CN101946017A - 低铁损单向性电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

低铁损单向性电磁钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

单向性电磁钢板，其特征在于，在钢板的表面或背面的至少一侧，以1mm～10mm的间隔存在宽度为10μm～200μm、深度为10μm～30μm的槽，所述槽延伸的方向与钢板的轧制方向所成的角度为60度～120度，在距所述槽的侧面10μm～300μm的范围内沿轧制方向作用有最大值为20MPa～300MPa的拉伸应力。

Description

低铁损单向性电磁钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种适合于变压器(transformer)的铁心等的低铁损单向性电磁钢板及其制造方法。
背景技术
在钢板轧制方向上具有易磁化轴的单向性电磁钢板使用于变压器等功率转换器的铁心。对于铁心的材料，为了减少能量转换时所产生的损失，强烈要求低铁损特性。
电磁钢板的铁损大致分为磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗受到晶体取向、缺陷及晶界的影响。涡流损耗受到厚度、电阻及180度磁畴宽度等的影响。
而且，在制造电磁钢板时，为了降低磁滞损耗，采用了如下技术，使晶粒在(100)[001]方位高度一致，或减少晶体缺陷。而且，为了降低涡流损耗，采用了如下技术，使电磁钢板的厚度变薄，或提高电阻值，或细化180度磁畴。为了提高电阻值，进行了Si含有量的增加等，而为了细化180度磁畴，进行了在电磁钢板表面上涂敷张力皮膜等。
近年来，为了使铁损飞跃性地减少，还提出了如下技术，为了大幅度地降低占铁损大部分的涡流损耗，在电磁钢板表面上赋予张力的基础上，在电磁钢板表面上人为地导入槽及/或应变，进一步使180度磁畴细化。
例如，在专利文献1等中记载有如下技术，通过以规定的射束宽度、能量密度、照射间隔在相对于单向性电磁钢板表面轧制方向成直角的方向上照射激光，而在该表面上导入局部的应变。
在专利文献2中公开有如下技术，在单向性电磁钢板表面的规定方向上以规定负荷形成槽之后，利用消除应力退火在应变导入部中产生微晶粒。
在专利文献3中公开有如下技术，在完成退火的单向性电磁钢板的规定方向上通过带槽轧辊等机械地形成规定深度的槽，其后，通过蚀刻除去由机械应变所产生的微粒并使槽加深。
在专利文献4中公开有如下技术，在除去了成品退火皮膜的单向性电磁钢板表面上周期地形成槽，其后，赋予张力皮膜。
在专利文献5中公开有如下技术，将形成在方向性电磁钢板表面上的槽的间隔及角度限定在规定的范围内。
记载在上述专利文献1～5中的技术，以在电磁钢板表面上形成皮膜为前提。也就是说，皮膜的形成是必不可少的。
但是，由于制造工艺不一致等，存在无法充分地得到皮膜张力大小的情况。而且，在这种情况下，无法得到良好的铁损特性。虽然作为其对策，也进行了较厚地涂敷皮膜，但是使皮膜变厚必然关系到非磁性层的增加，从而导致磁通密度降低。因此，在制造变压器时，产生了更多地使用电磁钢板的必要性，会导致重量增加，或成本增加。
专利文献1：日本特开昭55-18566号公报
专利文献2：日本特开昭61-117218号公报
专利文献3：日本特开2000-169946号公报
专利文献4：日本特开2003-301272号公报
专利文献5：日本特开平7-320921号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种低铁损单向性电磁钢板及其制造方法，即使在来自皮膜的拉伸张力不充分的情况下，也能够得到良好的铁损特性。
本发明的单向性电磁钢板的特征在于，在钢板表面或背面的至少一侧，以1mm～10mm的间隔存在宽度为10μm～200μm、深度为10μm～30μm的槽，所述槽延伸的方向与钢板的轧制方向所成的角度为60度～120度，在距所述槽的侧面10μm～300μm的范围内沿轧制方向作用有最大值为20MPa～300MPa的拉伸应力。
本发明的单向性电磁钢板的制造方法的特征在于，具有：得到如下钢板的工序，在钢板表面或背面的至少一侧，以1mm～10mm的间隔存在宽度为10μm～200μm、深度为10μm～30μm的槽，所述槽延伸的方向与钢板的轧制方向所成的角度为60度～120度；以及在所述钢板的形成有所述槽的面上照射激光，在距所述槽的侧面10μm～300μm的范围内沿轧制方向作用有最大值为20MPa～300MPa的拉伸应力的工序。
附图说明
图1是表示单向性电磁钢板的外部张力与铁损的关系的曲线图。
图2是表示钢板中所产生的磁畴结构的图。
图3是表示形成有槽的单向性电磁钢板中的磁畴结构的图。
图4是表示本发明实施方式的应力与磁畴结构的再配置的关系的图。
图5是表示本发明实施方式及现有的钢板的外部张力与铁损的关系的曲线图。
图6是表示通过激光的照射而导入拉伸应力的范围的图。
图7是表示槽的深度与铁损的关系的曲线图。
图8是表示拉伸应力的最大值与铁损的关系的曲线图。
图9是表示拉伸应力所存在的区域距槽的侧面的距离与铁损的关系的曲线图。
图10是表示槽的间隔与铁损的关系的曲线图。
图11是表示槽延伸的方向和轧制方向所成的角度与铁损的关系的曲线图。
图12是表示槽延伸的方向与轧制方向的关系的图。
图13A是表示照射激光的区域的例子的图。
图13B是表示照射激光的区域的其它例子的图。
图13C是表示照射激光的区域的另一个其它例子的图。
具体实施方式
本发明人对组合了在单向性电磁钢板表面上形成槽或导入应变和涂敷皮膜的用于降低铁损的现有技术进行了确认试验后，发现了以下问题。
图1是表示现有的单向性电磁钢板的外部张力与铁损的关系的曲线图。图1中的“平板”表示除去了成品退火皮膜的单向性电磁钢板中的关系，“槽”表示除去了成品退火皮膜且表面上形成有槽的单向性电磁钢板中的关系，“激光应变”表示除去了成品退火皮膜，且通过激光的照射在表面整体上不形成槽地导入了应变的单向性电磁钢板中的关系。
如图1所示，通过形成槽或导入应变而使铁损降低，而且，无论在何种情况下，利用外部应力作用于钢板整体的外部张力越大，则铁损越低。在现有的已产品化的单向性电磁钢板中，通过涂敷在其表面的皮膜而在单向性电磁钢板上作用有应力，其大小相当于图1中的约5MPa的外部张力。
但是，由于皮膜与单向性电磁钢板的粘合性等的限度，很难稳定地得到5MPa以上的外部张力。而且，存在如下情况，由于制造工艺不一致等，无法得到如设计那样的表面性状即足够的外部张力，从而无法得到良好的铁损特性。因此，对于组合了在单向性电磁钢板表面上形成槽或导入应变和涂敷皮膜的现有技术，很难稳定地制造铁损低的单向性电磁钢板。
下面，对本发明的实施方式进行说明。图2是表示钢板中所产生的磁畴结构的图。通常，由于单向性电磁钢板的易磁化轴朝向轧制方向，所以磁畴21由与轧制方向平行或反向平行的磁化22构成。而且，在磁化22的方向相互逆向的磁畴21的边界上存在180度畴壁23。而且，与轧制方向正交的方向(板宽方向)的磁畴尺寸被称为180度磁畴宽度。如果在这种单向性电磁钢板的表面上形成在板宽方向上延伸的槽，则180度磁畴宽度变窄，磁畴被细化。由于磁畴的细化使畴壁的移动距离减少，所以随着畴壁的移动而感应的涡流损耗降低。
本发明人根据磁畴结构解析对基于槽的形成的磁畴细化的机理进行研讨的结果，如图3所示，发现在槽31的侧面产生磁极33，磁极33促进了磁畴32的再构成，结果180度磁畴被细化。而且，如图3所示，本发明人发现由于在槽31附近产生了磁化32的迂回，所以减弱了磁极33的产生。
因此，在本发明的实施方式中，如图4所示，在槽41附近的局部上赋予了与轧制方向平行的拉伸应力44。结果抑制了磁化42的迂回，增加了朝向与槽41的侧面垂直的方向的磁化42的比率，增强了槽41侧面的磁极43的产生。
图5是表示本发明实施方式的单向性电磁钢板的铁损W17/50(频率50Hz，磁通密度1.7T)与外部张力的关系的曲线图。另外，本发明实施方式的单向性电磁钢板是如下制造的。首先，从单向性电磁钢板的表面除去成品退火皮膜，在不存在皮膜的表面上与轧制方向成直角地以5mm的间隔形成有宽度为100μm、深度为20μm的槽。之后，如图6所示，在表面的距槽61的侧面100μm的范围的区域62内与槽61平行地照射YAG脉冲激光，在区域62内赋予了最大值为约120MPa的与轧制方向平行的拉伸应力64。在YAG脉冲激光的照射中，适当调节了脉冲能量E、C方向间距Pc及L方向间距PL，以使照射能量Ua为0.5mJ/mm2～3.0mJ/mm2，使聚光点的直径Φ为0.2mm～0.5mm。用“Ua＝E/(Pc×PL)”来表示照射能量Ua。另外，能够用由X射线衍射法等测定的晶格畸变及单向性电磁钢板的弹性率等计算出作用于单向性电磁钢板表面的应力值。
为了便于对比，在图5中除本发明实施方式以外还示出了图1中的“激光应变”及“槽”中的关系。如上所述，在已产品化的单向性电磁钢板中，因皮膜的涂敷而作用有相当于约5MPa的外部张力的应力。因此，形成有槽进而涂覆有皮膜的现有的单向性电磁钢板的铁损为0.75W/kg左右，而通过激光的照射导入了应变进而涂覆有皮膜的现有的单向性电磁钢板的铁损为0.7W/kg左右。与此相对，在本发明的实施方式中，即使在未作用有外部张力的状态下，也就是说未涂敷皮膜的状态下，铁损也在0.7W/kg左右。这意味着在本发明的实施方式中，即使在未涂敷皮膜的状态下，也能够使铁损降低至不仅依靠槽或应变还依靠皮膜来降低铁损的现有的单向性电磁钢板的铁损以下。因此，在本发明实施方式中涂敷皮膜时，即使因制造工艺不一致等而无法得到相当于5MPa左右的外部张力的应力，也能够切实地使铁损降低。
如此，在本发明的实施方式中，在表面上形成有槽，通过在槽附近的表层上照射激光等而局部地导入拉伸应力。结果使产生于槽侧面的磁极量增加，促进了磁畴的再构成，180度磁畴被细化，降低了涡流损耗。另外，表层是指例如距电磁钢板表面的深度为20μm左右的部分。
下面，对用于切实地得到本发明效果的槽及拉伸应力所涉及的条件进行说明。也就是说，对槽的深度及宽度以及赋予了拉伸应力的区域的范围及拉伸应力的大小等的范围进行说明。
本发明人对在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的槽的深度与铁损的关系进行了调查。在该调查中，在制造单向性电磁钢板时，除去成品退火皮膜，以5mm的间隔形成槽61之后，如图6所示，在距槽61的侧面100μm的范围的区域62内与槽61平行地连续照射YAG脉冲激光，在区域62内赋予了最大值为150MPa的与轧制方向平行的拉伸应力64。另外，槽61延伸的方向为与轧制方向正交的方向(板宽方向)。而且，测定了槽61的宽度及深度不同的各种单向性电磁钢板的铁损。在图7中示出了其结果。图7是表示在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的槽的深度与铁损的关系的曲线图。
根据图7所示的结果，槽的宽度为10μm～200μm时，可知在槽的深度为10μm～30μm的范围内，铁损尤其变低。当槽的宽度超过200μm时，铁损变高。这是因为槽的非磁性部分增加，而磁通密度降低。而且，当槽的深度超过30μm时，由于同样的理由，铁损变高。另外，槽的宽度从10μm开始是因为很难稳定地制造宽度不足10μm的槽。
因此，在本发明中优选形成于表面的槽的宽度为200μm以下，槽的深度为10μm～30μm，槽的宽度为10μm以上。
本发明人对在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的拉伸应力的最大值与铁损的关系进行了调查。在该调查中，在制造单向性电磁钢板时，通过与上述调查一样的方法形成槽61，赋予了拉伸应力64。但是，槽61的宽度为100μm，而槽61的深度为20μm。而且，测定了最大值的拉伸应力64不同的各种单向性电磁钢板的铁损。在图8中示出了其结果。图8是表示在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的拉伸应力的最大值与铁损的关系的曲线图。另外，图8中的○表示进行了槽的形成及皮膜的涂敷的现有的单向性电磁钢板的铁损，□表示通过激光的照射未形成槽地进行了应变的导入及皮膜的涂敷的现有的单向性电磁钢板的铁损。
根据图8所示的结果，可知在表层被赋予的拉伸应力的最大值为20MPa至300MPa的范围内，铁损尤其变低。当拉伸应力的最大值超过300MPa时，铁损变高。这是因为单向性电磁钢板接近屈服点，而产生塑性应变的区域增加，由于磁畴壁钉扎的影响而导致磁滞损耗增加。
因此，本发明中赋予的拉伸应力的最大值为20MPa～300MPa。
另外，如上所述，作用在组合了形成槽及由皮膜赋予张力的单向性电磁钢板上的应力相当于约5MPa的外部张力，该值即使在距槽的侧面100μm的范围内也是一样的。也就是说，与本发明中规定的拉伸张力相比极低。
本发明人对在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的拉伸应力作用的范围与铁损的关系进行了调查。在该调查中，在制造单向性电磁钢板时，通过与上述调查一样的方法形成槽61，赋予了拉伸应力64。但是，槽61的宽度为100μm，槽的深度为20μm，而拉伸应力64的最大值为150MPa。而且，测定了拉伸应力64作用的范围不同的各种单向性电磁钢板的铁损。在图9中示出了其结果。图9是表示在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的拉伸应力作用的范围与铁损的关系的曲线图。
由图9可知，在拉伸应力作用的区域距槽的侧面10μm～300μm的范围内，铁损尤其变低。当拉伸应力作用的范围距槽的侧面超过300μm时，铁损变高。这是因为拉伸应力作用的区域增加，畴壁钉扎增加，从而磁滞损耗增加。而且，在距槽的侧面不足10μm的范围内铁损也变高。这是因为拉伸应力作用的范围过窄，变得无法较强地产生磁极。
因此，在本发明中拉伸应力作用的范围为距槽的侧面10μm～300μm。
本发明人对在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的槽的间隔与铁损的关系进行了调查。在该调查中，在制造单向性电磁钢板时，通过与上述调查一样的方法形成槽，赋予了拉伸应力64。但是，槽61的宽度为100μm，槽61的深度为20μm，而拉伸应力64的最大值为150MPa。而且，测定了槽61的间隔不同的各种单向性电磁钢板的铁损。在图10中示出了其结果。图10是表示在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的槽的间隔与铁损的关系的曲线图。
根据图10可知，在槽的间隔为1mm～10mm的范围内，铁损尤其变低。当槽的间隔不足1mm时，铁损变高。这是因为拉伸应力作用于单向性电磁钢板整体的区域的比率过大，由于畴壁钉扎的影响而导致磁滞损耗增加。而且，当槽的间隔超过10mm，铁损也变高。这是因为伴随着槽的形成的180度磁畴的细化变得不充分。
因此，本发明中槽的间隔为1mm～10mm。
本发明人对在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的槽延伸的方向与铁损的关系进行了调查。在该调查中，在制造单向性电磁钢板时，通过与上述调查一样的方法形成槽，赋予了拉伸应力64。但是，槽的宽度为100μm，槽的深度为20μm，槽的间隔为5mm，而拉伸应力的最大值为150MPa。而且，测定了槽延伸的方向(槽延伸的方向与轧制方向所成的角度)不同的各种单向性电磁钢板的铁损。在图11中示出了其结果。图11是表示在槽附近赋予了拉伸应力的单向性电磁钢板的槽延伸的方向与铁损的关系的曲线图。
由图11可知，在槽延伸的方向与轧制方向所成的角度为60度～120度的范围内，铁损尤其变低，在80度～100度的范围内更加变低。槽延伸的方向与轧制方向所成的角度θ如图12所示。而且，上述的60度～120度的范围相当于从易磁化轴方向即与轧制方向正交的方向(板厚方向)的偏离为30度以内的范围。而且，当角度θ不足60度或超过120度时，朝向轧制方向的磁化贯穿槽侧面的比率变小，磁畴的细化不充分，铁损变高。
根据上述理由，在本发明中，使槽的宽度为10μm～200μm，使槽的深度为10μm～30μm，使槽延伸的方向与轧制方向所成的角度为60度～120度，使槽的间隔为1mm～10mm。而且，在距槽的侧面10μm～300μm的范围的区域内沿轧制方向作用有最大值为20MPa～300MPa的拉伸应力。
另外，并没有特别限定形成槽的方法，例如可以举出利用齿轮的加工、冲压加工、基于蚀刻的加工、基于机械加工的切削及放电加工等。而且，也没有特别限定槽的截面，例如可以举出矩形、梯形、及矩形或梯形等歪斜的形状等。无论怎样，只要在单向性电磁钢板的表面上形成有凹状的槽即可。
而且，也没有特别限定赋予拉伸应力的方法，可以举出利用微波等的局部加热、离子注入法等。无论怎样，只要在单向性电磁钢板表层的规定区域赋予了拉伸应力即可。在通过激光的照射赋予拉伸应力时，没有特别限定其方法，例如可以举出脉冲照射、连续照射、以及脉冲照射及连续照射的复合照射。而且，赋予有外部应力的范围既可以沿槽的侧面连续，也可以不连续。而且，在通过激光132的照射赋予拉伸应力时，其区域既可以如图13A所示在槽131的一侧，也可以如图13B所示在槽131的两侧。而且，也可以如图13C所示，以包括槽131的方式照射激光。同样，在利用微波或离子注入赋予拉伸应力时，其区域既可以在槽的一侧，也可以在槽的两侧，或者以包括槽的方式实施上述处理。
按照产品水准制造单向性电磁钢板时，优选在以线圈状卷绕单向性电磁钢板的同时进行槽的形成及拉伸应力的赋予。此时，在以卷绕速度流动的单向性电磁钢板上实施处理。因此，为了以满足上述条件的方式形成槽，或赋予拉伸应力，更优选容易进行位置的调整且容易控制所赋予的拉伸应力的强度的方法。因此，优选通过激光的照射来进行拉伸应力的赋予。这是因为根据激光的照射，能够通过调节激光输出的功率等容易地控制拉伸应力的最大值。
另外，激光输出只要是能够赋予规定拉伸应力的程度就足够了，优选照射能量Ua为6mJ/mm2以下。照射能量Ua超过6mJ/mm2时，有时会在单向性电磁钢板的表面上产生新的伤痕，从而使特性发生变化。而且，为了在距槽的侧面10μm～300μm的范围的区域内赋予拉伸应力，优选照射激光的位置在距槽的侧面300μm以内，更优选在100μm以内。
(第1实验)
下面，对本发明人实际进行的用于确认本发明效果的第1实验进行说明。在第1实验中，首先，制作含有约3％质量的Si，剩余部分由Fe及杂质构成，厚度为0.23mm的单向性电磁钢板。其后，在单向性电磁钢板的表面上涂覆光致抗蚀剂，通过湿式蚀刻形成表1所示形状的槽。之后，调节照射能量Ua及照射位置并在槽附近照射YAG脉冲激光，赋予了表2所示的拉伸应力。如下述表2所示，照射能量为0.2mJ/mm2～2.5mJ/mm2，照射位置为距槽的侧面15μm～350μm。而且，测定了各单向性电磁钢板的铁损W17/50。另外，如上所述，表2中的拉伸应力的最大值是通过X射线衍射法测定晶格畸变，并通过使用弹性率等物理参数的变换而得到的值。而且，铁损值是使用单板磁性试验装置测定的频率为50Hz、磁通密度为1.7T时的值。
由表2可知，在试验No.1～4(实施例)的单向性电磁钢板中，由于处于本发明规定的范围内，所以得到了不足0.7W/kg的低铁损。与此相对，在超出了本发明规定的范围的试验No.5及6(对比例)的单向性电磁钢板中，与实施例相比铁损变高。
表1
【表1】
表2
【表2】
Figure BPA00001205409700102
(第2实验)
下面，对本发明人实际进行的用于确认本发明效果的第2实验进行说明。在第2实验中，首先，制作含有约3质量％的Si，剩余部分由Fe及杂质构成，厚度为0.23mm的单向性电磁钢板。其后，通过使用齿轮的加工或冲压加工在单向性电磁钢板的表面上形成表3所示形状的槽。之后，以800℃进行了2个小时的消除应力退火。而且，在距槽的侧面80μm的范围的区域内照射YAG脉冲激光，赋予了表4所示的拉伸应力。而且，为了进行对比，还制作了在形成基于使用齿轮的加工或冲压加工的槽后，仅进行了消除应力退火的单向性电磁钢板。而且，测定了各单向性电磁钢板的铁损W17/50。另外，如上所述，表4中的拉伸应力的最大值是通过X射线衍射法测定晶格畸变，并通过使用弹性率等物理参数的变换而得到的值。而且，铁损值是使用单板磁性试验装置测定的频率为50Hz、磁通密度为1.7T时的值。
由表4可知，在试验No.11及12(实施例)的单向性电磁钢板中，由于处于本发明规定的范围内，所以得到了不足0.7W/kg的低铁损。与此相对，在超出了本发明规定范围的试验No.13及14(对比例)的单向性电磁钢板中，与实施例相比铁损变高。
表3
【表3】
表4
【表4】
Figure BPA00001205409700112
工业实用性
根据本发明，即使由涂覆在表面上的皮膜作用的张力不充分，也能够得到足够低的铁损。

Claims (8)

1.一种单向性电磁钢板，其特征在于，
在钢板表面或背面的至少一侧，以1mm～10mm的间隔存在宽度为10μm～200μm、深度为10μm～30μm的槽，
所述槽延伸的方向与钢板的轧制方向所成的角度为60度～120度，
在距所述槽的侧面10μm～300μm的范围内沿轧制方向作用有最大值为20MPa～300MPa的拉伸应力。
2.根据权利要求1所述的单向性电磁钢板，其特征在于，
通过激光的照射来赋予所述拉伸应力。
3.一种单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，具有：
得到如下钢板的工序，在钢板表面或背面的至少一侧，以1mm～10mm的间隔存在宽度为10μm～200μm、深度为10μm～30μm的槽，所述槽延伸的方向与钢板的轧制方向所成的角度为60度～120度；以及
在所述钢板的形成有所述槽的面上照射激光，在距所述槽的侧面10μm～300μm的范围内沿轧制方向作用有最大值为20MPa～300MPa的拉伸应力的工序。
4.根据权利要求3所述的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，
在距所述槽的侧面300μm为止的范围内照射所述激光。
5.根据权利要求3所述的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，
以在所述钢板的表面不形成槽的程度照射所述激光。
6.根据权利要求4所述的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，
以在所述钢板的表面不形成槽的程度照射所述激光。
7.根据权利要求5所述的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，
以6mJ/mm2以下的照射能量照射所述激光。
8.根据权利要求6所述的单向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，
以6mJ/mm2以下的照射能量照射所述激光。
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