高強度無取向電工鋼的研究進展

潘振東，項 利，張 晨，仇圣桃，王忠英

（先進鋼鐵流程及材料國家重點實驗室，鋼鐵研究總院連鑄技術國家工程研究中心，北京 100081）

0 引 言

隨著航空航天、飛輪蓄能、電動工具、離心壓縮機、微汽輪發(fā)電機等行業(yè)的發(fā)展［1－2］，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可高達每分種數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)高速電機的應用越來越多，此時常規(guī)的轉(zhuǎn)子鐵芯難以承受其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，這對無取向電工鋼的強度提出了更高的要求［3］。另外，隨著電子控制系統(tǒng)的發(fā)展，內(nèi)置式永磁同步電機得到了越來越廣泛的應用，其主要用途之一是作為電動汽車的驅(qū)動電機，但是其轉(zhuǎn)子的結構特殊，即便在轉(zhuǎn)速不是特別高的情況下，轉(zhuǎn)子鐵芯的某些部位也可能會發(fā)生疲勞斷裂，故其也需要使用高強度無取向電工鋼。

在國外，對高強度無取向電工鋼研究最多的是日本，其從20世紀80年代就開始研究高強度無取向電工鋼，代表廠家主要為新日鐵住金株式會社（原新日鐵和住友金屬，以下簡稱NSSMC）和杰富意（以下簡稱JFE）公司。目前，這兩家公司在日本和其它國家申請了很多高強度無取向電工鋼專利。國內(nèi)也在加快高強度無取向電工鋼的研制步伐，寶鋼已申請公開了一項專利，武鋼正在進行高強度無取向電工鋼的工業(yè)試驗，鋼鐵研究總院已開始在實驗室通過模擬薄板坯連鑄連軋技術試制高強度無取向電工鋼。根據(jù)寶鋼集團、NSSMC和JFE公司公開的專利等資料，作者從化學成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能等方面介紹了高強度無取向電工鋼的研究進展，以期為國內(nèi)相關生產(chǎn)或研發(fā)機構有所借鑒。

1 國內(nèi)的研究進展

國內(nèi)的相關研究報道還較少，目前只有寶鋼有公開的資料可查。寶鋼在硅、鋁、錳含量（2.5%～3.5%Si，0.25%～0.6%Al，0.25%～0.5%Mn，均為質(zhì)量分數(shù)，下同）較高的前提下，通過添加鎳和鉻等固溶強化元素研制了一種具有較高磁感應強度B50（1.65～1.73T）的高強度無取向電工鋼。成品板中鉻和鎳的固溶強化作用提高了電工鋼的屈服強度σs（460～690MPa）；通過控制碳、氮、硫、鈦等對磁性能有害的元素以及優(yōu)化退火工藝，使鐵損P15/50在3.42～4.78W·kg－1范圍內(nèi)；對熱軋板進行適當?shù)某；幚砜商岣唠姽や摰拇鸥袘獜姸龋?］。

2 國外NSSMC公司的研究進展

2.1 高強度電工鋼產(chǎn)品

NSSMC公司已經(jīng)具有生產(chǎn)系列高強度無取向電工鋼產(chǎn)品的能力，在其2013年的產(chǎn)品手冊中給出了高強度無取向電工鋼的典型性能，如表1所示。這五個牌號的產(chǎn)品都具有特別優(yōu)異的力學性能。

表1 NSSMC產(chǎn)品手冊中高強度無取向電工鋼的典型性能Tab.1 Typical properties of high strength non-oriented electrical steels in NSSMC′s product manuals

2.2 采用固溶強化提高強度

在采用固溶強化提高電工鋼強度的相關專利中，NSSMC公司主要采用硅、磷、錳、鎳、鋁元素進行固溶強化，有時也會用到鉻、鉬、銅、鈦等合金元素。為了達到較高的強度，一般都會適當減小成品板的晶粒尺寸。鉻可以有效降低高頻鐵損和應力敏感性，可減小鐵芯在加工過程中或高速旋轉(zhuǎn)時因應力改變而引起的性能波動［5］。固溶的鈦有增強｛111｝面織構的作用，從而有助于提高強度［6］。磷雖然是固溶強化效果很好的元素，但其易在晶界偏聚引起鋼板脆裂，對此提出了幾種解決方案。其一，將磷含量控制在小于0.1%，硼含量控制在0.001%～0.007%，并采用更低的退火溫度（750～800℃）［7］；其二，熱軋板在熱軋結束到卷取開始這段時間的平均冷速大于100℃·min－1，并使卷取溫度小于650℃，卷取后到300℃的冷速大于100℃·h－1［8］；其三，使卷取溫度小于550℃，并使熱軋板的再結晶率小于60%，且熱軋板再結晶的平均晶粒直徑小于60μm［9］。

主要采用固溶強化的高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能見表2。NSSMC公司于2002年11月公布的高強度無取向電工鋼薄帶的性能見表3［10］，這些牌號的產(chǎn)品同時具有優(yōu)異的磁性能和力學性能，它們采用的主要強化手段即為磷、錳、鎳等元素的固溶強化［11］。

2.3 采用固溶強化和析出強化提高強度

采用固溶強化和析出強化的相關專利中，起強化作用的析出物主要為鈮、鋯、鈦、釩的碳氮化物和銅金屬相。為了防止析出物嚴重惡化磁性能，對這些元素的含量都有嚴格的要求。各種碳氮化物的強化效果不盡相同，久保田猛［14］認為，與其它碳氮化物相比，鋯的碳氮化物的析出強化效果較好，同時對磁性能的劣化較小。有田吉宏［15］等指出，NbC通常與MnS復合析出，當錳含量與碳含量滿足一定條件時，NbC會細小密集地析出，增強了抑制晶粒長大的作用，從而可以獲得高的強度和韌性；另外，他們認為若熱軋板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于70℃，則可以有效抑制生產(chǎn)過程中脆裂的發(fā)生，為了達到這個目的，需要抑制熱軋板的再結晶和碳偏析，優(yōu)選卷取溫度低于600℃，最好低于500℃。在固溶強化的基礎上同時采用鈮、鋯、鈦、釩的碳氮化物進行析出強化的相關專利中，幾種高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及性能見表4。

表2 主要采用固溶強化的NSSMC高強度無取向電工鋼的主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of NSSMC high strength non-oriented electrical steels developed mainly by solid-solution strengthening method

表3 NSSMC公司高強度無取向電工鋼薄帶的性能Tab.3 Properties of high strength non-oriented electrical steel thin strips developed by NSSMC

最近10a，在很多專利中會用到銅金屬相的析出強化。村上英邦［17］指出，銅金屬相降低飽和磁通密度的作用很小，而且與碳氮化物相比，其對磁疇壁移動的阻礙作用較小。采用銅金屬相析出強化時，可以通過控軋控冷，使銅金屬相在冷軋前不析出，或不過多地析出，或控制其析出狀態(tài)，從而使熱軋板或?；宀恢劣谔貏e硬化和脆化，這樣就比較容易進行冷軋，也減少了冷軋時軋裂的發(fā)生。在冷軋后的退火及冷卻過程中，也可通過采用合理的退火溫度和冷速來抑制銅金屬相的析出；用戶將成品板沖片后，再經(jīng)時效退火處理，使銅金屬相析出就可以獲得高的強度。這樣，在時效退火之前，鋼板一直處于一個相對“軟質(zhì)”的狀態(tài)，冷軋及其沖片過程中的成材率相對較高。藤村浩志等［18］指出，銅金屬相易在退火冷卻過程中的900～600℃溫度域析出，所以此溫度域的冷速應大于1℃·s－1；但若冷速過大，鋼板的板形就會變差，疊片系數(shù)降低，故冷速應小于100℃·s－1；為了達到提升強度的目的并防止過時效，他們規(guī)定了時效處理的溫度和時間。銅金屬相的尺寸、密度也被嚴格地規(guī)定，以防止其嚴重惡化磁性能，如村上英邦［17］認為，成品板中銅金屬相的密度要大于0.2個·μm－3，而其平均尺寸要小于1μm。

表4 采用鈮、鋯、鈦、釩的碳氮化物析出強化的NSSMC高強度無取向電工鋼的主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of NSSMC high strength non-oriented electrical steels developed by precipitation strengthening with carbonitride of Nb，Zr，Ti and V

一些專利中會通過提出特別的成分設計方案來提升產(chǎn)品的加工性能或力學性能。鋁、鐵、硅原子的半徑依次增大，鋁可使鐵的晶格畸變較小，脆性增加程度較??；鎳有抑制熱軋板邊裂的作用。所以，日本專利公報2008-223045［19］通過降低硅含量、增大鋁含量，同時添加鎳元素的措施來改善高強度電工鋼的加工性能。日本專利公報2006-077305［20］指出，銅金屬相是軟質(zhì)相，若單獨使用，強化效果小，所以應同時使用硬質(zhì)相釩系碳氮化物進行析出強化。鐵素體相中銅的固溶度隨硅含量的增加而變小，硅含量較高時，銅金屬相易在晶界上析出，而在晶界兩旁會有無析出區(qū)，導致強化效果變小。日本專利公報2006-104557［21］指出，冷軋板在退火時形成了銅固溶度很大的γ相，利用冷卻過程中的γ→α相變，可使銅金屬相在晶粒內(nèi)細小彌散析出。

日本專利公報2010-150667［22］采用了金屬間化合物的析出強化，這與采用銅金屬相的析出強化類似，關鍵在于在生產(chǎn)過程中合理控制金屬間化合物的析出。NSSMC專利中采用銅金屬相析出強化的高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能見表5。

表5 采用銅金屬相析出強化的NSSMC高強度無取向電工鋼的主要參數(shù)Tab.5 Main parameters of NSSMC high strength non-oriented electrical steels developed by precipitation strengthening with Cu metal phase

2.4 采用位錯強化提高強度

采用位錯強化提高無取向電工鋼的強度，主要是使冷軋板在退火中不完全再結晶，或完全再結晶后再經(jīng)二次冷軋，從而使成品板具有較高的位錯密度，達到強化的目的。主要采用位錯強化的高強度無取向電工鋼稱為“資源節(jié)約型高強度電工鋼SXRC”［23］。

采用位錯強化開發(fā)高強度無取向電工鋼的難點是在獲得較好磁性能的前提下如何穩(wěn)定地獲得較高的位錯密度。日本專利公報2005-113185［24］通過使成品板的再結晶率小于99%，或成品板完全再結晶后將其進行壓下率不小于5%的二次冷軋，并且最后一道冷軋后鋼板不可以在大于750℃的溫度保持30s以上等措施，使成品板未再結晶組織（回復組織）的平均位錯密度大于1×1014m－2。為了得到較高的位錯密度，往往會采用較低的冷軋板退火溫度，而在工業(yè)生產(chǎn)過程中大幅降低退火溫度會導致生產(chǎn)效率下降，所以如何通過抑制再結晶來提高退火溫度是一個研究熱點。日本專利公報2006-070348［25］通過添加1.5%～2%的銅或0.08%～2%的鈮，采用固溶銅、鈮或析出銅金屬相、鈮的碳氮化物來延遲再結晶，提高了退火溫度。田中一郎等指出，固溶的鈮、鋯、鈦和釩具有抑制再結晶的作用，特別是鈮的再結晶抑制效果更大。為了穩(wěn)定地得到回復組織，日本專利公報2006-009048［26］采取了使鈮、鋯、鈦、釩、碳、氮元素含量滿足一定的數(shù)量關系，并要求冷軋板退火溫度低于780℃的措施。NSSMC采用位錯強化的高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能如表6所示。

表6 采用位錯強化的NSMMC高強度無取向電工鋼的主要參數(shù)Tab.6 Main parameters of NSSMC high strength non-oriented electrical steels developed by dislocations strengthening method

3 國外JFE公司的研究進展

3.1 采用固溶強化提高強度

JFE公司采用固溶強化生產(chǎn)高強度無取向電工鋼時使用的元素主要為硅、鋁、錳、鎳、鎢、鉬、鈷、鈦、釩、鈮、鋯等。起初為防止冷軋時裂紋的發(fā)生而采用溫軋［29］，之后，室吉成等［30］提出了通過細化熱軋板組織來改善冷軋性能的措施，從而不采用溫軋也能順利進行生產(chǎn)。細化熱軋板組織的方法為對鑄坯進行二次熱軋，即鑄坯加熱后進行初次熱軋，然后再加熱進行二次熱軋。尾田善彥［31］等指出，錳含量高的電工鋼在退火過程中易在晶界上析出很多直徑為0.05～0.5μm的鐵錳系碳化物，在這些碳化物周邊會產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，從而引起鐵損劣化。所以他們通過盡量降低碳含量以及最后一道退火工序后的冷速大于7℃·s－1的措施，減小了晶界上析出鐵錳系碳化物的密度。鉻可在一定程度上改善高硅鋼的加工性，并降低硅鋼的高頻鐵損，但鉻系碳氮化物易在晶界析出而使硅鋼韌性降低。河野雅昭等［32］在硅鋼中添加適量鉻，并通過規(guī)定鈦、碳、氮的含量關系，使鈦系碳氮化物在晶粒內(nèi)優(yōu)先析出，防止了因鉻系碳氮化物引起的成品韌性降低。JFE采用固溶強化的高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能見表7。

3.2 采用固溶強化和析出強化提高強度

對于析出強化，JFE采用的主要析出物為銅金屬相，一般是通過沖片后進行時效處理來析出大量的微細銅金屬相?；诖判阅芎土W性能的綜合考慮，銅金屬相的平均粒徑應為1～20nm，體積分數(shù)應為0.2%～2%［33］。高島稔等［34］指出，采用這種強化方法時，需要使銅在時效處理前以固溶狀態(tài)存在；如果時效處理前鋼板中已有大量微細銅金屬相存在，則會導致沖片性能劣化，且沖片后的時效處理帶來的強度上升效果也較?。蝗绻麜r效處理前鋼板中存在粗大的銅金屬相，則在時效處理中銅會在已析出的銅金屬相周圍繼續(xù)析出，銅金屬相會更加粗大，從而引起鐵損劣化。高硅鋼中的銅金屬相特別容易長大，鎳有抑制退火過程中銅金屬相析出和粗化的作用，故可以適當添加鎳［33－35］。兩段式時效處理能夠避免過時效，防止形成粗大的銅金屬相［36］。對于兩段式時效，第一段時效處理工藝為（350～400）℃時效1h以上，第二段時效處理工藝為（450～550）℃×（0.5～5）h。在溫度低于450℃的第一段時效處理中，得不到足夠量的微細銅析出物，但可以增加第二段時效處理時銅的析出位置數(shù)量。采用銅金屬相析出強化的JFE高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能見表8。

表7 采用固溶強化的JFE高強度無取向電工鋼的主要參數(shù)Tab.7 Main parameters of JFE high strength non-oriented electrical steel developed by solid-solution strengthening method

3.3 采用位錯強化提高強度

JFE采用固溶鈦或釩來抑制退火時的再結晶行為，進而提高再結晶溫度，從而使成品板中殘留有回復組織，以達到提高強度的目的［37］。采用位錯強化的JFE高強度無取向電工鋼的典型成分、生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品性能見表9。

4 各種強化方式的對比

對于固溶強化，硅、鋁或錳含量的提高，會引起B(yǎng)50下降，而鎳、鉻、鉬、銅、鈦等對磁感應強度的影響還有待進一步深入研究。對于錳、鉬、銅、鈦等固溶強化元素，需要考慮它們的析出物對磁性能的影響。在一定程度上，這些析出物不僅阻礙疇壁移動，使磁滯損耗Ph和矯頑力Hc增大，同時為了降低其周圍靜磁能而產(chǎn)生了閉合疇，使磁化困難，它們對晶粒長大和織構組分也有不利影響［38］。固溶強化元素會對合金γ相區(qū)的大小產(chǎn)生影響，如果存在兩相區(qū)，那么在設定熱軋終軋溫度、熱軋板?；瘻囟群屠滠埌遄罱K退火溫度時，需考慮相變溫度的影響。另外，固溶強化往往會引起加工性能劣化，特別是會使熱軋板或常化板的硬度和脆性變大，造成冷軋固難，并有可能在冷軋中發(fā)生軋裂的情況；而且這些合金元素會使成本增加，尤其是鎳、鉻、鉬、銅等特別昂貴。但這些固溶元素會增大合金的電阻率，有利于降低鋼板的渦流損耗。所以，對于固溶強化，需要選擇合適的強化元素以及含量，這樣才能在獲得高強度的同時，不至于使磁性能劣化嚴重，而且還能夠保證生產(chǎn)的順利進行。

表8 采用銅金屬相析出強化的JFE高強度無取向電工鋼的主要參數(shù)Tab.8 Main parameters of JFE high strength non-oriented electrical steels developed of precipitation strengthening of Cu metal phase

表9 采用位錯強化的JFE高強度無取向電工鋼主要參數(shù)Tab.9 Main parameters of JFE high strength non-oriented electrical steel developed by dislocations strengthening method

細晶強化是各種強化機制中唯一最有利于鋼鐵材料強韌化的方式［39］。對于電工鋼而言，存在一個合適的臨界晶粒尺寸，在這個臨界尺寸下P15/50最小，同樣對于P10/400、P10/800和 P10/1000都有一個鐵損最低時所對應的臨界晶粒尺寸。那么在采用細晶強化時，便需明確不同成分電工鋼的晶粒尺寸與鐵損和強度之間的關系，從而選擇一個較為合適的晶粒尺寸。

對于析出強化，如前所述，析出物會惡化磁性能；而且，在生產(chǎn)過程中，一些析出物會成為鑄坯、熱軋板或冷軋板等的裂紋源，可能會導致成材率降低。但是，通過優(yōu)化合金成分和生產(chǎn)工藝，可以合理控制析出物的數(shù)量、密度及形態(tài)，從而有效防止生產(chǎn)過程中板材的硬化和脆化，并使成品具備較好的性能。

采用位錯強化時，較低的合金含量就可以達到較高的強度，這一方面降低了生產(chǎn)成本，另一方面使成材率較高。但成品板一般會殘存有回復組織，以致硬度比較高，沖片時對模具的磨損比較嚴重。根據(jù)回復程度的不同，回復組織可能為胞狀組織，或是已經(jīng)形成清晰完整的亞晶結構?；貜徒M織的位錯密度較變形組織的小，但高于再結晶組織的。高密度的位錯會阻礙磁疇壁移動，使磁化困難，對磁感應強度和磁滯損耗會有不利影響。對于位錯強化，則需要控制好成品板中回復組織的含量，甚至需要控制好回復組織的回復程度。

總之，不管采用何種強化方式，都需要選擇合適的成分和工藝，從而實現(xiàn)力學性能、磁性能、加工性能和加工成本的最優(yōu)配合。

5 結束語

高強度無取向電工鋼為各大硅鋼廠家的熱門研發(fā)產(chǎn)品之一，國內(nèi)雖然在加緊高強度無取向電工鋼的研制，但可見到的文獻資料特別少，而國外（主要是日本）關于高強度無取向電工鋼的文獻資料較多，且主要為專利文獻。

高強度無取向電工鋼除了要求具有良好的力學性能外，還要求具有優(yōu)良的磁性能，特別是需要具有低的高頻鐵損。固溶強化、細晶強化、析出強化、位錯強化都可以用來提高無取向電工鋼的強度，但哪種強化方式更有利于獲得電工鋼力學性能、磁性能和加工性能之間的平衡，仍有待于科研工作者進一步深入研究。

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