取向硅鋼表面點狀露金成因研究

王琦， 閆成亮， 黃遷亮， 盧鋒崗， 白璐， 謝鵬志

（無錫普天鐵心股份有限公司，江蘇無錫 214194）

0 引言

電工鋼是制造電機、變壓器鐵芯以及各種電器元器件的一種重要的軟磁材料[1-4]。取向硅鋼的制造工藝和設備復雜，成分范圍窄，制造工序長，影響性能的因素多，因此，常把取向硅鋼產品質量看作是衡量一個國家特殊鋼制造技術水平的重要標志，并獲得特殊鋼中“藝術品”的美稱[5-9]。

近年來，在全球節能減排的大背景下，各國都發布了強制性高能效配電變壓器標準。日本于2014年發布了領先者計劃，歐洲2015年發布了新的變壓器標準，2021年已進入實施第二階段。我國在2020年5月發布了GB 20052—2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》，這一系列的變化對取向硅鋼都提出了更高的要求[10-12]。

取向硅鋼在制造的過程中，需要兩次在表面涂覆涂料，以期得到表面光澤度、耐腐蝕性以及絕緣性良好的取向硅鋼[13-14]。但是從生產中偶爾會發現取向硅鋼表面出現點狀的露金缺陷，特別是在夏季出現的頻率最高。這種缺陷不僅會影響到取向硅鋼產品的美觀程度，還會影響到取向硅鋼的表面絕緣性能。目前關于取向硅鋼表面點狀露金的研究大多數是針對滲氮取向硅鋼，不經滲氮工藝的取向硅鋼表面點狀露金研究較少[15-16]。本研究涉及的取向硅鋼其生產過程不包含滲氮工藝，通過細致分析其表面露金缺陷，以期提高產品表面質量。

1 試驗方法

對表面點狀露金進行模擬。取CA后的試樣，在高濕度的環境中放置三天，干燥后，放入CB爐中，隨正常硅鋼卷一起高溫退火處理，處理完成后，采用酸洗洗去表面殘余的氧化鎂。

取不同季節帶有點狀露金的取向硅鋼成品和模擬樣。各種樣品均采用Brockhaus的FT600層間電阻測試儀檢測層間電阻。采用型號為ZEISS Axio lab.A1的金相顯微鏡對硅鋼基體氧化腐蝕點形貌和點狀露金缺陷的形貌進行初步觀察。然后采用Thermo Fisher型號為Axia ChemiSEM LoVac的掃描電鏡對點狀露金缺陷進行觀察，并使用及面掃描分析該缺陷處的成分。

2 試驗結果與分析

2.1 取向硅鋼成品層間電阻檢測

分別取兩塊表面存在點狀露金和表面不存在點狀露金的取向硅鋼進行層間電阻檢測，測試結果如表1所示。表1中A為夏季生產的存在表面點狀露金的樣品，B為秋季生產的存在表面點狀露金的樣品，C、D為表面不存在點狀露金的樣品檢測結果。從檢測結果可以看出：樣品A的層間電阻均低于1000 Ω·cm2；樣品B大部分區域的層間電阻低于1000 Ω·cm2；樣品C和D只有少數區域低于1000 Ω·cm2，其他都高于10 000 Ω·cm2，還有一些達到了100 000 Ω·cm2。

表1 取向硅鋼層間電阻（Ω·cm2）

2.2 取向硅鋼成品表面點狀露金形貌

圖1為不同季節生產的取向硅鋼表面露金缺陷。觀察圖1中不同季節生產的取向硅鋼表面露金可以發現其缺陷特點：夏季取向硅鋼表面的點狀露金特別密集，秋季取向硅鋼表面點狀露金密度較低。

圖1 不同時間取向硅鋼表面露金缺陷

生產取向硅鋼廠地各月份的溫度及降雨量變化如圖2所示。

圖2 生產取向硅鋼廠地各月份的溫度及降雨量變化

從圖2可以看出該地區夏季的6、7、8月份溫度較高，且降雨量最高超過400 mm，秋季的9、10、11月份溫度開始下降，降雨量稍有降低，秋季的最高月降雨量低于夏季的最低月降雨量。春季和冬季時的溫度較低，且降雨量也較低。

該地區夏季及秋季高的降雨量和氣溫會導致環境濕度非常高。硅鋼卷在CA工序會涂覆氧化鎂，烘干后硅鋼卷表面會附上一層氧化鎂粉末。CA后的硅鋼卷一般不會立即放入罩室爐進行高溫退火，而是會存放在待生產區里，待準備工作完畢，再放入罩室爐內。在存放的這段時間內，硅鋼卷溫度下降，空氣中的水蒸氣極易冷凝在硅鋼卷上，硅鋼卷上的氧化鎂會吸收冷凝的水分，含水率上升，在水和氧氣的作用下，硅鋼基體發生腐蝕反應。因為夏季降雨量更多，溫度更高，所以產生的腐蝕點也會更多，導致夏季生產的取向硅鋼表面點狀露金密度大于秋季。

金相顯微鏡觀察硅鋼基體氧化腐蝕點形貌，其形貌如圖3所示。從圖3中可以看出，硅鋼基體氧化腐蝕后，所有氧化點均呈現圓形。

圖3 硅鋼基體氧化腐蝕形貌

金相顯微鏡觀察生產的取向硅鋼表面點狀露金形貌和模擬生產的取向硅鋼表面點狀露金形貌如圖4所示。

近3年的多重耐藥菌檢測中，提示有逐年升高趨勢，可見多重耐藥菌日益增加，提示多重耐藥菌的控制和預防工作需要給予足夠的重視，并應大力推行。

圖4 取向硅鋼表面點狀露金形貌

圖4中(a)為生產過程中產生的點狀露金，(b)為模擬時產生的點狀露金。從圖中可以看出生產和模擬產生的點狀露金形狀均為圓形，大小相近，且顏色均為白色。點狀露金的形狀與硅鋼基體氧化腐蝕點的形狀都為圓形。點狀露金的顏色為白色是因為CB過程中，罩室爐內會通入一定量的氫氣，在此還原氣氛下，氧化的銹蝕點與氫氣發生反應，重新被還原為硅鋼基體，顏色呈現白色的金屬色。

2.3 取向硅鋼成品表面點狀露金成分分析

在掃描電鏡下對夏季、秋季生產的點狀露金缺陷和模擬產生的點狀露金缺陷進行面掃描，掃描結果如圖5～7所示。從圖5～7的面掃描結果可以看出，在點狀露金處均存在Fe元素的富集以及Mg元素的缺失。其他未露金處Fe元素及Mg元素分布均勻。這是因為點狀露金處的MgO在CT工序中的酸洗階段被洗去，露出了基體，所以會出現Fe元素的富集和Mg元素的缺失。

圖5 夏季取向硅鋼表面點狀露金面掃描結果

圖6 秋季取向硅鋼表面點狀露金面掃描結果

圖7 模擬取向硅鋼表面點狀露金面掃描結果

2.4 取向硅鋼點狀露金成因分析

CA工序烘干過程未能有效降低MgO中含水率，或者當空氣濕度很大時，水蒸氣冷凝在硅鋼卷上并被MgO吸收。在水和氧氣的作用下，硅鋼表面發生腐蝕反應，生成大量圓形的腐蝕點，腐蝕點呈現鐵銹色。硅鋼基體在氧氣及水的作用下發生的反應如下[18]：

在CB工序中，當溫度達到800 ℃左右時，硅鋼表面的SiO2和涂覆的MgO發生以下反應從而生成硅酸鎂底層[19]：

因為反應（1）在常溫下就可進行，所以反應（1）先于反應（2）進行。反應（1）在硅鋼表面生成圓形的成分為Fe2O3·nH2O的腐蝕點，該腐蝕產物覆蓋住了硅鋼表面，阻隔了SiO2和MgO的接觸，使反應（2）不能進行，所以在該腐蝕點區域內無硅酸鎂底層的生成。隨著CB工序罩室爐內溫度的不斷上升，且逐漸開始通入氫氣，該腐蝕點發生以下反應[20]：

隨著溫度的升高，Fe2O3·nH2O分解，分解出來的H2O蒸發為水蒸氣，跟隨爐內氣氛被排出爐外。腐蝕點表面反應剩下的Fe2O3與氣氛中的H2反應，被還原成Fe，反應生成的H2O同樣蒸發為水蒸氣被排出。在這樣的條件下，該腐蝕點表層為MgO，MgO下方為Fe單質層，Fe單質層下存在SiO2。因為高溫退火階段不僅要考慮到硅酸鎂底層的形成，還要考慮到二次再結晶的長大，在整個CB工序過程中會有多個溫度臺階，僅有一段時間是SiO2和MgO反應的最佳溫度。Fe單質層不僅從物理層面阻隔了SiO2和MgO的接觸，還使二者錯過了最佳反應溫度。

在CT工序時，需要用高溫稀硫酸洗去鋼卷表面附著的MgO。對于生成了硅酸鎂底層的部分而言，僅是最表層少量未反應的MgO被除去，但是腐蝕點區域，因為未進行反應，所以表面大量MgO被洗去，露出了Fe單質基體。

這些露出Fe單質基體的露金點在檢測層間電阻時，一旦與FT600層間電阻測試儀檢測觸頭接觸，就會導通電路。層間電阻的大小與通過十個觸頭的電流大小有關，電流之和越大，層間電阻越小，且受電流極大值影響大。點狀露金所在位置電路導通后即會產生一個大電流，因而檢測到的層間電阻極低。

3 結論

（1）環境中空氣濕度越大，取向硅鋼成品的表面越容易出現點狀露金；空氣濕度越大，硅鋼卷表面會吸附越多的水分，硅鋼卷表面也就越容易形成腐蝕點，從而引發點狀露金；隨著濕度變大，腐蝕點的數量也會變多，板面上的點狀露金也會更密集。

（2）取向硅鋼表面形成的腐蝕點會阻礙硅酸鎂底層的形成。在CB工序過程中，隨著溫度升高到800 ℃左右，SiO2和MgO開始反應生成硅酸鎂底層。而腐蝕點Fe2O3·nH2O需要逐漸分解為Fe2O3，并與通入的H2反應還原為Fe單質。這一過程不僅阻隔了SiO2和MgO的反應，還延誤了二者最佳的反應時機，導致未生成硅酸鎂底層。

（3）點狀露金會暴露出基體，導致取向硅鋼成品表面絕緣性能變差。腐蝕點的表面未形成硅酸鎂底層，在CT工序酸洗過程中，表面的MgO被洗去之后，露出表面的Fe單質，層間電阻測量時，一旦觸頭接觸到露金點，就會導通電路，層間電阻結果偏低。

（4）本文通過觀察和模擬的方法分析了取向硅鋼點狀露金的形成原因，為實際生產中消除點狀露金提供了理論依據，有利于生產出絕緣電阻高，表面美觀的高質量取向硅鋼。