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从节能观点看，时代的趋势是提高电气设备的效率，其手段之一是改进电机铁
芯所用的电磁钢板的磁性，也就是说，对低铁损、高磁通密度的硅钢要求日益强
烈。
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。
1 基本合金元素的作用
1.1 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［1］，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［2］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
30 000 h，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［3］。当碳含量为0.004 5 %时，时
效1 000 h后，铁损增加20 %，而时效时间从1 000 h增加到10 000 h，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。
图 1 不同残留碳量硅钢的铁损增加与时效时间的关系
Fig.1 Relation between the iron loss increment and aging
time for different residual carbon content
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［3］，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。
1.2 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［3］。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。
图 2 铁损最大增量与残留碳量的关系
Fig.2 Relation between the maximum increment of the
iron loss and the residual carbon content
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
Table 1 Effect of Si content in the silicon steel on some kinds of los
ses
|
1 T下损失/W*kg－1 |
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 |
图 3 硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响
Fig.3 Effect of silicon content in the silicon steel on
resistivity of silicon steel and other naturalmagnetic properties
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。
1.3 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［4］，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 %。
2 杂质元素的影响［4，5］
2.1 磷元素
低碳电工钢板主要用来制造微电机(＜1 kW)和小型电机(＜100 kW)。由于这种
材料比较软，冲片性能差，因此常加入磷(0.08 %～0.15 %)来强化铁素体，提高硬
度，改善冲片性。
磷会增加硅钢的冷脆性，使冷加工困难，原因是在晶界处形成脆的磷化铁。在
室温时钢中α相可溶解1.2 %的磷，呈置换固溶体。磷会改变铁原子间结合力和激
活能，故对再结晶过程和晶粒长大有影响。磷的影响超过同样硅含量影响的4～5
倍，磷还可以提高比电阻，降低涡流损失；由于磷促使晶粒增大，故亦可使矫顽力
和磁滞损失降低。随磷含量增加，在弱和中磁场下的磁感应强度提高；而在强磁场
下，由于磷使晶粒粗化而磁感应强度(B100)略有减少。
同时，磷是一种界面活性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化，从而使成
品钢板变得极脆。
2.2 铝元素
铝的作用与硅相近，可以提高钢的比电阻，减少铁芯损失(图4)，并降低磁感
应强度，铝含量达到一定数量会使晶粒粗化并促使碳石墨化。
铝还能减少钢中氧含量，减少磁时效现象。铝使γ相区缩小。虽然铝对磁性有
利，但钢中铝氧化物又会使磁性变坏。铝又是冷轧硅钢脱氧所需成分，加铝还可获
得高纯度钢，使钢可连续浇注。
图 4 铝对硅钢铁芯损失的影响
Fig.4 Effect of Al content in the silicon steelon the iron core loss
铝和硅一样，能使材料变脆，铝含量大于0.5 %时硅钢变脆更见突出，但与高
硅钢比较则仍显有较好的塑性。有人试以Fe-Al-Mn合金作变压器钢片，铝的含量2
倍于锰，在3.52 %～6.45 %范围，电磁性能与含4 %Si的硅钢相近，但塑性明显优
于后者。
铝含量太高的其它有害影响是大的长条形铝化合物析出相在晶界上形成会阻碍
晶粒粗化［5］。
2.3 铜元素
小于0.7 %的铜溶于α-Fe中，会促使碳石墨化，对磁性无大影响；硅钢含0.5
%Cu时，防锈能力可提高15倍，故硅钢中有时故意加入铜。硅钢中含铜大于0.7 %
时，在热轧过程中会形成大量(CuMn)1.8S和(Mn,Cu)S质点，使硅钢矫顽力和磁滞损
失增加并使钢变脆。一般硅钢铜含量控制为0.2 %～0.3 %。
2.4 氮、硫、硼等合金元素的作用
无论是全硬钢、全加工或半加工硅钢，氮对磁性都有害。氮是通过生成有害的
AlN沉淀发生影响的。表2列出了含1.3 %(Si＋Al)的脱碳半加工硅钢在1.5 T下测定
的磁性。当氮含量从0.006 %降至0.002 %时，其铁损与磁导率都可进一步改善。
表 2 脱碳半加工硅钢1.3 %(Si＋Al)在1.5 T下的磁性和晶粒度
Table 2 The magnetic properties and grain size of the
decarbonising and semi-manufacturing silicon steel 1.3 %(Si＋Al) at 1.5
T
|
N/% |
铁损/ |
磁导率/ |
晶粒尺寸/ |
|
0.002 |
1.14 |
2 500 |
120 |
|
0.006 |
1.23 |
2 200 |
90 |
硫在硅钢中对磁性有害影响均与基体中存在硫化锰的微细质点及晶界上存在自
由硫有关。计算指出，当硫在0.005 %～0.030 %范围内，对于含0.3 %Mn、
0.6 %Si和0.2 %Al的半加工硅钢，每增加0.02 %S可使铁损提高0.33 W/kg。
硼加到半加工铝镇静电工钢中，可以抑制退火时的AlN沉淀。因为在退火时所
生成的AlN沉淀会抑制某些结晶方向的晶粒长大，从而产生对磁性不利的织构。硼
与氮结合成为氮化硼，在热轧时沉淀于奥氏体中。若硼超过0.003 %，则对磁性有
害，这是因为又生成另一些含硼的化合物(如F23(BC)6)，使晶粒细化。
3 特殊用途的合金元素
3.1 锡元素的作用
近几年，大量研究工作证明，在高磁感取向硅钢中加入0.05 %～0.10 %Sn可明
显改善磁性［6～10］。多数学者认为，锡可在第二相质点MnS和AlN(称为抑制剂)
与基体界面处偏聚，阻碍它们的Ostwald长大，使其更加细小、弥散，从而增强对
晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶粒尺寸，在最终高温退火后得到更完善的｛
110｝〈001〉二次再结晶组织，提高了取向度和磁性；此外，锡还使常化退火时γ
相的分布更均匀，常化后珠光体的分散更均匀，从而增大了铁素体晶粒尺寸，冷轧
时形成更多的形变带，使二次晶粒尺寸减小，铁损进一步降低。
由于锡是一种表面活性元素，因此亦有可能在最终高温退火的升温阶段在晶界
发生偏聚，加强对晶粒正常长大的抑制能力，减小初次晶粒尺寸，从而起到辅助抑
制剂的作用。
何忠治等人［7］研究了锡元素对硅钢二次再结晶的影响。根据其试验结果可
知：①从550 ℃开始锡在取向硅钢中的晶界偏聚浓度随温度的升高而下降，在二次
再结晶起始温度950 ℃，锡在晶界仍有一定的偏聚量；②锡在取向硅钢中的晶界偏
聚行为与纯铁中相似，没有表现出多元系统中各元素间发生强烈交互作用时的典型
特征，但由于取向硅钢的初步再结晶织构较强，数据的分散度明显高于纯铁的情
况；③锡通过在取向硅钢中的晶界偏聚起了辅助抑制剂的作用，并可降低二次再结
晶温度，这些均有利于发展更完善的｛110｝〈001〉二次再结晶，增大二次再结晶
晶粒尺寸，提高磁性。
3.2 锑元素的作用
已有若干篇论文讨论了锑对无取向电工钢板性能的作用，发现锑的添加对含1
%～2 %Si和0.3 %Al钢的能耗具有有益的影响。Shimanaka等［11］指出，在无取
向Fe-1.85 %Si合金中加入0.01 %～0.08 %Sb，可使最终退火织构中｛111｝组分减
少，｛100｝组分增加，且随着锑含量的增加，织构的这种变化更加显著；在冷轧
无取向硅钢的再结晶退火过程中，｛111｝位向晶粒容易在晶界附近形核。由于锑
是一种界面活性元素，易在晶界偏聚，因而阻碍了｛111｝位向晶粒在晶界附近的
形核。
Lyudkovsky［12］采用离子散射谱(ISS)和反极图技术研究了Fe-1 %Si无取向
硅钢中加入0.09 %Sb后的晶粒尺寸、硬度及织构的变化情况，得出结论：①锑能够
促进对材料磁性有利的织构组分的形成，在再结晶之前，含锑与不含锑硅钢在织构
上便已经有了区别，对于含锑硅钢，最终退火时无论是否脱碳，｛110｝和｛100｝
组分强度均显著提高，同时｛112｝组分强度明显降低；②与不含锑硅钢相比，含
锑硅钢在1.5 T下磁导率提高100 %，在1.7 T下磁导率提高30 %，另外，铁损
(p15/60)下降约11 %，这些性能上的提高是由于含锑硅钢具有较好的织构和较大的
晶粒尺寸；③含锑硅钢具有较大尺寸的原因可能是由于具有｛100｝和｛110｝位向
的晶粒边界迁移性提高，尤其是这些晶粒长大到｛111｝位向区域时。
F.Vodopivce等［11］研究发现，(111)面极点密度的最高值出现在锑含量最低
时，然后随着锑含量增加其值逐渐降低，当锑含量增至0.05 %时(111)面极点密度
约为一定值。(100)面与(110)面轴密度在锑含量约为0.05 %时出现最高值
4 结语
(1) 碳是引起硅钢发生磁时效的重要元素之一，随着硅钢中碳含量的增加，其
铁损增加；而硅能显著减少硅钢内的铁损，但硅含量过高会使硅钢变脆，并且难以
实现轧制变形。
(2) 硅钢中杂质合金元素磷主要用来提高硅钢的冲片性 ，但磷是一种界面活
性元素，偏聚于晶界会导致严重的晶界脆化。铝可减少硅钢铁芯损失，但降低磁感
应强度，且铝含量高时会使硅钢变脆。铜可显著提高硅钢的防锈能力。氮、硫元素
对硅钢性能总是有害的。
(3) 锡和锑均是表面活性元素，可使硅钢最终退火织构中｛111｝组分减少，
｛100｝组分和｛110｝组分增加，从而降低硅钢铁损，并提高其磁感应强度。
参 考 文 献
1 冶金工业部钢铁研究院.合金钢手册.北京：中国工业出版社，1984.Ⅲ417.
2 Moses A J.The Development of Silicon Steel.IEE Proceeding,1990,37(
5):233～244.
3 Ueno K.Advancement of Vacuum Degassing Treat.Metallurgy of Vacuum-
degassed Steel Products,1990,347～354.
4 Santanu Kumar Rar.Influence of the Heat Roll Condition on Domain S
tructures of Silicon Steel.J of Magnetism and Magnetic Materials,1982,2
8:44.
5 Funke P.The Effect of Sn Element and Cold Roll Aging Condition on
the Secondary Recrystallization of the Unidirectional Silicon Steel She
et.Transactions of the Iron and Steel Society,1990,11:11～16.
6 河面弥吉郎.一方向电磁钢板の二次再结晶にるぼすすず添加および冷间压延
时の时件の影响.铁と钢，1993，79(10)：9～75.
7 赵 宇，何忠治.电工钢中晶界偏聚.钢铁研究学报，1995，7(1)：66.
8 高岛邦秀.日本公开特许公报，昭和53-134722.
9 中岛正三郎.The Effect of Reduction of Cold Rolling on Secondary Re
crystallization of Non-oriented Silicon Steel.铁と钢，1983，69(5)：S601
.
10 小松肇.Anisotropy in the Magnetic Induction Derived From the Textu
re of Non-oriented Electrical Steel Sheets.铁と钢，1984，70：1 469.
11 Shimanaka H.The Effect of Sb Element on Energy Loss of Non-oriente
d Silicon Steel.J.of MMM.1991,97:281～285.
12 Lyudkovsiky G,Rastogi P K.The Effect of Sn on Inside Oxidize and M
agnetic Properties of Si-Al Silicon Steel.Metall.Trans.A.,1984,15A:257.
储双杰 瞿 标 戴元远
