热处理过程中施加磁场对无取向电工钢板磁性能的作用

为了有效改善无取向电工钢板的磁性能，在磁场中运用热处理工艺，由此对晶体取向进行控制。热处理温度分别控制在1023K、1123K和1273K。热处理过程中施加的磁场方向与钢板试样的轧制方向平行。磁通密度的最大值为10T。磁场中的试样在1123K或更高温度条件下进行热处理，伴随着织构的改变，这些试样在磁性能上也呈现出了明显的改变。即便是没有施加磁场，热处理也可以加快晶粒长大，铁损减小，而且磁导率在低励磁条件下也有所改善。不过，在磁通密度大于或等于1.6T的条件下，磁导率降低。本研究中，在热处理的冷却阶段运用强磁场就可以进一步减小铁损。同时发现，在热处理整个过程中施加磁场，也就是说，加热和冷却的整个过程，此举可以抑制晶粒长大，增大铁损，同时降低磁导率。

 

1前言

 

时至今日，全球范围内都迫切需要高效利用能量，特别是缩小旋转电机（以下简称“电动机”）的尺寸，提升其效率。众所周知，目前电动机在总用电量上依旧占据了较大比例。电动机的效率是由国际电工委员会（IEC）标准所规定的，而且效率等级是从IE1（标准效率）到IE3（超高效率）进行定义的。可以预计，未来高效电动机的需求还将进一步增大。为了满足这种需求，业内一直在致力于提升电动机的效率，同时降低能耗，也就是说，应该充分考虑铁芯损耗的问题。通常来说，在铁芯加工过程中，由于受到残余应力的影响，铁损就会增大，从而降低磁性能。在不改变铁芯材料的前提下，为了减少铁损，就迫切需要减小或者利用残余应力。

 

消除应力退火（strainrelief annealing）就是一种减小残余应力的有效方法。在无取向电工钢中，在约1020K的温度条件进行热处理，对于加工应变所造成的磁性能下降就可以有所改善。不过，消除应力退火同时还会造成材料的织构改变，在电工钢板晶面上就会出现一种基于磁晶各向异性的难磁化轴结构，从而使得在磁通密度大于或等于1.5T的条件下，磁性能降低。在此情况之下，不太可能采用单纯的热处理工艺改善材料的磁性能。因此，本研究对磁场中的热处理进行了研究，此举可以在热处理过程中控制磁性材料的织构。

 

众所周知，在磁场条件下进行热处理可以改善磁性材料的磁性能。此外，有文献报道指出，借助这种热处理工艺可以控制材料的织构。不过，对于磁场条件进行热处理之后，无取向电工钢板在交流励磁作用下的磁性能，相关的详细报道却并不多。而且业内对于这种现象的详细机理并未充分理解，与之对应的工业应用也鲜有报道。本研究选用了商用的电磁钢板，探究了磁场热处理试样在交流励磁作用下的磁性能。在此前的研究中，由于受到热处理设备的结构限制，并不能制备出理想尺寸的试样，仅仅是进行了定性讨论。随后，对形状受限试样的定量评价方法进行了研究，在热处理过程中，运用小型单片测试仪（SST）对磁场方向下的磁性能进行了测定。本研究中，在热处理过程中，对有/无磁场条件下的磁性能进行了比较，确定了磁性能与温度和磁场等热处理条件的定量关系。

 

2 试验方法和设备

 

2.1磁场中的热处理设备

 

该磁场热处理设备由以下备件组成：一个内径100mm的超导磁体（10T-CSM），一个石英玻璃管（外径14mm，内径12mm，一端是封闭的），该石英玻璃管被插入到一个电炉中（外径50mm，内径22mm），在涡轮分子泵的作用下，该结构可以卸压至低于10-3Pa。将无取向电工钢板50A470（JIS C2552）通过放电加工（Electrical Discharge Machining，EDM）制备出尺寸为10mm×50mm的试样，采用石英玻璃夹持夹具将试样放置于石英玻璃管的磁场中心，从而实现磁场方向与试样的纵向平行，因此，可以在试样定位处充分确保热处理的磁场均匀性。采用Pt-Rh热电偶测定试样周围的温度。

 

在本试验中，试样以T/t1=500K/h的速率升到设置的温度，达到设置温度之后，试样保温（t2-t1）=1h，随后以T/（t3-t2）=100K/h的速率冷却至室温。在整个加热和冷却循环过程中，磁场维持振幅恒定，直至试样冷却至室温。

 

2.2小型单片测试仪（SST）

 

直径为1.0mm的聚酯铜丝（PEW）作为励磁线圈，在环氧树脂绕组框架上缠绕的匝数为380圈，将放电加工而成的20片电工钢板（50A470）试样作为磁轭，层压并粘附于纸面方向上，直至厚度大于或等于10mm。通过运用叠层磁轭，防止漏磁并减少涡流的产生。放电加工而成的电工钢板（50A470）试样尺寸为10mm×50mm，轧制方向是试样的纵向。为了测定50Hz交变磁性，位于励磁线圈中心部位的试样在纵向上通过交变磁通量激励。该系统中可以完成反馈控制，从而确保试样的正弦磁通密度波形。磁通量探测线圈（B线圈）缠绕在试样中心部位的匝数为3圈，从而检测出磁通密度B。磁场强度H由分流电阻检测到的激励电流计算而来。有效磁路长度l由磁轭内径（40mm）所决定。基于上述条件，对多个试样进行多次测定，将平均值作为测定结果。

 

3试验结果与讨论

 

3.1热处理温度的作用

 

为了深入理解在磁场中进行热处理对电工钢板磁性能的作用，首先在没有磁场的条件下进行了热处理，而用于比较的热处理温度分别为1023K、1123K和1273K。试样以330K/h的加热速率进行加热，并保温1h，随后以100K/h的冷却速率冷却至室温。尽管热处理温度不同，但均采用相同的冷却速率和加热速率。在各热处理温度下制备而成的试样的铁损测定结果可以发现，与热处理之前的试样相比，试样在所有条件下的铁损均减小。