冷轧加工如何影响非取向硅钢带的磁性能
2006-08-02 10:29:39
来源：《国际电子变压器》2006年8月刊
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冷轧加工如何影响非取向硅钢带的磁性能
The effect of Cold-rolling on the Mangnetic Properties of non-oriented silicon steel sheets
华雪 编译 姜劲 校
摘 要：采用多种冷轧方法将3%硅含量的非取向钢轧至0.1mm，并在900℃温度的氩气之中退火1.5小时后以0.025℃/秒的降温速度冷却，然后对不同冷轧方法的材料测试其磁性能，则可发现：冷轧方法不同的硅钢带的磁性能也是不同的。本文介绍的冷轧方法可以获得一种具有双向易磁化的强立方体晶系结构的硅钢带。这种材料是在垂直的两个方向（L和T）上交替地进行冷轧，在冷轧交替之间还须退火处理。这种材料的平均晶粒直径为57μm。在800A/m时的L、T方向上的磁感应强度分别为1.65T和1.62T。
关键词：冷轧；非取向硅钢带；磁感应；旋转磁场；转矩曲线。
1引言
非取向硅钢带已被广泛用来制作存在旋转磁场的转动电气设备的铁心。具有强立体晶系结构的硅钢带有两个易磁化方向；这就意味着它们在轧制方向及其横向两个方向上都具有高磁导率，这样就可提高转动电气设备的效率。具有强立体晶系统结构的晶粒取向的硅钢片已制造出来，但因它们的晶粒较大，涡流损耗较高，因此它们并不十分适合于制作小型转动电气装置。
众所周知，磁心材料的铁损是以材料在交变磁场作用下的磁化过程中，部分电能以发热的形式所损失的能量来定义的。对于硅钢带而言，在其硅含量一定时，其铁损值随着晶粒尺寸的增大而降低；但是当晶粒尺寸增大到超过最佳值而继续增大时，铁损值也开始增大。晶粒大小为什么会对铁损值产生如此不同的影响，是由于在硅钢结构中存在着的磁畴尺寸是与晶粒大小的直径有关的。随着晶粒尺寸的增大，磁畴尺寸也相应地增大，而在磁化时，存在有某些磁畴壁的移动，其综合作用是降低了铁心的损耗；然而，当磁畴的尺寸变得相对更大时，磁畴壁在磁化时必须以更快的速度移动才能越过相同的距离，这就造成了晶粒的大小超过了最佳尺寸时，硅钢的铁损反而增大了。
有报道告知我们，退火条件与方法会影响非取向硅钢带晶粒的晶系结构，故冷轧的硅钢都要经过退火处理以使晶粒尺寸增大。本文讨论冷轧方法及热处理与非取向硅钢带磁特性之间的关系。
2实验样品的制作
实验样品所使用的原材料是日本钢铁公司生产的0.5mm的非取向3%硅钢带（50H290）。实验用样品采用了5种冷轧方法，见表1。如前所述，L与T的方向互相垂直，而L为最终一次的轧制方向。5种样品的冷轧方法为：
样品A：在L方向与T方向上交替冷轧至0.1mm；
样品B：开始只在T方向上冷轧至0.3mm，然后在L方向上冷轧至0.1mm；
样品C和D：它们的冷轧方法分别与样品A和样品B相同，并且都在氩气中以900°温度退火0.5小时。
样品E：只在L方向上冷轧至0.1mm，且不进行中间退火。
将经过以上加工的样品材料都剪切成100mm长、5mm宽的条状。在它们的表面紧密地涂覆两层高纯度的氧化铝薄膜，随后在氩气中900℃退火1.5小时，它们的加热速度为12.5℃/s，冷却速度为0.25℃/s。这是成熟的退火工艺条件。
对以上样品，用一种开磁路型直流B-H曲线扫描仪测量800A/m磁场下的磁感应强度Bs和矫顽磁力Hc；用MMS-4001测试仪测量铁损；用x-射线衍射仪观测再结晶晶系结构；用磁性异向设备测量转矩曲线。
3结果与讨论
对所有样品的磁感应强度Bs和矫顽力Hc进行测量，其结果见图1所示。从图中可以看到，各种冷轧法样品所测得的Bs值都不相同。如样品A在L方向和T方向上的Bs值分别为1.67T和1.59T。样品C在L方向和T方向的Bs值分别为1.65T和1.62T ，它在L、T两个方向上的Bs值之差在图1示出的所有样品中是最小的。因此，C样品具有双向易磁化的特性。
另外，在图1可见，所有五种样品的矫顽力Hc值都在40A/m~60A/m之间变动。众所周知，在磁性材料中，Hc与材料的晶粒尺寸成反比。根据实验中观测的结果，所有样品的晶粒尺寸都是不相同的，它们以逆线性关系变化。
应用旋转磁场中的铁心材料的各向异性特性是一个敏感的问题，因为各向异性问题与转动电气设备铁心的损耗关系密切。图2画出了样品A和样品B的转矩曲线。在图2(a)和图2(b)中，它们的0~180°间都存在有四个峰值。但是，图2(a)和图2(b)的峰值高度并不相等。图2中的零度（0°）点对应于L方向。从样品B的曲线可见其四个峰值高度几乎相同，这说明样品B材料具有双向易磁化的各向异性特性。同时可见，样品A具有如晶粒取向的硅钢相同的单向各向异性特性。
转矩曲线可以用付立叶展开式分析。
(1)
式中，系数A2、A4……与Q无关，其值见图3所示。样品C和样品E的A2值最小。这就表示了样品C和样品E的晶系各向异性特性最弱。此外，在所有的五种样品中，样品C的A4值最高。这表示C样品具有较强的双向易磁化各向异性特性。这些转矩曲线所表达的结果与图1所示的那些Bs值有关。各样品的各向异性特性随冷轧方法的不同而产生变化。
图4所示为用shulz法观测的样品A和样品C的（200）极性图，它们说明了为什么磁感应强度Bs和转矩曲线会随着冷轧方法的不同而发生变化：在图4(a)中，晶系结构密度按照(210)、(111)和(100)的次序变化；(210)晶系结构具有晶粒取向特性，因此，它是单向的磁性异向。样品A在L和T方向上具有不同的Bs值，而且其差值在所有样品中是最大的。在图4(b)中，晶系结构的密度按照(510)、(100)和(111)的次序变化。因为(510)和(100)的水平角为11.4°，所以(510)具有与(100)类似的晶系结构特性。样品C的(510)和(100)晶系结构结合得比样品A牢固得多。因此，样品C的双向易磁化特性要比其它样品强得多。以上结果表明，为了增强(100)立体晶系结构，对硅钢材料在其相互垂直的两个方向上交替冷轧，并及时地进行中间退火，对提高其性能是十分有利的。
铁心的交流损耗也是影响转动电气设备能量效率的一种重要磁性能。图5示出了样品C在50Hz频率下铁心损耗随退火温度的变化而变化的情况。在任何磁感应强度下，L轧制方向的损耗都要低于T轧制方向的损耗。磁感应强度越大，L方向和T方向产生的损耗之差值就越大。与其它的退火温度相比较，在900℃温度下退火时，L方向和T方向的损耗都最低。它们在1.3T磁感应强度下的损耗值分别为1.31W/kg和1.48W/kg。
铁心的损耗是由磁滞损耗和涡流损耗共同构成的。为了考虑铁心总损耗的变化情况，将磁滞损耗Wh和涡流损耗Wc从50Hz，1.3T时的总损耗中分开，如图6所示。L方向上和T方向上的Wc均随退火温度的提高而增加，这是因为样品的晶粒尺寸增大了。另一方面，L方向上的Wh低于T方向上的Wh，它们随退火温度的提高而降低。在900℃温度下退火，L和T方向上都将获得最低的总损耗。所以，57μm的晶粒尺寸应该是得到最低铁心损耗的最佳晶粒尺寸。在本实验中，样品C的总损耗在所有样品中是最低的。
4结论
我们用五种方法将非取向3%硅钢带冷轧到0.1mm，然后在氩气中以12.5℃/s的冷却速度退火。不同的冷轧方法对硅钢带的磁性能有不同的影响：
①为了增强(100)立体晶系结构，在硅钢带的两个方向上交替冷轧并同时进行中间退火处理，则有利于提高硅钢带的磁性能。
②样品C按上述方法冷轧并退火，获得了双向易磁化特性，因为这样处理后，它具有非常强的(100)立体晶系结构。样品C在L方向和T方向上的Bs值分别为1.65T和1.62T。
③硅钢带冷轧后的磁滞损耗Wh与退火温度的增加成正比，而涡流损耗Wc则与退火温度的增加成反比。由于样品C具有最佳的晶粒尺寸，在900℃的退火温度下获得的总损耗是最低的。
参考文献（略）
The effect of Cold-rolling on the Mangnetic Properties of non-oriented silicon steel sheets
华雪 编译 姜劲 校
摘 要：采用多种冷轧方法将3%硅含量的非取向钢轧至0.1mm，并在900℃温度的氩气之中退火1.5小时后以0.025℃/秒的降温速度冷却，然后对不同冷轧方法的材料测试其磁性能，则可发现：冷轧方法不同的硅钢带的磁性能也是不同的。本文介绍的冷轧方法可以获得一种具有双向易磁化的强立方体晶系结构的硅钢带。这种材料是在垂直的两个方向（L和T）上交替地进行冷轧，在冷轧交替之间还须退火处理。这种材料的平均晶粒直径为57μm。在800A/m时的L、T方向上的磁感应强度分别为1.65T和1.62T。
关键词：冷轧；非取向硅钢带；磁感应；旋转磁场；转矩曲线。
1引言
非取向硅钢带已被广泛用来制作存在旋转磁场的转动电气设备的铁心。具有强立体晶系结构的硅钢带有两个易磁化方向；这就意味着它们在轧制方向及其横向两个方向上都具有高磁导率，这样就可提高转动电气设备的效率。具有强立体晶系统结构的晶粒取向的硅钢片已制造出来，但因它们的晶粒较大，涡流损耗较高，因此它们并不十分适合于制作小型转动电气装置。
众所周知，磁心材料的铁损是以材料在交变磁场作用下的磁化过程中，部分电能以发热的形式所损失的能量来定义的。对于硅钢带而言，在其硅含量一定时，其铁损值随着晶粒尺寸的增大而降低；但是当晶粒尺寸增大到超过最佳值而继续增大时，铁损值也开始增大。晶粒大小为什么会对铁损值产生如此不同的影响，是由于在硅钢结构中存在着的磁畴尺寸是与晶粒大小的直径有关的。随着晶粒尺寸的增大，磁畴尺寸也相应地增大，而在磁化时，存在有某些磁畴壁的移动，其综合作用是降低了铁心的损耗；然而，当磁畴的尺寸变得相对更大时，磁畴壁在磁化时必须以更快的速度移动才能越过相同的距离，这就造成了晶粒的大小超过了最佳尺寸时，硅钢的铁损反而增大了。
有报道告知我们，退火条件与方法会影响非取向硅钢带晶粒的晶系结构，故冷轧的硅钢都要经过退火处理以使晶粒尺寸增大。本文讨论冷轧方法及热处理与非取向硅钢带磁特性之间的关系。
2实验样品的制作
实验样品所使用的原材料是日本钢铁公司生产的0.5mm的非取向3%硅钢带（50H290）。实验用样品采用了5种冷轧方法，见表1。如前所述，L与T的方向互相垂直，而L为最终一次的轧制方向。5种样品的冷轧方法为：
样品A：在L方向与T方向上交替冷轧至0.1mm；
样品B：开始只在T方向上冷轧至0.3mm，然后在L方向上冷轧至0.1mm；
样品C和D：它们的冷轧方法分别与样品A和样品B相同，并且都在氩气中以900°温度退火0.5小时。
样品E：只在L方向上冷轧至0.1mm，且不进行中间退火。
将经过以上加工的样品材料都剪切成100mm长、5mm宽的条状。在它们的表面紧密地涂覆两层高纯度的氧化铝薄膜，随后在氩气中900℃退火1.5小时，它们的加热速度为12.5℃/s，冷却速度为0.25℃/s。这是成熟的退火工艺条件。
对以上样品，用一种开磁路型直流B-H曲线扫描仪测量800A/m磁场下的磁感应强度Bs和矫顽磁力Hc；用MMS-4001测试仪测量铁损；用x-射线衍射仪观测再结晶晶系结构；用磁性异向设备测量转矩曲线。
3结果与讨论
对所有样品的磁感应强度Bs和矫顽力Hc进行测量，其结果见图1所示。从图中可以看到，各种冷轧法样品所测得的Bs值都不相同。如样品A在L方向和T方向上的Bs值分别为1.67T和1.59T。样品C在L方向和T方向的Bs值分别为1.65T和1.62T ，它在L、T两个方向上的Bs值之差在图1示出的所有样品中是最小的。因此，C样品具有双向易磁化的特性。
另外，在图1可见，所有五种样品的矫顽力Hc值都在40A/m~60A/m之间变动。众所周知，在磁性材料中，Hc与材料的晶粒尺寸成反比。根据实验中观测的结果，所有样品的晶粒尺寸都是不相同的，它们以逆线性关系变化。
应用旋转磁场中的铁心材料的各向异性特性是一个敏感的问题，因为各向异性问题与转动电气设备铁心的损耗关系密切。图2画出了样品A和样品B的转矩曲线。在图2(a)和图2(b)中，它们的0~180°间都存在有四个峰值。但是，图2(a)和图2(b)的峰值高度并不相等。图2中的零度（0°）点对应于L方向。从样品B的曲线可见其四个峰值高度几乎相同，这说明样品B材料具有双向易磁化的各向异性特性。同时可见，样品A具有如晶粒取向的硅钢相同的单向各向异性特性。
转矩曲线可以用付立叶展开式分析。
(1)
式中，系数A2、A4……与Q无关，其值见图3所示。样品C和样品E的A2值最小。这就表示了样品C和样品E的晶系各向异性特性最弱。此外，在所有的五种样品中，样品C的A4值最高。这表示C样品具有较强的双向易磁化各向异性特性。这些转矩曲线所表达的结果与图1所示的那些Bs值有关。各样品的各向异性特性随冷轧方法的不同而产生变化。
图4所示为用shulz法观测的样品A和样品C的（200）极性图，它们说明了为什么磁感应强度Bs和转矩曲线会随着冷轧方法的不同而发生变化：在图4(a)中，晶系结构密度按照(210)、(111)和(100)的次序变化；(210)晶系结构具有晶粒取向特性，因此，它是单向的磁性异向。样品A在L和T方向上具有不同的Bs值，而且其差值在所有样品中是最大的。在图4(b)中，晶系结构的密度按照(510)、(100)和(111)的次序变化。因为(510)和(100)的水平角为11.4°，所以(510)具有与(100)类似的晶系结构特性。样品C的(510)和(100)晶系结构结合得比样品A牢固得多。因此，样品C的双向易磁化特性要比其它样品强得多。以上结果表明，为了增强(100)立体晶系结构，对硅钢材料在其相互垂直的两个方向上交替冷轧，并及时地进行中间退火，对提高其性能是十分有利的。
铁心的交流损耗也是影响转动电气设备能量效率的一种重要磁性能。图5示出了样品C在50Hz频率下铁心损耗随退火温度的变化而变化的情况。在任何磁感应强度下，L轧制方向的损耗都要低于T轧制方向的损耗。磁感应强度越大，L方向和T方向产生的损耗之差值就越大。与其它的退火温度相比较，在900℃温度下退火时，L方向和T方向的损耗都最低。它们在1.3T磁感应强度下的损耗值分别为1.31W/kg和1.48W/kg。
铁心的损耗是由磁滞损耗和涡流损耗共同构成的。为了考虑铁心总损耗的变化情况，将磁滞损耗Wh和涡流损耗Wc从50Hz，1.3T时的总损耗中分开，如图6所示。L方向上和T方向上的Wc均随退火温度的提高而增加，这是因为样品的晶粒尺寸增大了。另一方面，L方向上的Wh低于T方向上的Wh，它们随退火温度的提高而降低。在900℃温度下退火，L和T方向上都将获得最低的总损耗。所以，57μm的晶粒尺寸应该是得到最低铁心损耗的最佳晶粒尺寸。在本实验中，样品C的总损耗在所有样品中是最低的。
4结论
我们用五种方法将非取向3%硅钢带冷轧到0.1mm，然后在氩气中以12.5℃/s的冷却速度退火。不同的冷轧方法对硅钢带的磁性能有不同的影响：
①为了增强(100)立体晶系结构，在硅钢带的两个方向上交替冷轧并同时进行中间退火处理，则有利于提高硅钢带的磁性能。
②样品C按上述方法冷轧并退火，获得了双向易磁化特性，因为这样处理后，它具有非常强的(100)立体晶系结构。样品C在L方向和T方向上的Bs值分别为1.65T和1.62T。
③硅钢带冷轧后的磁滞损耗Wh与退火温度的增加成正比，而涡流损耗Wc则与退火温度的增加成反比。由于样品C具有最佳的晶粒尺寸，在900℃的退火温度下获得的总损耗是最低的。
参考文献（略）
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