壓縮機電機用無取向硅鋼二次退火組織和磁性能

陸佳棟, 黃 杰, 張建雷, 岳重祥

(江蘇省(沙鋼)鋼鐵研究院, 江蘇 張家港 215625)

近年來,為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召,各類家用電器和中小型電機逐步更新?lián)Q代。無取向硅鋼作為制造電機鐵芯的重要金屬功能材料,因其具有低鐵損、高磁感的優(yōu)點,需求量逐年提升[1-4]。在生產(chǎn)家用電器時,一般需要將無取向硅鋼先沖壓疊片,后二次退火。二次退火主要有兩個目的,一是消除硅鋼片沖壓后邊部的殘余應(yīng)力和晶格畸變;二是采用較高的二次退火溫度可以進一步提高硅鋼片的磁性能[5-8]。

當(dāng)前壓縮機電機鐵芯常用的無取向硅鋼牌號為50W800、50W600等,其中50W800鋼市場用量最大。因此,國內(nèi)各大先進鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)針對壓縮機電機鐵芯需要二次退火這一特點,開發(fā)了壓縮機電機專用的無取向硅鋼產(chǎn)品。開發(fā)這一系列產(chǎn)品的思路主要有兩種,分別是在現(xiàn)有鋼種成分基礎(chǔ)上提高Si含量或提高Al含量[9-10]。目前關(guān)于這兩種成分體系無取向硅鋼二次退火后組織和磁性能的研究較少。本文以國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的不同成分體系的無取向硅鋼50W800為研究對象,分析研究了不同成分體系的無取向硅鋼二次退火后組織和磁性能的演變規(guī)律,為壓縮機電機用無取向硅鋼的開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 試驗材料及方法

本試驗材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的0.50 mm厚無取向硅鋼退火板,其化學(xué)成分如表1所示。

試樣S1～S3主要的生產(chǎn)流程為鐵水KR脫硫處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、RH真空精煉,經(jīng)連鑄得到220 mm厚連鑄坯;該連鑄坯在1160 ℃的加熱爐內(nèi)保溫150 min后,經(jīng)R1和R2兩機架粗軋及F1～F7七機架精軋后得到2.50 mm厚熱軋鋼卷。粗軋溫度為960 ℃,終軋溫度為860 ℃,卷取溫度為650 ℃;熱軋鋼卷經(jīng)連續(xù)式酸洗-五機架冷連軋至0.50 mm厚冷軋鋼卷;該冷軋鋼卷經(jīng)連續(xù)退火涂層至成品鋼卷,退火均熱段溫度分別為870 ℃和910 ℃,均熱段保溫時間為65 s。

將兩種不同退火溫度下的試樣S1～S3沿橫縱向分別剪切加工成尺寸為30 mm×300 mm的樣條,選取橫縱向樣條各8片組成一組試樣,共有6組試樣在Linn KS-38高溫退火爐中進行二次退火。二次退火溫度為800 ℃,升溫速率為4 ℃/min,降溫速率為3 ℃/min,在高溫區(qū)保溫2 h,退火過程中使用氮氣保護。

沿軋向取二次退火前后的試樣制成金相試樣,磨拋后經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕;采用Zeiss Axio光學(xué)顯微鏡進行顯微組織觀察,并利用直線截距法測量平均晶粒尺寸;采用TD-8520磁性能測量儀測量二次退火前后試樣的磁性能、磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線。在50 Hz頻率、1.5 T磁感應(yīng)強度下測試鐵損P1.5/50,在5000 A/m磁場強度下測量磁感應(yīng)強度B50;磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線的磁感應(yīng)強度測試范圍為0.05～2.00 T。

2 試驗結(jié)果及分析

圖1為不同成品退火溫度下試樣S1～S3二次退火前后的顯微組織,圖2為不同成品退火溫度下試樣S1～S3二次退火前后的平均晶粒尺寸?？芍?當(dāng)成品退火溫度為870 ℃時,二次退火前S1～S3試樣晶粒尺寸相差不大,約70 μm;隨著成品退火溫度升高至910 ℃,二次退火前S1～S3試樣的晶粒尺寸分別增大至87.5、109.3、134.6 μm。經(jīng)800 ℃二次退火后,對于成品退火溫度為870 ℃的試樣,試樣S3的晶粒長大最明顯,平均晶粒尺寸由72.3 μm大幅增至159.1 μm,增大了120%;試樣S2的晶粒長大幅度僅次于試樣S3,平均晶粒尺寸由70 μm增大至125 μm,增大了78.5%;而試樣S1的晶粒長大幅度最小,平均晶粒尺寸由67.3 μm增大至83.3 μm,僅增大了23.7%。相比之下,成品退火溫度為910 ℃的試樣二次退火后晶粒長大幅度較小。其中,試樣S1晶粒尺寸由87.5 μm增至102.9 μm,晶粒長大幅度雖然是最大的,但也僅增大了17.6%;S2試樣的晶粒長大幅度略低于S1試樣,平均晶粒尺寸由109.3 μm增至123.7 μm,增大了13.1%;試樣S3的晶粒長大幅度最小,平均晶粒尺寸由134.6 μm增至145.8 μm,只增大了8.3%。

圖1 不同成品退火溫度下試驗鋼800 ℃二次退火前(a～c,g～i)、后(d～f,j～l)的顯微組織成品退火溫度:(a～f)870 ℃;(g～l)910 ℃ 試驗鋼:(a,d,g,j)S1;(b,e,h,k)S2;(c,f,i,l)S3Fig.1 Microstructure of the tested steels primary annealed at different temperatures before(a-c, g-i) and after(d-f, j-l) secondary annealing at 800 ℃ Primary annealing temperature: (a-f) 870 ℃; (g-l) 910 ℃ Tested steel:(a, d, g, j) S1; (b, e, h, k) S2; (c, f, i, l) S3

圖2 不同成品退火溫度下試驗鋼二次退火前、后的平均晶粒尺寸Fig.2 Average grain size of the tested steels primary annealed at different temperatures before and after secondary annealing(a) 870 ℃; (b) 910 ℃

圖3為不同成品退火溫度下S1～S3試樣二次退火前后的鐵損P1.5/50和磁感B50?？梢钥闯?成品退火溫度越高,二次退火前試樣S1～S3的鐵損越低;經(jīng)800 ℃二次退火后,試樣S1～S3的鐵損繼續(xù)降低;但鐵損下降值并不是固定的,成品退火溫度不同、成分體系相同試樣的鐵損均降低至同一水平。不同成分體系試樣的鐵損下降潛力不同,其中,試樣S3的鐵損下降潛力最高,鐵損能下降至3.2 W/kg;并且當(dāng)成品退火溫度為870 ℃時,S3試樣二次退火后鐵損降幅最大,降低了1.14 W/kg。試樣S2的鐵損下降潛力略低于試樣S3,鐵損能下降至3.4 W/kg。相比之下,試樣S1的鐵損下降潛力最低,鐵損能僅下降至4.0 W/kg。在磁感B50方面,當(dāng)成品退火溫度相同時,試樣S1與S3的磁感比較相近,而試樣S2的磁感較低。經(jīng)800 ℃二次退火后,試樣S1～S3的磁感均略有下降,但降幅不大。其中,試樣S2磁感下降幅度最大,也僅下降了0.015 T。

圖3 不同成品退火溫度下試驗鋼二次退火前、后的鐵損P1.5/50(a)和磁感B50(b)Fig.3 Iron loss P1.5/50(a) and magnetic induction B50(b) of the tested steels primary annealed at different temperatures before and after secondary annealing

根據(jù)上述試驗結(jié)果,相比成品退火溫度910 ℃的試樣,可以看出,成品退火溫度870 ℃的試樣經(jīng)800 ℃二次退火后,晶粒長大較為明顯,鐵損降幅較大,磁性能顯著提升。因此,對于壓縮機電機用無取向硅鋼,較優(yōu)的工藝是成品退火工藝為870 ℃×65 s,二次退火工藝為800 ℃×2 h。為了進一步了解二次退火后無取向硅鋼磁化性能的變化情況,對二次退火前后試樣的磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線進行了測量。

圖4為成品退火溫度870 ℃的試樣在二次退火前、后的磁化曲線(B-H)和磁導(dǎo)率曲線(μ-H,μ-B),測試頻率為50 Hz。從圖4(a)中B-H曲線的變化可以看出,當(dāng)外加磁場強度低于1000 A/m時,二次退火后試樣的磁感應(yīng)強度明顯優(yōu)于二次退火前;隨著外加磁場強度提升至2000 A/m,二次退火后試樣的磁感應(yīng)強度與二次退火前逐漸趨于一致;外加磁場強度進一步升高,超過5000 A/m時,二次退火后試樣的磁感應(yīng)強度趨于飽和,并逐漸低于二次退火前。

圖4 成品退火溫度為870 ℃下試驗鋼二次退火前、后的磁化曲線(a)和磁導(dǎo)率曲線(b,c)Fig.4 Magnetization curves(a) and permeability curves(b, c) of the tested steels primary annealed at different temperatures before and after secondary annealing (b) μ-H; (c) μ-B

在磁導(dǎo)率方面,從圖4(b)的μ-H曲線可以看出,二次退火前S1～S3試樣的峰值磁導(dǎo)率分別為6.9、6.2、7.9 mH/m。經(jīng)800 ℃二次退火后,試樣S1～S3的峰值磁導(dǎo)率均發(fā)生了大幅提升。其中,試樣S3峰值磁導(dǎo)率的提升幅度最大,達到了13.8 mH/m;試樣S2峰值磁導(dǎo)率的提升僅次于試樣S3,達到了12.7 mH/m;試樣S1峰值磁導(dǎo)率的提升最不明顯,僅達到10.7 mH/m。

從圖4(c)的μ-B曲線可以看出,對于二次退火前的試樣,當(dāng)磁感應(yīng)強度低于1.6 T時,試樣S3的磁導(dǎo)率高于試樣S1和S2,試樣S2的磁導(dǎo)率最差;隨著磁感應(yīng)強度繼續(xù)提高,S1～S3試樣的磁導(dǎo)率逐漸趨于一致。經(jīng)800 ℃二次退火后,試樣S1～S3在磁感應(yīng)強度0～1.6 T范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率得到顯著提升。其中,當(dāng)磁感應(yīng)強度低于1.0 T時,試樣S1～S3的磁導(dǎo)率快速升高,試樣S3的磁導(dǎo)率略高于試樣S2,明顯高于試樣S1。隨著磁感應(yīng)強度由1.0 T提升至1.2 T,試樣S1和S3的磁導(dǎo)率繼續(xù)升高,而試樣S2的磁導(dǎo)率逐漸降低。磁感應(yīng)強度繼續(xù)提升至1.6 T時,試樣S1～S3的磁導(dǎo)率急劇降低,試樣S3的磁導(dǎo)率仍高于試樣S1和S2,試樣S2的磁導(dǎo)率逐漸低于試樣S1。

3 討論

通過上述試驗結(jié)果可以看出,成分體系對壓縮機電機用無取向硅鋼二次退火后組織和性能有重要的影響。在無取向硅鋼中,Si可以提高電阻率,從而降低鐵損;Al的作用與Si相近,同樣能增加電阻率,使鐵損降低[11]。不同之處在于,在煉鋼過程中,Al能更有效地脫氧,提高鋼水純凈度。不僅如此,Al含量的高低對析出相AlN的大小及分布有直接影響,通常認(rèn)為Al含量較低時,Al和N易形成細(xì)小彌散的AlN釘扎在晶界處,阻礙退火晶粒長大,使磁性能惡化;Al含量較高時,析出相AlN聚集長大,形成數(shù)量較少但尺寸較大的AlN,有利于退火晶粒長大,磁性能得到提高[12-14]。

本文中試樣S1為常規(guī)成分體系,試樣S2為高Si成分體系,試樣S3為高Al成分體系。對比分析上述試驗結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)二次退火后無取向硅鋼磁性能的提升并不是固定的,不同成分體系無取向硅鋼二次退火后磁性能的提升潛力不同。對于同一成分體系的無取向硅鋼,成品退火溫度的提高會使得成品鐵損逐漸降低[15-16]。但經(jīng)相同二次退火工藝處理后,鐵損下降并不是固定的。成品鐵損越低,必然會減少鐵損進一步下降的空間。當(dāng)無取向硅鋼鐵損的下降潛力全部釋放后,鐵損將不再降低。因此,二次退火后無取向硅鋼磁性能的提升潛力與成品退火溫度無關(guān)。除此之外,通過對比常規(guī)成分體系和高Si成分體系的無取向硅鋼,還可以發(fā)現(xiàn)采用高Al成分體系的無取向硅鋼二次退火后晶粒更易長大,鐵損下降潛力最大;高Al成分體系的無取向硅鋼的磁感與常規(guī)成分體系的無取向硅鋼維持同一水平,明顯優(yōu)于高Si成分體系的無取向硅鋼。

然而,二次退火后無取向硅鋼的磁感應(yīng)強度并非一直低于二次退火前。從二次退火前后試樣的磁化曲線和磁導(dǎo)率曲線的變化可以看出,二次退火能夠顯著提升無取向硅鋼在低磁場強度下的磁感應(yīng)強度。同時根據(jù)磁導(dǎo)率公式μ=B/H[16],在同一外加磁場強度下,磁感應(yīng)強度的提高使得磁導(dǎo)率也會有相應(yīng)的提升。隨著外加磁場強度進一步提高,二次退火前后無取向硅鋼的磁感應(yīng)強度緩慢增加并逐漸趨于飽和,在高磁場強度下,二次退火后無取向硅鋼的磁感應(yīng)強度略低于二次退火前。此時,由于二次退火前后無取向硅鋼的磁感應(yīng)強度趨于飽和,導(dǎo)致二次退火前后無取向硅鋼的磁導(dǎo)率逐漸降低,并趨向于0。

一般來說,電機的工作磁感通常位于0.5～1.5 T之間,因此電機在0.5～1.5 T時的磁導(dǎo)率高低影響著電機效率的好壞[17]。根據(jù)試驗中得到的二次退火前后無取向硅鋼的μ-B曲線,二次退火后,無取向硅鋼磁感應(yīng)強度在1.6 T以下的磁導(dǎo)率明顯高于二次退火前,且采用高Al成分體系的無取向硅鋼明顯優(yōu)于其他兩個成分體系。

綜上所述,無取向硅鋼二次退火后,鐵損快速下降,磁感雖略有下降,但低磁場強度下的磁性能顯著提高。采用高Al成分體系的無取向硅鋼制成鐵芯并進行二次退火,磁性能提升最明顯,電機工作磁感區(qū)間內(nèi)的磁導(dǎo)率更高,裝配成電機后,電機性能優(yōu)異。因此,高Al成分體系的無取向硅鋼更適用于生產(chǎn)壓縮機電機。

4 結(jié)論

1) 二次退火后無取向硅鋼磁性能的提升潛力與無取向硅鋼的成分體系有關(guān),與成品退火溫度無關(guān)。高Al成分體系的無取向硅鋼二次退火后晶粒更易長大,平均晶粒尺寸能夠達到159 μm,鐵損P1.5/50下降潛力最大,磁感B50與常規(guī)成分體系的無取向硅鋼維持同一水平,磁性能最優(yōu)。

2) 二次退火能夠顯著提高無取向硅鋼在低磁場強度下的磁感應(yīng)強度,進而提升無取向硅鋼在低磁場強度下的磁導(dǎo)率,同時,無取向硅鋼在磁感應(yīng)強度0～1.6 T范圍內(nèi)的磁導(dǎo)率也有明顯的提升。二次退火后無取向硅鋼的磁性能更優(yōu)。

3) 高Al成分體系的無取向硅鋼因其二次退火后磁性能提升最明顯,電機工作磁感區(qū)間內(nèi)的磁導(dǎo)率更高,所以更適用于生產(chǎn)壓縮機電機。