無(wú)取向電工鋼磁性能的研究

李慈穎　隋亞飛　張益龍　王仕華

【摘 要】文章研究了不同成分體系下夾雜物（包括第二相析出物）的變化、磁性能的變化及影響無(wú)取向電工鋼磁性能和磁時(shí)效鐵損劣化率的主要因素。結(jié)果表明：影響鐵損的主要成分為C、S、Sb、P、Si，其影響大小為C>S>Sb>P>Si;影響磁感的主要成分為S、P、Si，其影響大小為S>P>Si;影響鐵損劣化率的主要成分為C、S、Sb、P、Als和Mn，其影響大小為C>S>Sb>P>Als>Mn。通過(guò)降低C和S雜質(zhì)元素及調(diào)整P、Sb、Mn、Si等成分，鐵損劣化率由原工藝的平均值19%以上降低到新工藝的3%以下，新工藝下磁性能優(yōu)于原工藝，新工藝下夾雜物數(shù)量比原工藝少。

【關(guān)鍵詞】電工鋼;磁性能;鐵損;磁感;磁時(shí)效;鐵損劣化率;無(wú)取向;夾雜物

【中圖分類號(hào)】TG335.12 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）11-0044-04

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)將節(jié)能列為中長(zhǎng)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃的重要內(nèi)容，從節(jié)能觀點(diǎn)看，發(fā)展趨勢(shì)是提高電機(jī)效率，其方法之一是改進(jìn)電機(jī)鐵芯所用的電磁鋼板的磁性。電機(jī)在運(yùn)行中要求低損耗、高效率、運(yùn)行安全、壽命長(zhǎng)，因此材料不僅具有優(yōu)良的磁性能，而且在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中保持磁性能穩(wěn)定，具有無(wú)磁時(shí)效性（或低磁時(shí)效，鐵損劣化率≤5%），也就是說(shuō)，對(duì)低鐵損、高磁感且無(wú)磁時(shí)效（或低磁時(shí)效）的電工鋼要求日益強(qiáng)烈。磁時(shí)效是鐵磁材料的磁性能隨使用時(shí)間延長(zhǎng)而發(fā)生變化的現(xiàn)象，也是指無(wú)取向電工鋼在服役過(guò)程中鐵損升高、磁感下降的現(xiàn)象。磁時(shí)效往往以鐵損升高為主，增加了電工鋼在服役過(guò)程中的能耗。根據(jù)估算，如果無(wú)取向電工鋼的磁時(shí)效造成鐵損平均僅增加0.1 W/kg，電工鋼每天服役8 h，則1萬(wàn)t無(wú)取向電工鋼每年因磁時(shí)效造成的電能損耗增幅會(huì)超過(guò)0.029億kW·h。因此，研究無(wú)取向電工鋼磁性能及磁時(shí)效的影響因素對(duì)節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文以低牌號(hào)電工鋼為研究對(duì)象，分析了不同成分體系下夾雜物（包括第二相析出物）的變化、磁性能的變化規(guī)律及影響磁時(shí)效的主要因素，希望為電工鋼磁性能及磁時(shí)效的改善提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文實(shí)驗(yàn)選取不同成分體系同一軋制工藝大生產(chǎn)下的0.5 mm厚冷軋無(wú)取向電工鋼，在同一生產(chǎn)退火條件下測(cè)量所取樣品的磁性能，再經(jīng)過(guò)人工時(shí)效試驗(yàn)測(cè)量鐵損劣化率及磁感劣化率，其成分體系見(jiàn)表1。磁時(shí)效試驗(yàn)均采用人工時(shí)效處理方法檢查，將退火涂層的電工鋼試樣加工成0.5 mm×30 mm×300 mm樣條共24片，將樣品放入試驗(yàn)爐，經(jīng)200 ℃×48 h時(shí)效處理后再空冷至室溫測(cè)磁性能，對(duì)比時(shí)效處理前后鐵損和磁感的變化情況及劣化率。

鐵損劣化率=（時(shí)效后鐵損-時(shí)效前鐵損）÷時(shí)效前鐵損×100%

磁感劣化率=（時(shí)效后磁感-時(shí)效前磁感）÷時(shí)效前磁感×100%

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 夾雜物（包括第二相析出物）

4種工藝下取熱軋材樣，使用SEM+EDS分析夾雜物形貌與成分，使用Aspex軟件統(tǒng)計(jì)分析夾雜物數(shù)量和組成，每個(gè)試樣的統(tǒng)計(jì)面積約為10 mm2。

結(jié)果顯示，4種工藝下熱軋材樣中夾雜物（包括第二相析出物）主要為MnS、AlN、Al2O3、SiO2、CaO、MnO、MgO及各類復(fù)合夾雜物，夾雜物大小主要分布在5μm及以下。各類夾雜物形貌及組成如圖1所示;不同工藝下夾雜物組成與數(shù)量見(jiàn)表2。同牌號(hào)對(duì)比，W1300牌號(hào)工藝2（新工藝）的夾雜物數(shù)量要低于工藝1（原工藝），W800牌號(hào)工藝4（新工藝）的夾雜物數(shù)量要低于工藝3（原工藝）。這主要是不同工藝成分不同要求使用的合金及原輔材料不一致，鋼中實(shí)際的雜質(zhì)元素含量及夾雜物（包括第二相析出物）數(shù)量不一致，S、N、O含量越低夾雜物（包括第二相析出物）數(shù)量會(huì)相應(yīng)降低。不同工藝下熱軋材樣中夾雜物分布情況如圖2所示。

2.2 磁性能結(jié)果

統(tǒng)計(jì)大生產(chǎn)條件下181個(gè)磁性能和鐵損劣化率的樣本數(shù)，圖3、圖4顯示了不同工藝下鐵損和磁感變化規(guī)律。從結(jié)果可見(jiàn)，工藝1時(shí)效前后平均鐵損分別為5.335 W/kg和6.342 W/kg，工藝2時(shí)效前后平均鐵損分別為5.518 W/kg和5.667 W/kg，工藝3時(shí)效前后平均鐵損分別為4.734 W/kg和5.926 W/kg，工藝4時(shí)效前后平均鐵損分別為4.761 W/kg和4.837 W/kg。工藝1時(shí)效前后平均磁感分別為1.749 T和1.748 T，工藝2時(shí)效前后平均磁感分別為1.762 T和1.762 T，工藝3時(shí)效前后平均磁感分別為1.726 T和1.726 T，工藝4時(shí)效前后平均磁感分別為1.732 T和1.732 T。對(duì)W1300牌號(hào)，與工藝1對(duì)比，時(shí)效前工藝2平均鐵損高0.183 W/kg，平均磁感高0.013 T;時(shí)效后平均鐵損低0.675 W/kg，平均磁感高0.014 T。對(duì)W800牌號(hào)，與工藝3對(duì)比，時(shí)效前工藝4平均鐵損高0.027 W/kg，平均磁感高0.006 T;時(shí)效后平均鐵損低1.089 W/kg，平均磁感高0.006 T。

圖5、圖6顯示了不同工藝下鐵損劣化率和磁感劣化率變化規(guī)律，從結(jié)果可見(jiàn)，每種工藝下磁感劣化率變化不大，磁感劣化率均在0.6%以下。不同工藝下鐵損劣化率相差較大，對(duì)W1300牌號(hào)，與工藝1對(duì)比，工藝2鐵損劣化率平均值由19.056%降低至2.683%。對(duì)W800牌號(hào)，與工藝3對(duì)比，工藝4鐵損劣化率平均值由25.117%降低至1.593%。這說(shuō)明4種工藝下產(chǎn)品磁時(shí)效主要是鐵損升高的變化。

由此可見(jiàn)，從產(chǎn)品磁性能及穩(wěn)定性考慮，W1300牌號(hào)的工藝2優(yōu)于工藝1;W800牌號(hào)的工藝4優(yōu)于工藝3，即兩個(gè)牌號(hào)新工藝的磁性能要優(yōu)于原工藝。

3 討論

在其他工藝參數(shù)相同的情況下，采用多元回歸分析法對(duì)4種不同工藝中實(shí)際成分下對(duì)應(yīng)的181個(gè)磁性能和鐵損劣化率的樣本數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。從結(jié)果可見(jiàn)，時(shí)效后鐵損、磁感及鐵損劣化率與各成分存顯著性相關(guān)，其P值均低于0.05，R-sq值≥70%且R-sq和R-sq（調(diào)整）值接近，說(shuō)明此回歸模型可靠，回歸方程可用。

4種工藝條件下，從回歸方程結(jié)果看出，影響鐵損的主要成分為C、S、Sb、P、Si，C含量是影響鐵損的主要因素，其次是S含量和Sb含量，其中C含量和S含量與鐵損成正相關(guān)，Sb含量、P含量和Si含量與鐵損成負(fù)相關(guān)，其影響大小為C>S>Sb>P>Si。影響磁感的主要成分為S、P、Si，S含量是影響磁感的主要因素，其次是P含量和Si含量，S含量、P含量和Si含量與磁感均成負(fù)相關(guān)，其影響大小為S>P>Si。影響鐵損劣化率的主要成分為C、S、Sb、P、Als和Mn，C含量是影響鐵損劣化率的主要因素，其次是S含量，其余成分影響不明顯，其中C含量、S含量和Mn含量與鐵損劣化率成正相關(guān)，Sb含量、P含量和Als含量與鐵損劣化率成負(fù)相關(guān)，其影響大小為C>S>Sb>P>Als>Mn。

從以上結(jié)果可見(jiàn)，對(duì)W1300牌號(hào)，工藝2的磁性能優(yōu)于工藝1，工藝2的夾雜物數(shù)量低于工藝1;對(duì)W800牌號(hào)，工藝4的磁性能優(yōu)于工藝3，工藝4的夾雜物數(shù)量低于工藝3。不同工藝、成分不同夾雜物數(shù)量不同，這說(shuō)明成分及夾雜物（包括第二相析出物）對(duì)電工鋼磁性能有明顯影響。

C的影響主要是C擴(kuò)大γ相區(qū)和使相變溫度降低，C含量高迫使成品退火溫度降低，晶粒長(zhǎng)大不充分，鐵損增高;碳化物尺寸、形態(tài)和分布對(duì)電工鋼晶粒組織、結(jié)構(gòu)和磁性有較大影響[1]。電工鋼在高溫下C的固溶度高，從高溫較快冷卻時(shí)多余的C原子來(lái)不及析出而形成過(guò)飽和的固溶體;鐵芯在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，溫度升高，過(guò)飽和的碳原子就以彌散第二相質(zhì)點(diǎn)析出;第二相粒子的析出會(huì)抑制鐵素體疇壁運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致矯頑力上升，劣化率P15/50增加，從而導(dǎo)致電工鋼磁性能下降[2，3]。

S的影響主要是S在電工鋼中對(duì)磁性有害影響均與基質(zhì)中存在MnS的微細(xì)質(zhì)點(diǎn)及晶界上存在自由硫有關(guān)。Mn和S的影響主要是因?yàn)殇撝羞^(guò)飽和的Mn、S會(huì)以MnS粒子的形式彌散析出，造成鐵損升高，且不同溫度時(shí)效時(shí)鐵損的改變情況與Mn、S在α-Fe中的擴(kuò)散有關(guān)，S比Mn更容易擴(kuò)散，因此MnS粒子的析出主要受Mn擴(kuò)散的控制。即使Mn原子的低溫?cái)U(kuò)散很困難，難以形成MnS彌散粒子，但S原子的擴(kuò)散速度相對(duì)較快，如果借助晶界、位錯(cuò)等擴(kuò)散快速通道，仍有可能通過(guò)擴(kuò)散聚集并與Fe形成第二相粒子，進(jìn)而對(duì)磁時(shí)效產(chǎn)生影響[4]。

Si的影響主要是對(duì)無(wú)取向電工鋼的組織、織構(gòu)及磁性能具有決定性的影響。隨著Si含量增加，電阻率提高，γ相區(qū)縮小，渦流損耗降低，晶粒粗化，磁滯損耗降低[5]，使鐵損值降低同時(shí)磁感值也降低;Si能使鋼中雜質(zhì)元素危害降低，使碳石墨化，降低C對(duì)磁性能的有害影響;Si與O有親和力，起脫氧作用，與N形成氮化硅，降低鋼中N的溶解度。

P的影響主要是P會(huì)改變Fe原子間結(jié)合力和激活能，故對(duì)再結(jié)晶過(guò)程和晶粒長(zhǎng)大有影響;P還可以提高比電阻，降低渦流損失;由于P促使晶粒增大，故亦可使矯頑力和磁滯損失降低;隨P含量增加，在弱和中磁場(chǎng)下的磁感提高，而在強(qiáng)磁場(chǎng)下磁感，由于P使晶粒粗化而略有減少[6，7]。P有阻礙碳化物析出和長(zhǎng)大及減輕磁時(shí)效的作用[8]。

Sb元素是表面活性元素，對(duì)成品織構(gòu)的影響主要是因?yàn)镾b元素在晶界處的偏聚能夠降低晶界能。晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力是晶界能，晶界能的降低會(huì)抑制某些容易在原始晶界處形核和長(zhǎng)大的結(jié)構(gòu)組分的形成。在冷軋無(wú)取向電工鋼再結(jié)晶過(guò)程中，{111}面織構(gòu)更容易在原始晶界處形核，Sb的晶界偏聚直接影響了{(lán)111}組分的形核和晶粒長(zhǎng)大，從而使成品鋼帶中{110}組分的強(qiáng)度大大降低。此外，再結(jié)晶退火時(shí)（110）晶粒優(yōu)先在形變帶處生核。加Sb會(huì)加速促進(jìn)形成這種形變帶。Sb可使電工鋼最終退火織構(gòu)中{111}組分減少，{100}組分和{110}組分增加，從而降低電工鋼鐵損，提高其磁感應(yīng)強(qiáng)度。另外，Sb元素還可顯著降低電工鋼內(nèi)氧化速率，提高其磁導(dǎo)率[9]。

Als的影響主要是Al與Si作用相似，可提高電阻值，縮小γ區(qū)和促使晶粒長(zhǎng)大。其含量達(dá)到一定量后可形成粗大的AlN，改善織構(gòu)，降低鐵損，使各向異性減少，且固定氮使磁時(shí)效減輕。含鋁量達(dá)到一定數(shù)量，會(huì)使鋼粗化并促使碳石墨化。鋁還能減少鋼中氧含量，減少磁時(shí)效現(xiàn)象。

夾雜物（包括第二相析出物）數(shù)量越少磁性能越好。雜質(zhì)元素和夾雜物（包括第二相析出物）使點(diǎn)陣發(fā)生畸變。在夾雜物周圍地區(qū)位錯(cuò)密度增高，引起比其本身體積大許多倍的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致磁疇結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，疇壁不易移動(dòng)，磁化困難，而夾雜物本身又為非磁性或弱磁性物質(zhì)，故鐵損增高。鐵損與夾雜物尺寸成反比，與夾雜物數(shù)量成正比。雜質(zhì)元素中C、N和S對(duì)鐵損危害最大，這都使點(diǎn)陣嚴(yán)重畸變，引起大的內(nèi)應(yīng)力。夾雜物及雜質(zhì)元素應(yīng)盡量低，它們對(duì)晶粒長(zhǎng)大和織構(gòu)組分有很大的影響，特別是細(xì)小彌散狀的MnS、AlN等析出物明顯阻礙退火使晶粒長(zhǎng)大。夾雜物數(shù)量增多，使{111}織構(gòu)組分增多，磁性變差[1]。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)降低C和S雜質(zhì)元素及調(diào)整成分P、Sb、Mn、Si等成分，鐵損劣化率由原工藝的平均值19%以上降低到新工藝的3%以下，新工藝下磁性能優(yōu)于原工藝，新工藝下夾雜物數(shù)量比原工藝少。

（2）從產(chǎn)品磁性能及穩(wěn)定性考慮，W1300牌號(hào)的工藝2優(yōu)于工藝1;W800牌號(hào)的工藝4優(yōu)于工藝3，即兩個(gè)牌號(hào)新工藝的磁性能要優(yōu)于原工藝。

（3）不同工藝，成分不同，鋼中夾雜物數(shù)量不同，4種工藝下熱軋材樣中夾雜物（包括第二相析出物）主要為MnS、AlN、Al2O3、SiO2、CaO、MnO、MgO及各類復(fù)合夾雜物，夾雜物大小主要分布在5μm及以下。同牌號(hào)對(duì)比，W1300牌號(hào)工藝2（新工藝）的夾雜物數(shù)量要少于工藝1（原工藝），W800牌號(hào)工藝4（新工藝）的夾雜物數(shù)量要少于工藝3（原工藝）。

（4）通過(guò)回歸分析法得出，影響鐵損的主要成分為C、S、Sb、P、Si，C含量是影響鐵損的主要因素，其次是S含量和Sb含量，其中C含量和S含量與鐵損成正相關(guān)，Sb含量、P含量和Si含量與鐵損成負(fù)相關(guān)，其影響大小為C>S>Sb>P>Si。影響磁感的主要成分為S、P、Si，S含量是影響鐵損劣化率的主要因素，其次是P含量和Si含量，S含量、P含量和Si含量與磁感均成負(fù)相關(guān)，其影響大小為S>P>Si。影響鐵損劣化率的主要成分為C、S、Sb、P、Als和Mn，C含量是影響鐵損劣化率的主要因素，其次是S含量，其余成分影響不明顯，其中C含量、S含量和Mn含量與鐵損劣化率成正相關(guān)，Sb含量、P含量和Als含量與鐵損劣化率成負(fù)相關(guān)，其影響大小為C>S>Sb>P>Als>Mn。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]何忠治.電工鋼[M].第2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[2]何忠治.電工鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[3]Ray S K，Mishra S，Mohanty O N.Magnetic Aging Characteristics of a Phosphorous Bearing Low Carbon Steel[J].Scripta Metallurgica，1981，15（9）：971-973.

[4]L Xu，W Mao，P Yang，et al.Influence of grain orientation on magnetic aging behavior of a non-oriented silicon steel sheet，Proceedings of the 15th international conference on textures of materials，Pittsburgh，PA，USA，ed A.D.Rollett. TSM[J].The American Ceramic Society，Ceramic Transactions，2008，200：371-379.

[5]儲(chǔ)雙杰，瞿標(biāo).某些元素對(duì)硅鋼性能的影響[J].鋼鐵，1998（11）：68-72.

[6]Santanu Kunrar Rar.Jof Magnetismand Magnetic Materi-als[J].1982，28：44.

[7]FunkeP.Transaction softheIronand Steel Society[J].1990（11）：11-16.

[8]Ray S K.IEEE Trans.Mag[J].Scripta etall.，1981，15（9）：971-973.

[9]MonikaJenko，F(xiàn)ranc Vodopinec.Orientation depen-dent surface segregation of antimony on non-orie-nted electrical steel sheet[J].Steel Research，1994，65（11）：500-504.