用於製造晶粒取向的鋼板產品的方法
2023-07-25 19:16:16
用於製造晶粒取向的鋼板產品的方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於製造晶粒取向的鋼板產品的方法，該鋼板產品用於生產電工用途的部件並且具有最小化的磁損耗值和最佳的磁致伸縮的特性，該方法包括操作步驟a）提供鋼板產品，b）雷射處理鋼板產品，其中在雷射處理過程中藉助由雷射光束源所發出的具有功率P的雷射光束使線形的形變成型到鋼板產品的表面中，該形變以間距a設置。根據本發明的用於製造鋼板產品的方法適合以最佳的方式製造變壓器的部件。這是由此實現的，即，在雷射處理（操作步驟b））之前和之後獲取在頻率為50赫茲和極化率為1.7特斯拉時所求得的鋼板產品的視在功率S1.7/50並且這樣改變雷射處理的參數，即，使進行雷射處理之前和之後所得到的視在功率S1.7/50之差小於40%。
【專利說明】用於製造晶粒取向的鋼板產品的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於製造晶粒取向的鋼板產品的方法，該鋼板產品具有最小化的磁損耗值和最佳的磁致伸縮的特性。
【背景技術】
[0002]對於這裡所述的晶粒取向的鋼板產品、專業術語也稱作「HG0材料」涉及鋼帶(專業術語也稱為「磁性鋼帶」)或薄鋼板(專業術語也稱為「磁性鋼板」)。由這樣的鋼板產品製成電工用途的部件。
[0003]晶粒取向的磁性鋼帶或磁性鋼板特別適用於這些用途，S卩，在特別低的磁滯損耗處於重要地位時，以及對導磁率或極化有很高要求時。這些要求特別多用於電力變壓器、配電變壓器和昂貴的小型變壓器的部件上。
[0004]正如在文獻EP I 025 268 BI中所詳細闡明的一樣，一般在生產鋼板產品的過程中，首先將鋼澆鑄成初加工材料，如板坯、薄板坯或鑄鋼帶，該鋼(以重量％示出)通常具有
2.5至4.0%的S1、0.010至0.100%的C、不高於0.150%的Mn、不高於0.065%的Al和不高於0.0150%的N、以及分別可選的0.010至0.3%的Cu、不高於0.060%的S、不高於0.100%的P、分別不高於0.2%的As、Sn、Sb、Te和Bi，餘量的鐵和不可避免的雜質。此外，如果需要的話，將初加工材料進行退火處理，以便隨後熱軋成熱軋帶鋼。
[0005]在進行了卷取和可選地、額外地進行了退火，以及同樣可選地進行除鏽和酸洗處理之後，緊接著以一個或多個步驟將熱軋帶鋼軋成冷軋帶鋼，其中，在冷軋步驟之間，如果需要的話，可以進行中間退火。在接著進行的脫碳退火中，通常為了避免磁時效，大大減少冷軋帶鋼的含碳量。
[0006]脫碳退火之後，在帶鋼表面施加退火分離劑，退火分離劑通常為MgO。該退火分離劑防止在接著進行高溫退火時由冷軋帶鋼捲成的卷材的多個圈層相互粘合。通常在有保護氣體的罩式退火爐中進行高溫退火，在高溫退火期間，通過有選擇地晶粒增長，在冷軋帶鋼中形成了組織結構。此外，在帶鋼表面形成了鎂橄欖石層，即所謂的「玻璃薄膜」。同時通過高溫退火期間進行的擴散過程淨化鋼材。
[0007]高溫退火之後，將這樣得到的鋼板產品鍍上絕緣層，進行熱調整，以及在最後的「最終退火」中進行消除應力退火。該最終退火能夠在將以上述方式製造的鋼板產品批量生產成為繼續加工所需的毛坯之前或之後進行，其中，通過最終退火能夠在分割毛坯之後，消除在分割過程中出現的、額外的應力。因此所製造的鋼板產品通常具有0.15mm至0.5mm的厚度。
[0008]分別這樣使材料的冶金性能(S卩，在製造鋼板產品時調整的、冷軋過程的變形程度和熱處理的參數)相互協調，即，進行有針對性的再結晶過程。該再結晶過程導致對於這種材料來說典型的「戈斯織構(Goss-Textur)」在這種組織結構中，最易磁化性的方向位於成品帶鋼的軋制方向上。晶粒取向的鋼板產品相應地具有強烈的各向異性的磁性能。
[0009]有各種不同的方法用於改善晶粒取向的鋼板產品的磁滯損耗。例如可以改善鋼板產品的戈斯織構的取向清晰度。通過減小180°磁疇壁的間距可以進一步減小損耗。軋制方向上的、通過絕緣塗層傳遞到帶鋼表面上的高拉應力同樣有助於減小磁疇間距從而降低磁滯損耗。然而，出於技術原因所需的拉應力值能夠有限地實現。
[0010]例如在文獻DE 18 04 208 BI中或文獻EP 0 409 389 A2中所提供的改善損耗的其他可行性方案在於，在鋼板產品的表面上製造局部的可塑變形。這可以例如通過各個鋼板產品的表面的機械刻劃或刺戳來實現。以這種方式所達到的、磁性能的重要改善具有不足之處，即，通過表面的機械加工損害鋼板產品上所塗覆的絕緣層。這可以例如在由這種鋼板產品製造變壓器用矽鋼片的情況下導致變壓器的層疊核心中短路以及局部的腐蝕。
[0011]利用機械刻劃或刺戳的優勢，而不破壞絕緣層的試驗已經集中在對雷射源的應用上(EP 0 008 385 BUEP 0 100 638 BUEP I 607 487 Al)。以雷射的應用為基礎的方法的共同點在於，雷射光束聚焦在待處理的鋼板產品的表面上並且在那裡的基底材料中產生熱張力。這導致形成錯位，在錯位位置上磁通量的分量脫離鋼板產品的表面。由此局部地提高漏磁場能量，形成所謂的「閉磁疇」(專業術語也稱作「二級結構」)以抵消漏磁場能量。同時降低主磁疇間距。
[0012]因為這種異常的磁滯損耗取決於主磁疇的間距，所以通過合適的雷射處理將損耗降至最低。通過雷射處理可以使具有對於這種產品來說典型的額定厚度0.23mm的、晶粒取向的鋼板產品的磁滯損耗相對於未經處理的狀態改善超過10%。損耗改善取決於基底材料的特性(例如粒度和結構清晰度)和雷射參數，線(雷射光束沿著這些線引至各個鋼板產品上)的間距L、作用時間tdwell和比能量密度Us屬於這些參數。這些參數的確定對分別所達到的磁滯損耗的降低有重大的影響。
[0013]除了磁滯損耗以外，變壓器也受到噪音的產生的影響。這是基於已知為磁致伸縮的物理效應。
[0014]磁致伸縮是鐵磁性材料在其磁化方向上的長度變化。通過在交變磁場中運轉鐵磁部件(例如變壓器)來移動180°主磁疇，然而這不會單獨對磁致伸縮有幫助。然而在從180°主磁疇轉變到90°閉磁疇時 在材料中存在有磁致伸縮應力。該應力在交變磁場中工作時形成聲源並且是變壓器噪音的起因。
[0015]通過雷射處理引入額外的90°閉磁疇(即二級結構)通常導致磁致伸縮提高從而特別是在變壓器工作時提高噪音的發送。
[0016]使變壓器工作時噪音產生最小化的要求不斷提高。這一方面是由於不斷加強的法律規定和標準。另一方面是消費者如今通常不再購買能夠聽到「變壓器嗡嗡聲」的電氣設備。因此，如今在住宅建築附近對大型變壓器的接受性關鍵取決於這種變壓器工作時產生的噪聲。
[0017]已有一系列的雷射處理工藝，藉助這些雷射處理工藝通過選擇合適的工藝參數可以實現損耗改善以及更好的磁致伸縮特性(DE 601 12 357 T2/EP I 154 025 BK DE 69835 923 T2/EP 0 897 016 BUEP 2 006 397 AUEP I 607 487 Al)。然而分別僅在考慮到改善磁滯損耗的情況下進行了雷射處理的參數的優化。
【發明內容】
[0018]在上述現有技術的基礎上，本發明的目的在於，給出一種製造鋼板產品的方法，該鋼板產品適合以最佳的方式製造變壓器的部件。
[0019]根據本發明，由此實現了該目的，S卩，在製造鋼板產品時進行權利要求1所給出的操作步驟。
[0020]本發明的有利的設計已在從屬權利要求中給出，下面將對本發明的基本思想進行詳細闡述。
[0021 ] 與上述現有技術相同，根據本發明的用於製造具有最小化的磁損耗值和最佳的磁致伸縮的特性的晶粒取向的鋼板產品的方法包括操作步驟:
[0022]a)提供鋼板廣品,和
[0023]b)雷射處理鋼板產品，其中在雷射處理過程中藉助由雷射光束源所發出的具有功率P的雷射光束使線形的形變成型到鋼板產品的表面中，該形變以間距L設置。
[0024]在根據操作步驟a)提供的鋼板產品的製造方式和方法上沒有特殊要求。因此使用由專業人員普遍已知的、開頭總結的方法以及在合適的鋼合金的基礎上能夠製造為根據本發明的方法所提供的鋼板產品，這種鋼合金同樣已由現有技術已知。這自然也包括那些目前還未知的製造方法和合金。
[0025]根據本發·明，這時這樣設置雷射處理(操作步驟b))的參數，即，根據本發明製造的鋼板產品不僅具有最小化的磁滯損耗，而且對鋼板產品在雷射處理後所產生的視在功率
S1^5tljs進行優化。
[0026]出於此目的，根據本發明，在雷射處理(操作步驟b ))之前和之後獲取在頻率為50赫茲和極化率為1.7特斯拉時所求得的待使用雷射光束處理的鋼板產品的視在功率S,7/5(l。
[0027]然後根據雷射處理之前所得到的視在功率S,7/5(I|J和雷射處理之後所得到的視在功率S,7/5(IJg之差改變雷射處理的參數，使得在進行雷射處理之前和之後分別所得到的視在功率Su/ai之差小於40%。
[0028]因此根據本發明這樣設置雷射處理的參數，S卩，通過調整雷射處理參數這樣限定在雷射處理的過程中所出現的、經根據本發明處理的鋼板產品的視在功率S,7/5(l的增加部分，即，雷射處理之後所得到的視在功率S1^5t^滿足下面的條件:
[0029]Sh7jZ5OgS 1.4XSL7/5(^
[0030]根據本發明這樣相應地限定由於雷射處理所引起的視在功率的增加，S卩，與在同樣的工件上進行雷射處理之前的視在功率值相比，雷射處理之後的視在功率提高不大於40%。
[0031]因此本發明考慮，在敷設變壓器時通常不將各個經加工的鋼板產品的磁滯損耗放在重要的位置，而是將視在功率放在重要位置。因此根據本發明在考慮到磁滯損耗和視在功率的情況下在相同的極化率下優化雷射處理的參數。
[0032]因此根據本發明的·方法的目的是在考慮到最小化的磁滯損耗P1^5tl和視在功率S,7/5(l的情況下優化雷射參數。對此已證實，在視在功率最小化時噪音增加降至最低。這表明，雷射處理雖然明顯引起主磁疇的細化，這導致力求達到的損耗降低，但是通過根據本發明的雷射處理的優化過程在考慮到儘可能小的視在功率的情況下伴隨有相對小的、具有二級磁結構的體積區域的提高。
[0033]原則上可以在磁性鋼板或板材毛坯上進行雷射處理。然而已證實，當加工形成為帶鋼材料的鋼板產品時，該鋼板產品在連續的過程中經過雷射處理是特別實用的。[0034]在操作過程中在線獲取雷射處理之前和之後的各個視在功率S,7/5(l以及根據所獲取的視在功率S,7/5(l之差在線變化雷射處理的參數的情況下，可以特別快地對雷射處理結果的變化做出反應。
[0035]然而，在時間上分開進行雷射處理之前和之後的視在功率的獲取以及雷射參數的校準也是可能的。對此可以以一定的時間間隔抽取鋼板產品的樣品，在這些樣品上求得雷射處理之前和之後的各個視在功率S,7/5(l並且根據這些獲取的結果改變雷射處理的參數。本設計允許以類似的工藝和測量技術實施根據本發明的方法。
[0036]例如線形形變的間距L、雷射光束的作用時間tdwell、比能量密度Us、雷射功率P、焦點尺寸A S或者掃描速度vs_適合作為在優化雷射處理結果方面可以變化的參數。
[0037]對此由實際試驗已得到，在2-10mm、特別是4_7mm的範圍中改變線形形變的間距L可以適宜地達到最佳的視在功率S17/5(l。
[0038]通過在IX 10_5s至2X 10_4s的範圍中改變雷射光束的作用時間tdwell同樣可以使通過雷射處理而出現的視在功率S,7/5(l的改變降至最小。
[0039]在使用光纖雷射器作為雷射源的情況下，在當前可用的光纖雷射器下可以以使通過雷射處理所出現的視在功率S1^5tl的變化的最小化為目的在200-3000W的範圍中改變雷射功率P。光纖雷射器在這裡具有特別的優勢，光纖雷射器使雷射光束精密聚焦。因此藉助光纖雷射器可以實現小於20 ii m的軌距。
[0040]然而在實施根據本發明的方法時使用CO2雷射器作為雷射源也是可能的。由於在這樣的雷射器下不能如此精密地聚焦雷射光束，因此這裡在當前可用的CO2雷射器下以使通過雷射處理所出現的視在功率S1^5tl的變化的最小化為目的在1000-5000W的範圍中改變雷射功率P。
[0041]當然可以優選在這種至少由一層絕緣層所覆蓋的鋼板產品上實施根據本發明的方法。此外，對此在鋼板產品的絕緣層和鋼基材之間可以例如還存在有一層玻璃層或鎂橄欖石層。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]為了證明本發明的作用，對下面的用於根據本發明的操作步驟的實例進行了研究。其中，
[0043]圖1示出了損耗改善A Pl 7750和視在功率變化A Sl 7750關於雷射軌道間距L的圖表;
[0044]圖2示出了由測得的長度變化所算出的噪音N作為極化強度J的函數的圖表。【具體實施方式】
[0045]在系統測試的範圍中藉助IkW的多模光纖雷射器改變所使用的雷射設備上的各種參數。待優化的參數是雷射線的間距L、雷射功率P、焦點尺寸A s和掃描速度vs_。
[0046]試驗基質的經驗性評估表明，上述參數的變化在明顯改善磁滯損耗的同時可以引起視在功率的急劇變化。
[0047]作為實例，圖1示出了取決於雷射軌道間距L的損耗改善A Pl 7750 (通過實心正方形標示)和視在功率變化A S,7/5(l(通過空心圓標示)。對此作為參考值分別給出相對於未經雷射照射的狀態(即，雷射處理(操作步驟b))之前的狀態)下損耗功率P, 7/50的變化A P1.7/50和視在功率S1.7/50
的變化A S1.7/50。
[0048]通過改變焦點尺寸A s和掃描速度vs_ (即，雷射以該速度移動)在作為帶鋼材料的鋼板產品的表面上產生不同的、雷射光束的作用時間tdw6ll。對此tdw6ll、A S和Vscan之間的關係可以進行如下描述:
[0049]tdwell= A s/vscm
[0050]達到從1X10_5秒至2X10_4秒的作用時間段時會在一定程度上引起在相同大小的、磁滯損耗P1.7/50下改善不同大小的視在功率變化A S1.7/5(|。這表明，在視在功率變化A SL7/50最小化時出現各個經處理的鋼板產品的最佳噪音情況。
[0051]下面的實例表明作用時間tdwell對磁滯損耗P,7/5(l和視在功率S,7/5(l的影響:
[0052]雷射處理0.23mm厚的鋼帶。對此在上述內容的基礎上改變作用時間tdwell。
[0053]測量磁性參數之後得到總結在下面的表格I中的磁滯損耗P1.7/50和視在功率S, 7/KI的變化A P1.7/50、△ S1.7/50:
[0054]
【權利要求】
1.一種用於製造晶粒取向的鋼板產品的方法，所述鋼板產品用於生產電工用途的部件並且具有最小化的磁損耗值和最佳的磁致伸縮的特性，所述方法包括以下操作步驟 a)提供鋼板產品， b)雷射處理鋼板產品，其中在雷射處理過程中藉助由雷射光束源所發出的具有功率P的雷射光束使線形的形變成型到鋼板產品的表面中，該形變以間距a設置，其特徵在於，在雷射處理，即操作步驟b)之前和之後獲取在頻率為50赫茲和極化率為1.7特斯拉時所求得的鋼板產品的視在功率S,7/5(l，並且這樣改變雷射處理的參數，即，使進行雷射處理之前和之後所得到的視在功率S1^5tl之差小於40%。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，在連續的過程中進行所述雷射處理步驟。
3.根據前述權利要求的任意一項所述的方法，其特徵在於，在操作過程中在線獲取雷射處理之前和之後的各個視在功率S,7/5(l以及根據所獲取的視在功率S,7/5(l之差在線變化雷射處理的參數。
4.根據權利要求1或2的任意一項所述的方法，其特徵在於，以一定的時間間隔抽取鋼板產品的樣品，在這些樣品上求得雷射處理之前和之後的各個視在功率S,7/5(l並且根據這些獲取的結果改變雷射處理的參數。
5.根據前述權利要求的任意一項所述的方法，其特徵在於，作為雷射處理的參數改變線形形變的間距a、雷射光束的作用時間tdwell、比能量密度Us、雷射功率P、焦點尺寸A s或者掃描速度vsc;an。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，線形形變的間距a在2-10mm的範圍中變化。
7.根據權利要求6 所述的方法，其特徵在於，線形形變的間距a在4-7mm的範圍中變化。
8.根據權利要求5至7的任意一項所述的方法，其特徵在於，雷射光束的作用時間tdwell在IXlO-5S至2X 10_4s的範圍中變化。
9.根據權利要求5至8的任意一項所述的方法，其特徵在於，使用光纖雷射器作為雷射源並且使功率P在200-3000W的範圍中變化。
10.根據權利要求5至8的任意一項所述的方法，其特徵在於，使用CO2雷射器作為雷射源並且使功率P在1000-5000W的範圍中變化。
11.根據前述權利要求的任意一項所述的方法，其特徵在於，所述鋼板產品覆蓋有一層絕緣層。
【文檔編號】H01F1/147GK103429767SQ201180067569
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2011年9月22日 優先權日:2011年2月14日
【發明者】埃於普·迪曼, 克裡斯託夫·霍爾茨阿普費爾, 託爾斯滕·克連克, 盧德格爾·拉恩, 雷吉斯·勒邁特, 王潮湧, 蒂埃裡·貝爾格朗 申請人:蒂森克虜伯電工鋼有限公司