北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心
十周年技术成果专题报道
我国是全球最大的新能源汽车驱动电机及新能效家用电器电机制造市场。我国无取向电工钢企业亟需优化产品整体结构比例，优化产品质量及加大研发力度。特高压高能效输变电装备用超低损耗取向电工钢是特高压、高能效输变电变压器的核心材料之一，也是世界各国在取向硅钢领域竞相角逐的技术制高点。针对国家发展需要，北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心高端金属材料研究项目组承担了国家科技重大专项、自然科学基金及中央高校专项基金等纵向课题，同时与国家电网、鞍钢、宝武、马钢、宁钢、建龙、新钢、普天铁心等企业联合开发横向课题十余项，出版电工钢及织构方面的专著4部，在国内外发表电工钢方面论文约400篇。本文将介绍主要研究及进展。
壹
新能源汽车用无取向电工钢的研究与开发
1.1 热轧板分层典型织构研究
热轧板的典型特征是组织和织构沿板厚方向具有很强的不均匀性，后者可称为织构梯度。项目组研究了一种薄规格无取向电工钢热轧板在不同正火温度下的再结晶和晶粒长大行为。揭示了主要再结晶织构{114}<481>的形成和长大行为。发现热轧板中存在织构梯度，导致常化后表层和中心层的组织和织构存在差异。强{114}<481>再结晶织构起源于热轧板中心层变形α纤维晶粒的取向过渡区和晶界附近。{114}<481>晶粒的体积优势源于其低变形储能、低取向梯度、晶界较高的迁移率以及对周围变形组织的尺寸优势所带来的有利生长环境。在最终板材中，{100}<021>织构是最重要的织构，但{114}<481>晶粒表现出较大的体积分数。由于最终板材沿厚度方向平均只有4-5个晶粒，因此沿着厚度方向的织构梯度不再存在。
1.2 斜轧工艺下无取向电工钢织构演变及性能研究
无取向电工钢一直在追求低铁损、高磁感的最佳性能，但在传统的无取向电工生产工艺中，往往只能实现其中一个性能的优化，很难二者兼顾。项目组对Fe-0.74wt.%Si无取向电工钢热轧板采取了一种特殊冷轧方式，先沿热轧板轧制方向斜切若干个角度θ，再正常进行冷轧，探索不同斜轧角度对无取向硅钢组织、织构及磁性能的影响规律，同时辅以常化、退火工艺参数研究，最后对中低硅钢的斜轧工艺全流程组织、织构演变及磁性能变化进行分析。研究发现经过不同角度切割后，随着θ角变大，热轧板的初始织构发生了两种转变（见图1）：{100}<110>-{112}<110>→
{100}<021>-{114}<481>→
{100}<001>→{100}<021>→
{112}<111>，以及{110}<001>
-{110}<112>→{110}<110>。经常化、冷轧及退火处理后，斜轧样品的组织形貌与常规样品差别不大，但增大了λ织构含量，优化了退火板磁性能，其中以θ=30°的斜轧样品磁性能最优，铁损P15/50达到4.57W/kg，P10/400达到50.10W/kg，磁感B50为1.76T。
1.3 高硅无取向电工钢轧制过程中剪切带变化行为研究
无取向电工钢在冷轧变形过程中，随着压下量的增加晶粒逐渐被压扁伸长，压下量过高晶粒会变为平行于RD方向的条带状组织。随着组织形貌的改变，钢板内部的缺陷密度逐渐升高，大量位错增殖，这个过程中会形成各种组织，包括胞状组织、变形带和剪切带等。项目组研究了6.5wt.%Si钢温轧过程中的组织和织构演变，交叉轧制对成品板组织、织构和磁性能的影响，以及轧制组织中的变形带和剪切带。研究发现6.5wt.%Si钢工业热轧板的组织和织构不均匀性在一次中间退火板中仍然存在。在650℃温轧过程中存在{112}<110>→{112}<351>的织构演变路径。交叉轧制的引入提高了成品板的晶粒尺寸，增强了成品板中的λ织构，提高了磁性能。取向靠近<110>//TD线的晶粒具有很强的形成变形带的倾向。剪切带的形成受到晶粒取向和压下量的影响。
贰
超低损耗取向电工钢开发及产业化
2.1 取向电工钢二次再结晶异常长大锋锐高斯织构控制
特高压高能效输变电装备用超低损耗取向电工钢原材料的充分国产化不仅帮助变压器行业提高了供应链安全稳定性，而且成本占比大幅下降也带来可观的经济效益。项目组通过与鞍钢等企业合作，利用企业现有设备，进行成分、全流程工艺路线及半工艺路线设计，实现特高压高能效输变电装备用超低损耗取向电工钢流程及半工艺的开发及现有工艺参数优化，同时进行相关的机理性研究，成品板获得了二次再结晶异常长大晶粒及锋锐的高斯织构，见图2，获得了良好的磁性能。二次再结晶，亦称为晶粒异常长大，指的是金属材料在经历初次再结晶后，由于特定抑制因素的影响，导致大部分晶粒的生长速率减缓，唯有少数晶界迁移率较高的晶粒出现显著的异常长大现象。这种二次再结晶的过程将显著改变电工钢带材的微观组织和织构，进而影响其磁性能。在取向电工钢的生产中，利用钢材中弥散分布的第二相抑制剂，可以有效抑制大多数晶粒的正常生长，促使具有较高晶界迁移率的高斯取向（{110}<001>）晶粒吞并其他晶粒，进而实现二次再结晶，获得所需的强高斯织构。
2.2 低频超高饱和磁感应强度取向电工钢研究
柔性低频交流输电技术是一种面向未来长距离广域组网输电、陆上大规模新能源汇集送出、中远距离海上风电送出等应用场景的新技术。项目组特别针对中远距离海上风电送出应用场景，开发应用高饱和磁感取向电工钢是未来低频变压器技术发展迫切需解决的问题。项目组通过调研铁磁元素（Fe、Co、Ni）、抑制剂粒子形成元素（Mn、Al、N、S）及其他相关元素（C、Si、P）的作用机制与控制边界条件，研究Fe、Co、Si、Mn、Al典型元素对内禀磁性饱和磁感应强度极限的影响规律，成功设计一种低频超高饱和磁感应强度取向电工钢。结合不同合金元素的作用以及不同类型第二相粒子的析出行为，设计了全流程热轧和高温退火阶段关键工艺参数设计。
（北京科技大学副教授 李志超）
《世界金属导报》
2024年第50期 B06
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