初始組織和磁性能對(duì)激光刻痕處理取向硅鋼鐵損降幅的影響

賈志偉 李 莉 柳金龍 張海利

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

取向硅鋼作為變壓器鐵芯制造材料，其低鐵損對(duì)降低變壓器能耗極其重要。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，高磁感取向硅鋼晶粒取向度已逐漸接近極限，而進(jìn)一步減薄鋼板厚度會(huì)大幅提高生產(chǎn)成本和技術(shù)難度［1-2］。取向硅鋼成品板中二次晶粒粗大導(dǎo)致磁疇寬度較大、反常渦流損耗增高，磁疇細(xì)化技術(shù)就是通過減小取向硅鋼主疇寬度來降低其反常渦流損耗的物理處理方法［3-6］。激光刻痕是一種降低取向硅鋼鐵損的有效方法，具有降低鐵損效果明顯、加工速度快、加工穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)［7-10］。影響取向硅鋼刻痕效果的因素很多，如果兼顧取向硅鋼晶粒取向與尺寸以及激光刻痕參數(shù)等因素的綜合影響，總鐵損降幅可達(dá)10%～15%，應(yīng)依據(jù)不同規(guī)格、性能水平和組織特征選擇合理的刻痕工藝，以保障優(yōu)良的刻痕性能［11-13］。基于此，本文以27AG100高磁感取向硅鋼為研究對(duì)象，在計(jì)算其晶粒尺寸與磁疇關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過激光刻痕試驗(yàn)研究了初始組織、磁性能對(duì)細(xì)化磁疇、降低鐵損的影響，為激光刻痕工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選取鞍鋼生產(chǎn)的27AG100高磁感取向硅鋼，規(guī)格為30 mm×300 mm，經(jīng)820℃ ×24 h去應(yīng)力退火。試樣經(jīng)鑲嵌、研磨和拋光，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察組織。采用DPL-500型半導(dǎo)體激光刻痕機(jī)進(jìn)行刻痕試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1所示。采用MPG100交直流磁性能測(cè)量?jī)x測(cè)試刻痕前后試樣的磁性能，并用BM-DV90磁疇觀測(cè)儀觀察不同初始狀態(tài)試樣的刻痕磁疇細(xì)化程度。

表1 激光刻痕工藝參數(shù)Table 1 Parameters of laser scribing process

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最佳晶粒尺寸與磁疇寬度的關(guān)系

鐵損由磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗組成，其計(jì)算公式為［14］：

式中：γ為疇壁能；C11為彈性常數(shù)；λ100為磁致伸縮系數(shù)；D為取向硅鋼基體密度；ρ為電導(dǎo)率；f、Bm為正弦磁感的頻率和峰值磁感；L為磁疇寬度；d為試樣厚度。

根據(jù)最小極值原理，Pt對(duì)L求偏導(dǎo)，令?Pt/?L＝0，得出最佳磁疇寬度：

磁疇寬度Lc與晶粒尺寸lc關(guān)系為：

根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算得到試驗(yàn)取向硅鋼磁疇寬度、晶粒尺寸與鐵損之間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，取向硅鋼刻痕后的最低鐵損（平衡點(diǎn)）為0.93 W/kg，相應(yīng)晶粒尺寸和磁疇寬度分別為5.480、0.173 mm；在鐵損為0.95 ～1.00 W/kg、晶粒尺寸為10～15 mm范圍內(nèi)，理論鐵損降幅可達(dá)2% ～7%，且刻痕前磁性能越接近平衡點(diǎn)，鐵損降幅越有限。

圖1 取向硅鋼磁疇寬度、晶粒尺寸與鐵損之間的關(guān)系Fig.1 Variation of grain size and iron loss with magnetic domain width for the oriented silicon steel

2.2 初始組織對(duì)鐵損降幅的影響

激光刻痕通過在基體表面形成位錯(cuò)實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，且晶粒尺寸越接近平衡點(diǎn)，鐵損降幅越大。取向硅鋼二次再結(jié)晶組織如圖2所示，二次晶粒特征統(tǒng)計(jì)及刻痕前后磁性能如表2所示。

圖2 取向硅鋼的二次再結(jié)晶組織Fig.2 Secondary recrystallized microstructures for the oriented silicon steel

表2 取向硅鋼成品晶粒尺寸和刻痕前后磁性能Table 2 Grain size and magnetic properties of the finished oriented silicon steel before and after scribing

圖3為二次晶粒尺寸對(duì)鐵損降幅的影響。隨著二次晶粒尺寸的增加，鐵損降幅增加。其中二次晶粒尺寸為9.8 mm的1號(hào)試樣鐵損降幅為8.07%，二次晶粒尺寸為14.28 mm的3號(hào)試樣鐵損降幅則升高至9.76%。相比較，二次晶粒尺寸最大的4號(hào)試樣鐵損降幅略有減小，其原因?yàn)?號(hào)試樣晶粒尺寸分布相對(duì)不均勻，其相對(duì)細(xì)小的晶粒對(duì)磁疇細(xì)化的阻礙作用較大。

圖3 二次再結(jié)晶晶粒尺寸對(duì)鐵損降幅的影響Fig.3 Effect of secondary recrystallized grain size on iron loss reduction

圖4為2號(hào)、4號(hào)刻痕試樣的磁疇形貌。對(duì)比可見，2號(hào)試樣的磁疇相對(duì)致密、均勻，而4號(hào)試樣部分區(qū)域的磁疇相對(duì)散亂，部分區(qū)域的磁疇細(xì)化效果優(yōu)于2號(hào)試樣。這是由于4號(hào)試樣的二次晶粒尺寸較大，其大晶粒區(qū)域的磁疇細(xì)化作用較強(qiáng)，而小晶粒對(duì)磁疇細(xì)化的阻礙作用導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的磁疇相對(duì)松散。

圖4 2號(hào)和4號(hào)刻痕試樣磁疇特征Fig.4 Characteristics of magnetic domains of the scribed samples No.2 and No.4

綜上所述，大尺寸晶粒會(huì)使更多刻線遠(yuǎn)離晶界區(qū)域，從而削弱晶界對(duì)磁疇長(zhǎng)大的阻礙作用，并且閉合疇更容易貫穿刻痕線，有利于磁疇細(xì)化。對(duì)于組織均勻度較差的試樣，磁疇細(xì)化區(qū)域較少，不利于鐵損降低。細(xì)晶區(qū)與組織不均勻度對(duì)磁疇細(xì)化的作用相似，不僅影響磁疇細(xì)化，而且大量晶界會(huì)阻礙非細(xì)晶區(qū)磁疇貫穿。不同細(xì)晶區(qū)面積比例試樣的二次再結(jié)晶組織如圖5所示，晶粒特征統(tǒng)計(jì)和刻痕前后磁性能如表3所示?？梢?號(hào)細(xì)晶試樣的鐵損降幅為7.05%，6號(hào)無細(xì)晶試樣的鐵損降幅為9.40%，7號(hào)細(xì)晶試樣的鐵損降幅為9.04%，8號(hào)無細(xì)晶試樣的鐵損降幅為10.29%。因此，細(xì)晶區(qū)面積越大、數(shù)量越多，磁疇細(xì)化效果越差，刻痕后鐵損降幅減小。

圖5 不同細(xì)晶區(qū)面積比例試樣的二次再結(jié)晶組織Fig.5 Secondary recrystallized microstructures for the samples with different area proportions of fine grains

表3 不同細(xì)晶區(qū)面積比例試樣的晶粒特征和刻痕前后磁性能Table 3 Grain size characteristics and magnetic properties of the oriented silicon steels with different area proportions of fine grains before and after scribing

2.3 初始性能對(duì)鐵損降幅的影響

對(duì)晶粒尺寸與磁疇寬度關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，初始鐵損高的取向硅鋼片刻痕后鐵損降幅也高。不同初始磁性能試樣的二次再結(jié)晶組織如圖6所示，晶粒特征統(tǒng)計(jì)和刻痕前后磁性能如表4所示。

圖6 不同初始磁性能試樣的二次再結(jié)晶組織Fig.6 Secondary recrystallized microstructures for the samples with different initial magnetic properties

表4 不同初始磁性能試樣的晶粒特征和刻痕前后磁性能Table 4 Grain size characteristics and magenetic properties of the oriented silicon steels with different initial magnetic properties before and after scribing

圖7為不同初始性能與刻痕鐵損降幅之間的關(guān)系。由圖7（a）可知，在磁感強(qiáng)度相近條件下，鐵損降幅隨初始鐵損的升高而增大。其主要原因是在相同工藝條件下，初始鐵損較低的試樣晶粒尺寸較大，磁疇細(xì)化程度更高，相應(yīng)鐵損降幅較大。圖7（b）表明，鐵損降幅隨初始磁感強(qiáng)度升高而增大，最高鐵損降幅可達(dá)10.29%，相應(yīng)磁感強(qiáng)度為1.931 T。根據(jù)文獻(xiàn)［9］，磁感強(qiáng)度越高，取向度越高，刻痕后反向閉合磁疇全部長(zhǎng)大并貫穿未刻痕區(qū)域，相同工藝下的刻痕效果越好。

圖7 初始磁性能對(duì)鐵損降幅的影響Fig.7 Effect of initial magnetic properties on iron loss reduction

圖8為不同初始鐵損、磁感強(qiáng)度的試樣刻痕后的磁疇形貌?？梢婅F損、磁感強(qiáng)度較低的試樣刻痕后磁疇間距相對(duì)松散、細(xì)化效果較差。結(jié)合表5及圖7發(fā)現(xiàn)，磁性能較優(yōu)試樣的二次晶粒較完整，其平均晶粒尺寸較大且均勻，因此刻痕后磁疇寬度大、細(xì)化效果較好。

圖8 不同初始磁性能試樣刻痕后的磁疇形貌特征Fig.8 Characteristics of magnetic domains of the samples with different initial magnetic properties after scribing

3 結(jié)論

（1）27AG100取向硅鋼刻痕后理論鐵損降幅可達(dá)2% ～7%，且刻痕前磁性能越接近平衡點(diǎn)，鐵損降幅越有限。

（2）二次再結(jié)晶晶粒平均尺寸大、均勻度好的組織有利于閉合疇貫穿刻痕線，提高磁疇細(xì)化效果，最高鐵損降幅可達(dá)10.29%，并在少量細(xì)晶存在的條件下，鐵損降幅減小2%左右。

（3）在磁感強(qiáng)度相近條件下，鐵損高的試樣二次再結(jié)晶晶粒尺寸大，晶界對(duì)磁疇細(xì)化的阻礙小，鐵損降幅大；磁感強(qiáng)度高的試樣磁疇寬度大、細(xì)化效果好，鐵損降幅大。