無(wú)抑制劑取向硅鋼概述

向 睿，羅海文，劉和平

(鋼鐵研究總院 電工鋼中心，北京 100081)

1 無(wú)抑制劑取向硅鋼的特點(diǎn)

取向硅鋼按制造工藝和磁感大小可分為普通取向硅鋼(CGO)和高磁感取向硅鋼(Hi－B).抑制劑是取向硅鋼中的細(xì)小彌散第二相質(zhì)點(diǎn)或晶界偏聚元素，在取向硅鋼的生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用.取向硅鋼使用的抑制劑通常為化合物抑制劑，另外也有單元素溶質(zhì)抑制劑等.這些抑制劑有AlN、MnS、MnSe、CuSe、BN 等.在高溫退火過(guò)程中，尤其是發(fā)生二次再結(jié)晶的溫度范圍內(nèi)(900～1 100℃)，基體中各種位相的初次晶粒都有長(zhǎng)大傾向.因此，為使Goss晶粒得到發(fā)展，須使抑制劑在鋼中彌散分布，有效控制二次再結(jié)晶退火中其他位向再結(jié)晶晶粒的正常長(zhǎng)大.通過(guò)加強(qiáng)抑制力，使得Goss位向的晶粒獲得超過(guò)其他位向晶粒的長(zhǎng)大優(yōu)勢(shì)而發(fā)生異常長(zhǎng)大，在最終成品中形成位向準(zhǔn)確的Goss晶粒，從而提高磁性能［1］.

在大量的取向硅鋼的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中，人們普遍認(rèn)識(shí)到對(duì)抑制劑數(shù)量、尺寸的控制是獲得位向準(zhǔn)確的Goss織構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)之一.無(wú)抑制劑類(lèi)型的取向硅鋼也在逐漸得到注意，該類(lèi)型的取向硅鋼通過(guò)二次再結(jié)晶獲得Goss織構(gòu)的機(jī)理和工藝關(guān)鍵點(diǎn)必然與有抑制劑型取向硅鋼不同，其性能和產(chǎn)品使用場(chǎng)合也不同.

無(wú)抑制劑型取向硅鋼通常采用1 000～1 250℃的較低溫度進(jìn)行板坯加熱，無(wú)需采用生產(chǎn)取向硅鋼所需的電磁感應(yīng)加熱爐這樣的高溫加熱設(shè)備，并且省掉了脫碳退火和高溫凈化處理，制造成本明顯降低，滿(mǎn)足鋼鐵工業(yè)節(jié)能環(huán)保要求;加熱時(shí)產(chǎn)生的氧化鐵皮少，成材率高，降低了成本并獲得了理想的磁性能.無(wú)抑制劑取向硅鋼由于二次再結(jié)晶過(guò)程中無(wú)抑制劑的抑制作用，其成品的磁性能在軋制方向上低于傳統(tǒng)取向硅鋼(CGO和Hi－B)，而在垂直軋制方向上高于傳統(tǒng)取向硅鋼;因此，該產(chǎn)品特別適合于制作EI型變壓器、小電機(jī)使用的T型分割式鐵芯、電機(jī)定子鐵芯及日光燈鎮(zhèn)流器等.這種取向硅鋼可以明顯降低高頻鐵損，因而也適用于制作扼流線圈鐵芯.

此外，鐵芯材料的加工制造對(duì)取向硅鋼成品的沖片性也提出了很高的要求.例如，廣泛應(yīng)用于小變壓器和家用電機(jī)的EI型鐵芯由沖壓的E型和I型片狀取向硅鋼制作而成，所使用的取向硅鋼片不但要滿(mǎn)足磁性能要求，其加工性能也對(duì)變壓器生產(chǎn)有直接影響.傳統(tǒng)取向硅鋼于高溫退火前需要在表面涂敷MgO隔離劑，在高溫退火時(shí)形成Mg2SiO4玻璃膜底層，起到絕緣和增加張力的作用，使產(chǎn)品獲得良好磁性能.但由于Mg2SiO4玻璃膜底層硬度很高，導(dǎo)致成品的沖片性能較差，甚至縮短沖壓模具的使用壽命，從而對(duì)鐵芯的制造產(chǎn)生不利影響.而無(wú)抑制劑取向硅鋼在最終退火前鋼板表面無(wú)需涂覆MgO隔離劑，不會(huì)形成硬度很高的Mg2SiO4玻璃膜底層，從本質(zhì)上解決了涂層對(duì)成品性能的負(fù)面影響，可以獲得光滑表面的產(chǎn)品，顯著提高沖片性，減少對(duì)沖壓模具的損耗，并可以降低中高頻率使用時(shí)的鐵損［2］.

2 無(wú)抑制劑取向硅鋼研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，主要有以下兩種無(wú)抑制劑生成取向硅鋼工藝:

2.1 利用表面能的方法

以表面能為驅(qū)動(dòng)力，有意識(shí)地使{110}面優(yōu)先長(zhǎng)大，必要條件是板厚很薄，如0.15 mm以下，以至于可采用50%～70%的第三次冷軋的技術(shù)，之后在一定高溫區(qū)域、非氧化性保護(hù)氣氛或真空中進(jìn)行最終高溫退火.

2.2 高潔凈度鋼生產(chǎn)取向硅鋼

根據(jù)高能晶界理論，高斯位向晶粒發(fā)生二次再結(jié)晶的本質(zhì)是 Goss位向的晶粒多被20～45(°)大角晶界所包圍，位于該取向差范圍的晶界具有更高的晶界能，要較其他晶界的遷移速率高，從而導(dǎo)致Goss晶粒獲得長(zhǎng)大優(yōu)勢(shì).抑制劑的作用是增強(qiáng)高能晶界與其他晶界的移動(dòng)速度差，使得通過(guò)二次再結(jié)晶獲得Goss織構(gòu)成為可能.但當(dāng)鋼中存在雜質(zhì)元素時(shí)，在晶界上特別是在高能晶界上容易產(chǎn)生偏析.在不純?cè)睾慷鄷r(shí)，高能晶界與其他晶界幾乎沒(méi)有移動(dòng)速度差，鋼的潔凈度越高，在結(jié)晶晶界上析出物和不純?cè)卦缴?，高能晶界?gòu)造中原有的移動(dòng)速度差潛在性越強(qiáng)，從而使高斯位向晶粒二次再結(jié)晶成為可能.在傳統(tǒng)Hi－B鋼生產(chǎn)中，為了獲得更高的磁感，有時(shí)還需加入Sn、Bi和Sb等晶界偏聚元素.這些晶界偏聚元素被認(rèn)為是加強(qiáng)了對(duì)初次再結(jié)晶基體中非Goss位向晶粒的釘扎作用，從而在二次再結(jié)晶后獲得位向更準(zhǔn)確的Goss織構(gòu).因此，在無(wú)抑制劑型取向硅鋼中這些晶界偏聚元素是否依然能起到同樣的作用，目前不是很清楚，尚無(wú)定論.這一課題兼具科學(xué)意義和生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值，很值得將來(lái)專(zhuān)門(mén)研究.

3 無(wú)抑制劑取向硅鋼生產(chǎn)方法

無(wú)抑制劑取向硅鋼工藝流程包括冶煉→精煉→連鑄→熱軋→?；滠垺醮卧俳Y(jié)晶退火到最終退火等工藝，最后制取得到0.35mm厚度取向硅鋼成品.

3.1 成分設(shè)計(jì)

無(wú)抑制劑取向硅鋼化學(xué)成分的設(shè)計(jì)要避免在鋼中形成抑制劑，因此，需要嚴(yán)格地控制Mn、S、Al、N、C，Si等元素的含量.小晶?？杉?xì)化磁疇，降低P17值.如果鋼中C、S、N含量增高，它們?nèi)菀自诖蠼蔷Ы缙郏Ы缫苿?dòng)速度減慢，二次再結(jié)晶不完善.本文設(shè)計(jì)的取向硅鋼化學(xué)成分如表1所示，同時(shí)為了提高最后成品的磁性能，鋼中加入了一種或幾種 Sb、Ni、Sn、Cu、P、Mo 和 Cr元素.Ni可提高B8，因?yàn)镹i促進(jìn)α－γ相變，熱軋板晶粒小且均勻，Ni不形成氮化物等析出物，而且是鐵磁性元素.Sb、Sn、Cu、Cr可使二次晶粒細(xì)化，降低 P17.嚴(yán)格控制目標(biāo)元素的成分范圍，同時(shí)盡量降低有害元素(如S、O、Ti等)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)到0.003%以下，防止其對(duì)磁性能的不利影響.

表1 無(wú)抑制劑取向硅鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 The chemical composition(mass fraction)of inhibitor－free oriented silicon steel %

3.2 熱軋

無(wú)抑制劑取向硅鋼由于不考慮利用高溫使MnS、AlN等化合物固溶，因此不需要太高的均熱溫度.熱軋前將板坯在1 100℃下均熱30 min.初軋溫度為1 050～1 080℃，終軋溫度為880～900℃，終軋厚度為2.5±0.1 mm.鑄坯加熱溫度低，應(yīng)注意熱軋板產(chǎn)生邊裂，控制粗軋壓下率為75% ～80%，熱軋邊裂小于5 mm，磁性均勻.

3.3 ?；?/h3>

無(wú)抑制劑法取向硅鋼熱軋板在N2氣氛下，于800～950℃?；幚?～3 min后，再放入沸水中快速冷卻至室溫，其目的是使熱軋板組織更加均勻，促進(jìn)再結(jié)晶，有利于后續(xù)制備過(guò)程中形成單一Goss織構(gòu).常化時(shí)板寬方向邊部100 mm區(qū)的?；瘻囟缺戎胁康?，邊部表面氧附著量小于0.1 g/m2，中部氧含量不大于0.15 g/m2，這樣邊部氧含量低于中部時(shí)磁性高，而且成品彎曲數(shù)大于10次，薄膜附著性好.

3.4 冷軋

常化板經(jīng)過(guò)表面酸洗、修磨后，在250℃進(jìn)行一次冷軋到成品厚度0.35±0.02 mm.為了有利于軋制，冷軋期間將進(jìn)行溫度設(shè)為100～250℃，時(shí)間為2 min的時(shí)效處理.

3.5 退火

為了有效抑制取向硅鋼氧化層的形成，提高鋼帶表面質(zhì)量，降低鐵損;并且有利于防止最終退火過(guò)程中形成高硬度的覆膜層，明顯提高鋼帶的沖片性，冷軋片在干燥的體積分?jǐn)?shù)為25%N2+75%H2氣氛，950℃ ×20 s(從500℃以大于50℃/s速度快升到950℃)條件下進(jìn)行初次再結(jié)晶退火.初次再結(jié)晶退火時(shí)鋼中固溶碳可加強(qiáng)抑制力，使晶粒尺寸和織構(gòu)更均勻;快升溫使二次晶粒尺寸減小，磁性高.無(wú)抑制劑取向硅鋼在最終退火過(guò)程中發(fā)生二次再結(jié)晶，晶粒尺寸由初次再結(jié)晶退火后的 30 ～80 μm 發(fā)展成≥5 mm［3～4］，是高斯織構(gòu)形成發(fā)展的重要階段.其典型的二次再結(jié)晶晶粒中包含0.15～1.00 mm的細(xì)小晶粒，分布密度大于10個(gè)/cm2，將有利于降低高頻鐵損值，成品可以獲得優(yōu)良的高頻磁性能.最終退火曲線按圖1進(jìn)行.

根據(jù)現(xiàn)階段研究成果，按照上述方法制備的無(wú)抑制劑取向硅鋼成品沿軋向(RD)的最佳磁性能為B800=1.90 T，P1.7/50=1.01 W/kg左右，縱橫向磁性都好，優(yōu)于普通取向CGO和無(wú)取向高牌號(hào)成品.根據(jù)現(xiàn)有最終退火的實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出如圖2所示的磁性能和退火溫度之間關(guān)系圖［3］.由該圖可知二次再結(jié)晶最佳溫度區(qū)間在850～950℃，得到最佳的磁性能.

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了無(wú)抑制劑取向硅鋼的特性及制備方案，與傳統(tǒng)取向硅鋼相比，無(wú)抑制劑取向硅鋼技術(shù)推廣將會(huì)引起電工鋼產(chǎn)業(yè)一項(xiàng)重要技術(shù)革新.

(1)采用無(wú)抑制劑生產(chǎn)取向硅鋼時(shí)要嚴(yán)格控制好鋼中氧含量和最終高溫退火前附著的Al、S、N、Mn的總量，以保證最終材料得到良好的磁性能.

(2)無(wú)抑制劑取向硅鋼發(fā)生完整的二次再結(jié)晶是在最后高溫退火時(shí)完成的，溫度應(yīng)控制在850～950℃，并控制在此溫度區(qū)的N含量、升溫速率及保溫時(shí)間，保證完整二次再結(jié)晶.

［1］何忠治，趙宇，羅海文.電工鋼［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2012:531 －539.

(He Zhongzhi，Zhao Yu，Luo Haiwen.Electrical steel［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2012:531 －539.)

［2］ Imamura T，Terashima T，Hayakawa Y.Newly developed grain－oriented electrical steel suitable for application to segmented core motors［J］.JFE Technical Report，2005，6:8 － 11.

［3］ Hayakawa Y，Kurosawa M，Imamura T ，et al.Grain － oriented magnetic steel sheet having no undercoat film comprising forsterite as primary component and having good magnetic characteristics:US，2005 －6942740B2［P］.

［4］ Hayakawa Y，Kurosawa M，Komatsubara M.Method of making grain－oriented magnetic steel sheet having low iron loss:US，2007 － RE39482E［P］.