賈志偉 李 莉 柳金龍 張海利

（1.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；2.東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

取向硅鋼作為變壓器鐵芯制造材料，其低鐵損對(duì)降低變壓器能耗極其重要。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷完善，高磁感取向硅鋼晶粒取向度已逐漸接近極限，而進(jìn)一步減薄鋼板厚度會(huì)大幅提高生產(chǎn)成本和技術(shù)難度［1-2］。取向硅鋼成品板中二次晶粒粗大導(dǎo)致磁疇寬度較大、反常渦流損耗增高，磁疇細(xì)化技術(shù)就是通過(guò)減小取向硅鋼主疇寬度來(lái)降低其反常渦流損耗的物理處理方法［3-6］。激光刻痕是一種降低取向硅鋼鐵損的有效方法，具有降低鐵損效果明顯、加工速度快、加工穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)［7-10］。影響取向硅鋼刻痕效果的因素很多，如果兼顧取向硅鋼晶粒取向與尺寸以及激光刻痕參數(shù)等因素的綜合影響，總鐵損降幅可達(dá)10%～15%，應(yīng)依據(jù)不同規(guī)格、性能水平和組織特征選擇合理的刻痕工藝，以保障優(yōu)良的刻痕性能［11-13］?；诖?，本文以27AG100高磁感取向硅鋼為研究對(duì)象，在計(jì)算其晶粒尺寸與磁疇關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)激光刻痕試驗(yàn)研究了初始組織、磁性能對(duì)細(xì)化磁疇、降低鐵損的影響，為激光刻痕工藝參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

選取鞍鋼生產(chǎn)的27AG100高磁感取向硅鋼，規(guī)格為30 mm×300 mm，經(jīng)820℃ ×24 h去應(yīng)力退火。試樣經(jīng)鑲嵌、研磨和拋光，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡觀察組織。采用DPL-500型半導(dǎo)體激光刻痕機(jī)進(jìn)行刻痕試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1所示。采用MPG100交直流磁性能測(cè)量?jī)x測(cè)試刻痕前后試樣的磁性能，并用BM-DV90磁疇觀測(cè)儀觀察不同初始狀態(tài)試樣的刻痕磁疇細(xì)化程度。

表1 激光刻痕工藝參數(shù)Table 1 Parameters of laser scribing process

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 最佳晶粒尺寸與磁疇寬度的關(guān)系

鐵損由磁滯損耗、渦流損耗和反常損耗組成，其計(jì)算公式為［14］：

式中：γ為疇壁能；C11為彈性常數(shù)；λ100為磁致伸縮系數(shù)；D為取向硅鋼基體密度；ρ為電導(dǎo)率；f、Bm為正弦磁感的頻率和峰值磁感；L為磁疇寬度；d為試樣厚度。

根據(jù)最小極值原理，Pt對(duì)L求偏導(dǎo)，令?Pt/?L＝0，得出最佳磁疇寬度：

磁疇寬度Lc與晶粒尺寸lc關(guān)系為：

根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算得到試驗(yàn)取向硅鋼磁疇寬度、晶粒尺寸與鐵損之間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，取向硅鋼刻痕后的最低鐵損（平衡點(diǎn)）為0.93 W/kg，相應(yīng)晶粒尺寸和磁疇寬度分別為5.480、0.173 mm；在鐵損為0.95 ～1.00 W/kg、晶粒尺寸為10～15 mm范圍內(nèi)，理論鐵損降幅可達(dá)2% ～7%，且刻痕前磁性能越接近平衡點(diǎn)，鐵損降幅越有限。

圖1 取向硅鋼磁疇寬度、晶粒尺寸與鐵損之間的關(guān)系Fig.1 Variation of grain size and iron loss with magnetic domain width for the oriented silicon steel

2.2 初始組織對(duì)鐵損降幅的影響

激光刻痕通過(guò)在基體表面形成位錯(cuò)實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化，且晶粒尺寸越接近平衡點(diǎn)，鐵損降幅越大。取向硅鋼二次再結(jié)晶組織如圖2所示，二次晶粒特征統(tǒng)計(jì)及刻痕前后磁性能如表2所示。

圖2 取向硅鋼的二次再結(jié)晶組織Fig.2 Secondary recrystallized microstructures for the oriented silicon steel

表2 取向硅鋼成品晶粒尺寸和刻痕前后磁性能Table 2 Grain size and magnetic properties of the finished oriented silicon steel before and after scribing

圖3為二次晶粒尺寸對(duì)鐵損降幅的影響。隨著二次晶粒尺寸的增加，鐵損降幅增加。其中二次晶粒尺寸為9.8 mm的1號(hào)試樣鐵損降幅為8.07%，二次晶粒尺寸為14.28 mm的3號(hào)試樣鐵損降幅則升高至9.76%。相比較，二次晶粒尺寸最大的4號(hào)試樣鐵損降幅略有減小，其原因?yàn)?號(hào)試樣晶粒尺寸分布相對(duì)不均勻，其相對(duì)細(xì)小的晶粒對(duì)磁疇細(xì)化的阻礙作用較大。

圖3 二次再結(jié)晶晶粒尺寸對(duì)鐵損降幅的影響Fig.3 Effect of secondary recrystallized grain size on iron loss reduction

圖4為2號(hào)、4號(hào)刻痕試樣的磁疇形貌。對(duì)比可見(jiàn)，2號(hào)試樣的磁疇相對(duì)致密、均勻，而4號(hào)試樣部分區(qū)域的磁疇相對(duì)散亂，部分區(qū)域的磁疇細(xì)化效果優(yōu)于2號(hào)試樣。這是由于4號(hào)試樣的二次晶粒尺寸較大，其大晶粒區(qū)域的磁疇細(xì)化作用較強(qiáng)，而小晶粒對(duì)磁疇細(xì)化的阻礙作用導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的磁疇相對(duì)松散。

圖4 2號(hào)和4號(hào)刻痕試樣磁疇特征Fig.4 Characteristics of magnetic domains of the scribed samples No.2 and No.4

綜上所述，大尺寸晶粒會(huì)使更多刻線(xiàn)遠(yuǎn)離晶界區(qū)域，從而削弱晶界對(duì)磁疇長(zhǎng)大的阻礙作用，并且閉合疇更容易貫穿刻痕線(xiàn)，有利于磁疇細(xì)化。對(duì)于組織均勻度較差的試樣，磁疇細(xì)化區(qū)域較少，不利于鐵損降低。細(xì)晶區(qū)與組織不均勻度對(duì)磁疇細(xì)化的作用相似，不僅影響磁疇細(xì)化，而且大量晶界會(huì)阻礙非細(xì)晶區(qū)磁疇貫穿。不同細(xì)晶區(qū)面積比例試樣的二次再結(jié)晶組織如圖5所示，晶粒特征統(tǒng)計(jì)和刻痕前后磁性能如表3所示?？梢?jiàn)5號(hào)細(xì)晶試樣的鐵損降幅為7.05%，6號(hào)無(wú)細(xì)晶試樣的鐵損降幅為9.40%，7號(hào)細(xì)晶試樣的鐵損降幅為9.04%，8號(hào)無(wú)細(xì)晶試樣的鐵損降幅為10.29%。因此，細(xì)晶區(qū)面積越大、數(shù)量越多，磁疇細(xì)化效果越差，刻痕后鐵損降幅減小。

圖5 不同細(xì)晶區(qū)面積比例試樣的二次再結(jié)晶組織Fig.5 Secondary recrystallized microstructures for the samples with different area proportions of fine grains

表3 不同細(xì)晶區(qū)面積比例試樣的晶粒特征和刻痕前后磁性能Table 3 Grain size characteristics and magnetic properties of the oriented silicon steels with different area proportions of fine grains before and after scribing

2.3 初始性能對(duì)鐵損降幅的影響

對(duì)晶粒尺寸與磁疇寬度關(guān)系的分析發(fā)現(xiàn)，初始鐵損高的取向硅鋼片刻痕后鐵損降幅也高。不同初始磁性能試樣的二次再結(jié)晶組織如圖6所示，晶粒特征統(tǒng)計(jì)和刻痕前后磁性能如表4所示。

圖6 不同初始磁性能試樣的二次再結(jié)晶組織Fig.6 Secondary recrystallized microstructures for the samples with different initial magnetic properties

表4 不同初始磁性能試樣的晶粒特征和刻痕前后磁性能Table 4 Grain size characteristics and magenetic properties of the oriented silicon steels with different initial magnetic properties before and after scribing

圖7為不同初始性能與刻痕鐵損降幅之間的關(guān)系。由圖7（a）可知，在磁感強(qiáng)度相近條件下，鐵損降幅隨初始鐵損的升高而增大。其主要原因是在相同工藝條件下，初始鐵損較低的試樣晶粒尺寸較大，磁疇細(xì)化程度更高，相應(yīng)鐵損降幅較大。圖7（b）表明，鐵損降幅隨初始磁感強(qiáng)度升高而增大，最高鐵損降幅可達(dá)10.29%，相應(yīng)磁感強(qiáng)度為1.931 T。根據(jù)文獻(xiàn)［9］，磁感強(qiáng)度越高，取向度越高，刻痕后反向閉合磁疇全部長(zhǎng)大并貫穿未刻痕區(qū)域，相同工藝下的刻痕效果越好。

圖7 初始磁性能對(duì)鐵損降幅的影響Fig.7 Effect of initial magnetic properties on iron loss reduction

圖8為不同初始鐵損、磁感強(qiáng)度的試樣刻痕后的磁疇形貌?？梢?jiàn)鐵損、磁感強(qiáng)度較低的試樣刻痕后磁疇間距相對(duì)松散、細(xì)化效果較差。結(jié)合表5及圖7發(fā)現(xiàn)，磁性能較優(yōu)試樣的二次晶粒較完整，其平均晶粒尺寸較大且均勻，因此刻痕后磁疇寬度大、細(xì)化效果較好。

圖8 不同初始磁性能試樣刻痕后的磁疇形貌特征Fig.8 Characteristics of magnetic domains of the samples with different initial magnetic properties after scribing

3 結(jié)論

（1）27AG100取向硅鋼刻痕后理論鐵損降幅可達(dá)2% ～7%，且刻痕前磁性能越接近平衡點(diǎn)，鐵損降幅越有限。

（2）二次再結(jié)晶晶粒平均尺寸大、均勻度好的組織有利于閉合疇貫穿刻痕線(xiàn)，提高磁疇細(xì)化效果，最高鐵損降幅可達(dá)10.29%，并在少量細(xì)晶存在的條件下，鐵損降幅減小2%左右。

（3）在磁感強(qiáng)度相近條件下，鐵損高的試樣二次再結(jié)晶晶粒尺寸大，晶界對(duì)磁疇細(xì)化的阻礙小，鐵損降幅大；磁感強(qiáng)度高的試樣磁疇寬度大、細(xì)化效果好，鐵損降幅大。