冷軋無取向電工鋼的成分、組織與性能研究

  電工鋼亦稱硅鋼片,其發(fā)展有一百多年的歷史,冷軋電工鋼包含取向電工鋼和無取向電工鋼,無取向電工鋼主要用作大中型電機、發(fā)電機以及家用電機和微電機、鎮(zhèn)流器和小型變壓器等的鐵芯。無取向電工鋼的主要磁性能要求是低比總損耗和高磁極化強度。低比總損耗可以節(jié)約大量電能,延長電機工作運轉(zhuǎn)時間。高磁極化強度意味著磁化能力強,鐵芯的激磁電流降低,比總損耗和銅損都降低。比總損耗和磁極化強度不僅與化學(xué)成分有關(guān),而且與其內(nèi)部組織有關(guān)。為了深入了解無取向電工鋼的特性,以便于更好地指導(dǎo)生產(chǎn)和提高產(chǎn)品質(zhì)量,筆者根據(jù)江蘇西城三聯(lián)控股集團冷軋薄板廠近年來的生產(chǎn)數(shù)據(jù),全面研究了冷軋無取向電工鋼牌號W600、W800、W1300的成分、組織與性能之間的關(guān)系,以期為后續(xù)冷軋無取向電工鋼的生產(chǎn)提供參考?! ?br />電工鋼
  冷軋無取向電工鋼的成分  

  該廠生產(chǎn)的冷軋無取向電工鋼板牌號涉及W600、W800、W1300,鋼板厚度均為0.5mm。三者化學(xué)成分的統(tǒng)計平均值見表1。從表1不難看出,3個牌號電工鋼均為超低碳無取向電工鋼,三者成分的主要差別在于硅和鋁含量有所不同?! ?/p>

  在無取向電工鋼中,硅具有提高電阻率,降低比總損耗的作用,但硅是非磁性元素,硅降低飽和磁化強度,相應(yīng)降低磁極化強度,對磁性不利。同時,過高的硅含量會使鋼變脆,導(dǎo)致冷加工困難,因此,一般冷軋電工鋼硅含量上限控制在3.0%左右。鋁的作用與硅相似,鋁能縮小γ相區(qū),粗化晶粒,提高電阻率,減小磁各向異性,降低比總損耗,同時也降低磁極化強度,而對鋼的強度和硬度的影響又不像硅那樣明顯。硅和鋁均通過控制晶粒尺寸或織構(gòu)來控制無取向電工鋼的力學(xué)性能和磁性能?!?/p>

  冷軋無取向電工鋼的性能 

  冷軋無取向電工鋼的力學(xué)性能與磁性能。3個牌號的無取向電工鋼的組織晶粒度、力學(xué)性能、磁性能均值見表2。根據(jù)表2的數(shù)據(jù),筆者繪制不同牌號無取向電工鋼的組織晶粒度、力學(xué)性能和磁性能曲線圖后發(fā)現(xiàn),牌號W600、W800、W1300無取向電工鋼的晶粒度依次增大,即晶粒尺寸依次減小,也即隨著(Si+Al)含量的增加,冷軋無取向電工鋼的晶粒尺寸增加,這里也體現(xiàn)了硅、鋁對電工鋼晶粒組織的粗化作用?! ?/p>

  牌號W600、W800、W1300無取向電工鋼的抗拉強度依次降低,由417MPa降低至366MPa。雖然W1300電工鋼的晶粒尺寸最細,根據(jù)細晶強化理論可知,晶粒越細,其強度應(yīng)該越高,但由于W600的硅含量最高,其固溶強化作用是最強的,其次是W800,硅含量最小為W1300,其固溶強化作用是最弱的。因此,在這里,細晶強化的作用不及硅的固溶強化作用強。 

  牌號W600、W800、W1300無取向電工鋼的比總損耗依次增加,其主要有三方面的原因:一是化學(xué)成分的影響,二是晶粒尺寸的影響,三是來自織構(gòu)的影響。硅、鋁含量越高,其比總損耗越低。晶界出的點陣是畸變的,晶體缺陷(空位和位錯)多,內(nèi)應(yīng)力大,平均晶粒直徑大,晶界所占面積減小,因而比總損耗降低。另外,鋁可使{100}組分增高和{111}組分減少,{111}織構(gòu)組分越少,無取向電工鋼的比總損耗越低。無取向電工鋼W600的晶粒尺寸最大,且硅、鋁含量最高,因此其比總損耗最小,W1300的晶粒尺寸最細小,且硅、鋁含量最低,因此其比總損耗最大,W800晶粒尺寸和硅、鋁含量居中,因此其比總損耗也居中?!?/p>

  牌號W600、W800、W1300無取向電工鋼的磁極化強度依次增加。影響磁極化強度的主要因素為化學(xué)成分和晶體織構(gòu),隨著Si+Al含量的增加,鋼的{111}織構(gòu)增強,無取向電工鋼的磁極化強度相應(yīng)降低?! ?/p>

  無取向電工鋼的硬度變化趨勢與抗拉強度的變化趨勢是一致的,硬度反映了鋼的沖片性能。硅含量越高,鋼的硬度越大,沖片性降低,但鋼的硬度過低,沖片的毛刺增大,沖片尺寸不精確。沖片性能良好的鋼,其合適的硬度為130HV~180HV。   

  化學(xué)成分與晶粒度對冷軋無取向電工鋼磁性能的影響。筆者根據(jù)無取向電工鋼W800的化學(xué)成分與晶粒度及比總損耗情況分別繪制Si+Al、晶粒度與比總損耗的散點圖(圖1、圖2)后發(fā)現(xiàn),隨著Si+Al含量的增加,無取向電工鋼的比總損耗降低。由圖2可以看出,隨著晶粒度級別的增加,無取向電工鋼的比總損耗增加,即晶粒尺寸越細,比總損耗越大,且二者的線性關(guān)系很強。這說明比總損耗對晶粒尺寸很敏感,因此,控制無取向電工鋼板的晶粒尺寸是控制比總損耗最直接、最有效的方法?! ?/p>

  冷軋無取向電工鋼的組織特征  

  W600、W800、W1300的金相顯微組織基本上為鐵素體,W1300出現(xiàn)少量的三次滲碳體,三者的鐵素體晶?;緸榈容S晶,晶粒分布比較均勻,但晶粒大小并不均勻。3個牌號的無取向電工鋼組織均存在這種現(xiàn)象,一部分晶粒較大,一部分晶粒比較細小,且個別細小的晶粒呈現(xiàn)出3邊形或4邊形,并且晶界呈現(xiàn)彎曲狀,這些特征都表明晶粒不穩(wěn)定。一般情況下,晶粒的穩(wěn)定形式應(yīng)該是等邊六邊形,這就必須滿足兩個條件:一是晶界為直線,二是其夾角為120°,二者缺一不可。出現(xiàn)上述3邊形或4邊形且晶界并不平直的這種不穩(wěn)定的晶粒組織,可能是退火過程不充分造成的,具體原因有待進一步深入研究?! ?/p>

  無取向電工鋼W600、W800、W1300晶粒尺寸依次減小,其主要原因為W600、W800、W1300的Si+Al含量依次減小,而在無取向電工鋼中硅、鋁具有粗化晶粒的作用?! ?/p>

  綜上所述,對于冷軋無取向電工鋼而言,化學(xué)成分和顯微組織對其力學(xué)性能和磁性能都具有重要影響。隨著Si+Al含量的增加,冷軋無取向電工鋼的組織晶粒尺寸隨之增加,而比總損耗隨之降低,磁極化強度也隨之降低。冷軋無取向電工鋼中,硅的固溶強化作用遠大于鋼中細晶強化的作用。冷軋無取向電工鋼的強化機制中,固溶強化占主導(dǎo)地位。比總損耗對無取向電工鋼的晶粒尺寸十分敏感,控制無取向電工鋼板的晶粒尺寸是控制比總損耗最直接、最有效的方法。