退火溫度和Si含量對無取向電工鋼磁特性的影響

歐陽頁先，劉 靜，付 兵，程朝陽

(武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081)

近年來，隨著國家對節(jié)能環(huán)保重視程度的增加，作為電能消耗大戶的電機行業(yè)，機電產(chǎn)品朝小型化、高精度化、高效率化方向發(fā)展勢在必行，而提升電機鐵芯用軟磁材料(如應(yīng)用最廣泛的無取向電工鋼)的磁性能則是提高電機效率的重要途徑之一[1-2]。電機損耗主要包括鐵芯損耗(鐵損)和由導(dǎo)線電阻引起的銅損。通常而言，電機功率越低，銅損占比越大，且銅損與勵磁電流的平方成正比，與磁導(dǎo)率成反比。由此可見，提高無取向電工鋼的磁導(dǎo)率和磁感應(yīng)強度，也是降低電機銅耗的有效途徑之一。

目前，提升無取向電工鋼磁性能的方式主要包括：①提高無取向電工鋼鋼液純凈度，即降低C、S、N和O等雜質(zhì)元素的含量[3-4]；②優(yōu)化熱軋工藝，實現(xiàn)熱軋工藝的“三低一高”，即低溫加熱、低溫粗軋、低溫精軋和高溫卷取[5-6]。隨著冶煉水平的不斷提高，國產(chǎn)無取向電工鋼的磁性水平已取得長足進步，產(chǎn)品質(zhì)量已接近日本新日鐵和JFE公司的水平。然而，高鋼水純凈度必然會造成無取向電工鋼冶煉成本的增加，熱軋工藝“三低一高”則會導(dǎo)致鋼板軋制困難，板形難以保證，進而影響成品板的競爭力。有研究表明，再結(jié)晶退火工藝對無取向電工鋼的磁性能也有重要影響[7-8]。另一方面，無取向電工鋼成分、組織及生產(chǎn)工藝等參數(shù)對成品板的鐵損、磁感應(yīng)強度以及磁導(dǎo)率的影響往往是相互矛盾的，尤其在電機全服役磁通密度范圍內(nèi)。為滿足不同類型電機設(shè)計的要求，需要對無取向電工鋼的鐵損、磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率進行合理匹配，但目前有關(guān)這方面的研究還報道較少。

為此，本文設(shè)計了兩組不同含Si量的無取向電工鋼，并在不同溫度下對熱軋板進行再結(jié)晶退火，借助磁性能測試和微觀組織表征手段，分析了退火溫度和Si含量對無取向電工鋼的鐵損、磁感應(yīng)強度和磁導(dǎo)率的影響，研究結(jié)果可為電機鐵芯選材設(shè)計提供參考。

1 試驗

本研究采用鐵水脫硫、RH真空冶煉、澆鑄成坯、熱軋、酸洗和五道次冷軋工藝，得到0.50 mm厚的無取向電工鋼冷軋板，其化學(xué)成分如表1所示，可以看出，試驗鋼A和B除了Si含量不同外，其他元素成分接近。

分別沿垂直于和平行于鋼板軋向的方向截取

表1 試驗鋼的化學(xué)成分(wB/%)

若干樣品，置于電阻爐中進行退火處理，溫度范圍為680～940 ℃(每隔20 ℃取一個溫度作為試驗點)，氣氛為體積比為1∶1的N2和H2混合氣體，退火時間為3 min。

參照GB/T 3655—2008，采用Epstain方圈法測試退火試樣的磁性能，為減輕磁各向異性影響，取不同截取方向的試樣各8片(30 mm×300 mm)，測試頻率為50 Hz。采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡(OM)觀察退火試樣的微觀組織，并借助Image-Pro Plus 6.0軟件(截距法)測定各試樣所選視場的平均晶粒尺寸。

2 結(jié)果與分析

圖1為試驗鋼經(jīng)不同溫度退火后的磁特性曲線。由圖1可見，兩種Si含量不同的無取向電工鋼的磁化曲線(B-H曲線)、磁導(dǎo)率曲線(μ-B曲線)及鐵損曲線(P-B曲線)形貌相似，且隨著退火溫度的變化規(guī)律大致相同。B-H曲線表征了磁化過程磁疇結(jié)構(gòu)變化的三個階段：第一階段為磁疇可逆移動階段(瑞利區(qū)，Rayleigh region)，對應(yīng)的磁化曲線較為平緩，此時磁化較緩慢，當(dāng)外加磁場強度H較小時，與H方向相近的磁疇開始長大，而與H方向相差較大的磁疇縮小，H減至0時，磁疇結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀并失去磁性；第二階段為磁疇不可逆移動階段，即快速磁化階段，磁感應(yīng)強度B急劇增加，此階段磁疇不連續(xù)移動，當(dāng)H減至0時，磁疇結(jié)構(gòu)不再恢復(fù)原狀；第三階段為磁疇轉(zhuǎn)動階段，即磁疇移動已結(jié)束，只能依賴磁疇轉(zhuǎn)動才能使B增高，直到磁疇方向與磁場方向完全一致時達到磁飽和。由圖1(a)和圖1(d)可知，當(dāng)退火溫度較低時，試驗鋼的B-H曲線更緩和，磁化速率相對較低，但不同溫度退火樣品的飽和磁感應(yīng)強度趨于相同。μ-B曲線反映了磁化的快慢程度，不同溫度退火成品的磁導(dǎo)率隨著磁感應(yīng)強度的增加，均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最終趨近于0，且退火溫度越高，成品的起始磁導(dǎo)率和最大磁導(dǎo)率越大，見圖1(b)和圖1(e)。P-B曲線反映了磁化過程的能量損耗，由圖1(c)和圖1(f)可以看出，不同溫度退火樣品的鐵損均隨磁感應(yīng)強度的增加而增加，且退火溫度越高，鐵損隨磁感應(yīng)強度的增幅越大，其與材料成分、微觀組織和外加磁場強度等因素有關(guān)。

(a)B-H曲線，試驗鋼A (b)μ-B曲線，試驗鋼A (c)P-B曲線，試驗鋼A

(d)B-H曲線，試驗鋼B (e)μ-B曲線，試驗鋼B (f)P-B曲線，試驗鋼B

圖1 試驗鋼的磁特性曲線

Fig.1 Magnetic characteristic curves of the tested steels

試驗鋼的各項磁性能隨退火溫度的變化趨勢如圖2所示。圖2(a)為磁感應(yīng)強度B為1.5 T時，樣品鐵損值隨退火溫度的變化曲線，可以看出，盡管兩組鋼Si含量不同，但其鐵損P1.5/50均隨退火溫度的升高而降低，且退火溫度低于760 ℃時，試驗鋼A和B的鐵損值相近，隨著退火溫度進一步升高，Si含量更高的試驗鋼B的鐵損值低于試驗鋼A。由圖2(b)所示的磁感應(yīng)強度B5000與退火溫度的關(guān)系曲線可知，隨著退火溫度的升高，兩組試驗鋼的磁感應(yīng)強度大致呈先增加后降低的趨勢，且Si含量更低的試驗鋼A的磁感應(yīng)強度明顯要高于試驗鋼B。圖2(c)和圖2(d)分別為試驗鋼最大磁導(dǎo)率μmax和磁導(dǎo)率μ1.5/50與退火溫度的關(guān)系曲線，可以看出，試驗鋼A和B的最大磁導(dǎo)率均隨退火溫度的升高而線性增加，低溫下退火時，Si含量高的試驗鋼B的最大磁導(dǎo)率μmax相對較低，隨著退火溫度的升高(820 ℃以上)，Si含量高的試驗鋼B的最大磁導(dǎo)率反而高于試驗鋼A；兩組鋼的磁導(dǎo)率μ1.5/50開始隨退火溫度的升高而增加，到約800 ℃時達到最大值，隨后隨之逐漸降低，且Si含量高的試驗鋼B的磁導(dǎo)率μ1.5/50整體低于試驗鋼A。

(a)P1.5/50-T(b)B5000-T

(c)μmax-T(d)μ1.5/50-T

圖2 試驗鋼磁性能與退火溫度的關(guān)系

Fig.2 Relationship between magnetic properties and annealing temperature of the tested steels

圖3所示為試驗鋼經(jīng)不同溫度退火后的金相組織，試驗鋼晶粒尺寸與退火溫度的關(guān)系曲線見圖4。結(jié)合圖3和圖4可知，退火溫度越高，兩種鋼的晶粒尺寸越大，且Si含量較低的試驗鋼A的晶粒尺寸略大于試驗鋼B。無取向電工鋼磁化過程包括磁疇的移動和轉(zhuǎn)動，此過程受到點陣畸變、晶界和夾雜物等因素的影響。在成分相同、冶煉與軋制工藝一致的情況下，退火工藝是影響無取向電工鋼微觀組織結(jié)構(gòu)的重要原因之一。另一方面，鐵芯損耗包括磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗，而對于中、低Si含量無取向電工鋼而言，磁滯損耗占比較大，晶粒尺寸作為影響磁滯損耗的主要原因之一，亦為影響中、低Si無取向電工鋼鐵損的重要因素。

(a)試驗鋼A，680 ℃ (b)試驗鋼A，760 ℃ (c)試驗鋼A，940 ℃

(d)試驗鋼B，680 ℃ (e)試驗鋼B，760 ℃ (f)試驗鋼B，940 ℃

圖3 不同溫度退火后試驗鋼的金相組織

Fig.3 Microstructure of the tested steels annealed at different temperatures

圖4 試驗鋼晶粒直徑與退火溫度的關(guān)系

Fig.4 Relationship between grain size and annealing temperature of the tested steels

圖5為試驗鋼的各項磁性能與晶粒尺寸的關(guān)系。由圖5(a)中鐵損P1.5/50與晶粒尺寸d的關(guān)系曲線可知，隨著晶粒尺寸的增加，試驗鋼鐵損P1.5/50逐漸降低，且鐵損降幅隨之減小，這主要是由于晶粒尺寸的增大會導(dǎo)致磁滯損耗降低和渦流損耗增加所致；另外，Si含量更低的試驗鋼A的鐵損值高于同條件下的試驗鋼B，這是因為Si含量越高，試驗鋼電阻率越大，矯頑力Hc越低，進而渦流損耗和磁滯損耗也就更低[9]。

(a) P1.5/50-d

(b) B5000-d

(c) μmax-d

(d) μ1.5/50-d

Fig.5 Relationship between magnetic properties and grain size of the tested steels

圖5(b)為試驗鋼的磁感應(yīng)強度B5000隨晶粒尺寸的變化曲線，可以看出，在外磁場強度5000A/m作用下，試驗鋼的磁感應(yīng)強度B趨于飽和，即處于磁化第三階段(磁疇轉(zhuǎn)動階段)，這主要受磁晶各向異性和鋼成分的影響，隨著退火溫度的升高，晶粒尺寸越大，有利織構(gòu)(100)和(110)越少，B5000越低[7]；同時，試驗鋼A(0.71%Si)的磁感應(yīng)強度B5000明顯高于同條件下的試驗鋼B(1.02%Si)，因為Si含量越高，電子磁矩越低，飽和磁感應(yīng)強度相應(yīng)地也越低[10]。

圖5(c)和圖5(d)分別為最大磁導(dǎo)率μmax和磁導(dǎo)率μ1.5/50與晶粒尺寸的關(guān)系曲線，其中μmax對應(yīng)的B-H曲線上磁化速率最大值，如圖1(b)和圖1(e)所示，不同溫度退火后，無取向電工鋼最大磁導(dǎo)率μmax對應(yīng)的磁感應(yīng)強度在1.0 T左右，處于磁化第二階段(磁疇不可逆移動階段)，該階段與晶粒大小有關(guān)，對應(yīng)的μmax隨晶粒尺寸的增加而增大，這是因為晶粒越大，晶界相應(yīng)越少，故而磁疇移動阻力越小，無取向電工鋼越容易被磁化；另一方面，當(dāng)晶粒尺寸相同時，Si含量越高，鋼的矯頑力Hc越低，磁化速率越大，這使得試驗鋼A的最大磁導(dǎo)率μmax要低于試驗鋼B。而磁感應(yīng)強度為1.5 T時，磁化處于第三階段(磁疇轉(zhuǎn)動階段)，磁化過程的主要阻力為磁晶各向異性，試驗鋼的磁導(dǎo)率μ1.5/50隨著晶粒尺寸增加，大致呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這是因為當(dāng)晶粒尺寸較小時，晶粒越大，晶界越少，磁疇轉(zhuǎn)動阻力相對較小，對應(yīng)的磁導(dǎo)率μ1.5/50越高，而隨著晶粒尺寸進一步增大，磁疇面積增加，轉(zhuǎn)動所需要的轉(zhuǎn)矩增大，試驗鋼的磁化難度增加，對應(yīng)的磁導(dǎo)率μ1.5/50也就越小。因此，欲獲得較高的μ1.5/50，應(yīng)選取合適的退火溫度，以得到適宜的晶粒尺寸范圍。另一方面，當(dāng)晶粒尺寸大于15 μm時，試驗鋼A的μ1.5/50高于試驗鋼B，這與飽和磁感應(yīng)強度相關(guān)；而晶粒尺寸小于15 μm時，試驗鋼A的μ1.5/50要低于試驗鋼B，這與退火溫度低導(dǎo)致試驗鋼再結(jié)晶不充分有關(guān)，主要是由于微觀組織和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)不均勻所造成的。

電機馬達設(shè)計過程中，鐵芯用無取向電工鋼的選擇至關(guān)重要。電機額定工作磁通密度，一般選擇磁感應(yīng)強度為1.0 T的最大磁導(dǎo)率附近，這可以降低勵磁電流和線圈電阻銅損，從而提高電機效率；無取向電工鋼再結(jié)晶退火過程中，可以適當(dāng)提高退火溫度以增大晶粒尺寸，以獲得較高的最大磁導(dǎo)率。然而，在電機啟動階段，啟動電流相比額定電流大4～7倍，從而獲得較高的啟動轉(zhuǎn)矩。在較高電流下，可獲得1.5 T甚至更高的磁通密度。由此可見，高磁通密度的磁導(dǎo)率μ1.5/50對電機的啟動性影響較大，故可以選擇合適的退火溫度來獲得最佳的晶粒尺寸范圍，從而得到較高的磁導(dǎo)率μ1.5/50。

3 結(jié)論

(1)本研究用無取向電工鋼的磁導(dǎo)率開始隨磁感應(yīng)強度的增大而增加，到磁感應(yīng)強度為1.0 T附近后開始降低，最終趨近于0，鐵損則隨磁感應(yīng)強度的增大而增大。

(2)隨著再結(jié)晶退火溫度的升高，無取向電工鋼的晶粒尺寸增大，最大磁導(dǎo)率μmax增加，鐵損P1.5/50降低，磁導(dǎo)率μ1.5/50則呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。由此可見，若想提高無取向電工鋼的磁導(dǎo)率μ1.5/50，應(yīng)選擇合適的退火溫度，來獲得最佳晶粒尺寸。

(3)當(dāng)無取向電工鋼中Si含量更高時，相同退火溫度下，其鐵損P1.5/50、磁感應(yīng)強度B5000和磁導(dǎo)率μ1.5/50相對較低，只有當(dāng)退火溫度高于800 ℃時，其最大磁導(dǎo)率μmax也相應(yīng)的更大。

(4)根據(jù)電機類型與實際工作狀況，應(yīng)選擇不同磁特性的無取向電工鋼。對于頻繁啟動的電機，應(yīng)選擇Si含量低、晶粒尺寸合適且磁導(dǎo)率μ1.5/50較高的無取向電工鋼制作鐵芯；對于不頻繁啟動且功率較大的電機，應(yīng)選擇Si含量高、大晶粒、鐵損低且最大磁導(dǎo)率μmax高的無取向電工鋼制作鐵芯。