05-武钢WD系列无取向电工钢的开发

1武钢WD系列无取向电工钢的开发冯大军杜光梁石文敏（国家硅钢工程技术研究中心，武汉430080）摘要：随着机电行业的迅猛发展，无取向电工钢现有产品的性能、品种、数量已无法满足市场的个性化需求，武钢在原有技术的基础上开发出具有自主知识产权的含Cr无取向电工钢。本文从成分设计、铬在电工钢中的作用机理等方面介绍了WD系列产品的性能、特点及应用情况。关键词：电工钢无取向WDDevelopmentofWDSeriesNon-orientedElectricalSteelofWISCOFengda-jun，Duguang-liang，Shiwen-min.（TheNationalSiliconSteelEngineeringTechnologyResearchCenter.Wuhan430080）Abstract:Withtherapiddevelopmentofmechanicalandelectricalindustry,non-orientedelectricalsteelperformanceofexistingproducts,variety,quantityhasbeenunabletomeetthemarketdemandforpersonalized,WuhanIronandSteelcompanydevelopedwithindependentintellectualpropertyrightsofnon-orientedelectricalsteelcontainingCrbasedontheoriginaltechnology.InthispaperintroducedWDseriesproductperformance,featuresandapplicationsonthecomponentdesign,chromiuminelectricalsteelandotheraspectsofthemechanism.Keywords:electricalsteelnon-orientedWD1概述随着工业自动化技术的发展，各种电力电子器件铁芯的制造不仅要求其内在性能优良，而且还要求冲片叠片时高速化、自动化，这就要求无取向电工钢铁芯材料具有优良的磁性和良好的冲片工艺性能。冲片工艺性能与材料的屈强比直接相关，屈强比越高，冲剪时对模具损伤越小、毛刺越小、叠片的片间铆接强度越高，这样，模具的寿命越长、冲片工艺性能越好。另外，对于全工艺无取向电工钢，冲剪口的边缘由于剪切应力引起的磁性恶化与屈强比有关，屈强比越高，边缘磁性恶化效应就越轻[1]。但在目前的普通无取向电工钢中，内在磁性能与冲片工艺性能往往是矛盾的，内在磁性能越好，其屈强比越低、冲片工艺性能越差，边缘磁性恶化效应越严重、电力电子器件铁芯的装机整体性能越差。因此开发并生产出磁性能好、屈强比高的无取向电工钢十分必要。传统的无取向电工钢的成分中一般不含有Cr，其普遍认为Cr在钢中会恶化磁性，是磁性有害元素。直到日本人[2]在研究电动汽车驱动马达铁芯用硅钢片时，为改善高Si无取向电工2钢的高频磁性能，采取在4.0%Siwt高牌号硅钢中加5.0%Crwt，并已研究开发出高Si高Cr的高频用无取向电工钢。但日本研究者只是从降低高频铁损和改善轧制加工性的角度研究了Cr的作用，却没有研究加Cr的物理冶金机理及其综合作用、没有开展以Cr替代部分Si-Al作用的研究，更没有研究Cr对硅钢组织结构的影响及对工艺性能、使用性能的贡献。另外，在无取向电工钢中加高含量的Cr后将使钢变得很硬，冲片时对模具的磨损严重、甚至于把模具崩破因而Cr的加入量不能太高。因此，开发含Cr无取向电工钢具有更加重要的现实意义。2研制结果WD系列无取向电工钢从2003年开始立题研究，经过实验室研究、小批量试制和大生产量产试制三个阶段，目前累计产量超过100万吨。表1为WD系列无取向电工钢的典型性能。表1WD系列无取向电工钢的典型性能钢种公称厚度(mm)理论密度(kg/dm3)铁损，W/kgP1.5/50磁感，TB5000WD180.507.753.601.69WD207.804.301.70WD202*7.804.001.74WD237.855.001.73WD307.855.501.74WD180.657.754.401.69WD207.805.201.70注：带“*”的为常化产品，其它为不常化产品。WD系列无取向电工钢成功应用于上海日立、广东美芝、华润三洋和广州万宝松下等高端用户，主要用于制作空调压缩机的电机铁芯，替代同类进口产品，取得了显著的经济效益和社会效益。该系列产品性能指标达到同类产品先进水平，与国内外同级别产品对比，具有磁感高、铁损低，冲片加工性和装机性能优良等特点，其应用前景十分广阔。3WD系列产品的成分设计(1)高磁感应强度B的原则要提高磁感B，就必须降低非磁性元素(因为非磁性元素稀释铁磁性)特别是显著恶化本征磁性(4πMS)的元素含量(如Si、Al等)。另外，从组织结构上看，要提高磁感B，就必须得到有利面织构发达、粗大的等轴性好的晶界平直的成品晶粒，而且内部夹杂物颗粒要粗大。因此要强化热轧时动态再结晶过程和热轧后晶粒长大过程、冷轧后退火时静态再结晶过程和晶粒长大过程中的有利因素，而Si、Al、Mn、Cr就是使这些过程中有利因素能得到强化的元素。结合上面两方面的因素，主要考虑Si、Al、Mn、Cr等四大主体元素特别是Mn、Cr的作用。3(2)低高频铁损P1.5/50、P1.0/400兼顾的原则为保证低铁损P1.0/400，Si、Al的含量也不能太低，需要一定的Si、Al含量来降低涡流损失，否则其铁损很难降下来。另外，可加入提高其电阻率而对4πMs影响不大的元素Mn、Cr，Mn、Cr元素一方面可提高电阻率、降低涡流损失，另一方面能改善内部织构，增加(100)、(110)有利组分，减低(111)有害组分。综合起来，以Mn、Cr来代替部分Si、Al。(3)良好机械性能及工艺性能兼顾的原则考虑到强度、韧性、轧制和冲片加工性及其他工艺性能的要求，由于Si、Al所产生的加工硬化现象很严重，而Mn、Cr虽然产生固溶强化，但加工硬化比Si、Al轻得多，因此，以Mn、Cr来代替Si、Al，适当提高Mn、Cr含量，以达到改善硅钢强度、韧性、轧制加工性及工艺性能的目的。根据上述原则，将实验钢的成分范围确定为：0.1~3.0%Si，0.1~0.6%Al，0.2~1.0%Mn，0.1~1.0%Cr。4铬元素在电工钢中的作用机理铬(Cr)能提高电阻率而降低涡流损耗。另外，Cr与Si的塑性变形机理不同，Si等元素由于原子半径与Fe的差异大而产生严重的晶格畸变，位错运动阻力增大，加之扩展位错窄、层错能较高，位错交滑移容易，促使位错缠结成位错墙并细化形变胞状组织，位错密度显著提高，加工硬化严重，从而提高抗拉强度并降低屈强比。而Cr由于原子半径与Fe的差异小，所产生的晶格畸变较小，对位错的开动有阻力作用而使屈服强度提高，但对位错在某个滑移面上的滑移阻力没有Si强，加之层错能降低，位错的交滑移阻力大，位错缠结不明显，不易形成位错胞状组织，位错密度增殖速度慢，加工硬化没有Si严重，因而对抗拉强度的影响较小，这样屈强比得到提高。因此以Cr替代部分Si的作用可改善冲片工艺性能[3]。具体：Cr对临界点A3有特殊的影响当7.0%Cr含量时，随Cr含量增加，A3点下降，Cr含量增至7.0%时，A3点降至最低点830℃，Cr含量再增加时，A3点却急剧升高。Cr能提高电阻率降低使涡流损耗降低(涡流损失的降低有利于高频磁性能)。Cr能起固溶强化作用，可改善机械性能(提高强度、改善韧性)。Cr容易沿散热方向出现柱状晶，含Cr钢中呈明显的枝晶偏析，但枝晶偏析对有电磁搅拌装置的连铸工艺来说，容易被搅碎可防止柱状晶的产生。硅钢属高层错能材料，扩展位错窄，位错交滑移容易，因而有利于发生回复，亚晶组织中的位错密度降低，储存能下降，再结晶难。加入Cr后，Cr降低层错能，扩展位错加宽，位错从位错网中解脱出来的阻力加大，难以通过交滑移和攀移而相互抵消，因而亚组织回复慢，4热轧时位错交滑移难、动态回复过程被延迟，亚组织回复慢，位错密度高，形变储能增大，形变诱导析出作用被强化，这一方面促进第二相质点的析出、聚集、长大和粗化，使第二相质点重新固溶后再弥散析出的机会被大大削弱，有利于改善热轧和成品退火组织；另一方面为再结晶的发生积蓄了储能和动力，使动态再结晶能力增强。因此，含Cr硅钢的动态再结晶组织发达，粗轧温度、精轧温度及卷取温度等工艺参数选择范围广、热轧工艺适应能力强，工艺稳定性好。含Cr硅钢热轧后冷却时由于层错能的降低，位错交滑移阻力大，静态回复延迟，形变储能高，如果较高温度卷取，则发生较为充分的静态再结晶。静态再结晶后又由于位错交滑移阻力大、回复的延迟使晶内残存储能而容易发生晶粒的长大。因此，含Cr硅钢热轧态的再结晶晶粒组织发达，再结晶区域的面积大、形变组织区域的面积和部分再结晶区域很小、形变晶粒少、轴晶比例越高且晶粒尺寸较大；Cr替代部分Si有利于改善热轧板组织并可取消常化工艺而降低生产成本。(Si+Al)由于原子半径与Fe的差异大而产生严重的晶格畸变，位错运动阻力增大，促使位错缠结成位错墙并细化形变胞状组织，因而产生剧烈加工硬化使强度σ提高、延伸率δ下降。而Cr由于原子半径与Fe的差异小、所产生的晶格畸变较小，对位错在某个滑移面上的滑移阻力没有(Si+Al)强，位错缠结不明显，不易形成位错胞状组织，加工硬化没有(Si+Al)严重，因此Cr替代部分(Si+Al)可改善轧制工艺性能，Cr硅钢冷轧板厚度均匀、板形好，特别是轧到更薄时(0.35mm以下)能表现出良好的板形和板厚一致性。另外，Cr主要是由于降低层错能，阻碍位错的交滑移，强化应力应变曲线第III阶段，屈强比高，而(Si+Al)主要靠严重的晶格畸变阻碍位错运动，促使位错缠结成位错墙并细化形变胞状组织，强化应力应变曲线第II阶段，屈强比低，因此Cr硅钢的冲片性能好。Cr降低层错能，静态回复过程延迟，位错密度高，从而为静态再结晶的发生积蓄储能和动力，使静态再结晶能力增强，静态再结晶速度加快。因此Cr硅钢的再结晶组织发达和完善，有利于改善磁性，磁性能波动范围小、对成品退火工艺的敏感性降低、稳定性好，工艺适应能力强。Cr对磁性和组织的贡献Cr能提高电阻率、降低涡流损耗；另外，Cr%低时，磁性转变温度(居里温度TC)随Cr%的增加而稍增，超过5%Cr后，TC随Cr%的增加而降低，因此少量Cr加入到钢中能使TC升高，由公式Ms2≈3N2μB2(1-T/TC)可知，TC升高有利于饱和磁化强度MS的提高。而Si、Al则不同，剧烈地降低Ms和Bs。5由于溶质原子Cr的加入，一方面使位错运动阻力大；另一方面溶质原子在层错面上富集可降低层错能而增加了扩张位错的宽度，扩张位错不易束集，位错交截困难，双重交滑移和切割林位错困难，不易产生多系滑移；另外，Cr还可改变剪切模量μ(主要是提高μ)，层错能γ的降低和剪切模量μ提高使标准层错能γ/μb进一步降低，交滑移的激活能提高，因而阻碍交滑移的进行；再者Cr溶质原子与空位发生相互作用会减弱空位与位错间的反应从而使位错的攀移几率变小。几方面的综合作用都使得位错的交滑移和攀移困难，会阻碍动态回复过程的进行，使亚晶组织中的位错密度明显升高，储能增加，储能积累到足够高后由于组态不稳定而发生动态再结晶。因此，含Cr硅钢热轧时由于位错交滑移阻力增大、动态回复被延迟、为再结晶的发生积蓄了储能和动力，使再结晶能力加强，促进和有利于再结晶，因而再结晶晶粒组织发达，再结晶区域的面积大、形变组织区域的面积和部分再结晶区域很小、形变晶粒少，等轴晶比例高；而无Cr硅钢只发生快速动态回复过程，部分再结晶区域面积大、形变晶粒多、再结晶区域的面积小，等轴晶比例低。Cr由于降低层错能，拓宽扩展位错，热轧时位错交滑移难、动态回复过程被延迟，亚组织回复慢，位错密度高，形变储能增大，形变诱导析出作用被强化，从而促进