用于电子工业的电工钢研究发展动态

近年来，随着电子工业的发展，对其所需的磁性材料，其中包括电工钢材料的要求日益提高。特别是在节能、小型化等方面要求尤为突出。本文即试图阐述作为软磁材料的电工钢在近年来这方面的研究发展动态。

由于在直流磁场下使用，相对于交流磁场下使用的铁芯，在损耗上即可不考虑由于交流而产生的涡流损失。因而，一般作为直流下使用的铁芯材料大多选用纯铁，它具有饱和磁感（）高，磁导率高等优点（见表1），纯铁等电工钢可以通过加热使其晶粒粗化以提高磁性，但是，由于其相变点（～900℃）较低，其使用的退火温度亦低，难以得到更高的磁性。为了得到更高的直流磁性，近年来开发了两种新材料：“FERROPERM”（1%AL-Fe）和取向纯铁。

1.1 “FERROPERM”（1%AL-Fe）
“FERROPERM”是1989年由日本钢管开发的1%AL-Fe电工钢热轧板。其典型化学成份为： C<0.004%，Si<0.5%，P<0.015%，S<0.005%，AL0.7-2.0%，<0.005%，<0.005%，(C+N)<0.007%。该钢的特点是：AL>0.85%时已无相变，成为单一的铁素体相，因而退火温度可提高至1000℃以上，在磁性上，利用晶粒长大可得到极高的最大磁导率（）和很低的矫顽力（Hc），见表2及图1。


1.2 取向纯铁
取向纯铁，即具有（110）[001]高斯织构的纯铁，其晶粒按（110）[001]位向沿轧向排列。日本新日铁公司用铁纯度为99.8-99.9%的铝镇静钢，典型成份为：C0.02-0.05%，Mn0.10-0.15%，S0.004-%0.007%，AL0.02-0.03%，N为0.006-0.009%，余为Fe及少量杂质热轧板（2.3mm厚），通过两次冷轧法加二次再结晶工艺，制成0.28mm厚具有（110）[001]织构的取向纯铁。其特点是：因为基本不含合金元素，因而饱和磁感高（，2.15T）；又由于有很强的（110）[001]织构，所以沿其轧向（即钢卷长度方向）磁性优良磁导率高，见表3及图2、3可看出，其在轧向高场下的B值，不仅比1%A1-Fe优良而且也比3%Si-Fe取向钢好，磁化到>1.85T时，所需磁场比30ZH100更小，0.18mm厚取向纯铁板经激光照射后，P15/50=1.5W/kg，比当今最好的无取向硅钢35RM200的铁损低1/4，适合于做高场下的电器铁芯。




2 工频下应用的电工钢
50-60Hz下应用的电工钢要考虑交变磁场带来的涡流损耗，因而损耗问题被提到比较重要的位置上。在工频下应用的电器最为广泛，近年来在工频下应用的电工钢其研究和开发取得了明显进展。
2.1 无取向电工钢
除了常规的35W230-440，50W250-1300，65W600-1600系列外，由于节能小型化的需要，开发了许多新产品，主要有：
（1)超低铁损的无取向硅钢。日本川崎制铁（KSC）开发了牌号为35RM200的新产品，这是通过净化钢质，适量添加SiAl，控制夹杂物形态及应用织构控制技术所取得的成果。也是至今在工业化条件下生产的最高级无取向硅钢，其铁损W15/50≤2.0W/kg，比常规最高级别35RM230低0.30W.kg。目前，在试验室内利用提高[100]面织构度法，对0.50mm厚无取向硅钢，其铁损已可降至W15/50为1.70-1.90W/kg水平。
（2）高磁通密度无取向电工钢

为了满足小型化和高效化的要求，继近年来日本新日铁早期开发的高磁感半工艺产品NC-M1-M4之后，又有日本KSC开发了高磁通密度的RP系列（表4，图4）。
日本钢管（NKK）开发的NKBF系列高磁密电工钢（见表5），由表4和5，可看出，新材料在相同的铁损情况下其磁感（B50）均比通用材料高0.02-0.04T。随着控制成品[100]织构技术的提高，NSC、KSC、NKK等均试出了W15/50<4.7w/kg，B50≥1.80T的产品，适合于制作EI型小变压器和镇流器。

（3）消除应力退火后的低铁损无取向电工钢
为了使用户在消除应力退火后，钢板的铁损明显降低，开发了退火时晶粒长大良好的钢板。如日本KSC的RMA系列（表6），日本NKK的NK系列（表7）。使那些需消除应力处理的铁芯损耗明显降低。



（4）加工性能好的无取向电工钢
铁芯材料冲剪时在冲剪处及其邻近部位由于剪切变形会使上述地区产生塑性变形从而硬度增高，导致磁性恶化。这种现象在冲片宽度越窄时越严重（见图5），为了减少此种影响，日本住友金属开发高加工性的K系列全工艺产品，它是在钢中加少量硫（0.005-0.025%），控制Mn/S≥10，形成粗大块状硫化物，冲片时可降低剪切阻力，减少塑料变形区，从而改善磁性（见图5），使某些产品可不经消除应力处理而保持较好的磁性。

(5)粘结型涂层
铁芯叠片普通的固定或结合方法是铆接、螺栓紧固或焊接，这些办法的缺点是均会在一定程度上使磁性恶化，在磁化时易引发振动产生噪声等，新日铁和川崎制铁等开发铁芯叠片的粘结型涂层，其中冲片性好（因为是有机涂层），在加热（150℃-250℃）、回压（0.5-1.0/m）下自身逐层粘结成一体。将此铁芯与常规涂层无取向电工钢板冲制的焊接铁芯作对比试验，结果如下：
2.2 取向电工钢
取向电工钢近年的发展主要有以下几方面：（1）为了进一步降低铁损、厚度从常规的0.30mm、0.27mm、0.23mm向0.20mm、0.18m、0.15mm发展。（2）适应小型化要求，磁感从B81.80T，1.90T向≥1.95T发展。（3）进一步提高磁畴控制技术，开发细化磁畴、张力涂层、表面平滑化（镜面化）研究，进一步降低铁损。（4）开展三次再结晶等工艺研究，研制磁感（）高，铁损可达铁基非晶水平的电工钢。

2.2.1 极低铁损的取向电工钢开发
日本在2000年修改JISC2553-1986（取向硅钢片及钢带）标准，其中关于取向硅钢性能指标—项中有两点重要修订：1.增加0.23mm厚度（原先最薄为0.27mm）；2.增加用细化磁畴材，即名称中间加“R”材，以上均见表8（摘自JISC2553-2000），由表8可看出，日本工业规模的商品材，其铁损（W17/50）的最低值标准已由原来的27P100（<1.00W/kg）降低至23R085（<0.85W/kg），即又降低了15%。

正在开发中的使用张力涂层、板面平滑化（镜面化）技术已使0.23mm材的W17/50降至0.60-0.70W/kg，用双层张力涂层，W17/50可降为0.50-0.60W/kg，如果采用电解将表面抛光至镜面，再涂张力涂层，最后细化磁畴，已可将0.23mm材的W13/50降为0.30W/kg，W17/50为0.45W/kg，0.15mm材W13/50为0.23W/kg，W17/50为0.40W/kg，近期川崎制铁又取得了更好结果，已将0.15mm厚板经酸洗、化学研磨、等离子喷涂高张力涂层，再细化磁畴，已使铁损W13/50降为0.082 ～0.11W/kg，已和铁基非晶薄带水平相当。
2.2.2 极高磁通密度的取向电工钢开发
普通取向硅钢的一般为1.80-1.87T，高磁感取向硅钢为1.88-1.94T，近年来已试验成功：高温退火梯度退火法、加Bi元素合金法及三次再结晶法等工艺均可达到为1.95-2.00T水平，其/已达0.96-0.985(3%Si-Fe的为2.03T)，其（110）[001]织构[001]相对轧向的角偏离度<2度，是磁导率很好的软磁材料。新日铁利用含少量酸溶AL的低炭钢改变热轧工艺开发了在高磁场（10000A/M）下具有极高磁感的新取向电工钢，其B100可达≥2 .10T（板厚0.40mm）。
2.2.3 铁损极低，磁感极高的取向电工钢
1987年，日本人荒井贤一等采用制造≤0.1mm厚的取向硅钢薄带工艺通过三次再结晶退火制成强的（110）[001]织构薄带，其晶粒≥5mm，[001]偏离度为1-2度，=1.94-1.98，通过细化磁畴，其铁损已与Fe-B-Si非晶材料达到相同水平（见表9），1984年，日本新日铁在HI-B高磁感取向硅钢上开发了温度梯度炉高温退火新工艺（见图6），它使（110）[001]高斯结织构位向更准确（β≤2度），因而取向>1.95-2.0T的高磁感，通过细化磁畴、化学抛光、加张应力涂层，可使0.15mm厚板P13/50达0.15W/kg，P17/50为0.35W/Kg，其工频下的铁损亦与铁基非晶材相当。



2.2.4 高级取向电工钢与铁基非晶带的比较
非晶软磁材料的出现对传统的电工钢带提出了挑战，非晶软磁材料的主要优点表现在有良好的导磁性能，电阻率高，有低的损耗。非晶软磁材料的出现激发了电工钢带的不断进步，如上所述，通过近10年左右的研究开发，在与非晶软磁材料的竞争上取得了可喜的成果，现将这两种材料进行对比，如下表10。

由表10可以看出，高级取向硅钢在工频下的损耗已接近或相当于铁基非晶软磁材料，因此，在工频范围内，高级取向硅钢相对于铁基软磁非晶材而言，（1）由于它的高，因而铁芯的工作磁感可以选得更高，更易于小型化；（2）磁致伸缩小，因而噪音低；（3）应力敏感小；（4）材料塑性好，易于加工。而非晶材料又硬又脆加工性能差。

3 中、高频下应用的电工钢
3.1 冷轧无取向电工钢薄带
中、高频下应用的电工钢一般以≤0.20mm薄带形式应用。≤0.20mm电工钢的一般无取向电工钢薄带中频磁性水平如表11及12。


从表11、12中可以看出，一般的薄规格无取向电工钢只注重铁损，但近年来，为了满足小型化的要求，必须提高设计Bm，因此也要求开展提高磁感强度的研发工作，日本钢管开发了高磁感低损的0.2mm厚产品，其为1.60T，B50 为1.76T，设计Bm可提高至1.60T，使铁芯的激磁电流和铜损明显降低。
无取向电工钢薄带的另一个发展即是开展6.5%Si-Fe的无取向硅钢的研究。日本钢管（NKK）首先用温轧和CVD渗硅法成功生产了0.05-0.3mm厚×600mm宽（月产100t）SUPERE CORE牌号6.5%Si钢，该钢的主要特点（见表13)。

（1）磁致伸缩系数近似为零，因而可做低噪音变压器等；（2）导磁率中等。可达16000-25000。（3）电阻率比3%Si-Fe高1倍，因而其高频损耗低。用它制的30Kg重1KHz模拟音频变压器与用取向硅钢（Z7H）制的相比，在B=1.0T时，噪音减小21dB，铁损降低为40%。用它制的电焊机中变换器与0.35mm厚取向硅钢制的相比，在频率为8KHz时，铁芯重量从7.5kg减到3kg。该产品由于采用细化晶粒及防止晶介氧化措施，已使其脆性明显减小，0.05和0.1mm厚新产品可在半径<2mm夹具上进行卷绕，并可在室温下进行冲片和纵剪。
3.2 冷轧取向电工钢薄带
≤0.20mm厚的3%Si取向电工钢薄带主要用于0.4-20KHz下使用的中、高频电器铁芯（如高频变压器、脉冲变压器、磁放大和扼流圈等），其中一般牌号和性能见下表14、15


冷轧取向电工钢薄带近年来的发展有：
（1）用高的原料生产薄带。新日铁用=1.98T的0.18mm原料生产0.05mm材，取得=1.92T，W15/400=9-12W/Kg产品，比通用的GT50（表15），提高0.1T，W15/400降低约40%，再经激光照射，W15/400降为7-8W/kg，在Bm=1.0及1KHz时，其铁芯的损耗已与铁基非晶带制的相近，且铁芯的体积更小。
（2）通过三次再结晶工艺生产薄带。已在工频用取向电工钢中阐述（见表9）。

（3）采用温轧法生产6.5%Si-Fe取向电工钢薄带。由于高Si在室温既硬又脆，给加工带来很大困难，经过在成份上进行认真设计，冷轧时在加温（120-350℃）下进行，完成了6.5%Si-Fe的取向电工钢薄带试制。
住友金属制得的0.2mm厚的6.5%Si-Fe取向钢，=1.65T，=0.15W/kg
新日铁制得的0.3mm厚的6.5%Si-Fe取向钢，=1.65T，=0.35W/kg，0.23mm厚的6.5%Si-Fe取向钢，=1.62-1.67T，=0.25W/kg
与表13无取向6.5%Si-Fe相比，采用6.5%Si-Fe取向电工钢带制造变压器可大大提高设计Bm值，且损耗值显著减少。
3.3 Si含量呈梯度分布的高硅钢板
6.5%Si钢板是采用CVD法新技术制造的。目前采用这种CVD技术又开发了与原来钢铁材料结构完全不同的硅钢板。其断面硅含量不是均匀地分布。这种Si含量不均匀、呈梯度分布的高硅钢板为梯度高Si硅钢板。
梯度高Si硅钢板，变更Si含量分布可以获得各种性能的材料。现在已实用的品种有高频超低铁损Si钢和低剩磁Si钢两类。
·高频超低铁损Si钢
高频超低铁损Si钢，钢板表层的Si含量是6.5%，钢板内部Si含量低于6.5%，因此钢板表层的磁导率比中心部要高得多，由于这样的结构使磁力线集中在钢板表层，其结果涡流也集中在钢板表层。由于在钢板表面Si含量高，电阻大，因而可大幅度降低涡流损耗。
该类Si钢特性：（1）.在5KHz以上高频下，其铁损低于普通6.5%Si-Fe（图7、图8）

图7表示高频超低铁损钢与6.5%Si硅钢在频率为10kHz和磁感为1.0T时对铁损的分离结果。与6.5%Si硅钢相比，高频超低铁损钢板磁滞损耗增大而涡流损耗大幅度下降。导致总的损耗下降。图8所示的5kHz以上频率区域内高频超低铁损Si钢具有更低的铁损特性。
（2）6.5%Si硅钢Si含量高，但是高频低铁损Si钢平均Si含量低于6.5%Si钢，因此其饱和磁感值可达1.9T。
（3）因为高频超低铁损钢平均Si含量低于6.5%Si钢板，因而其延伸性亦比普通6.5%Si钢好，即加工性也好。
具有这种特性的高频低铁损硅钢适合用作高频电器铁芯材料。由于可以防止铁芯过热和使其小型化，因而可用于制作逆变器的电感器等。
·低剩磁Si钢
低剩磁Si钢，钢板表层Si含量高，中心部低，Fe-Si合金的磁致伸缩特性随Si含量变化发生很大的改变。表层Si含量高因此磁致伸缩小，而钢板中心部Si含量低因此磁致伸缩大。表层与中心层存在磁致伸缩差而引发应力，出现的弹性能导致材料呈现低剩磁状态。
该类Si钢的特性和应用：
（1）低剩磁Si钢具有较高的饱和磁感，其饱和磁感B5=1.96T，剩磁为0.34T（励磁磁感为1.4T时），其值低；
（2）一般情况下硅钢剩磁随励磁磁感几乎呈比例地增大。而低剩磁Si钢即使励磁磁感增加，剩余磁感几乎不增加，它仍然保持较低的值；
（3）低剩磁Si钢还具有优良铁损特性。例如励磁磁感为1.2T时，50Hz频率下铁损为1.27W/kg，差不多等于较高级无取向硅钢板的铁损值。
用低剩磁Si钢和取向硅钢制成模型变压器，低剩磁Si钢对突发电流抑制效果的评价结果表明，低剩磁钢板与取向硅钢相比具有大幅度抑制突发电流的抑制效果。因而可保证变压器在较高的Bm值下的正常运行。

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