CN101354336B - 一种取向硅钢涂层表面拉应力的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种取向硅钢涂层表面拉应力的测试方法，属于取向电工钢测试技术领域。测试步骤是：制试样：将取向硅钢涂层中的一面用特殊的漆保护起来，然后使用氟化氢、盐酸和水配成的溶液将另一面涂层溶解；再使用丙酮作为有机溶剂将保护漆去掉；所述的特殊的漆为虫胶漆片，试样为取向硅钢片。测试：根据钢片的弯曲程度，计算出涂层对硅钢片试样产生的拉应力。优点在于，对仪器设备要求较低，实现较容易。在不同的气候条件下使用化学性能稳定，达到了缩短实验周期，降低实验成本，分析操作简便。并且能够保证实验结果精确，数据重现性好。

Description

一种取向硅钢涂层表面拉应力的测试方法

技术领域

本发明属于取向电工钢测试技术领域，特别是提供了一种取向硅钢涂层表面拉应力的测试方法。

技术背景

涂层是生产冷轧硅钢的一个重要工序，对取向硅钢来说，尽管取向硅钢在最终高温退火工序中能生成一种硅酸镁底层，但是，它能提供的绝缘性能是不够的，还需要再涂上一层绝缘涂层，以增加绝缘性能。

而随着变压器铁芯功率的增大，控制变压器噪音和降低铁损就成了一个重要的问题。磁滞伸缩和铁芯叠片间的压应力是产生变压器噪音的主要原因。沿压向外加拉应力和垂直于轧向划痕控制磁筹结构都能改善取向硅钢的铁损和磁滞伸缩。如果我们在硅钢片表面涂布一层比硅钢基体膨胀系数还要小的涂层，当涂层烧成后从高温冷却下来时，由于收缩的差异而对钢板产生拉应力，这就是应力涂层。应力涂层给予钢板的拉应力是各向同性的，但其改善铁损和磁滞伸缩的效果则与沿轧向外加拉应力的效果基本相同，因而，应力涂层不仅能够降低硅钢片对压应力的敏感性，减少磁滞伸缩，降低变压器的噪音，而且还能够改善磁筹结构，降低铁损。

因此，测量涂层对硅钢片产生的应力，研究所产生的应力对钢片磁性能的影响就显得十分重要。

在以往的研究中，很少提到硅钢片应力涂层拉应力与磁性能的关系，使用的方法也通常是X射线衍射法。X射线衍射法虽然测量的数据比较准确，但是测量周期较长，费用较高，而且对测试环境有着比较高的要求。因此，为了工业生产和实验室研究，需要找到一种简易而且准确的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种取向硅钢涂层表面拉应力的测试方法，找到了一种分析硅钢片拉应力的简易方法。此方法对仪器设备要求较低，实现较容易。在不同的气候条件下使用化学性能稳定，达到了缩短实验周期，降低实验成本，分析操作简便。并且能够保证实验结果精确，数据重现性好。

本发明的测试步骤是：

制试样：将两面带有应力涂层的取向硅钢片的其中一面用虫胶漆片保护起来，然后使用氟化氨、盐酸和水配成的溶液在70～90℃的温度下将另一面涂层溶解；再使用丙酮作为有机溶剂将保护漆去掉；

测试：根据钢片的弯曲程度，计算出涂层对硅钢片试样产生的拉应力。

制试样的步骤如下：

(1)试样高温退火后，表面带硅酸镁底层，试样尺寸为30×300mm

(2)使用应力涂层对(1)所述的试样两面分别进行涂敷，在750—850℃的炉温下烘烤30～90秒，冷却至室温，称取钢片涂层前后的重量，计算出单位面积上的涂层涂敷量，一般涂层量控制在5～6g/m²·面。

(3)消除应力退火：涂层烘干后冷却至室温，钢板会产生一定的热应力，因此测量磁性前需要对试样进行消除应力退火，800℃，90％N₂+10％H₂中保温2小时后50℃/h降温，随炉冷却至室温。

(4)分别测量涂层前后的铁损和磁感并进行对比(测量应力涂层后的磁性能仍然按照涂层前的试样重量计算，不记入对磁性无效的涂层重量)。

(5)涂敷耐酸保护层：2～3层虫胶漆片。涂敷方法：先涂一层漆片，次日再加涂一层漆片，第3日在边缘部分再加涂1层漆片，在空气中晾干后进行酸洗。

(6)酸洗：酸洗液为3～5gNH₄F+40～60ml HCl+20～40ml水，放在铅制容器或者聚四氟乙烯容器中，加热至60～80℃进行酸洗，将未涂敷耐酸保护层的一面的涂层洗掉，洗至露出光亮的晶粒，用清水冲洗并吹干。

(7)清洗保护层：酸洗后的试样放在丙酮中浸泡10～15分钟，除去耐酸保护层，如漆片层未去除干净，再在乙醇中浸泡5～15分钟。

本发明所述拉应力的计算方法如下

(1)量出试样的翘曲高度，通过公式计算出涂层所产生的拉应力；

(2)拉应力的计算公式为： ${\mathrm{\σ}}_B=\frac{E_B}{1+v_B}\·\frac{{(t+d)}^2}{3t}\·\frac{2H}{l^2}$

式中：式中：E_B为钢板的杨氏弹性模量，硅钢结构中E_B＝21000Kg/mm²，t钢板厚度mm，d涂层厚度mm，r曲率半径mm，v_B为泊松比，硅钢的泊松比为：v_B＝0.3。

附图说明

图1为试样的弯曲曲率半径与翘曲高度的关系。

AB为翘曲后的钢片示例，H为翘曲高度，1为钢板长度。通过此图可以很清楚的看出翘曲高度和曲率半径的关系。

具体实施方式

方法概要：将涂敷好应力涂层的取向硅钢片使用虫胶漆片将一面保护起来，将另一面使用酸洗的方法进行去除。再将保护漆除去。

仪器和器皿

铅槽：                  长*宽*高为150*50*80厚度为2mm

竹夹子：                1个

双联电炉：              1台

天平：                  1台精度0.01g

2、试剂

氟化铵：                分析纯

盐酸：                  分析纯

丙酮：                  分析纯

乙醇：                  分析纯

虫胶漆片

蒸馏水

应力涂层涂液

测定硅钢涂层表面拉应力的方法

(1)测量方法

将已处理好的钢片其中固定于垂直物体的表面，另一端自由下垂。此时由于应力作用，下端会向上翘起。此处重力的作用影响很小，可以忽略不计。用直尺测量翘曲端最高点和垂直物体表面之间的距离并做好记录。

(2)计算方法

测定应力的公式如下：

${\mathrm{\σ}}_B=\frac{E_B{(t+\mathrm{Rd})}^2}{6\mathrm{rt}}$ 公式(1)

式中：

E_B为钢板的杨氏弹性模量。硅钢结构中

E_B＝21000Kg/mm²

t钢板厚度mm

d涂层厚度mm

r曲率半径mm

式中R为涂层材料的弹性模量E_C与钢板弹性模量E_B之比。由于应力涂层的厚度仅为钢板厚度的1～2％。公式(1)中的R对应力的影响极微。因此在计算是假定涂层材料与硅钢的弹性模量相同R＝E_G/E_B＝1。公式(1)为仅有单面涂层时涂层给予钢板的拉应力。如将钢板另一侧的涂层去除。则试样向相反方向弯曲产生另一个同样大小的应力。因此两面涂层所给予的钢板的拉应力为：

${\mathrm{\σ}}_B=\frac{E_B{(t+d)}^2}{3\mathrm{rt}}$ 公式(2)

此公式是仅按照纵向应力的惯矩计算。但实际上表面涂层所产生的应力是各向同性的。除了在纵向产生拉应力。在横向也必然回产生一个拉应力。因此，我们认为下面的公式更加切合于实际情况。

${\mathrm{\σ}}_B=\frac{E_B{(t+d)}^2}{3(1+v_B)\mathrm{rt}}$ 公式(3)

式中v_B为泊松比，硅钢的泊松比为：v_B＝0.3

为了能够方便并且能够批量测量和批量计算，我们选择测量翘曲高度进而求出曲率半径的方法。计算方法如图(1)所示。

$\frac{1}{r}=\frac{2H}{{\mathrm{AB}}^2}$ 公式(4)

经验表明，H<20％1时，用1代替AB的误差<2％，即 $\frac{1}{r}=\frac{2H}{l^2}$

综合公式(3)和公式(4)得出通过翘曲高度计算应力的公式为：

${\mathrm{\&sigma;}}_B=\frac{E_B}{1+v_B}\&CenterDot;\frac{{(t+d)}^2}{3t}\&CenterDot;\frac{2H}{l^2}$ 公式(5)

实施例

随机抽取几片取向硅钢试样，用此方法进行测试。结果如下表：

 

序号	涂敷量(g/m2)	酸洗时间(秒)	翘曲高度(mm)	酸洗后质量(g)	酸洗后平均厚度(mm)	酸洗后钢板厚度(mm)	拉应力(kg/mm<sup>2</sup>)	铁损降低量
									1	8.79	50	23.2	17.0772	0.262	0.259	0.73	0.110
2	10.94	40	26.5	17.3081	0.265	0.262	0.85	0.071
									3	7.64	30	23.8	17.4355	0.268	0.265	0.77	0.066
4	4.39	25	10.1	17.0449	0.258	0.255	0.31	0.004
									5	3.87	25	10.8	17.0732	0.263	0.261	0.34	0.215
6	4.14	30	11.4	16.1848	0.239	0.237	0.33	0.097
									7	3.47	30	20.5	16.6736	0.256	0.254	0.64	0.057
8	4.82	30	17.0	17.1062	0.271	0.268	0.56	0.059

由表中可以看出，在不同的涂敷量下，通过更改酸洗时间，能够得到一系列拉应力和铁损降低值。这些数值与实际中经验的拉应力铁损降低值基本相同。

Claims (1)

1.一种测定取向硅钢涂层表面拉应力的方法，其特征在于：测试步骤是：

制试样：将两面带有应力涂层的取向硅钢片的其中一面用虫胶漆片保护起来，然后使用氟化铵、盐酸和水配成的溶液在70～90℃的温度下将另一面涂层溶解；再使用丙酮作为有机溶剂将保护漆去掉；

测试：根据钢片的弯曲程度，计算出涂层对硅钢片试样产生的拉应力；

制试样的步骤如下：

(1)试样高温退火后，表面带硅酸镁底层，试样尺寸为30×300mm；

(2)对(1)所述的试样两面分别涂敷应力涂层，在750-850℃的炉温下烘烤30～90秒，冷却至室温，称取钢片涂层前后的重量，计算出单位面积上的涂层涂敷量，涂层量控制在5～6g/m²·面；

(3)消除应力退火：涂层烘干后冷却至室温，钢板会产生一定的热应力，因此测量磁性前需要对试样进行消除应力退火，800℃，90％N₂+10％H₂中保温2小时后50℃/h降温，随炉冷却至室温；

(4)分别测量涂层前后的铁损和磁感并进行对比，测量应力涂层后的磁性能仍然按照涂层前的试样重量计算，不记入对磁性无效的涂层重量；

(5)涂敷耐酸保护层：涂敷3层虫胶漆片，涂敷方法：先涂一层漆片，第2日再加涂一层漆片，第3日在边缘部分再加涂一层漆片，在空气中晾干后进行酸洗；

(6)酸洗：酸洗液为3～5gNH₄F+40～60ml盐酸+20～40ml水，放在铅制容器或者聚四氟乙烯容器中，加热至60～80℃进行酸洗，将未涂敷耐酸保护层的一面的涂层洗掉，洗至露出光亮的晶粒，用清水冲洗并吹干；

(7)清洗保护层：酸洗后的试样放在丙酮中浸泡约10～15分钟，除去耐酸保护层，如漆片层未去除干净，再在乙醇中浸泡5～15分钟；

所述拉应力的计算方法如下

(1)量出试样的翘曲高度，在H＜20％l时，通过公式计算出涂层所产生的拉应力；

(2)拉应力的计算公式为： ${\mathrm{\&sigma;}}_B=\frac{E_B}{1+v_B}\&CenterDot;\frac{{(t+d)}^2}{3t}\&CenterDot;\frac{2H}{l^2},$

式中：E_B为钢板的杨氏弹性模量，硅钢结构中E_B＝21000Kg/mm²，t钢板厚度mm，d涂层厚度mm，v_B为泊松比，硅钢的泊松比为：v_B＝0.3，H为翘曲高度，l为钢板长度。

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