及平均尺寸的统计结 果如图 2 所示． 第二相粒子析出的面密度与平均尺 寸随加工流程不断起伏变化． 热轧后，面密度最高 而平均尺寸最小; 一次冷轧后，面密度略有降低，平 均尺寸增大; 中间退火后，面密度进一步降低，平均 尺寸变化不大; 二次冷轧后，面密度大幅下降，平均 尺寸增大; 脱碳退火后，面密度重新上升，平均尺寸 略有下降; 升温至 875 ℃ 时，面密度迅速下降，平均 尺寸明显上升． 图 2 各工艺流程第二相粒子的面密度及平均析出尺寸 Fig． 2 Areal density and mean particle size of second-phase particles in different production stages 图 3 各工艺环节第二相粒子的尺寸分布． ( a) 热轧、一次冷轧及中间退火粒子尺寸分布; ( b) 二次冷轧、脱碳退火及加热至 875 ℃粒子尺 寸分布 Fig． 3 Size distribution of second-phase particles in different production stages: ( a) after hot rolling，first-stage cold rolling and intermediate annea￾ling; ( b) after second-stage cold rolling，decarburizing annealing and annealing up to 875 ℃ 每一工艺环节析出粒子的尺寸分布如图 3 所 示． 热轧后，主要以 20 nm 以下的小尺寸析出为主， 大尺寸颗粒比例很小 ( 图 3 ( a ) ) ． 一次冷轧后， 20 nm以下的粒子数目明显减少( 图 3( a) ) ，造成了 粒子密度下降和平均尺寸上升( 图 2) ． 中间退火 后，20 nm 以下粒子数目变化不大，20 ～ 50 nm 范围 内粒子数目有所降低而 50 nm 以上大尺寸粒子数目 增加，表明中间退火过程以析出粒子的粗化为主 ( 图 3( a) ) ，并带有少量新粒子形核( 图 3( a) ) ，因 此平均尺寸基本不变而平均粒子密度降低( 图 2) ． 二次冷轧后，30 nm 以下小尺寸粒子量大幅下降 ( 图 3( b) ) ，也造成了粒子密度下降和平均尺寸上 升( 图 2) ． 脱碳退火后，各尺寸范围粒子数目均有 所增加( 图 3( b) ) ，使得粒子密度明显上升，但平均 尺寸仍有所下降( 图 2) ，说明脱碳退火以新粒子形 核过程为主． 升温至 875 ℃，小尺寸粒子数目迅速 减少而大尺寸粒子增加( 图 3( b) ) ，造成粒子密度 和平均尺寸分别达到试验过程所观察到的最低和最 高值( 图 2) ，突出地反映了该过程中的粒子粗化 行为． 3 讨论 取向电工钢中形成的 MnS 等第二相粒子主要 在高温退火的升温阶段钉扎晶界的迁移，阻碍正常 的晶粒长大，使得基体保持较小的晶粒尺寸，Goss 晶粒在这种情况下很容易通过二次再结晶的方式吞 并周围晶粒而迅速长大，最终形成锋锐的 Goss 织 构，获得优良的磁性能［6］． 根据 Zener 对第二相钉 扎作用的分析，第二相粒子的体积分数越大，尺寸越 小，其钉扎阻力越大［7］． 因此，在取向电工钢的加工 流程中希望控制第二相粒子以大量细小的形式析 出，进而在二次再结晶发生之前保持足够高的对普 通晶粒边界迁移的抑制力，为 Goss 取向晶粒的二次 再结晶长大提供便利条件［8］． 由图 2 所示变化规律可见，取向电工钢中第二 相粒子大量地在热轧时弥散析出，以 30 nm 以下的 小尺寸析出为主( 图 3( a) ) ． Sun 等的研究结果表 明，热轧时 MnS 以在位错处的非自发形核为主［1］． 所观察区域选在样品心部，其组织主要为轧制变形 ·441·

·442· 北京科技大学学报 第33卷 组织.热加工变形过程产生的大量位错为粒子析 所消耗，但因为同时存在着新粒子的形核，其数目略 出提供了充足的形核位置，也导致热轧后获得了最 有增加.综合新形核与粗化两个过程，中间退火后 高的析出密度（图2）·热轧的终轧温度通常高于 粒子的面密度降低而尺寸变化不大，但整体来看会 800℃，变形温度越高，第二相粒子的析出长大驱动 使基体的过饱和度和析出驱动力明显下降 力越低：同时动态变形过程中位错密度的持续起伏 较一次冷轧而言，二次冷轧粒子面密度降低的 变化，以及滑移位错对析出粒子可能的切割作用等 幅度要大得多，这可能是由两次冷轧前不同的状态 复杂基体环境也使析出粒子难以获得稳定粗化条 造成的.取向电工钢的热轧往往在很短的时间内就 件.因此，热轧后试样的快速冷却可使第二相粒子 可以完成，这时并不能达到平衡析出状态，基体仍保 保持大量细小的析出形式（图2）. 留一定的过饱和度，这种过饱和度会在中间退火之 研究表明[]，终轧与卷取温度强烈影响热轧后 前保持下来.过饱和基体及其相应的析出驱动力会 第二相析出的状态；在晶界或位错上形核时MS形 阻碍一次冷轧时的回溶行为，因此一次冷轧后粒子 核动力学过程呈C曲线特征，900℃析出时粒子密 面密度的降低幅度不大（图2）·二次冷轧前钢板经 度最大.终轧温度过高，因析出驱动力降低减少了 历了中间退火，其间粒子的析出粗化行为使基体的 析出量，从而造成冷却后基体的过饱和度增大，为后 过饱和度下降，因而降低了二次冷轧过程中粒子回 续加热过程的析出提供了驱动力；终轧温度过低可 溶行为的阻碍，使粒子密度降幅明显（图2） 造成热轧板内第二相粒子较充分地析出，易使后续 与中间退火同理，脱碳退火同样存在着新相的 热过程以粒子粗化为主，减弱抑制剂的钉扎效果. 析出与已析出相的粗化两个过程.一方面，基体的 由此可见，需要在随后的中间退火与脱碳退火时相 过饱和度与退火的工艺参数同时影响新粒子形核与 应地调整工艺参数，确保MnS粒子在二次再结晶之 粗化这两个过程.二次冷轧回溶现象会提高基体的 前的钉扎作用 过饱和度，并促进脱碳退火时新粒子的析出形核；且 析出粒子的面密度在两次冷轧过后都比前一工 新粒子的形核位置往往会出现在粒子变形回溶的位 序明显降低、平均尺寸有所增大（图2），且20m以 置，弥散而细小.另一方面，脱碳退火过程也存在粒 下的小尺寸粒子大幅度减少（图3）.对冷变形过程 子粗化行为.综合新粒子形核及已有粒子粗化两个 中碳化物行为的研究表明1-，碳化物在冷变形过 因素，脱碳退火后各尺寸区间内第二相析出粒子的 程中存在着回溶现象.产生这一现象的主要原因在 数目均有所增加（图3(b))· 于C原子回溶后会在刃位错上富集，进而松弛刃位 在升温至875℃的最终退火过程中，第二相粒 错的应力，使位错能量降低.当能量降低幅度超过 子的面密度显著下降而平均尺寸显著增大（图2）， 回溶造成体系吉布斯自由能的增高时就会产生回溶 小尺寸粒子数目明显降低（图3(b)).由于基体的 的驱动力.取向电工钢的第二相体系中含有一部分 析出驱动力已经大体耗尽，该过程中基本没有新粒 碳化物，因而会在冷变形过程中发生回溶现象.另 子形核行为.粒子粗化主导的退火加热使粒子密度 外，Mn原子与Fe原子的原子半径差异不大，而S原 迅速下降而尺寸上升（图2）.弥散的第二相粒子阻 子的尺寸明显小于F原子，如果代位固溶的S原子 碍了晶粒的正常长大过程；当其间G0ss取向晶粒获 在位错附近富集以松弛位错应力，同样可以降低位 得长大优势后，第二相粒子在最终加热升温过程中 错的能量.由此推断，MnS粒子也有可能在冷变形 的这种逐渐粗化行为为Goss晶粒的二次再结晶长 过程中出现回溶现象.第二相粒子的上述回溶行为 大提供了良好的条件 应该是造成两次冷轧后析出面密度的降低的原因. 但是，这一现象明显易于发生在小尺寸粒子中，小尺 4结论 寸粒子的明显减少使得第二相粒子的平均尺寸有所 (1)取向电工钢的生产过程中，热轧加工是钢 增大（见图2和图3）. 中第二相粒子弥散析出的重要过程：热轧后钢板获 中间退火过程中，同时存在着新粒子的形核与 得非常高的粒子密度并且粒子尺寸细小，弥散地分 已析出相的粗化两个过程.粗化过程中，小尺寸粒 布于基体中.同时，热轧板仍保持着一定的过饱和 子溶解而大尺寸粒子粗化，因此20~50m的粒子 度，为后续加工过程的继续析出提供了条件.就具 数目减少，而50nm以上的粒子数目有所增加.大 体工艺参数而言，提高终轧温度有利于后续工艺中 尺寸粒子的粗化也同时会消耗基体的析出驱动力. 第二相弥散细小的析出并避免已析出粒子的粗化. 对于20m以下的小尺寸粒子，虽然粗化过程中有 后续退火工艺参数应与热轧加工参数相配合，以期

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 组织［9］． 热加工变形过程产生的大量位错为粒子析 出提供了充足的形核位置，也导致热轧后获得了最 高的析出密度( 图 2) ． 热轧的终轧温度通常高于 800 ℃，变形温度越高，第二相粒子的析出长大驱动 力越低; 同时动态变形过程中位错密度的持续起伏 变化，以及滑移位错对析出粒子可能的切割作用等 复杂基体环境也使析出粒子难以获得稳定粗化条 件． 因此，热轧后试样的快速冷却可使第二相粒子 保持大量细小的析出形式( 图 2) ． 研究表明［10］，终轧与卷取温度强烈影响热轧后 第二相析出的状态; 在晶界或位错上形核时 MnS 形 核动力学过程呈 C 曲线特征，900 ℃ 析出时粒子密 度最大． 终轧温度过高，因析出驱动力降低减少了 析出量，从而造成冷却后基体的过饱和度增大，为后 续加热过程的析出提供了驱动力; 终轧温度过低可 造成热轧板内第二相粒子较充分地析出，易使后续 热过程以粒子粗化为主，减弱抑制剂的钉扎效果． 由此可见，需要在随后的中间退火与脱碳退火时相 应地调整工艺参数，确保 MnS 粒子在二次再结晶之 前的钉扎作用． 析出粒子的面密度在两次冷轧过后都比前一工 序明显降低、平均尺寸有所增大( 图 2) ，且 20 nm 以 下的小尺寸粒子大幅度减少( 图 3) ． 对冷变形过程 中碳化物行为的研究表明［11--12］，碳化物在冷变形过 程中存在着回溶现象． 产生这一现象的主要原因在 于 C 原子回溶后会在刃位错上富集，进而松弛刃位 错的应力，使位错能量降低． 当能量降低幅度超过 回溶造成体系吉布斯自由能的增高时就会产生回溶 的驱动力． 取向电工钢的第二相体系中含有一部分 碳化物，因而会在冷变形过程中发生回溶现象． 另 外，Mn 原子与 Fe 原子的原子半径差异不大，而 S 原 子的尺寸明显小于 Fe 原子，如果代位固溶的 S 原子 在位错附近富集以松弛位错应力，同样可以降低位 错的能量． 由此推断，MnS 粒子也有可能在冷变形 过程中出现回溶现象． 第二相粒子的上述回溶行为 应该是造成两次冷轧后析出面密度的降低的原因． 但是，这一现象明显易于发生在小尺寸粒子中，小尺 寸粒子的明显减少使得第二相粒子的平均尺寸有所 增大( 见图 2 和图 3) ． 中间退火过程中，同时存在着新粒子的形核与 已析出相的粗化两个过程． 粗化过程中，小尺寸粒 子溶解而大尺寸粒子粗化，因此 20 ～ 50 nm 的粒子 数目减少，而 50 nm 以上的粒子数目有所增加． 大 尺寸粒子的粗化也同时会消耗基体的析出驱动力． 对于 20 nm 以下的小尺寸粒子，虽然粗化过程中有 所消耗，但因为同时存在着新粒子的形核，其数目略 有增加． 综合新形核与粗化两个过程，中间退火后 粒子的面密度降低而尺寸变化不大，但整体来看会 使基体的过饱和度和析出驱动力明显下降． 较一次冷轧而言，二次冷轧粒子面密度降低的 幅度要大得多，这可能是由两次冷轧前不同的状态 造成的． 取向电工钢的热轧往往在很短的时间内就 可以完成，这时并不能达到平衡析出状态，基体仍保 留一定的过饱和度，这种过饱和度会在中间退火之 前保持下来． 过饱和基体及其相应的析出驱动力会 阻碍一次冷轧时的回溶行为，因此一次冷轧后粒子 面密度的降低幅度不大( 图 2) ． 二次冷轧前钢板经 历了中间退火，其间粒子的析出粗化行为使基体的 过饱和度下降，因而降低了二次冷轧过程中粒子回 溶行为的阻碍，使粒子密度降幅明显( 图 2) ． 与中间退火同理，脱碳退火同样存在着新相的 析出与已析出相的粗化两个过程． 一方面，基体的 过饱和度与退火的工艺参数同时影响新粒子形核与 粗化这两个过程． 二次冷轧回溶现象会提高基体的 过饱和度，并促进脱碳退火时新粒子的析出形核; 且 新粒子的形核位置往往会出现在粒子变形回溶的位 置，弥散而细小． 另一方面，脱碳退火过程也存在粒 子粗化行为． 综合新粒子形核及已有粒子粗化两个 因素，脱碳退火后各尺寸区间内第二相析出粒子的 数目均有所增加( 图 3( b) ) ． 在升温至 875 ℃ 的最终退火过程中，第二相粒 子的面密度显著下降而平均尺寸显著增大( 图 2) ， 小尺寸粒子数目明显降低( 图 3( b) ) ． 由于基体的 析出驱动力已经大体耗尽，该过程中基本没有新粒 子形核行为． 粒子粗化主导的退火加热使粒子密度 迅速下降而尺寸上升( 图 2) ． 弥散的第二相粒子阻 碍了晶粒的正常长大过程; 当其间 Goss 取向晶粒获 得长大优势后，第二相粒子在最终加热升温过程中 的这种逐渐粗化行为为 Goss 晶粒的二次再结晶长 大提供了良好的条件［13］． 4 结论 ( 1) 取向电工钢的生产过程中，热轧加工是钢 中第二相粒子弥散析出的重要过程; 热轧后钢板获 得非常高的粒子密度并且粒子尺寸细小，弥散地分 布于基体中． 同时，热轧板仍保持着一定的过饱和 度，为后续加工过程的继续析出提供了条件． 就具 体工艺参数而言，提高终轧温度有利于后续工艺中 第二相弥散细小的析出并避免已析出粒子的粗化． 后续退火工艺参数应与热轧加工参数相配合，以期 ·442·

第4期 李阳等：取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为 ·443· 在二次再结品之前获得最佳的第二相粒子分布 zation of grain-oriented Si steel.J MagnMagn Mater.2003,254/ 状态. 255:334 [6]May J E,Tumbull D.Secondary recrystallization in silicon iron. (2)在两次冷轧过程中，基体中的细小第二相 Trans Metall Soc AlME,1958.212:769 粒子存在回溶行为，并导致粒子密度的降低和平均 [7]Hillert M.On the theory of normal and abnormal grain growth.Ac- 粒子尺寸的增大.基体中残留的析出驱动力会一定 ta Metall,1965,13(3),227 程度上阻碍细小第二相粒子的回溶. [8]Nakae H,Tagashira K.Effects of impurities on grain growth in (3)在中间退火与脱碳退火过程中，同时存在 strain-anneal and secondary recrystallization of Fe3.25%Si alloy 着新粒子的析出形核与已析出粒子的粗化过程；在 Trans J1M.1973,14:15 [9]Matsuo M,Sakai T,Suga Y.Origin and development of through- 二次再结品退火的加热升温过程中第二相粒子则以 the-hickness variations of texture in the processing of grain-orien- 粗化过程为主，以便为G0ss晶粒的异常长大提供 ted silicon steel.Metall Trans A.1986.17(8):1313 条件 [10]An Z G.Mao W M.Precipitation nucleation behaviors of MnS particles in a grain-oriented electrical steel.Trans Mater Heat 参考文献 Team,2010,31(2):45 [1]Sun W P.Militzer M,Jonas JJ.Strain-induced nucleation of MnS (安治国，毛卫民.取向电工钢中MS粒子析出形核行为 in electrical steels.Metall Trans A.1992,23(3):821 材料热处理学报，2010,31(2)：45) [2]Flowers J W Jr.Karas S P.Coalescence of sulfides during second- [11]Mukoseev A G,Shabashov VA,Sagaradze VV,et al.Dissolu- ary growth in 3%silicon-iron.J Appl Phys.1967.38(3):1085 tion of carbon in Niat.Fe upon strong cold deformation.Ma- 3]Swift W M.Kinetics of MnS precipitate coarsening in 3pct Si-Fe ter Sci Eng A,2001,316(1/2):174 sheet.Metall Trans,1973.4(1):153 [12]Languillaume J,Kapelski G,Baudelet B.Cementite dissolution [4]Lin P,Palumbo G.Harase J.et al.Coincidence site lattice in heavily cold drawn pearlitic steel wires.Acta Mater.1997,45 CSL)grain boundaries and goss texture development Fe3%Si (3):1201 alloy.Acta Mater,1996,44(12):4677 [13]Park J Y.Han K S.Woo JS,et al.Influence of primary annea- [5]TakamiyaT.Kurosawa M.Komatsubara M.Effect of hydrogen ling condition on texture development in grain oriented electrical content in the final annealing atmosphere on secondary recrystalli- steels.Acta Mater,2002.50(7):1825

第 4 期 李 阳等: 取向电工钢加工过程中第二相粒子的析出行为 在二次再结晶之前获得最佳的第二相粒子分布 状态． ( 2) 在两次冷轧过程中，基体中的细小第二相 粒子存在回溶行为，并导致粒子密度的降低和平均 粒子尺寸的增大． 基体中残留的析出驱动力会一定 程度上阻碍细小第二相粒子的回溶． ( 3) 在中间退火与脱碳退火过程中，同时存在 着新粒子的析出形核与已析出粒子的粗化过程; 在 二次再结晶退火的加热升温过程中第二相粒子则以 粗化过程为主，以便为 Goss 晶粒的异常长大提供 条件． 参 考 文 献 ［1］ Sun W P，Militzer M，Jonas J J． Strain-induced nucleation of MnS in electrical steels． Metall Trans A，1992，23( 3) : 821 ［2］ Flowers J W Jr，Karas S P． Coalescence of sulfides during second￾ary growth in 3% silicon-iron． J Appl Phys，1967，38( 3) : 1085 ［3］ Swift W M． Kinetics of MnS precipitate coarsening in 3pct Si-Fe sheet． Metall Trans，1973，4( 1) : 153 ［4］ Lin P，Palumbo G，Harase J，et al． Coincidence site lattice ( CSL) grain boundaries and goss texture development Fe-3% Si alloy． Acta Mater，1996，44( 12) : 4677 ［5］ Takamiya T，Kurosawa M，Komatsubara M． Effect of hydrogen content in the final annealing atmosphere on secondary recrystalli￾zation of grain-oriented Si steel． J Magn Magn Mater，2003，254 / 255: 334 ［6］ May J E，Turnbull D． Secondary recrystallization in silicon iron． Trans Metall Soc AIME，1958，212: 769 ［7］ Hillert M． On the theory of normal and abnormal grain growth． Ac￾ta Metall，1965，13( 3) ，227 ［8］ Nakae H，Tagashira K． Effects of impurities on grain growth in strain-anneal and secondary recrystallization of Fe-3. 25% Si alloy． Trans JIM，1973，14: 15 ［9］ Matsuo M，Sakai T，Suga Y． Origin and development of through￾the-thickness variations of texture in the processing of grain-orien￾ted silicon steel． Metall Trans A，1986，17( 8) : 1313 ［10］ An Z G，Mao W M． Precipitation nucleation behaviors of MnS particles in a grain-oriented electrical steel． Trans Mater Heat Treat，2010，31( 2) : 45 ( 安治国，毛卫民． 取向电工钢中 MnS 粒子析出形核行为． 材料热处理学报，2010，31( 2) : 45) ［11］ Mukoseev A G，Shabashov V A，Sagaradze V V，et al． Dissolu￾tion of carbon in Ni-1at． % Fe upon strong cold deformation． Ma￾ter Sci Eng A，2001，316( 1 /2) : 174 ［12］ Languillaume J，Kapelski G，Baudelet B． Cementite dissolution in heavily cold drawn pearlitic steel wires． Acta Mater，1997，45 ( 3) : 1201 ［13］ Park J Y，Han K S，Woo J S，et al． Influence of primary annea￾ling condition on texture development in grain oriented electrical steels． Acta Mater，2002，50( 7) : 1825 ·443·