初始组织和磁性能对激光刻痕处理取向硅钢铁损降幅的影响

贾志伟 李 莉 柳金龙 张海利

（1.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009；2.东北大学材料各向异性与织构教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110006）

取向硅钢作为变压器铁芯制造材料，其低铁损对降低变压器能耗极其重要。随着生产技术的不断完善，高磁感取向硅钢晶粒取向度已逐渐接近极限，而进一步减薄钢板厚度会大幅提高生产成本和技术难度［1-2］。取向硅钢成品板中二次晶粒粗大导致磁畴宽度较大、反常涡流损耗增高，磁畴细化技术就是通过减小取向硅钢主畴宽度来降低其反常涡流损耗的物理处理方法［3-6］。激光刻痕是一种降低取向硅钢铁损的有效方法，具有降低铁损效果明显、加工速度快、加工稳定性高等优点［7-10］。影响取向硅钢刻痕效果的因素很多，如果兼顾取向硅钢晶粒取向与尺寸以及激光刻痕参数等因素的综合影响，总铁损降幅可达10%～15%，应依据不同规格、性能水平和组织特征选择合理的刻痕工艺，以保障优良的刻痕性能［11-13］。基于此，本文以27AG100高磁感取向硅钢为研究对象，在计算其晶粒尺寸与磁畴关系的基础上，通过激光刻痕试验研究了初始组织、磁性能对细化磁畴、降低铁损的影响，为激光刻痕工艺参数优化提供参考。

1 试验材料与方法

选取鞍钢生产的27AG100高磁感取向硅钢，规格为30 mm×300 mm，经820℃ ×24 h去应力退火。试样经镶嵌、研磨和抛光，用体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀后，采用光学显微镜观察组织。采用DPL-500型半导体激光刻痕机进行刻痕试验，工艺参数如表1所示。采用MPG100交直流磁性能测量仪测试刻痕前后试样的磁性能，并用BM-DV90磁畴观测仪观察不同初始状态试样的刻痕磁畴细化程度。

表1 激光刻痕工艺参数Table 1 Parameters of laser scribing process

2 试验结果及分析

2.1 最佳晶粒尺寸与磁畴宽度的关系

铁损由磁滞损耗、涡流损耗和反常损耗组成，其计算公式为［14］：

式中：γ为畴壁能；C11为弹性常数；λ100为磁致伸缩系数；D为取向硅钢基体密度；ρ为电导率；f、Bm为正弦磁感的频率和峰值磁感；L为磁畴宽度；d为试样厚度。

根据最小极值原理，Pt对L求偏导，令∂Pt/∂L＝0，得出最佳磁畴宽度：

磁畴宽度Lc与晶粒尺寸lc关系为：

根据式（1）～（3）计算得到试验取向硅钢磁畴宽度、晶粒尺寸与铁损之间的关系如图1所示。由图1可知，取向硅钢刻痕后的最低铁损（平衡点）为0.93 W/kg，相应晶粒尺寸和磁畴宽度分别为5.480、0.173 mm；在铁损为0.95 ～1.00 W/kg、晶粒尺寸为10～15 mm范围内，理论铁损降幅可达2% ～7%，且刻痕前磁性能越接近平衡点，铁损降幅越有限。

图1 取向硅钢磁畴宽度、晶粒尺寸与铁损之间的关系Fig.1 Variation of grain size and iron loss with magnetic domain width for the oriented silicon steel

2.2 初始组织对铁损降幅的影响

激光刻痕通过在基体表面形成位错实现晶粒细化，且晶粒尺寸越接近平衡点，铁损降幅越大。取向硅钢二次再结晶组织如图2所示，二次晶粒特征统计及刻痕前后磁性能如表2所示。

图2 取向硅钢的二次再结晶组织Fig.2 Secondary recrystallized microstructures for the oriented silicon steel

表2 取向硅钢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

图3为二次晶粒尺寸对铁损降幅的影响。随着二次晶粒尺寸的增加，铁损降幅增加。其中二次晶粒尺寸为9.8 mm的1号试样铁损降幅为8.07%，二次晶粒尺寸为14.28 mm的3号试样铁损降幅则升高至9.76%。相比较，二次晶粒尺寸最大的4号试样铁损降幅略有减小，其原因为4号试样晶粒尺寸分布相对不均匀，其相对细小的晶粒对磁畴细化的阻碍作用较大。

图3 二次再结晶晶粒尺寸对铁损降幅的影响Fig.3 Effect of secondary recrystallized grain size on iron loss reduction

图4为2号、4号刻痕试样的磁畴形貌。对比可见，2号试样的磁畴相对致密、均匀，而4号试样部分区域的磁畴相对散乱，部分区域的磁畴细化效果优于2号试样。这是由于4号试样的二次晶粒尺寸较大，其大晶粒区域的磁畴细化作用较强，而小晶粒对磁畴细化的阻碍作用导致相应区域的磁畴相对松散。

图4 2号和4号刻痕试样磁畴特征Fig.4 Characteristics of magnetic domains of the scribed samples No.2 and No.4

综上所述，大尺寸晶粒会使更多刻线远离晶界区域，从而削弱晶界对磁畴长大的阻碍作用，并且闭合畴更容易贯穿刻痕线，有利于磁畴细化。对于组织均匀度较差的试样，磁畴细化区域较少，不利于铁损降低。细晶区与组织不均匀度对磁畴细化的作用相似，不仅影响磁畴细化，而且大量晶界会阻碍非细晶区磁畴贯穿。不同细晶区面积比例试样的二次再结晶组织如图5所示，晶粒特征统计和刻痕前后磁性能如表3所示。可见5号细晶试样的铁损降幅为7.05%，6号无细晶试样的铁损降幅为9.40%，7号细晶试样的铁损降幅为9.04%，8号无细晶试样的铁损降幅为10.29%。因此，细晶区面积越大、数量越多，磁畴细化效果越差，刻痕后铁损降幅减小。

图5 不同细晶区面积比例试样的二次再结晶组织Fig.5 Secondary recrystallized microstructures for the samples with different area proportions of fine grains

表3 不同细晶区面积比例试样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 初始性能对铁损降幅的影响

对晶粒尺寸与磁畴宽度关系的分析发现，初始铁损高的取向硅钢片刻痕后铁损降幅也高。不同初始磁性能试样的二次再结晶组织如图6所示，晶粒特征统计和刻痕前后磁性能如表4所示。

图6 不同初始磁性能试样的二次再结晶组织Fig.6 Secondary recrystallized microstructures for the samples with different initial magnetic properties

表4 不同初始磁性能试样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

图7为不同初始性能与刻痕铁损降幅之间的关系。由图7（a）可知，在磁感强度相近条件下，铁损降幅随初始铁损的升高而增大。其主要原因是在相同工艺条件下，初始铁损较低的试样晶粒尺寸较大，磁畴细化程度更高，相应铁损降幅较大。图7（b）表明，铁损降幅随初始磁感强度升高而增大，最高铁损降幅可达10.29%，相应磁感强度为1.931 T。根据文献［9］，磁感强度越高，取向度越高，刻痕后反向闭合磁畴全部长大并贯穿未刻痕区域，相同工艺下的刻痕效果越好。

图7 初始磁性能对铁损降幅的影响Fig.7 Effect of initial magnetic properties on iron loss reduction

图8为不同初始铁损、磁感强度的试样刻痕后的磁畴形貌。可见铁损、磁感强度较低的试样刻痕后磁畴间距相对松散、细化效果较差。结合表5及图7发现，磁性能较优试样的二次晶粒较完整，其平均晶粒尺寸较大且均匀，因此刻痕后磁畴宽度大、细化效果较好。

图8 不同初始磁性能试样刻痕后的磁畴形貌特征Fig.8 Characteristics of magnetic domains of the samples with different initial magnetic properties after scribing

3 结论

（1）27AG100取向硅钢刻痕后理论铁损降幅可达2% ～7%，且刻痕前磁性能越接近平衡点，铁损降幅越有限。

（2）二次再结晶晶粒平均尺寸大、均匀度好的组织有利于闭合畴贯穿刻痕线，提高磁畴细化效果，最高铁损降幅可达10.29%，并在少量细晶存在的条件下，铁损降幅减小2%左右。

（3）在磁感强度相近条件下，铁损高的试样二次再结晶晶粒尺寸大，晶界对磁畴细化的阻碍小，铁损降幅大；磁感强度高的试样磁畴宽度大、细化效果好，铁损降幅大。