3.0%Si高牌號無取向電工鋼磁性能及強度各向異性研究

祁 旋，裴英豪，施立發，占云高，夏雪蘭，徐文祥

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

引言

無取向電工鋼因具有良好的電磁性能，主要應用于各種電機和變壓器的鐵芯以及其他電器部件的制作，屬于鋼鐵行業中高端產品，也是電力、電子和軍事工業不可缺少的軟磁合金[1]。當應用于旋轉電機時，理想狀態是要求電工鋼在不同方向的性能相同，即要求各向同性，特別是在大型水力、火力發電，對磁性能各向同性要求更高。

良好的各向同性有利于鐵芯制造過程中同心度、外形尺寸控制，會減少電機運行過程中噪音（NVH值）、震動、周期性反電動勢等，可以改善電機效率及使用體驗，特別是新能源汽車驅動電機，良好的各向異性可減少高頻下的電機噪聲。但由于無取向電工鋼在熱軋及冷軋生產中的縱向軋制[2,3]，不可避免地產生軋制織構，導致性能呈現不同程度的各向異性，即無取向電工鋼沿不同方向的性能有所不同，且不同牌號電工鋼的性能各向異性也不同。通過國內外文獻調研，文獻[3,4]研究了低牌號電工鋼磁性能的各向異性，但高牌號電工鋼和力學性能的各向異性研究較少，本研究對高牌號電工鋼在偏離軋向不同角度性能的分布規律進行研究，為改善高牌號電工鋼的各向異性提供理論依據。

1 試驗材料及方法

選擇3.0%Si高牌號無取向電工鋼為試驗材料，其成分體系如表1所示。試樣沿偏離軋向每隔10°加工愛潑斯坦方圈，每個方向加工3套，每套16片，規格為30 mm×300 mm，沿軋向每隔10°加工A50力學拉伸試樣，如圖1所示。

圖1 方圈和拉伸試樣偏離軋向不同角度取樣方式

表1 試驗材料化學成分

采用日本產型號為SK-300交直流磁特性測試儀檢測試樣磁性能，采用Zwick Z330E拉伸試驗機檢測試樣力學性能。

2 試驗結果

2.1 磁各向異性分布規律

采用SK-300交直流磁特性測試儀對3.0%Si高牌號無取向電工鋼偏離軋向不同角度（0°～90°）的磁性能進行檢測。圖2給出了偏離軋向不同角度對應的鐵損P1.5/50和磁感B50分布規律。

圖2 偏離軋向不同角度的磁性能分布

由圖2可以看出，試樣在偏離軋向不同角度處的鐵損P1.5/50和磁感B50存在差異：鐵損P1.5/50在平行軋向處最小；在偏離軋向0°～60°范圍內，隨偏離軋向角度的增加，鐵損P1.5/50增大；在偏離軋向60°～90°范圍內，隨著偏離軋向角度的增加，鐵損有所降低；在偏離軋向60°處鐵損P1.5/50達到最大。

磁感B50在平行軋向處最大；在偏離軋向0°～50°范圍內，隨偏離軋向角度的增加，磁感B50減小；在偏離軋向50°～90°范圍內，隨著偏離軋向角度的增加，磁感B50增大；在偏離軋向50°磁感B50達到最小。

電工鋼的鐵損PT主要包含磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe、反常損耗Pa三部分，其中磁滯損耗Ph占60%以上[5]，且在不同測試頻率下，所占比例不同。圖3給出了不同測試條件下偏離軋向不同角度磁滯損耗Ph所占比例的情況。從圖3可看出：磁滯損耗Ph在平行軋向處所占比例最小；在偏離軋向50°處，磁滯損耗Ph所占比例最大；隨著測試頻率的增加，在偏離軋向相同角度方向，磁滯損耗Ph所占比例增加，且在偏離軋向不同角度分布規律基本相同。

圖3 偏離軋向不同角度的磁滯損耗所占比例分布

圖4給出了偏離軋向不同角度方向對應的磁導率μ1.5分布規律，由圖4可看出：3.0%Si無取向電工鋼在偏離軋向不同角度處的磁導率存在差異：磁導率μ1.5/50在平行軋向處最大；在偏離軋向0°～50°范圍內，隨偏離軋向角度的增大，磁導率μ1.5/50逐漸減小；在偏離軋向60°～90°范圍內，隨著偏離軋向角度的增加，磁導率逐漸增大；在偏離軋向50°處磁導率最小。

圖4 偏離軋向不同角度的磁導率分布情況

電磁性能作為電工鋼關注較多的性能之一，要求鐵損越低、磁感和磁導率越高越好。綜合3.0%Si高牌號無取向電工鋼鐵損、磁感和磁導率的分布情況，試樣在平行軋向處性能最優，在偏離軋向50°～60°范圍內磁性能最差。

表2 3.0%Si無取向電工鋼磁性能

2.2 力學性能各向異性分布規律

采用Zwick Z330E拉伸試驗機測試3.0%Si無取向電工鋼偏離軋向0°～90°處的力學性能。圖5～6給出了偏離軋向不同角度對應的屈服強度Rp0.2、抗拉強度Rm和延伸率A50的分布情況。

圖5 偏離軋向不同角度的屈服強度和抗拉強度分布情況

從圖5中可看出，3.0%Si無取向電工鋼偏離不同角度處的屈服強度和抗拉強度沿軋向存在差異：在平行軋向處屈服強度和抗拉強度最小；在偏離軋向0°～60°范圍內，隨偏離軋向角度的增加，屈服強度和抗拉強度增大；在偏離軋向60°～90°范圍內，隨著偏離角度的增加，屈服強度和抗拉強度逐漸減小；在偏離軋向50°～60°范圍內屈服強度和抗拉強度最大。從圖6可看出，延伸率A50的分布規律與屈服強度和抗拉強度不同，在偏離軋向0°～70°范圍內，延伸率A50基本相同，而在偏離軋向80°～90°達到最大。

圖6 偏離軋向不同角度的延伸率分布情況

綜合3.0%Si無取向電工鋼在偏離軋向不同角度的力學性能分布情況，在平行軋向處，力學性能強度最低，在偏離軋向50°～60°范圍內，力學性能強度最高。

3 分析與討論

材料的磁性能由磁性晶體的性能決定[5,6]，冷軋無取向電工鋼從連鑄、熱軋、冷軋至薄板，生產過程中的熱軋和冷軋縱向軋制，導致產品沿軋制方向長度變化較大，垂直軋向的寬度方向基本沒有變化。電工鋼的這種縱向軋制導致產品中偏離軋向不同方向的磁性晶體取向分布不同，因此一般來講無取向電工鋼磁性能和力學性能在偏離軋向不同角度處均存在不同程度的各向異性，而且不同硅含量電工鋼各向異性的程度和規律各不相同。

材料磁性晶體的取向分布不同決定了偏離軋向不同角度性能的差異性[7]。關于這種非線性的理論計算模型，Hutchinson W B提出[8]，對于金屬立方體晶體，磁晶各向異性能Ek的計算如式（1）所示。

式中，K0、K1、K2為磁晶各向異性常數，其中K0、K2為微小常數，可以忽略不計[5]，α1，α2，α3為磁極化向量J相對于三個{100}軸的方向余弦，對于理想高斯織構，（110）平行于軋制面，[001]平行于軋向，磁極化向量的方向余弦計算如式（2）、（3）和（4）所示。

所以，磁晶的各向異性能Ek可轉化為公式（5）。

結合外加磁場下鐵磁晶體材料的總能量公式（6）：

假設磁化晶體的總能量等于磁晶各向異性能，由公式（1）和（6）可得出公式（7）：

飽和磁極化強度Js和各向異性常數K1與電工鋼的Si、Al含量有關，公式為：

代入3.0%Si無取向電工鋼Si、Al含量，計算出：

將K1和JS代入公式（7）計算出（110）面的磁場強度與偏離軋向角度的關系：

圖7給出了3.0%Si無取向電工鋼（110）面的磁場強度與偏離軋向不同角度的關系。

由圖7可看出，3.0%Si無取向電工鋼磁化過程中偏離軋向不同角度具有不同的磁性能，在平行軋向的磁化軸為最易磁化軸，而偏離軋向50°～60°范圍內的磁化軸為最難磁化軸，這與本研究的實際檢測結果一致。

圖7 3.0%Si無取向電工鋼磁場強度與偏離軋向不同角度的關系

4 結論

（1）3.0%Si無取向電工鋼在平行軋向處，磁性能最優；在偏離軋向50°～60°范圍內，磁性能最差。

（2）測試頻率的增加，在偏離軋向相同角度方向，3.0%Si無取向電工鋼磁滯損耗Ph所占比例增加，且偏離軋向不同角度分布規律基本相同。

（3）3.0%Si無取向電工鋼在平行軋向處，力學性能強度最低，在偏離軋向50°～60°范圍內，力學性能強度最高。

（4）3.0%Si無取向電工鋼偏離軋向不同角度的磁性能分布情況與理論計算結果一致。