硼热变形磁性能研究论文

对于许多现代技术应用，如用于磁共振成像的超导导线，工程师们希望尽可能地消除电阻及其产生的热量。然而事实证明，在固态计算机内存等自旋电子应用中，电阻产生的少量热量是金属薄膜的理想特性。同样地，虽然缺陷在材料科学中通常也是不受欢迎，但它们可以用来控制被称为斯凯密子的磁性准粒子产生。麻省理工学院杰弗里·s·d·比奇教授和他在加利福尼亚、德国、瑞士和韩国的同事在本月发表在《自然纳米技术与高级材料》上的另一篇论文中指出：博科园-科学科普：在室温下可以在特制的层状材料中产生稳定而快速移动的拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态，创造了尺寸和速度的世界纪录，而且每篇论文都登上了各自期刊的封面！为了发表在《高级材料》(Advanced Materials)上的这项研究，研究人员制作了一种金属合金线，这种金属合金由一种重金属铂、一种磁性材料钴铁硼和镁氧组成，共15层。在这些层状材料中，铂金属层和钴铁硼之间的界面创造了一种环境，在这种环境中，通过施加垂直于薄膜的外部磁场和沿导线长度传播的电流脉冲：可以形成拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态。值得注意的是，在20毫安特斯拉的磁场下(磁场强度的一种测量方法)，导线在室温下会形成天空介子。在349 kelvins(168华氏度)以上的温度下，拓扑结构——斯格米子(skyrmion)态在没有外部磁场的情况下形成，这是由材料升温引起，即使材料冷却到室温，斯格米子(skyrmion)仍然保持稳定，比奇说：以前只有在低温和强磁场的情况下才能看到这样的结果。 这篇高级材料论文的第一作者，也是麻省理工学院材料科学与工程专业的研究生Ivan Lemesh（合作作者包括资深作家比奇和其他17人）说：在开发了许多理论工具之后，我们现在不仅可以预测内部的斯格米子(skyrmion)态结构和大小，而且我们还可以做一个逆向工程问题，比如想要一个这样大小的斯格米子(skyrmion)态，我们将能够生成多层，或者材料，参数，这将导致该斯格米子(skyrmion)态的大小。电子的一个基本特征是自旋，自旋可以指向上，也可以指向下。斯格米子(skyrmion)态是一组电子的圆形簇，其自旋方向与周围电子的方向相反，并且skyrmion保持顺时针或逆时针方向。2018年11月30日莱梅什在波士顿的材料研究学会秋季会议上介绍了他的研究并表示：然而，除此之外，我们还发现磁性多层中的斯格米子(skyrmion)态形成了一种复杂、依赖于厚度的扭曲性质，这些发现发表在《物理评论B》上的另一项理论研究中。目前的研究表明，虽然这种扭曲结构对斯格米子(skyrmion)态计算平均尺寸的能力影响较小，但它对其电流诱导行为有显著影响。 在《自然纳米技术》上发表的这篇论文中，研究人员研究了一种不同的磁性材料，将铂与钆钴合金和氧化钽的磁性层叠加在一起。在这种材料中，研究人员展示了他们可以产生10纳米大小的斯格米子(skyrmion)态，并证实他们可以在这种材料中快速移动。第一作者、材料科学与工程专业研究生卢卡斯·卡塔塔(Lucas Caretta)说：我们在这篇论文中发现，铁磁体对于准粒子的大小以及利用电流驱动它们速度有基本极限。在铁磁体中，例如钴铁硼，相邻的自旋平行排列，产生很强的方向磁矩。为了克服铁磁体的基本限制，研究人员求助于钆钴，这是一种铁磁体，相邻的自旋上下交替，这样它们就可以相互抵消，导致整体磁矩为零。可以设计一个铁磁体，使其净磁化率为零，从而产生超小的自旋纹理，或者调整它，使其净角动量为零，从而产生超快的自旋纹理。”这些性能可以通过材料组成或温度来设计。2017年，Beach团队的研究人员和他们的合作者通过实验证明，他们可以通过在磁性层中引入一种特殊的缺陷，在特定的位置随意制造这些准粒子。莱梅什说：可以通过使用离子轰击等不同的局部技术来改变一种材料的性质，通过这种方法，你可以改变它的磁性，然后如果你向导线中注入电流，斯格米子(skyrmion)态就会在那个位置诞生。最初发现这种材料存在天然缺陷，后来通过金属丝的几何形状，它们变成了工程缺陷。用这种方法在新的自然纳米技术论文中创造了天空介子。研究人员利用x射线全息术，在德国同步加速器中心的室温下拍摄了钴钆混合物中的斯格米子(skyrmion)态。Felix Buttner，海滩实验室的博士后，是这种x射线全息技术的开发者之一。这是唯一的一种技术，可以允许这样高分辨率的图像，可以看到这样大小的skyrmions。这些斯格米子(skyrmion)态只有10纳米大小，这是目前室温斯格米子(skyrmion)态的世界纪录。研究人员利用一种同样可以用来移动斯格米子(skyrmion)态的机制，证明了当前驱动的域壁运动速度为每秒公里，这也创造了一项新的世界纪录。除了同步加速器的工作，所有研究都是在麻省理工学院完成，研究人员在麻省理工学院“种植”材料，制造材料，并对材料进行特性描述。 这些斯格米子(skyrmion)态是这些材料中电子自旋的一种自旋构型，而畴壁是另一种。域壁是自旋方向相反的域之间的边界。由于斯格米子(skyrmion)态是材料的基本属性，其形成和运动能量的数学表征涉及到一组复杂的方程，这些方程包含了它们的圆形尺寸、自旋角动量、轨道角动量、电子电荷、磁强度、层厚，以及一些捕捉相邻自旋和相邻层之间相互作用的能量的特殊物理术语，如交换相互作用。其中一种相互作用被称为Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，它是由铂层和磁层的电子相互作用产生，对形成斯格米子(skyrmion)态具有特殊的意义。勒梅什说：在季亚罗辛斯基-森也相互作用中，自旋相互垂直排列，从而稳定了天空介子。DMI的相互作用使这些斯格米子(skyrmion)态具有拓扑结构，产生迷人的物理现象，使它们稳定，并允许它们随电流移动。卡塔塔说：铂本身提供了所谓的自旋电流，这是驱动自旋纹理的运动，自旋电流对邻近的铁或铁磁体的磁化提供了一个扭矩，这个扭矩最终导致了自旋结构的运动，基本上是用简单的材料在界面上实现复杂现象。在这两篇论文中，研究人员进行了微磁和原子自旋计算的混合，以确定形成斯格米子(skyrmion)态和移动它们所需的能量。事实证明，通过改变磁性层的比例，可以改变整个系统的平均磁性能，所以现在我们不需要使用不同的材料来产生其他性质。可以用不同厚度的间隔层稀释磁性层，就会得到不同的磁性，这就给了无限的机会来制造系统。 新罕布什尔大学(University of New Hampshire)物理学助理教授张家东(Jiadong Zang)在谈到这篇先进材料论文时表示：精确控制产生磁斯格米子(skyrmion)态是该领域的一个中心课题。这项工作提出了一种通过电流脉冲产生零场斯格米子(skyrmion)态的新方法。这无疑是朝着纳秒级斯格米子(skyrmion)态操纵迈出的坚实一步。英国利兹大学凝聚态物理学教授Christopher Marrows在评论《自然纳米技术报告》时表示：斯凯米子非常小，但在室温下可以稳定下来，这一点非常重要。Marrows注意到Beach小组在今年早些时候的一篇科学报告中预测了室温天空介子，并说：新结果是最高质量的研究工作。但是他们做出了预测，现实生活并不总是如理论预期的那样，所以他们应该为这一突破负全部责任。Zang在评论《自然纳米技术》的论文时补充道：斯格米子(skyrmion)态研究的一个瓶颈是要达到小于20纳米尺寸(相当于最先进的存储单元的尺寸)，并以每秒1公里以上的速度驱动它 运动，这两项挑战都在这项开创性的工作中得到了解决。一个关键的创新是使用铁磁体，而不是常用的铁磁体，来承载斯格米子(skyrmion)态，这项研究工作极大地刺激了基于skyrmi的内存和逻辑设备的设计，这绝对是skyrmion领域的一份明星论文。 基于这些斯格米子(skyrmion)态的固态设备有一天可能会取代现有磁存储硬盘驱动器。比奇在华盛顿大学的一次演讲中说：磁斯格米子(skyrmion)态流可以作为计算机应用程序的比特。在这些材料中，可以很容易地绘制出磁迹的图样。这些新发现可以应用于由IBM的Stuart Parkin开发的赛道内存设备。设计这些材料用于赛道设备的一个关键是设计能够形成skyrmions的材料，因为斯格米子(skyrmion)态是在材料存在缺陷的地方形成。理工学院材料研究实验室(MRL)的联合主任Beach说：人们可以通过在这类系统中设置缺口来进行设计，注入材料中的电流脉冲在缺口处形成了斯格米子(skyrmion)态。同样的电流脉冲可以用来写入和删除，这些斯格米子(skyrmion)态的形成速度非常快，不到十亿分之一秒。为了能够有一个实用的操作逻辑或内存赛道设备，必须写入比特，这就是在创建磁准粒子时所讨论，必须确保写入比特非常小，必须以非常快的速度将比特通过材料进行转换。利兹大学的教授Marrows补充道：在基于斯基里米的自旋电子学中的应用将会受益，尽管现在就确定在包括记忆、逻辑器件、振荡器和神经形态学器件在内的各种各样的提议中哪个会是赢家还为时过早。剩下的一个挑战是阅读这些斯格米子(skyrmion)态位元的最佳方式。海滩小组在这一领域的工作仍在继续，目前的挑战是找到一种方法，以电的方式检测这些天空介子，以便在电脑或手机上使用它们。卡塔塔说：是的，所以不需要把你的手机带到同步加速器来读一点，由于在铁磁体和类似的反铁磁体系统上所做的一些工作，我认为该领域的大多数领域实际上将开始转向这类材料，因为它们拥有巨大的前景！

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 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 %，甚至 %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 %的无取向硅钢的铁损(p15/50)随碳含量的变化〔3〕。当碳含量为 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 Relation between the iron loss increment and aging time for different residual carbon content图2表示硅含量分别为 %、 %和 %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。 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 %～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 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 losses1 T下损失/W*kg－1 钢中硅含量/% 1 4磁滞损失(ph) 涡流损失(pe) 总铁芯损失(p10) 图 3 硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响 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 %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。 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 %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 %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 %。2 杂质元素的影响〔4，5〕 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( %～ %)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 %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。 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。某些元素对硅钢性能的影响 2008-7-30 11:35[关键词] 某些元素 对 硅钢 性能 影响 钢中华商务网讯:摘 要 介绍了硅钢中某些元素对其性能的影响，并扼要分析了某些元素对硅钢性能影响的机制。其中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；而硅含量增加能显著降低硅钢铁损。磷、铝、铜是主要杂质元素，但适量的磷可提高硅钢的防锈能力。锡和锑均是表面活性元素，它们可使硅钢最终退火织构中｛111｝面组分减少，｛100｝和｛110｝面组分增加，从而降低硅钢铁损，提高其磁感应强度。关键词 硅钢 合金元素 铁损 磁感应强度INFLUENCE OF SOME ELEMENTS ON THE PROPERTIESOF SILICON STEELCHU Shuangjie QU Biao DAI Yuanyuan(Baoshan Iron and Steel Corp.)ABSTRACT In the paper,influence of some elements on the properties ofsilicon steel are introduced,with an analysis of the is an important element that causes magnetic aging of silicon steel andas the carbon content in the silicon steel increases,the iron loss alsoincreases,but with increase of silicon,the iron loss decreases are main impurities in silicon steel,but suitable content Pmay improve the antirust property of silicon and Sb are surface active elements,they might reduce component of ｛111｝and increase ｛100｝and ｛110｝component in texture of silicon steel,thus decrease theiron loss of the silicon steel and increase the magnetic flux WORDS silicon steel,alloying element,iron loss,magnetic flux density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 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 %，甚至 %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 %的无取向硅钢的铁损(p15/50)随碳含量的变化〔3〕。当碳含量为 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 Relation between the iron loss increment and agingtime for different residual carbon content图2表示硅含量分别为 %、 %和 %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。 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 %～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 Relation between the maximum increment of theiron 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 losses1 T下损失/W*kg－1 钢中硅含量/% 磁滞损失(ph) 涡流损失(pe) 总铁芯损失(p10) 图 3 硅含量对硅钢电阻率和其它固有磁性的影响 Effect of silicon content in the silicon steel onresistivity 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 %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。 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 %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 %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 %。2 杂质元素的影响〔4，5〕 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( %～ %)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 %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。 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 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 %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 %～ %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〕。 铜元素小于 %的铜溶于α-Fe中，会促使碳石墨化，对磁性无大影响；硅钢含 %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 %时，在热轧过程中会形成大量(CuMn)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 %～ %。 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 %(Si＋Al)的脱碳半加工硅钢在 T下测定的磁性。当氮含量从 %降至 %时，其铁损与磁导率都可进一步改善。表 2 脱碳半加工硅钢 %(Si＋Al)在 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 %(Si＋Al) at TN/% 铁损/ 磁导率/ 晶粒尺寸/W*kg－1 ×4π×10－7 H*m－1 μ 2 500 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 %～ %范围内，对于含 %Mn、 %Si和 %Al的半加工硅钢，每增加 %S可使铁损提高 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 %，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 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 %～ %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。 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 %Al钢的能耗具有有益的影响。Shimanaka等〔11〕指出，在无取向 %Si合金中加入 %～ %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 %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 T下磁导率提高100 %，在 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。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 %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 %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。