取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金成因研究

王琦， 閆成亮， 黃遷亮， 盧鋒崗， 白璐， 謝鵬志

（無(wú)錫普天鐵心股份有限公司，江蘇無(wú)錫 214194）

0 引言

電工鋼是制造電機(jī)、變壓器鐵芯以及各種電器元器件的一種重要的軟磁材料[1-4]。取向硅鋼的制造工藝和設(shè)備復(fù)雜，成分范圍窄，制造工序長(zhǎng)，影響性能的因素多，因此，常把取向硅鋼產(chǎn)品質(zhì)量看作是衡量一個(gè)國(guó)家特殊鋼制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志，并獲得特殊鋼中“藝術(shù)品”的美稱[5-9]。

近年來(lái)，在全球節(jié)能減排的大背景下，各國(guó)都發(fā)布了強(qiáng)制性高能效配電變壓器標(biāo)準(zhǔn)。日本于2014年發(fā)布了領(lǐng)先者計(jì)劃，歐洲2015年發(fā)布了新的變壓器標(biāo)準(zhǔn)，2021年已進(jìn)入實(shí)施第二階段。我國(guó)在2020年5月發(fā)布了GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級(jí)》，這一系列的變化對(duì)取向硅鋼都提出了更高的要求[10-12]。

取向硅鋼在制造的過(guò)程中，需要兩次在表面涂覆涂料，以期得到表面光澤度、耐腐蝕性以及絕緣性良好的取向硅鋼[13-14]。但是從生產(chǎn)中偶爾會(huì)發(fā)現(xiàn)取向硅鋼表面出現(xiàn)點(diǎn)狀的露金缺陷，特別是在夏季出現(xiàn)的頻率最高。這種缺陷不僅會(huì)影響到取向硅鋼產(chǎn)品的美觀程度，還會(huì)影響到取向硅鋼的表面絕緣性能。目前關(guān)于取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金的研究大多數(shù)是針對(duì)滲氮取向硅鋼，不經(jīng)滲氮工藝的取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金研究較少[15-16]。本研究涉及的取向硅鋼其生產(chǎn)過(guò)程不包含滲氮工藝，通過(guò)細(xì)致分析其表面露金缺陷，以期提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

對(duì)表面點(diǎn)狀露金進(jìn)行模擬。取CA后的試樣，在高濕度的環(huán)境中放置三天，干燥后，放入CB爐中，隨正常硅鋼卷一起高溫退火處理，處理完成后，采用酸洗洗去表面殘余的氧化鎂。

取不同季節(jié)帶有點(diǎn)狀露金的取向硅鋼成品和模擬樣。各種樣品均采用Brockhaus的FT600層間電阻測(cè)試儀檢測(cè)層間電阻。采用型號(hào)為ZEISS Axio lab.A1的金相顯微鏡對(duì)硅鋼基體氧化腐蝕點(diǎn)形貌和點(diǎn)狀露金缺陷的形貌進(jìn)行初步觀察。然后采用Thermo Fisher型號(hào)為Axia ChemiSEM LoVac的掃描電鏡對(duì)點(diǎn)狀露金缺陷進(jìn)行觀察，并使用及面掃描分析該缺陷處的成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 取向硅鋼成品層間電阻檢測(cè)

分別取兩塊表面存在點(diǎn)狀露金和表面不存在點(diǎn)狀露金的取向硅鋼進(jìn)行層間電阻檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。表1中A為夏季生產(chǎn)的存在表面點(diǎn)狀露金的樣品，B為秋季生產(chǎn)的存在表面點(diǎn)狀露金的樣品，C、D為表面不存在點(diǎn)狀露金的樣品檢測(cè)結(jié)果。從檢測(cè)結(jié)果可以看出：樣品A的層間電阻均低于1000 Ω·cm2；樣品B大部分區(qū)域的層間電阻低于1000 Ω·cm2；樣品C和D只有少數(shù)區(qū)域低于1000 Ω·cm2，其他都高于10 000 Ω·cm2，還有一些達(dá)到了100 000 Ω·cm2。

表1 取向硅鋼層間電阻（Ω·cm2）

2.2 取向硅鋼成品表面點(diǎn)狀露金形貌

圖1為不同季節(jié)生產(chǎn)的取向硅鋼表面露金缺陷。觀察圖1中不同季節(jié)生產(chǎn)的取向硅鋼表面露金可以發(fā)現(xiàn)其缺陷特點(diǎn)：夏季取向硅鋼表面的點(diǎn)狀露金特別密集，秋季取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金密度較低。

圖1 不同時(shí)間取向硅鋼表面露金缺陷

生產(chǎn)取向硅鋼廠地各月份的溫度及降雨量變化如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)取向硅鋼廠地各月份的溫度及降雨量變化

從圖2可以看出該地區(qū)夏季的6、7、8月份溫度較高，且降雨量最高超過(guò)400 mm，秋季的9、10、11月份溫度開(kāi)始下降，降雨量稍有降低，秋季的最高月降雨量低于夏季的最低月降雨量。春季和冬季時(shí)的溫度較低，且降雨量也較低。

該地區(qū)夏季及秋季高的降雨量和氣溫會(huì)導(dǎo)致環(huán)境濕度非常高。硅鋼卷在CA工序會(huì)涂覆氧化鎂，烘干后硅鋼卷表面會(huì)附上一層氧化鎂粉末。CA后的硅鋼卷一般不會(huì)立即放入罩室爐進(jìn)行高溫退火，而是會(huì)存放在待生產(chǎn)區(qū)里，待準(zhǔn)備工作完畢，再放入罩室爐內(nèi)。在存放的這段時(shí)間內(nèi)，硅鋼卷溫度下降，空氣中的水蒸氣極易冷凝在硅鋼卷上，硅鋼卷上的氧化鎂會(huì)吸收冷凝的水分，含水率上升，在水和氧氣的作用下，硅鋼基體發(fā)生腐蝕反應(yīng)。因?yàn)橄募窘涤炅扛?，溫度更高，所以產(chǎn)生的腐蝕點(diǎn)也會(huì)更多，導(dǎo)致夏季生產(chǎn)的取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金密度大于秋季。

金相顯微鏡觀察硅鋼基體氧化腐蝕點(diǎn)形貌，其形貌如圖3所示。從圖3中可以看出，硅鋼基體氧化腐蝕后，所有氧化點(diǎn)均呈現(xiàn)圓形。

圖3 硅鋼基體氧化腐蝕形貌

金相顯微鏡觀察生產(chǎn)的取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金形貌和模擬生產(chǎn)的取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金形貌如圖4所示。

近3年的多重耐藥菌檢測(cè)中，提示有逐年升高趨勢(shì)，可見(jiàn)多重耐藥菌日益增加，提示多重耐藥菌的控制和預(yù)防工作需要給予足夠的重視，并應(yīng)大力推行。

圖4 取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金形貌

圖4中(a)為生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的點(diǎn)狀露金，(b)為模擬時(shí)產(chǎn)生的點(diǎn)狀露金。從圖中可以看出生產(chǎn)和模擬產(chǎn)生的點(diǎn)狀露金形狀均為圓形，大小相近，且顏色均為白色。點(diǎn)狀露金的形狀與硅鋼基體氧化腐蝕點(diǎn)的形狀都為圓形。點(diǎn)狀露金的顏色為白色是因?yàn)镃B過(guò)程中，罩室爐內(nèi)會(huì)通入一定量的氫氣，在此還原氣氛下，氧化的銹蝕點(diǎn)與氫氣發(fā)生反應(yīng)，重新被還原為硅鋼基體，顏色呈現(xiàn)白色的金屬色。

2.3 取向硅鋼成品表面點(diǎn)狀露金成分分析

在掃描電鏡下對(duì)夏季、秋季生產(chǎn)的點(diǎn)狀露金缺陷和模擬產(chǎn)生的點(diǎn)狀露金缺陷進(jìn)行面掃描，掃描結(jié)果如圖5～7所示。從圖5～7的面掃描結(jié)果可以看出，在點(diǎn)狀露金處均存在Fe元素的富集以及Mg元素的缺失。其他未露金處Fe元素及Mg元素分布均勻。這是因?yàn)辄c(diǎn)狀露金處的MgO在CT工序中的酸洗階段被洗去，露出了基體，所以會(huì)出現(xiàn)Fe元素的富集和Mg元素的缺失。

圖5 夏季取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金面掃描結(jié)果

圖6 秋季取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金面掃描結(jié)果

圖7 模擬取向硅鋼表面點(diǎn)狀露金面掃描結(jié)果

2.4 取向硅鋼點(diǎn)狀露金成因分析

CA工序烘干過(guò)程未能有效降低MgO中含水率，或者當(dāng)空氣濕度很大時(shí)，水蒸氣冷凝在硅鋼卷上并被MgO吸收。在水和氧氣的作用下，硅鋼表面發(fā)生腐蝕反應(yīng)，生成大量圓形的腐蝕點(diǎn)，腐蝕點(diǎn)呈現(xiàn)鐵銹色。硅鋼基體在氧氣及水的作用下發(fā)生的反應(yīng)如下[18]：

在CB工序中，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃左右時(shí)，硅鋼表面的SiO2和涂覆的MgO發(fā)生以下反應(yīng)從而生成硅酸鎂底層[19]：

因?yàn)榉磻?yīng)（1）在常溫下就可進(jìn)行，所以反應(yīng)（1）先于反應(yīng)（2）進(jìn)行。反應(yīng)（1）在硅鋼表面生成圓形的成分為Fe2O3·nH2O的腐蝕點(diǎn)，該腐蝕產(chǎn)物覆蓋住了硅鋼表面，阻隔了SiO2和MgO的接觸，使反應(yīng)（2）不能進(jìn)行，所以在該腐蝕點(diǎn)區(qū)域內(nèi)無(wú)硅酸鎂底層的生成。隨著CB工序罩室爐內(nèi)溫度的不斷上升，且逐漸開(kāi)始通入氫氣，該腐蝕點(diǎn)發(fā)生以下反應(yīng)[20]：

隨著溫度的升高，F(xiàn)e2O3·nH2O分解，分解出來(lái)的H2O蒸發(fā)為水蒸氣，跟隨爐內(nèi)氣氛被排出爐外。腐蝕點(diǎn)表面反應(yīng)剩下的Fe2O3與氣氛中的H2反應(yīng)，被還原成Fe，反應(yīng)生成的H2O同樣蒸發(fā)為水蒸氣被排出。在這樣的條件下，該腐蝕點(diǎn)表層為MgO，MgO下方為Fe單質(zhì)層，F(xiàn)e單質(zhì)層下存在SiO2。因?yàn)楦邷赝嘶痣A段不僅要考慮到硅酸鎂底層的形成，還要考慮到二次再結(jié)晶的長(zhǎng)大，在整個(gè)CB工序過(guò)程中會(huì)有多個(gè)溫度臺(tái)階，僅有一段時(shí)間是SiO2和MgO反應(yīng)的最佳溫度。Fe單質(zhì)層不僅從物理層面阻隔了SiO2和MgO的接觸，還使二者錯(cuò)過(guò)了最佳反應(yīng)溫度。

在CT工序時(shí)，需要用高溫稀硫酸洗去鋼卷表面附著的MgO。對(duì)于生成了硅酸鎂底層的部分而言，僅是最表層少量未反應(yīng)的MgO被除去，但是腐蝕點(diǎn)區(qū)域，因?yàn)槲催M(jìn)行反應(yīng)，所以表面大量MgO被洗去，露出了Fe單質(zhì)基體。

這些露出Fe單質(zhì)基體的露金點(diǎn)在檢測(cè)層間電阻時(shí)，一旦與FT600層間電阻測(cè)試儀檢測(cè)觸頭接觸，就會(huì)導(dǎo)通電路。層間電阻的大小與通過(guò)十個(gè)觸頭的電流大小有關(guān)，電流之和越大，層間電阻越小，且受電流極大值影響大。點(diǎn)狀露金所在位置電路導(dǎo)通后即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大電流，因而檢測(cè)到的層間電阻極低。

3 結(jié)論

（1）環(huán)境中空氣濕度越大，取向硅鋼成品的表面越容易出現(xiàn)點(diǎn)狀露金；空氣濕度越大，硅鋼卷表面會(huì)吸附越多的水分，硅鋼卷表面也就越容易形成腐蝕點(diǎn)，從而引發(fā)點(diǎn)狀露金；隨著濕度變大，腐蝕點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)變多，板面上的點(diǎn)狀露金也會(huì)更密集。

（2）取向硅鋼表面形成的腐蝕點(diǎn)會(huì)阻礙硅酸鎂底層的形成。在CB工序過(guò)程中，隨著溫度升高到800 ℃左右，SiO2和MgO開(kāi)始反應(yīng)生成硅酸鎂底層。而腐蝕點(diǎn)Fe2O3·nH2O需要逐漸分解為Fe2O3，并與通入的H2反應(yīng)還原為Fe單質(zhì)。這一過(guò)程不僅阻隔了SiO2和MgO的反應(yīng)，還延誤了二者最佳的反應(yīng)時(shí)機(jī)，導(dǎo)致未生成硅酸鎂底層。

（3）點(diǎn)狀露金會(huì)暴露出基體，導(dǎo)致取向硅鋼成品表面絕緣性能變差。腐蝕點(diǎn)的表面未形成硅酸鎂底層，在CT工序酸洗過(guò)程中，表面的MgO被洗去之后，露出表面的Fe單質(zhì)，層間電阻測(cè)量時(shí)，一旦觸頭接觸到露金點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)通電路，層間電阻結(jié)果偏低。

（4）本文通過(guò)觀察和模擬的方法分析了取向硅鋼點(diǎn)狀露金的形成原因，為實(shí)際生產(chǎn)中消除點(diǎn)狀露金提供了理論依據(jù)，有利于生產(chǎn)出絕緣電阻高，表面美觀的高質(zhì)量取向硅鋼。