主要元素对低碳低硅冷轧无取向电工钢磁性能的影响

主要元素对低碳低硅冷轧无取向电工钢磁性能的影响

乔继强  陆  斌²  张文博¹  华国龙¹

（1内蒙古包钢钢联股份有限公司薄板坯连铸连轧厂，内蒙古 包头 014010

2 内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特 010000）

摘  要：介绍和分析了主要合金元素、杂质元素及特殊元素对低碳低硅冷轧无取向电工钢磁性能的影响，简单介绍了各元素对磁性能的作用机理。结果表明，Si、Al、Mn、P等主要合金元素是磁性能的主要决定因素，随着其含量的增加，铁损值升高，磁感值降低；C、N、O、S、Ti等杂质元素均不利于磁性能；Sn、Sb、Re等特殊元素加入后可使有利织构的组分明显增加，优化磁性能。

关键词：低碳低硅冷轧无取向电工钢；合金元素；杂质元素；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

电工钢又名硅钢，是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。低碳低硅冷轧无取向电工钢硅含量低（不大于1%），磁感应强度高，铁损也较高，制造成本低。该类产品主要用作小于1KW的家用电机和微电机、小电机、镇流器和小型变压器等的铁芯^[1]。

低碳低硅无取向电工钢成分组成基本包括三大类元素。第一类为主要合金元素，如Si、Al、Mn、P等；第二类为杂质元素，如C、N、O、S、Ti等；第三类为特殊元素，如Sn、Sb、Re等。

电工钢磁性能指标主要为铁损值及磁感值，与成品的组织及织构密切相关，生产工艺恒定条件下，提高磁性能最直接的方法是改善成分配比。

1.1 硅元素

硅是无取向电工钢中最主要的元素，对无取向电工钢的组织、织构及磁性能具有决定性的影响。随着硅含量增加，电阻率提高，γ相区缩小，涡流损耗降低，晶粒粗化，磁滞损耗降低^[2]，使铁损值降低同时磁感值也降低。

硅能使钢中杂质元素危害降低，使碳石墨化，降低碳对磁性能的有害影响；硅与氧有亲和力，起脱氧作用，与氮形成氮化硅，降低钢中氮的溶解度。

硅与低碳低硅冷轧无取向电工钢磁性能关系如图1：

图1  0.3%Al低碳冷轧无取向电工钢中硅含量与磁性能的关系

由图1可知，随着硅含量的增加，铁损值（P1.5/50）逐渐降低，磁感值也同时降低。在实际的磁性能检测中，低碳低硅冷轧无取向电工钢磁感值与密度密切相关，密度每降低0.05Kg/dm³，磁感值（B50）同时降低0.01T。

要得到晶粒组织均匀、粗大的冷轧无取向电工钢产品最直接的方法是提高硅含量，但若硅含量过高，铸坯明显变软，加热炉容易堆钢，轧制时轧制力波动大，轧制控制难度大。硅元素对板形的的影响也很大，当硅含量小于0.50%时无取向冷轧过程中极易产生浪形。

铝的作用与硅相似，提高电阻率，缩小γ相区，促进晶粒长大，粗化AlN夹杂，改善织构，减轻时效。铝与低碳低硅冷轧无取向电工钢磁性能关系如图2：

由图2可知，随着铝含量的增加，铁损值（P1.5/50）逐渐降低，磁感值也降低，但降低趋势不如硅元素明显。

铝具有脱氧作用脱氧，可净化钢水，使钢实现连续浇注。当铝在0.005%～0.15%之间时易形成细小的AlN夹杂，阻碍晶粒长大，铝过量又会造成大型夹杂物，使磁性能变差，一般工业化生产控制在0.15%～0.5%之间。

锰也可提高电阻率，降低铁损，改善磁性能。锰可与硫形成MnS夹杂，防止FeS引起的热脆，扩大γ相区，MnS粗化后利于晶粒长大。锰加入后有利于冲片性和切削性。

   锰与低碳低硅冷轧无取向电工成品铁损值关系如图3：

由图3可知，随着铝含量的增加，铁损值（P1.5/50）逐渐降低。

工业生产中锰、硅、铝三种元素常依照生产条件及成品磁性能要求搭配设计，含锰0.8%热轧及退火后试样组织如图4：

由图4可知，加一定量的锰后，热轧组织为较均匀的多边形铁素体，晶粒尺寸40μm～50μm之间；退火后晶粒长大，晶粒尺寸50μm～80μm之间。这是因为低碳低硅无取向电工钢中加一定量的锰（一般≤1.0%）可使热轧时避开两相区，改善热轧组织和织构。

加入少量的磷≤0.1%），可提高电阻率，降低涡流损耗，促使晶粒长大，降低磁滞损耗，降低铁损，但效果不明显。随着磷含量的增加，中磁场下磁感应强度（B50）增加。

   磷与低碳低硅冷轧无取向电工成品磁感值关系如图5：

由图5可知，硅含量0.6%电工钢磷元素0.10%以下，在中磁场（50A/cm）下随着加入量的增加，磁感值逐渐升高。

添加少量磷可以提高钢材的硬度，改善低碳低硅冷轧无取向电工钢的冲片性能。磷添加后由于偏析引起脆性，会使冷加工性能变差，应控制加入量。

2.1 碳元素

随着碳含量增加，碳化物增加，铁损值显著升高，磁感值降低。

   碳与低硅冷轧无取向电工成品铁损值关系如图6：

由图6可知，随着碳含量增加，铁损值升高，磁感值下降。当碳含量超过40ppm后，上升趋势更为明显。

碳含量高使无取向电工钢的想变温度降低，不利于晶粒长大，恶化磁性能，同时引起磁时效^[2]，生产中一般要求C<0.003%。

氮含量增加，铁损值显著升高，同时产生磁时效。

   氮与低碳低硅冷轧无取向电工成品铁损值关系如图7：

由图7可知，随着氮含量增加，铁损值明显升高，当氮含量超过30ppm后，上升趋势更为明显。低碳低硅冷轧无取向电工钢中一般要求[N]<0.003%。

   氧、硫及钛等元素对磁性能也有不同程度的影响，但无碳元素及氮元素明显。

   随着氧含量增加，铁损值升高，间接加速磁时效。生产中一般要求O<0.002%。

   硫对无取向电工钢的影响主要在于晶界间的MnS夹杂及自由硫，随着硫含量增加，铁损值升高，一般要求S<0.005%。

   钛元素易与碳元素及氮元素形成TiC及TiN夹杂，阻碍晶粒长大，增加铁损值同时降低磁感值，一般要求Ti<0.002%。

3.1 锡元素和锑元素

冶炼时添加少量Sn元素或Sb元素，可以改善无取向电工钢再结晶退火后的织构，使有利织构的组分明显增加，使不利织构组分明显减弱，中磁场下磁感值提高。添加少量此类元素，可抑制氧化层和氮化层的形成，改善磁性^[3]。

锡与低碳电工成品磁感值关系如图8：

由图8可知，硅含量0.6%电工钢，随着锡加入量的增加，磁感值逐渐升高。

在钢水加入一定量的稀土元素（常规控制在0.005%以下），可起到一定的净化作用，降低钢水中的杂质水平，降低钢中细小析出物的绝对量，减少阻碍晶粒长大与磁畴移动的阻力。加入稀土后形成细小稀土硫化物及氧化物作为钢的非自发晶核，其形核过冷度小，可使铸坯等轴晶率增加^[4]，退火后晶粒尺寸增大，成品磁性能提高。

含硅量1%的无取向电工钢中加入微量稀土La元素（含量约0.003%）后成品试样及常规对比试样ф2=45°截面XRD织构检测结果如图9。

两种试样织构组分占比及成品磁性能对比如表1：

  由图9及表1可知，加镧试样较常规试样（100）、（110）面织构强度增加，（111）面织构强度降低。从磁性能对比可知：加镧试样较常规试样铁损值低0.18W/Kg，磁感值高0.012T。

（1）低碳低硅无取向电工钢中Si、Al、Mn、P等主要合金元素是磁性能的主要决定因素，硅元素和铝元素显著降低铁损值同时也降低磁感值，促进晶粒长大，改善织构，减轻时效；锰元素可提高铁损，利于热加工及成品冲片；磷元素加入可提高中磁场下的磁感值，强化铁素体，提高硬度，改善冲片性，同时使成品钢板变脆。

（2）C、N、O、S、Ti等杂质元素均不利于磁性能，生产中应严格控制。碳元素及氮元素对低碳低硅冷轧无取向电工钢影响最大，提高铁损，降低磁感的同时还会引起磁时效；硫元素及钛元素易形成各类夹杂物，阻碍晶粒长大。

（3）Sn、Sb等特殊元素加入后可以改善无取向电工钢再结晶退火后的织构，使有利织构的组分明显增加，不利织构组分减弱，磁感值提高。Re元素可净化钢水，改善组织及织构，优化磁性能。

参考文献

[1] 何忠治.电工钢[M].北京:冶金工业出版社，2012

[2] 储双杰，瞿标，等.某些元素对硅钢性能的影响[J].钢铁.1998.11；68-72

[3] 李晶，岳铁军，等.化学成分对低牌号冷轧无取向电工钢铁损的影响[J].特殊钢.2008.04（29-2）；4-6

[4] 王龙妹，仇圣桃，等. 稀土在无取向电工钢中应用的研究进展[J].中国稀土学报，2014.10（32-5）；513-533