绝缘涂层对高磁感取向硅钢片性能的影响
Effect of Isolated Layer on Properties of High Magnetic Induction Grain-Oriented Silicon Steel Sheet

1 前言
高磁感取向硅钢片是变压器铁芯的重要材料。随着变压器容量的增大，控制变压器噪声和降低空载损耗显得尤为重要。而变压器噪声产生的主要原因之一是硅钢铁芯的磁致伸缩。磁致伸缩就是硅钢片的磁化过程中，铁磁体的长度发生变化。虽然长度的变化只有几百万分之一，但这也能产生声波。因此研究低磁致伸缩或无磁致伸缩的硅钢片就越来越受到重视。由于硅钢片表面涂层对其性能会产生影响，因此，近年来人们利用绝缘涂层使硅钢片受到一定的拉力，来改变磁畴结构、改进磁性。这种绝缘涂层具有低的热膨胀系数。由于涂层与硅钢片的热膨胀系数差别较大，在冷却时两者收缩率不同，涂层能使硅钢片受到一定的拉力，从而可降低硅钢片单位重量损耗和减小硅钢片的磁致伸缩。
笔者对两批取向硅钢片进行了试验，研究涂层对其性能的影响。试验选用硅溶胶、磷酸二氢铝和铬酐组成的绝缘涂层溶液，来研究沿轧向外加应力和绝缘涂层对取向硅钢性能的影响，从试验中看到了涂层对降低单位重量损耗和减小磁致伸缩的效果。
2 试样及试验方法
2.1 试样
对第一批取向硅钢片进行了磁致伸缩测定。
试样牌号：30RGH120、30Q130、30RGH110
试样尺寸：30×80～40×100mm
数量：单片
对第二批取向硅钢片进行了涂漆前后磁性值（损耗和磁感应）的测定。
试样牌号：30RGH110、30RGH120、30Q130
试样尺寸：30×300mm
数量：1kg
2.2 绝缘涂层溶液的配制及涂层
绝缘涂层采用由硅溶胶、磷酸二氢铝和铬酐组成的溶液。配成溶液的密度d28℃=1.235g/cm3。
用酸对经净水浸泡清洗后的硅钢片试样进行冲洗，并由人工进行涂层。其工艺流程为：酸洗（5%H2SO4）→净水浸泡→烘干→浸涂溶液→烧结烘干。
用箱式电阻炉干涂层，烘干温度为300℃，烧结温度为680～700℃，烧结时间为1min。
用电阻应变仪测定硅钢片磁致伸缩与磁场强度以及磁致伸缩与轧向外加拉应力的关系；用爱泼斯坦方圈测定涂层前后磁性的变化，用测厚仪测定涂层厚度。
3 结果与讨论
3.1 在不同磁场强度下，不同牌号的硅钢片磁致伸缩的变化
表1给出了不同牌号硅钢片磁致伸缩的变化。


从图1看出在磁场强度较弱时磁致伸缩曲线一般为负值。随着磁场强度的增大，磁致伸缩逐渐变为正值。同时磁性能越好的硅钢片磁致伸缩值越小。随着磁性能降低，磁致伸缩曲线上移，磁致伸缩由低磁场到高磁场均为正值。
由图1看出硅钢片磁性能越好，磁致伸缩值越小。因此，要尽可能使用取向良好的Hi-B钢片，从而可降低变压器噪声。
3.2 不同状况下磁致伸缩值的变化
用30RGH120号的试样，测定不同情况下磁致伸缩值。结果见表3，并绘出曲线（见图2）。



由图2看出，有涂层的磁致伸缩曲线I在最下边，经酸性除去表面涂层后磁致伸缩曲线Ⅱ比曲线Ⅰ上移。而当除去涂层的硅钢片沿轧向加拉力30N时，磁致伸缩曲线Ⅲ接近曲线Ⅰ，涂层实际上对基体金属给予多大的拉力，从磁致伸缩的应力特性中可得出评估。计算结果表明，表面涂层对硅钢片拉力大约3.8MPa。变压器装配时，由于铁芯材料所受的压缩应力大约为3～5MPa，和表面涂层给予基体的3.8MPa拉力相当，因此对磁致伸缩值影响不大。
从图2看出，取向硅钢片的磁致伸缩与有无表面绝缘涂层有很大关系。涂层对硅钢片的拉力，可抵消由于材料和变压器装配中所产生的压应力，从而可降低变压器的噪声。
3.3 在有无涂层的情况下，沿轧向外加压应力测其磁致伸缩值的变化
在110安匝/cm磁场下对30RGH120牌号试样测定不同压力下磁致伸缩变化见表4，并绘出图形见图3。


从图3看出，有涂层与无涂层硅钢片对压力敏感性有很大差异。无涂层钢片对压应力是很敏感的。随压力增大，磁致伸缩数值急剧上升，而有涂层的钢片，则随压应力增加磁致伸缩值增加不明显，说明对压应力敏感性较差。
磁致伸缩对外应力很敏感，尤其是对压应力的敏感性特别大。所以希望硅钢片的磁致伸缩小，以减小其对应力的敏感性，同时，还可降低噪声。
由于变压器铁芯在装配中会产生应力，因此有必要降低材料对应力的敏感性。从试验数据中看出，由于有涂层，硅钢片磁致伸缩时对应力敏感性减弱，变压器噪声也随之降低。
3.4 表面涂层对降低取向硅钢片磁性的作用
对第二批取向硅钢片用爱泼斯坦方圈测定磁性结果见表5。
从表5可见，涂层对硅钢片磁感应强度影响不大，但有降低单位重量损耗的作用。其效果见表6。


通过试验发现在一般取向硅钢片上涂绝缘涂层后仍有降低单位重量损耗的作用，对单位重量损耗可降低9～14%。
3.5 涂层厚度对硅钢片的影响
绝缘涂层对硅钢片所产生的拉应力与涂层厚度有关。曾对涂层厚度进行了测定，其结果如下：
第一批试样：
30Q130正面厚度6～7μm；反面厚度5～6μm；
30RGH120正面厚度为5～6μm；反面厚度为3～8μm。
第二批试样：
30RGH110正面厚度2～3μm；反面厚度为1.5～2μm。
把涂层厚度和降低单位重量损耗的效果对应起来，看出第一批试样涂层均涂得较厚，涂层厚度在3～7μm范围内，而单位重量损耗可降低为14%（）。
第二批试样涂层涂得薄，涂层厚度一般为2～3μm，其单位重量损耗的降低效果就差一些，可降低约为9%（）。
因此，绝缘涂层重量最好在以上。综合起来看，在不影响涂层附着性的前提下，涂层要尽量厚些。涂层越厚，降低单位重量损耗的效果越明显。
4 结束语
以硅溶胶、磷胶二氢铝和铬酐组成的绝缘涂层溶液，经烧结后能形成良好的表面绝缘涂层。这种涂层具有可降低取向硅钢片单位重量损耗和减小其磁致伸缩的效果。
（1）涂层对硅钢片产生的拉应力大约为3.8MPa。
（2）涂有表面涂层的硅钢片对压应力敏感性较差，这对降低变压器噪声有重要意义。
（3）绝缘涂层可使硅钢片的单位重量损耗降低9～14%。■

参考文献
[1] 田村金男，高磁感取向硅钢片的发展[J].日本金属学会会报，1987，（2）：32-36。
[2] 田口悟，晶粒取向硅钢片[J].日本电气，1978，55：28-31。
[3] 王春玉，高导磁率晶粒取向硅钢的特性[J].应用物理，1989，40（3）；16-19。

（转载自《电工钢》2002年第4期）