無取向磁性電工鋼退火工藝研究

王廣保(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽滁州　239000)

?

無取向磁性電工鋼退火工藝研究

王廣保
(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽滁州239000)

摘要:無取向磁性電工鋼是一種應(yīng)用范圍極為廣泛的金屬功能材料，主要用于制作小型家電和大型變壓設(shè)備的軟磁合金材料，其用途廣泛、節(jié)能環(huán)保、需求量大，是日常應(yīng)用極為重要的功能材料．本文從無取向電工鋼退火時間、溫度對磁性的影響分析入手，區(qū)分溫度對不同結(jié)構(gòu)占有率以及時間對晶粒尺寸大小、變化的影響程度，研究認(rèn)為纖維組織完全消失和(111)面組織狀態(tài)構(gòu)成較弱時，磁感處于最高點(diǎn)，而磁滯損耗與鐵損同步降低，對組織結(jié)構(gòu)影響不大．通過對課題的研究分析，力求為推動相關(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐發(fā)展做出有益的探索與嘗試．

關(guān)鍵詞:無取向電工鋼;退火工藝;磁性

引用格式:王廣保．無取向磁性電工鋼退火工藝研究［J］．安徽師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2015，38(2) :149－152．

在所有的磁性材料當(dāng)中，無取向電工鋼的用途最為廣泛，幾乎所有的用電設(shè)備當(dāng)中都會使用該種材料，其產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)實(shí)力是衡量國家特殊鋼科技生產(chǎn)水平的重要標(biāo)志之一［1－2］．有研究表明，電工鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)影響因素有很多，如鋼板厚度、晶粒結(jié)構(gòu)和尺寸、化學(xué)成分等．假設(shè)電工鋼板化學(xué)成分和厚度穩(wěn)定，其磁性是由晶粒結(jié)構(gòu)和尺寸決定的，而退火時間和溫度是磁性的決定性因素．通過合理選擇退火時間和溫度，增加有利織構(gòu)比例，得到理想的晶粒標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到全面改善無取向磁性電工鋼的整體性能．

1　退火工藝對電工鋼磁感的影響因素分析

能夠?qū)﹄姽や摯鸥挟a(chǎn)生影響的因素很多，主要的影響因素是晶體織構(gòu)和化學(xué)成份．假設(shè)化學(xué)成分固定，磁感強(qiáng)度主要受織構(gòu)影響較大，通過改變退火工藝的方法影響織構(gòu)占有率．從研究成果來看，［100］方向是最容易磁化的材料，［110］和［111］晶軸方向是最難的磁化方向;研究成果表明{ hk0}和{ h00}晶面里面較{ hkl}含有更多的{100}易磁化方向，{ hk0}和{ h00}更加有利于磁化，而{ hkl}晶面相對不利于磁化．要提高無取向電工鋼的磁感度，必須要增加電工鋼內(nèi)部{ hk0}和{ k00}含量，以便于使{ hkl}面含量降低或者織構(gòu)弱化［3］．1．1退火時間對磁性電工鋼磁感的影響因素分析

在退火過程中，無取向電工鋼要經(jīng)歷回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒增長三個階段．從時間來看，再結(jié)晶和回復(fù)階段需要時間相對較短．假設(shè)退火時間t、時間表示為n，k為常數(shù)，則晶粒尺寸D公式為:

在再結(jié)晶階段，發(fā)生晶粒擇優(yōu)取向織構(gòu)，在晶粒接界處形成{ 111}表面織構(gòu)，不利于磁性形成;隨著退火時間增長，晶粒尺寸在轉(zhuǎn)運(yùn)中長大，一部分{111}表面織構(gòu)向更為有利的{ 110}面織構(gòu)轉(zhuǎn)化，而{ 100}面強(qiáng)構(gòu)呈現(xiàn)出弱化的趨勢．在持續(xù)高溫作用之下，使晶粒不斷變大，隨著晶粒變大到表面形成晶界溝槽對晶粒長大有阻礙作用，再處長退火時間，也難以影響晶粒尺寸的變化．見圖1(a)．

圖1(b)和圖1(c)分別列出了0．55%Si和850℃單位時間磁導(dǎo)率和退火結(jié)構(gòu)百分比的變化情況，隨著退火時間的延長，無取向電工鋼{111}［uvw］/{001}［uvw］含量都呈現(xiàn)出先抑后揚(yáng)的變化趨勢，最終趨同于特定數(shù)值［4］．說明:隨著退火時間的延長，{001}有利織構(gòu)呈現(xiàn)出增多趨勢，{111}不利織構(gòu)比率在不斷的降低，而磁導(dǎo)率呈現(xiàn)出緩慢上升狀態(tài)，但整體趨于穩(wěn)定，在退火前期和后期，

磁疇壁的移動和旋轉(zhuǎn)分別起著不同的作用．因此，磁導(dǎo)率往往受晶粒取向和尺寸限制，在具體操作中，要綜合考慮材料織構(gòu)和晶粒尺寸的影響．在退火時間長短的選擇上，要真正把磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著溫度變化情況考慮周全，充分認(rèn)識這種變化幅度存在一定的穩(wěn)定性，后期即使退火時間再延長，也是作無用功，反而會造成成本的增加．所以，短時間退火才是最好的選擇．

1．2退火溫度對磁性電工鋼磁感的影響因素分析

退火溫度對晶粒尺寸有影響，織構(gòu)的分布與形成也有較大的影響，以無取向硅鋼為例，最佳的織構(gòu)為{100}［uvw］，在其退火生產(chǎn)過程中，確保晶粒的{110}和{ 100}與軋面要平行，保證{ 100}易磁化因子增多，即在與軋面平行的前提下，{110}、{100}盡可能多的取代{112}、{111}織構(gòu)，達(dá)到提高磁性能的目標(biāo)．

從產(chǎn)品試樣分析來看，{100}＜011＞是極為穩(wěn)定的組分，具有較低形變能，以原位在結(jié)晶的退火方式保留部分{100} {011}發(fā)展趨向，其他位向的晶粒再結(jié)晶后轉(zhuǎn)變成以{ 111}［110］及{ 111}［112］相對穩(wěn)定的再結(jié)晶發(fā)展取向．以某高牌號電工鋼隨溫結(jié)構(gòu)變化圖為例(圖2)．

從圖2中可以看出:當(dāng)曲線處于550℃時，{110}［001］只占{111}［112］織構(gòu)占有率的1/8;在680℃時，{111}［112］織構(gòu)含量明顯變少;當(dāng)處于820℃時，兩者百分比含量近似于1: 1;隨著退火溫度的逐步升高，{110}［001］織構(gòu)比例增大，而{ 111}［112］織構(gòu)呈現(xiàn)出平穩(wěn)下滑趨勢，而在940℃時，呈現(xiàn)出一定的上升趨勢．所以，最佳無取向電工鋼的退火溫度在950℃左右．上述情況出現(xiàn)的原因:冷軋無取向電工鋼在變形時產(chǎn)生的能量較大，在退火再結(jié)晶時，剪切帶位置容易出現(xiàn)晶核，而新產(chǎn)生的晶粒大多都是{ 111}位向，因其選擇性極強(qiáng)，進(jìn)而擇優(yōu)形成{111}位向晶核，便于［111］/ /ND織構(gòu)形成．而{ 111}取向的晶粒具有極強(qiáng)的生長能力和晶界遷移能力，依據(jù)易磁化理論，晶粒尺寸變大有利于織構(gòu)面減弱，而不會使其增強(qiáng)，磁化就會變得越來越難．一般而言，當(dāng)成品的晶粒尺寸越大，{ 110}組分就越弱，而{ 111}織構(gòu)就越強(qiáng)．雖然在冷軋樣品的選擇中，{111}變形組分較低，但是其一直處于優(yōu)先形核地位，即始終處于優(yōu)先形成狀態(tài)，所以能夠在數(shù)量上始終占優(yōu)，而且保溫時間長，退火溫度不高，趨勢體現(xiàn)就越明顯．隨著退火溫度的不斷升高，{ 110}面織構(gòu)獲取的能量不斷增加，開始形成相應(yīng)的晶核，與{110}面織構(gòu)組分相對應(yīng)，{ 111}開始趨于飽合，在溫度持續(xù)升高的前提下，{111}面織構(gòu)開始向{110}轉(zhuǎn)化，{111}面織構(gòu)快速降低的趨勢就明顯．所以，適當(dāng)?shù)目s短退火時間，提高退火溫度，將晶粒尺寸控制在臨界點(diǎn)，增強(qiáng){111}面織構(gòu)，可以使磁性減弱［5］．

以某牌號無取向電工鋼為例(圖3、圖4)，對退火溫度與晶粒尺寸和磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析．

對于無取向電工鋼而言，一般都會選擇在α相區(qū)內(nèi)進(jìn)行退火，隨著退火時間處長和溫度升高，都會導(dǎo)致晶粒尺寸增大，磁感應(yīng)、硬度和鐵損降低［6］．由于帶鋼的硬度與溫度增長呈現(xiàn)反向發(fā)展趨勢，會使其沖擊性逐漸降低．從上圖可以看出，低碳低硅無取向電工鋼最佳退火溫度在600－850℃之間，隨著溫度的升高，晶粒尺寸不斷的變大．因此，為了能夠確保帶鋼磁性優(yōu)良，產(chǎn)量增加，必須要選擇短時間高溫退火，如含大量硅的電工鋼，必須要適度增加退火溫度，從這個意義上看，退火時快速升溫對晶粒磁性和長大非常有利．

2　退火工藝對磁性電工鋼鐵損的影響因素分析

在退火過程中，鐵損一般包括渦流損耗、反常損耗和磁滯損耗3部分．磁滯損耗是最為常見的損耗方式，指的是磁性材料在反磁化和磁化中，因晶體自身缺陷、晶體位向、內(nèi)應(yīng)力和內(nèi)帶雜物等原因，在一定程度上阻滯疇壁的移動，導(dǎo)致磁通受阻，從而造成磁場強(qiáng)度變化優(yōu)于磁感應(yīng)強(qiáng)度，形成阻滯現(xiàn)象造成能量損耗．

從研究文獻(xiàn)來看，在無取向電工鋼退火過程中，磁滯損耗(Ph)約占總耗損(Pt)的75%－80%，在所有損耗當(dāng)中占有比例較大．而在回復(fù)、晶粒長大和再結(jié)晶過程當(dāng)中，渦流耗損(Pe)變化幅度非常小，可以忽略．從這個意義上看，磁滯損耗(Ph)的變化趨勢代表總鐵損的變化趨勢．退火工藝影響鐵損的原因，與對象織構(gòu)關(guān)聯(lián)性不大，主要與晶粒變化有關(guān)．在操作過程中，磁疇壁運(yùn)動控制磁滯耗損大小，磁疇壁與晶界的交互性特征往往取決于晶界自身的特征．說明:隨著電工鋼晶粒長大，其擇優(yōu)取向會產(chǎn)生重大變化．其公式如下:

上述公式中Bm代表最大磁感應(yīng)強(qiáng)度;α為基本常數(shù); Hc代表矯頑力．當(dāng)Bm一定時，可以看出矯頑力與磁滯損耗呈現(xiàn)正比例關(guān)系．矯頑力既受磁疇移動控制，也受反向磁化期間反向磁區(qū)成核控制，對晶粒平均尺寸的微觀結(jié)構(gòu)均勻性特征極為敏感．所以，研究矯頑力必須要磁疇壁臨界磁場(Hm)和成核磁區(qū)的臨界磁場(Hn)．通過計算可得: Hn的臨界值與晶體各向異性常數(shù)呈現(xiàn)出正相關(guān)．所以，在退火脫碳中，不利織構(gòu)的材料可以通過改變晶體異性常數(shù)影響矯頑力．在長時間的退火脫碳過程中，矯頑力增加能夠引起渦流耗損磁滯增加，隨著晶粒尺寸的變化，矯頑力呈現(xiàn)出負(fù)向變化［7］．

晶界點(diǎn)化是畸形的，當(dāng)晶體缺陷較多時，則內(nèi)應(yīng)力會逐漸增大;當(dāng)晶粒平均直徑增加，磁滯損耗和矯頑力均會降低晶界面積也會相應(yīng)的變小;當(dāng)晶粒尺寸增加時，渦流耗損和磁疇尺寸都會有所增加．所以，為了控制鐵損，必須要選擇適度的臨界尺寸［8］．對于無取向電工鋼而言，其晶粒的尺寸一般都在30－200μm變化．一方面，晶粒因晶粒位錯、混亂、空位等缺陷，造成的磁阻較大現(xiàn)象;另一方面，晶粒粗大使得晶?？傔吔缃档?，抑制磁化時磁疇的轉(zhuǎn)運(yùn)與位移．所以，當(dāng)晶粒尺寸較大時，鐵損相對會降低．

在《低硅無取向電工鋼退火晶粒變化對磁性影響》［9］和《連續(xù)退火溫度對帶鋼瓢曲臨界載荷影響》［10］中，分別對0．25%Si和AL + Si =1．0%鐵損進(jìn)行研究，得出相同結(jié)論:晶粒尺寸會隨著退火溫度的升高逐漸增加，晶粒尺寸增加臨界值為900℃． 如圖5 所示: 總鐵損和磁滯損耗在逐漸降低，而渦耗損曲線則相對平穩(wěn)，表明渦流損耗基本上處于恒定狀態(tài)． 當(dāng)達(dá)到600℃時，電工鋼未發(fā)生回復(fù)并處于開始階段，則次彈性和靜磁能會增加，疇壁不易發(fā)生移動，導(dǎo)致鐵損較高．

3　結(jié)語

綜上所述，主要有以下三點(diǎn)結(jié)論:一是鐵損總額的降低就是磁滯損耗降低，與織構(gòu)關(guān)系不大，主要與晶粒的尺寸存在相關(guān)性．所以，在一定范圍內(nèi)，適度增加晶粒的尺寸能夠有效降低鐵損;二是纖維組織完全消失后，{111}面組分始終處于虛弱狀態(tài)，很難被磁化，而無取向電工鋼的磁感強(qiáng)度會達(dá)到最高值;三是通過研究發(fā)現(xiàn)，采取高溫短時退火方式，能夠確保冷軋無取向電工鋼獲得最好的磁性，是極為有效的方法．受工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐的影響，課題研究深度還存在一定的不足，理論闡述存在不深不細(xì)的現(xiàn)象，在以后的研究中，會加以糾正，希望現(xiàn)有成果能夠?yàn)橥苿酉嚓P(guān)領(lǐng)域的實(shí)踐做出有益的探索［11］．

參考文獻(xiàn):

［1］吳開明．無取向電工鋼的生產(chǎn)工藝及發(fā)展［J］．中國冶金，2012(1) :14－19．

［2］董梅，朱濤，裴陳新，等．半工藝?yán)滠垷o取向電工鋼的開發(fā)研究［J］．電工材料，2012，(3) :20－31．

［3］許桂寶．退火溫度對2%Si無取向電工鋼磁性能的影響［J］．電工材料，2013，(3) :20－23．

［4］葉鐵，周成，高振宇．成品第二次退火工藝對高牌號無取向電工鋼35W300組織和性能的影響［J］．金屬功能材料，2013，(8) :51－58．

［5］李娜，項(xiàng)利，仇圣桃．高效電機(jī)用冷軋無取向電工鋼退火板析出物的析出特征研究［J］．熱加工工藝，2013，(12) :44－47．

［6］潘振東，項(xiàng)利，張晨，等．高強(qiáng)度無取向電工鋼的研究進(jìn)展［J］．機(jī)械工程材料，2014，(4) :43－49．

［7］周國平，孫力，梁振威，等．電工鋼技術(shù)最新進(jìn)展及開發(fā)［J］．2012中國(唐山)綠色鋼鐵高峰論壇暨冶金設(shè)備、節(jié)能減排技術(shù)推介會論文集，2012，(4) :12－17．

［8］董梅，占云高，裴陳新．無取向電工鋼連續(xù)退火模擬在生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］．安徽冶金，2010，(9) :15－19．

［9］許秀飛，戴慶偉，易靜．節(jié)能電機(jī)用無取向電工鋼帶退火工藝的試驗(yàn)與應(yīng)用［J］．熱加工工藝，2014，(4) :32－41．

［10］劉朋成．?；瘻囟葘o取向電工鋼組織與織構(gòu)演變規(guī)律的影響［D］．內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2012，(6) :44－61．

［11］劉恭濤．低牌號無取向硅鋼的織構(gòu)研究［D］．遼寧科技大學(xué)，2011，(11) :32－41．

［12］胡少東．電磁攪拌對無取向電工鋼50W800和50W600連鑄板坯組織的影響［D］．江西理工大學(xué)，2012，(6) :12－19．

［13］劉立華．脈沖磁場對取向硅鋼初次再結(jié)晶組織織構(gòu)的影響［D］．上海大學(xué)，2013，(5) :15－31．

［14］蒲春雷．冷軋低牌號無取向電工鋼組織、織構(gòu)對其磁性能的影響研究［D］．昆明理工大學(xué)，2012，(4) :22－27．

［15］羅翔．鈰在50W470高效無取向電工鋼中的應(yīng)用研究［D］．昆明理工大學(xué)，2013，(4) 21－26．

［16］豆成，谷鳳龍，王軍，等．退火工藝和成分對冷軋無取向電工鋼性能的影響［J］．中國會議，2011，(10) :43－49．

［17］董彥，龔志翔，肖國華．退火工藝參數(shù)對冷軋無取向電工鋼薄板顯微組織和磁性能的影響［J］．機(jī)械工程材料，2012，(8) :37－42．

［18］黃希．Cu元素對無取向電工鋼組織、織構(gòu)及耐腐蝕性的影響［D］．昆明理工大學(xué)，2013，(4) :31－37．

［19］張帥．冷軋無取向電工鋼退火工藝研究及應(yīng)用［D］．昆明理工大學(xué)，2013，(4) :22－26．

［20］張帥，曹建春，李軍．無取向電工鋼退火工藝研究現(xiàn)狀［J］．熱加工工藝，2013，(5) :32－39．

On the Annealing Crafts of Non-Oriented Magnetic Electrical Steel

WANG Guang-bao
(Chuzhou Vocational and Technical College，Chuzhou 239000，China)

Abstract:Non-oriented magnetic electrical steel is a type of functional metal material，which can be widely applied，for instance，to producing soft magnetic alloys for small household appliances and large pressure equipment．Its widespread use，energy-saving，environmental-friendliness and in high demand makes it an important functional material in daily application．The analysis in this thesis starts from how the annealing time and temperature of non-oriented steel affect its magnetic properties so that distinctions can be drawn about the impact of temperature on different structure shares as well as that of time on different sizes and variations of grains．It is held in this thesis that the magnetic induction reaches the highest point when the fibrous tissue disappear altogether and the (111) surface is in a relatively weak state，while a synchronous reduction of hysteresis loss and iron loss makes no difference to organizational structure．Research in this thesis is supposed to be conducive to the practical development in related fields．

Key words:non-oriented electrical steel; annealing crafts; magnetic properties

作者簡介:王廣保(1966－)，安徽定遠(yuǎn)人，講師，研究方向:電工教育教學(xué)，工學(xué)結(jié)合．

收稿日期:2015－02－20

DOI:10．14182/J．cnki．1001－2443．2015．02．009

文章編號:1001－2443(2015) 02－0149－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號: