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硅钢(silicon steel)

   含硅量0.5%~4.8%的铁硅合金。是电工领域广泛使用的一种软磁材料。电工用硅钢常轧制成标准尺寸的大张板材或带材使用,俗称硅钢片,广泛用于电动机、发电机、变压器、电磁机构、继电器电子器件及测量仪表中。

   硅是钢的良好脱氧剂,它与氧结合,使氧转变为稳定的不为碳还原的SiO2,避免了因氧原子掺杂而使铁的晶格畸变。硅在α铁中成为固溶体后使电阻率增加,同时有助于将有害杂质碳分离出来。因此,一般含杂质的铁加入硅后能提高磁导率、降低矫顽力和铁损。但含硅量增加又会使材料变硬变脆,导热性和韧性下降,对散热和机械加工不利,故一般硅钢片的含硅量不超过4.5%。

   硅钢片分冷轧、热轧两种,使用较多的是冷轧硅钢片。冷轧硅钢片沿轧制方向有优良的磁性能,不仅在强磁场中具有高饱和磁通密度和低铁损,而且在弱磁场中也有良好的磁性(初始磁导率大)。这是由于冷轧工艺过程使钢片中杂质含量降低,并在钢片中造成粗大晶粒,致使磁导率增大,磁滞损耗减小。

   硅钢片的主要品质特性有铁损值、磁通密度、硬度、平坦度、厚度均匀性、涂膜种类及冲片性等。以下针对各项品质特性加以说明。

1.铁损值

   硅钢片在某一特定频率的交流磁场下,磁化到特定的磁通密度时,每单位重量之硅钢片所损失的能量,称为铁损值。通常所用的交流磁场频率为50或60赫兹,而所达到的磁通密度通常为1.5或1.7特斯拉。常用的铁损值单位是每公斤或每磅硅钢片所损失的瓦特值,用Watt/kg或Watt/lb表示。硅钢片的铁损值来源包括磁滞损、涡电流损和异常涡电流损三部份。硅钢片在磁化的过程中,会产生磁滞的现象。磁滞损即为B-H磁滞曲线所包涵的面积。硅钢片的涡电流损起源于在交流变化的磁场,因法拉第定理的影响,硅钢片内部产生诱导电压,依照奥姆定律,电压在硅钢片内部引起诱导电流,进而造成硅钢片的焦耳热,这项能源损失称为涡电流损。根据古典电磁学理论,涡电流损和钢片的厚度、电阻系数、磁通密度和频率有关。而涡电流损和钢片厚度的平方成正比,和钢片的电阻系数成反比,因此,高级的硅钢片,其厚度倾向较薄,而为了提高钢片的电阻系数,则在硅钢片中添加硅、铝等元素。铁损值减去磁滞损和涡电流损后的能源损失,称为异常涡电流损。学者认为异常涡电流损是由于磁域移动和转动所引起的微观涡电流损失,因此,异常涡电流损和磁域大小有关。若硅钢片的磁域大,当磁化时,其旋转较快,微观涡电流损失增加。铁损值是硅钢片 重要的性质指标,也是各种工业标准对硅钢片分级的规格依据。铁损值愈低,表示品级愈高,其能源效率愈高。

2.磁通密度

   磁通密度是硅钢片的另一项重要的电磁特性,它表示硅钢片被磁化的难易度。在某一特定频率之磁场强度下,单位面积所通过的磁通量,称为磁通密度。通常硅钢片的磁通密度是在频率50或60赫兹,外加磁场5000A/m的条件下测得,称为B50,其单位为特斯拉(Tesla)。

磁通密度和硅钢片的集合组织、杂质、内部应力等因素有关。磁通密度直接影响到马达、变压器等电机设备的能源效率。磁通密度愈高,单位面积所通过的磁通量愈大,能源效率愈佳,因此,硅钢片的磁通密度愈高愈好,通常,规格只要求磁通密度的 值。

3.硬度

   硬度是硅钢片的品质特性之一,现代化的自动冲床进行冲片时,对硬度的要求更为严格,硬度太低时,不利于自动冲床的送料作业,同时容易产生过长的毛边,增加组装时的困难。为了满足上述需求,硅钢片的硬度必须高于某一硬度值,例如,50AI300硅钢片之硬度通常以不低于HR30T硬度值47为宜。硅钢片的硬度随着品级升高而增加,通常,高品级的硅钢片,其硅含量添加愈多,合金固溶强化的效果,使得硬度也愈高。

4.平坦度

   平坦度是硅钢片的重要品质特性。良好的平坦度有利于冲片作业和组装工作。平坦度和轧延及退火技术有直接密切的关系,提升轧延退火技术和制程有利于平坦度,例如使用连续退火裂程,其平坦度优于批式退火制程者。

5.厚度均匀性

   厚度均匀性是硅钢片一项 重要的品质特性。如果的厚度均匀性不良,钢片中央与边缘的厚度差异太大,或钢片长度方向钢片厚度变异太大,都会影响到组装后的铁心厚度。不同的铁心厚度,其导磁特性变异也大,直接影响到马达、变压器的特性,因此,硅钢片的厚度变异愈小愈好。钢片的厚度均匀性和热轧、冷轧技术与制程有密切的开系,提升轧延技术能力才能降低钢片的厚度变异量。

6.涂膜

   涂膜是硅钢片很重要的品质项目。硅钢片表面经化学涂覆处理,而附着一层薄膜,可提供绝缘、防锈和润滑的功能。绝缘性使硅钢片铁心迭片间的涡电流损失降低;防锈性避免钢片在加工、储藏过程中生锈;润滑性可改善硅钢片的冲片性及提升模具的寿命。

7.冲片性

冲片性是硅钢片很重要的品质特性之一。良好的冲片性使模具的寿命加长,降低冲片的毛边。冲片性和硅钢片的涂膜种类及硬度有直接的关系。有机型涂膜的冲片性较佳,新发展的涂膜种类,主要在改善硅钢片的冲片性。此外,钢片的硬度太低会造成较严重的毛边,不利于冲片;但硬度太高,则减少模具的寿命;因此,硅钢片的硬度必须控制在一适当范围。