低铁损高磁感无取向系列电工钢的研制

低铁损高磁感无取向系列电工钢的研制
张新仁 谢晓心
摘 要：采用正交方案研究了不同Si 、Mn 、P 、Sn/Sb 、B 、N 等元素组成试料及后工序主要工艺参数对磁性影响规律,提出了可供大生产试制P 15/50=4.00-8.00 W/kg 范围、B 50比现行对应各牌号普通硅钢高0.1 T(B 50≥1.75～1.80 T)以上、适合作中小型高效电机铁芯材料的低铁损高磁感系列无取向电工钢成分及主要工艺参数组成方案。

关键词：高磁感 低铁损 无取向电工钢 高效电机
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF LOW IRON LOSS HIGH MAGNETIC INDUCTIVITY NON —ORIENTED
SILICON STEEL SERIES
Zhang Xinren Xie Xiaoxin (Wuhan Iron and Steel Corp.)
Abstract ：The present paper has probed into the law about influences of test samples consisting of different elements such as Si, Mn, P, Sn, Sb, B and N and main down stream process parameters on the magnetic performance by way of orthogonal plan and in the meanwhile advanced a process plan
including the main chemical compositions and process parameters for large scale production of low iron loss, high magnetic inductivity and non oriented silicon steel series particularly suitable for iron cores of small and medium sized high efficiency motors. The range of P 15/50 for this steel series is 4.00 to 8.00 W/kg and B 50 of this steel is 0.1T Gs hgher than that of the common brand silicon steel sheets.
Keywords ：high magnetic inductivity low iron loss non oriented silicon steel high efficiency motor ▲
1 前 言
随着电力、电器行业的进步,机电产品正朝着小型化、高精度化、高效率化方向发展,用普通冷轧硅钢片制造的铁芯难以满足要求,开发低铁损、高磁感冷轧无取向系列电工钢产品替代现行普通冷轧硅钢片是机电产品减小体积、减轻重量、节约铜铁消耗、提高效率的主要途径。

目前,日本、美国、法国、德国和俄罗斯都在生产P 15/50=3.50～5.00 W/kg 、B 50=1.72～1.73 T 的0.50mm 厚度规格低碳、低硅高磁感电工钢产品用来制造高效电机，其中,日本提出冷冻机和空调压缩机的电机效率要达到85%;美国1989年4～90 kW 小电机系列中已有1/3 是高效电机［1］,并在1992年颁布的能源政策和节能法令中规定:自1997年10月24日起美国
和北美地区不允许生产和使用一般效率电动机［2］。

本研究以Si、Mn为主要合金元素,辅以P、Sn/Sb等偏析元素微合金化,以B进行N的无害化处理,并调整组合常化、冷轧、退火温度及退火气氛、露点等后工序主要工艺参数,在确保基体电阻率的前提下,通过改善再结晶组织、织构,提高钢基抗内氧化能力,研制适合制作中小型高效电机铁芯的低铁损高磁感无取向系列电工钢。

2 试验方法
2.1 成分、工艺
试验钢成分中Si、Mn、P、Sn、N/B比分4水平,设计调整范围Si:残量～2.00%、Mn:0.20%～2.00%、Sn/Sb:残量～0.30%、P:残量～0.30%、N/B比:残量～2.00%,各试料成分正交组合方案L
16
(45)见表1。

表1 试料成分及试验工艺正交组合方案L
16
(45)
后工序主要工艺参数分4水平,其设计调整范围常化温度为850～1
000 ℃;退火温度为840～1 000 ℃;H
2/N
2
比为1/3～3/1;增湿水温为室
温～60℃。

各试料试验工艺正交组合方案L
16
(45)见表1。

2.2 试验方法
本研究及对比试验钢用10 kg真空感应炉熔炼,钢锭烧透经锻造开坯成80×25×L(单位mm),锻坯经1 120～1 150 ℃×30 min加热,在可逆式轧机上轧成2.3 mm厚热轧带,热轧带经3.5 min常化退火后酸洗,由φ250 mm 轧机一次法冷轧,目标厚度按0.48 mm控制,将冷轧板切成300×30(单位mm)艾卜斯坦试片,经3.2 min脱碳再结晶退火至成品。

为验证本研究结果,取现场大生产DGX
2
铸坯重熔,进行工艺、磁性性能对比,其编号为“0”。

2.3 工艺补充试验
在完成一个周期全部试验后,取15号试料及0号对比料进行后工序工艺补充试验,工艺补充试验方案见表2。

表2 工艺补充试验方案
2.4 检验分析
试验料均进行C、Si、Mn、P、S、Al
sol
、B、N、Sn/Sb、Cu分析,成
品样进行P
10/50、P
15/50
、B
10
、B
50
测定,磁性结果为艾卜斯坦双片纵向值。

为调查成分因素对磁性的影响,用每种试料全部试验结果的算术平均值进行了正交分析;为调查工艺因素对磁性的影响,对每种试料的16
种工艺试验结果进行了正交分析:为深入研究,对每种试验料中的典型试样用金相、X—光衍射、电镜进行了分析,其中部分试样还进行了图象仪、膨胀仪测定。

3 结果分析及讨论
3.1 磁性
试料的平均P
15/50、B
50
值及其最大值、最小值见表3,工艺补充试验结
果见表4。

表3 16种试料平均磁性
表4 工艺补充试验结果
由表3、表4可以看出,本研究试料的平均P
15/50
值大部分与普通无取
向硅钢中间牌号相当,少数试料已接近高牌号,而其磁感B
50
则均较相应
牌号高0.1 T以上,比目前武钢已开发出的高效电机钢 DGX
1、DGX
2
还要
高0.05 T以上。

若成分、工艺按最佳方案组合,预计铁损、磁感还将有进一步改善。

3.2 成分与性能
实际冶炼试料成分较正交设计方案因数水平的组成目标值有一定波动,其中N/B比值在0.34～3.42范围之间,偏离设计水平组合较大,进行正交分析时将其剔除。

Si、Mn、Sn/Sb、P等4个因素水平的极差分析见图1～2。

图1 成分因素水平对铁损的影响
图2 成分因素水平对磁感的影响
由图1～2可以看出,成分因素水平影响铁损显著性顺序是Si＞Sn/Sb＞P＞Mn,影响磁感显著性顺序是Sn/Sb＞Si＞P＞Mn。

Si对P
15/50和B
50
值的影响与已知的规律完全相同,即随着Si含量的
增加铁损显著下降、磁感也明显恶化。

Mn对磁性的影响与Si不同,在1～2水平范围内降低铁损的同时还能提高磁感;至水平3时获得最低铁损,磁感有所降低;至水平4时铁损、磁感则同时恶化。

究其原因是Mn在合适范围内随其含量的提高,可提高电阻率、改善织构,即降低铁损又不明显恶化磁感［3］,当Mn含量过高、Si含量水平较低时,较高的热处理温度将会导致某些成分偏析区发生
α→γ相变,破坏再结晶及再结晶织构,恶化成品磁性。

本研究部分试料相转变点分析见表5。

表5 部分试料相转变点
试料
相变点温度/℃
Ac
1
Ac
2
Ar
1
Ar
2
4 994 1036 928 900 8 962 1009 879 838 12 1012 1060 930 912
15 在1060℃范围内没发生相变
16 在1060℃范围内没发生相变
P在本研究范围内随其因素水平的提高,磁感、铁损同时得到改善,有利作用十分明显。

可以认为,P在显著提高电阻率的同时,又可发展成品再结晶织构,与以往的研究结果［4］一致。

Sn/Sb对磁性的影响特征与P十分类似,但比P作用更强烈。

金相分析表明,在其他各元素含量相近时,含Sn/Sb钢晶粒均匀、晶界平直,尤其是成品表面层无内氧化,见图3。

图象仪分析表明,含Sn/Sb钢平均晶粒尺寸较大,且晶粒直径分布(用晶粒面积的几何重心标定)与其距表面深度不相关。

X—光衍射分析表明,含Sn/Sb钢有利织构组分明显增强。

进一步证实文献［5］的研究结果是可信的。

(a)不含Sn/Sb (b)含Sn/Sb
图3 晶粒晶界形貌
综合分析还表明,在Si、Mn合金元素含量水平一定,且后工序工艺参数相同时,P、Sn/Sb复合添加较单一添加对改善金相组织和织构参数、提高磁性水平的效果更加显著,其作用机制有待进一步研究。

部分试验金相、织构特征参数及磁性比较见表6。

表6 部分试验金相、织构特征参数及磁性比较
注:(1)长度：μ，面积：μ2(2)R为晶粒直径与其距表面深度相
关性
试验中,虽然N/B比值难以按设计控制,但从磁性数据得出,N/B比≈0.50～1.20时有较好的磁性。

分析认为,其值高时有细小氮化物析出,低时B则构成有害夹杂［5］。

3.3 工艺与磁性
后工序主要工艺参数对磁性的影响随试料成分因素水平不同而异,但综合分析每种试料的16种工艺组合试验磁性结果可以看出其总体趋势。

(1)热轧板常化温度水平对磁性的影响随原料成分因素不同而异。

在Si因素为低水平或实际Si/Mn含量比值较低(约＜1.5)时,随着温度因素水平的提高,铁损呈增加趋势,磁感在水平2获得最大值后即明显下降,这与3.2中所述α→γ相变比率增加、破坏再结晶及再结晶织构有关;在Si因素水平较高或实际Si/Mn比值较高(约≥1.5)时,常化温度因素水平的提高,对铁损影响不显著,而使磁感有所降低。

可以认为,本研究特征成分的钢与普通无取向硅钢明显不同的特点之一是:适当低的常化温度因素水平有利于磁性的改善。

(2)成品退火温度对磁性的影响也因主合金含量不同而异。

在Si因素为低水平或实际Si/Mn含量比值较低(约＜1.5)时,随着温度因素水平的提高,铁损、磁感同时恶化;在Si因素水平较高或实际Si/Mn比值较高(约≥1.5)时,退火温度因素水平提高,铁损随之降低,而磁感变化不明显。

究其原因,亦与Si、Mn等元素含量比值是否导致发生α→γ相变有关。

可以认为,在不发生α→γ相变前提下,根据主合金元素含量的不同,选择合适高的退火温度因素水平有利再结晶及再结晶织构的形成和再结晶晶粒长大,明显改善磁性。

(3)退火气氛H
2
/N
2
比因素水平低时,仍可使低Si因素水平获得较好的铁损、磁感,可以认为:无Al钢而Si因素又水平低且含有Sn/Sb时表
层内氧化不是主要问题;Si因素水平较高时,随着H
2
/N
2
比因素水平的提高,铁损、磁感均有所改善,至水平4时获得最佳性能,显然与周知的高因
素水平的H
2
/N
2
比值有利于Fe还原有关。

(4)增湿水温因素水平的提高既可降低铁损,又能提高磁感,且是在Si为低因素水平时效果更明显,在Sn/Sb为低因素水平时则没有效果或
有恶化趋势。

可以认为:含Sn/Sb钢抗氧化能力强,有利于在高露点气氛中强化脱碳,提高磁性。

(5)工艺补充试验结果表明,热轧板常化较不常化可明显降低铁损、提高磁感、改善磁性。

与一次法比较,两次冷轧法可进一步降低铁损,但对磁感的提高没有效果。

3.4 讨论
(1)受试验条件限制,本研究磁性为双片纵向样测试结果。

据X—光衍射的织构组分强度数据分析,全部成品试料的(110)组分均在0.50～
1.50范围,与普通无取向硅钢及武钢研制开发DGX
1、DGX
2
中的(110)组分
强度［6］相当。

推知本研究钢的纵横向磁性差在普通无取向硅钢要求范围。

(2)本研究钢虽含有较高的P、Sn/Sb等偏析元素,但试验中没有发生开裂、断带现象,可以认为,在本研究设计成分、工艺范围内没有冷、热加工困难。

4 结论
在本研究设计成分、工艺范围内可得出如下结论。

(1)用L
16
(45)正交方案分别组合成分Si、Mn、P、Sn/Sb、N/B比及后
工序工艺常化温度、退火温度、H
2/N
2
比、增湿水温等因素,研制出了P
15/50
在4.00～8.00 W/kg范围、B
50
比各对应铁损级别的普通无取向硅钢高0.1
T、比DGX
1～2
高0.05 T以上的低铁损高磁感冷轧无取向系列电工钢。

若按最佳成分、工艺水平方案组合,预计磁性将会有进一步提高。

(2)Si是获得低铁损的基本元素;适量提高Mn因素水平可降低铁损而不导致磁感明显下降;Sn/Sb、P有利于促进成品再结晶,获得合适的再结晶组织,增加有利织构,既提高磁感,又降低铁损,且复合添加效果更显著;Sn/Sb还可提高钢抗氧化能力,防止或减轻钢板内氧化;N/B比值控制在合适范围可改善磁性。

(3)热轧板实施常化处理可降低铁损、提高磁感、改善磁性,合适的常化温度宜选择在低因素水平;采用两次冷轧法可进一步改善铁损,但对
提高磁感没有效果;成品退火气氛没有必要追求高因素水平H
2/N
2
比值;
高因素水平的增湿水温可强化脱碳效果;高因素水平的退火温度有进一步提高磁性作用,但必须保证在单一α相区中进行。

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作者单位：张新仁(武汉钢铁集团公司)
谢晓心(武汉钢铁集团公司)
参考文献：
［1］何忠治.电工钢的最近发展.电工钢,1998,(1):2～8
［2］黄治国.关于美国高效节能电动机.NEMA高效电机会议资料,1998,5 ［3］颜登强、张新仁.低硅、无硅高磷冷轧电工钢的研制.武钢技
术,1987,(10):14～20
［4］张新仁、颜登强.含磷电机钢的研制.湖北科技情报,1981,5:18～21
［5］张新仁、谢晓心.合金元素及工艺对高牌号无取向硅钢磁性的影响.钢铁研究,1998,11(4):10～14
［6］张新仁、谢晓心.DGX1～2高效电工钢带的研制.冶金工业部技术鉴定资料(内部),1989,9。