李慈穎　隋亞飛　張益龍　王仕華

【摘 要】文章研究了不同成分體系下夾雜物（包括第二相析出物）的變化、磁性能的變化及影響無取向電工鋼磁性能和磁時效鐵損劣化率的主要因素。結果表明：影響鐵損的主要成分為C、S、Sb、P、Si，其影響大小為C>S>Sb>P>Si;影響磁感的主要成分為S、P、Si，其影響大小為S>P>Si;影響鐵損劣化率的主要成分為C、S、Sb、P、Als和Mn，其影響大小為C>S>Sb>P>Als>Mn。通過降低C和S雜質元素及調整P、Sb、Mn、Si等成分，鐵損劣化率由原工藝的平均值19%以上降低到新工藝的3%以下，新工藝下磁性能優(yōu)于原工藝，新工藝下夾雜物數量比原工藝少。

【關鍵詞】電工鋼;磁性能;鐵損;磁感;磁時效;鐵損劣化率;無取向;夾雜物

【中圖分類號】TG335.12 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）11-0044-04

當前，我國已經將節(jié)能列為中長期國民經濟和社會發(fā)展規(guī)劃的重要內容，從節(jié)能觀點看，發(fā)展趨勢是提高電機效率，其方法之一是改進電機鐵芯所用的電磁鋼板的磁性。電機在運行中要求低損耗、高效率、運行安全、壽命長，因此材料不僅具有優(yōu)良的磁性能，而且在長時間運行中保持磁性能穩(wěn)定，具有無磁時效性（或低磁時效，鐵損劣化率≤5%），也就是說，對低鐵損、高磁感且無磁時效（或低磁時效）的電工鋼要求日益強烈。磁時效是鐵磁材料的磁性能隨使用時間延長而發(fā)生變化的現象，也是指無取向電工鋼在服役過程中鐵損升高、磁感下降的現象。磁時效往往以鐵損升高為主，增加了電工鋼在服役過程中的能耗。根據估算，如果無取向電工鋼的磁時效造成鐵損平均僅增加0.1 W/kg，電工鋼每天服役8 h，則1萬t無取向電工鋼每年因磁時效造成的電能損耗增幅會超過0.029億kW·h。因此，研究無取向電工鋼磁性能及磁時效的影響因素對節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文以低牌號電工鋼為研究對象，分析了不同成分體系下夾雜物（包括第二相析出物）的變化、磁性能的變化規(guī)律及影響磁時效的主要因素，希望為電工鋼磁性能及磁時效的改善提供參考。

1 試驗材料及方法

本文實驗選取不同成分體系同一軋制工藝大生產下的0.5 mm厚冷軋無取向電工鋼，在同一生產退火條件下測量所取樣品的磁性能，再經過人工時效試驗測量鐵損劣化率及磁感劣化率，其成分體系見表1。磁時效試驗均采用人工時效處理方法檢查，將退火涂層的電工鋼試樣加工成0.5 mm×30 mm×300 mm樣條共24片，將樣品放入試驗爐，經200 ℃×48 h時效處理后再空冷至室溫測磁性能，對比時效處理前后鐵損和磁感的變化情況及劣化率。

鐵損劣化率=（時效后鐵損-時效前鐵損）÷時效前鐵損×100%

磁感劣化率=（時效后磁感-時效前磁感）÷時效前磁感×100%

2 試驗結果及分析

2.1 夾雜物（包括第二相析出物）

4種工藝下取熱軋材樣，使用SEM+EDS分析夾雜物形貌與成分，使用Aspex軟件統(tǒng)計分析夾雜物數量和組成，每個試樣的統(tǒng)計面積約為10 mm2。

結果顯示，4種工藝下熱軋材樣中夾雜物（包括第二相析出物）主要為MnS、AlN、Al2O3、SiO2、CaO、MnO、MgO及各類復合夾雜物，夾雜物大小主要分布在5μm及以下。各類夾雜物形貌及組成如圖1所示;不同工藝下夾雜物組成與數量見表2。同牌號對比，W1300牌號工藝2（新工藝）的夾雜物數量要低于工藝1（原工藝），W800牌號工藝4（新工藝）的夾雜物數量要低于工藝3（原工藝）。這主要是不同工藝成分不同要求使用的合金及原輔材料不一致，鋼中實際的雜質元素含量及夾雜物（包括第二相析出物）數量不一致，S、N、O含量越低夾雜物（包括第二相析出物）數量會相應降低。不同工藝下熱軋材樣中夾雜物分布情況如圖2所示。

2.2 磁性能結果

統(tǒng)計大生產條件下181個磁性能和鐵損劣化率的樣本數，圖3、圖4顯示了不同工藝下鐵損和磁感變化規(guī)律。從結果可見，工藝1時效前后平均鐵損分別為5.335 W/kg和6.342 W/kg，工藝2時效前后平均鐵損分別為5.518 W/kg和5.667 W/kg，工藝3時效前后平均鐵損分別為4.734 W/kg和5.926 W/kg，工藝4時效前后平均鐵損分別為4.761 W/kg和4.837 W/kg。工藝1時效前后平均磁感分別為1.749 T和1.748 T，工藝2時效前后平均磁感分別為1.762 T和1.762 T，工藝3時效前后平均磁感分別為1.726 T和1.726 T，工藝4時效前后平均磁感分別為1.732 T和1.732 T。對W1300牌號，與工藝1對比，時效前工藝2平均鐵損高0.183 W/kg，平均磁感高0.013 T;時效后平均鐵損低0.675 W/kg，平均磁感高0.014 T。對W800牌號，與工藝3對比，時效前工藝4平均鐵損高0.027 W/kg，平均磁感高0.006 T;時效后平均鐵損低1.089 W/kg，平均磁感高0.006 T。

圖5、圖6顯示了不同工藝下鐵損劣化率和磁感劣化率變化規(guī)律，從結果可見，每種工藝下磁感劣化率變化不大，磁感劣化率均在0.6%以下。不同工藝下鐵損劣化率相差較大，對W1300牌號，與工藝1對比，工藝2鐵損劣化率平均值由19.056%降低至2.683%。對W800牌號，與工藝3對比，工藝4鐵損劣化率平均值由25.117%降低至1.593%。這說明4種工藝下產品磁時效主要是鐵損升高的變化。

由此可見，從產品磁性能及穩(wěn)定性考慮，W1300牌號的工藝2優(yōu)于工藝1;W800牌號的工藝4優(yōu)于工藝3，即兩個牌號新工藝的磁性能要優(yōu)于原工藝。

3 討論

在其他工藝參數相同的情況下，采用多元回歸分析法對4種不同工藝中實際成分下對應的181個磁性能和鐵損劣化率的樣本數進行統(tǒng)計分析，結果見表3、表4。從結果可見，時效后鐵損、磁感及鐵損劣化率與各成分存顯著性相關，其P值均低于0.05，R-sq值≥70%且R-sq和R-sq（調整）值接近，說明此回歸模型可靠，回歸方程可用。

4種工藝條件下，從回歸方程結果看出，影響鐵損的主要成分為C、S、Sb、P、Si，C含量是影響鐵損的主要因素，其次是S含量和Sb含量，其中C含量和S含量與鐵損成正相關，Sb含量、P含量和Si含量與鐵損成負相關，其影響大小為C>S>Sb>P>Si。影響磁感的主要成分為S、P、Si，S含量是影響磁感的主要因素，其次是P含量和Si含量，S含量、P含量和Si含量與磁感均成負相關，其影響大小為S>P>Si。影響鐵損劣化率的主要成分為C、S、Sb、P、Als和Mn，C含量是影響鐵損劣化率的主要因素，其次是S含量，其余成分影響不明顯，其中C含量、S含量和Mn含量與鐵損劣化率成正相關，Sb含量、P含量和Als含量與鐵損劣化率成負相關，其影響大小為C>S>Sb>P>Als>Mn。

從以上結果可見，對W1300牌號，工藝2的磁性能優(yōu)于工藝1，工藝2的夾雜物數量低于工藝1;對W800牌號，工藝4的磁性能優(yōu)于工藝3，工藝4的夾雜物數量低于工藝3。不同工藝、成分不同夾雜物數量不同，這說明成分及夾雜物（包括第二相析出物）對電工鋼磁性能有明顯影響。

C的影響主要是C擴大γ相區(qū)和使相變溫度降低，C含量高迫使成品退火溫度降低，晶粒長大不充分，鐵損增高;碳化物尺寸、形態(tài)和分布對電工鋼晶粒組織、結構和磁性有較大影響[1]。電工鋼在高溫下C的固溶度高，從高溫較快冷卻時多余的C原子來不及析出而形成過飽和的固溶體;鐵芯在長期運轉時，溫度升高，過飽和的碳原子就以彌散第二相質點析出;第二相粒子的析出會抑制鐵素體疇壁運動，導致矯頑力上升，劣化率P15/50增加，從而導致電工鋼磁性能下降[2，3]。

S的影響主要是S在電工鋼中對磁性有害影響均與基質中存在MnS的微細質點及晶界上存在自由硫有關。Mn和S的影響主要是因為鋼中過飽和的Mn、S會以MnS粒子的形式彌散析出，造成鐵損升高，且不同溫度時效時鐵損的改變情況與Mn、S在α-Fe中的擴散有關，S比Mn更容易擴散，因此MnS粒子的析出主要受Mn擴散的控制。即使Mn原子的低溫擴散很困難，難以形成MnS彌散粒子，但S原子的擴散速度相對較快，如果借助晶界、位錯等擴散快速通道，仍有可能通過擴散聚集并與Fe形成第二相粒子，進而對磁時效產生影響[4]。

Si的影響主要是對無取向電工鋼的組織、織構及磁性能具有決定性的影響。隨著Si含量增加，電阻率提高，γ相區(qū)縮小，渦流損耗降低，晶粒粗化，磁滯損耗降低[5]，使鐵損值降低同時磁感值也降低;Si能使鋼中雜質元素危害降低，使碳石墨化，降低C對磁性能的有害影響;Si與O有親和力，起脫氧作用，與N形成氮化硅，降低鋼中N的溶解度。

P的影響主要是P會改變Fe原子間結合力和激活能，故對再結晶過程和晶粒長大有影響;P還可以提高比電阻，降低渦流損失;由于P促使晶粒增大，故亦可使矯頑力和磁滯損失降低;隨P含量增加，在弱和中磁場下的磁感提高，而在強磁場下磁感，由于P使晶粒粗化而略有減少[6，7]。P有阻礙碳化物析出和長大及減輕磁時效的作用[8]。

Sb元素是表面活性元素，對成品織構的影響主要是因為Sb元素在晶界處的偏聚能夠降低晶界能。晶粒長大的驅動力是晶界能，晶界能的降低會抑制某些容易在原始晶界處形核和長大的結構組分的形成。在冷軋無取向電工鋼再結晶過程中，{111}面織構更容易在原始晶界處形核，Sb的晶界偏聚直接影響了{111}組分的形核和晶粒長大，從而使成品鋼帶中{110}組分的強度大大降低。此外，再結晶退火時（110）晶粒優(yōu)先在形變帶處生核。加Sb會加速促進形成這種形變帶。Sb可使電工鋼最終退火織構中{111}組分減少，{100}組分和{110}組分增加，從而降低電工鋼鐵損，提高其磁感應強度。另外，Sb元素還可顯著降低電工鋼內氧化速率，提高其磁導率[9]。

Als的影響主要是Al與Si作用相似，可提高電阻值，縮小γ區(qū)和促使晶粒長大。其含量達到一定量后可形成粗大的AlN，改善織構，降低鐵損，使各向異性減少，且固定氮使磁時效減輕。含鋁量達到一定數量，會使鋼粗化并促使碳石墨化。鋁還能減少鋼中氧含量，減少磁時效現象。

夾雜物（包括第二相析出物）數量越少磁性能越好。雜質元素和夾雜物（包括第二相析出物）使點陣發(fā)生畸變。在夾雜物周圍地區(qū)位錯密度增高，引起比其本身體積大許多倍的內應力場，導致磁疇結構發(fā)生變化，疇壁不易移動，磁化困難，而夾雜物本身又為非磁性或弱磁性物質，故鐵損增高。鐵損與夾雜物尺寸成反比，與夾雜物數量成正比。雜質元素中C、N和S對鐵損危害最大，這都使點陣嚴重畸變，引起大的內應力。夾雜物及雜質元素應盡量低，它們對晶粒長大和織構組分有很大的影響，特別是細小彌散狀的MnS、AlN等析出物明顯阻礙退火使晶粒長大。夾雜物數量增多，使{111}織構組分增多，磁性變差[1]。

4 結論

（1）通過降低C和S雜質元素及調整成分P、Sb、Mn、Si等成分，鐵損劣化率由原工藝的平均值19%以上降低到新工藝的3%以下，新工藝下磁性能優(yōu)于原工藝，新工藝下夾雜物數量比原工藝少。

（2）從產品磁性能及穩(wěn)定性考慮，W1300牌號的工藝2優(yōu)于工藝1;W800牌號的工藝4優(yōu)于工藝3，即兩個牌號新工藝的磁性能要優(yōu)于原工藝。

（3）不同工藝，成分不同，鋼中夾雜物數量不同，4種工藝下熱軋材樣中夾雜物（包括第二相析出物）主要為MnS、AlN、Al2O3、SiO2、CaO、MnO、MgO及各類復合夾雜物，夾雜物大小主要分布在5μm及以下。同牌號對比，W1300牌號工藝2（新工藝）的夾雜物數量要少于工藝1（原工藝），W800牌號工藝4（新工藝）的夾雜物數量要少于工藝3（原工藝）。

（4）通過回歸分析法得出，影響鐵損的主要成分為C、S、Sb、P、Si，C含量是影響鐵損的主要因素，其次是S含量和Sb含量，其中C含量和S含量與鐵損成正相關，Sb含量、P含量和Si含量與鐵損成負相關，其影響大小為C>S>Sb>P>Si。影響磁感的主要成分為S、P、Si，S含量是影響鐵損劣化率的主要因素，其次是P含量和Si含量，S含量、P含量和Si含量與磁感均成負相關，其影響大小為S>P>Si。影響鐵損劣化率的主要成分為C、S、Sb、P、Als和Mn，C含量是影響鐵損劣化率的主要因素，其次是S含量，其余成分影響不明顯，其中C含量、S含量和Mn含量與鐵損劣化率成正相關，Sb含量、P含量和Als含量與鐵損劣化率成負相關，其影響大小為C>S>Sb>P>Als>Mn。

參 考 文 獻

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