当前正面临全球能源结构转型关键期，这给能源领域用特殊钢带来新的机遇，但同时也对材料性能以及绿色低碳化方面提出更高要求。为了梳理我国能源用特殊钢的现状并为未来发展指路领航，世界金属导报与中信泰富特钢集团联合推出“能源用特殊钢研讨专题”系列报道，从产学研用角度研讨能源用特殊钢的产品研发、技术创新、典型应用、未来前景等，加快推动能源用特殊钢产业向高端迈进。
在“双碳”背景下，各行各业均在加速减少碳排放。钢铁行业作为实现“双碳”目标的关键行业之一，其降低碳排放不仅仅在于减少生产过程中碳排放，也在于通过应用先进的钢铁材料来大幅降低各种应用端的碳排放。就汽车行业而言，目前全球汽车产业均在向新能源转型，加速实现电动化，其中我国的新能源汽车发展最为迅速。快速抬升的新能源汽车产销量有力拉动了驱动电机装机需求。实践证明，采用高等级的无取向硅钢制作电机定子和转子，不仅能提高新能源汽车的驱动电机效率还能够进一步降低碳排放，有助于钢铁材料全生命周期的节能降碳。
01 新能源汽车驱动电机与高强无取向硅钢
新能源汽车，尤其是B级和C级以上电动车的驱动功率一般在180kW以上，需要配置两套及以上电驱动系统。随着高端电动车占比不断提升，将带动新能源驱动电机装机量进一步增长。而永磁同步电机借助其功率密度高、能耗低、体积小、重量轻等优势，在中国新能源汽车中应用最为广泛，在2021年占全部装机量的94.4%。驱动电机是新能源车的三大核心部件之一，其未来发展方向是高速化、高功率化。这就要求电机在相同功率下尽可能地降低电机的体积、重量与铁耗，但降低电机的体积和重量会导致电机转矩降低， 因此需要提升电机转速。如Prius2015款电机转速几乎达到了 Prius2004款电机的3倍，而峰值转矩呈现降低的趋势。通过高速电机与减速箱配合，将高速低转矩输入转变为低速大转矩输出，进而达到驱动新能源汽车的目的。
驱动电机的高速化和高功率化也对电机材料提出了更高的要求，尤其是由无取向硅钢片叠压制成的定转子铁芯，不仅直接决定了电机功率、转矩、铁耗、温升等，还影响了新能源车的续航里程。如于2018年先后在日本、北美 及欧洲地区上市的Nissan Leaf II，其电池容量仅有40kWh，但续航里程可达400km，与电池容量60kWh的特斯拉Model S相同。这是因为Nissan Leaf II 使用永磁同步电机作为驱动电机，以永磁体提供励磁，无需励磁电流，因此没有励磁损耗，损耗低、效率高。除此之外，Nissan Leaf II驱动电机的定转子铁芯由厚度为0.25mm的硅钢片叠压而成，可以降低铁耗，进一步提升电机效率。2016款BWM i3的驱动电机铁芯由厚度为0.27mm的硅钢片叠压而成，转子铁芯存在大量减重孔，以此降低电机重量，提升电机功率密度。因此，为提升电机的效率及功率密度，电机用硅钢片已由传统的0.35mm、0.50mm 减薄至0.25mm、0.27mm。可以预见，随着电机转速的提升，更薄规格、更低铁损的硅钢将会逐步应用于新能源汽车驱动电机。
制造驱动电机定转子铁芯的冷轧无取向硅钢片，是决定功率能量转化的关键软磁材料。铁芯中所产生的铁耗是电机损耗的重要组成部分，尤其是电机运行在高转速的工作状态下，铁耗占总损耗的比例显著增大。在超高频状态下，仅涡流损耗就占了总损耗的40%-70%，因此这就要求硅钢具有尽可能低的高频铁损，这既可以改善电机效率、提高新能源汽车续航里程，也可以抑制温升、避免永磁体的退磁；在车辆起步和低速爬坡阶段，电机需要输出足以带动汽车启动的巨大扭矩，因此需要具有尽可能高的磁感。此外，高速运转时巨大的离心力以及严苛的定转子间隙设计还要求转子材料具有更高的屈服强度。因此，高转速、高功率密度的新能源汽车驱动电机要求采用具有更薄规格（≤0.35mm）、更低高频铁损、更高磁感、高屈服强度的冷轧无取向硅钢片。
由于新能源汽车驱动电机用高强无取向硅钢产品工序流程长、工艺窗口窄、生产难度大，全球具备大批量稳定生产能力的企业较少。目前，新能源汽车驱动电机用无取向硅钢国际上有日本JFE、日本制铁、韩国浦项等企业能够生产，而国内也只有宝钢、首钢、太钢等少数企业可批量生产。随着新能源汽车的快速发展，国内外对新能源汽车驱动电机用无取向硅钢的市场需求旺盛，国内外一些企业纷纷新建新能源汽车驱动电机用无取向硅钢的生产线。本文将介绍国内外新能源汽车驱动电机用高强无取向硅钢片的产品、技术路线和市场情况，为新能源汽车驱动电机用无取向硅钢产品开发和生产提供参考。
02驱动电机用无取向硅钢的技术路线
电机所用硅钢片C、N含量均很低，其总和一般小于50ppm，但Si、Al含量较高，以保证低铁损。驱动电机用硅钢片的磁性能要求并不是很高，通常现有的如50W230和35W210等高牌号无取向硅钢或者高效电机类无取向硅钢如35WH230和50WH300等这类牌号的成分体系就可以满足磁性能的要求，这也是目前市场上所提供的新能源汽车用无取向硅钢产品系列的主要来源。但高转速驱动电机所要求的硅钢片要较传统无取向硅钢强度高200MPa以上，且在提高强度的同时不损害磁性能。传统硅钢通过Si的固溶强化可提高强度同时降低铁损，但恶化了磁感，且最多只能提高至550MPa左右，一般不超过500MPa。更高Si含量导致不可轧制。因此需要新的强化机制提高强度。由于硅钢产品为了防止磁滞时效，其C、N含量均很低，无法进行间隙原子固溶强化和相变强化。因此可行的强化机制只有代位原子固溶强化、析出强化或者变形强化。但无取向硅钢的铁损、磁感及强度是互斥关系，提高磁感、强度的方法往往会损伤铁损，因此，为了同时获得硅钢的低铁损、高磁感和高强度，需要精心选择强化路线和设计生产工艺，以实现力学性能与磁性能的优化。日本是全球最早从事新能源汽车研发与生产的国家，其相关技术开发最早、技术储备也最多。日本从1980 年起就开始研究高强度无取向硅钢，代表厂家主要为新日铁、JFE 和住友金属。由于最终采用的强化技术路线涉及到各公司的商业机密，因此鲜有这方面的详细研发报告发表，取而代之的是这三家公司在其本国或是其他国家申请的逾百项高强度无取向硅钢专利，这些专利大多是为了覆盖和掩盖其真实的工艺技术而设立的，因此需要结合科学规律详细分析这些专利文献，发现它们所遵循的研发思路。
这些专利主要涉及到无取向硅钢强化的三种技术路线，包括固溶强化、位错强化和析出强化。新日铁在1990 年以前公开的专利中主要采用Si、P、Mn、Ni的固溶强化，但有时也会用到Cr、Mo、Cu、Ti 等其他合金元素，并且为达到高强度一般会适当控制成品材的晶粒尺寸。该公司采用的主要强化手段是P、Mn、Ni 等元素的固溶强化。但需注意P虽然固溶强化效果很好，但易在晶界偏聚引起钢板脆裂，需要采取特别工艺措施加以避免。固溶强化的最大特点就是可以在提高强度的同时而不损伤磁感和铁损。
新日铁于2002 年11 月公布的高强度无取向硅钢片HST系列，有0.5mm，0.35mm和0.2mm三个规格，其典型磁性能和屈服强度如图1所示。0.2mm和0.5mm厚度屈服强度在780MPa级别时，其P1.0/400分别只有38W/kg和52W/kg；而0.35mm厚度屈服强度570MPa级别的P1.0/400为30W/kg。图1也将其与高效电机用0.35mm和0.50mm的高效无取向硅钢的性能进行了比较，由此可见，在同样的厚度规格情况下，磁性能虽然略有下降，但屈服强度大约提高了1倍以上，材料的抗变形能力显著增强，实现了预期目的。我们推测新日铁这一时期所开发的高强度无取向硅钢片是基于固溶强化技术路线。
由于固溶强化往往使用昂贵的金属镍，导致合金成本显著上升，而且固溶强化增加了轧制前的强度，使得轧制难度增大，因此住友金属在2011年申请的美国专利中提出了加入Nb、Ti、V、Zr这一类微合金元素的方法，一方面形成细小碳化物粒子通过析出强化提高强度，另一方面是通过固溶Nb抑制退火时的再结晶，使得再结晶分数不超过90%，保留了部位冷加工位错壁等缺陷，使得强度不会因再结晶显著下降。根据这一技术所开发的SXRC系列高强度无取向硅钢的性能如表1所示。与普通无取向硅钢相比，在类似的高频铁损下强度显著提高1倍以上，但与图1中新日铁产品相比，铁损相差很多。住友金属认为虽然位错强化导致铁损显著增大。但是转子比定子用硅钢片的容许铁损要大很多。位错强化工艺简单易行，成本经济。韩国浦项近年来所开发的新能源无取向硅钢产品性能见表2，其中35PNT650Y产品牌号的力学性能与磁性能与住友金属的SXRC690非常接近，应是采用了同一强化类型的技术路线所致。
新日铁在2012年与住友金属合并之初，其所提供的高强无取向硅钢产品手册中的性能指标如表3所示，在同一强度级别下磁性能与之前住友金属的产品水平相当，而远逊于早期新日铁所开发牌号的磁性能。这种将降级技术应用于工业生产的技术路线选择，我们推测是日本企业基于日本新能源汽车多为混合动力、以及钢铁企业与汽车企业进行利润博弈的现实路线选择。事实上，日本钢铁企业也有既提高强度也不牺牲磁性能的技术储备和专利方案，如新日铁后期提出的Cu 金属相析出强化的若干专利方案就具有明显的性能优势。Cu 金属相降低饱和磁通密度的作用很小，而且与碳氮化物相比，对磁畴壁移动的阻碍作用较小，因此可以实现提高强度而不恶化磁性能的目的。另外，可以通过控轧控冷和退火工艺可以不析出或少析出Cu相，保证冷轧和冲片的工艺性能，而在叠片后时效处理中让Cu相析出提高强度。这样，在时效前的钢板一直是处于一个相对“软质”的状态，冷轧及其冲片过程中的成材率相对较高。为了防止Cu 金属相严重恶化磁性能，专利中一般都对Cu 金属相的尺寸、密度作出规定。
03 国内新能源无取向硅钢的生产
3.1 产品情况和市场分析
国内新能源汽车呈现爆发式增长，预计2022年国内新能源汽车销量将达到500万-600万辆，远远超过其他国家，主要汽车厂家有：特斯拉、比亚迪、上汽通用五菱、大众、宝马、奔驰、沃尔沃等。我国是全球最大的新能源汽车驱动电机制造市场，在中国本土制造的驱动电机会通过供应链装备到海外的整车厂。新能源汽车驱动电机用无取向硅钢，是全球无取向硅钢厂一致认同的高牌号增量市场。2021年，主流钢厂合计销量约35万-38万吨，其中占比最高的分别是宝钢、首钢、太钢。在市场的驱动下，日韩等老牌硅钢企业和我国无取向硅钢企业都在积极规划和建设新能源汽车用无取向硅钢生产线。我国企业生产的新能源汽车用无取向硅钢产品牌号基本与日本新日铁的产品系列类似，也包括0.35mm、0.30mm、0.27mm、0.20mm等不同的厚度规格与性能。如宝钢生产的新能源汽车用无取向硅钢包括普通型（AV）、高效型（AHV）、高磁感型（APV）、高效高强型（AHV-M）、高强度消除应力退火型（AHVR）以及高强度（AHS）等六个系列29个牌号，有B20AV1200、B30AV1500、B20AHV1200、B30AHV1500和B35AHS500等。2021年，宝钢的新能源汽车用无取向硅钢的产量全国最大，也是全球最大，国内市场占有率达到45%左右，同时还在建设50万吨新能源汽车用无取向硅钢项目。
首钢的牌号有20SW1200、20SW1200H、35SW1700、25SWH1400、35SWYS600和35SWYS900等。35SWYS900牌号高强度产品和20SW1200H（屈服强度490MPa，铁损P1.0/400为11.3W/kg）产品是其最优牌号。2022年，首钢投产一条35万吨/年的新能源汽车驱动电机专用生产线。另外，马钢利用六辊轧机已开发出0.25mm薄规格的新能源汽车用无取向硅钢产品。
如果将新日铁公布的典型高强无取向硅钢片牌号的性能与我国宝武、首钢集团的相应产品进行对比，如表4所示，可以看出宝钢产品的性能位于图1新日铁高效系列牌号产品范围，应是没有采用额外强化手段的高效系列的延伸；而首钢产品则应是位错强化技术路线的典型性能，即强度和高频铁损均很高。
3.2 国内高强度无取向硅钢片的研发与知识产权
由于新能源汽车的蓬勃发展，钢铁企业纷纷开展研制和生产驱动电机用高强无取向硅钢片的研发与生产。同时，一些在冶金行业知名的大学和研究机构也陆续开展了相应的研发，并且都申请了相关专利。我们梳理了我国在高强无取向硅钢片的所有授权的国家发明专利，如表5所示。这些专利大多是关于高强无取向硅钢成分与制备工艺的新发明。其中北京科技大学的发明专利方案既包括利用Nb的合金化实现位错强化的经济型技术路线，也包括通过Cu、Ni合金化获得屈服强度高达800MPa而高频铁损P1.0/400保持在21W/kg，同时实现了高强低铁损；东北大学的发明专利则主要是基于薄带铸轧这一独特的技术工艺路线来实现多个产品系列，创新性明显。但让人意外的是，这些知识产权多来自知名的冶金高校和最早生产硅钢的企业武汉钢铁公司。虽然宝武集团和首钢集团硅钢产品在国内居于领先地位，却未发现它们有与高强无取向硅钢产品主体技术特征相关的知识产权。同时注意到，宝钢股份在2022年8月17日晚间公告称，收到日本制铁就该公司向丰田汽车供应的电磁钢板侵犯了其三项专利的起诉，合计索赔额超过30亿元，案件将在日本东京地方法院开庭审理。这一不同寻常的知识产权诉讼，提醒我国企业需要加强与自己产品相关的知识产权建设，尤其是要形成与产品主要技术特征相关的、法律状态清晰的知识产权，来避免此类纠纷和诉讼。另外，我国相关部门在科技奖励的评选中，也应严格审查所申报的技术进步中，其主要技术特征是否有明确清晰的知识产权，促进我国企业增强国际竞争力。
04 未来发展趋势
从近年来新能源汽车驱动电机用户对材料的选择来看，国内原来大批量使用0.35mm厚度，现逐渐转为0.27-0.30mm厚度；日系使用0.25-0.30mm厚度，对材料的铁损、磁感和强度综合性能要求更高；欧系和美系分别倾向使用0.27-0.30mm和0.25-0.30mm厚度，对材料的铁损和强度性能要求最高。
新能源汽车驱动电机未来将向更高速、更高功率密度方向发展，因此，其所用硅钢片将向着更低铁损、更高磁感、更高屈服强度及更薄厚度方向发展。但硅钢厚度不能无限减薄，当减薄至0.25mm以下时，电机在高速运转的条件下，离心力较大，铁芯磁桥薄弱处断裂风险升高。而且高牌号硅钢厚度持续减薄，原材料生产加工过程困难，成本上升，影响电机整体经济性。因此从制造与加工成本方面综合考虑，0.2-0.25mm厚度应该是未来一段时间内新能源汽车驱动电机用硅钢的最佳厚度。
另外，日本制铁目前采用的高强无取向硅钢片的力学与磁性的综合性能，逊于早期新日铁开发的牌号，这应该与日本的新能源汽车多为混合动力的现状相适应，因为混合动力对驱动电机的要求不同于纯电动汽车，尤其是在续航里程焦虑、峰值功率高速运行导致的温升等方面均有显著不同，这更可能是基于日本国土狭小和人口稠密特点所导致的频繁启停、低速运行的典型城市路况条件，以及日本汽车企业早期在混合动力上投入了巨资的前提下，钢铁企业与汽车企业进行利润博弈的临时路线选择，而非长远的技术路线。而我国国土辽阔、地形地貌丰富、南北气候差异巨大，这导致我国家庭用车通常都要在各种地理气候条件下进行长途驾驶，因此，在我国纯电动汽车的未来发展，除了要高度重视高能量密度电池的研发，驱动电机终会变得像燃油汽车发动机一样重要，来适应国民需求，最终依然会以电池、电机的性能来作为划分高性能电动汽车品牌档次的主要技术指标。我国是工业电机的生产大国且出口众多，相关工业基础很好，但是我国企业多是跟踪和模仿发达国家的产品技术，少有未雨绸缪的领先产品规划，尤其是当高性能纯电动汽车已成为不可逆转的未来发展趋势，一种为高转速、高功率密度驱动电机配套的，同时拥有高强度、高磁感与低的高频铁损的无取向硅钢片的技术路线将是未来必然的选择。
[出处 – 微信公众号 ] 高强无取向硅钢的应用及生产技术 https://mp.weixin.qq.com/s/WY4unj0hJkvUNHpF-hAn9Q
