合金冷板性能

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Fe－Si合金具有优异的软磁性能，硅含量为6．5％（质量分数，下同）的Fe－Si合金因其磁导率高、铁损低、磁致伸缩系数接近于零等优异软磁性能而具有广泛的潜在用途。常用的Fe－Si合金中Si少于3．5％，因为随着Si含量的增加，尤其是超过5％以后，由于B2（FeSi）和D03（Fe3Si）等有序相的出现，合金变得既硬又脆，使机械加工性能急剧恶化，难以采用常规的轧制方法加工成薄板［1］。长期以来，人们一直致力于Fe－6．5％Si合金薄板制备技术的开发。近些年，伴随着新制备工艺的出现，人们尝试通过避开该合金的脆性加工区来制备该合金薄板。例如，利用快速凝固工艺［2］、化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）工艺［3］等来制备该合金薄板。其中以CVD工艺的发展最为成熟，已投入商业化生产。有研究人员通过逐步增塑法，成功利用常规轧制得到了表面光滑、平整和厚度均匀的Fe－6．5％Si硅钢薄板［4－8］。Fe－6．5％Si合金作为一种软磁材料，主要用于制造高频电机和变压器的铁芯，一个铁芯往往需要上千片，甚至上万片叠片，普通硅钢用做铁芯的叠片一般通过冲压的方法获得，然而由于Fe－6．5％Si合金薄板的室温脆性，冷冲比较困难，而通过线切割、激光切割等方法成本较高，因而对Fe－6．5％Si合金薄板冲压性能进行研究对促进该合金的工业化应用有现实意义。对0．3mm厚的Fe－6．5％Si－300×10－6B合金薄板进行了从室温到250℃的拉伸实验，以及冲压实验，用扫描电镜分析其断口，初步获得了比较合理的冲压制度。

1实验材料及方法

以工业纯铁、金属硅（Si含量99％）、硼铁为原料，在真空感应炉中熔炼并浇铸成25kg铸锭，原料及铸锭成分如表1所示。铸锭在900～1000℃锻造开坯，在850～1050℃热轧至1mm，在350～650℃下温轧至0．5mm，然后在室温下冷轧至0．3mm，最终得到尺寸为0．30mm（厚）×65mm（宽）×450mm（长）的冷轧薄板，薄板的表面质量良好，边裂较少，宏观形貌如图1所示。拉伸样品采用冷轧得到的0．3mm厚的Fe－6．5Si－0．029B合金薄板，沿轧向线切割而成，标距尺寸为0．3mm×3mm×12mm。拉伸实验在带加热炉的DDL50高温电子万能试验机上进行，实验温度分别为RT，50，100，150，200，250℃，拉伸速率为1．0×10－3mm／s。拉伸断裂后用SUPRATM55场发射扫描电子显微镜观察其断口形貌。冲压实验采用自行设计模具冲压成环形样品，模具设计内径为32mm，外径为40mm，尺寸精度为IT8级。冲孔凸模直径32．02mm，凹模32．06mm；落料凸模直径为39．98mm，凹模40．02mm，双边间隙为0．04mm，相对间隙为13．3％，模具材料为Cr12，淬火后硬度为58～60HRC。

2实验结果及分析

0．3mm厚Fe－6．5％Si冷轧板试样在室温～250℃拉伸断裂后宏观形貌如图2所示，试样长度方向为轧制方向，即拉伸的轴向。样品上半部分打眼部分断裂为拉伸后人工折断所致。可以看出，室温下拉伸，断面垂直于轴向。50，100℃拉伸，断面开始倾斜与轴向成一定的角度，150，200，250℃拉伸后断裂方向基本与轴向呈45°方向夹角。Fe－6．5％Si冷轧板试样的拉伸曲线如图3所示。由于样品较薄，难以测量实际拉伸过程中的应变，所以应变通过夹具的位移变化计算。图3显示，在室温、50℃拉伸时，样品在弹性变形阶段发生断裂，没有表现出塑性。在100℃及以上拉伸时，材料表现出了一定的塑性变形。材料在100～250℃的断裂强度随温度变化很小，都在1200MPa附近。Fe－6．5％Si冷轧板试样拉伸后的断口形貌如图4所示，室温、50℃的断口形貌为纯解理断口，解理台阶很高，无塑性变形（图4（a），（b））；100，150℃的断口形貌绝大部分为解理断口，局部有韧窝，表现出一定的塑性（图4（c），（d））；200，250℃的断口呈现大量韧窝，但韧窝细小，塑性形变量较小（图4（e），（f））。拉伸实验结果显示，Fe－6．5％Si冷轧薄板在室温、50℃变形时脆性明显，在弹性变形阶段就发生断裂，断裂方式为解理断裂，断口与拉伸轴向基本垂直。在100℃及以上变形时，材料表现出一定的塑性，断口有一定的韧窝状，断裂方向与拉伸轴呈一定角度。冷轧薄板在室温和50℃变形时由于脆性严重，在弹性变形阶段由于应力集中，在没有达到屈服阶段就发生断裂。而在较高温度下可以有一定的塑性变形，因而断口与轴向呈45°，具有塑性断裂的特征。在250℃拉伸时，与0．3mm温轧板拉伸断口［9］相比，0．3mm冷轧薄板的拉伸断口中韧窝所占的比例比0．3mm温轧板的韧窝多，韧窝也要粗大，表现出了比温轧板更好的塑性。通过拉伸实验可知，在100℃以上时，材料表现出了一定的塑性，到200℃时就表现出了较好的塑性，可以满足冲压对材料塑性的要求，在200℃以下冲压就应该可以获得良好的断面。在冲压实验中，进行了RT，50，100，150，200℃五个不同温度的冲压实验。冷轧薄板在不同温度下冲压变形，冲压后的薄板的宏观形貌如图5所示，变形后的断面形貌如图6所示。图6（a）中A区域有明显的脱落现象，图6（b）中B，C，D分别指示圆角带、光亮带、断裂带。随着冲压温度的升高，光亮带区域变大，断裂带区域变小，光亮带和断裂带的平整度落差变小，断面垂直度提高。圆角带、光亮带、断裂带三部分在冲压件断面上所占的比例随材料的机械性能、凸模与凹模间隙、模具结构不同而变化。此实验只改变了冲压温度，其他条件并没有改变，所以断面质量只与冲压温度有关。由拉伸实验可知，随着拉伸温度的升高，材料的塑性提高，在冲压时延长了塑性变形阶段，推迟了裂纹的产生，增加了光亮带的高度。在室温冲压时断口有脱落现象，如图6（a）中A区域所示；150℃时断裂带所占比例已经很小，断面质量较好，光亮带面积约占整个断面的三分之二。一般冲压断面要求光亮带占整个断面的二分之一即为合格。综合加热成本、模具磨损等各方面因素，0．3mm厚的Fe－6．5Si－0．029B合金冷轧薄板，在双边可知，随着拉伸温度的升高，材料的塑性提高，在冲压时延长了塑性变形阶段，推迟了裂纹的产生，增加了光亮带的高度。在室温冲压时断口有脱落现象，如图6（a）中A区域所示；150℃时断裂带所占比例已经很小，断面质量较好，光亮带面积约占整个断面的三分之二。一般冲压断面要求光亮带占整个断面的二分之一即为合格。综合加热成本、模具磨损等各方面因素，0．3mm厚的Fe－6．5Si－0．029B合金冷轧薄板，在双边模具间隙为0．04，冲压温度为150℃的冲压制度是最合理的。不同冲压温度下断裂带形貌如图7所示，在室温下冲压时断口为解理断口，表现出脆性断裂；在50℃及以上冲压时，断裂带就有一定的韧窝状断口，表现出一定的塑性变形。这与图4拉伸断口形貌有所不同。在50℃冲压时就出现了韧窝，而在拉伸时并没有出现韧窝，这与冲压和拉伸变形时受的应力状态不同有关。拉伸时表现为单向拉应力，而在冲压时，由于模具带有压板和卸料板，在整个冲裁过程中，平均应力绝大部分为静水压应力，板料主要区域处于受压状态［10］，因而比拉伸表现出更好的塑性。

3结论

（1）100℃以下拉伸时，0．3mm厚Fe－6．5％Si冷轧薄板没有塑性，断口为解理断口；100℃及以上时，薄板表现出一定的塑性变形，出现韧窝断口。（2）0．3mm厚Fe－6．5％Si冷轧薄板在150℃冲压时，断裂带较小，光亮带较大，垂直度高，断面质量好，断面满足一般冲压变形要求。综合考虑，0．3mm厚冷轧薄板在双边模具间隙为0．04mm，冲压温度为150℃的冲压制度是合理的。（3）冷轧薄板冲压时，在50℃时就出现了韧窝，冲压变形时比拉伸时表现出更好的塑性。