無取向電工鋼是含碳很低的硅鐵軟磁合金,是電力、電子和軍事工業(yè)中不可缺少的重要材料。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000年全世界電工鋼的總產(chǎn)量為671.4萬噸,到2005年已經(jīng)超過了800萬噸。目前國內(nèi)市場的消費(fèi)量已遠(yuǎn)超過300萬噸。其中,無取向硅鋼是在旋轉(zhuǎn)磁場中工作的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的鐵芯材料,要求良好的磁性能和工藝性能。近年來,隨著電機(jī)高速化和小型化的發(fā)展,對無取向硅鋼的性能要求提出了更高的要求,如在高頻下具有低鐵損和高磁感強(qiáng)度等。
由于電工鋼制造工藝和設(shè)備復(fù)雜,成分控制嚴(yán)格,因此,企業(yè)都視電工鋼的制造技術(shù)為生命,以專利形式加以保護(hù)。電工鋼的制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)成為衡量一個國家鋼鐵科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。
一般而言,電機(jī)用電量約占總發(fā)電量的65%一70%,若能降低電機(jī)的損耗10%,以2006年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì),則全國范圍的電機(jī)可節(jié)電200億kW·h/a以上,相當(dāng)于年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤770萬噸、減排二氧化硫12萬噸以上、減排二氧化氮7萬噸以上、減排二氧化碳2千萬噸以上。因此,提高無取向電工鋼的性能,對于節(jié)能和減排具有重要意義。
提高無取向電工鋼的性能的主要技術(shù)關(guān)鍵就是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鋼質(zhì)成分的嚴(yán)格控制,因?yàn)槲⒘吭貙o取向硅鋼磁性能的影響極大。
對其磁性能不利的有害元素主要有:(1)碳:會惡化鐵損,產(chǎn)生時效,形成細(xì)微碳化物。(2)氮硫氧:會生成MnS等硫化物、AlN和TiN等氮化物以及各種氧化物等細(xì)微粒子析出,阻止疇壁移動。(3)鈦:生成TiC、TiN細(xì)微粒子析出,提高再結(jié)晶溫度,延緩再結(jié)晶及晶粒長大,促使不利取向[111]發(fā)展。(4)釩鋯鈮:生成VC、VN、ZrC、ZrN、NbC、NbN細(xì)微粒子析出,阻礙再結(jié)晶和晶粒長大。(5)砷:促進(jìn)MnS等硫化物的析出。(6)銅:生成CuS粒子,阻礙磁疇壁移動及晶粒長大。(7)鉬:生成相關(guān)的氧化物、硫化物、氮化物粒子,影響性能。
根據(jù)最近的研究,電工鋼鋼質(zhì)的潔凈要求為:
常規(guī)有害雜質(zhì):C≤20×10-6,S≤20×10-6,N≤20×10-6,O≤15×10-6;
磁性有害元素:Ti≤15×10-6,V≤30×10-6,Zr≤30×10-6,Nb≤30×10-6,As≤30×10-6,Cu≤5×10-4。
對無取向硅鋼磁性能有有利作用或雙重影響的元素有:(1)鋁:鋁的作用與硅相似,鋁可以增加電阻、縮小奧氏體相區(qū)、促進(jìn)晶粒長大,因而有一定的有利作用。但是鋁的作用要受硅鋼中氮含量的影響,鋁跟氮易形成AlN析出相,使硅鋼片的磁性能下降。當(dāng)析出的AlN顆粒尺寸小于0.5μm時,它們釘扎晶界,阻礙晶粒長大,因而增加鐵損。但當(dāng)析出的AlN顆粒尺寸大于1μm時,它們對晶界的釘扎作用很輕,因此對樣品磁性能影響很小。(2)磷:磷可以改善鐵硅合金的磁性能。磷在晶界處能形成磷化鐵,可以改善硅鋼的沖片性。磷在晶界處的偏聚能阻礙不利的取向的再結(jié)晶晶粒的形核及長大,提高磁感應(yīng)強(qiáng)度。同時,磷會增加硅鋼的電阻而降低鐵損。(3)錳:錳能夠增加硅鋼的電阻,降低鐵損。但錳的作用與硫含量有關(guān)系。當(dāng)熱軋加熱溫度在MnS固溶溫度以下時,可以使生成的MnS粗化;若超過MnS固溶溫度則MnS就會固溶,并在隨后的冷卻過程中彌散析出,進(jìn)而降低磁性能。(4)錫:一定限制下的微量錫會促進(jìn)有利織構(gòu)的生成,提高磁感、降低鐵損。