高超，李運剛，齊艷飛，田薇

(1.河北聯(lián)合大學冶金與能源學院，河北唐山063009;2.唐山鋼鐵股份有限公司，河北唐山063000)

無取向硅鋼作為旋轉磁場中工作的電動機和發(fā)電機轉子的鐵芯材料，具有良好的磁性能和工藝性能，是新一代的軟磁材料，屬于鋼鐵工業(yè)的高端產(chǎn)品。對無取向硅鋼而言，鐵損主要受晶粒尺寸、夾雜物、晶體織構的影響。在無取向硅鋼工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般不易形成明顯織構。因此，影響鐵損的主要因素是晶粒尺寸和夾雜物。鋼中存在的夾雜物既會破壞鋼集體連續(xù)性，抑制晶粒長大，又會阻礙磁疇壁運動，進而劣化硅鋼磁性能，故生產(chǎn)中希望盡可能將其去除或將其無害化［1］。通過優(yōu)化鋼液成分，添加有益元素，減少有害元素是比較經(jīng)濟實用的提高硅鋼性能的方法。

1 錫元素的作用

在結構鋼中元素的晶界偏聚導致晶界脆化，所以，應盡量減少使晶界發(fā)生偏聚的元素。但對硅鋼而言，有目的有選擇的添加一些偏聚元素，可以很好的改善織構，加強抑制劑對初次再結晶的抑制能力［2］。錫是一種表面活性元素，在最終的高溫退火升溫階段，在晶界處可能會發(fā)生偏聚，又由于錫是典型的晶界偏聚元素，在熱軋和退火過程中，易在晶界處偏聚，降低晶界能，從而抑制晶粒的形核和長大。晶粒正常長大時，既會加強某些組分，又會減弱某些組分，這與哪些晶粒有利于吞并其他位向的晶粒有關。

真空冶煉不同Sn含量的無取向硅鋼，經(jīng)熱軋、冷軋和退火工藝制備成樣品。結合磁性能檢測、微觀組織和織構分析，發(fā)現(xiàn)添加Sn元素可以提高成品中有利織構{100}強度，磁感應強度明顯增加。同時，Sn的添加使成品晶粒尺寸變小，鐵損有一定程度的提高。當退火溫度為900℃時，鐵損增加幅度最低，是較合適的再結晶退火溫度［3］。

董浩［4］也對無取向硅鋼中添加Sn元素做了相關研究。當添加0.1%的Sn時，試樣的鐵損顯著降低，且達到最低值10.2w/kg，同時磁感應強度略有降低;又因為Sn是一種典型的晶界偏聚元素，隨Sn含量的增加，晶界偏聚量也在增加，晶界能降低，Sn的晶界偏聚對最終退火過程中織構形成和晶粒長大的影響較大，明顯降低無取向硅鋼不利織構組分{111}的百分含量，提高了無取向硅鋼的磁性能，但對有利織構{100}面織構和Goss織構的影響較小，這說明Sn對最終退火過程中{111}面織構的再結晶和晶粒長大起抑制作用。這可能是因為Sn的晶界偏聚影響了{111}組分在原始晶界處的形核和長大，降低了該組分的強度。當然，這與所添加Sn含量的多少有關，當Sn含量較低時，Sn在各個晶界處的偏聚量不均勻，對{111}面織構的抑制力不夠;而Sn含量較高時，雖然抑制了原始晶界處{111}面晶粒的形核和長大，但也減少了其他有利織構組分，總體上鐵損值升高;Sn的添加對板坯熱軋過程織構的形成沒有特別明顯的影響;Sn添加對常化板的{111}＜110＞織構略有增強，而對其他織構強度無太大影響;Sn的添加使成品鋼帶晶粒尺寸明顯減少。

2 鈮元素的作用

Nb為體心立方晶格，當它固溶在Fe中時，能與Fe保持一定的共格關系，且Nb的電負性(1.60)與Fe的電負性(1.83)相差不大，與Fe有一定的固溶傾向［5］。鈮是典型的微合金元素，主要是利用奧氏體中形變誘導出來的面心立方織構碳氮化鈮來抑制奧氏體結晶［6］。奧氏體中的固溶鈮可以降低奧氏體—鐵素體的轉變溫度，延遲基體奧氏體—鐵素體的相變;在基體相轉變的過程中和相變后鐵素體中會析出更多的Nb(C，N)，增大沉淀強化作用［7］，Nb(C，N)促進奧氏體—鐵素體的相變。另外，固溶鈮通過對溶質的拖拽機制限制位錯的攀移運動，抑制形變奧氏體的回復再結晶，增加奧氏體—鐵素體的相變驅動力。此外，由于鈮是強碳化物形成元素，易在晶界偏聚而產(chǎn)生溶質原子的拖曳效應，則使鐵素體晶粒的長大速率變?。?］，進而組織得到細化。

在無取向硅鋼生產(chǎn)過程中，為了能夠更好的控制再結晶過程，并獲得一定的有利織構，抑制劑起著關鍵作用。傳統(tǒng)抑制劑主要以MnS，AlN為主。近年來，為了降低板坯的加熱溫度，提高抑制劑強度，改善取向硅鋼的磁性等，逐漸開始圍繞著抑制劑的高溫固溶和引入方式開展了大量的相關研究工作，如以氮化物和晶界析出元素等來強化抑制劑［9，10］。與傳統(tǒng)抑制劑相比，Nb(C，N)作為抑制劑可降低板坯再加熱溫度，具有節(jié)能、提高成材率和延長爐子壽命等優(yōu)勢。從抑制理論角度來講，抑制劑顆粒應保持彌散細小才能起到釘扎作用，抑制晶粒的長大。在熱軋過程中，Nb(C，N)可細小彌散析出。另外，鈮能形成碳化物，它可能會提高最終產(chǎn)品的時效穩(wěn)定性，而這一點是其它常用元素不可能做到的。文獻［11］報道，以Nb(C，N)作為抑制相的取向硅鋼，熱軋后有相當高的對硅鋼性能有利的高斯織構，且即使經(jīng)歷不同的冷軋和退火后仍能一直保持。同樣，無取向硅鋼中也可能有類似作用。

將鈮引入到無取向硅鋼Si鋼中，依照所加鈮含量的增加，晶?？赡軙l(fā)生的變化:由粗大枝狀晶晶?！容S晶組織出現(xiàn)，但晶粒仍粗大——細小的枝狀晶組織——更細小的等軸晶組織;晶界的形貌也可能由不加鈮的平直晶界轉變?yōu)榧逾壍膹澱叟でЫ?，阻礙晶界間的相對移動，抑制晶粒的長大，鋼的強度及塑性變形能力得以提高。又因為鈮元素改變了晶粒內(nèi)部的塑性變形能力，硅鋼的顯微硬度會下降，但硬度下降幅度的大小與所添加鈮含量的多少密不可分。若再經(jīng)過退火處理，顯微組織晶界的彎曲程度會比之前的更大，加劇晶界間移動的阻礙，晶粒長大受到抑制，為此提供了更高的強度和塑性變形能力。

這可能是因為硅鋼中的Nb元素與C、N結合，在鐵素體基體中彌散分布著大量的直徑為幾個納米的細小球形析出物Nb(C，N)，其可以抑制奧氏體再結晶，阻礙奧氏體晶粒長大，Nb(C，N)尺寸的大小恰能抑制晶粒長大，可以起到細化晶粒的作用，從而硅鋼的強度、韌性和塑性得以提高。Nb(C，N)具有作為無取向硅鋼抑制劑的一般特性。其具有低固溶溫度，可實現(xiàn)較低的板坯再加熱溫度，從而提高成品率和降低成本。另外，Nb(C，N)析出顆粒均勻細小、粗化速率小，抑制作用更強，可提高硅鋼的性能［12］。但鈮元素含量的多少對硅鋼的塑性變形能力會有很大的影響，故需研究者進一步試驗，找出最合適的范圍使硅鋼性能達到最佳。此外，Nb(C，N)在奧氏體中形變誘導析出及在鐵素體中的脫溶析出也起到了強化作用，提高了其強度。析出物中也可能存在夾雜物尺寸較大的NbN等化合物，直徑約為2～3 um，NbN一般是從固態(tài)相變中析出來的［13］。

3 稀土的作用

稀土在冶金溶液及其金屬材料中的主要作用包括凈化鋼液、變質夾雜物、改善鑄態(tài)組織和性能、微合金化等［14］。此外，稀土元素的脫氧能力非常強，微量稀土就能使［O］脫到10% ～4%以下。我國將稀土應用于鋼中的研究開始于20世紀60年代初［15］，隨著經(jīng)濟和冶金技術的發(fā)展，目前約有90多種鋼種中添加了稀土。稀土可以深度降低鋼中的氧、硫含量，通過與砷、鉍、鉛、錫等元素的交互作用形成高熔點化合物，進而降低磷、硫、氫等低熔點元素對鋼的有害作用［16］。近年來，人們開始嘗試采用稀土處理，來變性無取向硅鋼中的夾雜物，有效凈化鋼液、控制夾雜物形態(tài)、改善鑄態(tài)組織［17］。

稀土元素與氧、硫元素的親和力很強。向鋼中添加稀土合金后，可以迅速降低鋼液氧位、硫位，并易于生成高熔點氧化物、硫化物和氧硫化物［18］。張峰等［19］將稀土引入到無取向硅鋼中，研究其對夾雜物的影響。向硅鋼中添加稀土后，鋼液中的氧位、硫位迅速降低。當稀土合金的添加數(shù)量為0.6～0.9 kg/t時，鋼的全氧含量達到最低，脫硫率穩(wěn)定達到50%或以上。若繼續(xù)添加稀土合金，雖然脫硫效果還可以提高，但鋼中的全氧含量也會上升，這可能與未充分上浮、去除的稀土氧、硫化夾雜數(shù)量的增加有關。這一點，已從經(jīng)過稀土處理的無取向硅鋼表面的夾渣缺陷及表面縱條紋缺陷的分析結果中得到了證實［20］。經(jīng)過稀土處理后的試樣中，顯微夾雜和微細夾雜的數(shù)量明顯減少，這也是因為稀土與鋼中的氧、硫發(fā)生反應的幾率大，鋼中夾雜物的數(shù)量增多，這些夾雜物相互碰撞時聚集長大的幾率也逐漸增加。稀土中的硫化物代替了硫化錳，鋼中稀土硫化物的固溶度減小，固溶溫度較高，熱軋時部分AlN以稀土硫化物為核心析出，避免了以微細MnS、AlN夾雜的形式析出，硅鋼的韌性和塑性得到了提高。

稀土元素在鋼液凝固前析出高熔點化合物，并呈細小的質點分布在鋼液中，其作為非均質形核中心，提高了形核率，降低了鋼液結晶的過冷度，起到細化凝固組織，減少內(nèi)部氣孔及偏析的作用。已有研究表明［21］，考慮到鋼液成分，要使硫化物完全球化，必須準確控制好RE/S這個重要參數(shù)。當加入適量的稀土時，稀土硫化物可以完全取代MnS，其夾雜物變質對鋼材性能的影響在于，稀土硫化物在鋼材熱加工變形時，仍保持細小的球形或仿錘形彌散分布在基體中，消除了先前存在的沿鋼材軋制方向分布的長條狀MnS等系列夾雜。因此，可顯著改善鋼的橫向韌性、高溫塑性以及耐疲勞性能等［22］。

對無取向硅鋼來說，織構組分{100}＜uvw＞，{110}＜uvw＞有利于硅鋼獲得良好的各項同性磁性，應盡量增加此類織構，而織構組分{111}＜uvw＞，{112}＜uvw＞對其磁性不利，應盡量減少。光紅標等［23］研究了稀土對無取向硅鋼成品組織和磁性能的影響，拓展了人們關于稀土對無取向硅鋼機理知識方面的認知:當添加的稀土含量≤0.03%時，有利于增加{001}＜010＞，{110}＜001＞織構組分強度，減弱{111}面織構組分，這與鋼中細小夾雜物數(shù)量的減少密不可分，促進了熱軋板再結晶及晶粒粗化。冷軋時易產(chǎn)生更多的剪切帶，再結晶退火晶粒顯著長大。當稀土含量為0.013% ～0.020%時，鐵損值P15/50達到最低值3.24 w/kg，這與夾雜物和晶粒兩方面息息相關，晶界處的點陣為畸變、空為和位錯等，內(nèi)應力大磁化困難。所以，晶粒的平均直徑增大。相對而言，晶界的占有面積減少，成品鐵損降低。

若硅鋼中存在偏析，會破壞鋼材內(nèi)部組織結構的均勻性，鋼的力學性能及磁性能都會下降。稀土恰恰可以使聚集在晶界上的微量元素轉移到晶內(nèi)，減少晶界處出現(xiàn)偏析的幾率，提高硅鋼的性能。盡管稀土對鋼的作用及作用機理方面的研究比較深入，且稀土對無取向硅鋼性能影響方面的研究也逐漸引起人們的重視，且作用效果也都不錯，但應進一步分析其機理。用稀土作為脫氧劑，可以凈化鋼液，減少鑄坯宏觀缺陷。稀土元素對非金屬變質，也可以顯著改善硅鋼的鑄態(tài)組織和力學性能，還需研究者注重一下稀土添加量這個問題，因為有可能會出現(xiàn)在某一范圍細小夾雜物減少的同時有利織構組分增加，不利織構組分減少。而到另一個范圍時，雖然細小夾雜物數(shù)量也較少，但成品晶粒可能會顯著增大，可能會引起不利織構組分的增強，磁感降低。

4 小結

Sn元素是典型的晶界偏聚元素，可降低晶界能，降低不利織構組分{111}的強度，提高有利織構組分的含量，細化晶粒，改善硅鋼磁性能。硅鋼中引入Nb后，Nb與鋼液中的C、N結合形成Nb(C，N)，其為優(yōu)秀的抑制劑，可降低板坯的加熱溫度，細化晶粒，硅鋼的韌性和塑性變形能力及磁性能得以提高，有關Nb在無取向硅鋼中的作用的報道較少，故需研究者們多加強這方面的試驗，確定出適宜的添加范圍使硅鋼性能得以充分發(fā)揮。稀土的主要作用包括凈化鋼液、變質夾雜物、改善鑄態(tài)組織和性能及微合金化，稀土與氧、硫的親和力較強，加入后迅速降低鋼液中的氧位、硫位，硅鋼的韌性和塑性提高。且無取向硅鋼中的顯微夾雜及微細夾雜明顯減少。添加適量的稀土，可以增強有利織構組分，減少不利織構組分，減少晶界上出現(xiàn)偏析的幾率，成品鐵損降低，硅鋼磁性能得以提高。相對而言，加入稀土元素的效果要比加入其他元素的效果好，硅鋼中引入稀土元素可能會成為未來的發(fā)展方向。

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