无取向硅钢最新进展

新开发的薄规格无取向硅钢产品系列的磁性 铁损 磁感 B50 / 16 . 7 21 . 3 23 . 6 28 . 4 40 . 4 53 . 7 T 1 . 61 1 . 63 1 . 63 1 . 68 1 . 66 1 . 67 屈服强度 / MPa 410 420 380 270 402 412
2 高效无取向硅钢
通常硅和铝 通 过 增 加 钢 的 电 阻 率、 降低涡流 损失来降低铁损。由于这种方法也伴随磁感和磁 导率 降 低， 因 此， 不 适 用 于 制 造 高 频 无 取 向 硅 钢。 这些新的钢产 品 与 普 通 产 品 比 较 具 有 低 铁 损、 高 磁感和高磁 导 率。通 过 特 殊 工 艺 技 术 如 脱 硫、 脱 碳、 和真空脱气生产的纯净钢， 现在已经能够利用 任何元素来改 进 钢 的 晶 体 织 构 控 制， 而不产生有 害的影响。图 1 所示为开发的高效无取向硅 钢 产 品系列的磁性改善状况。
图1
开发的高效无取向硅钢产品系列的磁性改善状况
2 .1
添加 Mn 较高的硅和铝含量并不适用， 因为它们造成磁
图2 添加 Mn 后磁性的改善
（ 1lb = 0 . 453 6 kg）
感和磁导率恶化。因此尽可能的低硅和低铝含量是
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2005 年第 43 卷第 6 期
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无取向硅钢的最新进展 上｛ 位向 晶 粒 再 结 晶 形 核， 因 为 Sn 有 促 进 冷 111｝ 轧板的变形 带 中 具 有｛ 位向再结晶晶粒的形 110 ｝ 核的倾向， 这将在下面详细说明。另一方面， 过多 的 Sn 量阻止最终退火过程中正常晶粒长大， 原因 是 Sn 在晶界 上 偏 析。由 于 小 晶 粒 尺 寸 使 磁 滞 损 失增加， 所以 过 量 Sn 对 磁 性 有 不 利 影 响。 因 此， 最适宜添加的 w （ Sn） 接近于 0 . 1 % ， 如图 5 所示。
3 .2
高强度薄规格无取向硅钢片 高速马达的转子所使用的无取向硅钢必须具
有高频下的低铁损和经受得住离心力考验的高强 度。为此开发了厚度为 0 . 20 mm 和 0 . 15 mm、 屈服 强度分别在 570 MPa 和 780 MPa 以 上 的 高 强 度 薄 规格无取向硅钢。
图7
固溶元素对 w （ Si） 3 % 无取向硅钢屈服强度的影响
3 具有特殊性能的无取向硅钢
通过控制晶 体 织 构、 纯净钢质和降低钢的残 余应力以降低 磁 滞 损 失， 通过硅和铝增加电阻率 以降低涡流损 失， 成为降低无取向硅钢铁损的重 要因素。然而， 用户对具有特殊性能无取向硅钢 的需求不断增长， 例如高频下的低铁损和高强度，
表1 牌号 15HTH1000 20HTH1200 20HTH1500 20HTH1800 35H250 普通的 50H310
图9
高强度无取向硅钢与普通
詹东方
无取向硅钢磁性和力学性能比较
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（6） !"#$% &’$()%*%+, 2005 ， 43
（6） !"#$% &’$()%*%+, 2005 ， 43 图5 由添加 Sn 带来的磁性改善
由于加 Sn 而改善晶体织构， 在于随冷轧压下 率增加， 再结 晶 行 为 发 生 变 化。 受 加 Sn 的 影 响， 随 冷 轧 压 下 率 增 加， 显 著 影 响 再 结 晶 织 构 形 成。 当冷轧 压 下 率 达 到 或 超 过 75 % 情 况， Sn 存在时， 不显著降低｛ 面晶体织构。与此同时， 随冷轧 110｝ 压下率 增 加， ｛ 面晶体织构的增加情况被遏 111 ｝
・kg - 1 ） W10 / 400 （ / W 9 .4 10 . 9 12 . 2 13 . 4 17 . 0 25 . 1
・kg - 1 ） W1 / 10 000 （ / W
表2 牌号
新开发的高强度薄规格无取向硅钢产品系列的磁性和高强度力学性能 铁损 ・kg W10 / 400 （ / W 37 . 9 23 . 8 38 . 3 17 . 0 25 . 1
图3
加 Mn 后晶体织构的改善
2 .2
添加 Sn 就进一步改 善 晶 体 织 构 进 而 降 低 磁 滞 损 失、
图4
由添加 Sn 赋予的结晶织构改善
提高磁感和增加磁导率进行了研究。研究结果发 现， 如 图 4 所 示。 Sn 也 能 够 显 著 改 善 晶 体 织 构， 通过加 Sn ， ｛ 面 晶 体 减 少， ｛ 面 晶 体 增 加， 111 ｝ 110 ｝ 而与平整轧制处理无关。 与上述 Sn 改善晶体织构的有效影响 相 反 的 是， Sn 在晶界偏析 阻 止 正 常 晶 粒 长 大。 热 轧 后 含 Sn 试 样的晶粒尺寸较 小， 因 此， 含 过 量 的 Sn 会 导 致 热 轧板中晶粒尺寸变小， 并对磁性产生有害影响。 同样， 冷轧后的退 火 板 的 晶 粒 尺 寸 也 因 加 Sn 受到影响。通过加 Sn， 在最终退火后试样的晶粒 尺寸比无 Sn 的 要 小。因 此， 可 以 预 计， 过 多 的 Sn 含量在最终退 火 后 会 导 致 晶 粒 尺 寸 变 小， 同时增 加磁滞损失。 图 5 所示 为 添 加 Sn 磁 性 改 善 的 情 况。 由 于 加 Sn， 使铁损降低和磁感增 加。 然 而 添 加 w （ Sn） 超过 0 . 1 % ， 铁 损 就 开 始 上 升， 因此添加 w （ Sn） 0 . 1 % 以下 有 益。 这 些 磁 性 因 添 加 Sn 得 到 的 改 善与图 4 所示 的 加 Sn 所 获 得 的 晶 体 织 构 改 善 相 辅相成。加 Sn 能 有 效 阻 止 靠 近 热 轧 板 原 始 晶 界 56
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制。含 Sn 硅钢 中 再 结 晶 织 构 形 成 的 机 理 推 导 如 下。通过加 Sn， 冷轧 过 程 中 促 进 形 变 带 形 成。 由 于再结晶晶 粒 优 先 在 形 变 带 形 核 而 具 有｛ 位 110 ｝ 向， 所以认为靠近原始晶界具有｛ 位向的晶粒 111 ｝ 的再结晶形核的几率降低。 因为当今高速 马 达 是 以 高 效 和 小 型 化 为 目 标 的。 对应这一趋势， 已经开发了薄规格和高强度薄规 格无取向硅钢。 3 .1 薄规格无取向硅钢 普通无取 向 硅 钢 的 厚 度 为 0 . 50 mm 和 0 . 35 高 速 马 达 已 经 投 入 使 用， 其速度高达 mm。最近， 10 000 r / min 。厚度 0 . 20 mm 和 0 . 15 mm 的薄规格 无取向硅钢 已 经 开 发 成 功， 降 低 了 几 百 Hz 到 10 kHz 高频范围内的铁 损。 表 1 和 图 6 所 示 新 开 发 的薄规格无取向硅钢产品系列的磁性。与原来的 无取向硅钢比 较， 其 铁 损 降 低 了 50 % ， 甚至降低 了 2 / 3。
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1 前 言
无取向硅钢主要被用作旋转电机如马达和发 电机的铁 芯，1924 年 新 日 铁 作 为 热 轧 板 开 始 生 产， 1956 年用冷轧无取向硅钢替代了热轧硅钢。 为降低发电机和马达的铁损需要用无取向硅 钢制造铁芯。控 制 晶 体 取 向 以 改 善 磁 性， 跟用作 变压器的取向 硅 钢 一 样， 降低无取向硅钢的铁损 也非常重要。这些效果的充分利用实质上与一般 产品比较， 铁损降低和磁感提高。 近年来， 高速马达的高效化和小型化已经取得 进展。为顺应这一趋势， 已开发出具有特殊性能如 高频下具有低铁损或者具有高强度的无取向硅钢。 开发高效无取向硅钢的基础。从降低磁滞损失和提 高磁感、 磁导率两方面对电工钢晶体织构改进影响 的一系列元素进行了充分的研究， 研究结果表明， 具 有 w （Mn） 1 % 左右的低硅钢在适宜工艺条件下可显 著改善其最终的晶体织构。 众所周知， 过量的 Mn 含量对磁性有害， 因为它 通常形成象 MnS 之类的有害的析出物。当使用非常 纯净的钢和并进行适当的加工处理时， 通过改善晶 体织构， Mn 含量对磁性产生有利作用。图 2 所示为 含w （Si） （Al） 由于添加 Mn 使 0 .5 % 、 w 0 . 2 % 的钢， 磁性得到改善。通过添加 w （Mn） 可以得 1 % 以上， 到铁损降低和磁导率提高的效果。 图 3 所示为含 w （ Si） （ Al）0 . 2 % 的 0 .5 % 、 w 钢， 通过 添 加 Mn 改 善 了 晶 体 织 构。 当 添 加 Mn 后， 特别是添加 w （ Mn）1 % 以 上， ｛ 面晶体减 111 ｝ 少， 而｛ 和｛ 面 晶 体 增 加。 通 过 添 加 Mn ， 110 ｝ 100 ｝ 对晶体织 构 的 有 利 影 响 对 应 的 磁 性 变 化 示 于 图 被认为是 2 。由添加 Mn 而导 致 的 晶 体 织 构 改 善， 由于 Mn 原子改变了冷轧后再结晶的位置所致。
-1
磁感 B50 /
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屈服强度 / MPa 841 647 841 402 412
）
・kg W1 / 10 000 （ / W 21 . 8 24 . 8 26 . 3 40 . 4 53 . 7
）
15HST780Y 20HST570Y 20HST780Y 35H250 普通的 50H310
T 1 . 62 1 . 61 1 . 63 1 . 66 1 . 67
图8 溶质元素对 w （ Si） 3 % 无取向硅钢磁性的影响
不产生有害的影响成为可能。这些工艺的有效利 用已从实际上 降 低 了 产 品 的 铁 损 和 提 高 了 磁 感。 开发了高效 无 取 向 硅 钢 的 产 品 系 列。最 近， 具有 特殊性能无取 向 硅 钢 的 需 求 不 断 增 长， 如随着具 有高效化和小 型 化 的 高 速 马 达 的 进 展， 需要高频 下的低铁损 或 高 强 度。为 响 应 这 一 趋 势， 开发出 了厚度为 0 . 20 mm 和 0 . 15 mm 的薄规格无取向硅 钢和厚度相同 但 屈 服 强 度 在 570 MPa 以 上 和 780 MPa 以上的无取向硅钢。 卢凤喜 译自 Steel Research Int . 2005 . Vol . 76 ， No . 6 校对 □
要同时获得 磁 性 和 高 强 度 的 力 学 性 能， 与其
图6 新旧无取向硅钢磁性比较
它方法相比， 固 溶 强 化 是 适 用 的 方 法。 图 7 和 图
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无取向硅钢的最新进展 8 所示固溶强化元素尤其是 P、 Mn 、 Ni 分 别 使 屈 服 强度和磁性得到改善的效果。这些元素在不恶化 磁性的情况下能够提高强度。新开发的高强度薄 规格无取向硅钢就是 利 用 了 固 溶 强 化 机 理。 表 2 和图 9 、 图 10 所示新开发的 高 强 度 薄 规 格 无 取 向 硅钢产品系列的磁性和高强度力学性能。这种新 产品与普 通 无 取 向 硅 钢 比 较， 强 度 提 高 50 % ～ 而 高 频 下 的 铁 损 持 平 或 还 低 一 些。 特 别 100 % ， 是 15HST780Y 与普通 的 无 取 向 硅 钢 比 较， 强度加 倍， 铁损 W1 / 1000 低一半。
图 10 高强度无取向薄规格硅钢与普通 无取向硅钢磁性和力学性能比较
4 结 语
对电力系统 来 说， 电工钢板是必不可少的磁 性材料， 因为它 们 被 用 于 不 同 领 域 电 力 设 备 的 铁 芯， 如用作电力发电领域发电机、 输配电领域的变 压器和消耗 领 域 的 马 达 上 的 铁 芯。关 于 电 力， 能 量守恒是最基 本 的 定 律， 因此必须最大限度降低 发电机、 变压 器 和 马 达 的 能 量 损 耗。控 制 晶 体 取 向和最终增加磁性对降低无取向硅钢的铁损也跟 取向硅钢一样成为重要因素。通过特殊工艺技术 的开发如脱硫、 脱碳和真空脱气生产出了纯净钢， 使现在采用任何元素来改善钢的晶体织构控制而