为了更好的磁性能———冷轧无取向电工钢的成分、组织和性能研究

张浩潘世群张光永吕化鹏
电工钢亦称硅钢片，其发展有一百多年的历史，冷轧电工钢包含取向电工钢和无取向电工钢，无取向电工钢主要用作大中型电机、发电机以及家用电机和微电机、镇流器和小型变压器等的铁芯。

无取向电工钢的主要磁性能要求是低比总损耗和高磁极化强度。

低比总损耗可以节约大量电能，延长电机工作运转时间。

高磁极化强度意味着磁化能力强，铁芯的激磁电流降低，比总损耗和铜损都降低。

比总损耗和磁极化强度不仅与化学成分有关，而且与其内部组织有关。

为了深入了解无取向电工钢的特性，以便于更好地指导生产和提高产品质量，笔者根据江苏西城三联控股集团冷轧薄板厂近年来的生产数据，全面研究了冷轧无取向电工钢牌号W600、W800、W1300的成分、组织与性能之间的关系，以期为后续冷轧无取向电工钢的生产提供参考。

冷轧无取向电工钢的成分
该厂生产的冷轧无取向电工钢板牌号涉及W600、W800、W1300，钢板厚度均为0.5mm。

三者化学成分的统计平均值见表1。

从表1不难看出，3个牌号电工钢均为超低碳无取向电工钢，三者成分的主要差别在于硅和铝含量有所不同。

在无取向电工钢中，硅具有提高电阻率，降低比总损耗的作用，但硅是非磁性元素，硅降低饱和磁化强度，相应降低磁极化强度，对磁性不利。

同时，过高的硅含量会使钢变脆，导致冷加工困难，因此，一般冷轧电工钢硅含量上限控制在3.0%左右。

铝的作用与硅相似，铝能缩小γ相区，粗化晶粒，提高电阻率，减小磁各向异性，降低比总
损耗，同时也降低磁极化强度，而对钢的强度和硬度的影响又不像硅那样明显。

硅和铝均通过控制晶粒尺寸或织构来控制无取向电工钢的力学性能和磁性能。

冷轧无取向电工钢的性能
冷轧无取向电工钢的力学性能与磁性能。

3个牌号的无取向电工钢的组织晶粒度、力学性能、磁性能均值见表2。

根据表2的数据，笔者绘制不同牌号无取向电工钢的组织晶粒度、力学性能和磁性能曲线图后发现，牌号W600、W800、W1300无取向电工钢的晶粒度依次增大，即晶粒尺寸依次减小，也即随着(Si+Al)含量的增加，冷轧无取向电工钢的晶粒尺寸增加，这里也体现了硅、铝对电工钢晶粒组织的粗化作用。

牌号W600、W800、W1300无取向电工钢的抗拉强度依次降低，由417MPa降低至366MPa。

虽然W1300电工钢的晶粒尺寸最细，根据细晶强化理论可知，晶粒越细，其强度应该越高，但由于W600的硅含量最高，其固溶强化作用是最强的，其次是W800，硅含量最小为W1300，其固溶强化作用是最弱的。

因此，在这里，细晶强化的作用不及硅的固溶强化作用强。

牌号W600、W800、W1300无取向电工钢的比总损耗依次增加，其主要有三方面的原因：一是化学成分的影响，二是晶粒尺寸的影响，三是来自织构的影响。

硅、铝含量越高，其比总损耗越低。

晶界出的点阵是畸变的，晶体缺陷（空位和位错）多，内应力大，平均晶粒直径大，晶界所占面积减小，因而比总损耗降低。

另外，铝可使{100}
组分增高和{111}组分减少，{111}织构组分越少，无取向电工钢的比总损耗越低。

无取向电工钢W600的晶粒尺寸最大，且硅、铝含量最高，因此其比总损耗最小，W1300的晶粒尺寸最细小，且硅、铝含量最低，因此其比总损耗最大，W800晶粒尺寸和硅、铝含量居中，因此其比总损耗也居中。

牌号W600、W800、W1300无取向电工钢的磁极化强度依次增加。

影响磁极化强度的主要因素为化学成分和晶体织构，随着Si+Al含量的增加，钢的{111}织构增强，无取向电工钢的磁极化强度相应降低。

无取向电工钢的硬度变化趋势与抗拉强度的变化趋势是一致的，硬度反映了钢的冲片性能。

硅含量越高，钢的硬度越大，冲片性降低，但钢的硬度过低，冲片的毛刺增大，冲片尺寸不精确。

冲片性能良好的钢，其合适的硬度为130HV~180HV。

化学成分与晶粒度对冷轧无取向电工钢磁性能的影响。

笔者根据无取向电工钢W800的化学成分与晶粒度及比总损耗情况分别绘制
Si+Al、晶粒度与比总损耗的散点图（图1、图2）后发现，随着Si+Al 含量的增加，无取向电工钢的比总损耗降低。

由图2可以看出，随着晶粒度级别的增加，无取向电工钢的比总损耗增加，即晶粒尺寸越细，比总损耗越大，且二者的线性关系很强。

这说明比总损耗对晶粒尺寸很敏感，因此，控制无取向电工钢板的晶粒尺寸是控制比总损耗最直接、最有效的方法。

冷轧无取向电工钢的组织特征
图3给出了无取向电工钢W600(图3（a）)、W800(图3（b）)、
W1300(图3（c）)的金相显微组织。

由图3可知，W600、W800、W1300的金相显微组织基本上为铁素体，W1300出现少量的三次渗碳体，三者的铁素体晶粒基本为等轴晶，晶粒分布比较均匀，但晶粒大小并不均匀。

3个牌号的无取向电工钢组织均存在这种现象，一部分晶粒较大，一部分晶粒比较细小，且个别细小的晶粒呈现出3边形或4边形，并且晶界呈现弯曲状，这些特征都表明晶粒不稳定。

一般情况下，晶粒的稳定形式应该是等边六边形，这就必须满足两个条件：一是晶界为直线，二是其夹角为120°，二者缺一不可。

出现上述3边形或4边形且晶界并不平直的这种不稳定的晶粒组织，可能是退火过程不充分造成的，具体原因有待进一步深入研究。

无取向电工钢W600、W800、W1300晶粒尺寸依次减小，其主要原因为W600、W800、W1300的Si+Al含量依次减小，而在无取向电工钢中硅、铝具有粗化晶粒的作用。

综上所述，对于冷轧无取向电工钢而言，化学成分和显微组织对其力学性能和磁性能都具有重要影响。

随着Si+Al含量的增加，冷轧无取向电工钢的组织晶粒尺寸随之增加，而比总损耗随之降低，磁极化强度也随之降低。

冷轧无取向电工钢中，硅的固溶强化作用远大于钢中细晶强化的作用。

冷轧无取向电工钢的强化机制中，固溶强化占主导地位。

比总损耗对无取向电工钢的晶粒尺寸十分敏感，控制无取向电工钢板的晶粒尺寸是控制比总损耗最直接、最有效的方法。

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