《特殊钢丛书 电工钢》何忠治、赵宇、罗海文

1概论
电工钢板包括碳含量很低且硅含量低于0.5%的电工钢和硅含量为0.5%~6.5%的硅钢两类，主要用作各种电机和变压器的铁芯，是电力、电子和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。电工钢板在磁性材料中用量最大，也是一种节能的重要金属功能材料。
1.1电工钢发展历史
1.1.1热轧硅钢发展阶段(1882~1955年)
铁的磁导率比空气的磁导率高几千倍到几万倍，铁芯磁化时磁通密度高，可产生远比外加磁场更强的磁场。普通热轧低碳钢板是工业上最早应用的铁芯软磁材料。1886年美国Westinghouse电气公司首先用杂质含量约为0.4%的热轧低碳钢板制成变压器叠片铁芯。1890年已广泛使用0.35mm厚热轧低碳钢薄板制造电机和变压器铁芯。但低碳钢的电阻率(p)低，铁芯损耗(P)大；碳和氮含量高，磁时效严重。

1882年英国哈德菲尔特(R.A.Hadfield)开始研究硅钢，1898年发表了4.4%Si-Fe合金的磁性结果。1900年他与巴雷特(W.F.Barrett)等证明2.5%~5.5%Si-Fe合金具有良好磁性。1902年德国古姆利奇(E.Gumlich)指出，加硅使铁的电阻率明显增高，涡流损耗(P)和磁滞损耗(P)降低，磁导率（μ）增高，磁时效现象减轻。1903年美国取得哈德菲尔特专利使用权。同一年美国和德国开始生产热轧硅钢板。将原始碳含量从约0.2%逐渐降到0.1%以下和硅含量逐步提高到约4.5%后，磁性进一步提高。1905年美国（英国在1906年)已大规模生产。在很短时间内全部代替了普通低碳钢板制造电机和变压器，其铁损PT比普通低碳钢低一半以上，1910~1924年美国延森(T.D.Yensen)等研究了硅钢力学性能以及杂质和晶粒尺寸等因素对磁性的影响，对改善热轧硅钢产品质量起到了重要作用。1906~1930年期间，是生产厂与用户对热轧硅钢板成本、力学性能和电机、变压器设计制造改革方面统一认识、改进产品质量和提高量的阶段。美国生产的产品0.35mm厚4%Si热轧硅钢最高牌号的铁损P10/50不断降低，1912年为P10/50≈1.45W/kg,1925年P10/50为1.30W/kg,1945~1950年为P1/5~0.95W/kg。1950年前后美国Amco钢铁公司采用热轧硅钢板经约1%压下率平整后焊在一起，在连续炉退火和涂磷酸镁绝缘膜的新工艺生产Dimax系列牌号，改善了冲片性和磁性(P1/5o<0.90W/kg)。
1954年按此工艺生产约50万吨产品。随后前联邦德国Neviges钢厂也采用0.5%压下率平整、酸洗、快速点焊、连续炉保护气氛退火和涂绝缘膜的类似工艺进行生产，产品0.35mm厚，P1/50≈0.85W/kg。该厂产品在当时处于世界领先地位。
1.1.2冷轧电工钢发展阶段(1930~1967年)

1930~1967年，此阶段主要是冷轧普通取向硅钢(CG0)的发展阶段。
1930年美国戈斯(N.P.Goss)在1926年本多光太郎(K.Honda)等已发表的铁单晶体磁各向异性实验结果的启发下，采用冷轧和退火方法开始进行大量实验，探索晶粒易磁化方向〈001〉平行于轧制方向排列的取向硅钢带卷制造工艺。当时美国General Electric电气公司已提出成卷硅钢产品的要求。1933年戈斯采用两次冷轧和退火方法制成沿轧向磁性高的3%Si钢，1934年申请专利并公开发表。
当时他用X射线检查，错误地认为这种冷轧材料是无取向的。直到1935年博佐思(R.M.Bozorth)用X射线检查才证实这种材料具有{110}(001〉织构。晶粒如图1-1a所示的规则排列，其{110}晶面平行于轧制平面，易磁化方向<001〉晶向平行于轧制方向，沿轧向磁化时磁性高，而横向为较难磁化的<110)方向，所以也称单取向或Goss取向冷轧硅钢。同一年，Armco钢公司按戈斯专利技术与Westinghouse电气公司合作组织生产。随后Allegheny Ludlum(ALC)钢铁公司与General Electric电气公司合作也开始生产。1939年Armco钢公司的主要制造工艺是：w(C)≤0.02%和w(Si)=2.9%~3.3%板坯经1200℃加热和热轧到2.7mm厚，热轧带在箱式炉760℃x24~36h预退火进行部分脱碳，两次冷轧到0.35mm厚和连续炉1010℃中间退火，干涂Mg0粉（隔离剂）和在罩式炉内干H2下1200℃×60h叠片退火。产品磁性较低，而且由于残余碳含量较高（不大于0.015%)，磁时效严重。随后Amco钢公司采用快速分析微量碳等技术和不断改进制造工艺及设备，产品质量逐步提高，并申请了一系列专利。如1942年卡彭特(V.W.Carpenter)等采用冷轧带在连续炉中湿H2(54℃露点)下约815℃脱碳退火，使碳降到0.005%以下再进行高温退火。1943年采用成卷高温退火工艺。1945年采用湿涂Mg0悬浮液和高温退火后涂绝缘膜工艺，取向硅钢产量和质量明显提高。图1-1b为取向硅钢板示意图。通过卡彭特等做工作，Amco钢铁公司在冷轧和退火等后工序制造工艺日臻完善，但产品磁性仍不稳定。例如1940年生产的7812号一炉钢的磁性高且稳定，取向度大于90%，晶粒尺寸不小于1cm,而大量产品平均晶粒尺寸只为1mm,磁性较低。1946年Armco钢铁公司的利特曼(M.F.Littmann)等发现板坯经1370℃以上高温加热可明显提高产品磁性，晶粒粗大。当时他们认为是因为高温加热使钢组织和碳、硫等元素分布更均匀。1951年已明确：(1)在初次再结晶织构中必须存在有(110)[001]组分，它是在每次退火中累加而成的。(110)[001]初次晶粒在最终高温退火时作为二次晶核，通过二次再结晶发展成的(110)[001]织构；(2)钢中必须存在有利杂质元素作为抑制剂来阻碍初次晶粒长大，促进二次再结晶发展。根据生产大量统计，发现锰和硫对二次再结晶发展起有利作用。直到1958年梅也(J.E.May)等发表MnS第二相质点可强烈阻碍初次晶粒长大后，才弄清M抑制剂对生产取向硅钢的重要性。板坯高温加热的作用就是使板坯中存在的粗大MnS固溶，然后在热轧过程中再以细小弥散状析出MnS质点来抑制初次晶粒长大。Armco钢公司在掌握MnS抑制剂和板坯高温加热这两个前工序制造工艺后，制造取向硅钢的专利技术已基本完善，产品磁性大幅度提高且磁性稳定，先后约耗费20年时间。1959年开始生产0.30mm厚产品，1963年生产0.27mm厚产品。40年代初，Amco钢公司就开始生产冷轧无取向硅钢板。

1934~1940年间延森和鲁德(W.E.Ruder)等研究了杂质元素和晶粒尺寸等因素对冷轧硅钢性能的影响。1941~1960年间邓恩(C.G.Dunn)等详细研究了不同位向3%Si-Fe单晶体的冷轧和退火织构，并提出3%Si-Fe多晶体中(110)[001]织构形成的取向生核和择优（选择性）长大机理。这些基本研究对冷轧硅钢质量改进和品种开发都起到了很大作用。当时测定晶粒位向和取向度方法是磁转矩和X射线织构分析法(Laue法测定二次晶粒位向和极图法测定初次晶粒织构)。

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