陳 祥，林 媛，張文康

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心，太原 030003）

引言

硅鋼作為制造變壓器及電機(jī)鐵芯的重要磁性材料，其制造技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量是衡量一個(gè)國(guó)家特殊鋼生產(chǎn)水平和科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一[1]。硅鋼在沖裁加工成鐵芯的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和局部塑性變形、晶格變化及磁疇被破壞，最終導(dǎo)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(jìn)行熱處理，常用的熱處理工藝包括消除應(yīng)力退火和發(fā)藍(lán)[4]。消除應(yīng)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(fā)藍(lán)是通過(guò)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(fā)藍(lán)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(jù)鐵芯的使用要求，大部分壓縮機(jī)用戶對(duì)硅鋼片采用“退火+發(fā)藍(lán)”的熱處理工藝。某知名壓縮機(jī)廠家制造加工鐵芯的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)退火的鐵芯沒(méi)有出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，而退火后的鐵芯粘結(jié)程度卻明顯升高。在以往的研究文獻(xiàn)中，很少專門(mén)針對(duì)消除應(yīng)力退火后鐵芯粘結(jié)改善方法進(jìn)行研究。本研究通過(guò)試驗(yàn)及微觀分析，找到了消除應(yīng)力退火后粘結(jié)的原因，并提出了改善措施。對(duì)沖裁毛刺、力學(xué)強(qiáng)度、表面涂層厚度、表面粗糙度、消除應(yīng)力退火溫度及氣氛等方面對(duì)其粘結(jié)程度的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以期為其解決熱處理后粘結(jié)問(wèn)題提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)材料及退火工藝

選擇國(guó)內(nèi)某鋼廠DW80無(wú)取向硅鋼作為研究對(duì)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(wú)毛刺；實(shí)驗(yàn)室模擬退火+發(fā)藍(lán)工藝進(jìn)行試驗(yàn)，表1為高溫箱式爐中退火+發(fā)藍(lán)工藝。

表1 退火發(fā)藍(lán)工藝

1.2 性能測(cè)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)試鐵芯的磁性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 毛刺大小對(duì)熱處理后粘結(jié)程度的影響

圖1為有無(wú)毛刺硅鋼片消除應(yīng)力退火后粘結(jié)情況。從圖1可見(jiàn)，退火后有毛刺試樣出現(xiàn)了粘片現(xiàn)象，而無(wú)毛刺試樣未出現(xiàn)此現(xiàn)象。粘結(jié)主要發(fā)生在樣片邊部，表明粘結(jié)是邊緣毛刺退火時(shí)相互勾連所致。

圖1 退火后粘結(jié)情況

2.2 涂層厚度對(duì)熱處理后粘結(jié)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(xiàn)整體較完整，但出現(xiàn)小面積裂紋，其原因是隨著退火溫度的升高，涂層中有機(jī)成分發(fā)生了分解，涂層結(jié)構(gòu)發(fā)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(guò)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(jī)復(fù)合材料為主；涂層的表面微觀形貌與涂料物理性質(zhì)、固化工藝有關(guān)。

表2 不同涂層厚度的表面EDS能譜

消除應(yīng)力退火后A涂層硅鋼片沒(méi)有出現(xiàn)粘結(jié)，而B(niǎo)涂層硅鋼有40%粘結(jié)；由于硅鋼絕緣涂層本身無(wú)防粘連的物質(zhì)，且涂層非常薄，增大了硅鋼片結(jié)合力[6]，最終導(dǎo)致熱處理后粘結(jié)嚴(yán)重；表明在一定的范圍之內(nèi)，適當(dāng)增大涂層厚度，有利于改善熱處理后粘結(jié)現(xiàn)象。

2.3 表面粗糙度對(duì)熱處理后粘結(jié)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(jié)程度。退火后表面粗糙度Ra為0.243 μm有60%粘結(jié)，Ra為0.298 μm有40%粘結(jié)，Ra為0.351 μm有20%粘結(jié)，Ra為0.443 μm有60%粘結(jié)。表明在一定的范圍內(nèi)，隨著表面粗糙度增大，熱處理后粘結(jié)程度減小。超過(guò)了正常范圍，熱處理后粘結(jié)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(jié)程度

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(kuò)散容易，在高溫退火條件下易產(chǎn)生面粘結(jié)[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(jié)合阻力，越有利于避免粘結(jié)。但試驗(yàn)表明，隨著表面粗糙度的增加，對(duì)粘結(jié)的控制可能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此不能過(guò)大地提高原始表面粗糙度[8]，無(wú)取向硅鋼酸軋后表面粗糙度Ra正?？刂圃?.30 μm～0.40 μm之間。

2.4 退火氣氛對(duì)熱處理后粘結(jié)程度的影響

表3為退火階段的爐內(nèi)氣氛。退火后發(fā)現(xiàn)，50% N2+50%空氣氣氛下100%粘結(jié)，粘結(jié)非常嚴(yán)重；100% N2氣氛下有40%出現(xiàn)粘結(jié)，而25% H2+75% N2氣氛下幾乎無(wú)粘結(jié)現(xiàn)象。粘結(jié)是在高溫狀態(tài)下鋼板層與層間原子相互滲透的結(jié)果，由于存在氧化性氣氛，鋼板在退火爐中將會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)過(guò)程使緊緊壓合在一起的鋼板焊合形成粘結(jié)。因此，適當(dāng)降低氧化性氣氛的比例，有利于降低熱處理后粘結(jié)程度。隨著退火氧化氣氛比例增加，消除應(yīng)力退火后粘結(jié)程度增加。

表3 退火階段的氣氛

2.5 退火溫度對(duì)熱處理后粘結(jié)程度的影響

表4列出了消除應(yīng)力退火的三種不同溫度及氣氛。退火后發(fā)現(xiàn)退火溫度為780℃的有80%粘結(jié)，粘結(jié)嚴(yán)重；而退火溫度為720℃的僅有20%粘結(jié)，粘結(jié)較輕。硅鋼沖片后在消除應(yīng)力退火過(guò)程中由于熱效應(yīng)，在突出的毛刺獲得熱量最多，經(jīng)過(guò)高溫后，沖裁周邊的毛刺被鈍化，消除應(yīng)力溫度越高，鈍化越嚴(yán)重，粘結(jié)程度越嚴(yán)重。試驗(yàn)表明隨著退火溫度的升高，消除應(yīng)力退火后粘結(jié)程度增加。

表4 退火階段的氣氛與溫度

2.6 硅鋼力學(xué)強(qiáng)度對(duì)熱處理后粘結(jié)程度的影響

選擇兩種不同力學(xué)強(qiáng)度的硅鋼片按780℃“消除應(yīng)力退火+發(fā)藍(lán)”工藝進(jìn)行熱處理。退火后P1.25/50鐵損檢測(cè)結(jié)果如表5所示。從表5可見(jiàn)，屈服強(qiáng)度為245 MPa的硅鋼片熱處理后鐵損值穩(wěn)定，合格率為100%；而屈服強(qiáng)度為210 MPa的硅鋼片熱處理后鐵損波動(dòng)大，合格率僅為20%，但鐵損不合格的鐵芯經(jīng)過(guò)磕碰后，鐵芯的鐵損均合格。鐵芯經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力退火后，由于邊緣毛刺較大，退火后邊緣毛刺發(fā)生相互勾連，鐵芯的渦流損耗增大，最終出現(xiàn)鐵損超差。磕碰后邊緣毛刺分開(kāi)，降低了鐵芯的渦流損耗。一般而言，相同牌號(hào)鋼板強(qiáng)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(jié)越嚴(yán)重。

表5 780℃退火后P1.25/50鐵損對(duì)比

3 結(jié)論

（1）沖裁后的鐵芯經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力退火發(fā)藍(lán)處理后，邊緣毛刺退火時(shí)相互勾連，出現(xiàn)了不同程度的粘結(jié)現(xiàn)象。

（2）在一定范圍內(nèi)，粘結(jié)程度隨著表面粗糙度增大而減?。怀^(guò)其范圍，粘結(jié)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(jié)越嚴(yán)重。

（3）隨著退火氧化氣氛比例及退火溫度升高，消除應(yīng)力退火后粘結(jié)程度增加。

（4）一般而言，相同牌號(hào)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(jié)越嚴(yán)重。