1前言
电工钢是一种软磁合金钢，是电气设备的一种不可缺少且用量大的节能型材料。根据使用用途将电工钢分为无取向电工钢和取向电工钢，无取向电工钢多用于旋转状态下工作的电机铁芯，取向电工钢用于静止状态下工作的变压器。
电磁性能是代表电工钢质量性能的关键指标，是以铁损和磁感应强度作为产品磁性保证值。为适应我国机电行业及信息化社会的迅猛发展，对电气设备的高效、高精度以及小型化的需求也日益提高，提高电气设备效率的手段之一是改进电机铁芯所用的电磁钢板的磁性，研制出低铁损高磁感的高性能无取向电工钢。
电工钢铁损和磁感属于组织敏感磁性， 它们除与化学成分有关外， 还与内部组织结构有关。晶粒大小、杂质和合金元素含量、夹杂物数量和分布、织构分布和内应力等因素都对无取向硅钢的磁性能有显著的影响。无取向硅钢的内部组织结构与合金元素及生产工艺密切相关，合金元素的偏析、金属间化合物的形成及析出，均对无取向硅钢的内部组织结构有重要影响。
本文结合首钢股份公司迁安钢铁公司的硅钢生产情况，详细介绍了合金元素对无取向电工钢电磁性能的影响。旨在理论结合实际的基础上，为无
取向电工钢的成分优化及磁性能提升提供研发方向。
2合金元素对磁性能的影响
硅钢的牌号不同， 化学组成也不同， 其基本组成包括三大类元素。第一类为基本合金元素，按规定需控制在一定范围内，即硅、锰、铝。第二类是有害元素，如碳、氮、氧、硫等。第三类为特殊用途合金元素，如P、Sb、Sn 等。有害元素的含量越低，对性能越有利，其余基本组成元素根据生产的牌号不同，对元素含量的要求也不同。以下将分别讨论不同类别的合金元素对硅钢性能的影响。
2.1基本合金元素对磁性能的影响
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.1.1硅元素
硅是影响电工钢磁性能及力学性能的最基本的因素。在电工钢中加硅主要是为了提高电阻率，降低涡流损耗，同时，使矫顽力和磁滞损耗也降低，从而使铁损下降。硅可以减少晶体的各向异性， 使磁化容易， 磁阻减少。有数据显示，在其他条件不变的前提下，硅含量每提高0.1%，电阻率ρ提高1.3μΩ·cm，铁损P15/50下降0.11W/kg。
硅还能减轻钢中其他杂质的危害， 使碳石墨化， 降低对磁性的有害影响。另外硅和氧有较强亲和力， 有脱氧作用，减少碳、氧和氮在α-Fe中脱溶引起的磁时效现象。随着硅含量的增高，钢的屈服强度和抗拉强度明显提高，但硅含量（质量分数）大于3.5%时的屈服强度和硅含量（质量分数）大于4%时的抗拉强度又迅速降低。随着硅含量的增高，钢的伸长率显著降低，硬度迅速增高。因此，热轧硅钢的硅含量（质量分数）上限约为4.5%，冷轧硅钢约为3.5%。随着硅含量的增高，钢的热导率也下降，铸造晶粒粗大，钢质变脆，在板坯或钢带冷却和加热时，容易发生内裂。
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.1.2锰元素
锰可防止热脆，锰与硫形成MnS，防止沿晶界形成低熔点FeS，提高晶界高温塑性。锰是扩大γ相区的元素，热轧时可提高塑性和改善热轧板组织及织构，使（100）和（110）位向组分加强，（111）晶面减少，磁性显著提高。锰含量增加，MnS固熔温度提高，促使MnS粗化，有利于以后晶粒长大，并且可提高铸坯加热温度，便于热轧。但锰降低相变温度，使退火温度下降，晶粒尺寸变小而影响磁性，因此锰含量也不宜过高。锰也提高钢的强度和硬度，但其提高程度小于Si和Al。钢中锰的含量一般根据钢中硫含量相关，钢中硫含量降低，锰含量也随之降低。一般1.5%硅钢中，S含量不大于0.015%时，Mn为0.35%，S含量不大于0.005%时，Mn含量降低到0.25%。
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.1.3铝元素
铝是良脱氧剂，其对钢强度和硬度的影响没有硅明显，按照原子半径顺序Al2O3中铝含量后剩余的铝含量。酸溶铝Al s含量在0.005%-0.014%范围内时，随着Al s含量的增加，P15/50呈逐步增加趋势，而当Al s含量>0.014%时，随着Al s含量的增加，P15/50呈逐步降低趋势，当Al s含量增加到0.15%时，P15/50趋于平缓，不随Al s含量的变化而变化。这主要是由于当Al s含量处于较低值时，钢中易形成细小的0.05-0.1μm的Al N，阻碍晶粒长大，使得有害的｛111｝位向组分增多，恶化磁性。而当钢中总铝含量达到0.15%以上时，则起到与提高硅相同的作用，铝与钢中氮结合形成粗大Al N，改善织构，降低铁损和使磁各向异性减小，并且起到稳固钢中氮，减轻磁时效的作用。因而高牌号硅钢中，铝含量有逐渐增加的趋势，最高牌号铝含量（质量分数）高达1%以上，使铁损明显降低，而磁感也有一定程度的下降，硅铝含量（质量分数）之和的上限可达4.2%。但铝和硅一样，能使材料变脆，当铝含量大于0.5%时，硅钢变脆更加突出，因此，对于高铝成分体系的热轧硅钢，往往需要经过常化退火后再冷轧。
2.2杂质合金元素对磁性能的影响
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.2.1碳元素
碳是极有害的元素，它与铁形成间隙固溶体，使晶格畸变严重，引起很大的内应力，使磁性明显下降。碳是产生磁时效的主要元素，如果在马达或其他电气设备中产生磁时效， 那么铁损值可增加到初始值的2倍，设备则会受到损坏，因此，碳对软磁材料的磁性极为有害。一般成品中的碳含量（质量分数）在30ppm以下就不会产生磁时效现象。
碳对磁性的影响程度，随钢中硅含量的不同而不同，如图1所示。当Si的质量分数在4%以下时，磁滞损失随着碳含量的增加而增加。当Si的质量分数超过4%时，碳含量的变化不再引起磁滞损失的变化。碳存在的形态不同，对磁性的影响也不同。碳以球状石墨形态存在时，所占体积最小，分散度也小，对磁性影响不显著。有研究认为，在晶界上的渗碳体对磁性影响程度较晶粒内部小，但会使钢片塑性显著变坏。因此，炼钢时要尽量降低碳含量，现在国内硅钢
中碳元素的质量分数一般控制在0.008%以下，以减轻后部工序的脱碳任务。
另外，碳对Fe-Si相图也有显著影响，如图2所示。碳会增大α+γ两相区，使得γ相的相对量增加。由于奥氏体比铁素体硬，在热变形过程中，奥氏体周围的铁素体将先发生动、静态再结晶，其晶粒取向及尺寸都发生变化，从而最终影响织构梯度，也影响MnS、Al N的析出。奥氏体多，冷却后相变的细小铁素体也多，会进一步影响硅钢片的退火作用。退火时如有α-γ转变，即无法获得粗大晶粒，相变还会破坏冷轧硅钢片高温退火时的晶粒取向程度，增加冷轧硅钢片的轧制难度。
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.2.2硫、氮、氧元素
硫、氮、氧都是对磁性能有害的元素，硫、氮元素在基体中分别形成MnS、Al N质点，阻碍晶粒长大，使铁损增加、磁感降低，因此，在炼钢时应尽量降低其含量。氧则形成SiO2、Al2O3、MnO等夹杂物，这些细小的氧化物同样可阻碍晶粒长大，使磁性降低。
硫与锰形成细小的MnS时，可强烈阻碍成品退火时的晶粒长大，S量提高，P15明显增高。综合Mn与S来看，任何Mn量下，P15都随S量增高而增大，而S量相同时，Mn量增高，P15降低。有文献记载，每提高0.01% S，P15增高约0.157W/kg。
氮易形成细小Al N质点抑制晶粒长大，当N含量达到25ppm以上时，使P15明显增高。当N含量过高时，易析出细小MnSiN2，使P15增加，当N量高于120ppm时，退火后易产生起泡现象，导致产品报废。因此，加热、热轧、退火工艺的一个重要目的是，防止析出细小Al N，或使钢中已存在的Al N粗化。有研究表明，N含量小于0.002%和Al含量小于0.02%，可防止析出Al N。N含量不大于0.001%时，热轧板中细小Al N数量明显减少，热轧板晶粒尺寸明显增大，P15明显降低，B50也相应提高。
氧对硅钢片是一个极为不利的元素，与碳一样可以急剧地降低硅钢的磁性，使铁损升高。氧与硅、铝形成氧化物，促进磁时效，另外，氧形成的拉长状氧化物夹杂，可使硅钢叠片时的铆接性变化。
2.3特殊用途合金元素对磁性能的影响
硅钢中除了基本合金元素及杂质合金元素外，还有部分其他合金元素的存在，如磷、锡、锑、稀土等。这些元素在钢中的含量虽低，但其对硅钢性能的影响却不容忽视，因此利用这些特殊合金元素在钢中的作用，通过合理的成分控制，可以有效提高硅钢磁性能。
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.3.1磷元素
P对电工钢电磁性能的影响从其对材料显微组织、晶粒尺寸、有利织构的影响上来影响最终成品性能。对于P对电工钢电磁性能的影响的说法众多，有研究认为，P具有晶界偏聚特性，有助于增加（100）组分和减少（111）组分，提高带钢的磁感。研究认为，P元素虽然可以提高材料的电阻率，但在0.15%-2.20%的Si含量范围内，P 对成品带钢的铁损影响不大。还有研究认为，P是晶粒细化元素，｛222｝织构的形成减弱了有利织构｛110｝，造成铁损、磁感的劣化。
通过在钢种添加0.01%、0.032%、0.051%、0.071%四种不同P含量的试验，指出了随着P含量的增加，P元素在晶界的偏聚量增加，热轧板晶粒尺寸逐步降低，而由于热轧显微组织的遗传性，再结晶退火后的晶粒尺寸也随着P含量的增加而降低，对热轧板晶粒尺寸的影响程度大于退火晶粒。当P含量在0.01%-0.032%时，P含量的变化对磁感和铁损的影响不明显，而当P含量在0.032%-0.071%时，随着P含量的增加，磁感降低2.25%，铁损增加5.07%。
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.3.2锡、锑元素
锡和锑元素都是界面富集元素，易在晶界处富集，可作为初次再结晶晶粒长大的抑制剂。并且这两种元素是我国富有资源，在冶金过程中比较稳定，易于控制，没有污染，满足环保要求，便于组织生产，因此，近年来在硅钢的生产中颇受欢迎。
锡可在基体界面与第二相质点MnS 和Al N 偏聚，阻碍{110}组分在晶界处形核及长大，使第二相质点更细小、弥散，从而更好的抑制晶粒正常长大。高温退火得到{110}<001>二次再结晶组织，使硅钢的取向度和磁性得到提高。常化后锡沿晶界析出， 使常化退火时γ相更均匀分布，铁素体相更均匀细小，使二次晶粒尺寸减小，铁损降低。
有人研究了锡对无取向硅钢的影响，研究表明添加0.1%的Sn时，试样的铁损、磁感应强度降低。随着Sn含量的增加，{111}面织构组分减少，但Sn对有利织构{100}面织构和Goss 织构的影响较小。迁钢在0.25wt%Si的无取向硅钢中，加入0.08%的Sn，磁感B50提升80高斯，铁损P1.5/50降低0.05W/kg。
锑作为晶界偏聚元素，阻碍<111> 位向晶粒在晶界附近形核，从而增加{100}面织构组分，对铁损的降低及磁感的提高有利。在Fe-2.4wt%Si合金中加入0.04%的Sb，在同样<st1:chmetcnv unitname=\"℃\" sourcevalue=\"990\" hasspace=\"False\" negative=\"False\" numbertype=\"1\" tcsc=\"0\" w:st=\"on\">990℃的常化工艺下，加Sb钢的比同成分体系不加Sb钢铁损降低0.15W/kg，磁感变化不大，并且随着退火温度的升高，铁损呈逐步降低趋势。
有研究也曾指出，无取向Fe-1.85wt%Si合金加入0.01%-0.08% Sb，可使最终退火组织中{111}面织构组分减小，{100}面织构组分增加，铁损降低，且随着锑含量增加，织构的这种变化更为显著，对降低铁损的贡献也越大。
当Sb含量增加到0.055%时，导磁率得到大大改善，铁损下降的同时，磁感应强度也得到提高。另外，由于无取向硅钢脱碳退火时，容易导致溶质元素的内氧化，这种内氧化层的存在，将会降低导磁率，导磁率恶化程度与氧化层的厚度呈正比。添加表面活性元素锑，锑在晶界偏聚阻碍了氧向钢中扩散，降低内氧化的形成速率，减少氧化层厚度，改善磁性。当锑含量在0.015%-0.055%时，内氧化层厚度随着锑含量的增加而降低。
<st1:chsdate year=\"1899\" month=\"12\" day=\"30\" islunardate=\"False\" isrocdate=\"False\" w:st=\"on\">2.3.3稀土元素
稀土与钢中的氧、硫元素具有很强的亲和力，可以起到净化钢液、改变夹杂物形态、改善铸态组织等作用。稀土与氧、硫元素形成的球形为主的稀土化合物，代替原来的MnS、Al N夹杂物，作为非均匀形核的核心，钉扎在晶界，阻碍晶界的移动，从而阻碍晶粒长大，细化晶粒，改善组织性能的不均匀性。
对2.9wt%Si中稀土元素Ce对硅钢磁性能的影响研究表明，当钢中Ce质量分数由0增加到0.0055%时，钢中微细夹杂数量减少，夹杂物的平均尺寸增加，相应的退火板中晶粒尺寸增加。但是，当铈质量分数继续增加到0.019%时，由于稀土含量过高，高熔点稀土氧、硫化物形核较多，作为复杂夹杂物形核质点，增加了其形核率，反而导致尺寸小于1μm微细稀土夹杂数量的增多。
细小的夹杂物在晶界处富集，钉扎晶界，阻碍晶粒长大，此时，相应的退火板的晶粒尺寸随之变得细小。对应的最终成品板中{100}面织构和{110}面织构组分，随着Ce含量的变化也呈先增强后减弱的趋势。当铈质量分数为0.0055%时，B50值最高，达到1.706T，铁损值P15/50 则随铈含量的升高先降低后增加，当铈质量分数为0.0055%时，P15/50值最低，为2.993W/kg。
3结论
从基本合金元素、杂质合金元素、特殊用途合金元素三方面，分析了不同元素对无取向硅钢电磁性能的影响程度，为无取向硅钢的成分优化及磁性能提升提供研发方向，具体结论如下：
1）钢中硅含量每提高0.1%，电阻率ρ提高1.3μΩ·cm，铁损P15/50下降0.11W/kg。随着Si含量增高，钢的热导率下降，粗大柱状晶比例增加，从塑性加工角度考虑，冷轧硅钢中Si元素含量一般不超过3.5%。
2）钢中锰的含量一般与钢中硫含量有关，钢中硫含量降低，锰含量也随之降低。Mn一方面可提高热轧塑性及热轧板组织和织构，对提高磁性有利。另一方面Mn可降低退火温度，细化晶粒，恶化磁性。因此，钢中Mn含量需适量控制，根据钢中硫的控制能力而定，钢中硫含量降低，锰含量也随之降低。
3）钢中铝对磁性能的影响与钢中酸溶铝Al s含量有关，Al s含量在0.005%-0.014%时，P15/50随Al s的增加呈逐步增加趋势，而当Al s含量>0.014%时，P15/50随Al s的增加呈降低趋势，当Al s含量增加到0.15%时， P15/50趋于平缓，不随Al s含量的变化而变化。但由于Al在降低铁损的同时，对磁感的降低明显，因此，硅铝质量分数之和的上限一般为4.2%。
4）碳、硫、氮、氧都是对磁性能有害的元素，在基体中形成碳化物、硫化物、氧化物、氮化物，阻碍晶粒长大，使铁损增加、磁感降低，因此在炼钢时应尽量降低其含量。
5）磷、锡、锑、稀土作为特殊用途合金元素对硅钢磁性能的影响具有两面性，其在一定范围内对磁性能有利，因此，应结合钢种的具体成分体系及工艺适量添加。
