分享：50W1300无取向硅钢电磁性能劣化原因

• 王思琴, 
 
• 高兴健, 
 
• 胡克

• 宝钢湛江钢铁有限公司，湛江 524076

50W1300无取向硅钢主要用于电机等铁芯的制造，电磁性能是衡量其质量的重要指标。在大生产试制过程中，该牌号硅钢出现了电磁性能波动的情况，铁损值升高且磁感应强度下降，劣化问题较为严重，不符合交货协议的要求。 

50W1300无取向硅钢在正常情况下的铁损值（P15/50）为5.5 W/kg、磁感应强度（B50/50）为1.76 T，部分批次材料出现电磁性能劣化现象，如：2号和3号试样（白片）的铁损值（P15/50）劣化为0.4，0.71 W/kg，磁感应强度（B50/50）降低为0.023，0.032 T；2号和3号试样黑片（消除应力退火）的铁损值（P15/50）劣化为0.57，1.50 W/kg，磁感应强度（B50/50）降低为0.029，0.035 T。试样的电磁性能劣化严重，不满足用户协议要求，产品被批量降级、报废，造成较大经济损失。 

2号和3号异常试样的电磁性能如表1所示。由表1可知：2号试样中白片的涡流损耗劣化值为0.01 W/kg、磁滞损耗劣化值为0.39 W/kg，黑片涡流损耗劣化值为0.09 W/kg，磁滞损耗劣化值为0.48 W/kg；3号试样中白片涡流损耗劣化值为0.06 W/kg，磁滞损耗劣化值为0.65 W/kg，黑片涡流损耗劣化值为0.14 W/kg，磁滞损耗劣化值为1.36 W/kg。两个试样中磁滞损耗劣化占比为84%~97%，据此可知，铁损值的劣化主要是由磁滞损耗劣化造成的。 

Table  1.  2号和3号异常试样的电磁性能

项目	涡流损耗劣化值/(W·kg−1)	磁滞损耗劣化值/(W·kg−1)	磁滞损耗劣化占比/%
2号试样白片实测值	0.01	0.39	97
2号试样黑片实测值	0.09	0.48	84
3号试样白片实测值	0.06	0.65	92
3号试样黑片实测值	0.14	1.36	91

下载: 导出CSV 

| 显示表格

磁滞损耗产生的原因是材料中夹杂物、晶体缺陷、内应力和晶体位相等因素阻碍畴壁的移动，使磁通变化受阻，进而由磁感应强度落后于磁场强度变化的磁滞现象引起能量损耗，其主要影响因素包括N、O、C、S、Nb、Ti等有害元素，以及析出物、夹杂物、晶粒尺寸等[1-13]。在主元素成分、热轧温度和硅钢退火工艺确定的情况下，影响磁滞损耗的主要因素为杂质元素、夹杂物和析出物等[14-16]。 

笔者从有害元素含量、晶粒组织、夹杂物及织构等方面对50W1300硅钢电磁性能的劣化原因进行分析，制定了相应的改进措施，最终使产品的电磁性能得到显著改善。 

1.   理化检验

1.1   化学成分分析

对1~3号试样进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：3号试样中含有S、O、N、Nb、V、Ti、Cu、Ni、Cr等有害元素；相比1号试样，电磁性能异常的2号和3号试样中的Nb元素质量分数异常偏高。 

Table  2.  试样中有害元素的质量分数

项目	质量分数
	C	S	O	N	Nb	V	Ti	Cu	Cr	Ni
1号试样实测值	0.001 3	0.001 7	0.001 5	0.001 5	0.000 3	0.000 2	0.000 1	0.007	0.011	0.010
2号试样实测值	0.001 7	0.001 9	0.000 8	0.000 9	0.002 7	0.000 2	0.000 1	0.006	0.013	0.011
3号试样实测值	0.001 3	0.001 7	0.001 1	0.001 3	0.004 2	0.000 2	0.000 1	0.006	0.014	0.011

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   金相检验

1~3号试样消除应力退火前后的显微组织形貌如图1~2所示。由图1~2可知：1号试样的白片、黑片的显微组织相对均匀，未出现细晶和晶粒异常长大的情况；3号试样的白片晶粒存在非常明显的细晶偏聚现象，黑片晶粒则出现明显的局部晶粒异常长大及较多细晶现象；2号试样的晶粒状态介于1号、3号试样之间。 

图  1  消除应力退火前的显微组织形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  2  消除应力退火后的显微组织形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

研究[1]表明，随着钢中Nb元素含量的升高，晶界扩散时，为克服钉扎力所需的活化能开始急剧增大，直接导致晶界扩散率显著降低，晶粒尺寸长大速率变慢，最终出现细晶偏聚和晶粒岛状现象；而在消除应力退火、低温长时的条件下，含Nb元素的夹杂物在晶界处析出并富集，因间距过小，不会发生再形核，部分大晶粒会吞噬小晶粒而出现异常长大现象，进而导致晶粒尺寸分布的均匀性显著下降，且随着钢中Nb元素含量的升高，含Nb元素的夹杂物对晶界的钉扎效果也在不断增强。 

因此，随着Nb元素含量的升高，细晶偏聚现象越来越严重，大尺寸晶粒组织增多，晶粒组织更加不均匀，进而导致铁损性能劣化。与Nb元素质量分数为3×10−6的试样相比，当Nb元素质量分数为2.7×10−5，4.2×10−5时，铁损值分别劣化为0.40，0.71 W/kg；经消除应力退火后，铁损劣化值分别达到0.57，1.50 W/kg，可见消除应力退火后的铁损值随钢中Nb元素含量的升高，其劣化程度显著加剧。 

1~3号试样中夹杂物的微观形貌如图3所示。由图3可知：1号试样的非金属夹杂物主要为SiO2、MnS、CuS等，这些夹杂物形状规则、尺寸较大、数量较少；2号试样的非金属夹杂物以SiO2、Al2O3、MnS为主，且形状不规则、尺寸细小、数量较多；3号试样的非金属夹杂物主要为SiO2、Al2O3、AlN，及较多细小的Nb(C，N)，其形状不规则、尺寸细小、数量偏多。 

图  3  1~3号试样中夹杂物的微观形貌

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1号试样的夹杂物数量为7.08×106个/mm2，2号试样的夹杂物数量为1.84×107个/mm2，3号试样的夹杂物数量直接达到8.63×108个/mm2，这是由于含Nb元素的物质在热轧加热炉加热过程中固溶，在轧制过程中逐渐以细小弥散的NbN、NbC、Nb（C，N）形式大量析出。Nb元素含量越高，氮碳铌化物在热轧加热阶段固溶得越多，在后续的轧制过程中析出越多，越细小弥散。 

另外，随着Nb元素含量的升高，除自身会生成尺寸细小的夹杂物外，还会降低传统夹杂物的固溶温度，并影响其形核析出，进而对传统夹杂物的尺寸产生明显的细化作用。因此，这些尺寸细小的Nb夹杂物与MnS、AlN等传统夹杂物大量富集并钉扎在晶界处，阻碍了晶粒正常长大，导致晶粒尺寸偏小，从而对材料的电磁性能造成不利影响。 

织构分析   取向分布极图分析

成品板取向分布函数?2=45°的截面图如图4所示。由图4可知：1号试样包含有利的旋转立方织构{100}<011>和立方织构{110}<011>，不利织构{111}<110>和{111}<112>的强度较弱；3号试样没有有利的旋转立方织构{100}<011>，立方织构{110}<011>减弱，不利织构{111}<110>和{111}<112>的强度增强；2号试样的织构分布介于1号和3号试样之间。 

图  4  成品板取向分布函数?2=45°的截面图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1~3号试样的磁感应强度B50/50分别为1.759，1.736，1.727 T，与织构强度呈对应关系，即随着不利织构强度的增强，磁感应强度出现劣化，这是由于成品试样的织构主要继承自热轧组织，而热轧组织再结晶效果的优劣主要取决于钢中非金属夹杂物及热轧温度制度；在热轧温度制度相对稳定的前提下，非金属夹杂物的影响会占据主导作用。Nb元素含量较高的3号试样产生了较多细小的氮碳化铌夹杂物，这些夹杂物抑制了粗大发达热轧组织的形成，从而减小了有利的{100}和{110}织构占比，最终导致磁感应强度降低。 

2.   改进措施

（1）严格控制冶炼过程中的Nb元素含量，将Nb元素质量分数控制为0.002 5%以内，在炼钢生产过程中主要控制Nb元素的来源，重点关注合金、废钢中的Nb元素，以及冶炼渣的还原性。 

（2）电磁性能劣化的主要原因是材料产生了较多细小弥散的NbN、NbC等析出物，严格控制加热炉加热温度和加热时间，将热轧加热炉的加热温度控制为1 180 ℃以下，可以减轻NbC、NbC的固溶，避免产生过多细小析出物。 

（3）提高热轧终轧温度，将终轧温度控制为850 ℃以上，可在Nb元素含量较高的情况下，使轧制过程中析出的NbC粗化，减缓其对晶界的钉扎作用，从而有效提升产品的电磁性能。 

3.   结语

50W1300钢的电磁性能劣化是由Nb元素含量异常偏高造成的。当Nb元素含量偏高时，材料会出现细小弥散的 NbN、NbC、Nb（C,N）析出物，这些析出物钉扎在晶界处，阻碍了晶粒的正常长大，导致细晶偏聚并形成岛状晶粒，使铁损值劣化；同时，大量细小的含Nb夹杂物会抑制粗大发达热轧组织的形成，导致有利的旋转立方织构{100}<011>的强度减弱，而不利织构{111}<110>和{111}<112>的强度增强，对磁感应强度产生不利影响。通过对Nb 元素含量的严格管控及热轧工艺温度的优化调整，50W1300钢的电磁性能得到了有效改善