錫對高效電機用無取向硅鋼磁性能的影響

周家林葉 鵬，程迪夫

（1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司，湖北武漢430083）

錫對高效電機用無取向硅鋼磁性能的影響

周家林1葉 鵬1，2程迪夫2

（1.武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，湖北武漢430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司，湖北武漢430083）

采取相同的工藝試驗生產加錫和未加錫的兩種鋼，研究了錫對高效電機用無取向硅鋼磁性能的影響，對比分析了成品晶粒尺寸、織構及析出物，并測量了成品試樣的磁性能。結果表明，添加質量分數為0.05%的錫后，成品試樣晶粒尺寸增大；｛111｝織構強度降低，｛100｝織構強度增加；析出物粗化，平均析出物尺寸超過100 nm，弱化了對晶粒長大與成品磁化過程中磁疇壁移動的阻礙作用。最終加錫后成品試樣的磁極化強度B5000增加了3.0%，鐵損P1.5／50降低了7.5%。

錫 高效電機 無取向硅鋼 織構 磁性能

無取向硅鋼的磁性能主要取決于其化學成分、鋼材的純凈度、晶粒尺寸、夾雜物（包括第二相析出物）及織構等。硅作為冷軋無取向硅鋼中最關鍵的元素，能有效地提高硅鋼的電阻率，大大降低鐵損［10-12］。當硅鋼的主要化學成分確定后，一些微量元素的影響也至關重要。錫是一種偏聚元素，在晶界處偏聚，使晶界易脆，對結構鋼來說是應該盡量減少的元素，但對硅鋼來說，加一定量的錫可以改善磁性能［10］。Godec等［13］研究表明，錫的偏聚使｛100｝等有利織構增強、｛111｝等不利織構減弱，借助錫的這個特點可改善織構組分，提高磁性能。董浩等［14］研究發現，添加錫可以明顯降低冷軋無取向硅鋼的鐵損，當添加0.1%（質量分數）錫時鐵損值最低。此外錫含量增加，還會降低不利的｛111｝和｛112｝等織構，分析認為，這是因為錫在晶界偏聚使晶界能降低，阻礙了晶界遷移和｛111｝再結晶晶粒的形核與長大。本文就高效電機鋼新鋼種開發過程中加錫和未加錫進行了試驗對比，分析了加錫后成品晶粒的尺寸、織構及析出物變化，以期為新鋼種通過加錫來改善磁性提供理論與試驗方面的支撐。

1 試驗材料及過程

試驗材料通過50 kg真空感應電爐冶煉，新鋼種為添加質量分數0.05%錫的1號試樣，對比鋼為未加錫的2號試樣，其化學成分如表1所示。

表1 試驗材料的主要化學成分（質量分數）Table 1 Main chemical composition of the tested steels（mass fraction） %

將鋼錠加熱到1 100～1 150℃，開坯軋成30 mm×90 mm×L坯料后，試驗工藝過程為：熱軋→常化→酸洗→冷軋→成品退火。熱軋加熱溫度為1 150℃，隨爐加熱至該溫度保溫1 h后，軋至2.20 mm；常化溫度為1 000℃，時間5 min，后經過酸洗，一次冷軋至0.35 mm；成品退火溫度1 000℃，時間5 min，保護氣氛比例為25%N2＋75%H2，自然冷卻2～5 min。取成品試樣鋼帶1號和2號的同一位置線切割成0.35 mm×30 mm×300 mm尺寸若干片備用，再取24片該試樣以雙搭接形式互相搭接，構成正方形磁路，在TYU-2000A交流軟磁材料磁性能測試儀上采用愛波斯坦方圈法測量磁性能；將試樣切片、鑲樣、打磨、拋光、腐蝕后，在Neophotz型金相顯微鏡下觀察試樣的縱截面組織，并選取5個方向（ND）測量晶粒大小，結果取其平均值；將試樣制備成透射電鏡萃取碳復型樣品，采用JEM-2100F型透射電鏡對試樣中析出物進行觀察，并用INCA能譜儀對析出物進行成分分析；將試樣加工成0.30 mm厚薄片，用RIGAUD／MAX-2500PC型X射線衍射儀測量各成品板表面織構，并計算取向分布函數ODF。

2 試驗結果與分析

2.1 成品磁性能

成品試樣磁性能測定結果見表2。結果顯示，添加0.05%錫后，磁極化強度B5000增加了0.051 T（增加3.0%），鐵損P1.5／50降低了0.17 W／kg（降低7.5%），說明添加適量的錫可以提高磁極化強度及降低鐵損。

表2 試樣的鐵損P1.5／50及磁極化強度B5000值Table 2 Iron loss P1.5／50and magnetic induction B5000values of samples

2.2 顯微組織

圖1為1號和2號成品試樣的顯微組織，測得1號和2號試樣的平均晶粒尺寸分別為156.20μm和123.31μm。晶粒大小是影響無取向硅鋼磁性能的重要因素，晶粒尺寸增大，總的晶界減少，磁疇壁移動或轉動的阻力就會減小，矯頑力減小，致使磁滯損耗Ph減小。但同時晶界減少，電阻率減小，致使渦流損耗Pe升高，而總的鐵損PT＝Ph＋Pe（不考慮其他損耗）。因此要使總的鐵損PT降低，需要得到合適的晶粒尺寸即臨界晶粒尺寸dc，一般3.0%Si無取向硅鋼的臨界晶粒尺寸dc約為150μm。試驗中添加適量錫后的成品晶粒尺寸增加，接近150μm，因此總的鐵損PT有所降低。

圖1 1號和2號成品試樣的顯微組織Fig.1 Optical microstructures of finished samples No.1 and No.2

2.3 織構

在電工鋼中有利于磁化的｛100｝等織構稱為有利織構，不利于磁化的｛111｝等織構稱為不利織構［15］。圖2為1號和2號試樣的Phi2＝0°和Phi2＝45°取向分布函數（ODF）截面圖。從圖中觀察到1號試樣中有強｛111｝＜112＞、近｛430｝＜001＞、近｛410｝＜144＞、近｛001｝＜410＞和｛112｝＜241＞等織構，2號試樣中有強｛111｝＜112＞和很弱的近｛410｝＜001＞等織構，并且可以觀察到1號試樣的γ取向線織構的極密度值小于2號試樣的。

2.4 析出物

無取向硅鋼在生產過程中不可避免地會存在一定數量的以第二相粒子形式存在的冶金夾雜物，主要有Al2O3、SiO2、MgO、CaO、AlN、Cu2S等以及由其組成的復合夾雜物［15］。一般認為，夾雜物（包括第二相析出物）的存在會阻礙晶界和磁疇壁的運動，抑制晶粒長大和增加矯頑力，惡化鋼的磁性能，因此在冶煉過程中應盡量提高鋼材的純凈度，減少夾雜物的形成，但無取向硅鋼生產過程中不可能完全凈化夾雜物。在總有少量夾雜物形成的情況下，應盡量增大夾雜物粒子尺寸，減少夾雜物對晶界和磁疇壁運動的阻礙作用即減少夾雜物的有害作用。

圖3、圖4分別為1號、2號成品試樣的部分析出物形貌及相應的能譜圖。1號試樣析出物粒子分布較均勻，形態以不規則形顆粒為主，有極少量為球形顆粒，析出物粒子尺寸以100～300 nm為主，極少量為60～100 nm或300～1 000 nm，其中球形粒子類型為Cu2S或Cu2S＋少量MnS復合析出物，不規則形粒子類型主要為MnS＋Cu2S復合析出物、AlN＋MnS復析出物。2號試樣析出物粒子分布亦均勻，形態以不規則形顆粒為主，尺寸以60～400 nm為主，析出物粒子類型主要為MnS＋Cu2S復合析出物，極少量為MnS＋Cu2S＋Ti（C，N）復合析出物，基本沒有AlN粒子的析出。可以看出，加錫后的1號試樣析出物粒子尺寸較大，并有一定量的AlN粒子析出。

圖2 試樣的Phi2＝0°和Phi2＝45°ODF截面圖Fig.2 Phi2＝0°and Phi2＝45°ODF sections of samples

3 討論

根據顯微組織的觀察可知，試樣中加入0.05%錫后，成品晶粒尺寸有所增加。但文獻［10，14，16］研究認為錫對再結晶晶粒的長大有抑制作用，加入過多的錫（錫的質量分數≥0.11%）會減小成品晶粒尺寸，少量的錫（錫的質量分數＜0.11%）抑制作用較弱。對比說明錫含量對成品晶粒尺寸的影響不是一個單調線性關系。錫在原晶界處偏聚，使晶界能降低，阻礙了再結晶晶粒的長大；同時根據析出物測量的結果，得出加錫后析出物粒子的平均尺寸有所增大，超過100 nm。文獻［15，17-18］研究表明，析出物粒子尺寸超過100 nm時，對晶界的釘扎作用明顯減弱，而達到幾百nm時則基本喪失釘扎作用。一方面析出物粗化，對晶粒長大有利；另一方面錫在晶界處偏聚會降低晶界能，對晶粒長大不利。由于加入錫的量很少（錫的質量分數＜0.11%），其不利的作用很小，綜合兩方面因素，析出物粗化對晶粒

長大有利的方面起主導作用。因此成品晶粒尺寸增加，在臨界晶粒尺寸范圍內，有利于降低鐵損。

圖3 1號成品試樣的析出物形貌及能譜圖Fig.3 Morphology and energy spectrum of precipitates in finished sample No1

圖4 2號成品試樣的析出物形貌及能譜圖Fig.4 Morphology and energy spectrum of precipitations in finished sample No2

從ODF截面圖分析結果可以看出，1號試樣中有利的｛100｝等織構強度強于2號試樣的，不利的｛111｝等織構強度弱于2號試樣的，說明加錫后有利的｛100｝等織構強度增加，不利的｛111｝等織構強度減弱。文獻［13］研究認為，錫在原晶界處偏聚，｛100｝表面較高的偏聚造成其表面能降低幅度較大而成為最低表面能表面，由此導致表面為｛100｝晶粒的選擇長大；文獻［14，19-20］研究認為，錫在晶界處偏聚，阻礙｛111｝織構晶粒的形核與長大，最終降低｛111｝織構強度。本試驗結果也驗證了這兩點，因此在試驗鋼中添加適量錫可以使有利織構強度增強，不利織構強度減弱，這樣更易于磁化過程中磁疇壁的運動，提高試驗鋼的磁極化強度，并且矯頑力降低，減少磁滯損耗，對降低鐵損有一定的促進作用。

從析出物的形貌及能譜儀分析結果可以看出，1號和2號成品試樣的析出物都以不規則形顆粒為主，但加錫的1號試樣中析出物粒子尺寸相對較大，絕大部分都超過了100 nm，除了有MnS＋Cu2S復合析出物外，還有AlN＋MnS復合析出物。加錫后析出物尺寸變大，原因可能是錫在晶界處偏聚，降低晶界能，對MnS、Cu2S和AlN等第二相粒子的析出有一定的促進作用，并有新的復合夾雜AlN＋MnS形成，使得析出相粗化。文獻［15，17-18］研究表明，析出相粒子尺寸介于30～70 nm范圍時，對晶界和磁疇壁運動的釘扎作用最大，超過或者低于這個范圍，析出相粒子的釘扎作用減弱，當析出相粒子尺寸達到幾百nm以上或者低于20 nm時，其釘扎作用基本喪失。加錫試樣中絕大部分析出物粒子尺寸超過100 nm，因而減弱了析出物對晶界和磁疇壁運動的阻礙作用，這樣試驗鋼在磁化過程中更容易磁化，進而提高試驗鋼的磁極化強度，而且析出物對磁疇壁運動的阻礙作用減弱會減小矯頑力，降低磁滯損耗，從而對降低鐵損有一定的促進作用。

4 結論

通過對在現有成分基礎上加錫，研究了錫對高效電機用無取向硅鋼磁性能的影響，得出如下結論：

（1）試驗鋼中添加0.05%錫后，磁極化強度B5000提高3.0%，鐵損P1.5／50降低了7.5%。

（2）加入適量的錫后，試驗鋼晶粒尺寸增大，在臨界晶粒尺寸范圍內，有利于降低鐵損。

（3）添加適量的錫可以增加有利的｛100｝等織構強度，減弱不利的｛111｝織構強度，從而改善磁性能。

（4）加入適量的錫后，試驗鋼中析出物粒子尺寸增大，有利于晶粒長大和磁化過程，并且降低磁滯損耗，對降低鐵損有一定的促進作用。

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收修改稿日期：2015-12-01

Effect of Sn on Magnetic Properties of Non-Oriented Silicon Steel for High-Efficiency Motor

Zhou Jialin1Ye Peng1，2Cheng Difu2
（1.Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan Hubei430081，China；2.Wuhan Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei430083，China）

The effect of Sn on magnetic properties of non-oriented silicon steel for highefficiency motor was investigated，comparing tin-bearing steel with tin-free steel under the same process.The grain size，texture，precipitates and magnetic properties of samples wasmeasured and analyzed.Results showed that after adding 0.05%Sn，the grain size of finished sample was larger，the intensity of｛111｝texture decreased and the intensity of｛100｝texture increased.Precipitates became larger，and their average size exceeded 100 nm，thusweakening their function as a block of grain growth and domain wallmovement in magnetization process.Finally，themagnetic polarization B5000of finished sample increased by 3.0%and the iron loss P1.5／50decreased by 7.5%after adding 0.05%Sn.

Sn，high-efficiencymotor，non-oriented silicon steel，texture，magnetic property高效電機用無取向硅鋼也稱高效電機鋼，屬于高效化無取向硅鋼的一種，是制造高效電機鐵芯的重要材料，也是近年來研究比較熱門的鋼種之一［1-3］。2010年我國電機用電占全國總電量的60%，比例頗大。但大量電機能效不超過3級，平均比高效電機低3%～5%，節電潛力巨大，因此研究高效電機鋼，提高電機能效等級，是一個非常有經濟效益的工作，而且節能減排，環境友好［4-9］。

周家林，男，副教授，主要從事材料成型過程中的數值模擬及新產品和新技術開發研究，電話：13871437938，Email：zhoujialin＠wust.edu.cn

葉鵬男，碩士，主要研究方向為硅鋼新產品開發與軋制工藝研究，電話：15926369658，Email：wgyepeng＠sina.com