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    取向硅鋼絕緣涂層對鐵芯損耗的實驗研究結果分

    作者:威博特鐵芯   發布時間:2019-03-30 15:01:21 瀏覽次數:
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    1、取向硅鋼絕緣涂層結構分析
        用場發射電子探針觀察取向硅鋼表面的截面結構并進行成分分析 ,結果如圖 1 和圖 2 所示. 由圖可見 ,鋼板基體以外涂層可以分成兩層 ,即表面磷酸鹽張力涂層和與基體結合的硅酸鎂底層 ,兩層之間有較少量的過渡層 ,為張力涂層在硅酸鎂底層表面的滲透層. 與硅鋼基體結合的硅酸鎂底層的厚度為017~110μm ,磷酸鹽張力涂層的厚度為 1μm 左右.從圖 2 中可以看出 ,Mg 成分的變化與硅酸鎂底層的厚度基本一致. 硅酸鎂底層在基體中有嵌入部分 ,在涂層的結合處 Fe 的成分界限非常明顯 ,沒有擴散層和滲透層 ,說明取向硅鋼表面涂層結構與基體之間是通過硅酸鎂底層在基體中的嵌入方式結合的.
    取向硅鋼表面涂層截面的 SEM 照片
    取向硅鋼表面涂層的成分分布
        圖 3 和圖 4 為用透射電鏡對取向硅鋼表面涂層的截面進行觀察的結果. 圖 3 顯示結果與電子探針觀察的結果相同 ,表面磷酸鹽張力涂層和靠近鋼基的硅酸鎂底層為致密層 ,中間為表面磷酸鹽涂層與硅酸鎂底層的互擴散層. 圖 4 結果表明 ,靠近鋼基的 Mg2SiO4 底層明顯晶化 ,晶體之間結合比較致密 ,晶粒尺寸為 015~110μm ,與硅酸鎂底層的厚度非常接近 ,部分 Mg2SiO4 底層嵌入鋼基中 ,使涂層與鋼基結合牢固.
    取向硅鋼表面涂層截面的 TEM 照片
    硅酸鎂底層截面的 TEM 照片

    2、硅酸鎂涂層的表面形貌和物相分析
        直接在生產現場截取高溫退火后試樣 ,采用掃描電鏡觀察硅酸鎂底層的形貌 ,并采用 X 射線衍射儀分析其物相組成 ,結果如圖 5 和圖 6 所示. 從圖 5可以看出 ,硅酸鎂底層比較致密. 由圖 6 可見 ,硅酸鎂底層主要物相組成為 Mg2SiO4 、β- Mg2SiO4 和MgO ,主要是 SiO2 和 MgO 的反應物 ,沒有 Fe 及其化合物.
    硅酸鎂底層表面的 SEM 照片
    硅酸鎂底層的 XRD 圖譜

    3、取向硅鋼涂層結構對鐵損的影響
        取取向硅鋼試樣 ,采用熔融氫氧化鈉去掉表面磷酸鹽涂層 , 10 %鹽酸酸洗后 ,在 3 % HF + 97 %H2O2 拋光液中進行拋光處理 ,并測量每個階段的鐵損 ,結果如表 2 所示. 從表 2 中可以看出 ,與帶磷酸鹽的成品樣相比 ,去掉該層后 ,鐵芯損耗大幅度增加 ,達 9 %左右 ,這主要是由于磷酸鹽涂層熱膨脹系數較小 ,可以對基體施加一個張力作用 ,張力可以細化磁疇 ,從而顯著降低鐵損. 去除磷酸鹽涂層后 ,鐵損升高 ,經酸洗和拋光后 ,鐵損又大幅度降低 ,酸洗拋光后消除了硅酸鎂底層嵌入基體的釘扎結構 ,該釘扎結構影響表面磁化過程 ,對鐵芯損耗有較大影響.
    帶不同涂層結構的取向硅鋼板材鐵損
        不同拋光量下鐵損的變化情況如圖 7 所示. 從圖中可以看出 ,不同拋光量下 ,鐵損的變化不大 ,說明鐵損的改善主要來源于去掉硅酸鎂底層 ,該底層的結構對鐵芯損耗影響顯著.

        取向硅鋼表面絕緣涂層主要由兩部分組成:硅酸鎂底層和表面磷酸鹽張力涂層. 硅酸鎂底層中的Si 來源于基體氧化產生的 SiO2 薄膜 ,Mg 來源于表面涂敷的 MgO 涂層 ,在高溫退火處理過程中發生2MgO + SiO2 Mg2SiO4 的固相燒結反應. 硅酸鎂底層在基體上是嵌入結構 ,基體和硅酸鎂底層界限非常明顯 ,沒有擴散層和過渡層 ,說明基體與硅酸鎂底層的結合不是冶金結合 ,而是底層嵌入式機械結合 ,結合力來自于晶體在基體表面致密排列程度、底層在基體中的嵌入程度 ,嵌入程度越高 ,越有利于涂層附著性能的改善. 但是 ,從鐵損的角度看 ,底層在基體的嵌入程度在磁化過程中會影響磁疇的疇壁移動 ,從而在一定程度上惡化鐵損. 因此 ,為了獲得良好的性能 ,硅酸鎂底層在基體的嵌入程度要少 ,同時要獲得良好的附著性 ,必須在表面形成細小排列致密的硅酸鎂晶體. 表面張力涂層與硅酸鎂底層的結合是滲透結合 ,是一種非晶態玻璃膜結構 ,通過張力作用在一定程度上改善取向硅鋼的磁性能.
    不同拋光量下鐵損的變化

    實驗結論
        (1) 取向硅鋼表面絕緣涂層主要由硅酸鎂底層和表面磷酸鹽張力涂層兩部分組成 ,每層的厚度約為 1μm. 硅酸鎂底層結晶完整 ,晶粒之間結合致密.硅酸鎂底層與基體結合主要是靠硅酸鎂的嵌入式結構實現. 磷酸鹽涂層與硅酸鎂底層之間有一定的互擴散層.
        (2) 磷酸鹽涂層可以降低取向硅鋼鐵損達 9 %左右. 硅酸鎂底層的嵌入式結構提供絕緣涂層良好附著性的同時 ,也對取向硅鋼鐵芯損耗產生不利影響.

     




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