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從節(jié)能觀點(diǎn)看，時(shí)代的趨勢(shì)是提高電氣設(shè)備的效率，其手段之一是改進(jìn)電機(jī)鐵
芯所用的電磁鋼板的磁性，也就是說(shuō)，對(duì)低鐵損、高磁通密度的硅鋼要求日益強(qiáng)
烈。
硅鋼和其它金屬材料一樣，其磁性性能主要由其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)所控制，眾所周
知，組織結(jié)構(gòu)的確立又與其合金元素密切相關(guān)，織構(gòu)、金屬間化合物的形成及析
出，合金元素的偏析等將對(duì)硅鋼的鐵損和磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生重要影響。
硅鋼的牌號(hào)不同，其化學(xué)組成也不同，但其基本組成包括三大類(lèi)元素。第一類(lèi)
為其基本合金元素即：C、Si、Mn等；第二類(lèi)為雜質(zhì)元素：P、Al、S、N、B、Cu
等；第三類(lèi)為特殊用途合金元素如：Sb、Sn等。
1 基本合金元素的作用
1.1 碳元素
首先應(yīng)考慮硅鋼中含碳引起的嚴(yán)重現(xiàn)象，若成品中殘留碳，則出現(xiàn)磁時(shí)效，磁
時(shí)效的發(fā)生取決于碳含量。如果磁時(shí)效在馬達(dá)或其它電氣設(shè)備中產(chǎn)生，那么鐵損值
就可增加到初始值的二倍，設(shè)備就會(huì)受到損壞，因此碳對(duì)軟磁材料的磁性極為有
害。碳會(huì)增大α-Fe的矯頑力，加大磁滯損失，降低磁感應(yīng)強(qiáng)度，所以高級(jí)優(yōu)質(zhì)硅
鋼片中碳含量要求在0.020 %，甚至0.010 %以下。一般說(shuō)來(lái)［1］，碳對(duì)磁性的影
響程度隨鋼中硅含量的不同而不同；碳存在的形態(tài)不同，對(duì)磁性的影響也不同。有
人認(rèn)為［2］晶界上滲碳體對(duì)磁性影響較晶粒內(nèi)部小，但會(huì)使硅鋼片塑性顯著變
壞。碳使硅鋼片磁導(dǎo)率降低，而且又是形成磁時(shí)效的主要元素之一。
Ueno K等人采用不同硅含量的各種牌號(hào)無(wú)取向電工鋼，在150 ℃下時(shí)效
30 000 h，通過(guò)調(diào)整殘留碳量研究最終產(chǎn)品的鐵損。圖1所示是硅含量為0.3 %的
無(wú)取向硅鋼的鐵損(p15/50)隨碳含量的變化［3］。當(dāng)碳含量為0.004 5 %時(shí)，時(shí)
效1 000 h后，鐵損增加20 %，而時(shí)效時(shí)間從1 000 h增加到10 000 h，不管殘
留碳多少，鐵損均不發(fā)生變化，但時(shí)效后的鐵損仍隨殘留碳量增加而增大。
圖 1 不同殘留碳量硅鋼的鐵損增加與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系
Fig.1 Relation between the iron loss increment and aging
time for different residual carbon content
圖2表示硅含量分別為3.0 %、2.0 %和0.3 %三種無(wú)取向電工鋼由于時(shí)效引起的鐵損
最大增量與殘留碳量的關(guān)系［3］，由圖可知，時(shí)效現(xiàn)象幾乎和硅含量無(wú)關(guān)，鐵損
劣化速度僅與殘留碳量有關(guān)。
1.2 硅的作用
硅能顯著減少硅鋼內(nèi)的渦流損失，從而總鐵芯損失減少(表1)。硅還可以提高
相圖中A3線和降低A4線臨界溫度，在Fe-Si相圖中形成閉合的γ-圈。當(dāng)含2.5 %～
15 %Si時(shí)為單相α-Fe。所以高硅硅鋼片多經(jīng)高溫退火來(lái)使組織均勻，晶粒粗化，
夾雜聚集。硅可以減少晶體各向異性，使磁化容易，磁阻減少。硅對(duì)電阻率及其
它固有磁性的影響如圖3所示［3］。硅能顯著提高α-Fe比電阻，因而減少渦流損
失。在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，硅使硅鋼片的磁導(dǎo)率下降。
圖 2 鐵損最大增量與殘留碳量的關(guān)系
Fig.2 Relation between the maximum increment of the
iron loss and the residual carbon content
還能減輕鋼中其它雜質(zhì)的危害，使碳石墨化，降低對(duì)磁性的有害影響。硅和
氧有強(qiáng)親和力，起脫氧作用。硅可減少碳、氧和氮在α-Fe中脫溶引起的磁時(shí)效現(xiàn)
象。硅還能與氮化合成氮化硅，硅高時(shí)氮在鋼中的溶解度可降低。
表 1 硅含量對(duì)各種損失的影響
Table 1 Effect of Si content in the silicon steel on some kinds of los
ses
|
1 T下?lián)p失/W*kg－1 |
鋼中硅含量/% |
|||
|
0.5 |
1.0 |
2.5 |
4.0 |
|
|
磁滯損失(ph) |
2.20 |
1.90 |
1.68 |
1.06 |
|
渦流損失(pe) |
1.15 |
0.78 |
0.38 |
0.16 |
|
總鐵芯損失(p10) |
3.35 |
2.68 |
2.06 |
1.22 |
圖 3 硅含量對(duì)硅鋼電阻率和其它固有磁性的影響
Fig.3 Effect of silicon content in the silicon steel on
resistivity of silicon steel and other naturalmagnetic properties
硅除對(duì)電工鋼上述有利作用外，硅也會(huì)使鋼變脆。目前已研究成功含硅6.5 %
的硅鋼片，高硅硅鋼導(dǎo)熱性低，鋼帶冷卻和加熱時(shí)容易發(fā)生內(nèi)裂。
隨著硅含量的增加，硅鋼片的硬度也隨之升高，且易氧化生銹，在其表面形成
氧化膜，結(jié)果導(dǎo)致硅鋼用戶沖片用的模具變得容易損壞。
1.3 錳的作用
新日本鋼鐵會(huì)社研究了非常潔凈的低硅高錳鋼，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高的錳含量可以改
善晶體結(jié)構(gòu)，加1.0 %Mn后，帶鋼晶體組織中(100)和(110)晶面增加，(111)晶面減
少，磁性顯著改善。
一般認(rèn)為［4］，過(guò)多的錳會(huì)對(duì)磁性產(chǎn)生有害的影響，這是因?yàn)樗箍棙?gòu)變
壞，并且形成不需要的沉淀物MnS，但當(dāng)在生產(chǎn)過(guò)程中，利用十分潔凈的鋼，就可
以使錳對(duì)織構(gòu)控制起有利作用。
另外，錳是防止熱脆不可缺少的元素，其含量應(yīng)控制在0.1 %以上，錳會(huì)提高
碳在鐵中的溶解度，擴(kuò)大γ相區(qū)，與碳化合成滲碳體，故錳的含量也不宜過(guò)高，一
般不超過(guò)1.5 %。
2 雜質(zhì)元素的影響［4，5］
2.1 磷元素
低碳電工鋼板主要用來(lái)制造微電機(jī)(＜1 kW)和小型電機(jī)(＜100 kW)。由于這種
材料比較軟，沖片性能差，因此常加入磷(0.08 %～0.15 %)來(lái)強(qiáng)化鐵素體，提高硬
度，改善沖片性。
磷會(huì)增加硅鋼的冷脆性，使冷加工困難，原因是在晶界處形成脆的磷化鐵。在
室溫時(shí)鋼中α相可溶解1.2 %的磷，呈置換固溶體。磷會(huì)改變鐵原子間結(jié)合力和激
活能，故對(duì)再結(jié)晶過(guò)程和晶粒長(zhǎng)大有影響。磷的影響超過(guò)同樣硅含量影響的4～5
倍，磷還可以提高比電阻，降低渦流損失；由于磷促使晶粒增大，故亦可使矯頑力
和磁滯損失降低。隨磷含量增加，在弱和中磁場(chǎng)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高；而在強(qiáng)磁場(chǎng)
下，由于磷使晶粒粗化而磁感應(yīng)強(qiáng)度(B100)略有減少。
同時(shí)，磷是一種界面活性元素，偏聚于晶界會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的晶界脆化，從而使成
品鋼板變得極脆。
2.2 鋁元素
鋁的作用與硅相近，可以提高鋼的比電阻，減少鐵芯損失(圖4)，并降低磁感
應(yīng)強(qiáng)度，鋁含量達(dá)到一定數(shù)量會(huì)使晶粒粗化并促使碳石墨化。
鋁還能減少鋼中氧含量，減少磁時(shí)效現(xiàn)象。鋁使γ相區(qū)縮小。雖然鋁對(duì)磁性有
利，但鋼中鋁氧化物又會(huì)使磁性變壞。鋁又是冷軋硅鋼脫氧所需成分，加鋁還可獲
得高純度鋼，使鋼可連續(xù)澆注。
圖 4 鋁對(duì)硅鋼鐵芯損失的影響
Fig.4 Effect of Al content in the silicon steelon the iron core loss
鋁和硅一樣，能使材料變脆，鋁含量大于0.5 %時(shí)硅鋼變脆更見(jiàn)突出，但與高
硅鋼比較則仍顯有較好的塑性。有人試以Fe-Al-Mn合金作變壓器鋼片，鋁的含量2
倍于錳，在3.52 %～6.45 %范圍，電磁性能與含4 %Si的硅鋼相近，但塑性明顯優(yōu)
于后者。
鋁含量太高的其它有害影響是大的長(zhǎng)條形鋁化合物析出相在晶界上形成會(huì)阻礙
晶粒粗化［5］。
2.3 銅元素
小于0.7 %的銅溶于α-Fe中，會(huì)促使碳石墨化，對(duì)磁性無(wú)大影響；硅鋼含0.5
%Cu時(shí)，防銹能力可提高15倍，故硅鋼中有時(shí)故意加入銅。硅鋼中含銅大于0.7 %
時(shí)，在熱軋過(guò)程中會(huì)形成大量(CuMn)1.8S和(Mn,Cu)S質(zhì)點(diǎn)，使硅鋼矯頑力和磁滯損
失增加并使鋼變脆。一般硅鋼銅含量控制為0.2 %～0.3 %。
2.4 氮、硫、硼等合金元素的作用
無(wú)論是全硬鋼、全加工或半加工硅鋼，氮對(duì)磁性都有害。氮是通過(guò)生成有害的
AlN沉淀發(fā)生影響的。表2列出了含1.3 %(Si＋Al)的脫碳半加工硅鋼在1.5 T下測(cè)定
的磁性。當(dāng)?shù)繌?.006 %降至0.002 %時(shí)，其鐵損與磁導(dǎo)率都可進(jìn)一步改善。
表 2 脫碳半加工硅鋼1.3 %(Si＋Al)在1.5 T下的磁性和晶粒度
Table 2 The magnetic properties and grain size of the
decarbonising and semi-manufacturing silicon steel 1.3 %(Si＋Al) at 1.5
T
|
N/% |
鐵損/ |
磁導(dǎo)率/ |
晶粒尺寸/ |
|
0.002 |
1.14 |
2 500 |
120 |
|
0.006 |
1.23 |
2 200 |
90 |
硫在硅鋼中對(duì)磁性有害影響均與基體中存在硫化錳的微細(xì)質(zhì)點(diǎn)及晶界上存在自
由硫有關(guān)。計(jì)算指出，當(dāng)硫在0.005 %～0.030 %范圍內(nèi)，對(duì)于含0.3 %Mn、
0.6 %Si和0.2 %Al的半加工硅鋼，每增加0.02 %S可使鐵損提高0.33 W/kg。
硼加到半加工鋁鎮(zhèn)靜電工鋼中，可以抑制退火時(shí)的AlN沉淀。因?yàn)樵谕嘶饡r(shí)所
生成的AlN沉淀會(huì)抑制某些結(jié)晶方向的晶粒長(zhǎng)大，從而產(chǎn)生對(duì)磁性不利的織構(gòu)。硼
與氮結(jié)合成為氮化硼，在熱軋時(shí)沉淀于奧氏體中。若硼超過(guò)0.003 %，則對(duì)磁性有
害，這是因?yàn)橛稚闪硪恍┖鸬幕衔?如F23(BC)6)，使晶粒細(xì)化。
3 特殊用途的合金元素
3.1 錫元素的作用
近幾年，大量研究工作證明，在高磁感取向硅鋼中加入0.05 %～0.10 %Sn可明
顯改善磁性［6～10］。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，錫可在第二相質(zhì)點(diǎn)MnS和AlN(稱(chēng)為抑制劑)
與基體界面處偏聚，阻礙它們的Ostwald長(zhǎng)大，使其更加細(xì)小、彌散，從而增強(qiáng)對(duì)
晶粒正常長(zhǎng)大的抑制能力，減小初次晶粒尺寸，在最終高溫退火后得到更完善的｛
110｝〈001〉二次再結(jié)晶組織，提高了取向度和磁性；此外，錫還使常化退火時(shí)γ
相的分布更均勻，常化后珠光體的分散更均勻，從而增大了鐵素體晶粒尺寸，冷軋
時(shí)形成更多的形變帶，使二次晶粒尺寸減小，鐵損進(jìn)一步降低。
由于錫是一種表面活性元素，因此亦有可能在最終高溫退火的升溫階段在晶界
發(fā)生偏聚，加強(qiáng)對(duì)晶粒正常長(zhǎng)大的抑制能力，減小初次晶粒尺寸，從而起到輔助抑
制劑的作用。
何忠治等人［7］研究了錫元素對(duì)硅鋼二次再結(jié)晶的影響。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果可
知：①?gòu)?50 ℃開(kāi)始錫在取向硅鋼中的晶界偏聚濃度隨溫度的升高而下降，在二次
再結(jié)晶起始溫度950 ℃，錫在晶界仍有一定的偏聚量；②錫在取向硅鋼中的晶界偏
聚行為與純鐵中相似，沒(méi)有表現(xiàn)出多元系統(tǒng)中各元素間發(fā)生強(qiáng)烈交互作用時(shí)的典型
特征，但由于取向硅鋼的初步再結(jié)晶織構(gòu)較強(qiáng)，數(shù)據(jù)的分散度明顯高于純鐵的情
況；③錫通過(guò)在取向硅鋼中的晶界偏聚起了輔助抑制劑的作用，并可降低二次再結(jié)
晶溫度，這些均有利于發(fā)展更完善的｛110｝〈001〉二次再結(jié)晶，增大二次再結(jié)晶
晶粒尺寸，提高磁性。
3.2 銻元素的作用
已有若干篇論文討論了銻對(duì)無(wú)取向電工鋼板性能的作用，發(fā)現(xiàn)銻的添加對(duì)含1
%～2 %Si和0.3 %Al鋼的能耗具有有益的影響。Shimanaka等［11］指出，在無(wú)取
向Fe-1.85 %Si合金中加入0.01 %～0.08 %Sb，可使最終退火織構(gòu)中｛111｝組分減
少，｛100｝組分增加，且隨著銻含量的增加，織構(gòu)的這種變化更加顯著；在冷軋
無(wú)取向硅鋼的再結(jié)晶退火過(guò)程中，｛111｝位向晶粒容易在晶界附近形核。由于銻
是一種界面活性元素，易在晶界偏聚，因而阻礙了｛111｝位向晶粒在晶界附近的
形核。
Lyudkovsky［12］采用離子散射譜(ISS)和反極圖技術(shù)研究了Fe-1 %Si無(wú)取向
硅鋼中加入0.09 %Sb后的晶粒尺寸、硬度及織構(gòu)的變化情況，得出結(jié)論：①銻能夠
促進(jìn)對(duì)材料磁性有利的織構(gòu)組分的形成，在再結(jié)晶之前，含銻與不含銻硅鋼在織構(gòu)
上便已經(jīng)有了區(qū)別，對(duì)于含銻硅鋼，最終退火時(shí)無(wú)論是否脫碳，｛110｝和｛100｝
組分強(qiáng)度均顯著提高，同時(shí)｛112｝組分強(qiáng)度明顯降低；②與不含銻硅鋼相比，含
銻硅鋼在1.5 T下磁導(dǎo)率提高100 %，在1.7 T下磁導(dǎo)率提高30 %，另外，鐵損
(p15/60)下降約11 %，這些性能上的提高是由于含銻硅鋼具有較好的織構(gòu)和較大的
晶粒尺寸；③含銻硅鋼具有較大尺寸的原因可能是由于具有｛100｝和｛110｝位向
的晶粒邊界遷移性提高，尤其是這些晶粒長(zhǎng)大到｛111｝位向區(qū)域時(shí)。
F.Vodopivce等［11］研究發(fā)現(xiàn)，(111)面極點(diǎn)密度的最高值出現(xiàn)在銻含量最低
時(shí)，然后隨著銻含量增加其值逐漸降低，當(dāng)銻含量增至0.05 %時(shí)(111)面極點(diǎn)密度
約為一定值。(100)面與(110)面軸密度在銻含量約為0.05 %時(shí)出現(xiàn)最高值
4 結(jié)語(yǔ)
(1) 碳是引起硅鋼發(fā)生磁時(shí)效的重要元素之一，隨著硅鋼中碳含量的增加，其
鐵損增加；而硅能顯著減少硅鋼內(nèi)的鐵損，但硅含量過(guò)高會(huì)使硅鋼變脆，并且難以
實(shí)現(xiàn)軋制變形。
(2) 硅鋼中雜質(zhì)合金元素磷主要用來(lái)提高硅鋼的沖片性 ，但磷是一種界面活
性元素，偏聚于晶界會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的晶界脆化。鋁可減少硅鋼鐵芯損失，但降低磁感
應(yīng)強(qiáng)度，且鋁含量高時(shí)會(huì)使硅鋼變脆。銅可顯著提高硅鋼的防銹能力。氮、硫元素
對(duì)硅鋼性能總是有害的。
(3) 錫和銻均是表面活性元素，可使硅鋼最終退火織構(gòu)中｛111｝組分減少，
｛100｝組分和｛110｝組分增加，從而降低硅鋼鐵損，并提高其磁感應(yīng)強(qiáng)度。
參 考 文 獻(xiàn)
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