一种含碳极低的硅铁软磁合金,一般含硅量为0.5~4.5%。加入硅可提高铁的电阻率和 大磁导率,降低矫顽力、铁芯损耗(铁损)和磁时效。主要用来制作各种变压器、电动机和发电机的铁芯。世界硅钢片产量约占钢材总量的1%(见精密合金)。

中国于1953年开始生产热轧低硅硅钢片(Si1~2%);1955年开始生产热轧高硅硅钢片(Si3.0~4.5%);1962年开始生产冷轧取向薄硅钢带。70年代开始生产冷轧取向硅钢带。

对硅钢性能的要求 主要是:①铁损低,这是硅钢片质量的 重要指标。各国都根据铁损值划分牌号,铁损愈低,牌号愈高。②较强磁场下磁感应强度(磁感)高,这使电机和变压器的铁芯体积与重量减小,节约硅钢片、铜线和绝缘材料等。③表面光滑、平整和厚度均匀,可以提高铁芯的填充系数。④冲片性好,对制造微型、小型电动机更为重要。⑤表面绝缘膜的附着性和焊接性良好,能防蚀和改善冲片性。⑥基本无磁时效。

硅钢片一般随硅含量提高,铁损、冲片性和磁感降低,硬度增高(图3)。工作频率愈高,涡流损耗愈大,选用的硅钢片应当愈薄。硅钢片的主要用途与厚度和含硅量的关系见表2。

冶炼和轧制 硅钢主要用氧气转炉冶炼(也可用电弧炉冶炼),配合钢水真空处理和AOD技术(见炉外精炼,采用模铸或连铸法。根据不同的用途,冶炼时改变硅(0.5~4.5%)和铝(0.2~0.5%)含量以满足不同磁性的要求。高牌号硅钢片的硅和铝量相应提高。碳、硫和夹杂物尽量减少。

冷轧硅钢片的磁性、表面质量、填充系数和冲片性比热轧硅钢片好,并可成卷生产,所以从60年代开始有些国家已停止生产热轧硅钢片。中国采用约 900℃低温一次快速热轧和氢气保护下成垛退火方法制造热轧硅钢片,成材率较高,成品表面质量和磁性都较好。

冷轧无取向硅钢片是将钢坯或连铸坯热轧成厚度约2.3mm带卷。制造低硅产品时,热轧带卷酸洗后一次冷轧到 0.5mm厚。制造高硅产品时,热轧带酸洗后(或先经800~850℃常化后再酸洗),冷轧到0.55或0.37mm厚,在氢氮混合气氛连续炉中850℃退火,再经6~10%小压下率冷轧到0.50或0.35mm厚。这个小压下率的冷轧可使退火时晶粒长大,铁损降低。这两种冷轧板都在20%氢氮混合气氛下连续炉中850℃ 终退火,然后涂磷酸盐加铬酸盐的绝缘膜。晶粒取向硅钢一般都含Si3%,要求钢中氧化物夹杂含量低,并必须含有C0.03~0.05%和抑制剂(第二相弥散质点或晶界偏析元素)。抑制剂的作用是阻止初次再结晶晶粒长大和促进二次再结晶的发展,从而获得高的(110)【001】取向。抑制剂本身对磁性有害,所以在完成抑制作用后,须经高温净化退火。采用第二相抑制剂时,板坯加热温度必须提高到使原来粗大第二相质点固溶,随后热轧或常化时再以细小质点析出,以便增强抑制作用。冷轧成品厚度为0.28、0.30或0.35mm,工艺要点见表3。冷轧取向薄硅钢带是将0.30或0.35mm厚的取向硅钢带,再经酸洗、冷轧和退火制成。

硅钢片的种类

(1)按硅钢片可分为四类:低硅钢(含硅0.8~1.8%),中硅钢(含硅1.8~2.8%),较高硅钢(含硅2.8~3.8%)及高硅钢(含硅 3.8~4.8%)。

(2)按轧制方法可分为热轧硅钢片和冷轧硅钢片。

(3)按晶粒取向可分为定向电磁硅钢板和无定向电磁硅钢板。

冷轧硅钢片的化学成分及其性能

冷轧硅钢片的化学成分大致为3%~5%的硅、0.06%的碳、0.15%的锰、0.03%的磷、0.25%的硫和5.1~8.5%的铝,其余为铁。这些元素在硅钢片中的作用是:

(1) 碳(C)会增大钢板的磁滞损耗。

(2) 硅(Si)可以减弱碳的不良作用,即减少磁滞损耗,同时又可提高磁导率和电阻率,延长长期使用带来的磁性变坏的老化作用。

(3) 硫(S)会使硅钢片产生热脆,增加磁滞损耗,降低磁感应强度。

(4) 锰(Mn)能促使钢中产生相变,使脱碳和脱硫进行不利,因而导致磁感的降低。

钢中存在的杂质元素都是非磁性或弱磁性物质,它们的存在,造成晶格歪扭、错位、空位和内应力,因而磁化困难。

硅钢片的分类

热轧硅钢片

热轧硅钢片是将Fe-Si合金用平炉或电炉熔融,进行反复热轧成薄板, 后在800-850℃退火后制成。热轧硅钢片主要用于发电机的制造,故又称热轧电机硅钢片,但其可利用率低,能量损耗大,近年相关部门已强冷要求淘汰。[3]

冷轧无取向硅钢片

冷轧无取向硅钢片 主要的用途是用于发电机制造,故又称冷轧电机硅钢。其含硅量0.5%-3.0%,经冷轧至成品厚度,供应态多为0.35mm和0.5mm厚的钢带。冷轧无取向硅钢的Bs高于取向硅钢;与热轧硅钢相比,其厚度均匀,尺寸精度高,表面光滑平整,从而提高了填充系数和材料的磁性能。

冷轧取向硅钢片

冷轧取向硅钢带 主要的用途是用于变压器制造,所以又称冷轧变压器硅钢。与冷轧无取向硅钢相比,取向硅钢的磁性具有强烈的方向性;在易磁化的轧制方向上具有优越的高磁导率与低损耗特性。取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3,磁导率之比为6:1,其铁损约为热轧带的1/2,磁导率为后者的2.5倍。

高磁感冷轧取向矽钢片

高磁感冷轧硅钢带皆为单取向钢带,主要用于电信与仪表工业中的各种变压器、扼流圈等电磁元件的制造。其应用场合有两个主要特点,一是小电流即弱磁场条件下,要求材料在弱磁场范围内具有高的磁性能,即高的μ0 值和高的B值;第二个特点是使用频率高,通常都在400Hz以上,甚至高达2MHz。为减小涡流损耗和交变磁场下的有效磁导率,一般使用0.05-0.20mm的薄带。

硅钢片的应用

1、高速电机

功率为1.2KW,转速4000r/min的三相异步电机。为了比较不同硅钢板的铁损特性,日本岛津制作所使用65R—B、80R—B两种高硅硅钢板及50A400、35A300两种无取向硅钢板制作4种规格电机。由于将各铁芯的铁耗作为研究重点,特性试验采用没有时间高次谐波影响的正弦波电源,频率在不大于300Hz:的范围内进行。在各频率下进行空载试验。端电压自2倍额定电压缓慢降低,测定其电流和输入功率,由输入功率减去定子铜耗和机械耗得出铁耗。在热轧后退火处理的80R—B高硅钢板比一般50A400的硅钢的铁损低40%,比35A300低20%。而不进行退火处理的65R—B高硅钢板的铁损在工频范围也比50A400低,但在高频范围,则和35A300大致相当的。因此,从降低铁耗、提高效率来看,高硅钢板的退火处理是很重要的。另外,对于65R—B硅钢板,虽然铁耗大一些,但因为它有很高的机械强度,能承受超高速下的超大离心力,适宜于作为超高速电机的转子零件。

NKK把这种高硅电工钢的使用瞄准在电动机车上,如果电动机车仍靠电池充电作为动力的话,那么,减少电源损失是十分重要的。

2、变压器

将3%si的取向硅钢片放置在叠片铁芯厚度方向上的中间部位上,其两侧所叠放的铁芯是6.5%si的硅钢片,共同组成了铁芯。并且该铁芯的铁芯柱截面中6.5%si的硅钢片所占的比率比轭部要大一些。

该铁芯的结构可使50H和60H基本周波成分由取向硅钢承受大部分,而高周波成分由6.5%si的硅钢片所承受。因此,在铁芯柱漏损的高周波磁通量占主磁通量中的高周波成分比率变得很小,那么轭部与铁芯柱的磁通波形成不平衡得以消解,噪音(变压器铁芯产生的噪音是在磁力循环中由铁芯片持续胀缩引起的,即交流磁致伸缩现象)大幅度降低,例如,在逆变器电源用变压器中,可达到20~30db的低噪音。故,用6.5%Si的硅钢片制作的铁芯可以实现小型化。6.5%si电工钢这种具有低损耗、低噪音的软磁材料可使电气电子设备小型化、高速化。为了克服高硅电工钢板脆性大的不利因素,近年来,通过添加第三元素(镍、猛、铝)来改善其加工性能的研究,已取得了一定的效果。