10.25硅钢中的第二相

电工钢中第二相对晶界的钉扎作用
析出物粒子对晶粒长大的影响主要体现在对晶界的拖曳作
用上，当细小、弥散分布时，就会对晶界产生强烈的拖曳作 用，从而阻止基体晶粒的长大。Gladman详尽分析了钉扎时 的能量变化从而得到了析出物粒子临界钉扎直径的判据为：
2 D0 ( ) 6f 2 Z
d 3
式中，D0为平均等效直径，d和f分别为第二相平均直径和体积
成品厚度减薄，表面自由磁极能量(静磁能增加)增加，磁畴壁移动阻力 增加，Ph增高。
表面状态
钢板表面平滑，表面磁极自由能减小，磁畴壁移动阻力减小，Ph降低。
夹杂物对硅钢片磁性的影响
成品硅钢片中的任何夹杂物至少都有二方面的危害：（1）
钉扎磁畴的移动，（2）使材料的内应力增加。由此导致硅钢片 磁性的降低，其中以微细夹杂物的钉扎作用最为突出，长条、
2
1
1400℃ 1350℃ 1300℃
0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010
液态中或者凝固过程中析出。并
[O],%
0 0.0000
且 可 以 作 为 固 态 析 出 的 MnS 、
AlN的核心。
Al2O3平衡固溶时[Al] [O]随温度的变化
液相中MnS平衡固溶
当电工钢的固相线温度为 1400℃(1673K) 时 ， MnS 在 液 态 铁中的平衡溶解度积为0.636。无 取向电工钢的Mn含量一般为0.3 ％，S含量一般小于0.008％，二 者的质量百分数的乘积远小于 MnS在液态铁中的平衡溶解度积 ，因此即使考虑到杂质元素的富 集，一般情况下也不会发生MnS 的液析。
全固溶温度TAR：
TAR B
A log([M] [ X ])
式中M、X分别为M、X元素在钢中的含量(质量百分数)， A、B为固溶度积公式中的常数。
MX相在钢中所占的体积分数求解
M、X元素在基体中的平衡溶解度可由第二相在基体中的固溶度积公 式以及未溶第二相应保持理想化学配比计算的原则，按照下式计算：
电工钢中主要夹杂物的固溶度积公式
无取向电工钢中主要夹杂物的固溶度积公式为：
log([ Al ]2 [O]3 ) 33.996 82580 / T
log([Mn] [ S ]) 6.82 14855 / T
log([ Mn] [ S ]) 2.704 9009 / T
别为元素M和X在钢中的质量百分数），AM、AX分别为元素M和X的原
子量，而R=AM/AX 为硫化锰和氮化铝的理想化学配比，dFe 、dMX 分别 为铁基体及MX相的密度。
Al2O3析出热力学分析
在目前钢铁材料中夹杂物形成
元素的通常含量情况下，氧化物
1500℃ 1450℃
5
4
3
夹杂不可能在钢材凝固温度以下 完全固溶于铁基体中，而只能在
0.50和0.65 0.35和0.50
冷轧电工 钢板
无取向电工钢 （冷轧电机钢）
硅钢（0.5％～3.5％Si）
普通取向硅钢（2.9％～3.3％Si）
0.35、0.30、0.27 取向硅钢（冷轧 变压器钢） 和0.23 高磁感取向硅钢（2.9％~3.3％Si）
电工钢的应用
电工钢性能要求
低的铁损
铁损低可以节省大量电力，延长电机寿命和变压器的工作 时间，并简化冷却装臵。
钢中的非金属夹杂物往往会造成钢板表面黑线、重皮、分
层、结疤、泡疤等缺陷，严重影响表面质量甚至造成成品报 废。对硅钢片而言，一方面对表面质量有较高要求，另一方 面硅钢片厚度在不断降低，由此对钢中夹杂物提出了越来越 苛刻的要求。钢中非金属夹杂物是否会引起表面缺陷与其在
钢中的位臵、尺寸、自身的塑性等因素密切相关，由于硅钢
AlN在铁素体与奥氏体中平衡固溶
0.5
0.5
0.4
0.4
0.3
0.3
1350℃ 1300℃
[Al],%
[Al],%
1500℃
0.2
0.2
1350℃
0.1
1400℃
0.1
1250℃ 1200℃ 1150℃ 1100℃
0.006 0.008 0.010
0.0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020
高的磁感应强度
磁感应强度高，铁芯激磁电流(空载电流)降低，导线引起 的铜损和铁芯损耗降低，可节省电能.
对磁各向异性的要求
三个主轴方向上，[100]为易磁化轴，[110]为次易磁化轴， [111]方向为难磁化轴。
磁时效小
主要是由于过饱和碳和氮析出细小的碳化物和氮化物引起的.
影响磁感应强度的因素
电工钢中第二相析出的动力学
电工钢中第二相MnS、AlN的沉淀析出属于固态相变，其主要规律可以
用经典形核理论来解释。临界核心尺寸d*、临界形核功ΔG*和均匀形核率I 分别用下式表示：
16 3 G 2 3 （GV GEV）

d*
4 GV GEV
* I k d *2 exp G
无取向电工钢的磁感应强度主要和硅含量、晶体织构有关， 硅含量提高，磁感应强度B50降低。 无取向电工钢的晶体织构基本上为混乱织构，但调整成分和 改善工艺，可使织构中的(100)和(110)位向组分加强，(111)组分 减弱，B50提高。 冷轧取向硅钢的硅含量基本不变(在2.9%~3.5%Si的范围内 变 化 ) ， 所 以 磁 感 应 强 度 只 随 (110)[001] 晶 粒 取 向 度 提 高 或 (100)[001]位向偏离角减小而增加。 钢中的杂质和夹杂物(主要为MnS、AlN、氧化物以及它们的 二元、三原复合夹杂)含量提高，以及成品晶粒尺寸增大，也使 B50降低，
1250℃ 1300℃ 1200℃ 1100℃
0.0 0.000
0.002
0.004
[N],%
[N],%
铁素体中AlN平衡固溶时[Al]、[N] 随温度的变化
奥氏体中AlN平衡固溶时[Al]、[N] 随温度的变化
AlN在铁素体和奥氏体中的固溶度有很大的 区别。按照实验生产的电工钢的Al、N的含量 ，AlN在铁素体中的全固溶温度为1450℃，在
钢中[C]的作用： 1、成品[C]含量增加，碳化物也随之 增加，磁感降低，铁损增加； 2、无取向电工钢要求：[C]<30ppm。
电工钢中[S]对磁性能的影响
钢中[S]含量增加，铁损增加，存在铁损急剧增加的[S]含 量，由此，电工钢中[S]控制成分为小于50ppm。
电工钢中[N]对磁性能的影响
[N]含量在25ppm以上时，铁损急剧增加，由此，钢中[N]含
log([ Al ] [ N ]) 2.72 10062 / T
log([ Al ] [ N ]) 6.40 14356 / T
式中[M]代表处于固溶态的M的质量百分数，T为绝对温度。
夹杂物在基体中的全固溶温度
钢中的化学成分比较容易测定、控制，因此根据固
溶度积公式可以很方便的求出相应的夹杂物在基体中的
量控制应以25ppm为极限。
电工钢中[Mn]对磁性能的影响
钢中[Mn]的作用： 1、形成MnS，防止FeS引起的热脆； 2、扩大γ相区； 3、Mn/S≥10，保证良好热加工性能和MnS粗化； 4、改善组织和织构。
电工钢中[Al]对磁性能的影响
钢中Als的作用： 1、Als≥0.15%,其作用与Si的作用相同，提高ρ值，缩小γ相区， 促进晶粒长大，粗化AlN，改善织构，减轻时效； 2、Als在50～140ppm，P15显著增加； 3、 Als≤30ppm， P15显著降低；
0.8
1400℃ 1350℃ 1300℃
0.8
0.6
0.6
1400℃ 1300℃ 1200℃
0.4
0.4
0.2
1250℃ 1200℃
0.2
0.0 0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
0.030
0.0 0.000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.010
[S],%
[S],%
硅钢中的第二相
第一讲：无取向电工钢中的第二相
肖丽俊
连铸技术国家工程研究中心 2011年10月21日
讲稿内容
第一讲：无取向电工钢中的第二相
第二讲：取向硅钢中第二相（抑制剂）析出 的热力学与动力学
第三讲：取向硅钢中抑制剂的控制
电工钢概述
电工钢是一种重要的金属功能材料,是电力（发电和输变电）、
电机、家电和电子工业不可缺少的软磁合金；主要用于各种电动机、发电
液相线温度附近，而在奥氏体中的全固溶温度
仅为1250℃，远低于液相线温度。
因此，AlN在单相铁素体相对于单相奥氏体 中更加容易析出，而且由于开始析出温度高， 析出的AlN颗粒尺寸相对较大。考虑到溶质元
素的偏聚，AlN可能发生液态析出。由于AlN
在奥氏体中的全固溶温度低，因此AlN在奥氏
体中析出时，容易形成细小的析出相。
铁素体中MnS平衡固溶[Mn]、[S] 随温度的变化
奥氏体中MnS平衡固溶时[Mn]、[S] 随温度的变化
在电工钢的杂质元素含量范围内，MnS在
铁 基 体 中 的 全 固 溶 温 度 均 分 别 为 1300℃ 和 1420℃，低于电工钢的液相线温度，因此MnS 可以在全固溶温度以下完全固溶在基体中而后 在较低的温度下沉淀析出。
[ M ] [ X ] 10 A B / T
A M [M ] R M X [X ] AS
f ( M [ M ] X [ X ]) d Fe d Fe A AX ( M [ M ]) M 100d MX AM 100d MX
M、X分别代表金属元素Mn、Al和非金属元素S、N，式中M、X分
针状夹杂物的钉扎作用又大于球状夹杂物，为此必须尽可能减
少成品硅钢片中夹杂物的数量，尤其是微细夹杂物的数量，同 时对夹杂物的形状进行控制。
对取向硅钢，钢中的第二相抑制剂必须是亚稳定的，即在发
挥其抑制晶粒长大的作用之后，第二相抑制剂必须能够从钢中 加以去除，因为成品中任何夹杂物对磁性都是有害的。
非金属夹杂物对电工钢表面缺陷的影响

KT
片厚度的不断减薄，可能引起表面缺陷的夹杂物的尺寸在不 断降低。15年前T.Emi教授将钢中大于100微米的夹杂物称为
大型夹杂物，而最近Cramb教授已将大于20微米的夹杂物称
为大型夹杂物。
无取向电工钢
中的第二相
无取向电工钢生产流程
全 工 艺
半 工 艺
主要元素对无取向电工钢性能的影响
[C]对磁性能的影响
1600℃ 1550℃ 1500℃
.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
[S],%
液相中MnS平衡固溶[Mn]、 [S]随温度的变化
MnS在铁素体与奥氏体中的平衡固溶
1.4
1500℃ 1450℃
1.4
1.2
1.2
1.0
1.0
1500℃
[Mn],%
[Mn],%
，避免晶粒过分粗大带来的B50的降低。
电工钢中第二相析出的热力学分析
电工钢中的夹杂物主要是MnS、AlN、氧化物(主 要是Al2O3)以及它们的二元和多元复合物。当夹杂物 在固态析出时，往往比较细小、弥散。夹杂物能否在 固态析出以及固态析出时析出量的大小可以用夹杂物 在基体中的固溶度积公式来进行理论推导。
影响铁损的因素
晶体织构
取向硅钢(110)[001]取向度提高或者无取向电工钢中(100)位向组分增高 ，Ph降低。
杂质、夹杂物和内应力
它们使晶格发生畸变，位错密度升高，阻碍畴壁移动，增加Ph。
Hale Waihona Puke Baidu
晶粒尺寸
晶界是晶格的畸变，晶界增加，使磁畴壁移动阻力增加，所以晶粒 细小晶界面大，Ph提高。
钢板板厚
机和变压器铁芯及其他电器部件，在磁性材料领域中产量和用量最大。
Fe-C二元相图
Fe-Si二元相图
电工钢分类
类
别
公称厚度，mm 0.50
热轧低硅钢，也称热轧电机钢（1.0％～2.5％Si）
热轧硅钢板 （无取向）
热轧高硅钢，也称热轧变压器钢（3.0％～4.5％Si）
低碳电工钢（<0.5％Si）
0.35和0.50
分数，Z＝DM/D0是晶粒尺寸不均匀性因子即最大晶粒直径 DM
与平均晶粒直径D0的比值。
无取向电工钢成品要求具有比较粗大的再结晶晶粒，这样
可以强烈地降低涡流损耗(Ph)，但是由于粗大的晶粒组织，会
一定程度地降低磁感应强度，特别是无取向电工钢的B50。 因此在无取向电工钢的生产中，必须合理的控制第二相的 体积分数，避免第二相粒子对冷轧后再结晶退火过程中晶粒 正常长大的抑制作用。但又必须制定合理的再结晶退火规程