影响无取向硅钢电磁性能的主要因素包括化学成分、洁净度、夹杂物、析出相、晶粒尺寸和织构等。硅钢中的夹杂物主要包括氧化物、硫化物和氮化物，这些夹杂物通过阻碍磁畴的移动及成品退火过程中的晶粒长大，严重恶化了硅钢的电磁性能。钙处理不但有效控制了无取向硅钢中MnS的析出，而且有利于0.1-0.4μm的微细夹杂物的聚合长大和数量的减少，从而减轻了微细夹杂物对铁损的影响；铝脱氧低铝低碳钢中添加0.002%-0.004%的硼不但在γ–相中与氮优先形成BN，防止热轧时AIN的析出，而且促使（111）位向强度减弱，晶粒粗化和磁感应强度提高；6.5%Si硅钢中添加0.0075%-0.0530%的硼可以促使晶粒细化和抗弯强度的提高；钢中添加适量硼可以消除无取向硅钢成品表面的瓦楞状缺陷。
1、研究方法
试验钢由6.5kg真空感应炉冶炼（表1），钢液温度1600℃。铸锭热锻成（mm）100×80×70的钢坯，经1150℃2h加热后热轧，热轧初始厚度为70mm，首先用单辊轧机粗轧到22mm，接着精轧到2.5mm，精轧终轧温度为（870±20）℃，随后空冷到室温。热轧板在950℃的马弗炉中常化5min后空冷至室温并进行酸洗，酸洗后的常化板采用四机架冷轧机轧到0.5mm（总压下率80%）。冷轧板剪切成300mm（轧向）×30mm×0.5mm的试样，在小型连续退火炉中进行连续退火，退火温度为920℃，退火时间3min，退火气氛30%H2+70%N2，退火后随炉冷却。
表1：试验钢的化学成分/%
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试验钢
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C
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Si
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Mn
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S
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P
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Als
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T[O]
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N
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Ca
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Bs
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1#
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0.004
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1.36
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0.36
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0.004
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0.027
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0.36
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0.0024
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0.0048
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0
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0
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2#
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0.004
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1.38
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0.41
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0.004
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0.027
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0.36
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0.0028
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0.0049
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0.0026
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0
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3#
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0.006
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1.31
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0.34
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0.004
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0.027
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0.41
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0.0022
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0.0060
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0.0027
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0.0045
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使用西门子D-5000型X射线衍射仪对退火后试样的织构进行测量。磁性能采用单片试验测量法，在1.5T和50Hz下测量铁损P1.5/50，在磁场强度5000A/m下测量磁感应强度B50，纵横向分别测量，最后取平均值。
采用扫描电镜（×l000）观察＞1μm夹杂（50个视场）’热场发射扫描电镜（×14000）观察＜1μm夹杂（50个视场）。采用IA3-001图象分析系统测定夹杂物尺寸和数量。夹杂物的密度定义为：夹杂物的总数量除以总面积。根据ASTM标准E-112，采用截取法测量退火冷轧板的晶粒尺寸。
2、试验结果与分析
2.1、Ca和B处理的热力学分析
通过[Ca]和[S]的反应方程式及标准生成吉布斯自由能，得到钢液分别在1500℃和1600℃进行钙处理时的Ca-S平衡曲线如图1（a）所示。从图1（a）可见，1600℃时，钢水中[Ca]=0.0026%，如要生成CaS，[S]应高于0.009%；1500℃时，钢水中[Ca]=0.0026%，如要生成CaS，[S]应高于0.0023%。本次试验[S]=0.0035%~0.0041%，介于0.0023%和0.009%之间，因此可以判定，160℃时，试验钢中的Ca不会与S反应生成CaS，但随着温度的降低，钢中的Ca可能和S反应生成CaS，从而抑制凝固过程MnS的析出。
图1：（a）1600℃和1500℃的[S]- [Ca] 平衡曲线；（b）温度对钢中BN和AIN的析出量的影响
通过BN和AIN的固溶度积公式得到其平衡析出量与温度的关系如图1（b）所示，可以看出，AIN的开始析出温度明显高于BN的析出温度，可能导致BN的析出量几乎为0。由于3炉试验钢中酸溶铝含量较高（均大于0.36%），钢中的自由氮几乎全部可以与铝结合，因此B在钢中很可能以晶界偏聚或另一些含硼化合物的形式存在。
2.2、Ca和B对无取向硅钢中夹杂物尺寸分布的影响
从图2（a）可见，3炉试验钢的退火冷轧板中显微夹杂物的尺寸主要集中在1~5μm，尺寸位于2~3μm的夹杂物密度相对更高。相比1#退火冷轧板，2#和3#退火冷轧板中大于1μm的夹杂物密度更高，且3#退火冷轧板中大于1μm的夹杂物的平均直径最小，为2.47μm。
图2：试验钢退火冷轧板中大于1μm（a）和小于1μm（b）夹杂物的尺寸分布
从图2（b）可见，3炉试验钢的退火冷轧板中微细夹杂物的尺寸主要集中在0.03-0.11μm。1#退火冷轧板中小于1μm的夹杂物密度最高，在尺寸为0.05~0.08μm时，其分布密度达到峰值。2#和3#退火冷轧板中小于1的夹杂物密度差别不大，而3#退火冷轧板中小于1μm的夹杂物的平均直径更小，为0.054μm。
从钢中夹杂物的形貌观察及能谱分析发现，相比1#退火冷轧板，钙处理后的2#和3#退火冷轧板中存在少量的CaO·6Al2O3（图3a），同时存在一些CaS和CaS-MnS复合夹杂（图3b），单独析出的MnS的数量有所减少但未完全消失，3#退火冷轧板中未发现BN。
图3：试验钢中夹杂物的SEM形貌及EDS分析
2.3、Ca和B对无取向硅钢晶粒尺寸的影响
由图4可见，1#退火冷轧板的晶粒尺寸最小，2#和3#退火冷轧板的晶粒尺寸差别不大。主要原因是钙处理后的无取向硅钢中弥散析出的MnS数量明显减少，晶界钉扎力减弱，有利于晶粒长大，因此2#退火冷轧板的晶粒尺寸明显高于1#退火冷轧板。钢中复合添加Ca和B之后，硼一方面在晶界上偏聚抑制了奧氏体向铁素体转变时在奥氏体晶界处的先共析铁素体的形核，降低了铁素体的形核率，有利于晶粒粗化；另一方面可能形成了硼铁相，又增强了对晶界的钉扎作用，不利于晶粒长大。因此2#和3#退火冷轧板的晶粒尺寸差别不大。
图4：无取向硅钢退火冷轧板的组织形貌和平均晶粒尺寸/μm；
（a）1#，未加Ca和B，17.04；（b）2#，0.0026%Ca，27.77；（c）3#，0.0027%Ca和0.0045%B，26.13
2.4、Ca和B对无取向硅钢成品织构的影响
从图5可以看出，3炉试验钢的退火冷轧板织构以{111}<112>、{111}<110>和{110}<001>组分为主，也含有一定的{112}<100>和{112}<110>组分。从图6中a取向线和γ取向线的密度分布和表2可以看出，1#退火冷轧板的{100}、{111}面织构和Goss织构组分最弱；2#退火冷轧板的{100}、{111}面织构和Goss织构、{112}<110>织构组分最强；3#退火冷轧板的{112}<110>织构组分最弱。由此可见，Ca有利于增强{100}面织构和Goss织构；B有利于减弱对磁性有害的{111}面织构和{112}<110>织构组分，但同时也减弱了对磁性有利的{100}面织构和Goss织构组分。
图5：无取向硅钢退火冷轧板的分布取向函数（ODF）图：
（a）1#，不含Ca和B；（b）2#，0.0026%Ca；（c）3#，0.0027%Ca和0.0045%B（密度水平：1，2，4，6，8，10，12，14，16）
表2：无取向硅钢退火冷轧板的组织体积百分率/%
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冷轧板
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{100}面织构
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Goss织构
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{111}面织构
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1#（不含Ca和B）
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1.63
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3.31
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14.39
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2#（0.0026%Ca）
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2.52
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4.07
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15.64
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3#（0.0027%Ca-0.0045%B）
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2.14
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3.89
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14.79
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2.5、Ca和B对无取向硅钢电磁性能的影响
从表3可以看出，钙处理的2#退火冷轧板的综合电磁性能最好，P1.5/50和B50分别为4.32W/kg和1.764T，其主要原因是钙处理一方面有效抑制了MnS的析出，减弱了MnS对磁畴移动的阻碍作用及对晶粒长大的钉扎作用，从而明显降低了矫顽力，使铁损显著降低；另一方面增强了有利的{100}面织构和Goss织构组分，因而导致磁感应强度明显升高。相比2#退火冷轧板，3#退火冷轧板由于添加了微量元素硼，硼在减弱对磁性有害的{111}和{112}面织构的同时也减弱了有利的{100}面织构和Goss织构，因此其磁感应强度有所降低。
表3：微合金化对无取向硅钢退火冷轧板铁损和磁感应强度的影响
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冷轧板
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铁损P1.5/50/（W·kg-1）
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磁感应强度B50/T
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1#（不含Ca和B）
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4.81
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1.747
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2#（0.0026%Ca）
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4.32
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1.764
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3#（0.0027%Ca-0.0045%B）
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4.54
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1.751
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3、结论
（1）无取向硅钢中进行钙处理，钢中可形成CaO·6Al2O3和CaS，有效抑制了MnS的析出。复合添加Ca和B的3#退火冷轧板中未发现BN。
（2）未添加微量元素的1#退火冷轧板的晶粒尺寸最小，钙处理的2#退火冷轧板与复合添加Ca和B的3#退火冷轧板的晶粒尺寸差别不大。
（3）钙处理的2#退火冷轧板具有最强的{100}面织构和Goss织构组分，复合添加Ca和B的3#退火冷轧板具有最弱的{112}<110>织构组分。
（4）3炉试验钢中，未添加微量元素的1#退火冷轧板的铁损最高，磁感应强度最低；钙处理的2#退火冷轧板的综合电磁性能最好，P1.5/50和B50分别为4.32W/kg和1.764T。
收稿时间：2013年4月
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