川崎钢厂生产无取向电工钢的回顾和发展（二）

3、无取向电工钢的最新发展

3.1 影响磁性能的因素

根据应用，对无取向电工钢有各种性能要求。其中最高牌号要求低铁损，用于制造电机I；用于小型电机的电工钢要求高感应性。另外，对于消除应力退火处理后使用的电工钢来说，为了获得低铁损，要求好的促进晶粒长大的性能为了满足如此多样的要求，生产电工钢板时对影响磁性的冶金参数须进行最优的控制。下面对这些冶金参数作个简要介绍。

3.1.1 Si、Al含量和钢板厚度

铁损可分为磁滞损耗和涡流损耗，涡流损耗又可进一步划分为经典涡流损耗和考虑到磁畴结构的异常涡流损耗。经典涡流损耗W。由以下公式表示：

W_e =k（tfB）²/ρ

式中，k为常数，t是钢板厚度，f代表频率，B是磁感应强度，ρ为电阻率。

当Si和Al的添加量增加时，钢板的电阻率ρ也增加，而铁损按上面的公式下降。另一方面，添加这些元素降低了材料的饱和磁化作用，从而使磁感应强度下降。因此，Si和Al的含量设计以满足目标磁性为准。一般来说，对于要求低铁损的高牌号来说，添加量较高。减少钢板厚度对降低铁损同样有效，这从上面公式中也可看出。甚至可以说，减少厚度是一种改善磁性能的理想方法，因为它基本上不对磁感应强度产生负面影响，改善了高频铁损。然而，减少厚度是受到局限的，因为它增加电机铁心和EI铁心的叠片工作量，降低生产率。

3.1.2 晶粒尺寸

在无取向电工钢铁损的组成中，当晶粒尺寸增加时，涡流损失增加而磁滞损失下降。这是因为磁畴宽度随晶粒尺寸增加，使异常涡流损失增加，较大的晶粒尺寸使晶界面积减少，阻碍磁畴壁运动，从而减少磁滞损失。因此，应找到一个减少铁损的最佳晶粒尺寸，这里的铁损应为涡流损耗与磁滞损耗之和。而且，因为磁滞损耗还受到钢中夹杂物、织构和其他因素的影响，所以有必要对这些条件进行优化。对于高Si钢来说，理想的晶粒尺寸相对较大，约为150μm （如图4所示）。因此，材料控制应能在相对短的退火时间内充分促进晶粒长大，这在工业生产中是必要的。尤其重要的是，应尽量减少阻碍晶粒长大的细析出物和夹杂物含量。

图4：晶粒尺寸对磁滞损耗W_h、祸流损耗W_e和总铁损W_total的影响

3.1.3 夹杂物

钢中存在硫化物、氧化物、氮化物和其他析出物，它们的直径从低于0.1μm到几十个μm不等。这些夹杂物阻碍晶粒长大，使磁滞损耗恶化，并且直接影响到磁性能。这是因为磁畴壁运动受到夹杂物本身或外围尖头磁畴的阻碍。夹杂物导致静磁能下降，从而形成外围尖头畴。图5显示，当钢中夹杂物数量减少时铁损下降。照片1提供了夹杂影响到磁畴结构的一个例子。减少夹杂物绝对量是首要工作，但按形态学控制夹杂的尺寸和分布同样重要，以将负面影响降低到最小程度。假设夹杂物的绝对量相同，那么夹杂的颗粒越粗，对晶粒长大和磁畴壁运动的影响就越小。不过，因为过大的夹杂粒度会使组织恶化（下节论述），结果反而增加铁损，所以这些特征的平衡变得尤为重要。

照片1：用Torenz TEM法观察的夹杂物附近的磁畴

图5：夹杂物对铁损的影响（厚度0.5mm）

3.1.4 织构

晶粒取向朝向某一特定方向，即所谓的优先取向，这种状态就叫织构。电工钢的磁性能在很大程度上依赖于其织构。如图6所示，当（100）和（110）极密度增加时，铁损下降；与此相反，当（112）和（111）极密度增加时，铁损也增加。这是因为电工钢具有很强的磁各向异性，在[100]晶轴方向上最易被磁化，在[111]方向上最不易被磁化。再具体点说，因为在（100）晶面上存在两个[100]晶向，在（110）晶面上存在一个[100]晶向，而在（111）和（112）晶面上没有[100]晶向。另外，发现添加Sb能使织构明显改善，所以Sb被用于改善磁性能口副。通过添加Sb，使易磁化的（110）增加，不易磁化的（111）受到抑制（见图7和8）。

图6：极密度与铁损之间的关系

图7：再结晶和晶粒长大过程中（110）极密度的变化

图8：Sb含量和常化温度对磁性能的影响

注：全文未完，待续！

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