CN104093870B - 方向性电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种方向性电磁钢板，在用于变压器的铁芯等的情况下，铁损和噪音极低，能量利用效率高，而且使在各种环境下能够使用的变压器的制造成为了可能。本发明涉及形成有闭合磁畴的区域的轧制方向剖面上的应变分布，使板厚方向的最大拉伸应变在0.45％以下，并且对于轧制方向的最大拉伸应变t(％)和最大压缩应变c(％)，使其满足下式(1)的关系，t+0.06≤t+c≤0.35 (1)。

Description

方向性电磁钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种方向性电磁钢板及其制造方法，该方向性电磁钢板用于变压器的铁芯等用途，尤其是能够同时实现铁损和噪音的改善。

背景技术

近些年，以能源的高效使用为背景，变压器制造商寻求磁通密度高、铁损低的电磁钢板。

通过使钢板的结晶方位向戈斯方位集聚，能够提高磁通密度，例如在专利文献1中，公开了具有超过1.97T的磁通密度B₈的方向性电磁钢板的制造方法。

另一方面，铁损能够通过原材料的高纯度化、高取向性、板厚降低、Si、Al添加及磁畴细分化来改善(例如非专利文献1)，但是通常，越提高磁通密度B₈，铁损越具有恶化的倾向。

例如已经知道，如果以磁通密度B₈的提高为目的，使结晶方位向戈斯方位集聚，则因静磁能降低，导致磁畴宽度变大，涡流损耗变高。

于是，作为降低涡流损耗的方法，利用通过覆膜张力的提高(例如专利文献2)或热应变的导入来进行磁畴细分化的技术。

但是，专利文献2所述的覆膜张力的提高方法，由于所施加的应变在弹性区域附近小，因此铁损的降低效果的增大存在限制。

另一方面，通过热应变的导入进行的磁畴细分化是利用等离子焰或激光、电子束照射等进行的。

例如，在专利文献3中，公开了利用电子束照射使W_17/50具有低于0.8W/kg的铁损的电磁钢板的制造方法，可知电子束照射是极为有效的低铁损化方法。

另外，专利文献4公开了利用激光照射来降低铁损的方法。

然而已经知道，如果照射等离子焰或激光、电子束等高能量束，虽然磁畴细分化而使涡流损耗降低，但另一方面则会使磁滞损耗增大。

例如，在专利文献5中，报告了利用激光照射等在钢板上产生的硬化(硬化)区域妨碍磁壁移动，使磁滞损耗升高。因此，为了最大限度地降低铁损，需要降低涡流损耗，并且抑制磁滞损耗的增大。

针对这样的问题，公开了从不同的观点优化磁滞损耗和涡流损耗，从而进行低铁损化的技术。

例如，在专利文献5中，通过调整激光输出或光斑直径比，使与激光扫描方向成直角方向的、被激光照射硬化的区域缩小到0.6mm以下，抑制由照射引起的磁滞损耗的增大，从而实现铁损的进一步降低。

另外，在专利文献6中，公开了通过优化与板宽度方向垂直的剖面上的轧制方向的压缩残留应力的积分值，来提高涡流损耗的降低效果，从而进行低铁损化的技术。

此外，在近些年的变压器中，不仅要求高磁通密度、低铁损，为了创造出良好的生活环境，还要求低噪音。认为变压器所产生的噪音主要是由铁芯的晶格的伸缩运动造成的，作为一种抑制手段，使单板的磁应变降低是有效的，对此，已有较多的公开(例如专利文献7等)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特许第4123679号公报

专利文献2：(日本)特公平2-8027号公报

专利文献3：(日本)特公平7-65106号公报

专利文献4：(日本)特公平3-13293号公报

专利文献5：(日本)特许第4344264号公报

专利文献6：(日本)特开2008-106288号公报

专利文献7：(日本)特许第3500103号公报

非专利文献

非专利文献1：“软磁性材料最新进步”，第155、156次西山纪念技术讲座，社团法人日本钢铁协会，平成7年2月10日发行

发明内容

发明所要解决的技术问题

根据现有技术(专利文献5、专利文献6)所述的低铁损化的方法，虽然能够分别使磁滞损耗、涡流损耗降低，但是难以使噪音同时降低。

例如，专利文献6所述的残留应力分布由钢板的激光照射面附近的强的轧制方向拉伸应力和该板厚方向内部的稍强的轧制方向压缩应力构成，但如果轧制方向的拉伸和压缩应力这样同时存在，则钢板容易变形，以消除这些应力。于是，组装这样的方向性电磁钢板而制造的变压器，在励磁时，除了伴随着晶格伸缩的铁芯变形之外，还附加释放内部应力的铁芯的变形形式，因此噪音变大。

用于解决技术问题的技术方案

为了解决上述问题，本发明的发明者经过反复研究，考虑了在为使磁畴细分化而导入高能量束时，是否能够通过优化在钢板内产生的拉伸和压缩的应变分布，同时实现低铁损和低噪音。

轧制方向的压缩应变使闭合磁畴稳定化，提高磁畴细分化效果，所以优选地，使其更多地存在。但是，在另一方面，轧制方向的拉伸应变不仅相反地使闭合磁畴不稳定化，如果拉伸应变相对于压缩应变过大，就会容易造成钢板翘曲等变形，使变压器噪音显著恶化，因此优选地，使轧制方向的拉伸应变更少地存在。

以往已知有，轧制方向的压缩应变(或压缩应力)与轧制方向或轧制直角方向的强的拉伸应变(或拉伸应力)共存。例如，在专利文献6的图2所示轧制方向应力分布中，形成有与22kgf/mm²的压缩应力相比大将近两倍的非常大的40kgf/mm²的拉伸应力。推定该拉伸应力是由于照射了激光等的钢板表层部高温化，在冷却后仍然保持沿轧制方向热膨胀的状态而产生的。如图8所示，通过本发明的发明者的实验和分析也可以清楚地知道，在激光或电子束照射的钢板表面存在拉伸应变。这样的拉伸应力分布或拉伸应变分布的优化，是在以仅降低铁损为目的的专利文献6中没有给出启示的新颖的观点，并且对于进行低噪音化是重要的。

本发明的发明者得到如下见解，即，对于上述膨胀的方向，通过调整激光或电子束的照射条件，能够抑制轧制方向的膨胀，而在板厚方向更加膨胀，进一步地，相对于轧制方向的压缩应变，使拉伸应变减小，能够形成有利于低铁损和低噪音的应变分布。

另外，本发明的发明者得到如下见解，即，作为对上述膨胀的方向造成影响的条件，与热射线或光线、粒子线束等高能量束的扫描速度相应地，将束直径调整到合适的范围内，由此能够使板厚方向的拉伸应变增大。

本发明是立足于上述见解而做出的。

即，本发明的主要构成如下。

1.一种方向性电磁钢板，在轧制方向上周期性地具有以横贯轧制方向的方式形成为线状的闭合磁畴，该方向性电磁钢板的特征在于，对于形成有上述闭合磁畴的区域的轧制方向剖面上的应变分布，板厚方向的最大拉伸应变在0.45％以下，且轧制方向的最大拉伸应变t(％)和最大压缩应变c(％)满足下式(1)的关系，

t+0.06≤t+c≤0.35 (1)。

2.上述1所述的方向性电磁钢板的制造方法，其特征在于，在以横贯钢板的轧制方向的方式照射高能量束时，在从轧制直角方向30°以内的角度的方向上，沿轧制方向以10mm以下的周期的间隔，且以钢板上的表面扫描速度v(m/s)和束直径d(μm)满足下式(2)的关系的条件照射高能量束，

200≤d≤-0.04×v²+6.4×v+190 (2)。

发明的效果

本发明的方向性电磁钢板，由于铁损和噪音极低，因此在用于变压器的铁芯等的情况下，能量使用效率高，而且使在各种环境下能够使用的变压器的制造成为了可能，在产业上极为有用。

而且，通过使用本发明的钢板，不仅能够使变压器铁损W_17/50在0.90W/kg以下，而且能够使噪音不足45dBA(背景噪音30dBA)。

附图说明

图1是以轧制方向的最大压缩应变c为参数，表示板厚方向的最大拉伸应变与变压器铁损W_17/50的关系的图。

图2是表示轧制方向的最大拉伸应变t与最大压缩应变c的和(t+c)与变压器噪音的关系的图。

图3是表示由轧制方向的拉伸应变和压缩应变导致的钢板内的应力状态对钢板的翘曲造成的影响的图。

图4是表示电子束的照射要点的图。

图5是示意性表示导入钢板的应变的状态根据束直径的大小而不同的情况的图。

图6是表示表面扫描速度v和束直径d对(t+c)造成的影响的图。

图7是表示模型变压器的铁芯形状的图。

图8是表示在照射激光或电子束的钢板表面上的拉伸应变分布的图。

具体实施方式

以下，具体地对本发明进行说明。

[方向性电磁钢板]

本发明适用于方向性电磁钢板，作为钢板，可以在钢基体上具备或不具备绝缘覆膜等覆盖层。只是，在测定变压器铁损、噪音时，使层叠的钢板之间绝缘。

进一步地，本方向性电磁钢板是通过以下所述的制造方法等，在轧制方向上周期性地具有在轧制直角方向上形成为线状的闭合磁畴的钢板。

另外，在形成有该闭合磁畴的区域的轧制方向剖面的应变分布中，板厚方向的最大拉伸应变在0.45％以下，轧制方向的最大拉伸应变t(％)和最大压缩应变c(％)满足下式(1)的关系，

t+0.06≤t+c≤0.35 (1)。

需要说明的是，轧制方向剖面的应变分布能够利用例如X射线衍射或EBSD-wilkinson(电子背散射衍射-威尔金森)法测定。

此外，本发明的发明者改变束照射条件，制造具有各种应变分布的钢板，经过对钢板内的应变与铁损、噪音的关系进行调查，得到以下结论。

(I)如图1所示，变压器铁损W_17/50在板厚方向的最大拉伸应变在0.45％以下，且轧制方向的最大压缩应变c在0.06％以上的情况下，达到0.90W/kg以下。在轧制方向的最大压缩应变c比0.06％小的情况下，磁畴细分化效果过小，铁损(涡流损耗)的降低效果小。另一方面，在板厚方向的最大拉伸应变超过0.45％时，由于产生过度的应变而导致位错等，磁滞损耗恶化，因此铁损降低得不充分。

如上所述，能够通过如下方式优化铁损：从涡流损耗降低的观点出发，使轧制方向的最大压缩应变c增大；从抑制磁滞损耗增大的观点出发，使板厚方向的最大拉伸应变减小。

(II)如图2所示，对于变压器噪音，如果轧制方向的最大拉伸应变t与最大压缩应变c的和t+c≤0.35％，则噪音将不足45dB。另一方面，认为在t+c＞0.35％的情况下，存在轧制方向的强的拉伸应力、强的压缩应力，或其两者均存在，但在这种情况下，如图3所示，为了消除这些应力，钢板容易变形，在作为变压器的铁芯时，励磁时，除了伴随着晶格伸缩的铁芯变形之外，还附加释放内部应力的变形形式，因此噪音变大。

需要说明的是，如上所述，轧制方向的最大压缩应变c实现低铁损的条件为，

0.06≤c，因此t+0.06≤t+c，

所以满足下式(1)成为同时实现低铁损和低噪音的条件，

t+0.06≤t+c≤0.35 (1)。

作为高能量束的照射条件，即，热射线或光线、粒子线束的照射条件，下面对电子束进行说明，但是对于激光照射或等离子焰照射等其他照射条件，基本的考虑方法相同。

[电子束照射条件]

本发明的方向性电磁钢板能够通过以横贯钢板的轧制方向的方式，优选地，在从轧制直角方向30°以下的角度方向照射电子束而制造。以在轧制方向上隔开2～10mm的间隔的方式反复进行从该钢板的一端到另一端的束扫描。如果该间隔过短，生产率就会降低，因此优选2mm以上。另一方面，如果过长，则不能充分发挥磁畴细分化效果，因此优选10mm以下。

需要说明的是，在照射的材料的宽度过大的情况下，可以使用多个照射源照射。

尤其是在电子束照射等情况下，如图4所示，通常沿扫描线反复进行照射时间为长时间(s₁)、短时间(s₂)的扫描。优选该反复的距离周期(以下，称为点距)在0.6mm以下。通常，相对于s₁，s₂非常短，因而能够忽略，所以能够以s₁的倒数作为照射频率。在点距比0.6mm大的情况下，照射有充足的能量的面积减少，不能得到充分的磁畴细分化效果。

另外，优选地，在照射部的钢板上的扫描速度在100m/s以下。如果使扫描高速化，为了照射磁畴细分化所需的能量，需要使单位时间照射的能量提高。尤其是使扫描比100m/s高时，单位时间的照射能量变得过高，有可能对装置的稳定性、寿命等带来不利影响。另一方面，在扫描慢的情况下，生产率过低，因此优选在10m/s以上。

进一步地，作为电子束的束轮廓，束直径d(μm)需要满足下式(2)，

200≤d≤-0.04×v²+6.4×v+190 (2)。

在这里，v(m/s)是钢板表面上的电子束的扫描速度。

如果束直径比200μm小，则束的能量密度变得过高，应变变大，磁滞损耗及噪音恶化。另一方面，在束直径过大的情况下，产生如下问题，即，进行点状照射时，如图5示意性所示，长时间地束照射的束斑的重叠区域增大，在连续的束照射的情况下束扫描线上的点的束照射时间(轧制方向束直径/束扫描速度)变得过长。因此，使束直径在(-0.04×v²+6.4×v+190)μm以下。

虽然尚不清楚详细的原理，但是如果进行长时间照射，可能是由于热扩散导致钢板的膨胀区域也向面内方向扩大，所以束照射后轧制方向的拉伸残留应变也变大，噪音特性恶化。因此，在束直径大的情况下，优选使扫描速度增大。

本发明的发明者通过调查束直径与(t+c)的关系，获知如图6所示，如果束直径在(-0.04×v²+6.4×v+190)μm以下，则能够抑制照射后的(t+c)。

于是，在本发明中，对于表面扫描速度v(m/s)和束直径d(μm)，使它们满足下式(2)的关系，

200≤d≤-0.04×v²+6.4×v+190 (2)。

在这里，电子束轮廓是通过公知的切割法测定的。将切割宽度调整为30μm，将所得到的束轮廓的半宽度值作为束直径。

另外，根据WD(Working Distance：工作距离)、真空度等条件，其他照射能量等的调整范围、优选值不同，因此基于现有认识进行适当调整。在激光的情况下，束直径是采用刀边法得到的束轮廓的半宽度值。

[铁损、噪音的评价]

使用三相三绕组的层叠铁芯型变压器作为模型变压器对铁损及噪音进行评价。如图7所示，模型变压器的外形由方形的边长为500mm、宽度为100mm的钢板构成。以图7所示的形状对钢板进行斜角切断，为使层叠厚度达到约15mm、铁芯重量达到约20kg，在0.23mm厚的钢板的情况下层叠70片，在0.27mm厚的钢板的情况下层叠60片，在0.20mm厚的钢板的情况下层叠80片钢板。在本测定中，以斜角剪断的样品的长度方向为轧制方向。层叠方法是两片重叠的五段阶梯搭接层叠。具体地说，作为中央的绕组部件(形状B)，使用一种对称的部件(B-1)和两种非对称的部件(B-2、B-3)共三种(实际上，通过翻转非对称部件(B-2、B-3)，为五种)，实际的层叠方法为例如以“B-3”“B-2”“B-1”“翻转的B-2”“翻转的B-3”的顺序层叠。

铁芯在平面上平坦地层叠，进一步被胶木制的按压板以约0.1Mpa的负荷夹入固定。三相错开120°相位进行励磁，在1.7T的磁通密度下，进行铁损和噪音的测定。在距铁芯表面20cm的位置(两个部位)利用麦克风测定噪音，该噪音以进行A型修正(Aスケール補正)的单位dBA表示。

[原材料的成分组成]

作为本发明所适用的方向性电磁钢板的原材料的成分组成，可以举出例如以下元素。

Si：2.0～8.0％的质量％

Si是对提高钢的电阻，改善铁损有效的元素，但是如果含量不足2.0质量％，则不能得到充分的铁损降低效果，另一方面，如果超过8.0质量％，则加工性显著降低，而且磁通密度也降低，因此，优选Si量在2.0～8.0质量％的范围。

C：50质量ppm以下

为了改善热轧板组织而进行C的添加，优选使C降低到在最终产品中不产生磁时效的50质量ppm以下。

Mn：0.005～1.0质量％

Mn是使热加工性良好所必需的元素，如果含量低于0.005质量％，则其添加效果不充分，另一方面，如果超过1.0质量％，则产品板的磁通密度降低，因此，优选Mn量在0.005～1.0质量％的范围。

在上述基本成分以外，作为磁特性改善成分，可以适当地包含以下所述的元素。

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％及Cr：0.03～1.50质量％，从中选择至少一种。

Ni是对改善热轧板组织，使磁特性提高有用的元素。但是，如果含量低于0.03质量％，则磁特性的提高效果小，另一方面，如果超过1.50质量％，则二次再结晶变得不稳定，磁特性恶化。因此，优选Ni量在0.03～1.50质量％的范围。

另外，Sn、Sb、Cu、P、Mo及Cr分别是对磁特性的提高有用的元素，但是如果没有达到的上述各成分的下限，则磁特性的提高效果小，另一方面，如果超过上述各成分的上限量，则二次再结晶粒的生长受到阻碍，因此优选在上述范围含有各个元素。

上述成分以外的其余部分，是在制造工序中混入的不可避免的杂质及Fe。

实施例1

在本实施例中，电子束、激光照射的样品是，利用SST(单板磁试验器)测定到的轧制方向的B₈为1.91T至1.95T，利用模型变压器测定到的铁损W_17/50为1.01至1.03W/kg，并且带有覆膜的方向性电磁钢板。带有覆膜的钢板成为下述结构，即，在钢基体的表面，存在以Mg₂SiO₄为主要成分的玻璃状覆膜及在其上烧结无机物处理液的覆膜(磷酸盐系覆盖层)的双层覆膜。

在电子束及激光照射时，在钢板的轧制直角方向上，以横贯钢板的方式在整个宽度方向上直线状地，并且在轧制方向上隔开5mm的周期性间隔进行扫描。在这里，激光照射使用连续振荡的光纤激光器装置进行，使用激光波长为1μm左右的近红外光。另外，使轧制方向与轧制直角方向的束直径相等。进一步地，使电子束照射的加速电压为60kV、点距为0.01～0.40mm、从聚束线圈中心到被照射材料的最短距离为700mm、加工室压力为0.5Pa以下。

轧制方向剖面的应变分布采用使用了Cross Court Ver.3.0(BLGProductions Bristol制)的EBSD-wilkinson法进行测量。测定视野的范围为(轧制方向600μm以上×全厚)，使激光、电子束照射的中心在测定视野的大致中央部。另外，使测定间距为5μm，选择距测定视野的边缘50μm的同一粒内的位置为没有应变的参照点。

得到的结果如表1所示。

[表1]

(2)式：-0.04×v²+6.4×v+190

如表1所示，可知在满足板厚方向的最大拉伸应变在0.45％以下，轧制方向的最大拉伸应变t与最大压缩应变c的和(t+c)在0.35以下的情况下，能够得到满足0.90W/kg以下的低铁损和不足45dBA的低噪音两者的方向性电磁钢板。

Claims (1)

1.一种方向性电磁钢板的制造方法，所述方向性电磁钢板在轧制方向上周期性地具有以横贯轧制方向的方式形成为线状的闭合磁畴，对于形成有上述闭合磁畴的区域的轧制方向剖面上的应变分布，板厚方向的最大拉伸应变在0.45％以下，且轧制方向的最大拉伸应变t(％)和最大压缩应变c(％)满足下式(1)的关系，

t+0.06≤t+c≤0.35 (1)

组装到变压器时的铁损W_17/50在0.90W/kg以下，且噪音不足45dBA，

所述方向性电磁钢板的制造方法的特征在于，

在以横贯钢板的轧制方向的方式照射电子束时，在从轧制直角方向30°以内的角度的方向上，在轧制方向以10mm以下的周期的间隔，而且以钢板上的表面扫描速度v是15～100m/s且以该表面扫描速度v(m/s)和束直径d(μm)满足下式(2)的关系的条件照射电子束，

200≤d≤-0.04×v²+6.4×v+190 (2)

按照上述条件以点状且0.6mm以下的点距进行电子束的照射。