高磁感取向硅钢研究开发的关键工艺及其研究进展

杨明波，谭 磊，李上民，胡 捷，邹 红，熊必润，张 驰

（1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054；2.重庆望变电气（集团）股份有限公司，重庆 401220）

高磁感取向硅钢（也称Hi-B钢）因具有优异的磁感强度、磁性能以及较低的铁损等优点，常被用于各种大中型电力变压器的制造。近年来，随着电力行业对特高压需求和新能源汽车的发展，研究开发高性能的高磁钢取向硅钢，对电力变压器满足现在的使用要求和未来发展意义重大［1-2］。众所周知，高磁感取向硅钢的生产方式目前主要包括热轧工序采用板坯高温（1 380℃以上）热轧以及低温（1 280℃以下）热轧+渗氮处理，而2种生产方式的工艺环节均主要包括成份设计、冶炼、热连轧、冷轧、脱碳退火、渗氮处理、高温退火、拉伸退火、表面涂层和／或激光刻痕等。在这些工艺环节中，由于常规成份设计、冶炼、热连轧、冷轧、脱碳退火、高温退火和拉伸退火等工艺环节研究开发的时间相对较长，技术开发相对较为成熟，因此在近20年的时间里，国内外研究开发的重点主要集中在稀土微合金化成份设计、抑制剂形成、渗氮处理和表面涂层和／或激光刻痕等对高磁感取向硅钢磁性能和铁损等影响较大的关键工艺环节，并对此开展了大量的研究，取得了许多积极的成果。对此，本文综述了高磁感取向硅钢开发过程中与这些关键工艺相关的研究现状及取得的最新进展。

1 稀土微合金化

众所周知，对于钢铁材料，其化学成分不仅影响材料最初的组织结构，而且还会由于热处理工艺不同而影响其最终的显微组织，从而影响材料的性能。由于高磁感取向硅钢的主要组织特征是晶粒中的高斯织构，即晶粒取向度趋于｛110｝＜001＞，而高斯织构主要是在高温退火升温阶段由｛110｝＜001＞晶粒发生二次再结晶异常长大得到。很显然，要使这种位向的晶粒长大，需要在基体中形成弥散的第二相质点或者杂质以及合金元素在晶界偏聚，以此来限制原始晶粒的长大，从而达到细化晶粒目的。因此，为了控制高磁感取向硅钢中初次晶粒的长大，其组织中存在细小弥散的析出相质点或者存在有利于晶界偏聚的元素至关重要［3］。

研究表明［3-4］：在钢铁材料中添加稀土元素，不但能有效去除有害杂质物和细化晶粒，还能形成高熔点化合物和结晶核心，从而细化材料组织。目前，对于高磁感取向硅钢，其稀土微合金化的研究主要集中在Ce和La元素上。已有研究结果发现［5］：在高磁感取向硅钢中添加稀土元素Ce或La，不但可增加沿着高斯（Goss）织构长大的晶粒的密度，而且还有利于退火过程中高斯织构的发展。渠美清等［6］研究了稀土Ce对取向硅钢组织及抑制剂演变规律的影响，发现Ce添加对抑制剂析出的种类影响不明显，但Ce添加改善了取向硅钢的纯净度水平，形成了较大的初次再结晶晶粒和提高了组织的均匀化程度，同时Ce添加还使析出的抑制剂更加细小和弥散分布且在卷取过程中还能有效抑制AlN析出和防止MnS粗化，从而使取向硅钢的性能得到明显改善和提高。此外，陈志军等［7］也研究了稀土Ce对取向硅钢脱碳退火组织及抑制剂的影响，发现随着退火温度增加，含Ce样品脱碳退火组织中抑制剂析出相的尺寸粗化不明显，并且在相同温度下，含Ce样品组织中抑制剂析出相的分布密度较大且分布比较均匀。至于添加稀土 La的影响，孙明双［8］发现微量 La（11×10-6）对取向硅钢组织中抑制剂的类型也没有明显影响，但对取向硅钢组织中MnS和Cu2S抑制剂的溶解有抑制作用。

尽管稀土元素微合金化对高磁感取向硅钢存在一些积极的作用，但由于稀土元素微合金化会在取向硅钢中形成稀土化合物，而稀土化合物的溶解温度通常较高，其在取向硅钢高温退火过程中对于抑制剂的溶解是不利的，从而对取向硅钢最终组织及织构的演变产生一定的影响［9］。因此，对于高磁感取向硅钢的稀土元素微合金化，需要结合具体的工艺过程和性能要求进行综合系统考虑。

2 抑制剂形成

众所周知，为了使高磁感取向硅钢组织中的二次再结晶晶粒（Goss取向晶粒）得到发展，必须有抑制剂在取向硅钢组织中弥散分布，以有效控制二次再结晶退火过程中其他位向再结晶晶粒的正常长大，从而达到提高Goss位向晶粒的密度和磁性能这一目的。因此，抑制剂对于高磁钢取向硅钢最终的磁性能起着关键作用。在实际生产过程中，为使高磁感取向硅钢成品的最终组织获得单一高斯织构并具有优良的磁性能，通常采用细小弥散的第二相质点以及单质元素溶质作为其抑制剂，通过钉扎作用和晶界的偏聚作用，在脱碳退火和最终高温退火升温过程中抑制初次再结晶晶粒的正常长大，并使具有｛110｝〈001〉位向的初次晶粒（二次晶核）能够吞并周围的其他初次晶粒发生二次再结晶而异常长大［10］。

一般而言，高磁感取向硅钢中的抑制剂可分为2类［11-12］：一类主要是硫化物和氮化物之类的化合物（如 MnS、AlN、MnS和Cu2S等），另一类为具有晶界偏析倾向的单质元素（如Sn、Sb和Mo等）。其中MnS和AlN化合物主要作为高磁感取向硅钢高温（1 350～1 420℃）加热时的抑制剂，而AlN化合物虽然也可用作中温（1 250～1 300℃）和低温（1 150～1 250℃）加热时的抑制剂，但采用中温加热工艺时需要同时添加Cu2S和MnS作为辅助抑制剂，而采用低温加热工艺时则需要在发生二次再结晶之前进行渗氮处理。基于此，高磁感取向硅钢组织中抑制剂的形成研究主要涉及成份设计和工艺控制来调控材料的组织和性能这2个方面。

目前，一些新型的高磁感取向硅钢抑制剂也正在发展之中，基本发展思路是在钢冶炼时添加少量溶质元素（如0.01～0.15 wt.%Cu、Cr和／或0.005～0.1 wt.%Sb、Mo和 Bi等），以代替固溶和析出温度高的AlN化合物，从而在高磁感取向硅钢组织中形成新的抑制剂［11］。除了单独添加和／或复合添加少量的单质溶质元素作为抑制剂外，一些新型的化合物抑制剂（如Nb（C，N））也得到了发展。据报道［13］：Nb（C，N）在钢中具有固溶温度低、析出尺寸小、粗化速率小和抑制作用更强等优点，可以很好满足作为取向硅钢抑制剂的基本特征和优势。同时，与AlN和MnS等高磁感取向硅钢的传统化合物抑制剂相比，Nb（C，N）作为抑制剂可以在取向硅钢组织中得到高体积分数的高斯织构和相对最低的铁损。已有研究表明［14］：Nb（C，N）的形成主要与取向硅钢中Nb元素的添加有关。刘彪等［14］研究了Nb对低温取向硅钢高斯织构演变的影响，发现在取向硅钢中添加Nb元素，可以得到纳米级的 Nb（C，N）与 MnS和 Cu2S复合析出相，并且含Nb取向硅钢高温退火后的Goss织构体积分数可达到74.6%，而不含Nb取向硅钢Goss织构体积分数只有39.7%。此外，汪勇等［15］发现：Nb作为一种强碳化物形成元素，容易在高磁感取向硅钢中形成固溶温度较低的碳化物、氮化物及碳氮化物，可降低取向硅钢板坯的再加热温度，从而最终使材料的成品率提高和成本降低。

3 渗氮处理

渗氮处理主要用于低温法生产高磁感取向硅钢，这主要是由于低温法生产高磁感取向硅钢降低了板坯的加热温度，使得在取向硅钢热轧等过程中不能获得足够数量的内生抑制剂。因此，需要在高温退火前对取向硅钢进行渗氮处理，从而增大取向硅钢组织中的氮含量、提高抑制剂数量和增强抑制力［16］。

一般而言，根据渗氮温度的不同，低温法生产高磁感取向硅钢渗氮处理可以分为高温渗氮和低温渗氮，温度分别控制在900～1 050℃和650～800℃［17］。目前，高磁感取向硅钢的渗氮方式主要有气体渗氮、纳米复合电沉积渗氮、盐浴渗氮以及离子渗氮等［18-19］。气体渗氮主要包括平衡渗氮和非平衡渗氮。由于平衡渗氮法的处理时间较长会导致取向硅钢成本增加，因此目前得到应用的气体渗氮工艺主要是利用氨气分解进行非平衡渗氮，其机理在于高温退火升温时通过提高退火气氛中N2的比例，从而防止AlN等抑制剂提前分解和形成少量（Al，Si）N化合物，并最终增强AlN析出相的抑制力［19］。纳米复合电沉积渗氮是利用镀液含有的纳米AlN颗粒，通过电镀方式在取向硅钢表面形成Fe-AlN复合镀层，而盐浴渗氮法则是在配制好的氰化物盐熔融液体中对取向硅钢进行时效处理，通过调整电流密度或取向硅钢板／带材的通过速度来控制渗氮量［19］。至于离子渗氮，其机理则主要是将取向硅钢置于放电装置中，分别以渗氮炉炉壁和取向硅钢样品为阳极和阴极，并通过在这2个极之间施加电压使炉内气体电离，然后通过产生的离子高速轰击取向硅钢板／带材表面并向内部渗透。

此外，已有研究发现［20］：不同的渗氮工艺一般具有不同的技术要求。日本新日铁公司进行渗氮处理一般在脱碳退火后到高温退火之间，渗氮温度控制在750～770℃范围；韩国浦项公司则是将脱碳和渗氮同时进行，并采用BN作为抑制剂；而国内首钢是在脱碳后进行渗氮，同时为增加N的渗透和扩散，采用了850～1 000℃较高的渗氮温度。目前，渗氮工艺对于取向硅钢组织和性能的影响主要围绕渗氮工艺对获得抑制剂的影响方面开展较多。骆新根等［17］研究了渗氮温度对低温高磁感取向硅钢抑制剂状态的影响，发现较低渗氮温度有利于渗氮量的提高，并且660℃和770℃下渗氮后的表层析出相主要为Si3N4且主要分布于晶内和／或晶界处，而900℃下渗氮的表层析出相主要为Si3N4转化成的（Al，Si）N相。很显然，在高磁感取向硅钢实际退火渗氮过程中均需严格控制退火温度、渗氮气氛和时间等工艺参数，以确保满足高磁感取向硅钢最终所需的磁性能。仇圣桃等［10］总结了国内外各钢厂或研究机构脱碳退火及渗氮处理的主要技术特点，如表1所示。

表1 各钢厂或研究机构脱碳退火及渗氮处理的主要技术特点

4 表面绝缘涂层制备

表面绝缘涂层制备是高磁感取向硅钢生产的最后一道工序，其对取向硅钢绝缘性、附着性、冲片性、耐蚀耐锈性以及后续的使用等均存在较大影响。目前，衡量表面绝缘涂层的质量标准是良好的电绝缘性、涂层附着性、较好的冲剪加工性、焊接性及耐蚀耐热性、能适应高温退火（700～800℃）并具有高的叠装系数和表面颜色均匀等。一般情况下，取向硅钢表面需涂覆0.5～5μm厚的绝缘涂层，一方面起着绝缘效果，使取向硅钢片具有较高的层间电阻率和使层间功率损失降为最小，同时在储存、运输和使用过程中免受各种腐蚀介质的侵蚀和锈蚀；另一方面还能产生一定张力，从而细化磁畴和提高取向硅钢的磁性能［21-22］。

目前，国内外研究使用的高磁感取向硅钢表面绝缘涂层主要包括有机涂层、无机涂层和半无机涂层3大类，其组成和性能特点为［22-23］：① 有机涂层主要包括丙烯酸树脂、醋酸乙烯树脂、改性醇酸树酯和环氧树脂等有机树脂。有机涂层虽然具有成膜性、绝缘性和抗冲击性好以及剪切冲片性和层间电阻较高等优点，但也存在漆膜硬度低、热收缩变形大、耐热性和焊接性差等不足，因此目前已逐渐被淘汰。②半无机涂层是将磷酸盐和铬酸盐无机溶液与乳胶树脂溶液混合后制备而成的绝缘涂层，同时还一般在铬酸盐中加入氟碳树脂以提高其冲压性；半无机涂层具有剪切冲片性和涂层附着性好等优点，其是目前取向硅钢使用最多的表面绝缘涂层。然而，由于半无机涂层中含有对人体有害的铬元素，不符合环保要求，从而使其应用受到一定的限制。③无机涂层主要以磷酸盐和磷酸铝基涂料来形成绝缘涂层，该涂层虽然耐高温且具有电绝缘性、附着性和焊接性能好以及热膨胀系数小和拉应力大等优点，但同时也具有涂覆硬度大和冲剪性能差等不足。

众所周知，表面绝缘涂层使用在高磁感取向硅钢表面上，可以保证叠片的性能稳定和良好的绝缘性，从而满足高磁通量要求。同时，均匀光滑的表面绝缘涂层还能提高取向硅钢的表面质量。此外，黏度高和成分稳定的表面绝缘涂层还能形成一定的张力，从而使取向硅钢的磁畴细化和铁损降低。实际上，张力绝缘涂层就是在此基础上发展起来的。考虑到细化磁畴和降低铁损是张力涂层在高磁感取向硅钢中的作用之一，而经过物理刻痕后的取向硅钢表面具有压应力，且其与轧制方向相平行的厚度方向还具有内应力。基于这些应力间的相互作用，就可使取向硅钢的横向亚磁畴减少和磁畴细化。很显然，通过在高磁感取向硅钢表面涂覆张力涂层，利用取向硅钢基体材料和张力涂层两者的热膨胀系数差异在取向硅钢表面产生的拉应力，从而减少横向亚磁畴和提高主磁畴的磁弹性能，并最终使磁畴细化［24］。因此，对于高磁感取向硅钢的铁损降低，发展新型张力涂层技术也是一种有效的方法之一。目前，由于得到研究和应用的取向硅钢张力涂层大都含有对人体有害的铬元素，因此尝试开发新型稳定的无铬张力涂层将是当前和今后的研究重点［25］。在张力涂层的研究和应用方面，日本走在了前面。日本 JFE公司基于磷酸盐（含有 Mg、Ca、Mn、Al、Sr和 Zn等元素）或高锰酸盐（含有 Mg、Ca、Al、Sr和Zn等元素），通过添加表面活性剂制备出了性能较好的取向硅钢表面绝缘涂层［22，26］。同时，日本新日铁公司基于氧化铁或氢氧化铁为主要成分的绝缘层溶液，通过氧化反应后也在取向硅钢带表面形成了以SiO2为主要成分的张力涂层［22-23］，并且该公司还开发出了以磷酸盐和胶状二氧化硅为主的绝缘处理剂，其制备出的绝缘涂层附着性和耐蚀性优良且涂层张力也得到提高，从而使取向硅钢磁性能得到明显改善［22-23，26-27］。此外，以化学气相沉积钛化物和氮化物、电沉积稀土改性复合氧化物和磁控溅射制备Si3N4和TiN材料为主的张力涂层制备技术也正得到发展［28］，然而目前关于这方面的报道还非常少。

5 表面激光刻痕处理

众所周知，取向硅钢的铁损主要包括磁滞损耗、涡流损耗和反常涡流损耗，其中反常涡流损耗受取向硅钢磁畴结构的影响较大。一般而言，磁畴宽度越大和畴壁移动速率越小，会引起反常涡流损耗增大并导致铁损增加。目前，采用传统冶金方法来降低取向硅钢的铁损已达到一个相对极限的程度，而基于细化磁畴的表面处理技术已成为降低取向硅钢铁损行之有效的方法之一［29-30］，其机理为：通过对取向硅钢表面进行机械或激光刻痕等产生内应力或热效应，从而改善取向硅钢内部磁畴结构，并最终通过细化磁畴达到降低铁损目的。目前，基于细化磁畴的表面处理技术主要有机械刻痕法、激光刻痕法和应力涂层法等。在这些细化磁畴方法中，激光刻痕法因具有加工速度快、稳定高效和铁损降低明显（可以使取向硅钢铁损降低10%～20%）等优点，已成为国内外研究最多且可能在实际生产中将会得到更多应用的表面处理技术［31-34］。

由于激光刻痕技术的关键是在取向硅钢表面形成合适尺寸的有效应力-应变区，从而通过影响磁畴宽度使取向硅钢性能得到优化，因此近30年来国内外对于取向硅钢激光刻痕技术的研究主要集中在刻痕速度／间距／方向／速率以及激光频率／种类等工艺参数对铁损降低的影响上。孔加伟等［35］研究了激光刻痕对取向电工钢磁畴和铁损的影响，发现激光刻痕后取向硅钢表面的磁畴宽度明显细化且刻痕宽度随着输入电流的增加而增大，同时在12 A输入电流、5kHz激光频率和800 m／s刻痕速度下可使铁损改善率达到11.81%；杨富尧等［36］研究了激光功率、激光频率、扫描速度、刻痕间距等参数对取向硅钢铁损及磁畴的影响，发现：①取向硅钢的平均铁损降低率随激光功率和刻痕间距的增加呈先增大后减小的趋势，但其随激光频率和扫描速度的增大而减小；②改变激光功率、扫描速度及频率均会对取向硅钢刻痕深度产生影响，而铁损的降低率则随着刻痕深度增加呈先增大后减小的趋势；③ 在优化的激光刻痕工艺参数条件下（功率4 W、频率30 kHz、扫描速度100 mm／s、刻痕间距5 mm），取向硅钢的平均铁损降低率最高可达12%；李海蛟等［37］对120牌号取向硅钢的激光刻痕工艺参数进行了优化研究，发现：激光刻痕会在取向硅钢表面形成一系列刻痕蚀（见图1［37］），且在 12 A输入电流、3 500 Hz激光频率、800 m／s刻痕速度下，刻痕蚀点规则且连续、刻痕影响的区域最大且刻痕点之间互不干扰，磁畴宽度的平均降低率可达11.7%，磁畴细化效果最佳，铁损降低率达到了9.45%。

图1 不同电流下取向硅钢的激光刻痕形貌［37］

尽管激光刻痕可以有效细化取向硅钢的磁畴，进而大幅降低取向硅钢的铁损，但仍存在一些问题需要解决［31］：①激光刻痕会导致取向硅钢刻痕区的热稳定性差，使时效性能变差和使高温时磁畴细化的效果降低，从而限制其仅在500℃以下的工作温度下使用，应用范围受到很大限制；②激光刻痕会对取向硅钢表面绝缘涂层造成损伤，从而影响取向硅钢的绝缘性、耐蚀性、冲片性和磁性能等；③激光刻痕会降低取向硅钢片表面的平整度和叠片系数以及提高磁致伸缩系数。

对于上述提及的部分问题，国内一些研究者已开展了一些初步的研究，并取得了一些积极的成果。杨玉玲等［38］对激光局部氮化影响和改善取向硅钢的磁畴结构分布进行了初步研究，发现：①通过控制工艺参数可实现取向硅钢的激光氮化，并在取向硅钢表面生成了Fe4N和Fe3N氮化物；②氮化处理同样可细化取向硅钢的磁畴结构，从而降低取向硅钢的铁损；③ 氮化处理后经600℃×3 h时效退火处理，取向硅钢磁畴结构基本保持不变，说明氮化处理可在一定程度上改善取向硅钢的高温时效性，从而使其应用范围得到扩展。此外，李海蛟等［37］研究了不同输入电流下激光刻痕对取向硅钢表面绝缘涂层的影响，发现随着电流增大，刻痕宽度和深度增大，刻痕对绝缘涂层的损伤严重，同时后续在500℃以上进行去应力退火后，取向硅钢磁畴开始粗化且铁损较激光刻痕后有所升高。很显然，对于取向硅钢的激光刻痕处理，需要结合细化磁畴、激光刻痕对绝缘层和后续时效性能的影响以及取向硅钢的应用场合等进行系统综合考虑，基本原则是合理调控激光刻痕工艺参数，使其在满足刻痕细化磁畴的同时又尽可能不破坏原有绝缘涂层，如果确实因刻痕能量过大导致绝缘涂层破坏，则需要通过在后续工艺重新涂覆绝缘层［39］。实际上，如果激光刻痕工艺参数控制得当，并将激光刻痕法和表面涂覆张力涂层有机结合，不但可提高取向硅钢的耐热性及其产品整体的表面质量，而且细化磁畴优势明显，可使取向硅钢的铁损降低达30%以上且容易实现磁性能的稳定和高效自动控制［40］。

6 结论

针对高磁感取向硅钢的制备和生产，基于各个工艺环节对取向硅钢组织和性能的影响，国内外围绕稀土微合金化成份设计、抑制剂形成和控制、渗氮处理、表面绝缘涂层和／或激光刻痕细化磁畴等关键工艺环节开展了大量的研究和应用实践工作，取得了许多积极的成果，有力推动了高磁感取向硅钢的应用和发展。面向未来，针对高磁感取向硅钢短流程、低成本、高性能以及节能环保的发展趋势，还需要在以下几方面开展深入研究：

1）针对不同的应用领域及相应的性能要求，围绕成份设计、冶炼、轧制、退火处理、渗氮处理、表面绝缘涂层和激光刻痕处理等进行系统集成研究，找出最为关键的工艺控制环节并优化出最佳的工艺参数；

2）针对现有牌号的高磁感取向硅钢，以其性能和表面质量为研究控制重点，研究开发新型的抑制剂、设计制备高质量的绝缘／张力涂层、优化稳定高效的渗氮工艺及激光刻痕工艺，尤其加强激光刻痕技术与表面涂层技术的有机结合研究，实现相关关键技术的稳定工程化应用；

3）针对高磁感取向硅钢的新型制备技术开发（如双辊薄带连铸技术），围绕成份设计、抑制剂形成、渗氮处理和表面涂层和／或激光刻痕等建立和丰富相关的基础理论。

相信随着上述问题的逐步解决，高磁感取向硅钢短流程、低成本、高性能以及节能环保的生产和应用目标一定会得到实现。