无取向硅钢消除应力退火后粘结影响因素研究

陈 祥，林 媛，张文康

（山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心，太原 030003）

引言

硅钢作为制造变压器及电机铁芯的重要磁性材料，其制造技术和产品质量是衡量一个国家特殊钢生产水平和科技发展水平的重要标志之一[1]。硅钢在冲裁加工成铁芯的过程中，会产生应力和局部塑性变形、晶格变化及磁畴被破坏，最终导致磁性能恶化[2,3]。为提高冲裁后铁芯的磁性能，一般需要进行热处理，常用的热处理工艺包括消除应力退火和发蓝[4]。消除应力退火温度较高，一般在730℃～820℃之间，退火气氛分为中性气氛、氧化性气氛、还原性气氛三种。发蓝是通过高温使硅钢断面形成一层致密的三氧化二铁的氧化膜，提高其绝缘性能，降低铁芯的涡流损耗。发蓝温度较低，一般不高于560℃，为氧化性气氛，通常通入水蒸气[5]。

根据铁芯的使用要求，大部分压缩机用户对硅钢片采用“退火+发蓝”的热处理工艺。某知名压缩机厂家制造加工铁芯的过程中发现，未经退火的铁芯没有出现粘结现象，而退火后的铁芯粘结程度却明显升高。在以往的研究文献中，很少专门针对消除应力退火后铁芯粘结改善方法进行研究。本研究通过试验及微观分析，找到了消除应力退火后粘结的原因，并提出了改善措施。对冲裁毛刺、力学强度、表面涂层厚度、表面粗糙度、消除应力退火温度及气氛等方面对其粘结程度的影响进行了系统研究，以期为其解决热处理后粘结问题提供依据。

1 试验材料及测试方法

1.1 试验材料及退火工艺

选择国内某钢厂DW80无取向硅钢作为研究对象，试样厚度为0.5 mm，剪切成150 mm×30 mm×0.5 mm，将其分为2组，其中1组将边部打磨成无毛刺；实验室模拟退火+发蓝工艺进行试验，表1为高温箱式炉中退火+发蓝工艺。

表1 退火发蓝工艺

1.2 性能测试方法

采用OLS4100激光共聚焦显微镜观察表面形貌及表面粗糙度，采用ZEISS扫描电镜观察涂层表面形貌，EDS能谱仪分析涂层表面元素。采用TCBHP-1A磁性测量系统测试铁芯的磁性能。

2 结果与讨论

2.1 毛刺大小对热处理后粘结程度的影响

图1为有无毛刺硅钢片消除应力退火后粘结情况。从图1可见，退火后有毛刺试样出现了粘片现象，而无毛刺试样未出现此现象。粘结主要发生在样片边部，表明粘结是边缘毛刺退火时相互勾连所致。

图1 退火后粘结情况

2.2 涂层厚度对热处理后粘结程度的影响

图2为两种涂层硅钢片热处理后SEM表面形貌，分别命名为A涂层和B涂层，其中A涂层的涂层厚度为0.5 μm，B涂层的涂层厚度为0.2 μm。相比B涂层，A涂层表现整体较完整，但出现小面积裂纹，其原因是随着退火温度的升高，涂层中有机成分发生了分解，涂层结构发生变化。

图2 不同涂层厚度的退火后表面形貌

表2为两种涂层元素分布情况。通过EDS能谱分析，两种涂层均为含铬涂层，主要含O、Mg、Cr等元素，涂层厚薄主要取决于Mg、Cr的含量，涂层主要以氧化镁等金属氧化物与有机复合材料为主；涂层的表面微观形貌与涂料物理性质、固化工艺有关。

表2 不同涂层厚度的表面EDS能谱

消除应力退火后A涂层硅钢片没有出现粘结，而B涂层硅钢有40%粘结；由于硅钢绝缘涂层本身无防粘连的物质，且涂层非常薄，增大了硅钢片结合力[6]，最终导致热处理后粘结严重；表明在一定的范围之内，适当增大涂层厚度，有利于改善热处理后粘结现象。

2.3 表面粗糙度对热处理后粘结程度的影响

图3为四种不同表面粗糙度的硅钢表面形貌。按照表面粗糙度Ra从小到大排列，依次为0.243 μm、0.298 μm、0.351 μm、0.443 μm。

图3 不同表面粗糙度的硅钢涂层形貌

图4为不同表面粗糙度退火后粘结程度。退火后表面粗糙度Ra为0.243 μm有60%粘结，Ra为0.298 μm有40%粘结，Ra为0.351 μm有20%粘结，Ra为0.443 μm有60%粘结。表明在一定的范围内，随着表面粗糙度增大，热处理后粘结程度减小。超过了正常范围，热处理后粘结程度随着粗糙度增大而增大。

图4 不同表面粗糙度退火后粘结程度

据相关文献报道，钢板板面光洁平滑，增加了钢带层间的贴合程度，使金属层间粒子相互扩散容易，在高温退火条件下易产生面粘结[7]。钢板表面粗糙度Ra值越大，能够提高退火钢板层与层界面原子的结合阻力，越有利于避免粘结。但试验表明，随着表面粗糙度的增加，对粘结的控制可能产生负面影响，因此不能过大地提高原始表面粗糙度[8]，无取向硅钢酸轧后表面粗糙度Ra正常控制在0.30 μm～0.40 μm之间。

2.4 退火气氛对热处理后粘结程度的影响

表3为退火阶段的炉内气氛。退火后发现，50% N2+50%空气气氛下100%粘结，粘结非常严重；100% N2气氛下有40%出现粘结，而25% H2+75% N2气氛下几乎无粘结现象。粘结是在高温状态下钢板层与层间原子相互渗透的结果，由于存在氧化性气氛，钢板在退火炉中将会发生一系列的化学反应，硅钢中的Fe和Si在高温氧化气氛下将被氧化成铁和硅的氧化物，即Fe+O2→FexOy/Si+O2→SiO2。这一化学反应过程使紧紧压合在一起的钢板焊合形成粘结。因此，适当降低氧化性气氛的比例，有利于降低热处理后粘结程度。随着退火氧化气氛比例增加，消除应力退火后粘结程度增加。

表3 退火阶段的气氛

2.5 退火温度对热处理后粘结程度的影响

表4列出了消除应力退火的三种不同温度及气氛。退火后发现退火温度为780℃的有80%粘结，粘结严重；而退火温度为720℃的仅有20%粘结，粘结较轻。硅钢冲片后在消除应力退火过程中由于热效应，在突出的毛刺获得热量最多，经过高温后，冲裁周边的毛刺被钝化，消除应力温度越高，钝化越严重，粘结程度越严重。试验表明随着退火温度的升高，消除应力退火后粘结程度增加。

表4 退火阶段的气氛与温度

2.6 硅钢力学强度对热处理后粘结程度的影响

选择两种不同力学强度的硅钢片按780℃“消除应力退火+发蓝”工艺进行热处理。退火后P1.25/50铁损检测结果如表5所示。从表5可见，屈服强度为245 MPa的硅钢片热处理后铁损值稳定，合格率为100%；而屈服强度为210 MPa的硅钢片热处理后铁损波动大，合格率仅为20%，但铁损不合格的铁芯经过磕碰后，铁芯的铁损均合格。铁芯经过消除应力退火后，由于边缘毛刺较大，退火后边缘毛刺发生相互勾连，铁芯的涡流损耗增大，最终出现铁损超差。磕碰后边缘毛刺分开，降低了铁芯的涡流损耗。一般而言，相同牌号钢板强度越低，冲片毛刺越大，冲片性越差；毛刺越大，热处理后层间粘结越严重。

表5 780℃退火后P1.25/50铁损对比

3 结论

（1）冲裁后的铁芯经过消除应力退火发蓝处理后，边缘毛刺退火时相互勾连，出现了不同程度的粘结现象。

（2）在一定范围内，粘结程度随着表面粗糙度增大而减小；超过其范围，粘结程度随着粗糙度增大而增大。表面粗糙度相同条件下，涂层越薄，粘结越严重。

（3）随着退火氧化气氛比例及退火温度升高，消除应力退火后粘结程度增加。

（4）一般而言，相同牌号钢板硬度越低，冲片毛刺越大，冲片性越差；毛刺越大，层间粘结越严重。