CN104755636A - 晶粒取向电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

晶粒取向电磁钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明，能够获得一种晶粒取向电磁钢板，该晶粒取向电磁钢板的实测板厚为t(mm)，具有线状地扩展的闭合磁畴区域，该闭合磁畴区域在相对于钢板面内的轧制方向成60°～120°的方向上，以轧制方向的间隔为s(mm)的方式周期性地形成，在上述晶粒取向电磁钢板中，通过使上述闭合磁畴区域的深度h(μm)以及宽度w(μm)为分别满足下述关系的范围来在宽泛的板厚范围实现低铁损化：h≥74.9t+39.1(0.26≥t)，h≥897t-174.7(t＞0.26)，(w×h)/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t＞0.22)，(w×h)/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t≤0.22)。

Description

晶粒取向电磁钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及在变压器铁心等用途中使用的晶粒取向电磁钢板及其制造方法。
背景技术
近年来，能量使用的效率化在推进，在变压器中期望动作时的能量损失减小。
这里，在变压器产生的损失中，主要具有在导线产生的铜损和在铁心产生铁损。
而且，铁损能够分为磁滞损耗和涡流损耗，并且公知材料的结晶取向的改善、杂质的减少等对磁滞损耗的减少是有效的。例如，专利文献1中示出了一种通过优化最终冷轧前的退火条件来制造磁通密度与铁损优良的晶粒取向电磁钢板的方法。
另一方面，公知涡流损耗除通过板厚的减少、Si添加量的增大之外，还可以通过在钢板表面的槽形成、应变的导入，来显著改善。
例如，专利文献2中示出了通过在钢板的单侧表面形成槽宽为300μm以下、槽深为100μm以下的线状的槽来将在槽形成前为0.80W/kg以上的铁损W17/50减少至0.70W/kg以下的技术。
另外，专利文献3示出通过向二次再结晶后的钢板照射等离子弧来将在照射前为0.80W/kg以上的铁损W17/50减少至0.65W/kg以下的技术。
并且，专利文献4示出通过优化覆膜厚度、因电子束照射而形成于钢板面的磁畴不连续部的平均宽度来获得铁损低、噪声小的变压器用材料的技术。
然而，公知这样的槽形成、应变的导入所带来的铁损减少的效果因材料的板厚不同而不同。例如，非专利文献1中示出板厚越大激光照射所带来的铁损减少量越小的趋势，针对磁通密度为1.94T的材料，在板厚为0.23mm与0.30mm下，认为各自的铁损减少量(ΔW17/50)有0.05W/kg左右的差异。
针对上述背景，对通过磁畴细化方法的调整是否一点都不能改善厚板材的铁损减少效果进行了研究。例如，专利文献5以及6中示出了通过根据材料的板厚优化激光照射条件来提高厚板材的晶粒取向电磁钢板的铁损减少效果的技术。其中，根据专利文献6，通过使应变比率η为0.00013以上且0.013以下而能够获得极低的铁损。
此外，上述应变比率η是钢板的轧制方向剖面上的应变的面积所占的比例，可以由π/8×(w×w)/(t×PL)这一式子来表示。此外，t是钢板的板厚，w是轧制方向的闭合磁畴宽度，PL是轧制方向的激光照射间隔。
专利文献1：日本特开2012-1741号公报
专利文献2：日本特公平06-22179号公报
专利文献3：日本特开2011-246782号公报
专利文献4：日本特开2012-52230号公报
专利文献5：日本特开2000-328139号公报
专利文献6：日本专利第4705382号公报
专利文献7：日本特开平11-279645号公报
专利文献8：日本专利第4344264号公报
非专利文献1：IEEE TRANSACTIONS ONMAGNETICS，VOL.MAG-20，NO.5，p.1557
发明人们考虑能否将这样的在激光法中所应用的技术也应用于电子束法，并为了实现钢板的低铁损化，对应变比率与铁损的关系进行了研究。图1表示应变比率η对板厚为0.27mm的材料在电子束照射后的铁损的影响。如该图所示，清楚可知钢板的低铁损化例如W17/50＜0.76W/kg在应变比率为0.013以上或0.013以下均能够实现。
另外，清楚可知在应变比率为0.013以下且0.00013以上的范围内，也存在铁损为0.78W/kg以上的高值的情况，未必能够获得低铁损。
发明人们推断上述结果是由于电子束法与激光法的原理的差异，并推断在电子束法的情况下，形成与上述专利文献6所记载的情况不同的应变分布。图2表示激光、电子束照射部所产生的闭合磁畴宽度w与深度h的关系。认为在使用激光的情况下，具有宽度越大在相关系数R2为0.45左右的精度下深度越大的趋势，但在使用电子束的情况下，宽度与深度的间的相关系数小，不认为具有明显的相关性。
发明内容
本发明是鉴于上述现状而开发的，其目的在于一并提出通过形成对活用电子束的特征而得的铁损减少有利的闭合磁畴形状以及与板厚对应的闭合磁畴来在宽泛的板厚范围实现低铁损化的晶粒取向电磁钢板及其制造方法。
发明人们根据上述实验结果，想到在电子束照射中能够分别控制形成于照射部的闭合磁畴形成部的宽度与深度。
根据现有知识推断，对铁损减少有利的闭合磁畴形成部为板厚方向深度大、体积小的形状。所说的情况例如，在专利文献7中示出了板厚方向深度的增大对材料的涡流损耗减少有效。另外，专利文献8示出了由于应变积累在闭合磁畴形成部因此缩小闭合磁畴形成部对磁滞损耗的恶化抑制有效的主旨。
发明人们还注意到，如图3所示，在板厚大的情况下，即便是照射能量等为相同的条件的射束照射，磁滞损耗也会进一步恶化。即，考虑优选对厚板材的照射在与薄板材相比具有相同的闭合磁畴形成部深度且磁滞损耗不恶化的条件即闭合磁畴形成部更窄的条件下进行。
图4表示闭合磁畴形成部深度对相对于闭合磁畴形成部深度为45μm时的涡流损耗的涡流损耗改善率的影响。
另外，图5表示闭合磁畴形成部体积指标对相对于闭合磁畴形成部体积指标(＝闭合磁畴形成部宽度×深度/RD线间隔)为1.1μm时的磁滞损耗的磁滞损耗改善率的影响。
在图4以及5中，认为有闭合磁畴形成部深度越大涡流损耗越得以改善且闭合磁畴形成部体积越大磁滞损耗越恶化的趋势。
图6表示为了使根据上述结果计算而求得的涡流损耗改善率为3％或5％(更优选的条件)所需要的闭合磁畴形成部深度。
另外，图7表示为了使磁滞损耗恶化率为5％或3％(更优选的条件)所需要的闭合磁畴形成部体积指标。
根据上述图6以及7，清楚可知作为对低铁损化有利的闭合磁畴形成部，钢板的厚度、深度、宽度×深度/RD线间隔(闭合磁畴形成部体积指标)具有优选的关系。
并且，根据大量实验，可知在射束的平均扫描速度恒定的条件下，射束的每单位扫描长度的照射能量以及射束直径越大闭合磁畴形成部的宽度越大(其中，P＞45(J/m/mm))，另外，闭合磁畴形成部的深度分别被射束的“每单位长度的照射能量/射束直径”与加速电压影响。
除此之外，图8表示每单位扫描长度的照射能量对闭合磁畴形成部的宽度的影响。
图9表示射束直径对闭合磁畴形成部的宽度的影响。
图10表示P(＝每单位扫描长度的照射能量/射束直径)对闭合磁畴形成部的深度的影响。
图11表示加速电压对闭合磁畴形成部的深度的影响。
根据上述图8～图11所示的实验结果，假设闭合磁畴形成部的深度独立地受加速电压Va与P影响，求出为了使闭合磁畴形成部的深度为规定的值而所需要的Va以及P，发现使用实测的板厚t，存在适当的关系式。
本发明立足于上述见解。
即，本发明的主要构成如下。
1.一种晶粒取向电磁钢板，其实测板厚为t(mm)，具有线状地扩展的闭合磁畴区域，该闭合磁畴区域在相对于钢板面内的轧制方向成60°～120°的方向上，以轧制方向的间隔为s(mm)的方式周期性地形成，
在上述晶粒取向电磁钢板中，
上述闭合磁畴区域的深度h(μm)、宽度w(μm)、上述间隔s(mm)以及上述实测板厚t(mm)分别满足以下关系：
h≥74.9t+39.1(0.26≥t)
h≥897t-174.7(t＞0.26)
(w×h)/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t＞0.22)
(w×h)/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t≤0.22)。
2.一种晶粒取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，
用于制造上述1所记载的实测板厚为t(mm)的晶粒取向电磁钢板，使用以满足下式的关系的加速电压Va(kV)照射的电子束，形成在相对于钢板面内的轧制方向成60°～120°的方向上以轧制方向的间隔为s(mm)的方式周期性地形成且线状地扩展的闭合磁畴区域，
上述闭合磁畴区域的深度h(μm)、宽度w(μm)、上述间隔s(mm)以及上述实测板厚t(mm)满足以下关系：
(w×h)/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t＞0.22)
(w×h)/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t≤0.22)，
其中，
Va≥580t+270-6.7P(0.26≥t)
Va≥6980t-1390-6.7P(t＞0.26)
P＞45
这里，P为每单位扫描长度的照射能量/射束直径(J/m/mm)。
3.根据上述2所记载的晶粒取向电磁钢板的制造方法，上述电子束的射束直径为400μm以下。
4.根据上述2或3所记载的晶粒取向电磁钢板的制造方法，作为上述电子束的照射源，使用LaB6阴极。
根据本发明，能够形成对活用电子束的特征而得的铁损减少有利的闭合磁畴形状，而且形成与板厚对应的闭合磁畴，由此能够在宽泛的板厚范围使晶粒取向电磁钢板低铁损化。因此，能够提高由所有板厚的晶粒取向电磁钢板制成的变压器的能量使用效率，因而在工业上有用。
附图说明
图1是表示应变比率η对板厚为0.27mm的材料在电子束照射后的铁损的影响的图。
图2是表示激光、电子束照射部所产生的闭合磁畴宽度w与深度h的关系的图。
图3表示改变了板厚时的每单位长度的照射能量与磁滞损耗变化量的关系的图。
图4是表示闭合磁畴形成部深度对相对于闭合磁畴形成部深度为45μm时的涡流损耗的涡流损耗改善率的影响的图。
图5是表示闭合磁畴形成部体积指标对相对于闭合磁畴形成部体积指标(＝闭合磁畴形成部宽度×深度/RD线间隔)为1.1μm时的磁滞损耗的磁滞损耗改善率的影响的图。
图6是表示为了使涡流损耗改善率为3％或5％(更优选的条件)所需要的闭合磁畴形成部深度的图。
图7是表示为了使磁滞恶化率(改善率绝对值)为5％或3％(更优选的条件)所需要的闭合磁畴形成部体积指标的图。
图8是表示每单位扫描长度的照射能量对闭合磁畴形成部的宽度的影响的图。
图9是表示射束直径对闭合磁畴形成部的宽度的影响的图。
图10是表示P(＝每单位扫描长度的照射能量/射束直径)对闭合磁畴形成部的深度的影响的图。
图11是表示加速电压对闭合磁畴形成部的深度的影响的图。
图12是表示照射电子束时所形成的、切断主磁畴的线状闭合磁畴的图。
图13是表示借助克尔效应显微镜的闭合磁畴的观察图像的图。
具体实施方式
以下，具体地对本发明进行说明。
本发明提供通过照射电子束来细化磁畴的晶粒取向电磁钢板、以及用于获得该晶粒取向电磁钢板的优选制造方法。
在照射电子束的电磁钢板可以形成有绝缘覆膜，也可以不形成有绝缘覆膜。而且，如图12所示，在电子束照射部，以切断主磁畴的方式形成线状地扩展的闭合磁畴。此外，本发明所使用的晶粒取向电磁钢板的厚度在工业上优选为0.1mm～0.35mm左右。另外，对本发明所使用的晶粒取向电磁钢板而言，只要是以往公知的晶粒取向电磁钢板，无论使不使用例如抑制剂成分等，均能够适当地使用。
本发明的晶粒取向电磁钢板具有如下所示的线状地扩展的闭合磁畴形状。此外，以下，当仅言及闭合磁畴时，是指线状地扩展的闭合磁畴形成区域。另外，对代入下式的字母的数值而言，系数包含单位调整项，因此可以忽略各自的单位而无量纲地代入。
[闭合磁畴形成部体积]
如上述图7所示，闭合磁畴形成部体积是为了使磁滞恶化率(改善率绝对值)为5％或3％而所需要的闭合磁畴形成部体积指标，当设闭合磁畴的深度为h(μm)、闭合磁畴的宽度为w(μm)、RD线间隔为s(mm)时(以下，使用相同的字母)，表示为
w×h/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t＞0.22)
(w×h)/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t≤0.22)，
进而优选表示为
w×h/(s×1000)≤-12.3t+6.9(t＞0.22)
(w×h)/(s×1000)≤-56.1t+16.5(t≤0.22)。
这里，t(mm)为钢板的实测板厚(以下，使用相同的字母)。
从向闭合磁畴形成部导入应变因此磁滞损耗减少的观点出发不优选，其体积越小越好。闭合磁畴形成部体积、与由从轧制方向板厚剖面观察而获得的与板厚方向平行的轧制方向剖面内的闭合磁畴形状所求出的面积(剖面形状面积)除以在轧制方向上周期性地形成的闭合磁畴的间隔(RD线间隔s)而得的值成比例，因此在本发明中，将该剖面形状面积/RD线间隔用作体积指标。
这里，考虑到剖面形状面积沿着电子束照射线而变化，因此优选为平均面积。在剖面形状面积变动大的情况下，可以仅根据特征部分的从轧制方向板厚剖面观察的闭合磁畴形状来进行测定。例如，在沿与轧制方向垂直的方向呈点状地照射电子束的试样中，在点中央部与点之间存在闭合磁畴形状不同的可能性，但是在该情况下，使用对通过各自的剖面观察求出的宽度和深度取平均而得的值即可。
[闭合磁畴形成部深度]
如上述图6所示，作为为了使涡流损耗改善率为3％或5％而所需要的条件，重要的是，闭合磁畴形成部深度h与钢板的实测板厚t(mm)满足下述关系(涡流损耗改善率为3％)：
h≥74.9t+39.1(0.26≥t)
h≥897t-174.7(t＞0.26)，
进而优选满足下式(涡流损耗改善率为5％)：
h≥168t+29.0(0.26≥t)
h≥1890t-418.7(t＞0.26)。
在本发明中，剖面闭合磁畴的形状能够通过克尔效应显微镜进行测定。其中，结晶的(100)面为观察面。这是因为若观察面与(100)面错开，则因在观察面产生的表面磁极而容易出现其他磁畴构造，而难以观察所希望的闭合磁畴。
在结晶取向集积在理想的Goss取向的情况下，将以轧制方向为轴使与板厚方向平行的轧制剖面旋转45°后的面作为观察面，根据观察到的闭合磁畴的形状，换算而求出与板厚方向平行的轧制剖面内的形状。图13表示借助克尔效应显微镜的观察图像。
另外，闭合磁畴形成区域与应变导入区域对应，因此也可以通过X射线、电子射线来观察形成闭合磁畴的微小应变分布并对其进行定量化。
如上所述，闭合磁畴体积越小越好，但在板厚大的情况下，电子束照射导致的磁滞损耗的恶化更加显著，因此优选更小的闭合磁畴，因此，在本发明中，板厚作为参数而加入适当的闭合磁畴体积。
另外，闭合磁畴的板厚方向深度越大对涡流损耗的改善越有利。但是，在板厚大的情况下，可能因畴壁能大，而导致磁畴难以细化。因此，为了获得足够的磁畴细化效果，需要形成更深的闭合磁畴。
〔电子束产生条件〕
以下，对本发明的电子束产生条件进行说明。
[加速电压Va以及P(每单位扫描长度的照射能量/射束直径)]
Va≥580t+270-6.7P(0.26≥t)
Va≥6980t-1390-6.7P(t＞0.26)
本发明的电子束的加速电压Va(kV)以及P(J/m/mm)满足上述式子是重要的。这是因为能够容易地调节上述闭合磁畴形成部深度。
加速电压越高电子侵入钢中的深度越大，因此对更深的闭合磁畴的形成有利。另外，为了在厚板材获得高的磁畴细化效果，优选高加速电压。但是，闭合磁畴形成部深度还取决于每单位扫描长度的照射能量/射束直径(P)。在P较大的情况下，能够向较窄的区域照射极高密度的能量，因此电子容易向板厚方向侵入。因此，在P较大的情况下，加速电压的下限变低。
[P＞45(J/m/mm)]
在每单位扫描长度的照射能量/射束直径P过小的情况下，即在照射能量本来较低、或即便照射能量大但射束直径大而导致照射能量密度低的情况下，无法对钢板赋予应变，而缺乏减少铁损的效果。因此，在本发明中，P超过45。此外，虽然其上限没有特别的限制，但过大则覆膜会明显损伤，从而无法确保耐腐蚀性，因为P的上限优选为300左右。
[RD线间隔：3～12mm]
电子束线状地从钢板的宽度端部向另一方的宽度端部照射，并在轧制方向上周期性地重复进行照射。优选其间隔(线间隔)s为3mm～12mm。这是因为，若线间隔较窄，则形成于钢中的应变区域过大，从而铁损(磁滞损耗)恶化；另一方面，若过宽，则无论如何在深度方向上扩大闭合磁畴，磁畴细化效果都缺乏，铁损未改善。因此，在本发明中，RD线间隔s优选为3mm～12mm的范围。
[线角度：60°～120°]
当如上述那样线状地从钢板的宽度端部向另一方的宽度端部照射时，从起点朝向终点的方向是相对于轧制方向成60°～120°的方向。
这是因为若线角度不足60°或线角度超过120°，则照射宽度增大，不仅生产率下降，应变区域也变大，从而磁滞损耗恶化。
这里，本发明的线状不仅可以是直线，也可以是虚线、不连续线，此时的上述线角度是指连结起点与终点的直线与轧制方向所成的角度。但是，在虚线、不连续线照射的情况下，优选线状地存在的点与点之间或连续线与连续线之间的射束未照射部分的长度为0.8mm以下。这是因为若照射区域过少，则存在涡流损耗改善效果缺乏的担忧。
[加工室压力：3Pa以下]
若加工室压力高，则从电子枪产生的电子被散射，从而形成闭合磁畴的电子的能量减少，因此钢板的磁畴细化不充分，铁损未得以改善。因此，在本发明中，加工室压力为3Pa以下。此外，加工室压力的下限在实际操作中为0.001Pa左右。
[射束直径：400μm以下]
闭合磁畴宽度与射束直径相关，具有射束直径越小闭合磁畴宽度越小的趋势。因此，射束直径越小(窄)越好，优选为400μm以下。另一方面，若射束直径过小，则损伤照射部的钢基体、覆膜，使钢板的绝缘性显著恶化。另外，为了显著缩小射束直径，不得不缩短WD(从聚焦线圈至钢板的距离)，于是，在射束的偏转方向(板宽方向)上射束直径过度不一致，从而钢板的品质在宽度方向上容易变得不均匀。因此，优选射束直径为150μm以上。
[热电子发射源物质：LaB6]
一般地，公知LaB6阴极对输出高亮度射束有利，容易缩小射束直径，因此在本发明中，作为电子束的发射源，优选使用LaB6。
[关于射束聚焦]
在沿宽度方向偏转照射的情况下，当然优选预先调整聚焦条件(聚焦电流等)以使宽度方向的射束均匀。
此外，在本发明中，除上述条件以外，即，闭合磁畴形成部宽度的大小、照射能量、射束直径等的调整也可以采取在通常的公知中已知的方法。
实施例
对本实施例中所使用的晶粒取向电磁钢板而言，对W17/50为0.80～0.90W/kg(t：0.19mm，0.26mm)、0.90～1.00W/kg(t：0.285mm)的材料照射电子束。电子束的线角度为90°，加工室压力为0.1Pa，其它的照射条件以及照射后的闭合磁畴形状如表1所示。
[表1]
接着，按照如下所示的判定来对上述No.1～18的钢板的闭合磁畴形状进行评价，并测定铁损W17/50。上述测定结果等如表2所示。此外，设闭合磁畴的深度为h(μm)、闭合磁畴的宽度为w(μm)、RD线间隔为s(mm)。另外，铁损为在各条件下测定15片而得的值的平均值。
判定1：
体积：w×h/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t：0.26mm、0.285mm)
w×h/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t：0.19mm)
深度：h≥74.9t+39.1(实测板厚(t)：0.19mm、0.26mm)
深度：h≥897t-174.7(实测板厚(t)：0.285mm)
判定2：
体积：w×h/(s×1000)≤-12.3t+6.9(t：0.26mm、0.285mm)
w×h/(s×1000)≤-56.1t+16.5(t：0.19mm)
深度：h≥168t+29.0(实测板厚(t)：0.19mm、0.26mm)
深度：h≥1890t-418.7(实测板厚(t)：0.285mm)
[表2]
根据该表可知：在应用本技术的情况下，能够获得具有W17/50为0.68W/kg以下(t：0.19mm)、0.74W/kg以下(t：0.26mm)或0.85W/kg以下(t：0.285mm)的低铁损的晶粒取向电磁钢板。

Claims (4)

1.一种晶粒取向电磁钢板，其实测板厚为t(mm)，具有线状地扩展的闭合磁畴区域，该闭合磁畴区域在相对于钢板面内的轧制方向成60°～120°的方向上，以轧制方向的间隔为s(mm)的方式周期性地形成，
所述晶粒取向电磁钢板的特征在于，
所述闭合磁畴区域的深度h(μm)、宽度w(μm)、所述间隔s(mm)以及所述实测板厚t(mm)分别满足以下关系：
h≥74.9t+39.1(0.26≥t)
h≥897t-174.7(t＞0.26)
(w×h)/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t＞0.22)
(w×h)/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t≤0.22)。
2.一种晶粒取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，
用于制造权利要求1所述的实测板厚为t(mm)的晶粒取向电磁钢板，使用以满足下式的关系的加速电压Va(kV)照射的电子束，形成在相对于钢板面内的轧制方向成60°～120°的方向上以轧制方向的间隔为s(mm)的方式周期性地形成且线状地扩展的闭合磁畴区域，
所述闭合磁畴区域的深度h(μm)、宽度w(μm)、所述间隔s(mm)以及所述实测板厚t(mm)满足以下关系：
(w×h)/(s×1000)≤-12.6t+7.9(t＞0.22)
(w×h)/(s×1000)≤-40.6t+14.1(t≤0.22)，
其中，
Va≥580t+270-6.7P(0.26≥t)
Va≥6980t-1390-6.7P(t＞0.26)
P＞45
这里，P为每单位扫描长度的照射能量/射束直径(J/m/mm)。
3.根据权利要求2所述的晶粒取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，
所述电子束的射束直径为400μm以下。
4.根据权利要求2或3所述的晶粒取向电磁钢板的制造方法，其特征在于，
作为所述电子束的照射源，使用LaB6阴极。
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