3.0%Si高牌号无取向电工钢磁性能及强度各向异性研究

祁 旋，裴英豪，施立发，占云高，夏雪兰，徐文祥

（马鞍山钢铁股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

引言

无取向电工钢因具有良好的电磁性能，主要应用于各种电机和变压器的铁芯以及其他电器部件的制作，属于钢铁行业中高端产品，也是电力、电子和军事工业不可缺少的软磁合金[1]。当应用于旋转电机时，理想状态是要求电工钢在不同方向的性能相同，即要求各向同性，特别是在大型水力、火力发电，对磁性能各向同性要求更高。

良好的各向同性有利于铁芯制造过程中同心度、外形尺寸控制，会减少电机运行过程中噪音（NVH值）、震动、周期性反电动势等，可以改善电机效率及使用体验，特别是新能源汽车驱动电机，良好的各向异性可减少高频下的电机噪声。但由于无取向电工钢在热轧及冷轧生产中的纵向轧制[2,3]，不可避免地产生轧制织构，导致性能呈现不同程度的各向异性，即无取向电工钢沿不同方向的性能有所不同，且不同牌号电工钢的性能各向异性也不同。通过国内外文献调研，文献[3,4]研究了低牌号电工钢磁性能的各向异性，但高牌号电工钢和力学性能的各向异性研究较少，本研究对高牌号电工钢在偏离轧向不同角度性能的分布规律进行研究，为改善高牌号电工钢的各向异性提供理论依据。

1 试验材料及方法

选择3.0%Si高牌号无取向电工钢为试验材料，其成分体系如表1所示。试样沿偏离轧向每隔10°加工爱泼斯坦方圈，每个方向加工3套，每套16片，规格为30 mm×300 mm，沿轧向每隔10°加工A50力学拉伸试样，如图1所示。

图1 方圈和拉伸试样偏离轧向不同角度取样方式

表1 试验材料化学成分

采用日本产型号为SK-300交直流磁特性测试仪检测试样磁性能，采用Zwick Z330E拉伸试验机检测试样力学性能。

2 试验结果

2.1 磁各向异性分布规律

采用SK-300交直流磁特性测试仪对3.0%Si高牌号无取向电工钢偏离轧向不同角度（0°～90°）的磁性能进行检测。图2给出了偏离轧向不同角度对应的铁损P1.5/50和磁感B50分布规律。

图2 偏离轧向不同角度的磁性能分布

由图2可以看出，试样在偏离轧向不同角度处的铁损P1.5/50和磁感B50存在差异：铁损P1.5/50在平行轧向处最小；在偏离轧向0°～60°范围内，随偏离轧向角度的增加，铁损P1.5/50增大；在偏离轧向60°～90°范围内，随着偏离轧向角度的增加，铁损有所降低；在偏离轧向60°处铁损P1.5/50达到最大。

磁感B50在平行轧向处最大；在偏离轧向0°～50°范围内，随偏离轧向角度的增加，磁感B50减小；在偏离轧向50°～90°范围内，随着偏离轧向角度的增加，磁感B50增大；在偏离轧向50°磁感B50达到最小。

电工钢的铁损PT主要包含磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe、反常损耗Pa三部分，其中磁滞损耗Ph占60%以上[5]，且在不同测试频率下，所占比例不同。图3给出了不同测试条件下偏离轧向不同角度磁滞损耗Ph所占比例的情况。从图3可看出：磁滞损耗Ph在平行轧向处所占比例最小；在偏离轧向50°处，磁滞损耗Ph所占比例最大；随着测试频率的增加，在偏离轧向相同角度方向，磁滞损耗Ph所占比例增加，且在偏离轧向不同角度分布规律基本相同。

图3 偏离轧向不同角度的磁滞损耗所占比例分布

图4给出了偏离轧向不同角度方向对应的磁导率μ1.5分布规律，由图4可看出：3.0%Si无取向电工钢在偏离轧向不同角度处的磁导率存在差异：磁导率μ1.5/50在平行轧向处最大；在偏离轧向0°～50°范围内，随偏离轧向角度的增大，磁导率μ1.5/50逐渐减小；在偏离轧向60°～90°范围内，随着偏离轧向角度的增加，磁导率逐渐增大；在偏离轧向50°处磁导率最小。

图4 偏离轧向不同角度的磁导率分布情况

电磁性能作为电工钢关注较多的性能之一，要求铁损越低、磁感和磁导率越高越好。综合3.0%Si高牌号无取向电工钢铁损、磁感和磁导率的分布情况，试样在平行轧向处性能最优，在偏离轧向50°～60°范围内磁性能最差。

表2 3.0%Si无取向电工钢磁性能

2.2 力学性能各向异性分布规律

采用Zwick Z330E拉伸试验机测试3.0%Si无取向电工钢偏离轧向0°～90°处的力学性能。图5～6给出了偏离轧向不同角度对应的屈服强度Rp0.2、抗拉强度Rm和延伸率A50的分布情况。

图5 偏离轧向不同角度的屈服强度和抗拉强度分布情况

从图5中可看出，3.0%Si无取向电工钢偏离不同角度处的屈服强度和抗拉强度沿轧向存在差异：在平行轧向处屈服强度和抗拉强度最小；在偏离轧向0°～60°范围内，随偏离轧向角度的增加，屈服强度和抗拉强度增大；在偏离轧向60°～90°范围内，随着偏离角度的增加，屈服强度和抗拉强度逐渐减小；在偏离轧向50°～60°范围内屈服强度和抗拉强度最大。从图6可看出，延伸率A50的分布规律与屈服强度和抗拉强度不同，在偏离轧向0°～70°范围内，延伸率A50基本相同，而在偏离轧向80°～90°达到最大。

图6 偏离轧向不同角度的延伸率分布情况

综合3.0%Si无取向电工钢在偏离轧向不同角度的力学性能分布情况，在平行轧向处，力学性能强度最低，在偏离轧向50°～60°范围内，力学性能强度最高。

3 分析与讨论

材料的磁性能由磁性晶体的性能决定[5,6]，冷轧无取向电工钢从连铸、热轧、冷轧至薄板，生产过程中的热轧和冷轧纵向轧制，导致产品沿轧制方向长度变化较大，垂直轧向的宽度方向基本没有变化。电工钢的这种纵向轧制导致产品中偏离轧向不同方向的磁性晶体取向分布不同，因此一般来讲无取向电工钢磁性能和力学性能在偏离轧向不同角度处均存在不同程度的各向异性，而且不同硅含量电工钢各向异性的程度和规律各不相同。

材料磁性晶体的取向分布不同决定了偏离轧向不同角度性能的差异性[7]。关于这种非线性的理论计算模型，Hutchinson W B提出[8]，对于金属立方体晶体，磁晶各向异性能Ek的计算如式（1）所示。

式中，K0、K1、K2为磁晶各向异性常数，其中K0、K2为微小常数，可以忽略不计[5]，α1，α2，α3为磁极化向量J相对于三个{100}轴的方向余弦，对于理想高斯织构，（110）平行于轧制面，[001]平行于轧向，磁极化向量的方向余弦计算如式（2）、（3）和（4）所示。

所以，磁晶的各向异性能Ek可转化为公式（5）。

结合外加磁场下铁磁晶体材料的总能量公式（6）：

假设磁化晶体的总能量等于磁晶各向异性能，由公式（1）和（6）可得出公式（7）：

饱和磁极化强度Js和各向异性常数K1与电工钢的Si、Al含量有关，公式为：

代入3.0%Si无取向电工钢Si、Al含量，计算出：

将K1和JS代入公式（7）计算出（110）面的磁场强度与偏离轧向角度的关系：

图7给出了3.0%Si无取向电工钢（110）面的磁场强度与偏离轧向不同角度的关系。

由图7可看出，3.0%Si无取向电工钢磁化过程中偏离轧向不同角度具有不同的磁性能，在平行轧向的磁化轴为最易磁化轴，而偏离轧向50°～60°范围内的磁化轴为最难磁化轴，这与本研究的实际检测结果一致。

图7 3.0%Si无取向电工钢磁场强度与偏离轧向不同角度的关系

4 结论

（1）3.0%Si无取向电工钢在平行轧向处，磁性能最优；在偏离轧向50°～60°范围内，磁性能最差。

（2）测试频率的增加，在偏离轧向相同角度方向，3.0%Si无取向电工钢磁滞损耗Ph所占比例增加，且偏离轧向不同角度分布规律基本相同。

（3）3.0%Si无取向电工钢在平行轧向处，力学性能强度最低，在偏离轧向50°～60°范围内，力学性能强度最高。

（4）3.0%Si无取向电工钢偏离轧向不同角度的磁性能分布情况与理论计算结果一致。