CN103069037A - 方向性电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明通过磁畴细化处理提供即使在层叠成变压器铁芯等使用时也能够降低铁损的方向性电磁钢板。一种在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入了热应变的方向性电磁钢板，其中，以所述点列的方式引入的应变区域的大小为0.10mm以上且0.50mm以下，并且相邻应变区域之间的间隔为0.10mm以上且0.60mm以下。

Description

方向性电磁钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及适合于变压器等的铁芯材料的方向性电磁钢板及其制造方法。
背景技术
方向性电磁钢板主要作为变压器的铁芯使用，要求其磁化特性优良，特别是要求铁损低。因此，重要的是使钢板中的二次再结晶晶粒与(110)[001]取向(所谓的高斯取向)高度一致、以及降低成品钢板中的杂质。而且，结晶取向的控制以及降低杂质在与制造成本的平衡等方面存在极限。因此，正在开发通过物理方法向钢板表面引入不均匀性而使磁畴的宽度细化以降低铁损的技术、即磁畴细化技术。
例如，专利文献1中提出了如下技术：对最终成品板照射激光，向钢板表层引入高位错密度区域，使磁畴宽度变窄，由此降低钢板的铁损。另外，专利文献2中提出了利用电子束照射来控制磁畴宽度的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭57-2252号公报
专利文献2：日本特公平6-72266号公报
发明内容
发明所要解决的问题
但是，在将上述利用激光或电子束的照射实施磁畴细化而降低了铁损的方向性电磁钢板应用于实际变压器时，存在即使这样操作而使原材料(钢板)的铁损降低、实际变压器的铁损也未得到改善的问题，即存在结构系数(BF，building factor)不良的问题。
因此，本发明的目的在于，通过磁畴细化处理提供即使在层叠成变压器铁芯等使用时也能够降低铁损的方向性电磁钢板。
用于解决问题的方法
将方向性电磁钢板作为变压器的铁芯使用时，为了降低该方向性电磁钢板的铁损、即变压器铁损，需要降低轧制方向的铁损自不必说，还需要降低轧制方向以外的铁损。
关于励磁中的变压器内的磁化状态，已知与轧制方向平行地进行励磁时，发生磁化朝向轧制方向以外的方向的、所谓的旋转磁化。例如，在以磁通密度1.7T、与轧制方向平行地对三相三脚层叠铁芯型变压器进行励磁时，0.1～1.0T的磁束局部地朝向轧制正交方向，这一点由发明人的研究也已被确认。就方向性电磁钢板而言，磁化朝向轧制方向以外的方向时，铁损由于磁化朝向磁导率低的方向而增大。这种旋转磁化所导致的铁损增加，成为变压器铁损大于原材料本身的铁损(轧制方向的铁损)的原因。
作为表示该变压器的磁特性劣化的指标，使用被称为BF(结构系数)的用变压器的铁损除以相同磁化条件下原材料的铁损而得到的值，为了减小该BF，重要的是减小轧制方向以外的铁损、特别是轧制正交方向的铁损。
因此发现，在使相邻应变区域之间具有适当的间隔、且点列状地热引入适当大小的应变区域时，轧制方向和轧制正交方向两个方向的铁损均减小，结果能得到变压器铁损小的方向性电磁钢板。
在此，引入应变时，铁损降低的原理如下所述。即，引入应变时，在点列方向产生张力，从而以应变为起点产生闭合磁畴。由于闭合磁畴的产生，钢板的静磁能增大，另一方面，为了降低该静磁能，180度磁畴被细化，结果轧制方向的铁损减少。即，应变量增加而产生大量闭合磁畴时，180度磁畴进一步被细化，轧制方向的铁损减少。而且，由于点列方向上张力的增加，在反磁致伸缩效应下轧制正交方向的磁导率增大，结果轧制正交方向的铁损也减少。就轧制方向的铁损而言，在使应变量增大至适当量以上时，涡流损耗因磁畴宽度的减少而减少，但磁滞损耗增大，因此铁损增加。另外，钢板内的应变区域的密度高时，由于阻碍磁化的进行，因而轧制方向和轧制正交方向的磁滞损耗增加。
基于上述见解，只要对钢板以适当的应变区域密度赋予适当的应变量，则能够同时降低轧制方向的铁损和轧制正交方向的铁损，从而能够制造变压器铁损小的方向性电磁钢板。
接着，为了研究明白适当的应变引入条件，对以各种照射条件照射电子束而引入的应变区域的大小、以及各钢板的相邻应变区域之间的间隔进行了研究。应变区域的大小以及相邻应变区域之间的间隔的测定方法见后述。另外，研究了照射前后轧制方向的W17/50、轧制正交方向的W2/50的变化。需要说明的是，轧制正交方向的励磁以发明人研究的变压器内磁通密度的轧制正交部分的平均值即0.2T时的铁损为指标。
实验如下进行：按照表1的条件，在与轧制方向正交的方向上连续或者使照射点在轧制方向以7mm间隔连成点列状地照射加速电压为40kV且射束电流值为2.5mA的电子束。连续照射以电子束扫描速度4m/s进行扫描而引入应变，点列照射使照射点之间具有间隔地以电子束扫描速度50m/s进行扫描，并每隔一定间隔停止100μs，从而以点排成列的方式引入应变。供试材料使用厚0.23mm的方向性电磁钢板，且该板的照射前的B8均匀地为1.93T。
上述应变区域的大小和相邻应变区域之间的间隔的定义、以及它们的测定方法如下。
[应变区域的大小]
将经过最终退火的钢板的表面被膜用酸或碱除去后，对应变引入部进行利用纳米压痕仪的硬度测定。将距离应变列为1mm以上的位置的硬度作为基准，将硬度比该基准硬度大10%以上的部位定义为应变引入区域(以点列的方式引入的应变区域)。
将该应变引入区域中的轧制正交方向的最大长度定义为应变区域的大小。在连续照射条件下、或点列的彼此相邻的应变区域重叠的条件下，将轧制方向的最大长度定义为应变区域的大小。基于以上的定义，测定应变区域的大小。具体而言，对1个试样分别测定3列不同点列的板中央部的10个部位的应变点，取其平均值。
[相邻应变区域的间隔]
将上述定义的应变区域彼此间、相邻应变区域之间没有应变影响的部分的最短长度作为相邻应变区域的间隔。另外，在连续照射条件下、或应变区域重叠的条件下，将相邻应变区域的间隔定义为0mm。基于以上的定义，测定相邻应变区域的间隔。具体而言，对1个试样分别测定3列不同点列的板中央部的10个部位的应变点，取其平均值。
首先，研究了对照射条件和轧制正交方向的照射点间隔进行各种变更时引入的应变区域的大小以及各钢板的相邻应变区域的间隔，将结果示于表1。另外，图1和2示出了轧制方向的W17/50和轧制正交方向的W2/50相对于相邻应变区域之间的间隔的变化。
表1
Figure BDA00002827349300051
如图1所示，相邻应变区域之间的间隔为0.60mm以下时，轧制方向的W17/50变小。认为这是因为：相邻应变区域之间的间隔越窄，应变引入量越多，越能发挥出磁畴细化效果，铁损变得越小。
另一方面，如图2所示，在相邻应变区域之间的间隔为0.10mm以上的条件下进行的点列照射，与连续照射的情况相比，轧制正交方向的铁损W2/50减少10%以上。认为这是因为：通过将应变引入区域设定为最小限度，能够抑制轧制正交方向的磁滞损耗的增大。
接着，对应变区域的大小的影响进行了研究。在轧制方向设置7mm的间隔地在与钢板的轧制方向正交的方向上以点列的方式进行加速电压为40kV的电子束的照射，调节射束直径和电流密度，使相邻应变区域之间的间隔在0.2mm以上且0.3mm以下的范围内、并且应变区域的大小发生各种变更。如图3所示的应变区域的大小与铁损的关系，应变区域的大小为0.1mm以上且0.5mm以下时，轧制方向的W17/50减小。认为这是因为：应变区域的大小越大，应变引入量越多，越能发挥出磁畴细化效果，铁损变得越小，但应变区域的大小增大而引入了一定以上的应变时，轧制方向的磁滞损耗变大，铁损也变大。如图4所示，应变区域的大小为0.1mm以上时，轧制正交方向的铁损W2/50减小。认为这是因为：应变区域的大小小于0.1mm时，降低轧制正交方向的铁损的闭合磁畴未充分产生。
根据以上的实验结果得出了如下见解：通过使应变区域的大小以及相邻应变区域之间的间隔适当地以点列的方式引入应变，轧制方向和轧制正交方向两个方向的铁损均减小，结果得到变压器铁损小的方向性电磁钢板。
即，本发明的主要构成如下。
1.一种方向性电磁钢板，其为在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入了热应变的方向性电磁钢板，其中，以所述点列的方式引入的应变区域的大小为0.10mm以上且0.50mm以下，并且相邻应变区域之间的间隔为0.10mm以上且0.60mm以下。
2.如上述1所述的方向性电磁钢板，其中，所述点列在轧制方向的列间隔为2～10mm。
3．一种方向性电磁钢板的制造方法，在利用电子束照射在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入热应变时，使该电子束照射的轧制方向的列间隔为2～10mm、点列内的照射点间隔为0.2mm以上且1.0mm以下，并且使由下式(1)定义的每单位射束直径的照射能量E为30mJ/mm以上且180mJ/mm以下，
E＝[电子束加速电压(kV)×射束电流值(mA)×1点的照射时间(μs)×1000]/射束直径(mm)…(1)。
4．一种方向性电磁钢板的制造方法，在利用连续激光照射在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入热应变时，使该连续激光照射的轧制方向的列间隔为2～10mm、点列内的照射点间隔为0.2mm以上且1.0mm以下，并且使由下式(2)定义的每单位射束直径的照射能量E为40mJ/mm以上且200mJ/mm以下，
E＝[平均激光功率(W)×1点的照射时间(μs)×1000]/射束直径(mm)…(2)。
发明效果
通过在基于本发明的限制下以点列状赋予应变，能够降低轧制方向以及轧制正交方向两个方向的铁损。因此，就层叠这样的方向性电磁钢板而成的变压器而言，能够进一步减小铁损。
附图说明
图1是表示相邻应变区域之间的间隔与铁损的关系的图。
图2是表示相邻应变区域之间的间隔与铁损的关系的图。
图3是表示应变区域的大小与铁损的关系的图。
图4是表示应变区域的大小与铁损的关系的图。
图5是表示变压器的铁芯形状的图。
具体实施方式
如上所述，为了降低变压器的铁损，必须降低轧制方向和轧制正交方向这两个方向的铁损。首先，为了降低轧制方向的铁损，重要的是在满足应变区域的大小为0.10mm以上且0.50mm以下、并且相邻应变区域之间的间隔为0.60mm以下的条件下形成热应变区域。另一方面，为了降低轧制正交方向的铁损，重要的是在满足应变区域的大小为0.10mm以上、并且相邻应变区域之间的间隔为0.10mm以上的条件下形成热应变区域。
另外，点列状地引入的应变在轧制方向的列间隔优选为2mm以上且10mm以下。列间隔小于2mm时，应变引入过多，轧制方向的磁滞损耗大幅增大。另一方面，列间隔超过10mm时，磁畴细化效果变小，轧制方向和轧制正交方向的铁损均增大。
而且，在与钢板的轧制方向交叉的方向上点列状地引入的应变，优选其列与轧制正交方向所成的角度在30°以内。在增大相对于轧制正交方向的倾斜角度而超过上述范围时，虽然轧制正交方向的铁损减少，但轧制方向的铁损减少量小，因此变压器铁损的减少量小。更优选的是在轧制正交方向上引入应变。
通过满足上述的条件，适当的应变量被引入钢板中，产生闭合磁畴，从而轧制方向和轧制正交方向的铁损均得到充分降低，得到本发明期望的用于实现变压器的铁损的降低的最佳方向性电磁钢板。另外，在该适合范围之外时，应变引入量变少而铁损降低效果减小，或者，由于应变引入量过多或应变区域大而磁滞损耗的增加变大，从而铁损降低效果减小。
接着，对用于在上述条件下引入热应变的制造方法进行说明。
首先，作为点列应变的引入方法，合适的是能够以集中了大的能量的射束直径引入的电子束照射、或者连续激光照射。作为其他的磁畴细化方法，利用等离子束照射的方法是公知的，但是难以满足本发明的条件。
(i)利用电子束照射的热应变引入
对于电子束，以各种点列间隔和照射能量E进行实验，研究了引入上述规定的热应变的照射条件。在此，照射能量E由下式定义。
E(mJ/mm)＝[电子束加速电压(kV)×射束电流值(mA)×1点的照射时间(μs)×1000]/射束直径(mm)
需要说明的是，关于射束直径，设为公知的狭缝法中由能量分布图的半宽度规定的值。
上述研究结果表明：在电子束照射的轧制方向的列间隔为2～10mm、点列内的照射点间隔为0.2mm以上且1.0mm以下、每单位射束直径照射能量E为30mJ/mm以上且180mJ/mm以下的情况下，满足上述的应变引入条件。
(ii)利用连续激光照射的热应变引入
另外，关于连续激光照射，同样地研究了满足上述条件的范围。在此，照射能量E由下式定义。
E(mJ/mm)＝[平均激光功率(W)×1点的照射时间(μs)×1000]/射束直径(mm)
上述研究结果表明：在激光照射在轧制方向的列间隔为2～10mm、点列内的照射点间隔为0.2mm以上且1.0mm以下、每单位射束直径照射能量E为40mJ/mm以上且200mJ/mm以下的情况下，满足上述的应变引入条件。
另外，激光在照射点之间移动时，可以关闭激光发射或者使激光发射为低输出。射束直径为基于光学系统中准直仪、透镜的焦点距离等唯一地进行设定的值。
以点列的方式引入应变的方法通过反复进行如下工艺而实现：在进行电子束或激光束快速扫描的过程中每隔预定的时间间隔停止扫描，在该点持续照射射束而经过适合本发明的时间后，再次开始扫描。为了利用电子束照射实现该工艺，可以使用容量大的放大器使电子束的偏压发生变化。
顺带说一下，利用电子束或连续激光点列状地进行应变引入时，存在根据条件而残留照射痕迹、从而使钢板的绝缘性受损的情况。这种情况下，进行绝缘被膜的再涂布，并在不消除所引入的应变的温度范围内进行烧结。
接着，对除上述之外的方向性电磁钢板的制造条件具体地进行说明。另外，结晶晶粒在<100>方向上的聚集度越高，由磁畴细化带来的铁损降低效果越大，因此，优选作为聚集度指标的磁通密度B8为1.90T以上。
在本发明中，方向性电磁钢板用钢坯的成分组成只要是发生二次再结晶的成分组成即可。另外，在利用抑制剂时，例如，在利用AlN系抑制剂时，适量含有Al和N即可，另外，在利用MnS/MnSe系抑制剂时，适量含有Mn以及Se和/或S即可。当然，也可以并用两种抑制剂。此时，Al、N、S和Se的优选含量分别为Al：0.01～0.065质量%、N：0.005～0.012质量%、S：0.005～0.03质量%、Se：0.005～0.03质量%。
另外，本发明也可以适用于限制了Al、N、S和Se的含量的不使用抑制剂的方向性电磁钢板。这种情况下，优选将Al、N、S和Se量分别抑制为Al：100质量ppm以下、N：50质量ppm以下、S：50质量ppm以下和Se：50质量ppm以下。
以下对本发明的方向性电磁钢板用钢坯的基本成分和任选添加成分具体地进行说明。
C：0.08质量%以下
C是为了改善热轧板组织而添加的，但超过0.08质量%时，在制造工序中将C降低至不引起磁时效的50质量ppm以下的负担增大，因此，优选使其为0.08质量%以下。需要说明的是，关于下限，由于即使是不含C的原材料也能够进行二次再结晶，因此无需特别设定。
Si：2.0～8.0质量%
Si是对提高钢的电阻、改善铁损有效的元素，含量为2.0质量%以上时铁损降低效果特别良好。另一方面，含量为8.0质量%以下时，能够得到特别优良的加工性和磁通密度。因此，优选使Si量在2.0～8.0质量%的范围内。
Mn：0.005～1.0质量%
Mn是在使热加工性良好的方面有利的元素，但含量小于0.005质量%时，其添加效果不足。另一方面，使其含量为1.0质量%以下时，成品板的磁通密度变得特别良好。因此，优选使Mn量在0.005～1.0质量%的范围内。
除了上述的基本成分之外，还可以适量含有如下所述的元素作为磁特性改善成分。
选自Ni：0.03～1.50质量%、Sn：0.01～1.50质量%、Sb：0.005～1.50质量%、Cu：0.03～3.0质量%、P：0.03～0.50质量%、Mo:0.005～0.10质量%和Cr:0.03～1.50质量%中的至少1种
Ni是对进一步改善热轧板组织从而使磁特性进一步提高有用的元素。但是，含量小于0.03质量%时，磁特性的提高效果小，另一方面，含量为1.5质量%以下时，二次再结晶的稳定性显著增加，磁特性进一步得到改善。因此，优选使Ni量在0.03～1.5质量%的范围内。
另外，Sn、Sb、Cu、P、Cr和Mo分别是对提高磁特性有用的元素，但任意一个不满足上述各成分的下限时，磁特性的提高效果小，另一方面，含量在上述各成分的上限量以下时，二次再结晶晶粒的发达达到最佳。因此，优选分别在上述范围内含有。
需要说明的是，上述成分以外的余量为在制造工序中混入的不可避免的杂质和Fe。
接着，将具有上述成分组成的钢坯按照常规方法加热后供于热轧，但是，也可以在铸造后不经加热而直接进行热轧。在薄铸片的情况下，可以进行热轧，也可以省略热轧而直接进入之后的工序。
另外，根据需要实施热轧板退火。热轧板退火的主要目的在于，消除在热轧中产生的条带组织而使一次再结晶组织进行整粒，从而在二次再结晶退火中使高斯组织进一步发达而改善磁特性。此时，为了使高斯组织在成品板中高度发达，优选800～1200℃的范围作为热轧板退火温度。热轧板退火温度低于800℃时，热轧中的条带组织残留，难以实现进行整粒后的一次再结晶组织，从而无法得到期望的二次再结晶的改善。另一方面，热轧板退火温度超过1100℃时，热轧板退火后的粒径过于粗大化，因此极难实现进行整粒后的一次再结晶组织。
热轧板退火后，实施一次冷轧或隔着中间退火的两次以上的冷轧，然后，进行脱碳退火(兼作再结晶退火)，并涂布退火分离剂。在涂布退火分离剂后，以二次再结晶和镁橄榄石被膜(以Mg2SiO4为主体的被膜)的形成为目的进行最终退火。
对于退火分离剂而言，为了形成镁橄榄石，优选以MgO为主要成分的退火分离剂。在此，MgO为主要成分是指在不阻碍作为本发明目的的镁橄榄石被膜的形成的范围内，可以含有MgO以外的公知的退火分离剂成分、特性改善成分。
在最终退火后，进行平整退火来矫正形状是有效的。另外，在本发明中，在平整退火前或平整退火后在钢板表面上施加绝缘涂层。在此，该绝缘涂层是指在本发明中为了降低铁损降低而能够对钢板赋予张力的涂层(以下称为张力涂层)。另外，作为张力涂层，可以列举含有二氧化硅的无机类涂层、利用物理蒸镀法、化学蒸镀法等得到的陶瓷涂层等。
在本发明中，对于上述的最终退火后或赋予张力涂层后的方向性电磁钢板，在上述任意时刻、在上述的条件下对钢板表面照射电子束或连续激光，由此实施磁畴细化。
本发明中，除上述的工序和制造条件之外，使用现有公知的实施使用了电子束或连续激光的磁畴细化处理的方向性电磁钢板的制造方法即可。
实施例
将含有3质量%的Si的轧制成最终板厚为0.23mm的冷轧板脱碳、并进行一次再结晶退火后，涂布以MgO为主要成分的退火分离剂，实施包括二次再结晶过程和纯化过程的最终退火，得到具有镁橄榄石被膜的方向性电磁钢板。涂布含有60%的胶态二氧化硅和磷酸铝的绝缘涂层，并在800℃下烧结。然后，与轧制方向成直角地进行电子束或激光照射，点列状或连续地引入了应变。在点列照射的情况下，轧制正交方向的间隔通过控制电子束扫描的停止时间间隔而进行变更。结果得到了以磁通密度B8值计为1.90T～1.94T的材料。
将这样得到的试样剪切成图5所示形状和尺寸的斜角形，以交替层叠的方式层叠70层，制作图5所示的三相三脚型的500mm见方的变压器。使用功率计，测定以1.7T且50Hz励磁时的无载损耗(变压器铁损)。
将所测得的变压器铁损与照射条件、所引入的应变区域的大小、相邻应变区域之间的间隔各参数一并汇总示于表2和表3中。
表2
Figure BDA00002827349300141
表3
Figure BDA00002827349300151
如表2和表3所示，在利用电子束照射和连续激光照射、并且以适当的应变区域的大小、相邻应变区域之间的间隔引入了热应变的适合例，与比较例相比，变压器铁损均减少了5%以上。

Claims (4)

1.一种方向性电磁钢板，其为在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入了热应变的方向性电磁钢板，其中，以所述点列的方式引入的应变区域的大小为0.10mm以上且0.50mm以下，并且相邻应变区域之间的间隔为0.10mm以上且0.60mm以下。
2.如权利要求1所述的方向性电磁钢板，其中，所述点列在轧制方向的列间隔为2～10mm。
3.一种方向性电磁钢板的制造方法，在利用电子束照射在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入热应变时，使该电子束照射的轧制方向的列间隔为2～10mm、点列内的照射点间隔为0.2mm以上且1.0mm以下，并且使由下式(1)定义的每单位射束直径的照射能量E为30mJ/mm以上且180mJ/mm以下，
E＝[电子束加速电压(kV)×射束电流值(mA)×1点的照射时间(μs)×1000]/射束直径(mm)…(1)。
4.一种方向性电磁钢板的制造方法，在利用连续激光照射在与钢板的轧制方向交叉的方向上以应变点排列成点列的方式引入热应变时，使该连续激光照射的轧制方向的列间隔为2～10mm、点列内的照射点间隔为0.2mm以上且1.0mm以下，并且使由下式(2)定义的每单位射束直径的照射能量E为40mJ/mm以上且200mJ/mm以下，
E＝[平均激光功率(W)×1点的照射时间(μs)×1000]/射束直径(mm)…(2)。
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