龔 堅，羅海文

(北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083)

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新能源汽車驅(qū)動電機用高強度無取向硅鋼片的研究與進展

龔 堅，羅海文

(北京科技大學 冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083)

本文系統(tǒng)介紹了混合動力汽車和電動汽車所用驅(qū)動電機的特點和類型以及其對無取向硅鋼片的要求，總結出適用于驅(qū)動電機的無取向硅鋼片是既要求高強度、疲勞性能等力學性能，也要求高磁感和低的高頻鐵損等磁性能的復合材料。全面介紹了業(yè)界領先的各日本鋼鐵公司關于高強無取向硅鋼片相關專利的具體內(nèi)容，并通過相關熱力學計算分析了各專利中所涉及的技術路線，得出析出強化技術路線是未來發(fā)展趨勢，而其中Ti析出強化不可行，Nb析出強化可行但是成分和工藝窗口狹窄，且必須和Ni、Mn的固溶強化相結合；而Cu的析出強化途徑工藝簡單且易行、成本經(jīng)濟。

混動/電動汽車; 驅(qū)動電機; 高強度無取向硅鋼; 高磁感; 低鐵損

新能源汽車是汽車未來發(fā)展的必然趨勢，它包括混合動力汽車(Hybrid EV)和電動汽車(EV)，而這兩種汽車都需要將電池的電能通過驅(qū)動電機轉(zhuǎn)換為汽車行駛的動能。驅(qū)動電機系統(tǒng)是新能源車三大核心部件之一。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行結構，其驅(qū)動特性決定了汽車行駛的主要性能指標,它是電動汽車的重要部件。因此，驅(qū)動電機將和現(xiàn)在廣泛使用的燃油發(fā)動機一樣重要。無取向硅鋼片作為驅(qū)動電機的關鍵材料，其性能又影響了驅(qū)動電機的驅(qū)動特性和服役表現(xiàn)[1-3]。由于日本在新能源汽車方面處于全球領先位置，與其驅(qū)動電機配套的無取向硅鋼片已經(jīng)可以工業(yè)化生產(chǎn),且生產(chǎn)技術趨于成熟。但是這一關鍵材料在我國尚不能夠工業(yè)化生產(chǎn)，需要未雨綢繆地積極研發(fā)。因此，本文介紹了新能源汽車用驅(qū)動電機的類型和特點及其對無取向硅鋼片的要求，日本各大鋼鐵公司關于驅(qū)動電機用硅鋼片的生產(chǎn)技術的相關專利內(nèi)容，最終借助于熱力學計算工具詳細分析了專利文獻中報道的各種生產(chǎn)技術路線，提出了最可能實施的技術路線。

1 汽車用驅(qū)動電機特點和類型

汽車用驅(qū)動電機不同于一般工業(yè)用電機，由于其布置空間有限，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進行特殊設計以達到小型化的目的，這就要求電機的功率密度要顯著高于其他工業(yè)電機；工作溫度變化大(-40～105℃)，工作時期振動劇烈，要求高的可靠性以保證乘車者安全，多采用為水冷；能夠?qū)崿F(xiàn)精確的力矩控制，動態(tài)性能較好。具體來說，電機驅(qū)動系統(tǒng)工況復雜，可以說是隨機變化的。車輛的啟動、加速、制動、停車、上坡、下坡、轉(zhuǎn)彎、變道等是隨機的；而在HEV 中，又存在多種工作模式如電機啟動發(fā)動機、電機驅(qū)動、電機發(fā)電、電機制動能量回饋等，且電機具體工作于何種模式也是隨機的，這就要求電機具有如下特點[4-6]：轉(zhuǎn)矩、功率密度大,即在減小電機體積的同時，電機還要有足夠的轉(zhuǎn)矩和功率；電機工作速域?qū)挘赃m應車輛的啟動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等復雜工況；系統(tǒng)效率高，提高電驅(qū)動系統(tǒng)的效率是提高汽車續(xù)航里程和經(jīng)濟型的重要手段；系統(tǒng)適應環(huán)境能力強，要防水、防塵、防震，具有良好的環(huán)境適應性和高可靠性；電磁兼容性好，避免和減小驅(qū)動系統(tǒng)對其他電器的影響；性價比高，即在保證性能的前提下，造價不能太高。電動汽車最早采用的是直流電機系統(tǒng)，特點是成本低、控制簡單，但質(zhì)量大，需要定期維護。隨著電力電子技術、自動控制技術、計算機控制技術的發(fā)展，三相交流感應電機、永磁同步電機和開關磁阻電機顯示出比直流電機更為優(yōu)越的性能，目前已逐步取代了直流電機控制系統(tǒng)。各種驅(qū)動電機系統(tǒng)的基本性能比較見表1[7]。其中,異步電機主要應用在純電動汽車(包括轎車及客車),永磁同步電機主要應用在混合動力汽車(包括轎車及客車)中,開關磁阻電機目前主要應用在客車中。目前在混合動力轎車中采用的基本都是永磁同步電動機，永磁同步驅(qū)動是未來的發(fā)展方向，主要因其能在控制方式上可實現(xiàn)數(shù)字化，在結構上可實現(xiàn)電機與齒輪箱的一體化。日本豐田公司的PRIUS 采用的永磁同步電動機功率已達到了50kW,新配置的SUV 車型所用電機功率達到了123kW。永磁電機具有效率高、比功率大、功率因數(shù)高、可靠性高和便于維護等優(yōu)點，采用矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可使永磁電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，因此，豐田和本田國際汽車制造商以及一汽、東風、長安、奇瑞等國內(nèi)廠商均在其電動汽車中采用了永磁電機方案，推動了車用電機向永磁化方向發(fā)展。尤其是采用了稀土永磁材料的稀土永磁電機,不僅效率高，而且結構簡單、運行可靠、體積小、質(zhì)量輕。它既可達到傳統(tǒng)電勵磁電機所無法比擬的高性能。根據(jù)電動汽車、混合動力車車型的開發(fā)應用年代，日本的產(chǎn)業(yè)水平與市場偏好、成本核算等方面考慮，先采用感應電機，而近幾年來在批量生產(chǎn)的日本電動汽車車型上以采用永磁同步電機為主流。

2 汽車用驅(qū)動電機與無取向電工鋼片性能之間的關系

隨著我國新能源汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)將朝著永磁化、數(shù)字化和集成化方向發(fā)展。目前某些關鍵材料(如高性能硅鋼片、絕緣材料)和關鍵元器件(如IGBT、DSP 芯片)依然主要依靠進口。作為制造電機鐵心的材料，電工鋼帶是使用最普遍的重要磁性材料，是車用電機高效、高功率密度的保障。日本新日鐵、住友金屬生產(chǎn)的電工鋼帶已用在混合動力驅(qū)動電機上，我國寶鋼集團在“863”課題支持下，從2008 年起開展了電動汽車驅(qū)動電機用電工鋼帶研發(fā)，并已申請公開了一項專利。武鋼正在進行高強度無取向電工鋼的工業(yè)試驗，鋼鐵研究總院已開始在實驗室通過模擬薄板坯連鑄連軋技術試制高強度無取向電工鋼。

驅(qū)動電機的功率(轉(zhuǎn)矩)、效率和壽命都與所用的無取向電工鋼片有很大關系，尤其是電機轉(zhuǎn)子所用的無取向電工鋼片，磁性能決定了電機的轉(zhuǎn)矩和效率；如圖1所示，電工鋼片鐵損越低而電機效率越高，而磁感增大導致電機轉(zhuǎn)矩增加；同時力學性能決定了定子和轉(zhuǎn)子的加工精度、服役承載強度和最大轉(zhuǎn)速。

因此新能源汽車的驅(qū)動電機對所采用的電工鋼片有如下要求[9]：(1)為了良好的駕駛體驗，電機需要提供高扭矩用于啟動，要提高扭矩必須提高驅(qū)動電流和所用電工鋼的磁感；(2)要提高能源轉(zhuǎn)換效率，在最經(jīng)常使用的駕駛模式下電機效率在一般在85%～93%，要求電機所用電工鋼片具有優(yōu)秀的磁性能，即中低磁場下的高磁感和高頻下的低鐵損；(3)高行車速度需要電機轉(zhuǎn)子高速運轉(zhuǎn)(6000～15000r/min)，要求所使用的電工鋼片具有足夠高的強度抵抗離心力；這就要求使用高強度電工鋼；特別是對于永磁驅(qū)動電機，磁極鑲嵌于轉(zhuǎn)子之中，因此保證轉(zhuǎn)子的強度至關重要；(4)縮小轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙可有效提高磁通密度，這要求電工鋼薄片具有良好的沖片性；(5)在汽車使用周期內(nèi)，處于服役期的高速旋轉(zhuǎn)的電工鋼片不能發(fā)生疲勞破壞，即高的疲勞壽命。

綜上所述，新能源汽車EV或HEV的驅(qū)動電機所用的電工鋼片，既是要求磁性能的功能材料，也是要求強度和疲勞性能的結構材料，因此是具有高技術附加值的、結構性能和功能性能復合的鋼鐵材料。

3 驅(qū)動電機用高強度無取向電工鋼片

電機所用的電工鋼片成分通常都是超低碳、氮(質(zhì)量分數(shù)均小于50×10-6)和高硅,有時還需要加入高Al含量來保證其優(yōu)異的磁性能特別是低的鐵損。驅(qū)動電機要求的電工鋼片要較傳統(tǒng)無取向電工鋼強度高200MPa以上，并且提高強度同時還需保證不能損害其優(yōu)良的磁性能。驅(qū)動電機用電工鋼片的磁性能要求并不是很高，通常現(xiàn)有的如50W230和35W210等高牌號無取向硅鋼或者高效電機類無取向硅鋼如35WH230和50WH300等這類牌號的成分體系就可以滿足磁性能的要求[9]，因此開發(fā)此類鋼的關鍵，就是在高Si+Al含量的無取向硅鋼成分體系下，如何大幅度提高強度而不會惡化磁性能。傳統(tǒng)磁性硅鋼通過Si的固溶強化提高強度同時降低鐵損，但最多只能提高至550MPa左右，更高Si含量導致不可軋制，如圖1所示[10]，同時高Si導致磁感下降。通常的高強結構鋼多采用固溶和析出等多種強化機制，可有效提高強度，但其磁性能差。因此需要通過多種強化機制提高無取向電工鋼強度，如圖2所示[10]。由于電工鋼的超低碳含量以及冷軋后需進行再結晶退火，一般情況下無法通過相變和位錯強化機制進行強化，而電工鋼產(chǎn)品為了防止磁滯時效，其碳、氮含量均很低(通常質(zhì)量分數(shù)在50×10-6內(nèi))，因此也無法進行間隙原子固溶強化。因此可行的強化機制只有代位原子固溶強化和析出強化。日本從1980 年起開始研究高強度無取向電工鋼，代表廠家主要為新日鐵、JFE 和住友金屬[11]。由于最終采用的強化技術路線涉及各公司的商業(yè)機密，因此很少有這方面的詳細研發(fā)報告發(fā)表，取而代之的是這三家公司在其本國或是其他國家申請了逾百篇高強度無取向電工鋼專利，這些專利大多是為了覆蓋和掩蓋其真實的工藝技術而設立的，因此需要結合科學規(guī)律詳細分析對這些專利文獻，發(fā)現(xiàn)它們所遵循的研發(fā)思路的，下面分別詳細討論。

圖1 Si含量對普通鋼、高強結構鋼強度和可軋制性的影響，以及通過包括固溶強化在內(nèi)的多種手段所要達到的高強電工鋼目標強度區(qū)間[10]Fig.1 Influence of Si content on the tensile strength of conventional ordinary steel, conventional high-strength steel and the targeted region of strength using strengthening other than solution strengthening[10]

圖2 高強電工鋼產(chǎn)品的強度-鐵損目標性能區(qū)間及與普通鋼和高強結構鋼的對比[10]Fig.2 Tensile strength and iron loss of the conventional ordinary steels, high strength steels and the targeted development region using strengthening other than solution strengthening and securing magnetic properties [10]

3.1 固溶強化提高無取向電工鋼強度

新日鐵在1990 年以前公開的專利中主要采用Si，P，Mn，Ni的固溶強化，但有時也會用到Cr，Mo，Cu，Ti 等其他合金元素，并且為達到高強度一般會適當控制成品板晶粒尺寸。Cr 可以有效降低高頻鐵損，同時有降低應力敏感性的作用[12]。無取向電工鋼中固溶的Ti，有增強{111}面織構的作用，從而有助于提高強度[13]。主要采用固溶強化的各專利的典型成分、工藝及產(chǎn)品性能如表1 所示。由表1可見其采用的主要強化手段是P，Mn，Ni 等元素的固溶強化[14]，我們推測其實際成分(質(zhì)量分數(shù))應該是0.1%P-1%Mn-2%Ni-1%Cr左右。P 雖為固溶強化效果很好的元素，但其易在晶界偏聚引起鋼板脆裂，對此新日鐵提出了幾種解決方案：一種是將P 的含量控制在小于0.1%，將B 的含量控制在10×10-6～70×10-6，并采用更低的退火溫度(750～800℃)[15]；另一種方法是使熱軋板在熱軋結束到卷取開始這段時間的平均冷速大于100℃/min， 并使卷取溫度小于650℃，卷取后到300℃的冷速大于100℃/h[16]；還有一種是使卷取溫度小于550℃，并使熱軋板的再結晶率<60%，且熱軋板再結晶部分的平均晶粒直徑<60μm[17]。

表1 采用固溶強化的新日鐵高強度無取向電工鋼專利的部分內(nèi)容

新日鐵于2002 年11 月公布的高強度硅鋼片HST系列，有0.50，0.35mm和0.20mm三個規(guī)格，其典型磁性能和屈服強度[7], 如圖3所示。0.2mm和0.5mm厚度屈服強度在780MPa級別是其W10/400分別只有38W/kg和52W/kg；而0.35mm厚度屈服強度570MPa級別的W10/400為30W/kg。圖中也將其與高效電機用0.35mm和0.50mm的高效無取向硅鋼的性能進行了比較，由此可見，在同樣的厚度規(guī)格情況下，磁性能雖然略有下降，但是屈服強度大約提高了一倍以上，材料的抗變形能力顯著增強，實現(xiàn)了預期目的。

圖3 新日鐵2002年公布的高強度無取向電工鋼系列產(chǎn)品磁性能[7]Fig.3 Magnetic properties of HST series high-tension electrical steel sheet from Nippon Steel, reported in 2002[7]

3.2 析出強化提高無取向電工鋼強度

由于過去的固溶強化往往含有昂貴的金屬鎳，導致合金成本顯著上升，而且固溶強化增加了軋制前的強度，使得軋制難度增大，因此住友金屬在2011年的美國專利[21]中提出了向無取向硅鋼中加入Nb,Ti,V,Zr這一類的微合金元素的方法，一方面形成細小碳化物粒子通過析出強化提高強度，另一方面是通過固溶Nb抑制退火時的再結晶，使得再結晶分數(shù)不超過90%，保留了部位冷加工位錯等缺陷使得強度不會因再結晶顯著下降，他們詳細研究了固溶Nb和Ti對退火后抗拉強度的影響,如圖4所示。其中固溶Nb*和Ti*的摩爾分數(shù)指的是鋼中的Nb和Ti被碳和氮固定后剩下的固溶在基體中的量，根據(jù)化學當量比按下式計算： Nb*=Nb/93-C/12-N/14和固溶Ti*=Ti/48-C/12-N/14。由圖4可知，當Nb含量超過化學當量比后，其對強度的貢獻急劇增加然后趨于飽和；而Ti含量超過化學當量比后，抗拉強度隨著過剩Ti含量逐步增加。退火時的再結晶分數(shù)對屈服和抗拉強度也有顯著影響，如圖5所示。當再結晶分數(shù)不超過90%時，其強度下降幅度為50～100MPa，而當再結晶完全完成時，強度急劇下降；因此需要通過退火溫度、鋼中固溶Nb含量來控制退火時的再結晶分數(shù)，使得材料不能發(fā)生完全的再結晶，根據(jù)這一技術所開發(fā)的SXRC系列高強度無取向硅鋼的性能如表2所示[22]，在普通無取向硅鋼的高頻鐵損范圍內(nèi)強度顯著提高1倍以上，但這一性能指標與圖3中的新日鐵產(chǎn)品牌號相比，鐵損相差較大。但是住友金屬采用了不同的設計思路，認為在不損害電工鋼的壓延加工性的前提下, 可以采用位錯強化手段。雖然位錯強化導致鋼的鐵損會增大。但是, 轉(zhuǎn)子比定子用硅鋼片容許鐵損要大很多。這是因為電機的能量效率主要受定子鐵損支配, 而轉(zhuǎn)子鐵損的影響很小。永磁同步電機的轉(zhuǎn)子用電工鋼的鐵損水平, 可以根據(jù)抑制由焦耳熱引起的永磁體熱退磁來設計。 因此, 作為轉(zhuǎn)子用電工鋼的強化采用位錯強化非常適用，工藝簡單易行，成本經(jīng)濟。新日鐵在2005年起也有了類似的專利，通過析出Cu或者Nb的碳氮化物來延遲再結晶，并控制再結晶率，實現(xiàn)強度與鐵損之間的平衡[23,24]。

圖4 高強無取向硅鋼片中經(jīng)750℃退火20s時效處理后，其固溶Nb*和Ti*的摩爾分數(shù)和抗拉強度之間的關系[21]Fig.4 The relationship of the amount of solute Nb* and Ti*and tensile strength after annealing of high-strength non-oriented silicon steels at 750℃ for 20s[21]

圖5 屈服強度、抗拉強度與退火時再結晶分數(shù)之間的關系[21]Fig.5 Dependence of yield and tensile strength on recrystallized fraction after annealing[21]

GradeThickness/mmMagneticpropertyMechanicpropertyW10/400/kg-1Yieldstrength(RD/TD)/MPaTensilestrength(RD/TD)/MPaSXRC690MPa780MPa0．3546659/705768/7660．2749761/834842/8510．3551743/807833/8550．5053724/779818/837ConventionalJIS35A230Coldrolled0．351061084/11401122/1140Annealed0．3517336/348464/472

RD: Rolling direction; TD: Transverse direction

1990 年之后，新日鐵公開的專利中開始用到其他強化方式。在固溶強化的基礎上同時采用Nb,Zr,Ti,V 碳氮化物析出強化[25-28]。一般來說，為了防止碳氮化物嚴重惡化磁性能，專利中對這些元素的含量都有嚴格的要求。另外，添加Ni 會增加鋼的成本，許多專利中選擇不加Ni。各種碳氮化物的強化效果也不盡相同，久保田猛認為Zr 的碳氮化物與其他的碳氮化物相比，析出強化效果大，同時對磁性能的劣化較小[25]。有田吉宏、村上英邦、松本穰等指出，NbC 通常與MnS 復合析出，當Mn 含量滿足[%Mn]≤0.6-10×[%C]時，有利于NbC 細小密集析出，增強抑制晶粒長大的作用，從而獲得高的強度和韌性[26]。最近十年新日鐵專利轉(zhuǎn)向了Cu 金屬相的析出強化[29,30]。Cu 金屬相降低飽和磁通密度的作用很小，而且與碳氮化物相比，對磁疇壁移動的阻礙作用較小[27]。采用Cu 金屬相的析出強化時，可以通過控軋控冷，使冷軋之前Cu 金屬相不析出，或不過多地析出，或控制其析出狀態(tài)，從而使熱軋板或?；宀恢劣谔貏e大地硬化和脆化，這樣就比較容易冷軋，也減少了冷軋時軋裂的發(fā)生。在冷軋之后的退火及其冷卻過程中，也可通過控制退火溫度和冷速，從而抑制Cu 金屬相的析出。用戶將成品板沖片后，再經(jīng)時效退火處理，使Cu 金屬相析出，從而獲得高的強度。這樣，在時效退火之前，鋼板一直是處于一個相對“軟質(zhì)”的狀態(tài)，冷軋及其沖片過程中的成材率相對較高。為了防止Cu 金屬相嚴重惡化磁性能，專利中一般都對Cu 金屬相的尺寸、密度做出規(guī)定。

4 關于實際應用的高強度無取向硅鋼強化方法的分析及未來技術發(fā)展趨勢

雖然我們由上述新日鐵、住友金屬關于這一產(chǎn)品的性能變化推測了該公司的日本幾大鋼鐵公司究竟在工業(yè)化生產(chǎn)的高強無取向電工鋼中采用了何種強化方法，其細節(jié)作為商業(yè)機密都進行了嚴格保護。雖然幾大鋼鐵公司都申請了很多相關專利，但涉及眾多強化手段，包括P,Mn,Ni的固溶強化、微合金元素(Ti,Nb,V,Zr)等析出強化和Cu的時效強化以及不完全再結晶的位錯強化。其中Ni,P,Mn等元素固溶強化是最早提出的，由于這三個元素固溶強化效果顯著同時對磁性能的惡化最小，如圖6所示，其中P的固溶強化效果最好，Ni其次，Mn最?。欢鴮τ诖判阅芏?，增加Ni含量提高磁感降低鐵損，效果最好；P略微增加鐵損而Mn降低磁感。據(jù)信新日鐵是通過這三個元素結合的固溶強化開發(fā)出了圖3所示的高強度無取向硅鋼系列[31]。

圖6 P,Mn和Ni固溶元素含量對無取向硅鋼性能的影響[31](a)強度;(b)鐵損和磁感Fig.6 Influence of the solute P,Mn and Ni contents on the properties of non-oriented silicon steels[31](a)yield strength;(b)iron loss and permeability

但是由于Ni的合金成本高昂，P容易導致冷脆需要特別的工藝處理，從最近各大日本鋼鐵公司的研發(fā)趨勢看，正在積極研究其他強化手段來代替。我們注意到新日鐵與住友金屬兩大公司近年來剛剛合并后，其給出的關于高強無取向硅鋼的產(chǎn)品性能如表3所示，可以看出表3所給出的在同一強度級別下的磁性能更接近表2中住友產(chǎn)品的水平，但要略好一些，但和最初圖3所示的新日鐵最初開發(fā)的薄規(guī)格高強度無取向硅鋼牌號的磁性能水平相比，實際上磁性能和強度都是下降的。這表現(xiàn)在一方面將最初的屈服強度改變?yōu)榭估瓘姸葋矶x強度水平；二是如0.35mm厚度590MPa強度水平下，其高頻鐵損磁性能W10/400由30W/kg大幅惡化到40W/kg。這種將降級的技術應用于工業(yè)生產(chǎn)，應該是因為新日鐵基于成本壓力改變了強化技術手段，很可能是將最初的Ni,Mn,P等較昂貴的固溶強化改變?yōu)樯鲜鲎∮压鹃_發(fā)的、通過加入Nb實現(xiàn)不完全再結晶進行位錯強化的經(jīng)濟手段；而其最新的Cu析出強化技術應該是該公司正在研發(fā)的最新技術，以在強化效果、更好的磁性能與成本經(jīng)濟之間達到一個更好的平衡，這一技術的未來應用潛力很大。因此，我國在研發(fā)此類鋼種時，建議充分利用我們的后發(fā)優(yōu)勢，直接研究如何通過析出強化來提高現(xiàn)有高牌號無取向硅鋼的強度，但這需要首先對各類析出強化的技術途徑進行可行性分析。

表3 新日鐵住金公司生產(chǎn)的高強度無取向硅鋼系列產(chǎn)品的磁性能和力學性能要求及其典型值 [32]

L: Rolling direction; C: Perpendicular to rolling direction

潘振東等[33]曾經(jīng)通過加入3%Mn通過Mn的固溶強化來試制高強度硅鋼，但是實驗結果發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過完全再結晶退火后，其磁性能優(yōu)秀但是其強度達不到目標；而當經(jīng)過不完全再結晶退火時，強度可以達到目標但是磁性能顯著惡化。因此，通過Mn單一元素固溶強化手段達到如此高的強化增量，還是比較有難度的，需要和析出強化相結合，而析出強化的具體手段也需要仔細分析。

低合金高強結構鋼常通過加入Ti,Nb,V等微合金元素以析出碳化物、氮化物納米粒子使得強度增加，大量的實踐證明，如果僅僅考慮析出強化效果，在加入同樣質(zhì)量元素的前提下，Ti的析出強化最明顯，因為Ti的原子量最小、密度最小，所以析出相的摩爾分數(shù)、體積分數(shù)最大。為了使得煉鋼中加入的微合金元素在控軋控冷時充分析出，需要在加熱時盡量讓加入的微合金元素固溶，對于低碳鋼而言，加熱時是在奧氏體相區(qū)，因此加熱時微合金元素大部分都要固溶在奧氏體中，這對于析出強化很重要。因為碳化物、氮化物在奧氏體中的固溶度積要顯著高于鐵素體，這一方面導致加熱時可在奧氏體中固溶更多的微合金元素；另一方面，在冷卻時由奧氏體至鐵素體相變過程中，由于兩者固溶度積的很大差別，固溶的微合金元素會以相間析出碳化物的形式彌散分布，強化效果最好。但是對于含有3%Si以及一定量Al的電工鋼而言，其相圖結構與普通碳鋼完全不同，幾乎不出現(xiàn)美-奧氏體相圈，也即在加熱時硅鋼不可能全部奧氏體化。圖7給出了3%Si-0.5%Al-0.2%Ti-0.004%N在不同Mn含量下的相圖結構，其中BCC_A2相為鐵素體，F(xiàn)CC_A1為奧氏體，F(xiàn)CC_A1#2為析出的面心立方的Ti(CN)碳氮化物。由圖7可見TiN在各Mn含量下的固溶溫度都超過1400℃，因此不可能在加熱時使得加入的Ti充分固溶。另外，在沒有Mn時，碳含量小于0.07%時在整個溫度范圍內(nèi)不出現(xiàn)奧氏體相(見圖7(a))；2%Mn時，碳大于0.1%在1200℃左右時出現(xiàn)奧氏體單相區(qū)，小于0.1%時在700～1400℃范圍內(nèi)出現(xiàn)奧氏體鐵素體兩相區(qū)，且碳含量低時奧氏體相分數(shù)很小(見圖7(b))；4%Mn時，在碳大于0.03%溫度在1200℃就出現(xiàn)了奧氏體單相區(qū)，這恰好是加熱溫度范圍，因此在成分設計時，可設計鋼中碳質(zhì)量分數(shù)(%)≈([Ti]-[N]/14×48)/48×12+0.03，在1000℃左右終軋，快速冷卻至600℃左右卷取，這樣可抑制1000℃溫度以下存在的部分奧氏體向鐵素體的相變，最終相變溫度可控制在600℃，TiC可在相變時在相界面上實現(xiàn)相間析出，顆粒尺寸細小且彌散分布，實現(xiàn)有效的析出強化。但這一工藝有如下問題需要注意，由于TiN很穩(wěn)定，在1400℃就可以析出，當鋼中氮含量較高時，1200℃以上高溫段析出大量TiN，這些高溫析出相尺寸在0.1～5μm左右，過于粗大不能起到強化的作用，因此需要盡可能降低鋼中的氮避免過多的Ti在高溫區(qū)間析出。另外，粗大的TiN顆?？赡軙D(zhuǎn)子用硅鋼片的疲勞壽命有影響，而且最終成品鋼中還有剩余的固溶碳約0.03%，這將會導致服役時顯著的磁致時效。因此通過加入Ti的析出強化達到目標強度，困難重重。

圖7 Mn對成分為3%Si-0.5%Al-0.004%N-0.2%Ti的Fe-C相圖的影響(圖中FCC_A1#2為Ti(CN))由ThermoCalc軟件和TCFe數(shù)據(jù)庫計算(a)0Mn,(b)2%Mn;(c)4%Mn;(d)4%Mn時，Ti(CN)在各溫度下析出量Fig.7 Influence of Mn on Fe-C phase diagram of 3%Si-0.5%Al-0.004%N-0.2%Ti (FCC_A1#2 is Ti(CN)), calculated by ThermoCalc software with TCFe 7 database (a)0Mn,(b)2%Mn;(c)4%Mn;(d)amount of Ti(CN) precipitated at different temperatures in the case of 4%Mn

采用類似地方法可以分析Nb在硅鋼中的強化途徑，假設成分體系中已經(jīng)加入了1%Mn-3%Ni固溶強化并同時在高溫下獲得足夠多的奧氏體化相，分別加入0.2%Nb和0.5%Nb的相圖結構如圖8所示，圖中BCC_A2相為鐵素體，F(xiàn)CC_A1為奧氏體，F(xiàn)CC_A1#2為析出的面心立方的Nb(CN)。0.2%Nb-0.02%C對應的固溶溫度為1200℃，雖然此時沒有單一奧氏體相區(qū)而只有奧氏體鐵素體兩相區(qū)，但Nb可以完全固溶，如果維持較高的終軋溫度和軋后快速冷卻，其中的奧氏體區(qū)域相變至鐵素體時會引起相間析出，而鐵素體區(qū)域則只會沿晶析出少量Nb(CN)。因此此時的析出相的分布可能是不均勻的，且此時成品鋼中固溶碳為0.02-([Nb]-[N]/14×96)/96×12≈0，即加入鋼中的碳恰好可以全部析出，保證了服役過程無遲滯時效。析出體積分數(shù)約0.2%，若析出相平均尺寸在5nm左右，析出強化貢獻可達200MPa左右，而具有3%Si+0.5%Al成分的高牌號無取向硅鋼(如50W270或者50W250牌號)屈服強度已經(jīng)超過了400MPa，Mn、Ni的固溶強化按照圖6(a)的數(shù)據(jù)就可以貢獻150～200MPa強化使得屈服強度提高到550～600MPa，如果再加上析出強化的貢獻，屈服強度可達到700～800MPa左右，因此達到目標要求強度是可能的。如果進一步提高Nb含量至0.5%,一方面使得NbN的固溶溫度顯著升高，1200℃固溶時所要求的碳含量不超過0.01%，導致最終析出的NbC數(shù)量顯著減少；另一方面，0.2%Nb時奧氏體單相區(qū)的鼻尖溫度和碳含量為1150℃和0.04%C，而0.5%Nb時顯著右移至1150℃和0.07%C，這意味著Nb含量升高導致在同一溫度、成分下形成的奧氏體數(shù)量減少，因此在隨后冷卻過程中析出NbC的分布將更不均勻。即Nb含量過高反而不利于強化，最佳成分在0.2%Nb-0.02%C，成分和熱軋工藝窗口均很狹窄。另外，無論是固溶的Nb還是析出的Nb都會顯著抑制再結晶。住友金屬利用此特性通過含Nb的高硅鋼經(jīng)不完全再結晶退火得到高強度無取向硅鋼[22]，這一方法成本經(jīng)濟、簡單易行、強化效果明顯，但是得到的硅鋼片高頻鐵損依然不低，顯著高于新日鐵的HST牌號，只能適用于要求不高的驅(qū)動電機。

圖8 Nb對3%Si-0.5%Al-0.004%N-1%Mn-3%Ni的Fe-C相圖的影響(圖中FCC_A1#2為析出的Nb(CN))(a)0.2%Nb;(b)0.5%NbFig.8 Influence of Nb on the Fe-C phase diagram with 3%Si-0.5%Al-0.004%N-1%Mn-3%Ni(FCC_A1#2 is Nb(CN)) (a)0.2%Nb;(b)0.5%Nb

新日鐵最新專利中的Cu析出強化路線似乎是個可行的選擇，一是因為Cu本身就是奧氏體穩(wěn)定化元素，可以有限擴大奧氏體相區(qū)，如圖9的Fe-Cu二元相圖所示，奧氏體中Cu的最大固溶量可以超過10%。當富Cu奧氏體在840℃左右轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體后，Cu在鐵素體中的固溶度隨著溫度下降急劇降低，在400～500℃時幾乎全部析出；與Ti、Nb等的析出強化相比，一是避免了大量加入Mn、Ni以便在高溫下形成奧氏體相來固溶碳化物，因此成本相對經(jīng)濟；另外，因為不是通過碳化物、氮化物析出強化，所以在煉鋼時不需要在鋼中預留足夠碳含量以供后續(xù)析出，而是直接得到超低碳含量，也不需要在熱軋、卷取和退火時控制碳化物氮化物的析出，因此工藝相對簡單；而且Cu在鐵素體相中的析出強化同時并不會損害硅鋼片的磁性能，因此Cu是理想的強化相；最后，Cu在鐵素體中低溫下固溶度很小，在結構鋼中Cu的時效析出強化是個成熟的技術，通常就是在鐵素體相區(qū)400～600℃區(qū)間進行回火，大量的Cu就可以析出，其強度貢獻與Cu的析出量成正比；有實驗證明，對于含1.8%Cu的Fe-Cu合金在1000℃固溶后淬火然后在475℃時效，其屈服強度最大可增加365 MPa[34-36]。而對于新日鐵的高強度無取向硅鋼產(chǎn)品而言，其強度相較于普通無取向硅鋼需提高近300MPa，因此可以通過加入Cu后時效析出強化實現(xiàn)這一目標。新日鐵2012年針對此技術的美國專利中所保護的Cu含量范圍為0.8%～8%，經(jīng)300～720℃區(qū)間內(nèi)某一溫度時效處理析出Cu析出相，平均尺寸<0.1μm[10]，可以達到圖2所示的強度與磁性能區(qū)間。很明顯，這個工藝窗口是出于隱藏真正的工藝參數(shù)而故意寬化的。仔細研究該專利文獻和依據(jù)在結構鋼中Cu的時效強化的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，最佳Cu含量應該為2%～3.5%，熱處理溫度窗口為400～550℃，具體保溫時間需要通過實驗研究來摸索，但是應該遵循溫度越高時間越短的原則?？偟膩碚f，Cu析出強化的熱軋工藝控制窗口寬泛，不需要額外的P，Mn，Ni等的固溶強化和Nb、Ti的析出強化，簡單易行，因此工藝上容易實現(xiàn)，而且在實現(xiàn)強化的同時不會損耗磁性能。但是，鋼中加入Cu帶來的一個顯著問題就是會引起熱脆，如圖9所示，因為Cu的熔點低，在1094℃就會出現(xiàn)液相，尤其是在氧化性氣氛下，S和Cu同時在晶界偏聚時，就會在加熱、熱軋時沿晶產(chǎn)生液相，導致嚴重的表面裂紋。因此，為克服這一問題，一是要控制鋼中的硫含量，不能超過0.01%；盡量縮短加熱和熱軋時在高溫區(qū)的停留時間，節(jié)奏快、效率高的薄板坯連鑄連軋工藝應該是合適的工藝；另外，還要在鋼中加入Ni，其加入量通常為Cu含量的1/8～1/2，上限最好不超過2.5%。Ni的加入不僅僅是可以避免由于Cu所導致的熱脆[37,38]，同時也可以起到固溶強化作用，而且會改變Cu析出的形貌與尺寸，使得Cu的析出強化作用也會增強。另外，根據(jù)現(xiàn)有的銅含量在0.5%左右的取向硅鋼品種的生產(chǎn)時，并沒有發(fā)現(xiàn)嚴重的Cu熱脆問題，因此這為更高Cu含量的無取向硅鋼的工業(yè)生產(chǎn)奠定了信心。

圖9 Fe-Cu二元相圖(FCC_A1#2是析出的金屬Cu相)Fig.9 Binary phase diagram of Fe-Cu (FCC_A1#2 is the copper-precipitate)

5 結束語

本文系統(tǒng)介紹了混合動力汽車和電動汽車所用驅(qū)動電機的特點和類型，以及驅(qū)動電機對無取向硅鋼片的要求，即高強度、高磁感和低高頻鐵損。然后介紹了在業(yè)界領先的日本鋼鐵公司關于高強無取向硅鋼片生產(chǎn)技術相關專利的具體內(nèi)容，歸納了實現(xiàn)高強度的技術途徑。尤其是通過分析新日鐵公司關于這一產(chǎn)品性能在近年來的變化，總結出新日鐵公司過去、現(xiàn)在和未來生產(chǎn)高強度無取向硅鋼的可能技術途徑。并通過熱力學相圖計算詳細分析了無取向硅鋼中加入Ti、Nb析出強化的可能成分和工藝。發(fā)現(xiàn)加入Ti析出強化達到目標屈服強度的難度很大；而加入Nb進行析出強化時，成分為0.02%C-0.2%Nb，加熱溫度為1200℃，保持盡可能高的終軋溫度并快冷至600℃左右卷取，并要同時加入足夠量的Ni和Mn，一是固溶強化，二是盡可能擴大加熱時的奧氏體分數(shù)，當所有這些條件具備時是可以達到目標屈服強度的，但成分和工藝窗口狹窄，且同時要求加入Ni和Mn；而通過Cu的析出強化途徑，其成分和工藝設計簡單、操作窗口靈活，成本相對經(jīng)濟，工業(yè)可行性高。

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Progress on the Research of High-strength Non-oriented Silicon Steel Sheets in Traction Motors of Hybrid/Electrical Vehicles

GONG Jian，LUO Hai-wen

(School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The characteristics and types of traction motors for hybrid/electrical vehicles and the requirements to non-orientation silicon steel sheets were systematically reviewed. It was summed up that the non-orientation silicon steel sheets, which are suitable for traction motor, not only require high strength, fatigue properties, but also good magnetic properties, i.e. high permeability and low iron loss at high frequency. The specific contents of the relevant patents on the high strength non-orientation silicon steel sheets of the leading Iron and Steel Companies in Japan were introduced comprehensively, and the involved technological routes in the patents were analysized with thermodynamic calculations. It was concluded that precipitation strengthening technological route is the future developing trend. Particulary, Ti precipitation strengthening is not feasible; Nb precipitation strengthening is feasible but the composition and process window is narrow, and must be combined with the solution strengthening of Ni, Mn; while Cu precipitation strengthening process is simple, cost-effective, and practical.

hybrid/electrical vehicle; traction motor; high strength non-oriented silicon steel; high permeability; low iron loss

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.06.016

TG142.7

A

1001-4381(2015)06-0102-11

國家自然科學基金委員會-寶鋼集團有限公司鋼鐵聯(lián)合研究基金項目(U1460203)；國家國際科技合作專項項目(2015DFG51950)

2014-12-26;

2015-03-15

羅海文(1972—)，男，教授，博士，現(xiàn)從事先進鋼鐵材料研發(fā)，聯(lián)系地址：北京市學院路30號北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院(100083)，E-mail: luohaiwen@ustb.edu.cn