無抑制劑取向硅鋼概述

向 睿，羅海文，劉和平

(鋼鐵研究總院 電工鋼中心，北京 100081)

1 無抑制劑取向硅鋼的特點

取向硅鋼按制造工藝和磁感大小可分為普通取向硅鋼(CGO)和高磁感取向硅鋼(Hi－B).抑制劑是取向硅鋼中的細小彌散第二相質點或晶界偏聚元素，在取向硅鋼的生產中起著舉足輕重的作用.取向硅鋼使用的抑制劑通常為化合物抑制劑，另外也有單元素溶質抑制劑等.這些抑制劑有AlN、MnS、MnSe、CuSe、BN 等.在高溫退火過程中，尤其是發生二次再結晶的溫度范圍內(900～1 100℃)，基體中各種位相的初次晶粒都有長大傾向.因此，為使Goss晶粒得到發展，須使抑制劑在鋼中彌散分布，有效控制二次再結晶退火中其他位向再結晶晶粒的正常長大.通過加強抑制力，使得Goss位向的晶粒獲得超過其他位向晶粒的長大優勢而發生異常長大，在最終成品中形成位向準確的Goss晶粒，從而提高磁性能［1］.

在大量的取向硅鋼的工業生產實踐中，人們普遍認識到對抑制劑數量、尺寸的控制是獲得位向準確的Goss織構的關鍵點之一.無抑制劑類型的取向硅鋼也在逐漸得到注意，該類型的取向硅鋼通過二次再結晶獲得Goss織構的機理和工藝關鍵點必然與有抑制劑型取向硅鋼不同，其性能和產品使用場合也不同.

無抑制劑型取向硅鋼通常采用1 000～1 250℃的較低溫度進行板坯加熱，無需采用生產取向硅鋼所需的電磁感應加熱爐這樣的高溫加熱設備，并且省掉了脫碳退火和高溫凈化處理，制造成本明顯降低，滿足鋼鐵工業節能環保要求;加熱時產生的氧化鐵皮少，成材率高，降低了成本并獲得了理想的磁性能.無抑制劑取向硅鋼由于二次再結晶過程中無抑制劑的抑制作用，其成品的磁性能在軋制方向上低于傳統取向硅鋼(CGO和Hi－B)，而在垂直軋制方向上高于傳統取向硅鋼;因此，該產品特別適合于制作EI型變壓器、小電機使用的T型分割式鐵芯、電機定子鐵芯及日光燈鎮流器等.這種取向硅鋼可以明顯降低高頻鐵損，因而也適用于制作扼流線圈鐵芯.

此外，鐵芯材料的加工制造對取向硅鋼成品的沖片性也提出了很高的要求.例如，廣泛應用于小變壓器和家用電機的EI型鐵芯由沖壓的E型和I型片狀取向硅鋼制作而成，所使用的取向硅鋼片不但要滿足磁性能要求，其加工性能也對變壓器生產有直接影響.傳統取向硅鋼于高溫退火前需要在表面涂敷MgO隔離劑，在高溫退火時形成Mg2SiO4玻璃膜底層，起到絕緣和增加張力的作用，使產品獲得良好磁性能.但由于Mg2SiO4玻璃膜底層硬度很高，導致成品的沖片性能較差，甚至縮短沖壓模具的使用壽命，從而對鐵芯的制造產生不利影響.而無抑制劑取向硅鋼在最終退火前鋼板表面無需涂覆MgO隔離劑，不會形成硬度很高的Mg2SiO4玻璃膜底層，從本質上解決了涂層對成品性能的負面影響，可以獲得光滑表面的產品，顯著提高沖片性，減少對沖壓模具的損耗，并可以降低中高頻率使用時的鐵損［2］.

2 無抑制劑取向硅鋼研究現狀

現階段，主要有以下兩種無抑制劑生成取向硅鋼工藝:

2.1 利用表面能的方法

以表面能為驅動力，有意識地使{110}面優先長大，必要條件是板厚很薄，如0.15 mm以下，以至于可采用50%～70%的第三次冷軋的技術，之后在一定高溫區域、非氧化性保護氣氛或真空中進行最終高溫退火.

2.2 高潔凈度鋼生產取向硅鋼

根據高能晶界理論，高斯位向晶粒發生二次再結晶的本質是 Goss位向的晶粒多被20～45(°)大角晶界所包圍，位于該取向差范圍的晶界具有更高的晶界能，要較其他晶界的遷移速率高，從而導致Goss晶粒獲得長大優勢.抑制劑的作用是增強高能晶界與其他晶界的移動速度差，使得通過二次再結晶獲得Goss織構成為可能.但當鋼中存在雜質元素時，在晶界上特別是在高能晶界上容易產生偏析.在不純元素含量多時，高能晶界與其他晶界幾乎沒有移動速度差，鋼的潔凈度越高，在結晶晶界上析出物和不純元素越少，高能晶界構造中原有的移動速度差潛在性越強，從而使高斯位向晶粒二次再結晶成為可能.在傳統Hi－B鋼生產中，為了獲得更高的磁感，有時還需加入Sn、Bi和Sb等晶界偏聚元素.這些晶界偏聚元素被認為是加強了對初次再結晶基體中非Goss位向晶粒的釘扎作用，從而在二次再結晶后獲得位向更準確的Goss織構.因此，在無抑制劑型取向硅鋼中這些晶界偏聚元素是否依然能起到同樣的作用，目前不是很清楚，尚無定論.這一課題兼具科學意義和生產應用價值，很值得將來專門研究.

3 無抑制劑取向硅鋼生產方法

無抑制劑取向硅鋼工藝流程包括冶煉→精煉→連鑄→熱軋→常化→冷軋→初次再結晶退火到最終退火等工藝，最后制取得到0.35mm厚度取向硅鋼成品.

3.1 成分設計

無抑制劑取向硅鋼化學成分的設計要避免在鋼中形成抑制劑，因此，需要嚴格地控制Mn、S、Al、N、C，Si等元素的含量.小晶?？杉毣女?，降低P17值.如果鋼中C、S、N含量增高，它們容易在大角晶界偏聚，晶界移動速度減慢，二次再結晶不完善.本文設計的取向硅鋼化學成分如表1所示，同時為了提高最后成品的磁性能，鋼中加入了一種或幾種 Sb、Ni、Sn、Cu、P、Mo 和 Cr元素.Ni可提高B8，因為Ni促進α－γ相變，熱軋板晶粒小且均勻，Ni不形成氮化物等析出物，而且是鐵磁性元素.Sb、Sn、Cu、Cr可使二次晶粒細化，降低 P17.嚴格控制目標元素的成分范圍，同時盡量降低有害元素(如S、O、Ti等)的質量分數到0.003%以下，防止其對磁性能的不利影響.

表1 無抑制劑取向硅鋼化學成分(質量分數)Table 1 The chemical composition(mass fraction)of inhibitor－free oriented silicon steel %

3.2 熱軋

無抑制劑取向硅鋼由于不考慮利用高溫使MnS、AlN等化合物固溶，因此不需要太高的均熱溫度.熱軋前將板坯在1 100℃下均熱30 min.初軋溫度為1 050～1 080℃，終軋溫度為880～900℃，終軋厚度為2.5±0.1 mm.鑄坯加熱溫度低，應注意熱軋板產生邊裂，控制粗軋壓下率為75% ～80%，熱軋邊裂小于5 mm，磁性均勻.

3.3 ?；?/h3>

無抑制劑法取向硅鋼熱軋板在N2氣氛下，于800～950℃?；幚?～3 min后，再放入沸水中快速冷卻至室溫，其目的是使熱軋板組織更加均勻，促進再結晶，有利于后續制備過程中形成單一Goss織構.?；瘯r板寬方向邊部100 mm區的常化溫度比中部低，邊部表面氧附著量小于0.1 g/m2，中部氧含量不大于0.15 g/m2，這樣邊部氧含量低于中部時磁性高，而且成品彎曲數大于10次，薄膜附著性好.

3.4 冷軋

?；褰涍^表面酸洗、修磨后，在250℃進行一次冷軋到成品厚度0.35±0.02 mm.為了有利于軋制，冷軋期間將進行溫度設為100～250℃，時間為2 min的時效處理.

3.5 退火

為了有效抑制取向硅鋼氧化層的形成，提高鋼帶表面質量，降低鐵損;并且有利于防止最終退火過程中形成高硬度的覆膜層，明顯提高鋼帶的沖片性，冷軋片在干燥的體積分數為25%N2+75%H2氣氛，950℃ ×20 s(從500℃以大于50℃/s速度快升到950℃)條件下進行初次再結晶退火.初次再結晶退火時鋼中固溶碳可加強抑制力，使晶粒尺寸和織構更均勻;快升溫使二次晶粒尺寸減小，磁性高.無抑制劑取向硅鋼在最終退火過程中發生二次再結晶，晶粒尺寸由初次再結晶退火后的 30 ～80 μm 發展成≥5 mm［3～4］，是高斯織構形成發展的重要階段.其典型的二次再結晶晶粒中包含0.15～1.00 mm的細小晶粒，分布密度大于10個/cm2，將有利于降低高頻鐵損值，成品可以獲得優良的高頻磁性能.最終退火曲線按圖1進行.

根據現階段研究成果，按照上述方法制備的無抑制劑取向硅鋼成品沿軋向(RD)的最佳磁性能為B800=1.90 T，P1.7/50=1.01 W/kg左右，縱橫向磁性都好，優于普通取向CGO和無取向高牌號成品.根據現有最終退火的實驗，總結出如圖2所示的磁性能和退火溫度之間關系圖［3］.由該圖可知二次再結晶最佳溫度區間在850～950℃，得到最佳的磁性能.

4 結語

本文探討了無抑制劑取向硅鋼的特性及制備方案，與傳統取向硅鋼相比，無抑制劑取向硅鋼技術推廣將會引起電工鋼產業一項重要技術革新.

(1)采用無抑制劑生產取向硅鋼時要嚴格控制好鋼中氧含量和最終高溫退火前附著的Al、S、N、Mn的總量，以保證最終材料得到良好的磁性能.

(2)無抑制劑取向硅鋼發生完整的二次再結晶是在最后高溫退火時完成的，溫度應控制在850～950℃，并控制在此溫度區的N含量、升溫速率及保溫時間，保證完整二次再結晶.

［1］何忠治，趙宇，羅海文.電工鋼［M］.北京:冶金工業出版社，2012:531 －539.

(He Zhongzhi，Zhao Yu，Luo Haiwen.Electrical steel［M］.Beijing:Metallurgical Industry Press，2012:531 －539.)

［2］ Imamura T，Terashima T，Hayakawa Y.Newly developed grain－oriented electrical steel suitable for application to segmented core motors［J］.JFE Technical Report，2005，6:8 － 11.

［3］ Hayakawa Y，Kurosawa M，Imamura T ，et al.Grain － oriented magnetic steel sheet having no undercoat film comprising forsterite as primary component and having good magnetic characteristics:US，2005 －6942740B2［P］.

［4］ Hayakawa Y，Kurosawa M，Komatsubara M.Method of making grain－oriented magnetic steel sheet having low iron loss:US，2007 － RE39482E［P］.