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卷绕铁芯材料硅钢片中基本合金元素的作用

作者:威博特铁芯   发布时间:2016-07-31 19:54      浏览次数:128
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    硅钢和其它金属材料一样,其磁性性能主要由其内部组织结构所控制,众所周知,组织结构的确立又与其合金元素密切相关,织构、金属间化合物的形成及析出,合金元素的偏析等将对硅钢的铁损和磁感应强度产生重要影响。
    硅钢的牌号不同,其化学组成也不同,但其基本组成包括三大类元素。第一类为其基本合金元素即:C、Si、Mn等;第二类为杂质元素:P、Al、S、N、B、Cu等;第三类为特殊用途合金元素如:Sb、Sn等。
    基本合金元素的作用
    1 碳元素
  首先应考虑硅钢中含碳引起的严重现象,若成品中残留碳,则出现磁时效,磁时效的发生取决于碳含量。如果磁时效在马达或其它电气设备中产生,那么铁损值就可增加到初始值的二倍,设备就会受到损坏,因此碳对软磁材料的磁性极为有害。碳会增大α-Fe的矫顽力,加大磁滞损失,降低磁感应强度,所以高级优质硅钢片中碳含量要求在0.020%,甚至0.010%以下。一般说来,碳对磁性的影响程度随钢中硅含量的不同而不同;碳存在的形态不同,对磁性的影响也不同。有人认为晶界上渗碳体对磁性影响较晶粒内部小,但会使硅钢片塑性显著变坏。碳使硅钢片磁导率降低,而且又是形成磁时效的主要元素之一。
  Ueno K等人采用不同硅含量的各种牌号无取向电工钢,在150℃下时效30000h,通过调整残留碳量研究最终产品的铁损。图1所示是硅含量为0.3%的无取向硅钢的铁损(p15/50)随碳含量的变化。当碳含量为0.0045%时,时效1000h后,铁损增加20%,而时效时间从1000h增加到10000h,不管残留碳多少,铁损均不发生变化,但时效后的铁损仍随残留碳量增加而增大。

不同残留碳量硅钢的铁损增加与时效时间的关系
图 1 不同残留碳量硅钢的铁损增加与时效时间的关系

    图2表示硅含量分别为3.0%、2.0 %和0.3%三种无取向电工钢由于时效引起的铁损最大增量与残留碳量的关系,由图可知,时效现象几乎和硅含量无关,铁损劣化速度仅与残留碳量有关。

    2 硅的作用
  硅能显著减少硅钢内的涡流损失,从而总铁芯损失减少(表1)。硅还可以提高相图中A3线和降低A4线临界温度,在Fe-Si相图中形成闭合的γ-圈。当含2.5%~15%Si时为单相α-Fe。所以高硅硅钢片多经高温退火来使组织均匀,晶粒粗化,夹杂聚集。硅可以减少晶体各向异性,使磁化容易,磁阻减少。硅对电阻率及其它固有磁性的影响如图3所示。硅能显著提高α-Fe比电阻,因而减少涡流损失。在强磁场作用下,硅使硅钢片的磁导率下降。

铁损最大增量与残留碳量的关系
   图 2 铁损最大增量与残留碳量的关系

    还能减轻钢中其它杂质的危害,使碳石墨化,降低对磁性的有害影响。硅和氧有强亲和力,起脱氧作用。硅可减少碳、氧和氮在α-Fe中脱溶引起的磁时效现象。硅还能与氮化合成氮化硅,硅高时氮在钢中的溶解度可降低。
        表 1 硅含量对各种损失的影响              

1 T下损失/W*kg1

钢中硅含量/%

0.5

1.0

2.5

4.0

磁滞损失(ph)

2.20

1.90

1.68

1.06

涡流损失(pe)

1.15

0.78

0.38

0.16

总铁芯损失(p10)

3.35

2.68

2.06

1.22

 

硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响
图 3 硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响

    硅除对电工钢上述有利作用外,硅也会使钢变脆。目前已研究成功含硅6.5%的硅钢片,高硅硅钢导热性低,钢带冷却和加热时容易发生内裂。
  随着硅含量的增加,硅钢片的硬度也随之升高,且易氧化生锈,在其表面形成氧化膜,结果导致硅钢用户冲片用的模具变得容易损坏。

    3 锰的作用
  新日本钢铁会社研究了非常洁净的低硅高锰钢,试验发现,高的锰含量可以改善晶体结构,加1.0%Mn后,带钢晶体组织中(100)和(110)晶面增加,(111)晶面减少,磁性显著改善。
  一般认为,过多的锰会对磁性产生有害的影响,这是因为它使织构变坏,并且形成不需要的沉淀物MnS,但当在生产过程中,利用十分洁净的钢,就可以使锰对织构控制起有利作用。
  另外,锰是防止热脆不可缺少的元素,其含量应控制在0.1%以上,锰会提高碳在铁中的溶解度,扩大γ相区,与碳化合成渗碳体,故锰的含量也不宜过高,一般不超过1.5%。