CN104024451A - 取向性电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够有效降低通过磁畴细化处理降低了铁损的取向性电磁钢板在变压器铁芯中层叠使用时产生的噪音的、噪音特性优良的取向性电磁钢板。所述取向性电磁钢板为对在钢板正反面具备镁橄榄石覆膜和张力涂层的取向性电磁钢板实施了导入线状热应变的磁畴细化处理的取向性电磁钢板，该钢板的轧制方向的弯曲量按照以所述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为600mm以上且6000mm以下，并且与所述轧制方向成直角的方向的弯曲量按照以所述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为2000mm以上。

Description

取向性电磁钢板
技术领域
本发明涉及用于变压器等的铁芯材料的取向性电磁钢板。
背景技术
取向性电磁钢板是主要用作变压器的铁芯的材料。作为取向性电磁钢板的材料特性，从变压器的高效率化和低噪音化的观点出发，要求低铁损和低磁致伸缩。
为此，重要的是使钢板中的二次再结晶晶粒高度集中于{110}＜001＞取向(所谓的高斯取向)。另一方面，已知若晶粒的取向性过高，则铁损反而增加。因此，为了克服该缺点，开发了在钢板的表面导入应变、槽而使磁畴的宽度细化从而降低铁损的技术、即磁畴细化技术。
例如，专利文献1中提出了通过对最终制品板照射激光，在钢板表层导入线状的高位错密度区域，从而使磁畴宽度变窄来降低铁损的技术。
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。该通过电子束照射降低铁损的方法中，电子束的扫描可以通过磁场控制而高速进行。因此，由于没有可在激光的光学扫描机构中看到的机械活动部，因而特别是对1m以上的宽幅的连续的钢带实现连续且高速地导入应变的情况有利。
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
发明要解决的问题
然而，即便是如上所述实施了磁畴细化处理的取向性电磁钢板，在组装在实际变压器中时，有时变压器噪音会增大仍是问题。
本发明是鉴于上述情况而开发的，目的在于提供能够有效降低通过磁畴细化处理降低了铁损的取向性电磁钢板在变压器铁芯中层叠使用时产生的噪音的、噪音特性优良的取向性电磁钢板。
即，本发明的主旨构成如下所述。
(1)一种取向性电磁钢板，其为对在钢板正反面具备镁橄榄石覆膜和张力涂层的取向性电磁钢板(的单面)实施了导入线状热应变的磁畴细化处理的取向性电磁钢板，其特征在于，该钢板的轧制方向的弯曲量按照以上述热应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为600mm以上且6000mm以下，并且，与上述轧制方向成直角的方向的弯曲量按照以上述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为2000mm以上。
(2)如上述(1)所述的取向性电磁钢板，其中，对于供于上述磁畴细化处理的取向性电磁钢板而言，上述镁橄榄石覆膜和张力涂层合计的覆膜张力在钢板正反面相等，并且仅除去钢板正反面中任一单面的镁橄榄石覆膜和张力涂层时的弯曲量以该弯曲面的曲率半径计为500mm以下。
(3)如上述(1)或(2)所述的取向性电磁钢板，其中，上述线状热应变通过照射激光束导入。
(4)如上述(1)或(2)所述的取向性电磁钢板，其中，上述线状热应变通过照射电子束导入。
在此，对于上述钢板中作为弯曲量的曲率半径而言，在评价轧制方向的弯曲量时，从热应变导入后或导入前的取向性电磁钢板上，切出在轧制方向上为300mm且在与轧制方向成直角的方向上为100mm的试样，对于该试样，如图1所示将100mm的边沿铅垂方向立起，测定距离x和L，根据下式算出曲率半径。
曲率半径R＝(L2+4x2)/8x
需要说明的是，上式是依据图2所示，通过相关的两式L＝2Rsin(θ/2)和x＝R{1－cos(θ/2)}导出的。并且，在评价与轧制方向成直角的方向的弯曲量时，切出在与轧制方向成直角的方向上为300mm且在轧制方向上为100mm的试样，进行同样测定，算出曲率半径。
另外，弯曲中的轧制方向、与轧制方向成直角的方向的方向是指将该弯曲视作弓形时弦延伸的方向。
发明效果
根据本发明，层叠通过导入应变而实现了低铁损的取向性电磁钢板而制作的变压器与以往相比能够大幅降低噪音。
附图说明
图1是说明钢板的曲率半径的测定要领的图。
图2是说明曲率半径的计算式的导出过程的图。
图3是表示钢板长度方向的弯曲量(曲率半径)与铁芯的噪音值之间的关系的图。
图4是表示钢板轧制直角方向的弯曲量(曲率半径)与铁芯的噪音值之间的关系的图。
具体实施方式
下面，对本发明的取向性电磁钢板具体地进行说明。
通常，在取向性电磁钢板的制品板的表层形成有镁橄榄石覆膜和张力涂层，对张力涂层的表面实施过为了降低铁损而实施的激光照射或电子束照射等。该降低铁损的机理为：通过对钢板表面照射高能量射束，赋予热应变从而细化钢板磁畴，由此表现出降低铁损。
通过从钢板的单面周期性地导入该局部热应变，在钢板上产生以应变导入面为内侧的在轧制方向的弯曲。包含该弯曲的钢板形状对于铁损测定或磁通密度测定基本不造成影响，但是在组装变压器时显然会成为问题。
可以说利用导入热应变的磁畴控制技术原本是通过对宽度大的主磁畴主体的磁畴结构按照大致直角导入应变，由此使主磁畴的磁畴宽度变窄而降低铁损的技术。因此，在导入热应变的部位，磁畴结构局部地发生变化，出现也称作辅助磁畴或闭合磁畴的磁畴结构。作为噪音的主因的磁致伸缩振动直接反映了在交流励磁下的动态磁畴结构变化的结果，因而噪音值因其导入热应变的强度、图案而可大可小。
与该基于局部磁畴结构的磁致伸缩振动不同，本发明着眼于将钢板视为整体时的弯曲。即，在变压器铁芯的层叠结构中，在长度方向(轧制方向)产生了弯曲的钢板会被矫正至平直并被层叠，但是此时在热应变的导入面侧作用有拉伸应力、在非导入面侧作用有压缩应力。
因此，使用连续激光，制作利用照射射束强度以及各种反复照射间距对磁畴进行过控制的钢板，由该钢板制作500mm见方的三相三柱变压器的模型铁芯，对钢板弯曲量和铁芯产生的噪音进行了详细研究。所使用的取向性电磁钢板的重量约为20kg，以面压力计，对铁芯整面施加98.1kPa(1.0kgf/cm2)的载荷，进行磁通密度1.7T和频率50Hz的交流励磁，实施噪音测定。
噪音测定使用在U柱、V柱、W柱的各柱中央的正上方200mm的位置设置的电容式麦克风，取3点的平均值。需要说明的是，虽然也进行了频率解析，但噪音用总值进行比较。
测量该钢板的长度方向(轧制方向)的弯曲量作为曲率半径，以该弯曲量为横轴并以铁芯的噪音值为纵轴进行作图，结果示于图3中。如该图所示，可知若曲率半径小于600mm，则噪音值快速增大。认为这是由于，弯曲量大的钢板在层叠时被矫正形状而施加了强的应力。另外可知，在曲率半径大于6000mm的范围，噪音也趋于增大。推测这是因为热应变的导入量过少而产生的。即因为，对于通过导入热应变而实施了磁畴细化处理的材料而言，通过该磁畴控制而使磁畴宽度本身变窄，因此所谓的磁致伸缩振动中的振动振幅变小，对噪音发挥有利作用。因此，在考虑到实际的变压器所产生的噪音的情况下，反映热应变的导入量和导入图案的钢板弯曲量存在最佳范围，该范围为：轧制方向的钢板弯曲量按照以应变导入面为内侧的曲率半径计为600mm以上且6000mm以下。
另外，在实际的大型变压器的组装中，若钢板在长度方向、即轧制方向具有弯曲，则在层叠作业中必然会产生问题。
接着，本发明人还着眼于轧制直角方向的弯曲量。本次使用连续激光，以在扫射照射射束时周期性地调变强度或者使焦点自身从正焦略虚化的方式进行照射。对于轧制方向、即钢板长度方向的弯曲量而言，按照使曲率半径恒定为5000mm的方式调整射束强度、间距等。同时也一并实施脉冲振荡型的激光照射。脉冲照射中无法周期性地调变强度。
关于测定轧制直角方向的弯曲量作为曲率半径的结果，在图4中示出了其与噪音的关系。在轧制直角方向的钢板弯曲量按照以应变导入面为内侧的曲率半径计小于2000mm的区域中，噪音增大。因此可以认为，对于噪音而言，轧制直角方向的弯曲越小越好。需要说明的是，对于上限没有特别限定的必要，在轧制直角方向也可以完全平坦。
而且，具有镁橄榄石覆膜和张力涂层的适当覆膜张力对抑制噪音有效。作为两者合计的覆膜张力的评价方法，在仅除去热应变导入前的钢板正反面中单面的镁橄榄石覆膜和张力涂层时，若采用曲率半径，则该曲率半径为500mm以下对于抑制钢板的磁致伸缩振动而言是必要的。大于500mm的情况下，两者合计的覆膜张力过小，抑制钢板的磁致伸缩振动的效果小，结果导致噪音增大。
接着，对本发明的取向性电磁钢板的制造条件具体进行说明。
在本发明中，取向性电磁钢板用钢坯的成分组成没有特别限制，只要是产生二次再结晶的成分组成即可。
另外，利用抑制剂时，如果利用例如AlN系抑制剂，则含有适量的Al和N即可，并且，如果利用MnS/MnSe系抑制剂，则含有适量Mn与Se和/或S即可。当然，也可以合用两种抑制剂。该情况下的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％。
而且，本发明也能够适用于限制了Al、N、S、Se的含量的不使用抑制剂的取向性电磁钢板。
此时，Al、N、S和Se量分别优选抑制为Al：100质量ppm以下、N：50质量ppm以下、S：50质量ppm以下、Se：50质量ppm以下。
若对本发明的取向性电磁钢板用钢坯的基本成分和可选添加成分具体进行描述，则为如下所述。
C：0.08质量％以下
C是为了改善热轧板组织而添加的，但是若高于0.08质量％，则在制造工序中难以将C降低至不引起磁时效的50质量ppm以下，因此优选为0.08质量％以下。需要说明的是，即使是不含C的原材料也可以二次再结晶，因而没有必要对下限进行特别设定。
Si：2.0～8.0质量％
Si是对提高钢的电阻、改善铁损而言有效的元素，但若含量低于2.0质量％，则无法实现充分的铁损降低效果；另一方面，若高于8.0质量％，则加工性显著下降，并且磁通密度也下降，因此Si量优选为2.0～8.0质量％的范围。
Mn：0.005～1.0质量％
Mn是在改善热加工性方面必要的元素，但含量低于0.005质量％的情况下，其添加效果差；另一方面，若高于1.0质量％，则制品板的磁通密度下降，因此Mn量优选为0.005～1.0质量％的范围。
除了上述基本成分以外，可以适当含有下述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％和Mo：0.005～0.10质量％中的至少1种
Ni是用于改善热轧板组织来改善磁特性而有用的元素。然而，含量低于0.03质量％的情况下，磁特性的改善效果小；另一方面，若高于1.5质量％，则二次再结晶变得不稳定，磁特性变差。因此，Ni量优选为0.03～1.5质量％的范围。
另外，Sn、Sb、Cu、P和Mo均为对改善磁特性而言有用的元素，但是若各自低于上述各成分的下限，则磁特性的改善效果小；另一方面，若高于上述各成分的上限量，则二次再结晶晶粒的发展受阻，因此优选按照上述范围含有各元素。
需要说明的是，上述成分以外的余量为Fe和在制造工序中混入的不可避免的杂质。
接着，具有上述成分组成的钢坯依照常规方法进行加热并供于热轧，但也可以在铸造后不加热而直接进行热轧。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。
进而，按照需要实施热轧板退火。此时，为了使高斯组织在制品板中高度发达，作为热轧板退火温度，优选800～1100℃的范围。若热轧板退火温度低于800℃，则残留有热轧中的带状组织，难以实现经过整粒的一次再结晶组织，二次再结晶的发展受阻。另一方面，若热轧板退火温度高于1100℃，则热轧板退火后的粒径过于粗大化，因此极难实现经过整粒的一次再结晶组织。
热轧板退火后，对该热轧板实施1次冷轧或夹着中间退火的2次以上的冷轧而制成冷轧板，然后进行再结晶退火，涂布退火分离剂。以二次再结晶和形成镁橄榄石覆膜为目的，对涂布了退火分离剂的钢板实施最终退火。
对最终退火后的钢板进行平坦化退火以矫正钢板的形状是有效的。需要说明的是，层叠钢板来使用时，出于改善铁损的目的，在平坦化退火之前或之后对钢板表面施加张力涂层是有效的。该张力涂层通常为磷酸盐-胶态二氧化硅系的玻璃涂层，但是此外也可以是硼酸氧化铝系等具有低热膨胀系数的氧化物。并且，作为产生更高张力的覆膜，杨氏模量大的碳化物、氮化物等也是有效的。
需要说明的是，施加张力涂层时重要的是调整涂布量、烧结条件，从而使所产生的张力充分发挥。
在此，就磁畴细化处理前的取向性电磁钢板而言，要使镁橄榄石覆膜和张力涂层合计的覆膜张力在钢板正反面相等，并且使仅除去钢板正反面中任一单面的镁橄榄石覆膜和张力涂层时的弯曲量以该弯曲面的曲率半径计为500mm以下，则需要在适当张力、适当温度下进行平坦化退火，并且对上述覆膜充分进行具有低热膨胀系数的玻璃涂层的烧结，从而使基于热残留应力的拉伸应力充分地产生。
在本发明中，在赋予张力涂层后的时刻，通过对钢板表面照射激光、电子束等热射束，使磁畴细化。这些照射痕的方向优选为相对于钢板的轧制方向成90°～45°的方向。
在此，就实施了磁畴细化处理的取向性电磁钢板而言，要使该钢板的轧制方向的弯曲量按照以上述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为600mm以上且6000mm以下，并且使上述轧制方向的直角方向的弯曲量按照以上述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为2000mm以上，则调整激光、电子束的射束强度和束剖面、以及使扫描中的强度分布变化等方法的组合是有效的。并且，重要的是按照满足上述范围的方式以最佳条件组合上述方法。尤其是，作为束剖面的调整，对激光而言调整焦点、对电子束而言改变会聚线圈中的射束会聚量，从而使其并不一定为正焦，这是有效的。
实施例1
将含有Si：3.2质量％、C：0.07质量％、Mn：0.06质量％、Ni：0.05质量％、Al：0.027质量％、N：0.008质量％和Se：0.02质量％且余量由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯加热至1450℃，并热轧至厚度为1.8mm而制成热轧板，然后对该热轧板实施夹着中间退火的2次冷轧而制成最终板厚0.23mm，对所制得的取向性电磁钢板用冷轧板实施脱碳、一次再结晶退火，然后涂布以MgO为主要成分的退火分离剂，实施包含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。之后，对该钢板涂布由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。此时，使涂层附着量为两个水准，为厚附着量(每个单面的干燥附着量为6.5g/m2)和薄附着量(每个单面的干燥附着量为4.0g/m2)。
在轧制方向和轧制直角方向上切割所得到的试样，制作长度为300mm和宽度为100mm的尺寸的覆膜张力评价用试片。之后，利用热盐酸仅除去试片单面的镁橄榄石覆膜和绝缘涂层，测量轧制方向的曲率半径。需要说明的是，曲率半径依据上述图2所示求出。这对于下文中的曲率半径来说也是同样的。
接着，磁畴细化处理通过对取向性电磁钢板在与其轧制方向成直角的方向照射连续光纤激光而实施。激光束在钢板上的扫描使用检流计式扫描器进行。
激光照射时轧制方向的照射列的间隔恒定为4mm，但连续激光的强度不仅仅为恒定条件，而且通过在扫描中按照50～100％的范围改变强度、将焦点从正焦位置改变至略虚化的位置进行照射，对弯曲进行调整。
按照长度为300mm且宽度为100mm的尺寸在轧制方向和轧制直角方向上切割所得到的试样的一部分，分别测定激光照射后的钢板在轧制方向、轧制直角方向的曲率。对剩余试样按照用于500mm见方的正方三柱铁芯进行斜角切割并层叠，制作约40kg的三相变压器。各柱的宽度为100mm。使用电容式麦克风在三相变压器铁芯的各柱的正上方20cm的位置测定1.7T和50Hz励磁时的噪音，求出平均值。此时，作为听觉修正，进行了A声级修正。
将所测量的变压器噪音与钢板在轧制方向、轧制直角方向的曲率半径和作为覆膜张力的指标的除去单面时的曲率半径一并汇总于表1。对于轧制方向或轧制直角方向的曲率未落入合适范围的试样1、4～6、9、10、12而言，模型变压器铁芯的噪音增大。另一方面，可知对于满足本发明条件的试样2、3、7、8、11而言，噪音得到了抑制，并且，对于覆膜张力处于本发明的优选范围的试样2、3、7、11而言，噪音进一步得到了抑制。
[表1]
实施例2
将含有Si：3.3质量％、C：0.06质量％、Mn：0.08质量％、S：0.023质量％、Al：0.03质量％、N：0.007质量％、Cu：0.2质量％和Sb：0.02质量％且余量由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯加热至1430℃，并热轧至厚度为2.5mm而制成热轧板，然后对该热轧板实施夹着中间退火的2次冷轧而制成最终板厚0.23mm，对所制得的取向性电磁钢板用冷轧板实施脱碳、一次再结晶退火，然后涂布以MgO为主要成分的退火分离剂，实施包含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。之后，涂布由50％的胶态二氧化硅和磷酸镁构成的绝缘涂层，在850℃进行烧结。此时，使涂层附着量为两个水准，为厚附着量和薄附着量。作为覆膜张力评价用，从所得到的试样在轧制方向和轧制直角方向上按照长度为300mm、宽度为100mm的尺寸进行切割。之后，利用热盐酸对该钢板仅除去单面的镁橄榄石覆膜和绝缘涂层，测量轧制方向的曲率。
接着，磁畴细化处理通过对取向性电磁钢板在与其轧制方向成直角的方向照射电子束而实施。处理中的真空度为0.5Pa，电子束在钢板上的扫描通过偏向线圈进行。
电子束照射时的轧制方向的照射列的间隔恒定为5mm。电子束并不是连续地照射，而是以点状进行照射，其点列间隔按照0.1～1.0mm的范围变化。并且通过调整射束电流和会聚线圈的电流量来使射束强度的分布发生变化。
按照长度为300mm且宽度为100mm的尺寸在轧制方向和轧制直角方向上切割所得到的试样的一部分，分别测定电子束照射后的钢板在轧制方向、轧制直角方向的曲率。对剩余试样按照用于500mm见方的正方三柱铁芯进行斜角切割并层叠，制作约32kg的单相变压器。柱的宽度为100mm。使用电容式麦克风在单相变压器铁芯的两端柱的正上方20cm的位置测定1.7T和50Hz励磁时的噪音，求出平均值。此时，作为听觉修正，进行了A声级修正。
将所测量的变压器噪音与钢板在轧制方向、轧制直角方向的曲率半径和作为覆膜张力的指标的除去单面时的曲率半径一并汇总于表2。对于轧制方向或轧制直角方向的曲率未落入合适范围的试样1、2、5、6、9、10、12而言，模型变压器铁芯的噪音增大。另一方面，可知对于满足本发明条件的试样3、4、7、8、11而言，噪音得到了抑制，并且，对于覆膜张力处于本发明的优选范围的试样3、4、7、11而言，噪音进一步得到了抑制。
[表2]

Claims (4)

1.一种取向性电磁钢板，其为对在钢板正反面具备镁橄榄石覆膜和张力涂层的取向性电磁钢板实施了导入线状热应变的磁畴细化处理的取向性电磁钢板，其特征在于，该钢板的轧制方向的弯曲量按照以所述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为600mm以上且6000mm以下，并且，与所述轧制方向成直角的方向的弯曲量按照以所述应变的导入面为内侧的弯曲面的曲率半径计为2000mm以上。
2.如权利要求1所述的取向性电磁钢板，其中，对于供于所述磁畴细化处理的取向性电磁钢板而言，所述镁橄榄石覆膜和张力涂层合计的覆膜张力在钢板正反面相等，并且仅除去钢板正反面中任一单面的镁橄榄石覆膜和张力涂层时的弯曲量以该弯曲面的曲率半径计为500mm以下。
3.如权利要求1或2所述的取向性电磁钢板，其中，所述线状热应变通过照射激光束导入。
4.如权利要求1或2所述的取向性电磁钢板，其中，所述线状热应变通过照射电子束导入。
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