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取向硅钢绝缘涂层对铁芯损耗的实验研究结果分

发布时间:2018-08-06 09:31      浏览次数:
1、取向硅钢绝缘涂层结构分析
    用场发射电子探针观察取向硅钢表面的截面结构并进行成分分析 ,结果如图 1 和图 2 所示. 由图可见 ,钢板基体以外涂层可以分成两层 ,即表面磷酸盐张力涂层和与基体结合的硅酸镁底层 ,两层之间有较少量的过渡层 ,为张力涂层在硅酸镁底层表面的渗透层. 与硅钢基体结合的硅酸镁底层的厚度为017~110μm ,磷酸盐张力涂层的厚度为 1μm 左右.从图 2 中可以看出 ,Mg 成分的变化与硅酸镁底层的厚度基本一致. 硅酸镁底层在基体中有嵌入部分 ,在涂层的结合处 Fe 的成分界限非常明显 ,没有扩散层和渗透层 ,说明取向硅钢表面涂层结构与基体之间是通过硅酸镁底层在基体中的嵌入方式结合的.
取向硅钢表面涂层截面的 SEM 照片
取向硅钢表面涂层的成分分布
    图 3 和图 4 为用透射电镜对取向硅钢表面涂层的截面进行观察的结果. 图 3 显示结果与电子探针观察的结果相同 ,表面磷酸盐张力涂层和靠近钢基的硅酸镁底层为致密层 ,中间为表面磷酸盐涂层与硅酸镁底层的互扩散层. 图 4 结果表明 ,靠近钢基的 Mg2SiO4 底层明显晶化 ,晶体之间结合比较致密 ,晶粒尺寸为 015~110μm ,与硅酸镁底层的厚度非常接近 ,部分 Mg2SiO4 底层嵌入钢基中 ,使涂层与钢基结合牢固.
取向硅钢表面涂层截面的 TEM 照片
硅酸镁底层截面的 TEM 照片

2、硅酸镁涂层的表面形貌和物相分析
    直接在生产现场截取高温退火后试样 ,采用扫描电镜观察硅酸镁底层的形貌 ,并采用 X 射线衍射仪分析其物相组成 ,结果如图 5 和图 6 所示. 从图 5可以看出 ,硅酸镁底层比较致密. 由图 6 可见 ,硅酸镁底层主要物相组成为 Mg2SiO4 、β- Mg2SiO4 和MgO ,主要是 SiO2 和 MgO 的反应物 ,没有 Fe 及其化合物.
硅酸镁底层表面的 SEM 照片
硅酸镁底层的 XRD 图谱

3、取向硅钢涂层结构对铁损的影响
    取取向硅钢试样 ,采用熔融氢氧化钠去掉表面磷酸盐涂层 , 10 %盐酸酸洗后 ,在 3 % HF + 97 %H2O2 抛光液中进行抛光处理 ,并测量每个阶段的铁损 ,结果如表 2 所示. 从表 2 中可以看出 ,与带磷酸盐的成品样相比 ,去掉该层后 ,铁芯损耗大幅度增加 ,达 9 %左右 ,这主要是由于磷酸盐涂层热膨胀系数较小 ,可以对基体施加一个张力作用 ,张力可以细化磁畴 ,从而显著降低铁损. 去除磷酸盐涂层后 ,铁损升高 ,经酸洗和抛光后 ,铁损又大幅度降低 ,酸洗抛光后消除了硅酸镁底层嵌入基体的钉扎结构 ,该钉扎结构影响表面磁化过程 ,对铁芯损耗有较大影响.
带不同涂层结构的取向硅钢板材铁损
    不同抛光量下铁损的变化情况如图 7 所示. 从图中可以看出 ,不同抛光量下 ,铁损的变化不大 ,说明铁损的改善主要来源于去掉硅酸镁底层 ,该底层的结构对铁芯损耗影响显著.

    取向硅钢表面绝缘涂层主要由两部分组成:硅酸镁底层和表面磷酸盐张力涂层. 硅酸镁底层中的Si 来源于基体氧化产生的 SiO2 薄膜 ,Mg 来源于表面涂敷的 MgO 涂层 ,在高温退火处理过程中发生2MgO + SiO2 Mg2SiO4 的固相烧结反应. 硅酸镁底层在基体上是嵌入结构 ,基体和硅酸镁底层界限非常明显 ,没有扩散层和过渡层 ,说明基体与硅酸镁底层的结合不是冶金结合 ,而是底层嵌入式机械结合 ,结合力来自于晶体在基体表面致密排列程度、底层在基体中的嵌入程度 ,嵌入程度越高 ,越有利于涂层附着性能的改善. 但是 ,从铁损的角度看 ,底层在基体的嵌入程度在磁化过程中会影响磁畴的畴壁移动 ,从而在一定程度上恶化铁损. 因此 ,为了获得良好的性能 ,硅酸镁底层在基体的嵌入程度要少 ,同时要获得良好的附着性 ,必须在表面形成细小排列致密的硅酸镁晶体. 表面张力涂层与硅酸镁底层的结合是渗透结合 ,是一种非晶态玻璃膜结构 ,通过张力作用在一定程度上改善取向硅钢的磁性能.
不同抛光量下铁损的变化

实验结论
    (1) 取向硅钢表面绝缘涂层主要由硅酸镁底层和表面磷酸盐张力涂层两部分组成 ,每层的厚度约为 1μm. 硅酸镁底层结晶完整 ,晶粒之间结合致密.硅酸镁底层与基体结合主要是靠硅酸镁的嵌入式结构实现. 磷酸盐涂层与硅酸镁底层之间有一定的互扩散层.
    (2) 磷酸盐涂层可以降低取向硅钢铁损达 9 %左右. 硅酸镁底层的嵌入式结构提供绝缘涂层良好附着性的同时 ,也对取向硅钢铁芯损耗产生不利影响.