（材料加工工程专业论文）磁场退火对无取向硅钢组织和磁性能影响的实验研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 冷轧无取向硅钢作为在旋转磁场中工作的电动机和发电机转子铁芯材料，具 有良好的磁性能和工艺性能，是新一代的软磁材料，属于钢铁工业的高端产品。 微观组织、织构分布及织构各组分强度对冷轧无取向硅钢的磁性能具有显著影 响。 本文将磁场退火引入无取向硅钢的最终退火过程，借助正交实验方法系统考 察了磁场退火对无取向硅钢组织与磁性能的影响。 为了研究退火温度、磁场强度大小、磁场方向及保温时间等对低牌号无取向 硅钢磁性能、微观组织、织构的影响，在正交实验的基础上，对无取向硅钢进 行不同条件的退火处理，通过对磁性能数据的正交分析，优选出最佳的工艺参 数。研究结果表明：退火温度和磁场大小是影响试验钢比饱和磁化强度指标的显 著因素，磁场大小与保温时间对比剩余磁化强度也有显著的影响。当加热温度在 8 0 0 、施加磁场大小为3 t 时，调整施加磁场的方向与保温时间可以使无取向硅 钢的比饱和磁化强度、比剩余磁化强度分别达到2 6 0 7 e m u g 、1 8 2 6 5 e m u g 。磁场 退火显著影响再结晶织构的取向密度和晶粒尺寸。磁场退火增强有利的n ( ( 0 0 1 ) r d ) 和 1 0 0 ) 织构，减弱不利的y ( ( 1 1 1 ) n d ) 织构，该效应在3 t 或 5 t 磁场下较显著。再结晶晶粒尺寸在磁场退火时较大，从磁场降低晶界可动性和 提供与取向相关的附加晶界迁移驱动力的角度，分析了磁场作用机制。 关键词：磁场退火；磁性能；微观组织；织构；无取向硅钢 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o l d - r o l l e dn o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e li su s e df o rr o t o rc o r em a t e r i a lo ft h em o t o ra n d g e n e r a t o ri nt h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l dw i t ht h eg o o dm a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dp r o c e s s p e r f o r m a n c e i ti s an e wg e n e r a t i o no fs o f tm a g n e t i cm a t e r i a l sa n dt h eh i g h - e n d p r o d u c t so fi r o na n ds t e e li n d u s t r y t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fc o l d - r o l l e dn o n - o r i e n t e d s i l i c o ns t e e li ss i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt h em i c r o s t r u c t u r e 、d i s t r i b u t i o no ft e x t u r ea n d t h ei n t e n s i t yo fc o m p o n e n t s i nt h i st h e s i s ，m a g n e t i cf i e l dw a si n t r o d u c e di n t ot h ea n n e a l i n gp r o c e s so fg r a i nn o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l t h ee f f e c t so fm a g n e t i cf i e l do nm i c r o s t r u c t u r e sa n dm a g n e t i c p r o p e r t i e so fn o n - o r i e n t e d s i l i c o ns t e e lw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n ta n a l y s i s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fi n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l d ，o r i e n t a t i o no f m a g n e t i cf i e l d , a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n dh o l d i n gt i m eo nm a g n e t i cp r o p e r t y 、 m i c r o s t r u c t u r ea n dt e x t u r eo fl o wg r a d en o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l ，b a s e do nt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，l o wg r a d en o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lw e r ea n n e a l e du n d e r d i f f e r e n tc o n d i t i o n sa n dt h em a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ee x a m i n e db yo r t h o g o n a la n a l y s i s s ot h a tt h eb e s tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ep i c k e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ti n d i c a t et h a t a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n di n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l da r et h ek e yf a c t o r so f t h es p e c i f i c s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o na sw e l la si n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l da n dh o l d i n gt i m ea f f e c t s s i g n i f i c a n t l y o nt h e s p e c i f i c r e m a n e n t m a g n e t i z a t i o n t h es p e c i f i c s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o na n ds p e c i f i cr e m a n e n tm a g n e t i z a t i o no fn o n - o r i e n t e ds i l i c o ns t e e lc o u l d r e a c h2 6 0 7 e m u ga n d1 8 2 6 5 e m u gr e s p e c t i v e l yw h e na n n e a l i n gt e m p e r a t u r ei s8 0 0 c w i t hi n t e n s i t yo fm a g n e t i cf i e l db e i n g3 tb ym e a n so fr e a d j u s t i n go r i e n t a t i o no f m a g n e t i cf i e l da n dh o l d i n gt i m e t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h em a g n e t i ca n n e a l i n g p r o c e s sa f f e c t st h eo r i e n t a t i o no b v i o u s l y , m a g n e t i ca n n e a l i n gt e n d st os t r e n g t h e nt h e f a v o r a b l et 1 ( ( 0 0 1 ) r d ) a n d 1 0 0 f i b e r sa n dw e a k e nt h eu n f a v o r a b l e 丫f i b e r , a n d t h em a g n e t i cf i e l da t3 to r5 ti sm o r ee f f e c t i v et oo p t i m i z et e x t u r e r e c r y s t a u i z a t i o n g r a i ns i z eb e c o m e sl a r g e ru n d e rm a g n e t i ca n n e a l i n gi nc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a n n e a l i n g am a g n e t i ca n n e a l i n gm e c h a n i s mi st h e r e f o r ep r o p o s e di nv i e wo fl o w e r i n g t h eg r a i nb o u n d a r ym o b i l i t ya n dp r o v i d i n ga l la d d i t i o n a lo r i e n t a t i o n d e p e n d e n td r i v i n g f o r c ef o rg r a i nb o u n d a r ym i g r a t i o n k e yw o r d s ：m a g n e t i ca n n e a l i n g ；m a g n e t i cp r o p e r t y ；m i c r o s t r u c t u r e ；t e x t u r e ； n o n o r i e n t e ds i l i c o ns t e e l 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 签名：驾垂缅够一一日期：趔2 z ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 胡烈 i _ 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 无取向硅钢主要被用来制作发电机、马达、镇流器的铁芯，是电力与电讯工业 中不可缺少的重要软磁材料。硅钢的用量与发电量及电器的发展成正比关系，目前世 界硅钢的需求量正以每年约7 的速度增长，2 0 0 5 年我国硅钢消费达n 4 0 0 万吨，其中 无取向硅钢超过3 5 0 万吨，缺口1 1 0 万吨，已成为世界硅钢消费和进口大国。因此， 从设备应用效率的角度出发，开发具有优良磁学性能的硅钢片，以满足现代工业发 展的需要，这样不仅能节省能源，减少铁损，而且还能减小噪声污染，具有很重大的 意义。 在硅钢片的生产发展过程中，人们一直致力于生产出具有较高磁性能的硅钢， 以满足硅钢在作为磁性材料使用时的性能。近年来，磁场热处理在调控材料组织性 能方面的潜力受到广泛的关注。某些实验表明：磁场退火热处理对硅钢的微观组织 及磁性能有明显的影响。低硅无取向硅钢经过磁场强度为8 t 且平行于轧向的磁场退 火后，磁性能增强，晶粒尺寸与普通退火相近；冷s l f e - 3 2 5 s i 合金经过磁场强度 为1 0 t 且平行于轧向的磁场退火后，磁性能也增强，但平均晶粒尺寸的变化不明显。 本文是在正交实验的基础上，主要研究磁场、退火温度及保温时间对低牌号无 取向硅钢组织及磁性能的影响，从而为无取向硅钢的磁场热处理工艺提供实验数 据。 内蒙古科技人学硕十学位论文 1 文献综述 硅钢是电力、电子工业广泛应用的软磁材料，主要用于马达、发电机和变压器 的铁芯，其性能( 铁损) 直接影响到电能的利用率【1j 。因此，丌发高品质硅钢对于节 约能源意义重大。1 9 2 4 年新同铁作为热轧板丌始生产，1 9 5 6 年用冷轧无取向硅钢替 代了热轧硅钢【2 1 。根据我国中长期规划，我国将进行大规模电力工程投资，大中型 发电机组、输变电系统将会对高性能冷轧硅钢保持强力需求，用电系统的节能和环 保取决于低损耗硅钢产品的获得。2 0 0 5 年我国硅钢消费达至i u 4 0 0 万吨，其中无取向硅 钢超过3 5 0 万吨，缺口1 1 0 万吨，已成为世界硅钢消费和进口大国。我围硅钢生产存 在的问题主要在于冷轧硅钢特别是高牌号硅钢品种和产能严重不足，其核心在于缺 乏自主知识产权的制造技术、工艺装备及其研发能力。此外，我国钢铁工业面临产 品升级、结构优化的严峻挑战，而硅钢附加值高且工艺技术含量构成价格的主体， 提高硅钢研制能力将有助于我国钢铁工业结构优化的快速实现。 1 1 硅钢的发展以及研究状况 1 1 1 硅钢的发展历程 硅钢是由体心立方的a 铁固溶体构成的铁素体钢，含硅量在3 左右、其它主要 是铁的硅铁合金。以铁为主的f e s i 单晶体在三个主晶向上磁化特性不同： 1 0 0 3 方向为易磁化晶向， 1 1 0 方向为次易磁化晶向，【1 1 1 方向为难磁化晶向，这种 磁化特性称为磁各向异性。 在纯铁中加入硅后，可消除磁性材料的磁性随使用时间而变化的现象。随着硅 含量增加，热导率降低，脆性增加，饱和磁化强度下降，但其电阻率和磁导率高， 矫顽力和涡流损耗减小，从而可应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互 感器等的铁芯硅钢片大量用于中低频变压器和电机芯，尤其是工频变压器。硅钢的 特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感强度( 2 0 t 以上) ，因此作为变压器铁 芯使用时可以在很高的工作点工作( 如工作磁感值1 s t ) 。硅钢片的性能直接关系 到电机、变压器等产品的电能损耗、性能、体积和重量，高磁感和薄规格是硅钢片 的发展方向。提高硅钢片的磁感应强度，不但提高电器性能，而且可减少铁芯的磁 滞损耗、降低电耗；采用薄规格硅钢片可减少高频下铁芯的涡流损耗、降低电耗， 同时亦可节省电器材料，减小电器体积、减轻重量。此外，硅钢片还需具备良好的 板形、极小的同板厚度差和良好的冲剪性能。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 8 8 2 年英国人哈德菲尔特( r 八h a d f i e l d ) 等人开始研究硅钢，1 8 8 6 年美国 w e s t i n g h o u s e g - 器公司首先用杂质含量约为o 4 的热轧低碳钢板制成变压器叠片铁 芯。1 9 0 0 年，他与巴雷特( w f b a r r e t ) 等人发现2 5 5 5 s i f e 合金具有良好的磁 性。1 9 0 2 年德国古姆利奇( e g u m l i c h ) 研究指出，加硅使铁的电阻率p 明显增高，涡 流损耗p e 和磁滞损耗p h 降低，磁导靴增高，磁时效现象减轻。1 9 0 3 年后，美国、德 国开始生产热轧硅钢钢板。美国在短时间内用硅钢全部代替了普通低碳钢制造电机 和变压器。1 9 1 0 - - 1 9 2 4 年美国延森( t d y e m e n ) 等研究了硅钢力学性能以及杂质和 晶粒尺寸等因素对磁性的影响，对改善热轧硅钢产品质量起了重要作用。从1 9 3 0 至1 1 9 6 7 年，以普通取向硅钢( g o ) 板为代表的冷轧硅钢，取得了长足的发展。1 9 3 0 年美 国g o s s 采用冷轧和退火方法开始进行大量实验，探索晶粒易磁化方向 平行于 轧向排列的取向硅钢带卷制造工艺，并于1 9 3 4 年申请专利( 二次冷轧法) 。1 9 5 1 年明 确了其形成机制和条件：1 ) 在初次再结晶织构中必须存在有( 1 1 0 ) 0 0 1 1 组分；2 ) 钢中 必须存在有利杂质元素作为抑制剂来阻碍初次晶粒长大，促进二次再结晶发展。 1 9 5 7 年j e m a v 等发现m n s 第二相质点可强烈阻碍初次晶粒长大，才弄清m n s 抑制剂 对生产取向硅钢的重要性。a r m c o 钢公司在掌握m n s 抑制剂和板坯高温加热这两个 前工序制造工艺后，制造取向硅钢的专利技术已基本完善。1 9 3 4 , - - - , 1 9 4 0 年间，延森 和鲁德等研究了杂质元素和晶粒尺寸等因素对冷轧硅钢性能的影响。4 0 年代初， a r m c o 钢公司开始生产冷轧无取向硅钢板。1 9 6 4 年日本新日铁公司开始试生产a i n + m n s 综合抑制剂的高磁感取向硅钢，命名为h i b 1 3 。，至1 9 6 8 年正式生产z 8 h 牌号， 标志着h i b 制造工艺的完善。1 9 7 3 年石油危机、能源紧张，促使美国在7 0 年代中 期开发了铁损极低的铁基非晶合金来取代取向硅钢制造变压器，也使日本冷轧硅钢 更迅速的发展。新日铁和川崎公司采用提高硅含量、减薄产品钢带厚度和细化磁畴 技术，不断开发出不同牌号的高磁感取向硅钢。1 9 7 8 年日本东北大学荒井贤一等开 发了4 5 - 6 5 s i f c 快淬微晶薄带，但尚未正式生产1 4 1 。1 9 8 6 年日本钢管公司高田 芳一等采用化学沉积渗硅法( c v d 法) 生产出- f 6 5 s i 硅钢1 5 , 6 1 ，并于1 9 8 7 年采用温轧 法制造6 5 s i - - f e 合金，1 9 9 3 年实现工业化生产，产品命名为“s u p e r - - ec o r e ”产品 【7 1 ，主要用于高频电机和变压器以及磁屏蔽。1 9 8 7 年荒井贤一等制得了与非晶合金 相同，而磁感b 8 高达1 9 7 r 的取向硅钢薄带1 8 - 1 0 。近2 0 年来，为了高效节能和与非晶 软磁材料相竞争，硅钢的发展速度比以前4 0 年更快。硅钢制造工艺和设备复杂，成 分控制严格，制造工序长，而且影响性能的因素多。硅钢的制造工艺与技术具有高 度的保密性和垄断性，各国都以专利形式加以保护。硅钢产量、质量、品种水平， 常被视为衡量一个国家钢铁工业生产水平的象征。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 2 无取向硅钢的发展状况 冷轧无取向硅钢是指含1 5 4 0 ( s i + a i ) 的电工钢，标定厚度为0 3 5 和 0 5 m m 。主要用作容量较大的中、大型电机以及发电机的铁芯，如直流电机和同步 交流电机的定子铁芯，异步交流电机的定子和转子铁芯。含= 1 s i 或= 1 ( s i + ) 的冷轧无取向低碳低硅电工钢，标定厚度为0 5 m m 和0 6 5 m m 。其特点是制造工艺 简单，制造成本低，但由于硅含量低，铁损较高。主要用于生产 1 7 8 t ，p l s i 0 5 w k g ，达到 # b a r m e o 专利生产的高牌号( 日本z 1 0 牌号) 水平。在此实验基础上，于1 9 7 3 , - 一1 9 7 5 年间与太原钢铁公司合作生产的热轧硅 钢片的产品磁性全部达到当时国家标准y b 7 3 - - 6 3 中d 3 4 0 最高牌号，相当于日本z 1 3 牌号水平。1 9 7 6 1 9 7 7 年钢铁研究院在验证和消化日本专利的基础上制成了高磁感取 向h i b 钢，并研制成3 s i 高牌号无取向硅钢h 1 0 和含磷冷轧低碳电工钢。1 9 7 9 - 1 9 8 1 年研制成4 s i 高磁感无取向硅钢，其磁性能达到日本最高牌号z 7 h 和z 6 h 水 平。同时研制成a i n + s b 抑制剂的h i b 钢，板坯加热温度可降低到1 2 5 0 。1 9 8 2 - 1 9 8 4 年通过调整普通取向硅钢中碳、锰、硫成分并加入少量锡( 或锑) ，使板坯加热 温度降到1 2 8 0 1 3 0 0 1 2 。1 9 8 7 - 1 9 8 9 年在h i b 钢中加入锡和铜，采用两段式高温 常化处理和冷轧时效工艺制成z 7 h 高牌号。后通过改进冷轧低碳低硅电工钢成分和 制造工艺，使得0 5 m m 厚板的铁损达到日本2 s i 的h 1 8 牌号，半成品达到约3 s i 的 h 1 4 牌号水平，磁感应强度1 3 5 0 提高约0 1 t 。1 9 7 4 年武汉钢铁公司从日本“新日铁”引 进了冷轧硅钢制造设备和专利，1 9 7 8 年1 0 月硅钢片厂投产，1 9 8 5 年全面达产，设计 年产冷轧硅钢片7 万吨，其中取向硅钢2 8 万吨，无取向硅钢4 2 万吨。通过不断的改 造，目前的综合生产能力约为3 5 ，- - , 3 7 万吨年1 1 1 】。1 9 8 8 年，太原钢铁公司年产1 0 万吨 无取向硅钢生产线建成投产，生产的都是低牌号无取向硅钢。2 0 0 0 年，宝钢引进了 日本川崎的无取向硅钢生产技术，年产3 7 5 万吨。 内蒙古科技大学硕士学位论文 目前，我国生产冷轧硅钢的企业主要有武钢、宝钢、太钢、鞍钢。我国冷轧硅 钢的数量、质量、规格、牌号远不能满足需求，在技术、设备以及研发等方面与日 本相比存在2 0 3 0 年的差距。 1 2 硅钢的磁性能 硅钢是电力电子技术中低频大功率磁性元器件常用的软磁材料，近十年来，从 调整硅含量，减少厚度和改进工艺方面对它进行改进，使性能不断提高，工作频率 范围从工频，扩大到4 0 0 h z 1 0 k h z 中频，最高达到2 0 0 乜3 1 5 k h z 高频。不但 用于大功率电源变压器，也可以用于追求体积小和环境适应性好的高频小功率开关 电源变压器1 1 2 j 。 硅钢在作为磁性材料用于直流电机和电磁铁铁芯、极头、继电器铁芯、永久磁 路中导磁体和磁屏蔽、间隙工作电机和小型电机等时，我们关注它的铁损、磁感应 强度、磁导率、矫顽力和磁致伸缩等特性，它们直接关系到硅钢的使用性能。 1 2 1 铁损 硅钢在常用的软磁材料中铁损是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它 的使用频率不高，一般只能工作在2 0 k l - i z 以下。所以对硅钢的主要要求是在一定交 变场下有高的磁感应强度b 和低的铁芯损耗。自1 9 0 0 年发现硅钢至今一个世纪 来，均致力于降低硅钢的铁损和提高其磁感b 。 铁损是硅钢片最重要的参数之一，硅钢片的发展历史也可以说是改善铁损的历 史。所谓的铁损，是指铁磁材料在交变磁场中反复磁化所消耗的功率。也就是用交 流电励磁的电器设备铁心中所消耗的电功率。这一损耗导致设备温度的上升，并直 接影响设备的效率。 磁性材料的铁芯损耗包括三部分【1 3 l ：磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗，即 p = p h + p c + p c( 式1 1 ) 式中：p _ 为材料单位体积的总损耗( j m 3 ) ； p h - 一为磁滞损耗，它与磁滞回线的面积成正比，在交变场中铁磁体单位 体积的磁滞损耗为：吒2 夕爿删，实践证明，在中、高磁场下，磁滞损耗功率可用 经验公式来描述，即：吒。，7 吒，其中t 1 为常数。 p e - 一为涡流损耗，当铁磁体在交变场中磁化时，铁磁体内部的磁通也周 期性地变化。在围绕磁通反复变化的回路中出现感应电动势，因而形成涡流。感应 内蒙古科技人学硕十学位论文 电流( 涡流) 所引起的损耗称为涡流损耗。计算证明，对于厚度为t 的片状铁磁 体，在低频( 厂 5 0 0 h z ) 磁场下的涡流损耗为 ；r r 2 f 2 厂2 吃2 6 p 。其中厂为频率 ( h z ) ；t 为片厚( m ) ；d r a 为最大磁感应强度( t ) ；p 为电阻率( o m ) 。可见 涡流损耗除了与交变场的频率，、交变场的大小有关外，还与材料的尺寸( 厚度t 和电阻率p ) 有关。把材料做成薄片状，提高材料的电阻率p ，可降低材料的涡流损 耗。 p 。为剩余损耗，从总损耗中扣除磁滞损耗p h 与涡流损耗p 。所剩余的那部分损 耗称为剩余损耗p 。这三种损耗所占的比例随工作磁场的大小而变化 影响铁芯损耗的因素是多方面的，如材料的合会成分、杂质元素的含量、织构 度、晶粒大小、薄片的厚度、表面状态、内应力的大小与分布等对材料的铁芯损耗 均有影响。表1 1 表明了取向硅钢中b 、，与、p 。和p 。的关系，表1 2 表明了无取 向硅钢的p h 、p 。和p 。占p 的百分数。经验表明取向硅钢中p 。+ p 。占主要部分，目标 是降低p 。和p 。无取向硅钢中p h 占主要部分，目标是降低p h 。 表1 1b 和f 与p - 、p e 和p c 的关系 冈素p hp c p 。 bb 1 b 2b 2b 1 5 b 2 l|1 。2 、5 对降低铁损而言，分为降低铁损的磁滞损耗和涡流损耗两部分。为了减少磁滞 损耗，有效的方法是使晶粒卡h 化和形成对磁性有利的结构；为了减少涡流损耗，有 效的方法是添加s i 等合会元素来提高钢板电阻。 1 2 2 磁化强度和磁感应强度 研究材料的磁性主要是测量在一定的磁场下材料的磁化强度或磁感应强度的大 小。磁化强度m 是宏观磁体单位体积在某一方向的磁矩，当原子磁矩同向平向排列 时，宏观磁体对外显示的磁性最强。饱和磁化强度m s 是磁性材料极为重要的磁参 量，软磁材料要求m s 越高越好，它主要由材料的化学成分来决定。 内蒙古科技大学硕士学位论文 磁感应强度b 是定量描述磁场中各点的强弱与方向的物理量，任何物质在外磁 场作用下，除了外磁场h 外，由于物质内部原子磁矩的有序排列，还要产生一个附 加磁场。在物质内部外磁场和附加磁场的总和称之为磁感应强度b 。 在国际单位制中，磁感应强度b 定义公式为： 口。u o ( h + m ) ( t 或者w b 开) 式中：真空磁导率，在国际单位制中，比0 = 4 p x l 0 7 h - 磁场强度( a m 1 ) m 磁化强度( a m ) ( 式1 2 ) 图i i ，( a ) 是磁化强度m 和磁场强度h 的关系，( b ) 为磁感应强度b 与h 的关 系曲线【1 4 1 5 1 。 m m s o b b s h s h 0 ( a ) 图1 1 铁磁材料的磁化曲线 h sh ( b ) 这两条曲线的起始点对应于材料未磁化的状态( m - - 0 ) ，称为磁化曲线。曲线上 各点切线斜率将分别给出相应磁化状态下的磁导率肛。在h = 0 附近的值称为材料 的起始磁导率肋；整个磁化曲线上出现的最大值称为最大磁导率鳓撒。 从图1 1 ( a ) 中可看出，磁场由o 增大，到h s 开始，m = f ( h ) 的曲线变得几乎与横 坐标平行了。这意味着材料中的固有磁矩全部沿h 方向平行排列。这种状态称为磁 化饱和状态。同样，在图1 1 嘞中，从h s 开始，曲线变为与横坐标保持一定斜率的 内蒙古科技大学硕士学位论文 直线( 如果实际的磁化磁场能够继续增大的话) 。转折点给出了m 。和b s 的量值， 分别称为材料的饱和磁化强度和磁感应强度。 b s 、m 。、p o 、胁啦是从磁化曲线( b h 曲线) 获得的重要磁性参量。 对于取向硅钢，在一定磁场下硅钢的b 越高，变压器的铁心可以做得小些、轻 些，同时可节约铜导线和其他原材料。一般要求取向硅钢的b 8 = 1 7 1 8 t ( b s 是在 8 0 0 a m 磁场下的磁感值) 。硅钢的b 值与成分、杂质元素含量、晶粒取向类型和取向 度有关。随着s i 含量和杂质元素含量的增加，b 值有所降低。含量的提高可提高其电 阻率，有利于降低铁损，s i 含量应合理选择，其他杂质元素则越低越好。无取向硅钢 的b 2 5 和b s o ( 分别是磁场为2 5 蝴和5 0 0 0 a m 下的磁感应强度) 也主要决定于化 学成分与晶体织构。随硅、锰、铝和其他杂质元素的提高，b 2 5 和b 5 0 降低。另一方 面，为了提高磁感应强度，与降低铁损的方法相反，用减少合金元素添加量来提高饱 和磁通密度，还有形成对磁性有利的织构。这两种方法都是有效的。 1 2 3 磁导率 b h 曲线上b 与h 的比值称为磁导率( 绝对磁导率) ，即a = b h ( h m ) 。在 一定的磁场强度h 下，某固定点对应的磁感应强度b 都是一定的标准值。b 的大小 表征这种材料磁化的难易程度。而材料的磁化包括两个阶段：无磁场时畴壁依附在 任意类型缺陷处，以及当外加不同的磁场时畴壁首先如何地被轻微地驱出它们的静 止位置，最后脱开并移动到一个较大的障碍。主要磁化过程的这两个阶段与物理量 起始磁导率和矫顽场强度有密切关系。起始磁导率更像是在弱磁场下物体内所有畴 壁的平均迁移率，它取决于单位体积内所存在的畴壁表面积和作用在畴壁上的平均 复原力。矫顽场强度是使畴壁离开缺陷以及驱使它们通过晶粒越过所有障碍所需要 的磁场强度的平均值。 畴壁运动的主要障碍是“内应力”、非磁性夹杂和晶粒边界。这些都牢牢地拉住 畴壁而削弱它们的迁移率。畴壁运动因应力而削弱的原因是磁致伸缩。磁致伸缩是 指一物体在伴有自发磁化强度转动的磁化过程中所受的尺寸变化。应力以及磁致伸 缩愈大，则阻碍力也愈大。 非磁性夹杂指的是任意类型和形式的夹杂，诸如空穴、氧化物颗粒或溶渣等， 或者甚至具有不同磁特性的间隙式结构组分。在每种材料内都或多或少地存在这样 的夹杂和杂质。夹杂在一定程度上吸引畴壁并以一定的力拉住它们，所以在夹杂附 近通常出现独特的畴结构。材料的各向异性常数越大，这种效应也就越明显。同 时，非磁性夹杂的总含量、形状和大小也是决定因素。当夹杂大致与畴壁厚度一样 宽时，它将最大程度地阻碍畴壁运动；太大或太小的夹杂只有较小的影响。 内蒙古科技大学硕士学位论文 可以定量和可靠的计算出晶粒边界对矫顽场强度h c k 的作用，我们得到【1 6 l ： 如以赢 ， ( 式1 3 ) 式中1 w = 畴壁能； j ，_ 饱和极化强度； 口t = 晶粒直径。 由此得出：材料中含有的晶粒边界愈少，材料愈容易反磁化。 明确了影响畴壁运动的因素，为了得到矫顽场强度和高磁导率，应尽可能减小 内应力，保持低含量的非磁性夹杂以及避免那些尺寸接近畴壁厚度的夹杂，我们可 能通过退火气氛的反应除出一些夹杂；还可能使分得很细的颗粒聚集得到较大的、 阻碍作用较小的颗粒，同时这种退火还能消除在加工过程中所产生的内应力。 1 2 4 矫顽力 铁磁材料的磁化过程是不可逆的。当将未磁化样品沿着磁化曲线至饱和状态， 接着开始减小磁化磁场，可材料中的m 和b 将不是沿原磁化曲线减小，而是较慢地 减小。这种b 或m 的变化落后于h 变化的现象，称为磁滞效应。如果将磁场强度 逐渐减小到零，磁化强度和磁感应强度并不回复到零。此时的磁感应强度b f 称为剩 余磁感应强度。必须进一步加上强度为h c 的反向磁场，才能使材料中的b 达到零， h c 称为矫顽力。 当磁场由h s 变至h 幻再从h s 变至h s ，b 随h 变化曲线将成为图1 2 【1 7 1 所示的一 条闭合曲线。这样的闭合曲线叫做饱和磁滞回线。饱和磁滞回线给出的b f 和h c 值 是重要的磁性参量。 内蒙古科技大学硕士学位论文 b 。 b s b r 飘 7 t h c l 1 0 弋 j | 够 乡。 图1 2 铁磁材料的磁滞回线 1 3 热处理工艺参数对硅钢组织性能的影响 在硅刚成分一定的情况下，我们可以通过各种方法来改善硅钢的磁性能，其中 热处理就是一种最常见的方法，不过在热处理的过程中，对各种工艺参数都有很严 格的要求，以期最终能够改善硅钢的磁性能。 对于硅钢，从退火生产实践中得出：退火工艺的合理控制是降低成品c 含量，石 经粒均匀长大，从而提高硅钢磁性能的重要措施。而合理控制硅钢退火工艺的过程参 数，是提高低硅钢磁性能的有效途径，在退火过程中很多因素对最终硅钢片的磁性能 都会有影响，在具体实验过程中，我们应注意以下几个方面： ( 1 ) 在加热过程中，硅钢片的导热性差，且随着温度升高，导热系数呈下降趋势， 所以退火加热时速度不宜太快，否则，退火后残余应力易产生晶格歪曲，同时硅钢 片的温度不均影响晶粒的均匀长大，使磁性变坏【1 8 1 。但加热速度也不能太慢，因为 金属材料在材质纯度稍差的情况下，在低温区停留时间过长，易导致部分脆性相沿 晶界析出，这对硅钢片的电磁性能将产生一定的影响。低硅退火理论认为加热速度 在2 5 h 为宜。制定合理的退火工艺温度和保温时间，使退火后硅钢充分脱c ，并 获得均匀、较粗大的晶粒，有利于提高硅钢的磁性能。 ( 2 ) 保温温度和保温时间对硅钢磁性能的影响1 1 9 j ：合理的退火工艺温度和保温 时间，才能使退火后硅钢充分脱c ，并获得均匀、较粗大的晶粒，而且由于热轧硅 钢片退火为再结晶退火，退火保温温度必须控制在相变温度以下，但是硅钢片相变 内蒙古科技大学硕士学位论文 温度随着碳、硅以及其它合金元素含量的变化而发生相应的变化。通常，电机用硅钢 片的相变温度为8 0 0 - 8 6 0 。要保证硅钢片电磁性能良好，就必须在硅钢片退火 时保持足够的保温时间，使晶粒充分长大，以获得较粗大的晶粒，提高硅钢的磁性 能。 ( 3 ) 在冷却的过程中，硅钢退火冷却速度过快，出炉温度偏高时，硅钢片产生 热应力会使晶格歪曲，使磁性变坏；同时，一些有害杂质来不及析出，以过饱和形式 存在于铁中，对硅钢产生不利影响。因此，硅钢退火冷却速度应 1 5 h ，而且较慢的 冷却速度还会使钢中的c 以渗碳体的形式沿晶界析出，对磁性是有利的。 1 4 硅钢中的织构及其控制方法 1 4 1 织构 硅钢的再结晶织构研究虽然已经是一个长期的课题，但是，再结晶织构的转变 反应机制仍被争论着，这主要与再结晶本身的复杂性有关。本实验借鉴此方法研究 无取向硅钢连续磁场退火过程织构演变规律。 单晶体在不同的晶体学方向上，其力学、电学、磁学等方面的性能会表现出显 著差异，这种现象称为各向异性。多晶体是许多单晶体的集合，如果晶粒数目多且 各晶粒的排列完全无规则，即在不同方向上取向几率相同，则这些多晶集合体在不 同方向上就会表现出宏观上的各种性能相同的现象，这就叫各向同性。然而多晶体 在其形成过程中，由于受到外界的力、热、电、磁等各种不同条件的影响，或在形 成后受到不同加工工艺的影响，多晶集合体中的各晶粒就会沿着某些方向排列，即 出现某些方向上的聚集排列，因而在这些方向上出现取向几率增大的现象，这种现 象叫做择优取向。择优取向的多晶体取向构成织构。也可以简单定义为：多晶体取 向分布状态明显偏离随机分布的现象即织构现象。根据晶粒取向情况的不同可以分 为：丝织构或纤维织构、板织构。按照产生过程的不同可分为：铸造织构、变形织 构、再结晶织构。在金属的凝固过程中，随着温度的降低，结晶核不断长大。由于 热量散失的方向性，使晶核长大也具有方向性( 如柱状晶区) 。晶体结晶生长速度的 各向异性造成了选择生长现象，这使得只有快速生长方向平行于散热方向的那些晶 核能够长大，并导致整个晶区各晶粒能够快速生长的晶向互相平行，因而形成了铸 造织构。统计和研究表明，体心立方金属( 如f c s i 、b 黄铜、n a 等) 和面心立方金属 ( 如a 1 、c u 、a g 、a u 、p b 等) 的快速生长方向和枝晶晶轴方向都是 方向。铸 造之后的金属材料一般要进行变形加工。多晶体形变时各晶粒发生转动，转动的结 内蒙古科技大学硕士学位论文 果使大多数晶体聚集到某些取向上来，形成织构。变形后的金属在加热过程中会发 生再结晶，根据加热工艺的不同可以发生回复、再结晶及二次再结晶等现象。 织构的表示方法有多种：如晶体学指数表示法、直接极图法、反极图法、等面 积投影法以及晶体三维空间取向分布函数法等。 应用e b s d 测量织构主要用极图、反极图和取向分布函数来表示，所以在此介 绍一下极图表示法和取向分布函数。 极图表示：为了表示出织构的强弱及漫散射程度，常采用平面投影的方法。最 常用的是极射赤道平面投影法。晶体在三维空间中取向分布的三维极射赤道平面投 影，把投影图上的每个点代表的晶粒体