主要元素對低碳低硅冷軋無取向電工鋼磁性能的影響

喬繼強  陸  斌²  張文博¹  華國龍¹

（1內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司薄板坯連鑄連軋廠，內蒙古 包頭 014010

2 內蒙古工業大學材料科學與工程學院，內蒙古 呼和浩特 010000）

摘  要：介紹和分析了主要合金元素、雜質元素及特殊元素對低碳低硅冷軋無取向電工鋼磁性能的影響，簡單介紹了各元素對磁性能的作用機理。結果表明，Si、Al、Mn、P等主要合金元素是磁性能的主要決定因素，隨著其含量的增加，鐵損值升高，磁感值降低；C、N、O、S、Ti等雜質元素均不利于磁性能；Sn、Sb、Re等特殊元素加入后可使有利織構的組分明顯增加，優化磁性能。

關鍵詞：低碳低硅冷軋無取向電工鋼；合金元素；雜質元素；特殊元素；磁性能

Influence of main elements on magnetic properties of low carbon low silicon cold rolled non-oriented electrical steels

Qiao Jiqiang¹，Zhang Wenbo²，Hua Guolong²

（1.Compact Strip Production Plant, Baotou Iron and Steel (Group) Co., Ltd., Baotou 014010, China；2.Materials Science and Technology School, Inner Mongolia University of Technology，Huhhot，China, 010000)

Abstract：The influence of main alloying elements, impurity elements and special elements in silicon steel on magnetic properties was analised.The mechanism of the magnetic properties of each element was simply introduced. The results showed that major alloying elements such as Si, Al, P and Mn are the main determinants of magnetic properties. As the content increases, the iron loss increases and the magnetic susceptibility decreases. C, N, O, S, Ti and other impurity elements are not conducive to magnetic properties. Sn, Sb, Re and other special elements can improve the texture of and, optimize the magnetic properties

Key words：low carbon low silicon cold rolled non oriented electrical steel；alloying elements；impurity elements；special elements；magnetic property

電工鋼又名硅鋼，是電力、電子和軍事工業中不可缺少的重要軟磁合金。低碳低硅冷軋無取向電工鋼硅含量低（不大于1%），磁感應強度高，鐵損也較高，制造成本低。該類產品主要用作小于1KW的家用電機和微電機、小電機、鎮流器和小型變壓器等的鐵芯^[1]。

低碳低硅無取向電工鋼成分組成基本包括三大類元素。第一類為主要合金元素，如Si、Al、Mn、P等；第二類為雜質元素，如C、N、O、S、Ti等；第三類為特殊元素，如Sn、Sb、Re等。

電工鋼磁性能指標主要為鐵損值及磁感值，與成品的組織及織構密切相關，生產工藝恒定條件下，提高磁性能最直接的方法是改善成分配比。

1.1 硅元素

硅是無取向電工鋼中最主要的元素，對無取向電工鋼的組織、織構及磁性能具有決定性的影響。隨著硅含量增加，電阻率提高，γ相區縮小，渦流損耗降低，晶粒粗化，磁滯損耗降低^[2]，使鐵損值降低同時磁感值也降低。

硅能使鋼中雜質元素危害降低，使碳石墨化，降低碳對磁性能的有害影響；硅與氧有親和力，起脫氧作用，與氮形成氮化硅，降低鋼中氮的溶解度。

硅與低碳低硅冷軋無取向電工鋼磁性能關系如圖1：

圖1  0.3%Al低碳冷軋無取向電工鋼中硅含量與磁性能的關系

由圖1可知，隨著硅含量的增加，鐵損值（P1.5/50）逐漸降低，磁感值也同時降低。在實際的磁性能檢測中，低碳低硅冷軋無取向電工鋼磁感值與密度密切相關，密度每降低0.05Kg/dm³，磁感值（B50）同時降低0.01T。

要得到晶粒組織均勻、粗大的冷軋無取向電工鋼產品最直接的方法是提高硅含量，但若硅含量過高，鑄坯明顯變軟，加熱爐容易堆鋼，軋制時軋制力波動大，軋制控制難度大。硅元素對板形的的影響也很大，當硅含量小于0.50%時無取向冷軋過程中極易產生浪形。

鋁的作用與硅相似，提高電阻率，縮小γ相區，促進晶粒長大，粗化AlN夾雜，改善織構，減輕時效。鋁與低碳低硅冷軋無取向電工鋼磁性能關系如圖2：

由圖2可知，隨著鋁含量的增加，鐵損值（P1.5/50）逐漸降低，磁感值也降低，但降低趨勢不如硅元素明顯。

鋁具有脫氧作用脫氧，可凈化鋼水，使鋼實現連續澆注。當鋁在0.005%～0.15%之間時易形成細小的AlN夾雜，阻礙晶粒長大，鋁過量又會造成大型夾雜物，使磁性能變差，一般工業化生產控制在0.15%～0.5%之間。

錳也可提高電阻率，降低鐵損，改善磁性能。錳可與硫形成MnS夾雜，防止FeS引起的熱脆，擴大γ相區，MnS粗化后利于晶粒長大。錳加入后有利于沖片性和切削性。

   錳與低碳低硅冷軋無取向電工成品鐵損值關系如圖3：

由圖3可知，隨著鋁含量的增加，鐵損值（P1.5/50）逐漸降低。

工業生產中錳、硅、鋁三種元素常依照生產條件及成品磁性能要求搭配設計，含錳0.8%熱軋及退火后試樣組織如圖4：

由圖4可知，加一定量的錳后，熱軋組織為較均勻的多邊形鐵素體，晶粒尺寸40μm～50μm之間；退火后晶粒長大，晶粒尺寸50μm～80μm之間。這是因為低碳低硅無取向電工鋼中加一定量的錳（一般≤1.0%）可使熱軋時避開兩相區，改善熱軋組織和織構。

加入少量的磷≤0.1%），可提高電阻率，降低渦流損耗，促使晶粒長大，降低磁滯損耗，降低鐵損，但效果不明顯。隨著磷含量的增加，中磁場下磁感應強度（B50）增加。

   磷與低碳低硅冷軋無取向電工成品磁感值關系如圖5：

由圖5可知，硅含量0.6%電工鋼磷元素0.10%以下，在中磁場（50A/cm）下隨著加入量的增加，磁感值逐漸升高。

添加少量磷可以提高鋼材的硬度，改善低碳低硅冷軋無取向電工鋼的沖片性能。磷添加后由于偏析引起脆性，會使冷加工性能變差，應控制加入量。

2.1 碳元素

隨著碳含量增加，碳化物增加，鐵損值顯著升高，磁感值降低。

   碳與低硅冷軋無取向電工成品鐵損值關系如圖6：

由圖6可知，隨著碳含量增加，鐵損值升高，磁感值下降。當碳含量超過40ppm后，上升趨勢更為明顯。

碳含量高使無取向電工鋼的想變溫度降低，不利于晶粒長大，惡化磁性能，同時引起磁時效^[2]，生產中一般要求C<0.003%。

氮含量增加，鐵損值顯著升高，同時產生磁時效。

   氮與低碳低硅冷軋無取向電工成品鐵損值關系如圖7：

由圖7可知，隨著氮含量增加，鐵損值明顯升高，當氮含量超過30ppm后，上升趨勢更為明顯。低碳低硅冷軋無取向電工鋼中一般要求[N]<0.003%。

   氧、硫及鈦等元素對磁性能也有不同程度的影響，但無碳元素及氮元素明顯。

   隨著氧含量增加，鐵損值升高，間接加速磁時效。生產中一般要求O<0.002%。

   硫對無取向電工鋼的影響主要在于晶界間的MnS夾雜及自由硫，隨著硫含量增加，鐵損值升高，一般要求S<0.005%。

   鈦元素易與碳元素及氮元素形成TiC及TiN夾雜，阻礙晶粒長大，增加鐵損值同時降低磁感值，一般要求Ti<0.002%。

3.1 錫元素和銻元素

冶煉時添加少量Sn元素或Sb元素，可以改善無取向電工鋼再結晶退火后的織構，使有利織構的組分明顯增加，使不利織構組分明顯減弱，中磁場下磁感值提高。添加少量此類元素，可抑制氧化層和氮化層的形成，改善磁性^[3]。

錫與低碳電工成品磁感值關系如圖8：

由圖8可知，硅含量0.6%電工鋼，隨著錫加入量的增加，磁感值逐漸升高。

在鋼水加入一定量的稀土元素（常規控制在0.005%以下），可起到一定的凈化作用，降低鋼水中的雜質水平，降低鋼中細小析出物的絕對量，減少阻礙晶粒長大與磁疇移動的阻力。加入稀土后形成細小稀土硫化物及氧化物作為鋼的非自發晶核，其形核過冷度小，可使鑄坯等軸晶率增加^[4]，退火后晶粒尺寸增大，成品磁性能提高。

含硅量1%的無取向電工鋼中加入微量稀土La元素（含量約0.003%）后成品試樣及常規對比試樣ф2=45°截面XRD織構檢測結果如圖9。

兩種試樣織構組分占比及成品磁性能對比如表1：

  由圖9及表1可知，加鑭試樣較常規試樣（100）、（110）面織構強度增加，（111）面織構強度降低。從磁性能對比可知：加鑭試樣較常規試樣鐵損值低0.18W/Kg，磁感值高0.012T。

（1）低碳低硅無取向電工鋼中Si、Al、Mn、P等主要合金元素是磁性能的主要決定因素，硅元素和鋁元素顯著降低鐵損值同時也降低磁感值，促進晶粒長大，改善織構，減輕時效；錳元素可提高鐵損，利于熱加工及成品沖片；磷元素加入可提高中磁場下的磁感值，強化鐵素體，提高硬度，改善沖片性，同時使成品鋼板變脆。

（2）C、N、O、S、Ti等雜質元素均不利于磁性能，生產中應嚴格控制。碳元素及氮元素對低碳低硅冷軋無取向電工鋼影響最大，提高鐵損，降低磁感的同時還會引起磁時效；硫元素及鈦元素易形成各類夾雜物，阻礙晶粒長大。

（3）Sn、Sb等特殊元素加入后可以改善無取向電工鋼再結晶退火后的織構，使有利織構的組分明顯增加，不利織構組分減弱，磁感值提高。Re元素可凈化鋼水，改善組織及織構，優化磁性能。

參考文獻

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