TW200831676A - Unidirectional magnetic steel sheet excellent in iron loss characteristic - Google Patents

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200831676 . 九、發明說明： 【發明所屬技冬好領土或】 發明領域 本發明係有關於一種以雷射照射等導入殘留應力並施 ~ 5加磁區控制之鐵損特性優異之單向性電磁鋼板。 【#支冬好3 發明背景 Φ 在鋼板壓延方向具有易磁化軸之單向性電礤鋼板，主 要使用於變壓器鐵芯等，但近年來，從節約能源的觀點來 10看，強烈希望可減低鐵芯鐵損。 電磁鋼板的鐵損，大致是由磁滯損耗及渦電流損耗所 構成。磁滯損耗是受到結晶方位、缺陷及粒界等影響，而 渦電流損耗是受到板厚、電氣阻抗及磁區寬度等影響。由 於用以降低磁滯之控制、改善結晶方位的方法是有限的， 15因而近年來，大多提案將磁區寬度細分化，即，提案磁區 • 控制技術，以降低佔鐵損多數之渦電流損耗。 前述方法，係如日本公開公報第6_191112號中揭示一 - 種單向性電磁鋼板的製造方法，可藉由YAG雷射照射，在 壓延方向週期性導入與前述壓延方向大致垂直之線性應 r 20變，以降低鐵損的方法。這種稱為雷射磁區控制方法之原 理，係用以解決因掃描、照射雷射光束所造成之表面應變， 而細分化180。磁區寬度，以降低鐵損者。 又，日本公開公報2005-248291號中揭示—種新提案， 係著眼於鋼板表面所形成在壓延方向的殘留應力最大值。 5 200831676 . 【号务明内3 發明概要. 關於在鋼板表面導人局部應變，係、將⑽。磁區寬度細 /刀化，以降低鐵損所謂雷射磁區控制之習知技術，包含專 5 :文IU為止幾乎所有的提案，都是進—步限⑽亍錯誤結 果、雷射_、雷射光束集光轉狀m量密度、雷 射如射間隔等多數的照射參數，由於提案内容是非常片段 =因而欠缺統一性。其原因是未言及弓丨起磁區細分化， ^低鐵損為主要原因之應變或殘留應力的定量議論這 10 點。 20 前述雷射照射之鐵損改善方法中，即使為相同照射條 件，也會因為鋼板的吸收率(依雷射波長、表㈣性、形狀 =膜組成來決定)及皮膜厚度，自雷射能量轉換成熱能(溫 又分布、溫度履歷）會不同，目而即使雷射條件相同，也會 Μ因為鋼板特性而使所導入之應變不同。此外，由於即使為 相_能(溫度分布、溫度履歷），也會因為鋼板組成(例如 &量）’較物性料同，故殘留應力也會不同。因此，即 使可獲得對於某些條件鋼板為最適當的雷射照射條件，也 僅僅是覆膜狀態有些許改變，雷射所形成之應變入射方面 會有差異，而使鐵損值改變，故雷射照射條件盘鐵損的降 低非1對1對應。在此’希望找出對於鐵損本質的響因子。 雖然專利文獻2巾定量提及唯-應變及殘留應力，但僅控制 鋼板表面應變及拉伸殘留應力，對於降低鐵損是有限的。 本發明藉由將該單向性電磁鋼板的鐵損分成磁滯損耗 6 200831676 與渦電流損乾，特別是從渦電流損耗的觀點，不僅是表面、 更包含内部板厚方向地在適當條件下定量_應變及殘留 應力的分布，提供一種與以往相較鐵損優異之單向性電磁 5 本發明人等開始致力於以雷射照射等，對單向性電磁

鋼板導入應變、殘留應力等進行磁區控制實驗，並對於所 之低鐵損單向性電磁鋼板’調查所導入之殘留應力的 二沾之研究。結果發現’只要找出殘留應力與渦電流損耗 a、相關性’並進行壓糖力值與應變間㈣控制，即可 10實現鐵損特性優異之單向性電磁鋼板。即，本發明之要旨 (1) 一種單向性電磁鋼板，係於照射連續♦ =，在與壓延方向垂直的方向之板寬方向上均―：、且於 Η ^延方向上週期性地具有與壓延方向大致垂直之線狀應變 15者，其特徵在於：於一位置之應變導入部附近所產生之壓 ^ L方向的壓縮殘留應力，在與板寬方向垂直的截面上之二 次元分佈中，在該截面之壓縮殘留應力存在之領域内積分 壓延方向的壓縮殘留應力之值為0.20N以上、〇·8〇ν以下。 (2) 如前述（1)之單向性電磁鋼板，其中前述雷射光束照 • 20射所形成之前述板寬方向上均一應變之前述壓延方向上週 期性的間隔係2mm以上、8mm以下。 圖式簡單說明 第1圖係本發明單向性電磁鋼板製造方法所使用之裝 置模式圖。 衣 7 200831676 第2圖係雷射照射位置附近之壓延方向的殘留應力，在 壓延方向/板厚方向之截面上的二次元分佈。 第3圖係壓延方向的拉伸殘留應力最大值與鐵損W17/50 的關係圖。 5 第4圖係積分壓縮應力值σ S與渦電流損耗We的關係 圖（照射間隔固定為4mm)。 第5圖係積分壓縮應力值σ S與鐵損W17/50的關係圖（照 射間隔固定為4mm)。 第6圖係照射間隔PL與鐵損W17/50的關係圖（壓延方向 10 照射直徑DL固定為0.1mm、掃描方向照射直徑DC固定為 0.5mm) 〇 第7圖係壓延方向的殘留應力最大值與鐵損W17/5O的關 係圖。 t實方包方式]1 15 較佳實施例之詳細說明 本發明人等在單向性電磁鋼板表面照射雷射，且於壓 延方向以一定間隔導入大致與前述壓延方向垂直之線狀應 變，以改善鐵損之方法中，對各種雷射照射條件，著眼於 與板寬方向垂直之截面上壓延方向的殘留應力之二次元分 20 佈及壓延方向的雷射照射間隔（節距），發現可獲得鐵損特性 優異之單向性電磁鋼板之條件。在此，板寬方向是與壓延 方向呈直角的方向。在單向性電磁鋼板表面導入上述線狀 應變之方法，除了雷射照射法外，尚可舉例如：離子注入 法、放電加工法、局部電鍍法、超音波振動法等，該條件 8 200831676 "艰用於糟任何方法導入應變之單向性電磁鋼板。以下， 利用圖讀明本發明湘f射照射之單向性電磁鋼板。 10 15 20 第1圖係有關本發明雷射光束照射方法之說明圖。本實 知例:，係使用多邊鏡4與ίθ透鏡5，將自雷射裝置3輪出 之連續振A(CW)的雷射光束LB，掃描照射至單向性電磁鋼 21上。猎由改變透鏡5與單向性電磁鋼板丨間的距離， ，改4射光束在壓延方向的集光直徑以^為圓透鏡或 2圓桂組透鏡，並可視其所需，對雷射光束的集光點改 ΓΜΛ掃描方向（與壓延方向垂直之板寬方向）的集光直徑 射(二田方向長）’來控制圓形至橢圓形的集光形狀。平均照 的I里錢Ua[m:r/mm2]，係則雷射功率p[w]、板寬方向 心t光束在板寬方向的掃描速度Vc[m/s]及壓延方向的 由於二射間隔 PL(mm)，定義為 Ua(mJ/mm2) = P/(VCXPL)。 照射描速度是以多邊鏡4的旋轉速度決定，因而平均 轉、亲A度的碰，可藉由改變雷射功率、多邊鏡4的旋 射雷射照射間隔來進行。第頂係利用—組雷射與雷 知‘裝置的例子，值亦可視鋼板的板寬，在板寬方 己置複數台相同的裝置。 射事 i月人等利用光纖直徑10/zm的連續振盪光纖雷 合箸置且以集光點形狀與平均照射能量密度Ua的各種組 ^與^照祕件，在單向性電磁鋼板表面，將雷射光束 照射^方向大致呈垂直的方向掃描成線狀，以進行雷射 留應^ °測&與板寬方向垂直的截面上在壓延方向的殘 …之二次元分佈與鐵損及磁滯損耗，並將鐵損分離成 9 200831676 • 磁滯損耗與渦電流損耗。與板寬方向垂直的截面上在壓延 方向的殘留應力之二次71分佈測☆是藉由X射線繞射法測 定晶格間隔，並利用彈性率等物性值轉換成應力。鐵損是 以SST(Smgle Sheet Tester)測定器測定w_。w_為頻率 - 5數50Hz、最大磁束密度1.7T時的鐵損。本實施例所使用之 單向性電磁鋼板試樣，在板厚為0.23mm時，雷射照射前的 Wn/so為0.86W/kg。磁滯損耗是由磁滯斜率算出，又，前述 渦電流是由前述鐵損扣除磁滯損耗之值。 第2圖中，顯示雷射照射位置附近所產生在壓延方向的 10壓縮殘留應力以及與板寬方向垂直的截面上之二次元分佈 代表性的一例。對於可看出鐵損改善之鋼板，雖然會因為 雷射照射條件，而使殘留應力的絕對值有差異，但在鋼板 表面附近可看出有大的拉伸應力存在，且在板厚方向下方 有壓縮應力存在。另，有殘留應力及塑性應變存在之壓延 15 方向寬度，大致與雷射集光點的壓延方向直徑dl成比例。 ^ 本發明人等對於使用連續振盪照射雷射之鋼板，調查 鋼板表面的拉伸殘留應力、壓縮殘留應力最大值與鐵損的 關係。第3圖中顯示拉伸殘留應力最大值與鐵損的關係；第 - 7圖中顯示壓縮殘留應力最大值與鐵損的關係。拉伸殘留應 . 20力最大值看不出與鐵損的相關性及最適值。另一方面’壓 縮殘留應力最大值，以一點虛線所示為10MPa以上’則表 示鐵損良好，但不明確設定上限值。結果發現，利用雷射 照射在磁區控制中的鐵損，無法說明拉伸殘留應力最大 值，亦無法完全說明壓縮殘留應力最大值。亦可考量其他 10 200831676 - 特徵量存在的可能性。 在此’本發明人等，仔細檢討資料的結果發現，第一 著眼點在於以拉伸殘留應力最大值大於壓縮殘留應力，且 拉伸殘留應力集中於狹窄領域中；及藉由照射條件，以達 - 5到降伏強度所謂塑性應變領域；另-方面，也可在壓縮殘 • 留應力最大值與鐵損方面看出些許關係；又，第二著眼點 纽即使壓縮殘留應力最大值相同，壓縮殘留應力分佈在 φ 沬度方向的廣度也會不同。即，實現鐵損降低及磁區細分 化之主要原因，從第一著眼點來看，需考量到的不是拉伸 10應力，而是壓縮應力具有重要意義；從第二著眼點來看， 而考里到的不是殘留應力最大值，而是分佈的廣度具有重 要思義，並藉此達到本發明。 本發明人等，為表示用以實現鐵損降低之壓縮應力的 分佈，定義如下式〇)，作為特徵量「積分壓縮應力值C7S」。 15 σδ= WdS · · ·⑴ # 即，在雷射照射部附近，即，在應變導入部附近所產生之 在壓延方向的壓縮殘留應力，以及與板寬方向垂直的截面 上之二次元分佈中，是將積分壓縮應力值fjS [N]，以壓延 方向的壓縮殘留應力為σ[ΜΡΜ、以該截面的壓縮殘留應力 • 20存在之領域為s[mm2]、以面積基本單位為dS，來定義在領 域s内積分應力σ之值為aS。即，積分壓縮應力值是藉由 雷射照射所導入之壓縮殘留應力的總和。 將壓延方向的雷射照射間隔PL設定為4mm(固定），再 將雷射集光點形狀設定為20x2500#m、100x500/zm、100x 11 200831676

2000从m及300x200 # m ’並分別對該等階段性改變雷射功 率再藉由上述方法，對業已照射雷射之單方向電磁鋼板 求出積分壓縮應力值。另一方面，從分別測出之鐵損扣除 磁/帶損耗’以求出渴電流損耗。第4圖係對各電磁鋼板，以 5橫軸為積分壓縮應力值^、縱轴為積分滿電流損耗1並 圖表化’以顯示兩者的關係。由此結果得知，積分壓縮應 力值與渴電流損耗，與集光點形狀無關，但兩者呈反比關 係。須注意的是，渦電流損耗的降低即為磁區細分化效果， 係指與所導人之魏殘留應力的總和呈比例。從物理原理 10考量此現象，則如下述；磁性彈性能量_ : Ε = ~〇χσ xMxcos2<9 15 20 在此，C為定值、σ為殘留應力、Μ為磁矩、θ為σ與 Μ所主的肖。此4，在壓延方向存在有壓縮殘留應力的情 形下，由於段最小值係度時，因而須注意·為負 值’則磁矩的方向與壓延方向垂直。因此，由於壓縮應力， 使易磁化軸不僅在壓延方向，亦可在垂直方向。—般稱為 職顧。由於環流磁區存在，則靜磁能量會升高而呈現 不安定’因騎慮將磁區細分化，以降低靜磁能量並安定 化。因此’環流磁區愈多’即壓縮殘留應力愈強且廣泛發 生’其磁區細分化效果愈高，即可降低渦電流損耗。 第5圖，係利用第4圖所使用之資料與所測出之鐵損， 以橫軸為積分壓縮應力值aS、縱軸 、 圖表’並顯示兩者的關係^此結果發現 所示一 S~圍内，相較於磁:控= 12 200831676 • 鐵知Wl7/50= 0.86w/kg，以實線表示之鐵損改善率在13%以 上’可實現良好的鐵損。另，鐵損改善率"，定義為： 々（％)= {(素材鐵損一到達鐵損)/素材鐵損}χ1〇〇。積分 壓縮應力值C7S小於0.20Ν時，由於渦電流損耗高，故無法 ‘ 5降低鐵損。積分壓縮應力值Μ大於0._時，渦電流損耗 - 義降低’但由於表面附近的拉伸殘留應力所造成的塑性 應變，會使磁滯損耗增大，因而無法降低鐵損。如上所述 _ 仔知，只要將積分壓縮應力值調整至〇 2〇s 範圍内，即可獲得良好的鐵損改善。又，最好是調整至0.40 1〇 $ σ8$0·7〇Ν範圍内，即可獲得更佳之鐵損改善效果。 前述是在將壓延方向的雷射照射間隔!^固定為4mm下 進仃，但可進一步改變壓延方向的雷射照射間隔1>1^，並調 查其影響。此時，雷射光束集光點形狀，為壓延方向〇.lmm、 掃描方向（板寬方向）直徑0.5mm，並調整Ua，以使積分壓縮 15應力σδ在〇·2〇$ σ3$0·80Ν範圍内。第6圖係以橫轴為壓延 φ 方向照射間隔PL、縱軸為鐵損冒^⑽做成圖表，並顯示兩者 的關係。由此結果發現，PL在2mm以上、8mm以下的範圍 内’即可貫現鐵損改善率13%之良好鐵損。由於pl小於2mm 的範圍内，磁滯鐵損增大，因而鐵損無法降低。由於PL大 20於^⑽❿的範圍内，渦電流損耗無法降低，故鐵損無法降低。 由上所述得知，只要將壓延方向的雷射照射間隔PL調整到 2mm$PL$8mm的範圍内，即可獲得良好的鐵損改善。 實施例1 使用板厚為〇·23ηπη的單向性電磁鋼板，並於該鋼板表面 13 200831676 上使用連續波雷射，且以如第丨表所示之照射條件，在殘留 應力測定後’异出積分壓縮應力值，再分別測定鐵損 (wn/5❶）。其結果整理於第丨表。本實施例，是在將雷射功 率固定於200W、且將壓延方向的雷射照射間隔固定於4mm 5的條件下進行。積分壓縮應力值，是以X射線折射法測定壓 延方向的殘留應力（應變），再以式(2)求出壓縮應力來算出。

由第1表可清楚地瞭解，試本發明例）所 不之電磁鋼板，其壓延方向的積分壓縮應力值位於本 發明所規定之0·20Ν$ 〇rS$0.80N的範圍内，故可降低至低 1〇鐵損值(Wl7/5o)0.75W/kg以下、其鐵損改善率為13%。另一 方面’其條件範圍在〇·2〇Ν $ σ S $ 0.80N外之試驗 NO·9〜ΝΟ·12(比較例)所示之電磁鋼板，無法達到低鐵損值 d—OZ/SW/kg以下。如此可得知，只要利用本發明，即 可獲得鐵損特性優異之單向性電磁鋼板。 15

14 200831676 實施例2 在板厚為0.23mm之單向性電磁鋼板表面，以如第^表 所示之照射條件照射連續波雷射光，並在照射部的殘留麻 力測定後，算出積分壓縮應力值，同時測定鐵損(Wi7⑽）， 5並將該等結果整理於第2表。本實施例2中與前述實施例相 同，是在將雷射功率固定於200W的條件下進行。 由第2表可清楚地瞭解，由於試驗N0.1〜ΝΟ·6(本發明例）所 示之電磁鋼板’其壓延方向的積分壓縮應力值σ ^與壓延方 向的雷射照射間隔（應變間隔）均位於本發明所規定之〇 2〇]^ 10 $ CT S€0.80N、2mmSPL$8mm的範圍内，故可降低至低 鐵損值(Wp^OMW/kg以下、其鐵損改善率為13%。另一 方面’積分壓縮應力值σ S雖滿足該條件，但不符合照射間 隔PL條件之試驗Ν0.7及Ν0·8所示之電磁鋼板，無法達到低 鐵損值(Wi7/5〇)0.75W/kg以下。如此可得知，只要利用本發 15 明，即可獲得鐵損特性優異之單向性電磁鋼板。 第2表 試驗 No. 壓延方向 直徑DL mm 掃描方向 直徑DC mm 平均能量 密度Ua mJ/mm2 應變間 隔PL mm 最大拉 伸應力 MPa 積分壓縮 應力値aS N 鐵損値 W17/50 W/kg 鐵損 改善率 % 未照射 0 - - - - 0 0 0.860 0 本發明 1 0.100 0.20 1.5 2 340 0.45 0.735 14.5 本發明 2 0.100 0.50 1.5 2 450 0.22 0.740 14.0 本發明 3 0.100 0.50 1.5 4 440 0.50 0.720 16.3 本發明 4 0.100 0.50 1.5 6 460 0.65 0.730 15.1 本發明 5 0.100 0.50 1.5 8 450 0.75 0.745 13.4 本發明 6 0.100 2.00 3 8 390 0.23 0.748 13.0 本發明 7 0.100 0.50 1.5 1 330 * 0.21 0.755 12.2 本發明 8 0.100 0.50 1.5 10 430 0.80 0.760 11.6 15 200831676 產業上可利用性 相較於習知，藉由本發明，可藉由適當且定量地控制導入 單向性電磁鋼板之殘留應力，尤其是壓縮殘留應力，故可 獲得相較於習知安定且鐵損特性優異之單向性電磁鋼板。 5 又，由於可將本發明之單向性電磁鋼板作為鐵芯使用，可 製造高效率且小型之變壓器，故本發明在產業上的利用價 值非常高。 L圖式簡單說明3 第1圖係本發明單向性電磁鋼板製造方法所使用之裝 10 置模式圖。 第2圖係雷射照射位置附近之壓延方向的殘留應力，在 壓延方向/板厚方向之截面上的二次元分佈。 第3圖係壓延方向的拉伸殘留應力最大值與鐵損W i 7 / 5 〇 的關係圖。 15 第4圖係積分壓縮應力值σ S與渦電流損耗We的關係 圖（照射間隔固定為4mm)。 第5圖係積分壓縮應力值σ S與鐵損W17/5〇的關係圖（照 射間隔固定為4mm)。 第6圖係照射間隔PL與鐵損W17/5〇的關係圖（壓延方向 20 照射直徑DL固定為0.1mm、掃描方向照射直徑DC固定為 0.5mm) 〇 第7圖係壓延方向的殘留應力最大值與鐵損W i 7 / 5 0的關 係圖。 16 200831676 . 【主要元件符號說明】 1.. .電磁鋼板 3.. .雷射裝置 4.. .多邊鏡 5.. .透鏡 6.. .圓柱

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Claims (1)

1. 200831676 十、申請專利範圍： 1. 一種單向性電磁鋼板，係於照射連續波雷射光束後，在 與壓延方向垂直的方向之板寬方向上均一地、且於壓延 方向上週期性地具有與壓延方向大致垂直之線狀應變 者，其特徵在於：於一位置之應變導入部附近所產生之 壓延方向的壓縮殘留應力，在與板寬方向垂直的截面上 之二次元分佈中，在該截面之壓縮殘留應力存在之領域 内積分壓延方向的壓縮殘留應力之值為0.20N以上、 0.80N以下。 2. 如申請專利範圍第1項之單向性電磁鋼板，其中前述板 寬方向上均一應變之前述壓延方向上週期性的間隔係 2mm以上、8mm以下。 18