CN104011246B - 取向性电磁钢板 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够降低通过磁畴细化处理降低了铁损的取向性电磁钢板在层叠成变压器的铁芯等使用时该铁芯产生的噪音的方法。所述取向性电磁钢板是在钢板的轧制方向周期性地具有向着与该钢板的轧制直角方向所成的角度为30°以内的朝向延伸的线状的应变、铁损W_17/50为0.720W/kg以下且磁通密度B₈为1.930T以上的取向性电磁钢板，在所述应变部分产生的闭合磁畴所占的体积为钢板中的全部磁畴体积的1.00％以上且3.00％以下。

Description

取向性电磁钢板

技术领域

本发明涉及适合于变压器等的铁芯材料的取向性电磁钢板。

背景技术

取向性电磁钢板主要用作变压器的铁芯，要求其磁化特性优良，特别是要求铁损低。

因此，使钢板中的二次再结晶晶粒高度集中于(110)[001]取向(高斯取向)和降低制品中的杂质很重要。进而，对于控制结晶取向和降低杂质而言存在极限，因此开发了磁畴细化技术，所述磁畴细化技术是通过物理性方法对钢板的表面导入不均匀性而使磁畴的宽度细化从而降低铁损的技术。

例如，专利文献1中提出了如下技术：通过对最终制品板照射激光，在钢板表层导入高位错密度区域，从而使磁畴宽度变窄来降低铁损。另外，专利文献2中提出了通过照射电子束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06-072266号公报

发明内容

发明所要解决的问题

但是，近年来，还强烈要求层叠为变压器的铁芯时产生的噪音小。特别是希望抑制将上述通过磁畴细化实现了低铁损的取向性电磁钢板供于变压器的铁芯时变压器的噪音。

因此，本发明的目的在于提供能够降低通过磁畴细化处理降低了铁损的取向性电磁钢板在层叠成变压器的铁芯等使用时该铁芯产生的噪音的方法。

用于解决问题的方法

变压器的噪音的主要原因是电磁钢板在磁化时产生的磁致伸缩行为。例如，对于含有3质量％左右的Si的电磁钢板而言，通常钢板在磁化的方向上伸长。

但是，若通过连续激光或者电子束等赋予与钢板的轧制方向正交的方向或者自正交方向偏离一定角度的线状的应变，则在该应变部分产生闭合磁畴。在该钢板中完全不存在闭合磁畴且钢板的磁畴结构仅由朝向轧制方向的180°磁畴构成的理想情况下，将钢板磁化时磁畴结构的变化仅由已经因磁致伸缩而在轧制方向上伸长的180°磁畴的磁畴壁位移来完成，因此不会产生因磁致伸缩的变化所引起的钢板的伸缩。然而，若钢板中存在闭合磁畴，则将钢板磁化时磁畴结构的变化在180°磁畴的磁畴壁位移的基础上还要加上闭合磁畴的生成和消失。在此，闭合磁畴在板宽方向上伸长，因此，由于闭合磁畴的生成和消失，钢板表现出向轧制方向以及板宽方向/板厚方向的磁致伸缩的变化所引起的伸缩。因此认为，若钢板中的闭合磁畴的量不同，则因磁化而产生的磁致伸缩和层叠为变压器铁芯时的噪音也发生变化。

因此，发明人着眼于钢板中所含有的闭合磁畴的体积分率，调查了其对铁损和变压器的噪音所带来的影响。

首先，对钢板的磁通密度B₈与噪音的关系进行了研究。即，若在180°磁畴内磁化从轧制方向偏移，则将电磁钢板磁化时在饱和磁化附近产生磁化的旋转。这样的旋转增大轧制方向和板宽方向的伸缩，导致磁致伸缩的增大，因此从变压器铁芯的噪音的观点出发是不利的。由此，晶粒的[001]取向集聚于轧制方向的高取向性的钢板是有利的，发明人发现了：当B₈≥1.930T时，能够抑制磁化的旋转所导致的变压器铁芯的噪音增大。

接着，对闭合磁畴的体积分率进行说明。钢板在轧制方向产生的磁致伸缩的主要原因如上所述是闭合磁畴的产生。若该闭合磁畴存在，则闭合磁畴中的磁化具有与180°磁畴的磁化正交的朝向，因此导致钢板收缩。闭合磁畴按照体积分率计以ξ存在时，相对于无闭合磁畴状态的轧制方向的磁致伸缩变化与λ₁₀₀ξ成比例。在此，λ₁₀₀为[100]方向的磁致伸缩常数23×10^-6。

另外，理想的电磁钢板是全部晶粒的[001]取向与轧制方向平行且180°磁畴的磁化也与轧制方向平行，但现实中晶粒的取向具有从轧制方向偏离的角度。因此，由于向轧制方向的磁化，发生180°磁畴的磁化旋转，产生轧制方向的磁致伸缩。此时，相对于180°磁畴的磁化与轧制方向平行的情况，磁化旋转所导致的轧制方向的磁致伸缩变化与λ₁₀₀(1-cos²θ)成比例。若对钢板进行励磁后测定轧制方向的磁致伸缩，能观测到上述两个主要原因混合存在。在此，当B₈≥1.930T时，晶粒的[001]取向的偏移相对轧制方向为4°以下，但磁化旋转对磁致伸缩的贡献为(6×10^-4)λ₁₀₀以下，与含有3％Si的电磁钢板的磁致伸缩相比非常小。因此，对于噪音特性优良的B₈≥1.930T的钢板而言，作为磁致伸缩的主要原因的磁化的旋转可以忽略，可以认为仅由闭合磁畴的体积分率的变化决定。因此，通过测定轧制方向的磁致伸缩，能够对闭合磁畴的体积分率进行评价。

另外，为了求出闭合磁畴的体积分率，需要将钢板中完全没有闭合磁畴的状态和产生最大量的闭合磁畴的状态进行比较。然而，在以往的磁致伸缩评价中，在使钢板不为磁饱和的情况下进行测定，在这样的状态下钢板中残留有闭合磁畴，无法正确评价闭合磁畴的体积分率。因此，发明人从测定饱和磁通密度下的磁致伸缩出发，对闭合磁畴的体积分率进行了评价。在饱和磁通密度下钢板的磁畴全部为180°磁畴，若利用交流磁场使磁通密度接近0(零)，则产生闭合磁畴从而产生磁致伸缩。使用此时的磁致伸缩的最大值与最小值之差λ_P-P，按照以下的公式(A)求出闭合磁畴的体积分率ξ。

$\mathrm{\ξ}=-\frac{2}{3}\frac{{\mathrm{\λ}}_{p-p}}{{\mathrm{\λ}}_{100}}...\left(A\right)$

接着，计算钢板的闭合磁畴的体积分率，利用单板磁性试验器(SST)实施W_17/50的测定和变压器铁芯的噪音测定。将这些测定结果整理后示于图1中。闭合磁畴的体积分率使用上述方法计算，轧制方向的磁致伸缩测定在频率为50Hz且饱和磁通密度下使用激光多普勒振动计进行。W_17/50是频率为50Hz、最大磁通密度为1.7T下的铁损。另外，变压器铁芯的励磁条件是频率为50Hz、最大磁通密度为1.7T。试样是板厚为0.23mm的取向性电磁钢板，且满足B₈≥1.930T。导入应变的方法是在激光束的输出功率为100W、扫描速度为10m/s、改变钢板表面的射束直径的各种条件下对钢板表面照射连续激光束。

需要说明的是，作为改变射束直径的方法，通过改变入射至聚光透镜的激光束的直径来对应进行，所述聚光透镜用于使激光会聚在钢板表面上欲照射激光束的点及其周边区域。由此，发明人发现：若扩大射束直径，则在试样中导入的闭合磁畴的体积分率降低，随之，铁芯的噪音也减小。

另一方面判明了，W_17/50在射束直径接近激光照射装置能够提供的射束直径的最小值时最小，若扩大射束直径，W_17/50有变差的倾向。特别是，若通过扩大射束直径使得闭合磁畴的体积分率小于1.00％，则W_17/50比0.720W/kg差，无法得到良好的磁特性。认为扩大射束直径所导致的闭合磁畴的体积分率下降的原因在于：其意味着导入至钢板中的应变减少，因此，这样的磁特性的变差减弱了磁畴细化效果。

根据以上的结果，发明人提供B₈优良、并且通过使导入的应变的量以在应变部分产生的闭合磁畴的体积分率计为1.00％以上且3.00％以下的范围而作为变压器铁芯等的噪音特性适宜并且磁特性优良的取向性电磁钢板。

即，本发明的主要构成如下。

(1)一种噪音特性优良的取向性电磁钢板，其是在钢板的轧制方向周期性地具有向着与该钢板的轧制直角方向所成的角度为30°以内的朝向延伸的线状的应变、铁损W_17/50为0.720W/kg以下且磁通密度B₈为1.930T以上的取向性电磁钢板，其特征在于，在上述应变部分产生的闭合磁畴所占的体积为钢板中的全部磁畴体积的1.00％以上且3.00％以下。

(2)如上述(1)所述的取向性电磁钢板，其特征在于，上述线状的应变通过照射连续激光束导入。

(3)如上述(1)所述的取向性电磁钢板，其特征在于，上述线状的应变通过照射电子束导入。

发明效果

根据本发明，对于将使用赋予应变而降低了铁损的取向性电磁钢板层叠而成的变压器，能够实现更低的噪音。

附图说明

图1是表示本发明的闭合磁畴的体积分率的优选范围的图。

具体实施方式

首先，关于变压器噪音即钢板的磁致伸缩振动，由于原材料晶粒向易磁化轴的集聚度越高则振动振幅越小，因此对于噪音抑制而言磁通密度B₈需要为1.930T以上。磁通密度B₈小于1.930T时，为了在磁化过程中使磁化与励磁磁场平行而需要磁畴的旋转运动，但这样的磁化旋转产生大的磁致伸缩的变化，使变压器噪音增大。

另外，若改变所赋予的应变的朝向、间隔或者区域，则所得到的铁损降低效果发生变化。在没有赋予适当的应变的情况下，有时铁损不会充分降低而不能得到良好的磁特性，或者即使控制闭合磁畴的体积分率也不会减少磁致伸缩而无法抑制变压器噪音。因此，通过使用赋予适当的应变而铁损W_17/50为0.720W/kg以下的钢板，能够得到控制闭合磁畴所带来的噪音降低效果。

接着，作为导入应变的方法，连续激光束照射、电子束照射等比较适合。照射方向为横切轧制方向的方向，优选相对于轧制方向成60°～90°的方向(与轧制直角方向所成的角度为30°以内的朝向)，使该照射向着轧制方向以3～15mm左右的间隔进行。应变的导入量可以通过在提供饱和磁通密度的交变磁场下测定轧制方向的磁致伸缩并利用上述式(A)计算闭合磁畴的体积分率来评价。磁致伸缩的测定优选：准备电磁钢板单板，通过使用激光多普勒振动计或者应变计的方法进行测定。

在此，使用连续激光束时的照射条件是射束直径为0.1mm～1mm，功率密度虽然依赖于扫描速度，但优选为100～10000W/mm²的范围。对于激光束的聚光直径，若将由激光照射装置的机器结构決定的最小直径为0.1mm以下的细射束直接照射在钢板表面上，则应变的导入量增大，闭合磁畴的体积分率也增大，变压器铁芯的噪音增大。因此，通过改变入射至用于激光会聚的聚光透镜中的激光束的直径来调整闭合磁畴的体积分率。例如，优选在使钢板表面的射束直径增大至最小直径的2倍左右的条件下进行照射。另外，若聚光直径过大，则磁畴细化效果减弱，会抑制铁损的改善，因此，优选聚光直径的扩大止于约5倍以下。作为励磁源，半导体激光励磁的光纤激光等是有效的。

另一方面，使用电子束时的照射条件优选为加速电压10～200kV、射束电流0.005～10mA。在此，可以通过调整射束电流量来调整闭合磁畴的体积分率。虽然也依赖于加速电压，但若电流高于上述范围，则应变的导入量增大，变压器铁芯的噪音增大。

需要说明的是，取向性电磁钢板只要具有铁损W_17/50为0.720W/kg以下且磁通密度B₈为1.930T以上的特性，则对成分组成没有特别的限制，优选为例如以质量％计含有C：0.002～0.10％、Si：1.0～7.0％和Mn：0.01～0.8％、进而含有Al：0.005～0.050％、N：0.003～0.020％、Se：0.003～0.030％和S：0.002～0.03％中的1种或2种以上的成分组成。

实施例1

通过连续铸造制造以质量％计含有C：0.07％、Si：3.4％和Mn：0.12％、Al：0.025％、Se：0.025％和N：0.015％且余量由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯，将该钢坯加热至1400℃后实施热轧而制成热轧板，对该热轧板实施热轧板退火后，实施夹着中间退火的两次冷轧，从而得到最终板厚为0.23mm的取向性电磁钢板用冷轧板。接着，对该取向性电磁钢板用冷轧板进行脱碳、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，得到具有镁橄榄石覆膜的取向性电磁钢板。然后，对该取向性电磁钢板涂布由60％的胶态二氧化硅和磷酸铝构成的绝缘涂层，在800℃进行烧结。接着，实施与轧制方向成直角地照射连续光纤激光的磁畴细化处理。对于激光照射，应用将激光平均输出功率设定为100W、射束的扫描速度设定为10m/s、改变钢板表面的射束直径的各种条件。对所得到的试样利用SST测定器进行W_17/50测定，并且，剪切成宽度为100mm且长度为280mm的长方形，使用激光多普勒振动计测定轧制方向的磁致伸缩，按照上述式(A)计算出钢板中的闭合磁畴的体积分率。另外，将试样形成为宽度100mm的斜方材，层叠成厚度15mm而制作三相变压器铁芯，使用电容式麦克风测定最大磁通密度为1.7T、频率为50Hz下的噪音。此时，进行A声级修正作为听觉修正。

将测量出的变压器铁芯的噪音与激光束的焦点和钢板表面的射束直径的条件、钢板的B₈以及闭合磁畴的体积分率的计算结果一起示于表1中。由该表明显可知：B₈≥1.930T且闭合磁畴的体积分率在指定范围内的钢板，得到了变压器铁芯的噪音低于36dBA、W_17/50也为0.720W/kg以下的良好的特性。

另一方面，在射束直径过细的区域中，闭合磁畴的体积分率在发明范围之外，噪音也变差。另外，若射束直径过粗，则虽然闭合磁畴的体积分率在发明范围内且噪音特性也良好，但W_17/50升高。另外，对于即使闭合磁畴的体积分率在发明范围内且铁损也良好但B₈低于1.930T的钢板而言，变压器铁芯的噪音变差。由此可知：为了得到适合作为变压器铁芯等的取向性电磁钢板，重要的是使磁通密度B₈、铁损W_17/50和闭合磁畴的体积分率三者均落入发明的范围内。

[表1]

实施例2

对与实施例1中用于激光束照射的激光照射前的电磁钢板相同的试样，在加速电压为60kV、射束速度为30m/s的条件下照射改变射束电流的各种条件的电子束。将所得到的试样按照与实施例1同样的方式测定钢板中的闭合磁畴的体积分率、W_17/50和变压器铁芯的噪音。

将测量出的变压器铁芯的噪音与射束电流、B₈、闭合磁畴的体积分率一起汇总在表2中。对于电子束而言，也是B₈≥1.930T且降低射束电流使闭合磁畴的体积分率在指定的范围内的试样的噪音为36dBA以下，实现了低噪音化。

另一方面，在提高电流密度的条件下，闭合磁畴的体积分率高于发明范围，结果是噪音增大，若降低电流密度，则闭合磁畴的体积分率低于发明范围，W_17/50变差。另外，对于即使闭合磁畴的体积分率在发明范围内且W_17/50为0.720W/kg以下但B₈＜1.930T的试样而言，噪音大于36dBA，在电子束照射下，也是通过使磁通密度B₈、铁损W_17/50和闭合磁畴的体积分率三者均落入发明的范围内，才能兼具磁特性和噪音特性。

[表2]

Claims (3)

1.一种噪音特性优良的取向性电磁钢板，其是在钢板的轧制方向周期性地具有向着与该钢板的轧制直角方向所成的角度为30°以内的朝向延伸的线状的应变、铁损W_17/50为0.720W/kg以下且磁通密度B₈为1.930T以上的取向性电磁钢板，其特征在于，在所述应变部分产生的闭合磁畴所占的体积在钢板中的全部磁畴体积中所占的比例ξ为1.00％以上且3.00％以下，

在所述应变部分产生的闭合磁畴所占的体积在钢板中的全部磁畴体积中所占的比例ξ定义为ξ＝-2λ_P-P/3λ₁₀₀，其中，λ₁₀₀为[100]方向的磁致伸缩常数23×10^-6，λ_P-P为在饱和磁通密度下利用交流磁场测定磁致伸缩时磁致伸缩的最大值与最小值之差。

2.如权利要求1所述的取向性电磁钢板，其特征在于，所述线状的应变通过照射连续激光束导入。

3.如权利要求1所述的取向性电磁钢板，其特征在于，所述线状的应变通过照射电子束导入。