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從節能觀點看，時代的趨勢是提高電氣設備的效率，其手段之一是改進電機鐵
芯所用的電磁鋼板的磁性，也就是說，對低鐵損、高磁通密度的硅鋼要求日益強
烈。
硅鋼和其它金屬材料一樣，其磁性性能主要由其內部組織結構所控制，眾所周
知，組織結構的確立又與其合金元素密切相關，織構、金屬間化合物的形成及析
出，合金元素的偏析等將對硅鋼的鐵損和磁感應強度產生重要影響。
硅鋼的牌號不同，其化學組成也不同，但其基本組成包括三大類元素。第一類
為其基本合金元素即：C、Si、Mn等；第二類為雜質元素：P、Al、S、N、B、Cu
等；第三類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
首先應考慮硅鋼中含碳引起的嚴重現象，若成品中殘留碳，則出現磁時效，磁
時效的發生取決于碳含量。如果磁時效在馬達或其它電氣設備中產生，那么鐵損值
就可增加到初始值的二倍，設備就會受到損壞，因此碳對軟磁材料的磁性極為有
害。碳會增大α-Fe的矯頑力，加大磁滯損失，降低磁感應強度，所以高級優質硅
鋼片中碳含量要求在0.020 %，甚至0.010 %以下。一般說來［1］，碳對磁性的影
響程度隨鋼中硅含量的不同而不同；碳存在的形態不同，對磁性的影響也不同。有
人認為［2］晶界上滲碳體對磁性影響較晶粒內部小，但會使硅鋼片塑性顯著變
壞。碳使硅鋼片磁導率降低，而且又是形成磁時效的主要元素之一。
Ueno K等人采用不同硅含量的各種牌號無取向電工鋼，在150 ℃下時效
30 000 h，通過調整殘留碳量研究最終產品的鐵損。圖1所示是硅含量為0.3 %的
無取向硅鋼的鐵損(p15/50)隨碳含量的變化［3］。當碳含量為0.004 5 %時，時
效1 000 h后，鐵損增加20 %，而時效時間從1 000 h增加到10 000 h，不管殘
留碳多少，鐵損均不發生變化，但時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效時間的關系
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 %三種無取向電工鋼由于時效引起的鐵損
最大增量與殘留碳量的關系［3］，由圖可知，時效現象幾乎和硅含量無關，鐵損
劣化速度僅與殘留碳量有關。
1.2 硅的作用
硅能顯著減少硅鋼內的渦流損失，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。當含2.5 %～
15 %Si時為單相α-Fe。所以高硅硅鋼片多經高溫退火來使組織均勻，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。在強磁場作用下，硅使硅鋼片的磁導率下降。
圖 2 鐵損最大增量與殘留碳量的關系
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的危害，使碳石墨化，降低對磁性的有害影響。硅和
氧有強親和力，起脫氧作用。硅可減少碳、氧和氮在α-Fe中脫溶引起的磁時效現
象。硅還能與氮化合成氮化硅，硅高時氮在鋼中的溶解度可降低。
表 1 硅含量對各種損失的影響
Table 1 Effect of Si content in the silicon steel on some kinds of los
ses
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1 T下損失/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
硅除對電工鋼上述有利作用外，硅也會使鋼變脆。目前已研究成功含硅6.5 %
的硅鋼片，高硅硅鋼導熱性低，鋼帶冷卻和加熱時容易發生內裂。
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，結果導致硅鋼用戶沖片用的模具變得容易損壞。
1.3 錳的作用
新日本鋼鐵會社研究了非常潔凈的低硅高錳鋼，試驗發現，高的錳含量可以改
善晶體結構，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。
一般認為［4］，過多的錳會對磁性產生有害的影響，這是因為它使織構變
壞，并且形成不需要的沉淀物MnS，但當在生產過程中，利用十分潔凈的鋼，就可
以使錳對織構控制起有利作用。
另外，錳是防止熱脆不可缺少的元素，其含量應控制在0.1 %以上，錳會提高
碳在鐵中的溶解度，擴大γ相區，與碳化合成滲碳體，故錳的含量也不宜過高，一
般不超過1.5 %。
2 雜質元素的影響［4，5］
2.1 磷元素
低碳電工鋼板主要用來制造微電機(＜1 kW)和小型電機(＜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 %)來強化鐵素體，提高硬
度，改善沖片性。
磷會增加硅鋼的冷脆性，使冷加工困難，原因是在晶界處形成脆的磷化鐵。在
室溫時鋼中α相可溶解1.2 %的磷，呈置換固溶體。磷會改變鐵原子間結合力和激
活能，故對再結晶過程和晶粒長大有影響。磷的影響超過同樣硅含量影響的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，在弱和中磁場下的磁感應強度提高；而在強磁場
下，由于磷使晶粒粗化而磁感應強度(B100)略有減少。
同時，磷是一種界面活性元素，偏聚于晶界會導致嚴重的晶界脆化，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
應強度，鋁含量達到一定數量會使晶粒粗化并促使碳石墨化。
鋁還能減少鋼中氧含量，減少磁時效現象。鋁使γ相區縮小。雖然鋁對磁性有
利，但鋼中鋁氧化物又會使磁性變壞。鋁又是冷軋硅鋼脫氧所需成分，加鋁還可獲
得高純度鋼，使鋼可連續澆注。
圖 4 鋁對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 %時硅鋼變脆更見突出，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
于后者。
鋁含量太高的其它有害影響是大的長條形鋁化合物析出相在晶界上形成會阻礙
晶粒粗化［5］。
2.3 銅元素
小于0.7 %的銅溶于α-Fe中，會促使碳石墨化，對磁性無大影響；硅鋼含0.5
%Cu時，防銹能力可提高15倍，故硅鋼中有時故意加入銅。硅鋼中含銅大于0.7 %
時，在熱軋過程中會形成大量(CuMn)1.8S和(Mn,Cu)S質點，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
無論是全硬鋼、全加工或半加工硅鋼，氮對磁性都有害。氮是通過生成有害的
AlN沉淀發生影響的。表2列出了含1.3 %(Si＋Al)的脫碳半加工硅鋼在1.5 T下測定
的磁性。當氮含量從0.006 %降至0.002 %時，其鐵損與磁導率都可進一步改善。
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 |
硫在硅鋼中對磁性有害影響均與基體中存在硫化錳的微細質點及晶界上存在自
由硫有關。計算指出，當硫在0.005 %～0.030 %范圍內，對于含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。
硼加到半加工鋁鎮靜電工鋼中，可以抑制退火時的AlN沉淀。因為在退火時所
生成的AlN沉淀會抑制某些結晶方向的晶粒長大，從而產生對磁性不利的織構。硼
與氮結合成為氮化硼，在熱軋時沉淀于奧氏體中。若硼超過0.003 %，則對磁性有
害，這是因為又生成另一些含硼的化合物(如F23(BC)6)，使晶粒細化。
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］。多數學者認為，錫可在第二相質點MnS和AlN(稱為抑制劑)
與基體界面處偏聚，阻礙它們的Ostwald長大，使其更加細小、彌散，從而增強對
晶粒正常長大的抑制能力，減小初次晶粒尺寸，在最終高溫退火后得到更完善的｛
110｝〈001〉二次再結晶組織，提高了取向度和磁性；此外，錫還使常化退火時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
時形成更多的形變帶，使二次晶粒尺寸減小，鐵損進一步降低。
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
發生偏聚，加強對晶粒正常長大的抑制能力，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］研究了錫元素對硅鋼二次再結晶的影響。根據其試驗結果可
知：①從550 ℃開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，沒有表現出多元系統中各元素間發生強烈交互作用時的典型
特征，但由于取向硅鋼的初步再結晶織構較強，數據的分散度明顯高于純鐵的情
況；③錫通過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
晶溫度，這些均有利于發展更完善的｛110｝〈001〉二次再結晶，增大二次再結晶
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無取向電工鋼板性能的作用，發現銻的添加對含1
%～2 %Si和0.3 %Al鋼的能耗具有有益的影響。Shimanaka等［11］指出，在無取
向Fe-1.85 %Si合金中加入0.01 %～0.08 %Sb，可使最終退火織構中｛111｝組分減
少，｛100｝組分增加，且隨著銻含量的增加，織構的這種變化更加顯著；在冷軋
無取向硅鋼的再結晶退火過程中，｛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)和反極圖技術研究了Fe-1 %Si無取向
硅鋼中加入0.09 %Sb后的晶粒尺寸、硬度及織構的變化情況，得出結論：①銻能夠
促進對材料磁性有利的織構組分的形成，在再結晶之前，含銻與不含銻硅鋼在織構
上便已經有了區別，對于含銻硅鋼，最終退火時無論是否脫碳，｛110｝和｛100｝
組分強度均顯著提高，同時｛112｝組分強度明顯降低；②與不含銻硅鋼相比，含
銻硅鋼在1.5 T下磁導率提高100 %，在1.7 T下磁導率提高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，尤其是這些晶粒長大到｛111｝位向區域時。
F.Vodopivce等［11］研究發現，(111)面極點密度的最高值出現在銻含量最低
時，然后隨著銻含量增加其值逐漸降低，當銻含量增至0.05 %時(111)面極點密度
約為一定值。(100)面與(110)面軸密度在銻含量約為0.05 %時出現最高值
4 結語
(1) 碳是引起硅鋼發生磁時效的重要元素之一，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的鐵損，但硅含量過高會使硅鋼變脆，并且難以
實現軋制變形。
(2) 硅鋼中雜質合金元素磷主要用來提高硅鋼的沖片性 ，但磷是一種界面活
性元素，偏聚于晶界會導致嚴重的晶界脆化。鋁可減少硅鋼鐵芯損失，但降低磁感
應強度，且鋁含量高時會使硅鋼變脆。銅可顯著提高硅鋼的防銹能力。氮、硫元素
對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，并提高其磁感應強度。
參 考 文 獻
1 冶金工業部鋼鐵研究院.合金鋼手冊.北京：中國工業出版社，1984.Ⅲ417.
2 Moses A J.The Development of Silicon Steel.IEE Proceeding,1990,37(
5):233～244.
3 Ueno K.Advancement of Vacuum Degassing Treat.Metallurgy of Vacuum-
degassed Steel Products,1990,347～354.
4 Santanu Kumar Rar.Influence of the Heat Roll Condition on Domain S
tructures of Silicon Steel.J of Magnetism and Magnetic Materials,1982,2
8:44.
5 Funke P.The Effect of Sn Element and Cold Roll Aging Condition on
the Secondary Recrystallization of the Unidirectional Silicon Steel She
et.Transactions of the Iron and Steel Society,1990,11:11～16.
6 河面彌吉郎.一方向電磁鋼板の二次再結晶にるぼすすず添加および冷間壓延
時の時件の影響.鐵と鋼，1993，79(10)：9～75.
7 趙 宇，何忠治.電工鋼中晶界偏聚.鋼鐵研究學報，1995，7(1)：66.
8 高島邦秀.日本公開特許公報，昭和53-134722.
9 中島正三郎.The Effect of Reduction of Cold Rolling on Secondary Re
crystallization of Non-oriented Silicon Steel.鐵と鋼，1983，69(5)：S601
.
10 小松肇.Anisotropy in the Magnetic Induction Derived From the Textu
re of Non-oriented Electrical Steel Sheets.鐵と鋼，1984，70：1 469.
11 Shimanaka H.The Effect of Sb Element on Energy Loss of Non-oriente
d Silicon Steel.J.of MMM.1991,97:281～285.
12 Lyudkovsiky G,Rastogi P K.The Effect of Sn on Inside Oxidize and M
agnetic Properties of Si-Al Silicon Steel.Metall.Trans.A.,1984,15A:257.
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