ITRM990334A1 - Procedimento per il miglioramento di caratteristiche magnetiche in lamierini di acciaio al silicio a grano orientato mediante trattamento co - Google Patents

Procedimento per il miglioramento di caratteristiche magnetiche in lamierini di acciaio al silicio a grano orientato mediante trattamento co Download PDF

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ITRM990334A1
ITRM990334A1 IT1999RM000334A ITRM990334A ITRM990334A1 IT RM990334 A1 ITRM990334 A1 IT RM990334A1 IT 1999RM000334 A IT1999RM000334 A IT 1999RM000334A IT RM990334 A ITRM990334 A IT RM990334A IT RM990334 A1 ITRM990334 A1 IT RM990334A1
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Description

DESCRIZIONE
Campo dell'invenzione
La presente invenzione si riferisce a un procedimento per il miglioramento di caratteristiche magnetiche in lamierini di acciaio al silicio a grano orientato mediante rigatura laser; e più in particolare si riferisce a un procedimento di irraggiamento del lamierino, dopo la ricottura finale, tale da migliorarne le caratteristiche di induzione, perdite e magnetostrizione, rispetto al lamierino non trattato.
Stato dell’arte
I lamierini di acciaio al silicio a grano orientato trovano il loro maggiore impiego nella produzione di nuclei per trasformatori; in tale utilizzazione, una delle caratteristiche magnetiche del materiale sottoposte a maggiore studio, in particolare a seguito della crisi petrolifera degli anno 70 e più recentemente in funzione del sempre maggiore interesse per il risparmio energetico, è quella delle cosiddette perdite al nucleo, o in breve perdite, ossia della quantità di energia perduta nel funzionamento del trasformatore. Le perdite sono espresse in watt per chilogrammo di peso del nucleo e dipendono da vari fattori e, in particolare, dal movimento delle pareti dei domini magnetici, definiti come regioni all’interno del materiale in cui gli elettroni responsabili del ferromagnetismo hanno spin paralleli e quindi posseggono un momento magnetico non nullo. Nei lamierini di acciaio magnetico al silicio il momento magnetico entro un singolo dominio è orientato secondo le direzioni di facile magnetizzazione, ossia secondo le direzioni cristallografiche <100>. Le pareti dei domini sono regioni tra domini adiacenti attraverso le quali il momento magnetico ruota e sono caratterizzate dal valore di tale rotazione; si parla quindi di pareti a 180° e di pareti non-180° (in questo materiale, 90°).
Nello stato demagnetizzato, la somma vettoriale dei momenti magnetici dei domini è zero; sotto un campo esterno applicato, la magnetizzazione iniziale avviene essenzialmente per movimento delle pareti dei domini; quelli favorevolmente orientati rispetto al campo applicato assumono minor energia e crescono a spese degli altri domini mediante movimento laterale delle pareti a 180°. Una maggior mobilità delle pareti rende la magnetizzazione più facile, e quindi il movimento delle pareti richiede meno energia. Il consumo energetico associato con il movimento delle pareti a 180° è dovuto alle forze elettromotrici generate dal movimento delle pareti e che a tale movimento si oppongono.
E’ stato trovato che tale componente delle perdite è proporzionale al rapporto tra la distanza tra le pareti a 180° e lo spessore del lamierino. E’ stato anche trovato che le perdite dipendono anche dalle dimensioni dei grani del lamierino e dalla orientazione del reticolo cristallino del grano rispetto alla superficie del lamierino.
Dunque, la scelta più ovvia e immediata è quella di avere lamierini in acciaio al silicio a grano altamente orientato, con determinate dimensioni del grano e con basso spessore.
Gli sforzi fatti finora in tal senso hanno in effetti avuto eccellenti risultati, comunque non ulteriormente migliorabili in modo sensibile e industrialmente accettabile; in particolare si è trovato che la dimensione ottimale dei grani è attorno a 4 mm, mentre per quanto riguarda lo spessore del lamierino scendere al di sotto di determinati valori non è conveniente, tanto per il costo di tali lavorazioni, quanto perché diminuisce eccessivamente il rapporto (detto “fattore spaziale") tra volume del lamierino e volume dei necessari rivestimenti isolanti, per cui troppa parte del nucleo sarebbe occupata dal rivestimento isolante.
Ci si è quindi rivolti agli altri fattori influenzanti le perdite al nucleo, e in particolare alle dimensioni dei domini magnetici.
E' stato dapprima trovato che applicando una tensione meccanica al lamierino si induce nel materiale un’anisotropia nel piano del lamierino, che in presenza della struttura tipica di questi materiale (tessitura di Goss) aumenta la differenza energetica di magnetizzazione tra la direzione cristallografica <100>, parallela alla direzione di laminazione, e la direzione <01 1>, perpendicolare alla direzione di laminazione. Conseguentemente, il bilancio tra energia magnetostatica e energia delle pareti dei domini si sposta a favore dell'energia delle pareti, causando la formazione di un maggior numero di pareti che diventano più fini e vicine. In tal modo, si ottiene una notevole diminuzione del contributo delle correnti parassite al valore totale delle perdite. Sono stati quindi sviluppati rivestimenti tensionanti, in grado di ottenere tali miglioramenti.
Tuttavia, fin dal 1924 è stata suggerita la possibilità che tali tensioni meccaniche siano ottenibili anche creando dei microstress compressivi localizzati. In questa ottica è stato proposto di sottoporre il lamierino a pallinatura oppure a rigatura meccanica, con punte o lame o cilindri provvisti di rilievi. Tali metodi, pur efficaci e in grado di dare miglioranti resistenti a trattamenti termici a elevata temperatura, hanno gli inconvenienti di essere difficilmente applicabili industrialmente, di distruggere il rivestimento isolante del lamierino, esponendo lo stesso a rapidissima ossidazione e quindi richiedendo un ulteriore rivestimento, e di formare sbavature o comunque rilievi del metallo ai bordi delle rigature o delle impronte, diminuendo il fattore spaziale del nucleo e facilitando nello stesso l’insorgenza di cortocircuiti.
Un passo successivo è stato quello di trattare la superficie del lamierino con impulsi energetici concentrati, in forma di raggi laser, fasci elettronici, plasma e simili.
Un articolo presentato alla Ί986 ASM Materials Week Conference" del 4-9 Ottobre 1986 a Orlando, Florida, da J.W. Schoen e A. L. von Hollen, dal titolo “Domain refinement of oriented electrical Steel: from early beginning to an emerged technology” espone molto chiaramente tutte queste problematiche, e ricorda le prime esperienze in merito; in particolare si riferisce al trattamento di rigatura con laser.
A questo riguardo, si esprime nelle figure 7 e 9, e nella relativa discussione nel testo, che il miglioramento ottenuto dall’affinazione dei domini magnetici può essere messo in relazione alle condizione di magnetostrizione dopo trattamento laser in quanto la variazione di magnetostrizione rappresenta, una misura quantitativa della proporzione di pareti non-180° introdotte nelle aree laserizzate; i migliori risultati di affinazione dei domini si ottengono con un aumento della magnetostrizione. Tale situazione si ritrova anche in altri documenti; per esempio nel brevetto europeo 87587, con priorità del 25 Gennaio 1980, si descrive un procedimento di irraggiamento con raggio laser di lamierino di acciaio elettromagnetico. L’invenzione consiste nell'applicare al lamierino un agente di rivestimento liquido dopo il trattamento laser e di cuocere tale rivestimento a temperatura non superiore a 600 °C. Tale limite di temperatura è dovuto al fatto che gli effetti migliorativi sulle perdite dei trattamenti tipo laser svaniscono completamente a temperature superiori a 500-600 °C. Questo brevetto esprime il fatto che gli effetti del trattamento laser vengono utilizzati non solo per la riduzione delle perdite, ma anche per il miglioramento della magnetostrizione; tuttavia a questo riguardo non si danno prove convincenti dei risultati ottenuti; infatti nella Tabella 1, l’unica in cui si diano valutazioni della magnetostrizione, le misure di quest’ultima vengono espresse come variazioni dimensionali sotto un carico meccanico di 17 kg. A questo riguardo, tuttavia, si deve notare come sia ampiamente noto che una trazione meccanica migliora la magnetostrizione. Inoltre, dai dati riportati si vede come i miglioramenti ottenuti secondo l’invenzione sono comunque inferiori, per la magnetostrizione, a quelli ottenibili con la semplice applicazione del rivestimento finale, senza trattamento laser. L’unico vantaggio del trattamento laser è quindi quello di migliorare il valore delle perdite totali al nucleo.
La domanda di brevetto europeo 611.829, depositata il 24 Agosto 1994, si riferisce al trattamento con fascio elettronico della superficie di un lamierino magnetico a grano orientato, per ottenere un prodotto (nucleo di trasformatore) con migliori caratteristiche di forma e minori emissioni acustiche. L'invenzione consiste nel fatto che il lamierino, provvisto di rivestimento finale, viene irraggiato con un fascio di elettroni inviato sul lamierino in modo da seguire un percorso a zigzag, continuo o discontinuo, in particolare in modo che le tracce del fascio di elettroni si trovino in corrispondenza degli apici del percorso a zigzag. Anche in questo processo, i miglioramenti assoluti ottenuti sono relativi soltanto alle perdite, mentre i valori riferiti alla magnetostrizione (potenza di eccitazione e rumore) sono assolutamente paragonabili a quelli del nastro non trattato e sono migliori solo in relazione al nastro trattato con un irraggiamento lineare del fascio di elettroni. Un ulteriore svantaggio dell’uso del fascio di elettroni consiste nel fatto che è necessario operare sotto vuoto spinto, condizione costosa e difficilmente ottenibile in impianti di trattamento continuo. Infine, è da notare che in questo documento i migliori risultati si ottengono con una temperatura di trattamento del nastro, trattato con fascio elettronico, compresa tra 600 e 800 °C, temperature alle quali, come noto, si perdono i benefici dovuti alle microtensioni indotte dal trattamento. Se ne deduce, quindi, che in questo documento i miglioramenti ottenuto sono essenzialmente dovuti all’effetto tensionante del rivestimento finale, meglio agganciato al lamierino a causa dei solchi incisi nel glass film dal fascio di elettroni.
In definitiva, lo stato dell'arte a nostra conoscenza mostra come il trattamento di irraggiamento del lamierino di acciaio al silicio a grano orientato con laser o con fascio elettronico riesce a ottenere miglioramenti effettivi nelle caratteristiche generali di perdite, mentre per quanto riguarda magnetostrizione e rumore i risultati ottenuti sono tutt’al più paragonabili a quelli ottenibili con i classici metodi di trattamento, senza irraggiamento superficiale. Inoltre, è da considerare che gli impianti laser o a fascio di elettroni hanno costi di impianto e di gestione alquanto elevati, e che potrebbero quindi non essere interamente giustificati a fronte soltanto di miglioramenti nelle perdite.
E' quindi uno scopo della presente invenzione ottenere un trattamento laser di lamierini magnetici a grano orientato che sia in grado di migliorarne, in assoluto, i valori di perdite al nucleo, magnetostrizione e induzione misurata a 800 A/m (d’ora in avanti B800).
Un altro scopo della presente invenzione è quello di effettuare il trattamento laser in modo da non danneggiare il rivestimento del lamierino. Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di evitare il costo aggiuntivo, finora necessario, di un rivestimento finale del lamierino depositato dopo il trattamento con laser.
Descrizione dell'invenzione
Secondo la presente invenzione, si fornisce un procedimento in cui un nastro di acciaio al silicio a grano orientato che abbia già subito la ricottura finale di ricristallizzazione secondaria e che sia fornito di un rivestimento isolante, viene sottoposto a trattamento con laser del tipo a emissione continua, per esempio a C02 con lunghezza d’onda di 10,46 pm, in modo da scandire in continuo il nastro in movimento in senso genericamente trasversale al senso di movimento del nastro stesso. Il procedimento è caratterizzato dal fatto che alcuni parametri di processo prescelti (ossia energia specifica di irraggiamento, dwell time e distanza tra due tracce consecutive del raggio laser sul lamierino) vengono contemporaneamente e in continuo regolati rispettivamente entro gli intervalli 0,1 e 25 mJ/mm<2>, IxlO<-6 >s e 1x10<'2 >s, 2 e 12 mm, in modo da ottimizzare il miglioramento di almeno una delle caratteristiche magnetiche del nastro scelte tra induzione e perdite al nucleo, misurata in continuo prima e dopo il trattamento con raggio laser, e da non danneggiare il rivestimento di glass film.
In questo contesto, con dwell time si intende il tempo per cui una determinata superficie del nastro viene irraggiata dal raggio laser, ed è funzione della velocità del nastro, della velocità di scansione del raggio laser e delle dimensioni trasversali del raggio laser.
L’energia specifica di irraggiamento è compresa preferibilmente tra 2 e 8 mJ/mm<2>, e più in particolare tra 3 e 5 mJ/mm<2 >Per quanto riguarda il dwell lime, questo deve essere preferibilmente compreso tra 1x10<'5 >s e 1x10<'3 >s, e più in particolare tra 1 e 8x1ο<-4 >s.
La distanza tra due linee successive deve essere preferibilmente mantenuta nel campo tra 3,5 e 8 mm, in funzione della dimensione media del grano ; risultati molto buoni sono stati ottenuti nella nostra sperimentazioni a valori di distanza tra due linee successive del 10-20% inferiori alla dimensione media del grano, misurata nel senso di laminazione del nastro.
La velocità di scansione del raggio laser sulla superficie del nastro è un altro fattore importante, comunque dipendente da altri parametri quali, per esempio, velocità di traslazione del nastro di acciaio nella linea e distanza tra le righe; pertanto in impianti diversi tale parametro può assumere valori diversi, pur mantenendo a valori ottimali le caratteristiche magnetiche ottenute; nella sperimentazione effettuata in laboratorio si sono avuti risultati eccellenti con velocità di scansione comprese tra 800 e 10.000 m/minuto; nell’impianto di tipo industriale utilizzato i valori comunemente usati sono compresi tra 1500 e 6000 m/minuto.
Le dimensioni trasversali del raggio laser, o lunghezza della macchia, da cui dipende il dwell time sono comprese tra 1 e 60 mm, preferibilmente tra 5 e 50 mm, con valori tipici compresi tra 7 e 40 mm.
Poiché il movimento di scansione del raggio laser è prodotto dalla rotazione di uno specchio poligonale che invia il raggio su uno specchio parabolico dal quale viene infine inviato sul nastro, i parametri di processo sono anche funzione della velocità di rotazione dello specchio poligonale; pertanto tale velocità di rotazione è, secondo l’invenzione, compresa tra 100 e 10.000 giri/minuto, preferibilmente tra 600 e 6000 giri/minuto.
E' possibile regolare i parametri di processo in modo da ottimizzare il miglioramento delle perdite o della magnetostrizione, realizzando anche piccoli incrementi nel valore di permeabilità magnetica.
Non esistendo metodi standard per la misura della magnetostrizione, le misure relative in questo testo sono state eseguite secondo il metodo indicato da G. Ban e F. Janosi in “Measuring System and evaluation method of DC and AC magnetostriction behaviour to investigate 3,2% SiFe G.O. electrical steels” Conference of Soft Magnetic Materials, SMM’12 Conf. Proc. Journal of Magn. and Magn. Mat., Voi 160, (1996), 167-170.
La presente invenzione sarà ora descritta in maggior dettaglio in relazioni ai seguenti esempi di attuazione, riportati a titolo puramente esemplificativo e non limitativo degli scopo e della portata della presente invenzione.
Esempio 1
Un acciaio al 3,2% in peso di Si, del tipo convenzionalmente utilizzato per la produzione dì lamierini a elevate caratteristiche magnetiche è stato prodotto e trasformato, con metodi noti, in lamierino dello spessore di 0,27 mm, cosparso con separatore di ricottura convenzionale a base di MgO e ricotto in forno a campana.
Dopo i necessari trattamenti finali, è stato ottenuto un prodotto avente le seguenti caratteristiche magnetiche:
I nastri ricoperti con glass film e rivestimento finale isolante (uno per il trattamento convenzionale e tre per il trattamento secondo la presente invenzione) sono stati irraggiati con raggio laser nelle seguenti condiziom:
Tabella 1
Sui materiali ottenuti sono quindi state misurate le caratteristiche magnetiche, la suscettibilità alla ruggine in corrispondenza delle zone irraggiate (indicata come centimetri ossidati per metro di traccia), la visibilità delle tracce sul lamierino del raggio laser (indicata come rapporto tra tratto visibile e lunghezza della traccia), la magnetostrizione λ^) (come variazione massima di lunghezza del nastro).
I valori misurati sono riportati nella seguente tabella 2.
Tabella 2
Esempio 2
Un nastro è stato anche trattato variando il Dwell Time. I dati relativi all’esperimento sono riportati nella seguente Tabella 3.
Come è evidente, esiste una forte dipendenza dal dwell time della qualità magnetica del prodotto finale; in particolare tutte le caratteristiche magnetiche prese in considerazione migliorano solo in alcuni casi.
Per i nastri G e H, pur essendo il dwell time entro i valori stabiliti, non è stato possibile nell’impianto specifico regolare al meglio altri parametri quali la velocità del nastro e la velocità di scansione del raggio laser. Per i nastri I e J si ottengono risultati buoni per tutte le caratteristiche magnetiche considerate.
Per i nastri K e L, infine, pur ottenendo valori nulli per la visibilità delle tracce e per la corrosione si hanno incrementi piccoli e anche negativi per le perdite, incrementi negativi per la permeabilità e valori troppo grandi per la magnetostrizione.
Tabella 3
Esempio 3
Un nastro trattato come in I è stato ulteriormente lavorato variando la distanza tra le tracce. Nel nastro, la dimensione media del grano nella direzione di laminazione era di 8,53 mm, con una variabilità del 30%. ) risultati ottenuti sono riportati nella seguente Tabella 4. Anche in questo caso si vede come si abbiano valori accettabili in tutto il campo esplorato, comunque entro i limiti definiti per i parametri operativi (tranne che per la magnetostrizione, al minimo per i campioni P e Q), e che valori ottimali si abbiano per una distanza tra le righe compresa tra 7 e 8 mm, ossia deH’8-18% inferiore alle dimensioni medie del grano.
Tabella 4
Esempio 4
Su un nastro di acciaio del tipo 0 è stata misurata la magnetostrizione, con campo di polarizzazione compreso tra 0,8 e 1,9 T, prima e dopo trattamento laser secondo la presente invenzione. I risultati ottenuti sono riportati in Tabella 5.
Tabella 5

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il miglioramento di caratteristiche magnetiche in lamierini di acciaio al silicio a grano orientato mediante trattamento con laser, in cui un nastro di acciaio al silicio a grano orientato che abbia già subito la ricottura finale di ricristallizzazione secondaria e che sia fornito di un rivestimento isolante, viene sottoposto a trattamento con laser del tipo a C02 a emissione continua con lunghezza d’onda di 10,46 μηη, in modo da scandire in continuo il nastro in movimento in senso genericamente trasversale al senso di movimento del nastro stesso, caratterizzato dal fatto che i seguenti parametri di processo prescelti, energia specifica di irraggiamento, dwell time e distanza tra due tracce consecutive del raggio laser sul lamierino vengono contemporaneamente e in continuo regolati rispettivamente entro gli intervalli 0,1 e 25 mJ/mm<2>, IxlO<"6 >s e 1x10<'2 >s, 2 e 12 mm, in modo da ottimizzare il miglioramento di almeno una delle caratteristiche magnetiche del nastro scelte tra induzione e perdite al nucleo, misurata in continuo prima e dopo il trattamento con raggio laser, e da non danneggiare il rivestimento di glass film.
  2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che l'energia specifica di irraggiamento è compresa preferibilmente tra 2 e 8 mJ/mm<2>
  3. 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, in cui l’energia specifica di irraggiamento è compresa tra 3 e 5 mJ/mm<2>.
  4. 4. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il dwell time è compreso tra 1x10<'5 >s e 1x10<'3 >s.
  5. 5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, in cui il dwell time è compreso tra 1 e 8x10<'4 >s.
  6. 6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza tra due linee successive è mantenuta nel campo tra 3,5 e 8 mm.
  7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui la distanza tra due righe successive è tenuta a valori del 10-20% inferiori alle dimensioni medie del grano.
  8. 8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità di scansione del raggio laser sulla superficie del nastro è compresa tra 800 e 10.000 m/minuto.
  9. 9. Procedimento secondo la rivendicazione 8, in cui la velocità di scansione del nastro è compresa tra 1500 e 6000 m/minuto.
  10. 10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le dimensioni trasversali del raggio laser, o lunghezza della macchia, sono comprese tra 1 e 60 mm.
  11. 11. Procedimento secondo la rivendicazióne 10, in cui le dimensioni trasversali del raggio laser sono comprese tra 5 e 50 mm, con valori tipici compresi tra 7 e 40 mm.
  12. 12. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la velocità di rotazione dello specchio poligonale del sistema ottico laser è compresa tra 100 e 10.000 giri/minuto.
  13. 13.Procedimento secondo la rivendicazione 12, in cui la velocità di rotazione dello specchio è compresa tra 600 e 6000 giri/minuto.
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