高牌号无取向电工钢电磁性能的影响

磁感应强度Ｂｓｏ（特斯拉）
纵向 ２．１９７
横向 ２．４６２
平均 ２．３３０
纵向 １．６９６
横向 １．６６７
平均 １．６８２
２．２４０ ２．５５７
２．５４２ ２．８１０
２．３９１ ２．６８４
１．７０９ １．６９６
１．６７２ １．６５９
１．６９１ １．６７８
２．２５５
２．４８４
２．３７０
１．７２６
１．６７７
通常来说，电磁性能是电工钢产品最重要的性能指标，并且无取向电工钢的电磁性能的控制主要通过对 两个冶金特性（晶粒尺寸和织构）及夹杂物的控制来实现。织构或晶粒择尤取向是在晶粒回复、再结晶和晶 粒长大的过程中，晶界由于能量、活动性及内能的各向异性而发生迁移所形成。获得低铁损、高磁感应强度 一直是电工钢产品发展的方向【２，３］，而精确控制成分和／或制造过程则是一个有效手段。对无取向电工钢来 说，化学成分一直来是影响其电磁性能的首要因素，但是，获得合适的织构和晶粒尺寸也同样重要。有研究 表明，在钢中加入锑可以改善产品织构，从而改善产品电磁性能，锡也有相似的作用［４］。在１９７９年，新日 铁发现硼（０．００２～０．００４％）的加入可以使板坯在加热过程中优先与Ｎ结合形成ＢＮ，从而使得Ａ１Ｎ粗化［５】。 而且，随着（１００）［００１］织构的强化，（１１１）织构强度会减写ｉｊ［６】。本文通过一系列实验研究，对比分析了合 金元素（Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂ）对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响，以寻求一种制造具有高磁感的无取向电工钢 的方法。
火后钢种Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的取向分布函数（０ＤＦ）如图２所示。
１５
锑、锡、硼等合金对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响
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织构因子 ＴＦ：Ｙ／（立方＋高斯）
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从表４可明显看出，含硼钢ｃ的Ｙ织构比例最高，且其织构因子最大；含锡钢Ｂ和含锑钢Ｄ的Ｙ织构 比例较低，其织构因子也小。织构因子以Ｃ、Ａ、Ｄ、Ｂ的顺序递减。
图３所示是带钢退火后沿ｒｌ纤维和Ｙ纤维的晶粒取向强度分布图，从中可看出含硼钢Ｃ和对比钢Ａ中沿 Ｙ纤维的难以磁化的织构强度比含锡钢Ｂ与含锑钢Ｄ更强，且沿ｒｌ纤维易磁化的织构强度要相对较弱。
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锑、锡、硼等合金对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响
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（ａ）
（ｂ）
图３退火后钢带的织构强度分布情况
（ａ）沿Ｔ１纤维（①＝０～４５。） （ｂ）沿１，纤维（≯１＝０～９０。）
３．４ 夹杂物和析出物 夹杂物和析出物分别通过扫描电镜ＳＥＭ和透射电镜ＴＥＭ进行观察，可以发现含硼钢Ｃ的夹杂物比其它钢
（ｂ）晶界析出物
４分析与讨论 ４．１ 合金元素对晶粒尺寸、织构和析出物的影响
晶粒组织和夹杂物的控制是影响无取向电工钢电磁性能的关键因素。图８所示是各钢种常化处理后及再 结晶退火后的晶粒尺寸，锡、锑、硼的添加能够使晶粒尺寸减小。这是因为在热轧过程的冷却阶段，这些添 加元素会以化合物等形态沿晶界或在晶内析出，阻碍了热轧过程及退火过程中再结晶晶粒的长大［８］。而含 硼钢ｃ的晶粒最小，是由于含硼钢的夹杂物比其它钢种更细小、更弥散，这些夹杂物则成为再结晶过程中阻 碍晶粒长大的一个重要因素［９］，而且硼以ＦｅｚＢ化合物形态向晶界偏析趋势很强，不象锡和锑那样向带钢表 面偏析。有研究指出，当钢中硼含量与氮含量的比率大于２．５时，硼的偏析将阻碍晶粒的长大［５］，而本研 究中，硼／氮比达到了４．１，硼的偏析将更大程度地阻碍再结晶过程中的晶粒长大。
［０１ １］和（１１１）［１１２］。表４所示就是各种织构在成品表面的体积百分比情况。
钢种
Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
表４退火后钢带表面的织构情况（体积百分比）
立方织构
４．８６％ ５．ｉ４％ ４．９４％ ４．９６％
高斯织构
０．８１％ ０．９０％ Ｏ．６８％ １．３９％
Ｙ织构
４５．０３％ ４０．３９％ ４８．４２％ ３９．５９％
最终电磁性能在单片检测仪上检测，金相组织检测在带钢垂直轧制方向的横截面上进行。通过Ｘ射线衍 射仪（ＸＲＤ）分析，得到带钢表面（１１０）、（２００）和（２１１）极图，并通过专用工具进行织构分析，得到带钢表 面的取向分布函数（０ＤＦ）。再结晶过程中绝大多数新晶粒从带钢表面开始长大，而且本实验最终产品都已经 完成了完全再结晶过程（如图１所示）。所以，要了解铁素体晶粒的织构发展过程，分析表面织构显得尤为 重要。
１前言
随着全球对能源节约和环境保护的逐渐重视，电工钢作为电工业中最重要的软磁材料之一，已经开始对 全球工业的发展产生着愈为深远的影响。电工钢主要有取向电工钢和无取向电工钢，其中无取向电工钢主要 用来制作旋转机械如各类电机、压缩机等，同时由于它良好的冲片性及其它相对于取向电工钢加工性能方面 的优势，也被广泛用来制作一些小型变压器和其它固定设备的定子。所以，无取向电工钢是一种推动电工业 快速发展的一个重要材料，尤其是它可以提高电器设备的效率以达到节约电力的目的。所以，为了满足电工 业逐步发展的需求，一些具有高效性能的无取向电工钢在近些年已经得到了快速发展［１］。
１４
锑、锡、硼等合金对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响
图１退火后成品Ａ，Ｂ，Ｃ和Ｄ的金相组织图
光学显微镜的观察结果如图１所示，制造过程中带钢晶粒尺寸如表３所示。由于在钢种Ａ和Ｃ的热轧带 钢中存在未再结晶的变形带，所以无法检测其晶粒尺寸。表３显示，含硼钢的成品晶粒尺寸最小，而且含锡 钢Ｂ和含锑钢Ｄ的成品晶粒尺寸也比对比钢种Ａ要小。热轧带钢经过常化处理后，其晶粒尺寸显著增大。对 含锡钢Ｂ和含锑钢Ｄ而言，虽然它们热轧后的晶粒尺寸存在差异，但是常化处理后，其晶粒尺寸非常接近。 这是因为常化处理是一个变形能释放的过程，常化后晶粒经再结晶后成为等轴晶粒，由于锡和锑对析出物的 影响非常接近［５］，所以钢种Ｂ和Ｄ经常化处理后的晶粒尺寸非常接近。
在最终产品和热轧带钢上，通过配有能谱分析（ＥＤＳ）的透射电镜（ＴＥＭ）和扫描电镜（ＳＥＭ），进一步分 析锑、锡和硼对析出物和夹杂物的影响。
３实验结果 ３．１ 电磁性能
最终产品的电磁性能如表２所示，含锑钢Ｄ具有最高的磁感，其次是含锡钢Ｂ，它们相对于对比钢种Ａ磁 感Ｂ。。分别提高０．０２特斯拉和０．００９特斯拉，且钢种Ａ、Ｂ、Ｄ的铁损ｗ。。／５０非常接近，其值为２．３～２．４瓦特／ 公斤。含硼钢Ｃ的铁损（２．６８４瓦特／公斤）明显比其它钢种高，而且Ｂｓ。（１－６７８特斯拉）也明显低，与对比钢 种Ａ相比，ｗ。。／５０提高了０．３４８瓦特／公斤，Ｂ。。降低了０．００４特斯拉。 ３．２金相组织
１．７０２
所有实验钢种通过真空冶炼炉冶炼，钢锭化学成分如表１所示，钢种Ａ是对比钢种，在钢种Ｂ，Ｃ，Ｄ中分 别加入了锡、硼、锑，以对比分析这些添加元素对产品电磁性能的影响。钢锭经热轧加工成厚度为２．６ｍｍ的 带钢，并经常化处理。热轧带钢常化处理后，在盐酸溶液中清除氧化铁皮，再冷轧至０．３５ｒａｍ厚的带钢，最 后经过再结晶退火处理，均热温度和时间分别为１０００℃×９０”，炉内气氛为氢气和氮气的混合气体。
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（ａ）
（ｂ）
图４热轧带钢中ＳＥＭ发现的夹杂物种类
（ａ）含锡钢Ｂ中的Ａ１２０３ （ｂ）含锑钢Ｄ的ＭｎＳ
１７
锑、锡、硼等合金对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响
（ａ）
（ｂ）
（Ｃ）
图５含硼钢中的（ａ）大尺寸夹杂和（ｂ）ｄｘ尺寸夹杂，以及（Ｃ）ＥＤＳ结果
（ａ）
（ｂ）
图６在合金添加钢中的析出物形态
（ａ）晶内析出物
种更为分散，而钢种Ａ、Ｂ、Ｄ的夹杂物分布形态相似。图４显示在热轧带钢中存在两种形式的夹杂物，分别 是Ａｌ。０。和ＭｎＳ。在含硼钢中我们还发现有细小的Ａ１ ｚ０。夹杂存在（如图５所示），而在其它钢种中没有发现。 虽然在所有钢中都有Ａ１。０。夹杂，但是含锡钢Ｂ和含锑钢Ｄ中的Ａ１２０。夹杂尺寸为１’１．５ ｕ ｍ，比含硼钢Ｃ中Ａ１ｚＯｓ 夹杂尺寸（０．１、０．６ ｌａ ｍ）大得多。同时，我们在退火后的合金添加钢Ｂ、Ｃ、Ｄ中发现，均有析出物在晶界和 晶内析出，如图６所示。
表３不同过程处理后的带钢晶粒尺寸（ＩＩ ｍ）
钢种 热车ＬＣＬＮ后 热轧带钢常化处理后 退火后成品
Ａ
ｆ
１６７．９
１４１．７
Ｂ
６６．０３
１６３．３
１３０．６
Ｃ
｝
１４８．６
１１１．８
Ｄ
７３．５
１６１．５
１２６．２
３．３ 织构
在ＸＲＤ检测后，通过分析软件Ｔｅｘｔｏｏｌｓ可以得出织构分布图。每个织构分析的偏差角为１５。，再结晶退
２实验材料方法
１３
钢种
Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
锑、锡、硼等合金对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响
表１实验材料基本化学成分情况 （％）
添加元素
Ｓｉ
Ｃ
Ｍｎ
Ｓ
Ｎ
Ｓｎ
Ｂ
Ｓｂ
０
Ｏ
０
０．１０
０
０
２．０
０．００３
０．２７
０．００２
０．００１
０
０．００４１
０
０
０
０．０７６
钢种
Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
表２ 试验钢种的电磁性能
铁损Ｗ。。脚（瓦特／公斤）
第九届全国电工钢专业学术年会论文集
２００６年
锑、锡、硼等合金 对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响
黄望芽
（上海宝钢股份有限公司制造管理部
上海２０１９００）
摘要本文通过对高牌号无取向电工钢的金相组织、织构、析出物以及夹杂物的剖析，分析了合金 元素（锑、锡、硼）对高牌号无取向电工钢电磁性能的影响。锑（Ｓｂ）和锡（Ｓｎ）可以使易磁化的 立方织构和高斯织构得到强化，而抑制难磁化的（１１１）Ｙ织构的发展，改善无取向电工钢的织构特 性。然而，当硼氮比（Ｂ／Ｎ）大于４．１时，硼（Ｂ）能够使Ｙ织构得到强化，同时抑制立方织构和高 斯织构的发展。本研究还发现，当晶粒尺寸小于１５０“ｍ时，铁损随着晶粒尺寸的增大而降低，而 晶粒尺寸对磁感应强度的影响却相对较弱；然而，成品织构却与磁感应强度的影响相对铁损则更为 显著，Ｙ织构的强化可使磁感应强度降低。所以，锑和锡对改善高牌号无取向电工钢电磁性能有着 较为积极的作用；过高硼（Ｂ／Ｎ＞４．１）的加入，会产生细小且分散的析出物而使得电磁性能劣化。
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图２ 再结晶退火后Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的ＯＤＦ
ＰｒｅｍＫｕｍａｒ等人［７］指出织构因子（ＴＦ）一Ｙ织构和立方织构的比率一与电磁性能之间有着很强的对应关 系，所以，本文也将织构因子作为一个影响电磁性能的一个因素进行研究。考虑高斯织构对电磁性能的影响 和立方织构有着相似之处，所以本研究选择Ｙ织构和立方织构与高斯织构之和的比率作为织构因子，即ＴＦ＝ Ｙ织构／（立方织构＋高斯织构），其中，Ｙ织构是四种主要织构之和，即（１１１）［１１ ０］，（１１１）［１ ２ １］，（１１１）