探析高效电机钢加入锡后磁性能的变化

时间:2017-06-18

高效电机用无取向硅钢也称高效电机钢，属于高效化无取向硅钢的一种，是制造高效电机铁芯的重要材料，也是近年来研究比较热门的钢种之一［1-3］。2010 年我国电机用电占全国总电量的60%，比例颇大。但大量电机能效不超过 3 级，平均比高效电机低 3% ～ 5%，节电潜力巨大，因此研究高效电机钢，提高电机能效等级，是一个非常有经 济 效 益 的 工 作，而 且 节 能 减 排，环 境 友好［4-9］。

　　无取向硅钢的磁性能主要取决于其化学成分、钢材的纯净度、晶粒尺寸、夹杂物(包括第二相析出物)及织构等。硅作为冷轧无取向硅钢中最关键的元素，能有效地提高硅钢的电阻率，大大降低铁损［10-12］。当硅钢的主要化学成分确定后，一些微量元素的影响也至关重要。锡是一种偏聚元素，在晶界处偏聚，使晶界易脆，对结构钢来说是应该尽量减少的元素，但对硅钢来说，加一定量的锡可以改善磁性能［10］。Godec 等［13］研究表明，锡的偏聚使{100}等有利织构增强、{111}等不利织构减弱，借助锡的这个特点可改善织构组分，提高磁性能。董浩等［14］研究发现，添加锡可以明显降低冷轧无取向硅钢的铁损，当添加 0． 1% (质量分数)锡时铁损值最低。此外锡含量增加，还会降低不利的{111}和{112}等织构，分析认为，这是因为锡在晶界偏聚使晶界能降低，阻碍了晶界迁移和{111}再结晶晶粒的形核与长大。本文就高效电机钢新钢种开发过程中加锡和未加锡进行了试验对比，分析了加锡后成品晶粒的尺寸、织构及析出物变化，以期为新钢种通过加锡来改善磁性提供理论与试验方面的支撑。

　　1、试验材料及过程

　　试验材料通过 50 kg 真空感应电炉冶炼，新钢种为添加质量分数 0． 05% 锡的 1 号试样，对比钢为未加锡的 2 号试样，其化学成分如表 1 所示。

　　将钢锭加热到 1 100 ～ 1 150 ℃，开坯轧成30 mm × 90 mm × L 坯料后，试验工艺过程为:热轧→常化→酸洗→冷轧→成品退火。热轧加热温度为1 150 ℃，随炉加热至该温度保温 1 h 后，轧至2． 20 mm;常化温度为1 000 ℃，时间5 min，后经过酸洗，一次冷轧至 0． 35 mm;成品退火温度 1 000℃，时间5 min，保护气氛比例为 25%N2+ 75% H2，自然冷却2 ～5 min。取成品试样钢带 1 号和 2 号的同一位置线切割成 0． 35 mm ×30 mm ×300 mm尺寸若干片备用，再取 24 片该试样以双搭接形式互相搭接，构成正方形磁路，在 TYU-2000A 交流软磁材料磁性能测试仪上采用爱波斯坦方圈法测量磁性能;将试样切片、镶样、打磨、抛光、腐蚀后，在Neophotz 型金相显微镜下观察试样的纵截面组织，并选取5 个方向(ND)测量晶粒大小，结果取其平均值;将试样制备成透射电镜萃取碳复型样品，采用 JEM-2100F 型透射电镜对试样中析出物进行观察，并用 INCA 能谱仪对析出物进行成分分析;将试样加工成 0． 30 mm 厚薄片，用 ＲIGAUD/MAX-2500PC 型 X 射线衍射仪测量各成品板表面织构，并计算取向分布函数 ODF。

　　2、试验结果与分析

　　2． 1、成品磁性能

　　成品试样磁性能测定结果见表 2。结果显示，添加 0． 05% 锡后，磁极化强度 B5 000增加了0． 051 T(增加 3． 0%)，铁损 P1． 5 /50降低了 0． 17 W/kg(降低 7． 5%)，说明添加适量的锡可以提高磁极化强度及降低铁损。

　　2． 2、显微组织

　　图1 为1 号和2 号成品试样的显微组织，测得1 号和 2 号试样的平均晶粒尺寸分别为 156． 20 μm和 123． 31 μm。晶粒大小是影响无取向硅钢磁性能的重要因素，晶粒尺寸增大，总的晶界减少，磁畴壁移动或转动的阻力就会减小，矫顽力减小，致使磁滞损耗 Ph减小。但同时晶界减少，电阻率减小，致使涡流损耗 Pe升高，而总的铁损 PT= Ph+Pe(不考虑其他损耗)。因此要使总的铁损 PT降低，需要得到合适的晶粒尺寸即临界晶粒尺寸dc，一般 3． 0% Si 无取向硅钢的临界晶粒尺寸 dc约为 150 μm。试验中添加适量锡后的成品晶粒尺寸增加，接近 150μm，因此总的铁损 PT有所降低。

　　2． 3、织构

　　在电工钢中有利于磁化的{100}等织构称为有利织构，不利于磁化的{111}等织构称为不利织构［15］。图 2 为 1 号和 2 号试样的 Phi2= 0° 和Phi2=45°取向分布函数(ODF)截面图。从图中观察到1 号试样中有强{111} ＜112 ＞、近{430} ＜001 ＞、近{410} ＜144 ＞、近{001} ＜410 ＞和{112} ＜241 ＞等织构，2 号试样中有强{111} ＜ 112 ＞ 和很弱的近{410} ＜001 ＞等织构，并且可以观察到 1 号试样的γ 取向线织构的极密度值小于 2 号试样的。

　　2． 4、析出物

　　无取向硅钢在生产过程中不可避免地会存在一定数量的以第二相粒子形式存在的冶金夹杂物，主要有 Al2O3、SiO2、MgO、CaO、AlN、Cu2S 等以及由其组成的复合夹杂物［15］。一般认为，夹杂物(包括第二相析出物)的存在会阻碍晶界和磁畴壁的运动，抑制晶粒长大和增加矫顽力，恶化钢的磁性能，因此在冶炼过程中应尽量提高钢材的纯净度，减少夹杂物的形成，但无取向硅钢生产过程中不可能完全净化夹杂物。在总有少量夹杂物形成的情况下，应尽量增大夹杂物粒子尺寸，减少夹杂物对晶界和磁畴壁运动的阻碍作用即减少夹杂物的有害作用。

　　图 3、图 4 分别为 1 号、2 号成品试样的部分析出物形貌及相应的能谱图。1 号试样析出物粒子分布较均匀，形态以不规则形颗粒为主，有极少量为球形颗粒，析出物粒子尺寸以 100 ～300 nm 为主，极少量为 60 ～100 nm 或 300 ～1 000 nm，其中球形粒子类型为 Cu2S 或 Cu2S + 少量 MnS 复合析出物，不规则形粒子类型主要为 MnS + Cu2S 复合析出物、AlN + MnS 复析出物。2 号试样析出物粒子分布亦均匀，形态以不规则形颗粒为主，尺寸以60 ～ 400 nm 为主，析出物粒子类型主要为 MnS +Cu2S 复合析出物，极少量为 MnS + Cu2S + Ti(C，N)复合析出物，基本没有 AlN 粒子的析出。可以看出，加锡后的 1 号试样析出物粒子尺寸较大，并有一定量的 AlN 粒子析出。

　　3、讨论

　　根据显微组织的观察可知，试样中加入0． 05% 锡后，成品晶粒尺寸有所增加。但文献［10，14，16］研究认为锡对再结晶晶粒的长大有抑制作用，加 入 过 多 的 锡 ( 锡 的 质 量 分 数≥0． 11%)会减小成品晶粒尺寸，少量的锡(锡的质量分数 ＜0． 11%)抑制作用较弱。对比说明锡含量对成品晶粒尺寸的影响不是一个单调线性关系。锡在原晶界处偏聚，使晶界能降低，阻碍了再结晶晶粒的长大;同时根据析出物测量的结果，得出加锡后析出物粒子的平均尺寸有所增大，超过100 nm。文献［15，17-18］研究表明，析出物粒子尺寸超过 100 nm 时，对晶界的钉扎作用明显减弱，而达到几百 nm 时则基本丧失钉扎作用。一方面析出物粗化，对晶粒长大有利;另一方面锡在晶界处偏聚会降低晶界能，对晶粒长大不利。由于加入锡的量很少(锡的质量分数 ＜0．11%)，其不利的作用很小，综合两方面因素，析出物粗化对晶粒长大有利的方面起主导作用。因此成品晶粒尺寸增加，在临界晶粒尺寸范围内，有利于降低铁损。

　　从 ODF 截面图分析结果可以看出，1 号试样中有利的{100}等织构强度强于 2 号试样的锡后有利的{100}等织构强度增加，不利的等织构强度减弱。文献［13］研究认为，锡在原晶界处偏聚，表面较高的偏聚造成其表面能降低幅度较大而成为最低表面能表面，由此导致表面为{100}晶粒的选择长大;文献［14，19-20］研究认为，锡在晶界处偏聚，阻碍{111}织构晶粒的形核与长大，最终降低织构强度。本试验结果也验证了这两点，因此在试验钢中添加适量锡可以使有利织构强度增强，不利织构强度减弱，这样更易于磁化过程中磁畴壁的运动，提高试验钢的磁极化强度，并且矫顽力降低，减少磁滞损耗，对降低铁损有一定的促进作用。

　　从析出物的形貌及能谱仪分析结果可以看出，1 号和 2 号成品试样的析出物都以不规则形颗粒为主，但加锡的 1 号试样中析出物粒子尺寸相对较大，绝大部分都超过了 100 nm，除了有MnS + Cu2S 复合析出物外，还有 AlN + MnS 复合析出物。加锡后析出物尺寸变大，原因可能是锡在晶界处偏聚，降低晶界能，对 MnS、Cu2S 和 AlN等第二相粒子的析出有一定的促进作用，并有新的复合夹杂 AlN + MnS 形成，使得析出相粗化。

　　文献［15，17-18］研究表明，析出相粒子尺寸介于30 ～ 70 nm 范围时，对晶界和磁畴壁运动的钉扎作用最大，超过或者低于这个范围，析出相粒子的钉扎作用减弱，当析出相粒子尺寸达到几百 nm以上或者低于 20 nm 时，其钉扎作用基本丧失。

　　加锡 试 样 中 绝 大 部 分 析 出 物 粒 子 尺 寸 超 过100 nm，因而减弱了析出物对晶界和磁畴壁运动的阻碍作用，这样试验钢在磁化过程中更容易磁化，进而提高试验钢的磁极化强度，而且析出物对磁畴壁运动的阻碍作用减弱会减小矫顽力，降低磁滞损耗，从而对降低铁损有一定的促进作用。

　　4、结论

　　通过对在现有成分基础上加锡，研究了锡对高效电机用无取向硅钢磁性能的影响，得出如下结论:

　　(1)试验钢中添加 0． 05% 锡后，磁极化强度B5 000提高 3． 0%，铁损 P1． 5 /50降低了 7． 5%。

　　(2)加入适量的锡后，试验钢晶粒尺寸增大，在临界晶粒尺寸范围内，有利于降低铁损。

　　(3)添加适量的锡可以增加有利的{100}等织构强度，减弱不利的{111}织构强度，从而改善磁性能。

　　(4)加入适量的锡后，试验钢中析出物粒子尺寸增大，有利于晶粒长大和磁化过程，并且降低磁滞损耗，对降低铁损有一定的促进作用。

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