CN115917020A - 取向性电磁钢板的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种控制磁畴结构来降低铁损的取向性电磁钢板的制造方法中，即使在实施了去应力退火的情况下，也能够保持铁损降低效果，并且在磁畴控制处理后磁通密度不会降低的方法。本发明的制造方法中，在取向性电磁钢板的表面，沿与钢板的轧制方向交叉的方向线状地照射周边比中心低的环状的强度分布的激光。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合于变压器等铁芯材料的低铁损的取向性电磁钢板的制造方法。
背景技术
取向性电磁钢板是软磁性材料，主要用作变压器或旋转电机等的铁芯材料。因此，要求取向性电磁钢板具有磁通密度高且铁损和磁致伸缩小的磁特性。应对该要求，使钢板中的二次再结晶晶粒在{100}＜001＞取向(高斯取向)上高度一致、或者减少产品中的杂质很重要。
然而，由于晶体取向的控制、杂质的减少是有限度的，因此开发了通过在钢板的表面以物理性的方法导入不均匀性来细分磁畴的宽度而降低铁损的技术、即磁畴细化技术。
例如专利文献1中提出了对最终产品板照射激光，在钢板表层导入线状的高位错密度区域，由此使磁畴宽度变窄而降低铁损的技术。该技术的制造性优异且应用广泛，但存在因去应力退火导致磁畴细化效果消失这样的本质的问题。因此，为了保持铁损降低效果，用途仅限于通常不进行去应力退火的叠铁芯变压器。
另一方面，开发出使用齿型辊等机械形成槽的方法(专利文献2)、通过蚀刻等电气或化学方式形成槽的方法(专利文献3)。该槽形成方法中，即使在进行了去应力退火等热处理的情况下，磁畴细化效果不消失且保持低铁损值，因此能够用作包括卷绕铁芯变压器的几乎所有的变压器的铁芯材料。然而，前者(专利文献2)存在磨损的齿型辊的维护的问题，后者(专利文献3)存在用于蚀刻的抗蚀剂油墨的涂布和除去等制造上的问题很多且成本增大的问题。
相对于这些专利文献，专利文献4中提出了对最终冷轧板使用激光或等离子体火焰来进行槽形成，在去应力退火后也能够保持磁畴细化效果的技术。然而，由于与激光、等离子体火焰的照射同时地在槽壁面的上部形成毛刺等凸部，因此存在占积率降低，或者然后实施的涂层的绝缘性降低而导致变压器绝缘击穿等问题，目前还无法实现实用化。
另外，无论采用何种通过槽形成进行磁畴细化的方法，都存在槽形状容易不均匀，得到的铁损值容易产生偏差，还有由于在槽形成部实际的钢板截面积减小，因此在槽形成前后，磁通密度最大降低1％左右的问题。
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03－69968号公报
专利文献3：日本特开昭61－117218号公报
专利文献4：日本特开平09－49024号公报
发明内容
本发明是鉴于上述的现状而开发的，目的在于提出一种在控制磁畴结构使铁损降低的取向性电磁钢板的制造方法中，即使实施去应力退火的情况下也能够保持铁损降低效果，并且在磁畴控制处理后磁通密度不降低的方法。
发明人等新发现了在高斯取向集成的二次再结晶后的钢板表面，在与该钢板的轧制方向交叉的方向(例如正交方向)线状地进行激光照射而使该照射区域局部地熔融时，能够形成与原来高斯取向组织不同的再凝固组织，可以由该再凝固组织显示出磁畴细化效果。进一步研究，结果确认根据激光照射条件也有形成所谓的槽的情况，但在将再凝固组织用于磁畴细化的情况下，槽的形成对于磁畴细化不是必需的，相反，槽(凹部)导致钢板截面积减小，随之磁通密度也降低这样的负面影响很大。另外，如果形成槽，则在槽的周边产生被排除的基体铁的隆起、所谓的毛刺，因此从占积率、耐绝缘性方面来看也是不利的。
这里，上述的再凝固组织是指对钢板进行激光照射而使该照射区域暂时熔融并再次凝固，从而产生具有与激光照射前的原来的晶体取向不同的取向的凝固组织。因此，是与如现有的应变导入型那样不使组织熔融而通过激光照射快速加热并快速冷却而残留线性应变分布的、保持原来晶体取向的组织不同的组织。
基于上述见解，发明人等对使基体铁高效地吸收激光的入射能量，一边抑制飞溅一边使其熔融的激光的照射条件反复进行深入研究。其结果发现通过在钢板的表面照射周边比中心低的环状的强度分布的激光、例如照射激光的中心强、周边环状地弱的激光的方法，能够在钢板表面几乎不产生凹凸地形成熔融部，由此能够不改变磁通密度地呈现磁畴细化效果，降低铁损。应予说明，如果能量强度不同，则可以组合波长不同的激光。并且，可知与一般利用的波长1.0μm左右的YAG的圆盘激光器、光纤维激光器相比，波长短的绿色激光、UV激光、蓝色激光等在钢板表面上的反射少，更高效地被吸收，因此容易形成熔融部，进而对减少钢板表面的凹凸有效。
本发明中，由于激光照射处理后的钢板表面实质上没有凹凸，因此由于该处理引起的磁通密度的降低为0.2％以下。另外，由于即使进行了去应力退火，再凝固组织也不消失，因此在去应力退火后也保持由磁畴细化处理带来的铁损降低效果。
本发明的主要构成如下。
(1)一种取向性电磁钢板的制造方法，在取向性电磁钢板的表面，在与钢板的与轧制方向交叉的方向呈线状地照射激光，该激光具有周边比中心低的环状的强度分布。
(2)根据上述(1)所述的取向性电磁钢板的制造方法，其中，上述激光的波长为0.15μm～0.9μm。
(3)根据上述(1)或(2)所述的取向性电磁钢板的制造方法，其中，上述取向性电磁钢板在镁橄榄石被膜上具有张力涂层。
根据本发明，通过在适当的条件下对取向性电磁钢板的表面通过激光照射实施磁畴细化处理，因此即使在去应力退火后，与以往相比也能够进一步降低铁损。
具体实施方式
首先，对本发明的研发经过进行说明。
首先，如果激光的入射能量被基体铁高效地吸收的观点成立，则激光的波长越短，能量越高，并且在钢板表面的反射率降低，因此认为将激光的波长设为比以往更短是有效的。另一方面，在作为激光的照射对象的呈现高斯取向主体的晶粒群的二次再结晶退火后的钢板表面，通常存在以MgO为主体的退火分离剂与在二次再结晶前的钢板表面形成的SiO2主体的硅氧化物反应生成的镁橄榄石被膜。因此，发明人等对介由镁橄榄石被膜向基体铁表面照射激光，在基体铁表面实现效率良好的能量吸收，使基体铁的表面附近生成凹凸少的熔融部所需的镁橄榄石被膜的性状进行了研究。这里，镁橄榄石本身是透明的晶体，但实际上看起来是白色的，因此认为是在镁橄榄石被膜内因晶界的存在发生了光的漫反射。也就是说，镁橄榄石被膜越厚，越容易吸收激光的能量。因此，为了高效率地进行基体铁的能量吸收，镁橄榄石被膜的厚度越薄越好。具体而言，优选将单位面积重量设为3.2g/m2以下。这是因为在镁橄榄石被膜比3.2g/m2厚的情况下，有可能需要的激光的能量变高，再凝固组织形成时的表面凹凸变大。
应予说明，降低镁橄榄石被膜的厚度的方法有很多，但没有特别限定，可以使用任意方法。例如镁橄榄石本身是Si和Mg的复合氧化物Mg2SiO4，因此通过降低二次再结晶退火前的脱碳退火时的露点来减少SiO2主体的表面氧化物量，或者降低以MgO为主体的退火分离剂的水合量来降低反应性，或者减少退火分离剂的涂布量本身，或者设计退火分离剂中的添加助剂，可以将镁橄榄石被膜调整到3.2g/m2以下。
另外，已知有通过使表面平滑化而有意防止或者抑制镁橄榄石被膜等表面氧化物的形成来降低铁损的技术。例如作为镁橄榄石被膜的代替物，可举出形成极薄的外部SiO2膜、CVD膜、PVD膜的技术。如果通过这些膜的形成能够确保弯曲密合性、张力施加效果，则能够大幅降低镁橄榄石被膜的单位面积重量，从本发明的基体铁中的激光能量吸收效率的观点考虑，更为优选。
作为抑制镁橄榄石被膜本身的生成的方法，已知有降低脱碳退火时的露点，抑制内部氧化而极薄地形成外部SiO2，或者在退火分离剂的添加助剂中加入氯化物等，或者将退火分离剂的主成分本身变更为Al2O3或CaO，从而防止镁橄榄石被膜的形成反应发生的技术。
接下来，对激光的优选的照射条件进行论述。作为使用了激光的磁畴细化技术，已知有在钢板表面施加热应变，形成位错密度非常高的区域而使磁畴宽度变窄的所谓的应变导入型、以及通过高能量的激光照射等在基体铁表面直接形成槽，在槽侧面产生磁极来缩小磁畴宽度的槽导入型。
相对于此，本发明的激光的照射条件介于这两者之间。即，是因为照射激光使基体铁表面附近局部地熔融而得到的再凝固组织具有与二次再结晶晶粒群的主要的高斯取向不同的结晶取向，因此该再凝固组织产生伪晶界效应，能够使磁畴宽度变窄的照射条件。其中，如果激光的照射能量过大，则钢板表面的基体铁蒸发或者被飞溅而形成槽。即使没有形成槽，如果能够形成凹部，也会在其周围形成毛刺状的凸部，因此导致占积率的降低，或者其上被覆的绝缘涂层局部地变薄，导致绝缘性、耐腐蚀性的降低。因此，优选为在激光的照射部尽可能地不形成槽和凹凸的照射条件。
为了在激光的照射部不形成凹凸且高效地使基体铁局部熔融，有效的是使用具有不同强度的激光。具体而言，如果同心圆状地照射激光，则通过加强中心激光的强度并减弱周边的激光的强度，能够抑制基体铁的蒸发、飞溅的扩展，仅使中心部分高效地熔融。作为在激光的中心与周边之间设置照射能量差的方法，除了改变激光的能量密度以外，使用波长不同的激光也很有效。例如将高强度激光作为主光束向中心照射，同时在其周围进行焦点调整使其扩散，产生环状的低强度激光作为副光束，可以得到具有周边比中心低的环状的强度分布的激光。副光束的波长可以与主光束的波长相同，也可以不同。只要在照射位置得到所希望的强度分布，就可以单独使用像环模这样的横模的激光中的1种，也可以组合使用2种以上的不同种类的横模的激光。这里，很难限定高能量侧和低能量侧的激光的能量范围，但优选选择具有在钢板(基体铁)表面形成熔融部、且(基体铁)表面凹凸差小于3μm的能量范围的激光的组合。
应予说明，关于激光的波长，波长越短能量越高，在物质表面的反射减少，向物质的吸收良好。具体而言，由于通过使用0.9μm以下的波长的激光，反射率下降，吸收率增加，因此能够一边抑制飞溅一边形成局部熔融部。对抑制镁橄榄石被膜形成或者实施了镜面化处理的钢板应用该激光照射技术的情况下，波长短的激光更有效。从设备上的制约考虑，激光的波长的下限优选为0.15μm。
例如由于易于使激光较细地聚光，因此广泛利用的YAG激光的波长为1.03～1.07μm，但二次谐波为波长一半的0.53μm的绿色激光、三次谐波、四次谐波波长分别为0.36μm、0.27μm的UV激光的吸收效率良好，不易出现飞溅，因此从保持表面平坦性的观点考虑，更为有利。同样地利用了蓝色半导体等的波长0.44～0.49μm的蓝色激光、利用了卤素气体的波长0.19～0.31μm的准分子激光等也有效。
另一方面，在波长1μm左右的一般的激光中，钢板表面为镜面等光容易发生反射的情况下激光发生反射，使基体铁(钢板内部)吸收能量而形成局部熔融部非常困难。
激光的输出由于是强度不同的2种以上的激光的组合，因此难以规定适宜条件，但大致合计每单位长度的热量优选为2J/m～50J/m，激光束的光斑直径优选为100μm以下。上述光斑直径是指由中心的高强度激光和周边的环状低强度激光形成的照射形状的最长直径。
另外，由激光形成的钢板表面附近的熔融区域为宽度：20～200μm和深度：2～50μm，轧制方向的重复间隔优选为0.5mm～20mm。
并且，在本发明中，激光的照射为“线状”不仅是实线，而且也包含点划线、虚线等。另外，“与轧制方向交叉的方向”是指相对于与轧制方向直角的方向为±30°以内的角度范围。
由激光形成的线状的熔融部的磁畴细化效果在二次再结晶后的晶粒的取向集成于作为磁化容易轴的<100>方向上时更大，因此作为该集成度的指标的B8值越高，由激光引起的铁损降低效果变大。因此，本发明中，成为照射对象的钢板优选该磁通密度B8为1.90T以上。另外，本发明是活用了从单面照射激光得到的熔融再凝固组织的磁畴细化技术，如果钢板厚，则其效果有限。因此，对象板厚优选为0.23mm以下。
以下，对于本发明的优选的制造条件进行了论述。
首先，对材料的优选成分组成进行说明。对于材料的成分组成，可以根据以往已知的各种取向性电磁钢板的组成，适当地确定产生二次再结晶、得到B8：1.90T以上的组成。以下具体说明的组成仅是例示，并不限定于此。
在本发明的取向性电磁钢板的制造中，在利用抑制剂的情况下，例如如果是利用AlN系抑制剂的情况下，成分组成中可以适量地含有Al和N，另外如果是利用MnS·MnSe系抑制剂的情况下，可以适量地含有Mn、Se和/或S。当然可以并用两种抑制剂。这种情况下的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％。
另外，本发明也可以应用于限制Al、N、S、Se的含量且不使用抑制剂的取向性电磁钢板。此时，优选Al、N、S以及Se量分别抑制到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。
如果对于其他基本成分和任意添加成分进行论述，则如下。
C：0.08质量％以下
如果C量超过0.08质量％，则为了将C降低至不发生磁时效的50质量ppm以下，制造工序中的负担增大。因此，优选为0.08质量％以下。应予说明，关于下限，即便是不包含C的材料，也能够进行二次再结晶，不需要特别设置，可以为0质量％。
Si：2.0～8.0质量％
Si是对提高钢的电阻、改善铁损有效的元素，含量为2.0质量％以上时，铁损降低效果尤其好。另一方面，在为8.0质量％以下的情况下，可以得到特别优异的加工性、磁通密度。因此，Si量优选为2.0～8.0质量％的范围。
Mn：0.005～1.0质量％
Mn是在使热加工性良好方面有利的元素，但含量小于0.005质量％时该添加效果缺乏。另一方面，如果将含量设为1.0质量％以下，则产品板的磁通密度特别好。因此，Mn量优选为0.005～1.0质量％的范围。
在上述的基本成分以外，作为任意的磁特性改善成分，可以适宜地含有下述的元素。
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：0.02～0.50质量％、Mo:0.005～0.10质量％和Cr:0.03～1.50质量％中的至少1种
Ni是对改善热轧板组织进一步提高磁特性有用的元素。然而，如果含量小于0.03质量％，则磁特性的提高效果小，另一方面，1.50质量％以下时，尤其是二次再结晶的稳定性增加，磁特性得到改善。因此，Ni量优选为0.03～1.50质量％的范围。
另外，Sn、Sb、Cu、P、Cr和Mo分别是对磁特性的提高有用的元素，但各不满足上述的各成分的下限时，磁特性的提高效果小。另一方面，在上述的各成分的上限量以下时，二次再结晶晶粒的发展最好。因此，分别优选在上述的范围含有。
应予说明，上述成分以外的剩余部分是在制造工序中混入的不可避免的杂质和Fe。
在本发明中，制造取向性电磁钢板的工序基本上可以按照以往公知的制造工序。
可以利用通常的铸锭法、连续铸造法将调整为上述的适宜成分组成的钢坯材制成板坯，或者可以直接利用连续铸造法制造100mm以下的厚度的薄铸片。板坯可以利用通常的方法进行加热而供于热轧，但也可以在铸造后不加热而立即供于热轧。薄铸片的情况下可以进行热轧，也可以省略热轧，直接进入之后的工序。作为适宜条件，根据需要进行热轧板退火后，通过一次冷轧或者隔着中间退火的2次以上的冷轧，制成最终板厚。接着，脱碳退火后，涂布以MgO为主成分的退火分离剂后，实施最终退火，根据需要实施张力涂层，制成产品。
作为张力涂层，可以适用公知的张力被膜、例如以磷酸镁、磷酸铝等磷酸盐和胶态二氧化硅等低热膨胀氧化物为主体的玻璃涂层等。
本发明中，上述的最终退火时，可以采用上述的各种膜厚调整方法中的任一种，以使形成于钢板表面的镁橄榄石被膜的单位面积重量优选为3.2g/m2以下。并且，作为积极地抑制镁橄榄石被膜形成的方法，可以采用降低脱碳退火时的露点，或者作为非脱碳气氛抑制SiO2主体的表面氧化物的生成，或者在退火分离剂的添加助剂中加入氯化物等，或者将退火分离剂的主成分本身变更为Al2O3、CaO，以防止发生镁橄榄石被膜的形成反应等方法。
实施例
将具有包含C：0.055质量％(550质量ppm)、Si：3.40质量％、Mn：0.30质量％、Al：0.017质量％(170质量ppm)、S：0.0015质量％(15质量ppm)、Se：0.010质量％(100质量ppm)、N：0.006质量％(60质量ppm)、P：0.06质量％、Sb：0.07质量％、Mo：0.015质量％、余量为Fe和不可避免的杂质的组成的钢坯材加热为1350℃后，进行热轧制成2.2mm厚后，在1050℃下实施30秒的热轧板退火，利用串列式轧机通过1次冷轧制成最终板厚0.23mm的冷轧板。然后，加热至820℃，在湿氢气氛中进行1分10秒的脱碳退火。接着，对脱碳退火后的钢板涂布氧化镁主体的退火分离剂。该退火分离剂使用以MgO作为主剂，作为助剂各种改变TiO2的添加量而成的物质。另外，对于一部分的材料，在退火分离剂中添加氯化Sb来抑制(减少)镁橄榄石膜的形成。然后，在1200℃下实施以二次再结晶和镁橄榄石被膜形成以及纯化为目的的最终退火。
对于如此得到的钢板测定磁特性(铁损W17/50)后，对钢板照射如下的激光：以连续振荡的光纤激光作为主光束向中心照射，同时在其周围对相同波长的副光束进行焦点调整使其扩散，产生环状激光，具有中心的主光束和周边的环状副光束不同的强度分布。具体而言，以激光束的扫描速度为1000mm/秒、钢板轧制方向的照射间隔5mm在与轧制方向成直角的方向线状地照射。此时，将主光束和周围的副光束的输出进行各种变化。并且，对激光照射后的材料涂布由50％的胶态二氧化硅和磷酸镁构成的绝缘涂层，实施烧结的张力涂布处理。另外，对于一部分的条件，在张力涂布后进行了激光照射处理。
表1中示出了对这样得到的钢板试样的镁橄榄石被膜的单位面积重量、以及根据截面观察计测激光照射的附近的平坦性的凹凸量、以及磁特性(铁损W17/50)进行调查的结果、以及激光的照射条件。应予说明，单位面积重量是利用高温·高浓度的NaOH溶液除去镁橄榄石被膜前后的质量的差值。凹凸量是用三维激光位移仪从表面计测的照射部附近的截面的最高点与最低点的差值。另外，磁特性根据铁损试验法(Epstein test)进行计测。对于表1的副光束照射条件，“周围弱”是将环状的周边副光束的强度设为比中心的主光束强度低的所希望的强度分布的情况。另一方面，“无”是未照射环状的周边副光束的情况，“周围强”是将环状的周边副光束的强度设为比中心的主光束强度高的情况。另外，熔融部的宽度利用三维激光位移仪进行测量。
应予说明，熔融部的宽度通常能够利用三维激光位移仪进行测量，在想要进行判断的情况下，利用EBSD(Electron Back Scattering Diffraction pattern)法对照射部附近的截面的弹性应变量进行测定来比较进行测量，或者根据基于磁铁观察器的磁畴结构的不连续位置进行测量。
如表1所示可知，对镁橄榄石被膜的单位面积重量为3.2g/m2以下的电磁钢板适当地组合照射能量密度不同的激光的情况下(发明例)均可得到极低的铁损值，并且在照射部附近得到了没有毛刺且平坦的表面。
另外，如No.5、No.10所示，在使用抑制镁橄榄石被膜形成而具有平滑的表面的材料的情况下，通过使用本发明，显著改善(降低)铁损。并且，通过缩短激光的波长，看到生成的毛刺高度(凹凸量)相对变小的趋势。
Claims (3)
1.一种取向性电磁钢板的制造方法，在取向性电磁钢板的表面，沿与钢板的轧制方向交叉的方向呈线状地照射激光，该激光具有周边比中心低的环状的强度分布。
2.根据权利要求1所述的取向性电磁钢板的制造方法，其中，所述激光的波长为0.15μm～0.9μm。
3.根据权利要求1或2所述的取向性电磁钢板的制造方法，其中，所述取向性电磁钢板在镁橄榄石被膜上具有张力涂层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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