無取向硅鋼消除應力退火后粘結影響因素研究

陳 祥，林 媛，張文康

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術中心，太原 030003）

引言

硅鋼作為制造變壓器及電機鐵芯的重要磁性材料，其制造技術和產品質量是衡量一個國家特殊鋼生產水平和科技發展水平的重要標志之一[1]。硅鋼在沖裁加工成鐵芯的過程中，會產生應力和局部塑性變形、晶格變化及磁疇被破壞，最終導致磁性能惡化[2,3]。為提高沖裁后鐵芯的磁性能，一般需要進行熱處理，常用的熱處理工藝包括消除應力退火和發藍[4]。消除應力退火溫度較高，一般在730℃～820℃之間，退火氣氛分為中性氣氛、氧化性氣氛、還原性氣氛三種。發藍是通過高溫使硅鋼斷面形成一層致密的三氧化二鐵的氧化膜，提高其絕緣性能，降低鐵芯的渦流損耗。發藍溫度較低，一般不高于560℃，為氧化性氣氛，通常通入水蒸氣[5]。

根據鐵芯的使用要求，大部分壓縮機用戶對硅鋼片采用“退火+發藍”的熱處理工藝。某知名壓縮機廠家制造加工鐵芯的過程中發現，未經退火的鐵芯沒有出現粘結現象，而退火后的鐵芯粘結程度卻明顯升高。在以往的研究文獻中，很少專門針對消除應力退火后鐵芯粘結改善方法進行研究。本研究通過試驗及微觀分析，找到了消除應力退火后粘結的原因，并提出了改善措施。對沖裁毛刺、力學強度、表面涂層厚度、表面粗糙度、消除應力退火溫度及氣氛等方面對其粘結程度的影響進行了系統研究，以期為其解決熱處理后粘結問題提供依據。

1 試驗材料及測試方法

1.1 試驗材料及退火工藝

選擇國內某鋼廠DW80無取向硅鋼作為研究對象，試樣厚度為0.5 mm，剪切成150 mm×30 mm×0.5 mm，將其分為2組，其中1組將邊部打磨成無毛刺；實驗室模擬退火+發藍工藝進行試驗，表1為高溫箱式爐中退火+發藍工藝。

表1 退火發藍工藝

1.2 性能測試方法

采用OLS4100激光共聚焦顯微鏡觀察表面形貌及表面粗糙度，采用ZEISS掃描電鏡觀察涂層表面形貌，EDS能譜儀分析涂層表面元素。采用TCBHP-1A磁性測量系統測試鐵芯的磁性能。

2 結果與討論

2.1 毛刺大小對熱處理后粘結程度的影響

圖1為有無毛刺硅鋼片消除應力退火后粘結情況。從圖1可見，退火后有毛刺試樣出現了粘片現象，而無毛刺試樣未出現此現象。粘結主要發生在樣片邊部，表明粘結是邊緣毛刺退火時相互勾連所致。

圖1 退火后粘結情況

2.2 涂層厚度對熱處理后粘結程度的影響

圖2為兩種涂層硅鋼片熱處理后SEM表面形貌，分別命名為A涂層和B涂層，其中A涂層的涂層厚度為0.5 μm，B涂層的涂層厚度為0.2 μm。相比B涂層，A涂層表現整體較完整，但出現小面積裂紋，其原因是隨著退火溫度的升高，涂層中有機成分發生了分解，涂層結構發生變化。

圖2 不同涂層厚度的退火后表面形貌

表2為兩種涂層元素分布情況。通過EDS能譜分析，兩種涂層均為含鉻涂層，主要含O、Mg、Cr等元素，涂層厚薄主要取決于Mg、Cr的含量，涂層主要以氧化鎂等金屬氧化物與有機復合材料為主；涂層的表面微觀形貌與涂料物理性質、固化工藝有關。

表2 不同涂層厚度的表面EDS能譜

消除應力退火后A涂層硅鋼片沒有出現粘結，而B涂層硅鋼有40%粘結；由于硅鋼絕緣涂層本身無防粘連的物質，且涂層非常薄，增大了硅鋼片結合力[6]，最終導致熱處理后粘結嚴重；表明在一定的范圍之內，適當增大涂層厚度，有利于改善熱處理后粘結現象。

2.3 表面粗糙度對熱處理后粘結程度的影響

圖3為四種不同表面粗糙度的硅鋼表面形貌。按照表面粗糙度Ra從小到大排列，依次為0.243 μm、0.298 μm、0.351 μm、0.443 μm。

圖3 不同表面粗糙度的硅鋼涂層形貌

圖4為不同表面粗糙度退火后粘結程度。退火后表面粗糙度Ra為0.243 μm有60%粘結，Ra為0.298 μm有40%粘結，Ra為0.351 μm有20%粘結，Ra為0.443 μm有60%粘結。表明在一定的范圍內，隨著表面粗糙度增大，熱處理后粘結程度減小。超過了正常范圍，熱處理后粘結程度隨著粗糙度增大而增大。

圖4 不同表面粗糙度退火后粘結程度

據相關文獻報道，鋼板板面光潔平滑，增加了鋼帶層間的貼合程度，使金屬層間粒子相互擴散容易，在高溫退火條件下易產生面粘結[7]。鋼板表面粗糙度Ra值越大，能夠提高退火鋼板層與層界面原子的結合阻力，越有利于避免粘結。但試驗表明，隨著表面粗糙度的增加，對粘結的控制可能產生負面影響，因此不能過大地提高原始表面粗糙度[8]，無取向硅鋼酸軋后表面粗糙度Ra正常控制在0.30 μm～0.40 μm之間。

2.4 退火氣氛對熱處理后粘結程度的影響

表3為退火階段的爐內氣氛。退火后發現，50% N2+50%空氣氣氛下100%粘結，粘結非常嚴重；100% N2氣氛下有40%出現粘結，而25% H2+75% N2氣氛下幾乎無粘結現象。粘結是在高溫狀態下鋼板層與層間原子相互滲透的結果，由于存在氧化性氣氛，鋼板在退火爐中將會發生一系列的化學反應，硅鋼中的Fe和Si在高溫氧化氣氛下將被氧化成鐵和硅的氧化物，即Fe+O2→FexOy/Si+O2→SiO2。這一化學反應過程使緊緊壓合在一起的鋼板焊合形成粘結。因此，適當降低氧化性氣氛的比例，有利于降低熱處理后粘結程度。隨著退火氧化氣氛比例增加，消除應力退火后粘結程度增加。

表3 退火階段的氣氛

2.5 退火溫度對熱處理后粘結程度的影響

表4列出了消除應力退火的三種不同溫度及氣氛。退火后發現退火溫度為780℃的有80%粘結，粘結嚴重；而退火溫度為720℃的僅有20%粘結，粘結較輕。硅鋼沖片后在消除應力退火過程中由于熱效應，在突出的毛刺獲得熱量最多，經過高溫后，沖裁周邊的毛刺被鈍化，消除應力溫度越高，鈍化越嚴重，粘結程度越嚴重。試驗表明隨著退火溫度的升高，消除應力退火后粘結程度增加。

表4 退火階段的氣氛與溫度

2.6 硅鋼力學強度對熱處理后粘結程度的影響

選擇兩種不同力學強度的硅鋼片按780℃“消除應力退火+發藍”工藝進行熱處理。退火后P1.25/50鐵損檢測結果如表5所示。從表5可見，屈服強度為245 MPa的硅鋼片熱處理后鐵損值穩定，合格率為100%；而屈服強度為210 MPa的硅鋼片熱處理后鐵損波動大，合格率僅為20%，但鐵損不合格的鐵芯經過磕碰后，鐵芯的鐵損均合格。鐵芯經過消除應力退火后，由于邊緣毛刺較大，退火后邊緣毛刺發生相互勾連，鐵芯的渦流損耗增大，最終出現鐵損超差。磕碰后邊緣毛刺分開，降低了鐵芯的渦流損耗。一般而言，相同牌號鋼板強度越低，沖片毛刺越大，沖片性越差；毛刺越大，熱處理后層間粘結越嚴重。

表5 780℃退火后P1.25/50鐵損對比

3 結論

（1）沖裁后的鐵芯經過消除應力退火發藍處理后，邊緣毛刺退火時相互勾連，出現了不同程度的粘結現象。

（2）在一定范圍內，粘結程度隨著表面粗糙度增大而減小；超過其范圍，粘結程度隨著粗糙度增大而增大。表面粗糙度相同條件下，涂層越薄，粘結越嚴重。

（3）隨著退火氧化氣氛比例及退火溫度升高，消除應力退火后粘結程度增加。

（4）一般而言，相同牌號鋼板硬度越低，沖片毛刺越大，沖片性越差；毛刺越大，層間粘結越嚴重。