低鐵損單向性電磁鋼板及其製造方法

2023-05-06 09:50:01 2

專利名稱：低鐵損單向性電磁鋼板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種適合於變壓器(transformer)的鐵心等的低鐵損單向性電磁鋼 板及其製造方法。
背景技術：
在鋼板軋制方向上具有易磁化軸的單向性電磁鋼板使用於變壓器等功率轉換器 的鐵心。對於鐵心的材料，為了減少能量轉換時所產生的損失，強烈要求低鐵損特性。電磁鋼板的鐵損大致分為磁滯損耗和渦流損耗。磁滯損耗受到晶體取向、缺陷及 晶界的影響。渦流損耗受到厚度、電阻及180度磁疇寬度等的影響。而且，在製造電磁鋼板時，為了降低磁滯損耗，採用了如下技術，使晶粒在(100)
方位高度一致，或減少晶體缺陷。而且，為了降低渦流損耗，採用了如下技術，使電磁 鋼板的厚度變薄，或提高電阻值，或細化180度磁疇。為了提高電阻值，進行了 Si含有量的 增加等，而為了細化180度磁疇，進行了在電磁鋼板表面上塗敷張力皮膜等。近年來，為了使鐵損飛躍性地減少，還提出了如下技術，為了大幅度地降低佔鐵損 大部分的渦流損耗，在電磁鋼板表面上賦予張力的基礎上，在電磁鋼板表面上人為地導入 槽及/或應變，進一步使180度磁疇細化。例如，在專利文獻1等中記載有如下技術，通過以規定的射束寬度、能量密度、照 射間隔在相對於單向性電磁鋼板表面軋制方向成直角的方向上照射雷射，而在該表面上導 入局部的應變。在專利文獻2中公開有如下技術，在單向性電磁鋼板表面的規定方向上以規定負 荷形成槽之後，利用消除應力退火在應變導入部中產生微晶粒。在專利文獻3中公開有如下技術，在完成退火的單向性電磁鋼板的規定方向上通 過帶槽軋輥等機械地形成規定深度的槽，其後，通過蝕刻除去由機械應變所產生的微粒並 使槽加深。在專利文獻4中公開有如下技術，在除去了成品退火皮膜的單向性電磁鋼板表面 上周期地形成槽，其後，賦予張力皮膜。在專利文獻5中公開有如下技術，將形成在方向性電磁鋼板表面上的槽的間隔及 角度限定在規定的範圍內。記載在上述專利文獻1 5中的技術，以在電磁鋼板表面上形成皮膜為前提。也 就是說，皮膜的形成是必不可少的。但是，由於製造工藝不一致等，存在無法充分地得到皮膜張力大小的情況。而且， 在這種情況下，無法得到良好的鐵損特性。雖然作為其對策，也進行了較厚地塗敷皮膜，但 是使皮膜變厚必然關係到非磁性層的增加，從而導致磁通密度降低。因此，在製造變壓器 時，產生了更多地使用電磁鋼板的必要性，會導致重量增加，或成本增加。專利文獻1 日本特開昭55-18566號公報專利文獻2 日本特開昭61- 號公報
專利文獻3 日本特開2000-169946號公報專利文獻4 日本特開2003-301272號公報專利文獻5 日本特開平7-320921號公報

發明內容
本發明的目的在於提供一種低鐵損單向性電磁鋼板及其製造方法，即使在來自皮 膜的拉伸張力不充分的情況下，也能夠得到良好的鐵損特性。本發明的單向性電磁鋼板的特徵在於，在鋼板表面或背面的至少一側，以Imm IOmm的間隔存在寬度為ΙΟμπι 200μπκ深度為10 μ m 30 μ m的槽，所述槽延伸的方向 與鋼板的軋制方向所成的角度為60度 120度，在距所述槽的側面10 μ m 300 μ m的範 圍內沿軋制方向作用有最大值為20MPa 300MPa的拉伸應力。本發明的單向性電磁鋼板的製造方法的特徵在於，具有得到如下鋼板的工序，在 鋼板表面或背面的至少一側，以Imm IOmm的間隔存在寬度為10 μ m 200 μ m、深度為 10 μ m 30 μ m的槽，所述槽延伸的方向與鋼板的軋制方向所成的角度為60度 120度； 以及在所述鋼板的形成有所述槽的面上照射雷射，在距所述槽的側面10 μ m 300 μ m的範 圍內沿軋制方向作用有最大值為20MPa 300MPa的拉伸應力的工序。


圖1是表示單向性電磁鋼板的外部張力與鐵損的關係的曲線圖。圖2是表示鋼板中所產生的磁疇結構的圖。圖3是表示形成有槽的單向性電磁鋼板中的磁疇結構的圖。圖4是表示本發明實施方式的應力與磁疇結構的再配置的關係的圖。圖5是表示本發明實施方式及現有的鋼板的外部張力與鐵損的關係的曲線圖。圖6是表示通過雷射的照射而導入拉伸應力的範圍的圖。圖7是表示槽的深度與鐵損的關係的曲線圖。圖8是表示拉伸應力的最大值與鐵損的關係的曲線圖。圖9是表示拉伸應力所存在的區域距槽的側面的距離與鐵損的關係的曲線圖。圖10是表示槽的間隔與鐵損的關係的曲線圖。圖11是表示槽延伸的方向和軋制方向所成的角度與鐵損的關係的曲線圖。圖12是表示槽延伸的方向與軋制方向的關係的圖。圖13A是表示照射雷射的區域的例子的圖。圖13B是表示照射雷射的區域的其它例子的圖。圖13C是表示照射雷射的區域的另一個其它例子的圖。
具體實施例方式本發明人對組合了在單向性電磁鋼板表面上形成槽或導入應變和塗敷皮膜的用 於降低鐵損的現有技術進行了確認試驗後，發現了以下問題。圖1是表示現有的單向性電磁鋼板的外部張力與鐵損的關係的曲線圖。圖1中的 「平板」表示除去了成品退火皮膜的單向性電磁鋼板中的關係，「槽」表示除去了成品退火皮膜且表面上形成有槽的單向性電磁鋼板中的關係，「雷射應變」表示除去了成品退火皮膜， 且通過雷射的照射在表面整體上不形成槽地導入了應變的單向性電磁鋼板中的關係。如圖1所示，通過形成槽或導入應變而使鐵損降低，而且，無論在何種情況下，利 用外部應力作用於鋼板整體的外部張力越大，則鐵損越低。在現有的已產品化的單向性電 磁鋼板中，通過塗敷在其表面的皮膜而在單向性電磁鋼板上作用有應力，其大小相當於圖1 中的約5MPa的外部張力。但是，由於皮膜與單向性電磁鋼板的粘合性等的限度，很難穩定地得到5MPa以上 的外部張力。而且，存在如下情況，由於製造工藝不一致等，無法得到如設計那樣的表面性 狀即足夠的外部張力，從而無法得到良好的鐵損特性。因此，對於組合了在單向性電磁鋼板 表面上形成槽或導入應變和塗敷皮膜的現有技術，很難穩定地製造鐵損低的單向性電磁鋼 板。下面，對本發明的實施方式進行說明。圖2是表示鋼板中所產生的磁疇結構的圖。 通常，由於單向性電磁鋼板的易磁化軸朝向軋制方向，所以磁疇21由與軋制方向平行或反 向平行的磁化22構成。而且，在磁化22的方向相互逆向的磁疇21的邊界上存在180度疇 壁23。而且，與軋制方向正交的方向(板寬方向)的磁疇尺寸被稱為180度磁疇寬度。如 果在這種單向性電磁鋼板的表面上形成在板寬方向上延伸的槽，則180度磁疇寬度變窄， 磁疇被細化。由於磁疇的細化使疇壁的移動距離減少，所以隨著疇壁的移動而感應的渦流 損耗降低。本發明人根據磁疇結構解析對基於槽的形成的磁疇細化的機理進行研討的結果， 如圖3所示，發現在槽31的側面產生磁極33，磁極33促進了磁疇32的再構成，結果180度 磁疇被細化。而且，如圖3所示，本發明人發現由於在槽31附近產生了磁化32的迂迴，所 以減弱了磁極33的產生。因此，在本發明的實施方式中，如圖4所示，在槽41附近的局部上賦予了與軋制方 向平行的拉伸應力44。結果抑制了磁化42的迂迴，增加了朝向與槽41的側面垂直的方向 的磁化42的比率，增強了槽41側面的磁極43的產生。圖5是表示本發明實施方式的單向性電磁鋼板的鐵損W17/50(頻率50Hz，磁通密 度1.7T)與外部張力的關係的曲線圖。另外，本發明實施方式的單向性電磁鋼板是如下制 造的。首先，從單向性電磁鋼板的表面除去成品退火皮膜，在不存在皮膜的表面上與軋制方 向成直角地以5mm的間隔形成有寬度為100 μ m、深度為20 μ m的槽。之後，如圖6所示，在 表面的距槽61的側面100 μ m的範圍的區域62內與槽61平行地照射YAG脈衝雷射，在區 域62內賦予了最大值為約120MPa的與軋制方向平行的拉伸應力64。在YAG脈衝雷射的照 射中，適當調節了脈衝能量E、C方向間距Pc及L方向間距PL，以使照射能量Ua為0. 5mJ/ mm2 3. OmJ/mm2，使聚光點的直徑Φ為0. 2mm 0. 5mm。用「Ua = E/ (PcXPL) 」來表示照 射能量Ua。另外，能夠用由X射線衍射法等測定的晶格畸變及單向性電磁鋼板的彈性率等 計算出作用於單向性電磁鋼板表面的應力值。為了便於對比，在圖5中除本發明實施方式以外還示出了圖1中的「雷射應變」及 「槽」中的關係。如上所述，在已產品化的單向性電磁鋼板中，因皮膜的塗敷而作用有相當於 約5MPa的外部張力的應力。因此，形成有槽進而塗覆有皮膜的現有的單向性電磁鋼板的鐵 損為0. 75ff/kg左右，而通過雷射的照射導入了應變進而塗覆有皮膜的現有的單向性電磁鋼板的鐵損為0. 7W/kg左右。與此相對，在本發明的實施方式中，即使在未作用有外部張力 的狀態下，也就是說未塗敷皮膜的狀態下，鐵損也在0. 7W/kg左右。這意味著在本發明的實 施方式中，即使在未塗敷皮膜的狀態下，也能夠使鐵損降低至不僅依靠槽或應變還依靠皮 膜來降低鐵損的現有的單向性電磁鋼板的鐵損以下。因此，在本發明實施方式中塗敷皮膜 時，即使因製造工藝不一致等而無法得到相當於5MPa左右的外部張力的應力，也能夠切實 地使鐵損降低。如此，在本發明的實施方式中，在表面上形成有槽，通過在槽附近的表層上照射激 光等而局部地導入拉伸應力。結果使產生於槽側面的磁極量增加，促進了磁疇的再構成， 180度磁疇被細化，降低了渦流損耗。另外，表層是指例如距電磁鋼板表面的深度為20 μ m 左右的部分。下面，對用於切實地得到本發明效果的槽及拉伸應力所涉及的條件進行說明。也 就是說，對槽的深度及寬度以及賦予了拉伸應力的區域的範圍及拉伸應力的大小等的範圍 進行說明。本發明人對在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的槽的深度與鐵損的關 系進行了調查。在該調查中，在製造單向性電磁鋼板時，除去成品退火皮膜，以5mm的間隔 形成槽61之後，如圖6所示，在距槽61的側面100 μ m的範圍的區域62內與槽61平行地 連續照射YAG脈衝雷射，在區域62內賦予了最大值為150MPa的與軋制方向平行的拉伸應 力64。另外，槽61延伸的方向為與軋制方向正交的方向(板寬方向)。而且，測定了槽61 的寬度及深度不同的各種單向性電磁鋼板的鐵損。在圖7中示出了其結果。圖7是表示在 槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的槽的深度與鐵損的關係的曲線圖。根據圖7所示的結果，槽的寬度為10 μ m 200 μ m時，可知在槽的深度為10 μ m 30μπ 的範圍內，鐵損尤其變低。當槽的寬度超過200μπ 時，鐵損變高。這是因為槽的非 磁性部分增加，而磁通密度降低。而且，當槽的深度超過30 μ m時，由於同樣的理由，鐵損變 高。另外，槽的寬度從 ο μ m開始是因為很難穩定地製造寬度不足10 μ m的槽。因此，在本發明中優選形成於表面的槽的寬度為200 μ m以下，槽的深度為 ΙΟμ 30μ ，槽的寬度為10 μ m以上。本發明人對在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的拉伸應力的最大值與 鐵損的關係進行了調查。在該調查中，在製造單向性電磁鋼板時，通過與上述調查一樣的方 法形成槽61，賦予了拉伸應力64。但是，槽61的寬度為100 μ m，而槽61的深度為20 μ m。 而且，測定了最大值的拉伸應力64不同的各種單向性電磁鋼板的鐵損。在圖8中示出了其 結果。圖8是表示在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的拉伸應力的最大值與鐵損 的關係的曲線圖。另外，圖8中的〇表示進行了槽的形成及皮膜的塗敷的現有的單向性電 磁鋼板的鐵損，□表示通過雷射的照射未形成槽地進行了應變的導入及皮膜的塗敷的現有 的單向性電磁鋼板的鐵損。根據圖8所示的結果，可知在表層被賦予的拉伸應力的最大值為20MPa至300MPa 的範圍內，鐵損尤其變低。當拉伸應力的最大值超過300MPa時，鐵損變高。這是因為單向 性電磁鋼板接近屈服點，而產生塑性應變的區域增加，由於磁疇壁釘扎的影響而導致磁滯 損耗增加。因此，本發明中賦予的拉伸應力的最大值為20MPa 300MPa。
另外，如上所述，作用在組合了形成槽及由皮膜賦予張力的單向性電磁鋼板上的 應力相當於約5MPa的外部張力，該值即使在距槽的側面IOOym的範圍內也是一樣的。也 就是說，與本發明中規定的拉伸張力相比極低。本發明人對在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的拉伸應力作用的範圍 與鐵損的關係進行了調查。在該調查中，在製造單向性電磁鋼板時，通過與上述調查一樣的 方法形成槽61，賦予了拉伸應力64。但是，槽61的寬度為100 μ m,槽的深度為20 μ m,而拉 伸應力64的最大值為150MPa。而且，測定了拉伸應力64作用的範圍不同的各種單向性電 磁鋼板的鐵損。在圖9中示出了其結果。圖9是表示在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電 磁鋼板的拉伸應力作用的範圍與鐵損的關係的曲線圖。由圖9可知，在拉伸應力作用的區域距槽的側面ΙΟμπι 300μπι的範圍內，鐵損 尤其變低。當拉伸應力作用的範圍距槽的側面超過300μπι時，鐵損變高。這是因為拉伸應 力作用的區域增加，疇壁釘扎增加，從而磁滯損耗增加。而且，在距槽的側面不足ΙΟμπι的 範圍內鐵損也變高。這是因為拉伸應力作用的範圍過窄，變得無法較強地產生磁極。因此，在本發明中拉伸應力作用的範圍為距槽的側面IOym 300μπι。本發明人對在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的槽的間隔與鐵損的關 系進行了調查。在該調查中，在製造單向性電磁鋼板時，通過與上述調查一樣的方法形成 槽，賦予了拉伸應力64。但是，槽61的寬度為100 μ m，槽61的深度為20 μ m，而拉伸應力 64的最大值為150MPa。而且，測定了槽61的間隔不同的各種單向性電磁鋼板的鐵損。在 圖10中示出了其結果。圖10是表示在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的槽的間 隔與鐵損的關係的曲線圖。根據圖10可知，在槽的間隔為Imm IOmm的範圍內，鐵損尤其變低。當槽的間隔 不足Imm時，鐵損變高。這是因為拉伸應力作用於單向性電磁鋼板整體的區域的比率過大， 由於疇壁釘扎的影響而導致磁滯損耗增加。而且，當槽的間隔超過10mm，鐵損也變高。這是 因為伴隨著槽的形成的180度磁疇的細化變得不充分。因此，本發明中槽的間隔為Imm 10mm。本發明人對在槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的槽延伸的方向與鐵損 的關係進行了調查。在該調查中，在製造單向性電磁鋼板時，通過與上述調查一樣的方法形 成槽，賦予了拉伸應力64。但是，槽的寬度為100 μ m，槽的深度為20 μ m，槽的間隔為5mm， 而拉伸應力的最大值為150MPa。而且，測定了槽延伸的方向(槽延伸的方向與軋制方向所 成的角度)不同的各種單向性電磁鋼板的鐵損。在圖11中示出了其結果。圖11是表示在 槽附近賦予了拉伸應力的單向性電磁鋼板的槽延伸的方向與鐵損的關係的曲線圖。由圖11可知，在槽延伸的方向與軋制方向所成的角度為60度 120度的範圍內， 鐵損尤其變低，在80度 100度的範圍內更加變低。槽延伸的方向與軋制方向所成的角度 θ如圖12所示。而且，上述的60度 120度的範圍相當於從易磁化軸方向即與軋制方向 正交的方向(板厚方向)的偏離為30度以內的範圍。而且，當角度θ不足60度或超過 120度時，朝向軋制方向的磁化貫穿槽側面的比率變小，磁疇的細化不充分，鐵損變高。根據上述理由，在本發明中，使槽的寬度為ΙΟμπι 200μπι，使槽的深度為 10 μ m 30 μ m，使槽延伸的方向與軋制方向所成的角度為60度 120度，使槽的間隔為 Imm 10mm。而且，在距槽的側面10 μ m 300 μ m的範圍的區域內沿軋制方向作用有最大值為20MPa 300MPa的拉伸應力。另外，並沒有特別限定形成槽的方法，例如可以舉出利用齒輪的加工、衝壓加工、 基於蝕刻的加工、基於機械加工的切削及放電加工等。而且，也沒有特別限定槽的截面，例 如可以舉出矩形、梯形、及矩形或梯形等歪斜的形狀等。無論怎樣，只要在單向性電磁鋼板 的表面上形成有凹狀的槽即可。而且，也沒有特別限定賦予拉伸應力的方法，可以舉出利用微波等的局部加熱、離 子注入法等。無論怎樣，只要在單向性電磁鋼板表層的規定區域賦予了拉伸應力即可。在通 過雷射的照射賦予拉伸應力時，沒有特別限定其方法，例如可以舉出脈衝照射、連續照射、 以及脈衝照射及連續照射的複合照射。而且，賦予有外部應力的範圍既可以沿槽的側面連 續，也可以不連續。而且，在通過雷射132的照射賦予拉伸應力時，其區域既可以如圖13A 所示在槽131的一側，也可以如圖13B所示在槽131的兩側。而且，也可以如圖13C所示， 以包括槽131的方式照射雷射。同樣，在利用微波或離子注入賦予拉伸應力時，其區域既可 以在槽的一側，也可以在槽的兩側，或者以包括槽的方式實施上述處理。按照產品水準製造單向性電磁鋼板時，優選在以線圈狀卷繞單向性電磁鋼板的同 時進行槽的形成及拉伸應力的賦予。此時，在以卷繞速度流動的單向性電磁鋼板上實施處 理。因此，為了以滿足上述條件的方式形成槽，或賦予拉伸應力，更優選容易進行位置的調 整且容易控制所賦予的拉伸應力的強度的方法。因此，優選通過雷射的照射來進行拉伸應 力的賦予。這是因為根據雷射的照射，能夠通過調節雷射輸出的功率等容易地控制拉伸應 力的最大值。另外，雷射輸出只要是能夠賦予規定拉伸應力的程度就足夠了，優選照射能量Ua 為6mJ/mm2以下。照射能量Ua超過6mJ/mm2時，有時會在單向性電磁鋼板的表面上產生新 的傷痕，從而使特性發生變化。而且，為了在距槽的側面10 μ m 300 μ m的範圍的區域內 賦予拉伸應力，優選照射雷射的位置在距槽的側面300 μ m以內，更優選在100 μ m以內。(第1實驗)下面，對本發明人實際進行的用於確認本發明效果的第1實驗進行說明。在第1 實驗中，首先，製作含有約3%質量的Si，剩餘部分由Fe及雜質構成，厚度為0. 23mm的單向 性電磁鋼板。其後，在單向性電磁鋼板的表面上塗覆光致抗蝕劑，通過溼式蝕刻形成表1所 示形狀的槽。之後，調節照射能量Ua及照射位置並在槽附近照射YAG脈衝雷射，賦予了表 2所示的拉伸應力。如下述表2所示，照射能量為0. 2mJ/mm2 2. 5mJ/mm2,照射位置為距槽 的側面15μπι 350μπι。而且，測定了各單向性電磁鋼板的鐵損W17/50。另外，如上所述， 表2中的拉伸應力的最大值是通過X射線衍射法測定晶格畸變，並通過使用彈性率等物理 參數的變換而得到的值。而且，鐵損值是使用單板磁性試驗裝置測定的頻率為50Hz、磁通密 度為1. 7T時的值。由表2可知，在試驗No. 1 4(實施例)的單向性電磁鋼板中，由於處於本發明規 定的範圍內，所以得到了不足0. 7W/kg的低鐵損。與此相對，在超出了本發明規定的範圍的 試驗No. 5及6 (對比例)的單向性電磁鋼板中，與實施例相比鐵損變高。表 表1
權利要求
一種單向性電磁鋼板，其特徵在於，在鋼板表面或背面的至少一側，以1mm～10mm的間隔存在寬度為10μm～200μm、深度為10μm～30μm的槽，所述槽延伸的方向與鋼板的軋制方向所成的角度為60度～120度，在距所述槽的側面10μm～300μm的範圍內沿軋制方向作用有最大值為20MPa～300MPa的拉伸應力。
2.根據權利要求1所述的單向性電磁鋼板，其特徵在於， 通過雷射的照射來賦予所述拉伸應力。
3.一種單向性電磁鋼板的製造方法，其特徵在於，具有得到如下鋼板的工序，在鋼板表面或背面的至少一側，以Imm IOmm的間隔存在寬度 為10 μ m 200 μ m、深度為10 μ m 30 μ m的槽，所述槽延伸的方向與鋼板的軋制方向所成 的角度為60度 120度；以及在所述鋼板的形成有所述槽的面上照射雷射，在距所述槽的側面10 μ m 300 μ m的範 圍內沿軋制方向作用有最大值為20MPa 300MPa的拉伸應力的工序。
4.根據權利要求3所述的單向性電磁鋼板的製造方法，其特徵在於， 在距所述槽的側面300 μ m為止的範圍內照射所述雷射。
5.根據權利要求3所述的單向性電磁鋼板的製造方法，其特徵在於， 以在所述鋼板的表面不形成槽的程度照射所述雷射。
6.根據權利要求4所述的單向性電磁鋼板的製造方法，其特徵在於， 以在所述鋼板的表面不形成槽的程度照射所述雷射。
7.根據權利要求5所述的單向性電磁鋼板的製造方法，其特徵在於， 以6mJ/mm2以下的照射能量照射所述雷射。
8.根據權利要求6所述的單向性電磁鋼板的製造方法，其特徵在於， 以6mJ/mm2以下的照射能量照射所述雷射。
全文摘要
單向性電磁鋼板，其特徵在於，在鋼板的表面或背面的至少一側，以1mm～10mm的間隔存在寬度為10μm～200μm、深度為10μm～30μm的槽，所述槽延伸的方向與鋼板的軋制方向所成的角度為60度～120度，在距所述槽的側面10μm～300μm的範圍內沿軋制方向作用有最大值為20MPa～300MPa的拉伸應力。
文檔編號C21D8/12GK101946017SQ20098010553
公開日2011年1月12日 申請日期2009年2月13日 優先權日2008年2月19日
發明者巖田圭司, 濱村秀行 申請人:新日本制鐵株式會社