稀土在无取向电工钢中的应用

无取向电工钢主要应用于马达和发电机用铁芯叠片，它具有较小的磁致伸缩性、低铁损、高磁导率等良好性能，是电磁转换过程中铁芯制造领域的重要材料。无取向电工钢的化学成分、各织构组分强度、再结晶组织以及夹杂物聚集程度等决定了其磁性能的好坏。无取向电工钢的有利织构组分为{100}<uvw>，磁性最好，{112}面有难磁化的<111>轴，铁损最高，磁性最差。罗翔等的研究表明，随着铈含量的增加，磁感应强度先增后减，夹杂物的数量先减后增，再结晶不利织构{111}组分先减后增，有利织构{100}和{110}组分先增后减，铁损先降低后增加。净化作用，变质作用和微合金化作用是稀土在钢中的主要作用。稀土在无取向电工钢中的作用主要体现在以下几个方面。

(1)净化钢液、控制夹杂物形态：

稀土很容易与O、S元素结合形成化合物，在钢中添加稀土后，钢中O、S含量迅速降低，夹杂物得到有效变质，生成高熔点稀土氧化物、硫化物和氧硫化物，因此稀土可以起到脱氧脱硫的作用。有研究表明，添加质量分数为0.06%-0.09%的Ce与La混合稀土时合金钢中氧含量最低，脱硫效果最佳；添加稀土后的无取向电工钢试样与未添加稀土的无取向电工钢试样相比，夹杂物数量明显减少，钢质相对较纯净。在2.9%Si无取向电工钢中添加质量分数为0.0055%的Ce，不仅能明显抑制MnS的析出，而且能够有效的变质AlN和Al2O3等夹杂物，获得最小的平均夹杂物密度和最大的平均夹杂物尺寸，减少夹杂物对电工钢磁性能的危害。

(2)改善铸态组织：

在电工钢中加入微量稀土元素有利于非均匀形核，细化铸态组织。稀土会在电工钢中析出高熔点化合物，作为非均匀形核中心，以细小的质点形态散布于钢中，可以降低钢液结晶过冷度，细化凝固组织，从而达到改善电工钢铸态组织的目的。

(3)改善成品晶粒尺寸：

在无取向电工钢中添加一定量的稀土Ce可以使得微细夹杂物数目减少，同时，粗大夹杂物数目增加。由于抑制晶粒长大的能量与夹杂物的体积分数成正比，与夹杂物的平均晶粒半径成反比，因此，微细夹杂物的减少对晶粒长大更有利。但随着稀土添加量的继续增加，稀土含量过高，高熔点稀土氧、硫化物形核较多，作为复杂夹杂物形核质点增加了其形核率，从而导致微细稀土夹杂数量的增多，进而抑制晶粒长大。

研究表明，在1.15%Si(质量分数，下同)电工钢中添加稀土元素Ce，随着Ce质量分数的增加，电工钢成品晶粒尺寸逐渐增大，当添加质量分数为0.011%的Ce时，成品晶粒尺寸最大。另有研究显示，在2.9%Si无取向电工钢中添加稀土Ce，随着Ce含量的增加，成品晶粒尺寸呈先增大后减小的趋势。

(4)改善再结晶织构：

在1.15%Si无取向电工钢中添加稀土元素Ce，当添加Ce的质量分数为0.003%时，{110}<001>织构最强，磁感最高，铁损最低。随着Ce在2.9%Si无取向电工钢中含量的增加，织构因子{100}/{111}先增大后减小，当添加质量分数为0.0055%的Ce时，织构因子最大，对磁性能有利。在含稀土Ce的1.2%Si-0.4%Al无取向电工钢中，随着Ce含量的增加，电工钢中有利织构组分呈先增后减趋势，当添加Ce的质量分数为0.0051%时，有利织构组分所占的比例最大，这是由于稀土Ce的加入起到了净化作用，减弱了原有夹杂物对晶界迁移的阻碍作用，有效抑制了{111}取向晶粒的形核与长大。而在CSP流程3.0%Si无取向电工钢中最佳的Ce添加量为0.0062%。

师彩娟等以无取向电工钢为研究对象，在实验室制备添加质量分数为0.002%的Ce和不添加Ce的2种电工钢试样。研究结果表明，Ce元素的添加抑制了无取向电工钢的再结晶过程。Ce的加入使无取向电工钢的成品晶粒尺寸增大，但退火再结晶织构类型变化不大，{111}面再结晶织构组分强度降低"织构整体密度水平下降。

师彩娟等还研究了稀土La元素对无取向电工钢常化以及成品组织和织构的影响，结果表明，La加入到无取向电工钢中后"其常化组织晶粒尺寸增大，分布不均匀；加入稀土La后无取向电工钢成品晶粒尺寸增大，并且，加入质量分数为0.0015%的La所获得的成品晶粒尺寸最大。在无取向电工钢中，{111}面织构为不利织构，优良的无取向电工钢要求形成较多的{100}面织构，以获得良好的磁性能。加入一定量稀土可以增加{100}面有利织构的比例，同时减少{111}面不利织构的比例，使得电工钢的磁性能提升。添加稀土制备低牌号无取向电工钢与现有技术相比，添加稀土的电工钢具有较为优良的磁性能。

以上研究表明，稀土通过净化钢液、控制夹杂物形态，改善铸态组织，增大成品晶粒尺寸，改善再结晶织构，使得无取向电工钢原有的组织性能获得显著的提高，具有非常广阔的应用前景。

来源:《钢铁研究学报》秦镜等