无取向电工钢是含碳量很低的硅铁类软磁材料，是在旋转磁场中工作的电动机和发电机的铁芯材料，应用广泛。无取向电工钢产量在电工钢中占比较高，但整体市场比较分散，主要的应用领域包括大型电机、家用电器、中小电机、汽车电机及新兴的新能源汽车驱动电机和薄规格微特电机领域。无取向电工钢的磁性能优劣直接影响着电机效率，开发高磁感、低铁损的无取向电工钢是电机产品减小体积、减轻重量、节约铁损消耗、提高效率的主要途径之一。近年来，为缓解能源危机，国家出台多项调控政策，新能源汽车行业呈爆发式发展，带动无取向电工钢行业快速发展，因此要求无取向电工钢产品向更高磁感、更低铁损和更高强度方向发展。针对当下无取向电工钢快速发展的形势，本文综述了无取向电工钢产品研发现状，对比了国内外产品的性能特点，总结了驱动电机用产品的应用现状，归纳了优化性能的方法。
1 不同类型无取向电工钢的现状
1.1 普通无取向电工钢
国外无取向电工钢开发较早，生产技术相对比较先进，产品牌号较多。日本的新日铁及JFE、韩国的浦项、俄罗斯的新利佩茨克、德国的蒂森克虏伯、法国的安赛乐米塔尔等均能生产全流程无取向电工钢产品。其中JFE无取向电工钢产品有JN、JNE、薄带JNE、JNA系列；新日铁无取向电工钢产品有HILITECORETTM普通／薄规格及HIEXCORETM普通／薄规格4个系列；韩国浦项无取向电工钢产品有PN、PNF、PNX、PNA、PNH、PNM系列。一般认为470及以上牌号为高牌号，以下为中低牌号。表1列出国外主流企业生产的普通系列无取向电工钢产品，产品包含了所有普通的低、中、高牌号无取向电工钢。中低牌号有0.50mm、0.65 mm两个厚度规格，0.50mm中低牌号无取向电工钢产品包括50W600～50W1300等，0.65 mm产品有65W600—65W1300等。4个国家产品的牌号略有差异，但产品基本涵盖了所有的中低牌号。高牌号无取向电工钢产品有O.35 mm、0.50mm、0.65 mm 3个厚度规格。0.35 mm高牌号无取向电工钢产品包括35W210—35W440；0.50mm高牌号无取向电工钢产品有50W230-50W470；0.65mm高牌号无取向电工钢产品有65W310-65W470。
表1 国外普通无取向电工钢生产企业及其主要产品
中国是全球电工钢生产及消费大国，全国产量占全球电工钢产量的74.99％。2022年，我国无取向电工钢产量1113.51万t，中低牌号无取向电工钢802.18万t，高牌号/高效无取向电工钢311.33万t，高牌号/高效无取向电工钢占比28％。2022年我国无取向电工钢生产企业数量达27家，相比2021年增加7家。国内全流程企业8家，分别为宝武、首钢、鞍钢、太钢、马钢、包钢、本钢及新钢。表2为国内首钢、宝武生产的普通系列无取向电工钢产品，对比表1，0.35/0.50/0.65 mm厚无取向电工钢产品已完全实现了国产化。国内半流程企业多为民营，主要从酸洗或冷轧开始的后冷轧工序。除此之外，也有专供热轧卷及冷硬卷产品的企业，其缺少无取向电工钢专用的常化、冷轧及连续退火线，如河钢集团可提供W600、W800、W1300中低牌号热轧卷及冷硬卷产品；热轧卷厚度规格为2.5～3.0 mm，冷硬卷厚度规格为0.5 mm。鉴于无取向电工钢的快速发展形势，这些企业均在规划全工艺流程生产线，尤其是高牌号无取向电工钢产品，待具备生产条件后将进一步加大国内高牌号无取向电工钢产能。
表2 国内主要生产企业及其主要产品
表3给出了0.50mm高牌号无取向电工钢产品的磁性能。在同牌号相比的情况下，新利佩茨克高牌号产品的磁性能相比其他企业呈现出磁感低、铁损高的特性；磁感B50范围为1.60～1.66T，铁损P1.5/50范围为2.5～4.1W/kg。韩国浦项高牌号产品磁性能呈现出高磁感，较低铁损的特性；磁感B50范围为1.67～1.70T，铁损P1.5/50范围为2.43～3.37W/kg。日本新日铁与JFE两家企业生产的高牌号产品磁性能相差不大，JFE生产的W470/W400磁感与铁损较高；日本高牌号产品的磁感B50范围为1.67～1.71T，铁损P1.5/50范围为2.25～3.65W/kg。日本及韩国高牌号产品的磁性能更好。表4给国内首钢、宝武生产的高牌号无取向电工钢磁性能典型值。磁感B50范围为1.67～1.72T，铁损P1.5/50范围为2.35～3.60W/kg。对比表3和表4，我国高牌号的磁性能已达到国际领先水平。
表3 国外高牌号无取向电工钢产品的磁性能典型值
表4高牌号无取向电工钢磁性能的典型值
1．2驱动电机用无取向电工钢
新能源汽车要求无取向电工钢在高频下具有高磁感、低铁损以及高强度的特性，主要使用薄规格高牌号无取向电工钢。目前，日本、韩国、法国、意大利、瑞典及俄罗斯均有0.30 mm及以下规格的产品，其中日本及韩国无取向电工钢生产技术处于领先地位。全球市场研究机构IHS Markit的研究结果显示：新能源汽车用无取向电工钢的需求预计将以每年20%的速度增长⋯，未来高端牌号无取向电工钢将迎来爆发式发展，新的生产技术也将会有重大突破。
在电机产品应用方面，国内外乘用车用驱动电机采用公称厚度0.30 mm无取向电工钢已经成为主流，国外企业利用各种技术均开展了厚度0.20 mm乃至0.15 mm以下的超薄无取向电工钢材料开发。表5中列出了日本及韩国无取向电工钢薄规格产品主要性能，厚度规格均在0.35 mm及以下。目前最薄规格为0.10 mm，具体性能如表6所示。
表5 国外企业生产的部分薄规格产品性能典型值
表6 JFE生产的极薄规格产品性能
2017年国家发展和改革委员会印发了《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018—2020年)》，明确规定变压器使用厚度薄、磁感应强度大的高端电工钢。2018年《战略性新兴产业分类(2018)》指出高性能电工钢加工被列为战略性新兴产业。2020年，国家各部委下发《能效升级的相关政策或规划》，进一步促进高端高牌号电工钢需求快速增长。2020年国务院办公厅关于印发新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)的通知，文件指出到2025年纯电动乘用车新车平均电耗降至0.12 kWh／km，新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20％左右。
国内低端产品基本已达到饱和的状态，供需正向着高水平、高质量动态平衡转变，唯有研发高精尖产品，才能占领市场。近年来国内无取向电工钢生产技术已打破高端产品一直依赖进口的状况。国内以宝武、首钢为代表的企业已实现薄规格产品国产化，均能生产0.35 mm以下高性能薄规格无取向电工钢。首钢集团已形成多系列产品，包括低铁损系列、高磁感系列、超高磁感系列、高强度系列、高强低铁损系列；宝武集团开发的产品包括普通型(AV)、高效型(AHV)、高磁感型(APV)、高强度型(AHS)等，厚度覆盖了0.35 mm、0.30 mm、0.27mm、0.25 mm、0.20 mm和0.15 mm厚度。近日，国内宝武已成功轧制0.10 mm的宽幅超薄高牌号无取向电工钢，但尚未见批量供货消息。表7列出首钢、宝武生产的部分薄规格产品性能典型值。
表7 宝武、首钢生产的部分薄规格产品性能典型值
2无取向电工钢磁性能调控方法
2.1低牌号无取向电工钢
国内中低牌号无取向电工钢产量占无取向硅钢总产量的72％，用量较大。提升中低牌号电工钢磁性能，对节约能源、降低成本、响应国家碳达峰碳中和政策有重大意义。依靠优化表面质量、工艺参数远不能满足无取向电工钢对性能的要求。{100}晶面上存在两个<100>易磁化方向，可显著提高成品的磁性能，因此如何提高成品内{100}织构比例是当下众多学者研究的方向。
低牌号如800/1300等，由于硅含量较低，在加热及冷却过程中普遍存在相变。相变会弱化织构并细化晶粒，但已有研究利用表面能法、相变法强化了{100}织构并粗化了晶粒。表面能法是指在特定的气氛条件下，通过原子吸附或偏析使(100)晶面的表面能达到最低，由此在退火时可促使{100}取向晶粒长大。Kohler等利用表面能法在氢气气氛下获得了强的{100}织构。相变法是指利用冷轧板在氢气气氛下退火，通过γ→ɑ相变制备强的{100}相变织构。其原理是，氢气气氛下{100}晶面表面能最低，{100}取向晶粒具有形核优势，在γ→ɑ相变时，沿ND方向(<100>方向)释放的应变比其他方向更大，因此{100}取向晶粒沿ND方向迅速长大成柱状晶。谢利等在纯氢气气氛下利用γ→ɑ相变，在成品内获得了{100}取向柱状晶组织。此外，利用真空脱锰、脱碳诱导相变也可制备出强的{100}织构。王金华利用相变法制备了工业800牌号无取向电工钢，磁性能相比于商用同牌号得到了改善，磁感及铁损值如表8所示。相变法制备的{100}织构组分的比例可达80％以上，可显著提高成品磁性能。
表8 相变法制备的800牌号与商用50SW800对比
室温下的连铸坯内存在大量的{100}取向柱状晶组织，如能有效利用初始的{100}柱状晶组织，使其在经过热轧、冷轧及退火后仍能遗传到成品板，那么就能显著提高成品板的磁性能。传统方法是利用形变及再结晶退火制备无取向电工钢产品，并未有效利用初始的{100}柱状晶组织。顾晨等利用商用1300牌号电工钢连铸坯研究轧制工艺对磁性能的影响时，观察到1150℃高温热轧只能得到织构漫散的等轴晶，而低温1100℃温度热轧能得到{100}取向的形变组织。这说明降低热轧温度有利于{100}织构保留。在冷轧及相变退火后，低温热轧的成品板内得到了较强的{100}织构，磁性能得到了显著提高。值得注意的是，实验中的连铸坯厚度为10 mm且组织为{100}柱状晶，并采用低温1100℃热轧及氢气气氛下相变退火。武晓龙在研究800牌号柱状晶热轧对{100}织构的影响时，利用低温930℃(铁素体区热轧)及1100℃热轧保留了{100}织构，并在常化、冷轧、退火后提高了{100}织构比例，成品磁性能得到了改善。低温1100℃热轧法是基于粗大柱状晶不易发生相变特性，短时保温下70％以上的铁素体柱状晶得到保留，此时轧制相当于铁素体区轧制，以此来保留较多的{100}织构，从而达到最终改善磁性能的目的。低温热轧法可以改善成品的磁性能，但其是否适合工业生产仍需要大量的研究。
2.2高牌号无取向电工钢
无取向电工钢作为电机定转子铁芯的核心材料，其磁性能及力学性能直接影响驱动电机的服役效果。特别是驱动电机用高牌号无取向电工钢，不仅要具备高的磁感应强度、高频下低的铁损，还要具备高的屈服强度和抗拉强度¨⋯。常规方案是通过改善热轧、常化、卷取及退火工艺来提高无取向电工钢的性能，目前已达到性能优化的极限，其性能无法满足新一代驱动电机。
无取向电工钢厚度对磁性能影响较大，特别是影响铁损。在无取向电工钢铁芯服役过程中，铁损随着频率提高而变化。当频率从50Hz增加到400Hz时，0.50mm厚高牌号无取向电工钢的铁损P1.5／50将从4.7W/kg提高到80W/kg；当厚度降至0.35mm时，铁损可降低30％；而当厚度减薄到0.08mm时，在950Hz范围内使用，几乎不产生涡流损耗，电机的效率会显著提高。因此，如何有效减薄无取向电工钢厚度成为研究方向之一。
此外，也有利用合金成分来提高驱动电机用无取电工钢的性能，基本方向如下：(1)提高si、Al、Mn、P含量来降低铁损；(2)添加固溶强化元素如Si、Mn、P、Ni、Cr等，析出强化元素如Nb、Zr、Cu等，时效强化元素如Cu等，来提高钢的强度。
3 结论与展望
综述了国内外无取向电工钢产品的应用现状，对比分析了国内外无取向电工钢的性能特点，特别关注了新能源汽车驱动电机用无取向电工钢产品现状，归纳了近年来我国对新能源汽车用无取向电工钢出台的政策。针对无取向电工钢产品追求高磁感、低铁损及高强度的特性，总结了低牌号及高牌号无取向电工钢优化性能的方法。我国无取向电工钢发展近40年，低中高牌号无取向电工钢已基本实现国产化，且性能达到了国际水平。为应对环境、能源问题，新能源汽车产业迎来了爆发式发展，这就要求无取向电工钢向高磁感、低铁损、高强度的方向发展。近年来，为满足双碳及能源双控，国内在高端薄规格产品和研发方面开展了很多探索，尽管宝武已实现0.10 mm超薄规格产品的成功轧制，但薄规格产品核心技术及性能与日本先进企业仍有差距。高端薄规格无取向电工钢磁性能受诸多因素的影响，实现核心技术和磁性能的突破，不是简单地改变成分体系和优化热轧、冷轧、常化及退火工艺参数，还需结合全流程织构演变规律及强化机理。开发出满足新能源汽车驱动电机使用要求，并兼具低成本优势的高端薄规格产品，是我国无取向电工钢行业努力的方向。
来源：《河北冶金》
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