CN105063312A - 热稳取向硅钢制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热稳取向硅钢制造方法，包括扫描步骤，所述的扫描步骤是通过采用波长为343nm的紫外飞秒激光在取向硅钢片的单侧表面扫描，刻出多条垂直于取向硅钢轧制方向的沟槽线。本发明的目的在于提供一种能够大幅度降低铁损的热稳取向硅钢制造方法。

Description

热稳取向硅钢制造方法

技术领域

本发明涉及一种变压器、电机等铁芯的制作工艺,属于机械功能材料制造领域，特别是一种热稳取向硅钢制造方法。

背景技术

取向硅钢被誉为钢铁产品中的“艺术品”,主要用于制作变压器、电机等铁芯。鉴于能源问题日趋严重和电力工业日益发展，不断改善取向硅钢性能，降低其铁芯损耗(简称铁损)，一直是备受关注的研究课题。

现有技术中，降低硅钢铁损的技术方案主要有：

1)取向硅钢加工方法：传统的取向硅钢制作工序为：含硅3％的铁硅合金是取向硅钢的原料。通过如下的工艺操作得到：热轧扳坯、预先退火、第一次冷轧、中间退火、第二次冷轧、最后高温退火，获得取向硅钢片。

2)激光刻槽降低铁损工序为：所用激光：波长λ＝10.6μm的远红外激光对经退火后的冷轧取向硅钢板的单面采用激光束预刻成线状或点线状刻槽,形成一系列平行布置的线状或点线状刻槽,可在取向硅钢片基础上进一步降低铁损水平。

现有方案主要有以下缺点：

1)传统的取向硅钢制作工序因为只有传统的热轧、冷轧、退火等工艺，可在无取向硅钢基础上降低铁损水平5％左右，但降低幅度有限。

2)使用波长λ＝10.6μm的远红外激光刻槽工艺，可以在取向硅钢的基础上进一步降低铁损水平，但由于其光子能量较低，可在取向硅钢基础上降低铁损水平5～7％，但降低幅度仍有限。

3)使用波长λ＝10.6μm的远红外激光刻槽工艺，可降低铁损水平5～7％，但模拟恶劣工作环境，在500℃以上高温工作后，降低铁损效应消失,又恢复到刻痕前的状态，属非热稳型降低铁损技术。

4)使用波长λ＝10.6μm的远红外激光刻槽工艺，由于光子能量低，扫描速度为5～50mm/s，加工效率低下。

5)使用波长λ＝10.6μm的远红外激光刻槽工艺，由于扫描速度慢，存在热变形问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够大幅度降低铁损的热稳取向硅钢制造方法，通过本方法制造得到的热稳取向硅钢能够降低变压器、发动机、电机等电力设备的铁损，大幅节约电力工业的能源耗费、节能减排。

本发明的技术方案为：一种热稳取向硅钢制造方法，包括扫描步骤，所述的扫描步骤是通过采用波长为343nm的紫外飞秒激光在取向硅钢片的单侧表面扫描，刻出多条垂直于取向硅钢轧制方向的沟槽线。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，沟槽线间的间隔距离为3.5～6.5mm。

沟槽线的设置按照以下公式设定：

高磁感取向硅钢的铁损计算公式为:

式中:P_T为总铁损，P_e为总的涡流损耗，P_h总的磁滞损耗。

t为板厚；f为频率；Bm为饱和磁感应强度；ρ为电阻率；γ为磁畴壁能量密度；C11为磁晶各向异性常数；λ100为[100]晶向的磁致伸缩系数。2L为畴壁间距与晶粒沿轧制方向的平均尺寸d′有如下关系:d′＝0.498C₁₁λ₁₀₀ ²(2L)²/γ。

普通硅钢片产品除2L之外的变量可视为常数，则P_T的极值可由：

$\frac{\∂P_T}{\∂\left(2L\right)}=0$ 在驻点2L₀处得到，值为：

${\left(2L_0\right)}^3=864{\mathrm{\γ}}^2\mathrm{\ρ}/\left(1.628{\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{tfB}}_m}^2{C}_{11}{\mathrm{\λ}}_{100}^2\right)$

即： ${L_0}^3=266{\mathrm{\γ}}^2\mathrm{\ρ}/\left({\mathrm{\π}}^2{{\mathrm{tfB}}_m}^2{C}_{11}{\mathrm{\λ}}_{100}^2\right)$

可见，可以通过相关的物理、化学加工方法使得磁畴主畴宽度减少，可以使总铁损P_T为极小值。

将相关常数值f、B_m(按1.7T)、ρ＝47×10^-8Ωm；产品相关参数数值γ＝1.8×10^-3J/m²、C₁₁＝2.20869×10¹¹J/m³、λ₁₀₀＝2.73×10^-5，试样参数t代入，可计算出2L₀。

再结合d′＝0.498C₁₁λ₁₀₀ ²(2L₀)²/γ，可以计算出最佳平均晶粒尺寸d₀

当t＝0.5，d₀＝0.498C₁₁λ₁₀₀ ²(2L₀)²/γ≈4.162，而市售取向硅钢的平均晶粒尺寸一般大于15mm，考虑到激光刻痕及应力场对晶粒细化的分布一般无法贯穿壁厚，实际加工激光刻痕线的距离尺寸一般比d₀小25％。此时单一沟槽线间的间隔距离d＝0.85d₀≈3.53

当t＝0.35，d₀≈5.557,此时单一沟槽线间的间隔距离d＝0.85d₀≈4.72

当t＝0.3,d₀≈5.279,此时单一沟槽线间的间隔距离d＝0.85d₀≈4.48

当t＝0.25,d₀≈6.606,此时单一沟槽线间的间隔距离d＝0.85d₀≈5.6

当t＝0.2,d₀≈7.666,此时单一沟槽线间的间隔距离d＝0.85d₀≈6.5

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，所述的沟槽线由7～13条微观扫描线组构成，同一沟槽线内的相邻两条微观扫描线组间距为11.2～20.8μm。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，所述的微观扫描线组所采用的紫外飞秒激光扫描重复频率为5K。激光扫描重复频率的意思为：采用激光扫描硅钢片表面时，1秒钟内扫描在硅钢片表面的激光脉冲次数。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，紫外飞秒激光的扫描速度为70～130mm/s。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，所述的紫外飞秒激光由扫描激光器产生，该扫描激光器扫描时Q频率参数为20KHz，Q释放时间参数5μs，电流26A。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，所述的扫描步骤后，还包括酸蚀步骤：将取向硅钢片使用30～35wt％的盐酸溶液对扫描后硅钢片进行完全浸泡处理，处理温度为室温，处理时间为10～12分钟。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，所述的酸蚀步骤结束后还包括水洗步骤：用蒸馏水清洗取向硅钢片，然后用无水乙醇浸泡1～2分钟。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，所述的水洗步骤结束后还包括烘干步骤。

在上述的热稳取向硅钢制造方法中，在扫描步骤前，还包括预处理步骤和装夹固定步骤，其中预处理步骤为将取向硅钢片用无水酒精擦洗干净，去除污渍，并烘干。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的采用光子能量比较高的紫外飞秒激光，波长λ＝0.343μm，在取向硅钢单面按使用紫外飞秒激光扫描的特殊工艺，进行汽化、融化、冲击处理，可降低铁损水平7～10％。

2、本发明的采用光子能量比较高的紫外飞秒激光，扫描处理速度达到100mm/s，显著提高生产效率，降低了生产成本。同时，处理速度的提高，杜绝了热变形问题，提高了成品质量。

3、本发明的酸蚀、水洗、烘干等步骤消除氧化表面、去除冲击应力。即使在模拟恶劣工作环境，在500℃以上高温条件下工作10小时后，降低铁损效应不消失,属热稳型降低铁损技术。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

如图1所示，本发明的热稳取向硅钢制造方法包括如下步骤：

步骤1：预处理，取国内生产的取向硅钢片，用无水酒精擦洗干净，去除油脂等污渍，使用烘干机在130℃、10分钟烘干；

步骤2：装夹固定，将步骤1处理后的后的取向硅钢片放置在加工平台上，并开启负压进行固定、夹持；

步骤3：扫描，扫描示意如图2。使用飞秒激光器1，输出波长为343nm的平行激光束2，经过凹面镜3，汇聚成聚焦激光束4，在取向硅钢5上进行扫描，激光束扫描方向y垂直于取向硅钢5轧制方向x。

用100mm/s的激光扫描速度进行扫描，垂直轧制方向的线距为0mm，即为连续扫描。轧制方向的单一沟槽线间的间隔距离d为5mm,间隔距离d为相邻的沟槽线的中间线的距离。在本实施例中，激光扫描速度具体是指激光扫描硅钢片表面时，激光聚焦点不发生移动，硅钢片工件相对于激光聚焦点的移动速度。

其中，单一沟槽线由激光扫描重复频率5K、条数10、间距16μm的微观扫描线组构成。

扫描设备及关键参数：

扫描设备为法国amplitudesystems品牌激光器，型号为S-PulseHP2，最大平均功率为6w，最小光斑直径8μm输出波段1030、515、343nm，重复频率1～300KHz，脉宽500fs～10ps，采用反射式硬光路传输。

激光的具体工作脉宽是在560fs左右，光斑直径是50μm。

扫描时设备的Q频率参数为20KHz，Q释放时间参数5μs，电流26A。

Q值：定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。

Q频率参数：Q值定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。Q频率参数指1秒钟内激光器的Q值周期性变化次数，一个周期内腔体内损耗将从设定最小变化到最大值。

Q释放时间参数：一个调Q周期内，非Q释放时间Q值较大，产生光子大多数损耗掉。反转粒子数达到极大值后，Q释放时间内，将Q值调节为极小值，此时间段内激光可以起振和释放。而Q释放时间一般为一个周期内极短时间，通过这样调节，可以达到在极短时间内(比Q释放时间更短)输出极强光强的目的。即，在一个调Q周期内，将Q值调节为极小值的时间段，为Q释放时间参数。

步骤4：酸蚀，步骤3的扫描工序完成后，使用30～35％的盐酸溶液对扫描后硅钢片进行完全浸泡处理，处理温度为室温(15～30℃)，处理时间为10～12分钟。

步骤5：水洗，步骤4的酸蚀处理结朿后，使用足量的蒸馏水进行清洗硅钢片表面残余酸蚀溶液，反复清洗3～5次，再用无水乙醇进行浸泡1～2分钟。

步骤6：烘干，步骤5的水洗工序完成后，取出，放置入烘干机，在130℃条件下烘干10～15分钟。

对比例1

与实施例1大体相同，不同的地方是平行激光束2的波长为1030nm。

对比例2

与实施例1大体相同，不同的地方是平行激光束2的波长为515nm。

测试效果：

对比例1和对比例2所测试的多件样品发现铁损降低平均值约为5％，而实施例1所测试的多件样品发现铁损降低平均值约7～10％。

铁损降低的具体的测试方法见GB/T13789-92单片电工钢片(带)磁性能测量方法。

与波长为1030、515nm红外、绿色飞秒激光相比，紫外飞秒激光波长较短,单光子能量较大，使得硅钢片上激光接触线处能量未扩散就已气化。相比于红外、绿色激光，使得铁损值下降幅度较大，从而得到了较高的耐热性铁损值降幅。

本发明使用30～35％的盐酸溶液对扫描后硅钢片进行完全浸泡、酸蚀处理，试验过程中配置了质量分数21％、24％、27％、30％、33％、35％的硝酸以及质量分数21％、24％、27％、30％、33％、35％盐酸溶液进行对比试验。经过铁损测试发现，硝酸处理后铁损不降反升，不同浓度的盐酸溶液均可降低铁损，30～35％降低铁损值最大，为7～10％。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热稳取向硅钢制造方法，包括扫描步骤，其特征在于，所述的扫描步骤是通过采用波长为343nm的紫外飞秒激光在取向硅钢片的单侧表面扫描，刻出多条垂直于取向硅钢轧制方向的沟槽线。

2.根据权利要求1所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，沟槽线间的间隔距离为3.5～6.5mm。

3.根据权利要求2所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，所述的沟槽线由7～13条微观扫描线组构成，同一沟槽线内的相邻两条微观扫描线组间距为11.2～20.8μm。

4.根据权利要求3所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，所述的微观扫描线组所采用的紫外飞秒激光扫描的重复频率为5K。

5.根据权利要求4所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，紫外飞秒激光的扫描速度为70～130mm/s。

6.根据权利要求1所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，所述的紫外飞秒激光由扫描激光器产生，该扫描激光器扫描时Q频率参数为20KHz，Q释放时间参数5μs，电流26A。

7.根据权利要求1至6任一所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，所述的扫描步骤后，还包括酸蚀步骤：将取向硅钢片使用30～35wt％的盐酸溶液对扫描后硅钢片进行完全浸泡处理，处理温度为室温，处理时间为10～12分钟。

8.根据权利要求7所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，所述的酸蚀步骤结束后还包括水洗步骤：用蒸馏水清洗取向硅钢片，然后用无水乙醇浸泡1～2分钟。

9.根据权利要求8所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，所述的水洗步骤结束后还包括烘干步骤。

10.根据权利要求1所述的热稳取向硅钢制造方法，其特征在于，在所述的扫描步骤前，还包括预处理步骤和装夹固定步骤，其中预处理步骤为将取向硅钢片用无水酒精擦洗干净，去除污渍，并烘干。