铜粒子单一抑制剂取向电工钢的开发研究*

任慧平，毛卫民,2，张慧敏，金自力，李一鸣，计云萍，吴忠旺

(1.内蒙古科技大学 材料学院，内蒙古 包头市 014010；2.北京科技大学 冶金与生态工程学院，北京 100083)

1 取向电工钢的基本技术路线和主要困境

作为重要软磁工程材料的取向电工钢追求极高的磁感和极低的铁损等磁特性[1].通常采用质量分数为3%Si的成分设计，以便在保持钢板基本磁感水平和塑性加工性能的前提下大幅度提高钢板基体的电阻率、降低涡流损耗，以实现极低的基本铁损值.同时，需要借助最终的二次再结晶过程获得大量粗大的戈斯(Goss)晶粒，以借助铁素体基体的磁晶各向异性在轧制方向上获得极高的磁感值.为获取粗大戈斯(Goss)晶粒，需要在取向电工钢中引入大量弥散细小的称为抑制剂的第二相粒子.在钢板最终的高温退火过程中，抑制剂粒子会抑制非Goss晶粒的生长，只允许Goss晶粒快速长大；该过程可称为抑制剂粒子诱发的晶粒异常长大或二次再结晶过程.由此，取向电工钢可同时获得极高的磁感和极低的铁损[1].

当前，取向电工钢所采用的抑制剂主要为MnS，AlN，Cu2S/CuS等化合物及Se，Sb，Sn等一些其它的辅助性抑制元素.化合物粒子是抑制剂的主体，Mn，Al，Cu，S，N等元素则称为抑制剂形成元素.为促使抑制剂形成元素充分发挥抑制作用，在取向电工钢的传统生产流程中需要采用高于1 300 ℃、甚至高达1 400 ℃度的热轧加热温度和较长时间的保温，以促使抑制剂形成元素固溶于钢的基体，为抑制剂粒子的后续弥散析出创造条件.钢中的抑制剂粒子会对钢板的磁性能造成很大伤害.因此，在二次再结晶退火过程中晶粒充分异常长大后，就需采取工艺措施，促使MnS，AlN，Cu2S/CuS等化合物抑制剂粒子在高达1 200 ℃的高温下分解和固溶，随后在罩式炉或隧道炉内长达数天、几十小时的长时间加热过程中钢中的S，N等有害元素被逐渐扩散脱除，使钢板基体净化，进而确保钢板优异的磁性能.

由此可见，取向电工钢的生产是一个高耗能过程，尤其高温长时间的热轧加热以及二次再结晶加热都造成了巨大的生产损耗，并成为取向电工钢高成本的主要原因.因此，降低取向电工钢能耗的生产技术成为了人们长期以来努力研究和开发的课题.近些年来，采用多种化合物粒子复合抑制，以及后续渗氮等改进技术可以大幅度降低热轧加热温度，使其低于1 300 ℃，甚至低于1 200 ℃，降低了取向电工钢生产的总能耗.二次再结晶之后高温长时间净化钢板基体的加热过程是更为耗能的过程.虽经过长期多种尝试，迄今为止仍未获得实质性改进.当前，取向电工钢的应用从传统的大型变压器领域正快速地向更大用量的高性能电机领域拓展，突破取向电工钢生产的高能耗瓶颈、开发进一步节能降耗生产技术显得尤为迫切.

2 降低取向电工钢能耗的新尝试

上世纪以来，人们已经采取了多种成分设计和工艺改进来降低热轧加热温度[1].本世纪初，国外出现了以连续退火方式取代罩式炉或隧道炉作二次再结晶及之后高温退火加热的设想[2]，借以降低生产能耗.然而，如果仍采用原成分设计，则不可能缩短或取消高温长时间净化钢板基体的高耗能加热过程；因此只改变加热设备而仍采用原工艺流程并不能真正降低能耗.过去几十年内出现了许多含铜取向电工钢的成分设计，但往往仍包含了多种传统抑制剂成分，因而仍无法避免高温长时间净化钢板基体所需的加热过程.采用薄板坯连铸连轧的流程虽然可以避免传统的热轧加工、有利于降低成本，但仍不能摆脱最终高温长时间的二次再结晶处理，且磁性能水平的提升也会受到限制[3].

取向电工钢中铜与硫形成的Cu2S或CuS等化合物抑制剂颗粒可以在较低的温度下溶入钢的基体，有利于降低热轧加热温度.因此，在各种取向电工钢专利技术的发展过程中，提高含铜量已经成为重要的技术之一.在国内的相关专利技术中取向电工钢的铜含量可达1.2%或1.1%[4,5]，但仍保持采用MnS，AlN等抑制剂，或再以添加Mo用作CuS的辅助抑制剂.国内还有把取向电工钢铜含量提升至1.2%，同时少量MnS，CuS传统抑制剂发挥辅助作用的专利技术[6].在含铜抑制剂方面，日本企业的相关研究更早，且具备多种成熟技术.如日本的相关专利技术中使用了不超过1.0%Cu，但保持采用MnS，Cu2S/CuS或MnSe等抑制剂，并采用了Sn，Bi，Pb等辅助抑制元素[7,8]；或在使用不超过1.0%Cu的同时大幅度压缩MnS，Cu2S等传统抑制剂含量，并使用少量辅助元素[9].在提高铜含量方面，日本的专利达到了2.0%的铜，但采用了Bi为辅助抑制元素，且仍会有AlN抑制剂粒子存在[10].这些专利技术在改变抑制剂组成并使其多样化的同时，仍或多或少地保留了传统抑制剂，因而最终还需一定程度高温净化钢板基体的加热过程，以确保钢板的磁性能.

3 铜粒子抑制剂取向电工钢的设计理念

根据相图热力学可以获知，Cu可以一定程度地固溶于铁素体基体内，且其固溶度随温度升降而剧烈变化.室温时高纯铁素体对Cu的溶解度接近0，而850 ℃时最多可固溶质量分数为2.2%Cu[11,12].研究显示，含1.0～1.6%Cu的高纯铁经840 ℃加热并淬火的固溶处理后，在550 ℃ 1～3 h的时效过程中可析出大量尺寸为10～20 nm的铜粒子[13]，且这种析出行为在400～650 ℃的范围内都会出现[14,15]，如图1所示.10～20 nm的大量铜粒子与取向电工钢中MnS，AlN，Cu2S/CuS等化合物抑制剂粒子的尺寸相同；由此设想，可以尝试只用铜析出粒子作为单一的抑制剂，来开发节能型取向电工钢.铜粒子的固溶温度低于1 000 ℃，排除了高温热轧加热的必要性；二次再结晶后若对铜粒子再作固溶处理就可保持钢板基体基本为单一铁素体，进而排除二次再结晶后长时间高温加热以脱除钢中有害元素、净化钢板基体的必要性.由此可见，以铜析出粒子为单一抑制剂的设计理念有可能排除传统取向电工钢所有的长时间高温加热环节，为大幅度节能和降低成本提供了可能.

图1 铜质量分数为1.03%的铁铜合金840 ℃ 1 000 s固溶处理、550 ℃时效104 s后弥散析出的铜粒子

根据取向电工钢的基本成分，图2给出了利用FactSage软件系统的Phase Diagram模块计算的Si质量分数为3%的铁硅和Cu质量分数为0～5%的伪二元相图，即以Si质量分数为3%的铁硅为基体成分，添加不同质量分数Cu时的相图.可以看到，Si的存在使钢的奥氏体区消失，同时加热到约1 000 ℃时铁素体基体最多可以固溶质量分数为5%的Cu.在Cu的质量分数为0～5%的范围内加热无需超过1 000 ℃即可使作为抑制剂形成元素的Cu溶入基体，二次再结晶后在1 000 ℃以内作固溶处理即可获得单一铁素体基体.这种设计理念确实可以排除传统取向电工钢生产中的各长时间高温加热环节.

图2 硅质量分数为3%，Cu质量分数为0～5%的铁硅铜

4 实验铜粒子抑制剂取向电工钢的成分工艺与组织性能

根据上述理念，所制备实验钢成分的质量分数为：C：0.05%～0.07%；Si：3.0%～3.2%；Cu：1.0%～1.2%；Mn：<0.02%；Al：<0.004%；N：<0.004%；S：<0.002%；其余<0.01%.这里尽可能排除了传统取向电工钢中Mn，Al，S，N等化合物抑制剂形成元素的设计，大体消除其可能的作用和影响.将实验钢加热到常规热轧所采用的1 180 ℃，热轧至2.2～2.3 mm厚.将热轧板在900 ℃加热0.5～1 h作固溶处理，随后冷轧至0.3 mm厚.将冷轧板作常规脱碳处理后，先在500 ℃保温4 h以上作时效处理，以促使大量细小的铜抑制剂粒子析出，然后再逐渐升高到1 000 ℃以上，以完成二次再结晶.图3给出了实验钢板的二次再结晶晶粒组织，可见钢板实现了大范围的二次再结晶，二次再结晶晶粒体积迄今已达到90%的水平；平均晶粒尺寸约7 mm，是钢板厚度的20多倍，与传统的取向电工钢二次再结晶晶粒尺寸相近；检测铁损P1.7可达低于1.5 W/kg的水平.

图3 实验铜粒子抑制剂取向电工钢的二次再结晶晶粒组织

5 总结

为克服传统取向电工钢生产过程中热轧加热和二次再结晶退火等长时间高温加热的高耗能、高成本缺陷，采用了以铜析出粒子为单一抑制剂的取向电工钢设计理念，明显降低了热轧加热温度，并避免了长时间高温二次再结晶退火.初步试验显示，钢板大范围地实现了预期的二次再结晶.试验取得突破和初步成功.然而，针对取向电工钢的这一设计理念，还需要广泛而深入地开展成分、工艺等方面的探索和调整，以最终获得优异的磁性能，并逐步与工业生产实线结合.