专利名称：：铁损特性优异的单向性电磁钢板的制作方法
技术领域：
：本发明涉及通过激光照射等导入残余应力来实施磁畴控制的铁损特性优异的单向性电磁钢板。
背景技术：
：在钢板的轧制方向具有易磁化轴的单向性电磁钢板，主要被用于变压器的铁心等，近年来从节约能源的观点出发，强烈要求降低铁心的铁损。电磁钢板的铁损(铁耗；ironloss)，大致包括磁滞损耗和涡流损耗。已知磁滞损耗受晶体取向、缺陷、晶界等影响，另外，涡流损耗受板厚、电阻、磁畴宽度等影响。为了降低磁滞损耗而控制和改善晶体取向的方法存在极限，因此，近年来为了降低占较多铁损的涡流损耗，曾提出了较多的磁畴宽度细分化即磁畴控制技术。作为其方法，在日本特公平6-19112号公报中，作为单向性电磁钢板的制造方法，曾经提出了通过YAG激光照射，在轧制方向周期性地导入与轧制方向大致垂直的线性应变，来降低铁损的方法。被称为激光磁畴控制的该方法的原理是，起因于由扫描地照射激光束引起的表面应变，180°磁畴宽度被细分化，可以降低铁损。另外，在日本特开2005-248291号公报中，提出了着眼于在钢板表面形成的轧制方向的残余应力的最大值的新方案。
发明内容关于向钢板表面导入局部的应变，将180。磁畴宽度细分化来降低铁损这一激光磁畴控制，包括作为现有技术的专利文献1在内的、迄今为止的大部分提案，进行尝试的结果，进一步限定了激光的种类、激光束聚光点形状、激光能量密度、激光照射间隔等较多的照射参数，提案的内容非常片面，缺乏统一性。其原因在于没有涉及到作为引起磁畴细分化、降低铁损的主要因素的应变或者残余应力的定量的讨论。说起来，在通过激光照射来改善铁损方面，即使是相同的照射条件，根据钢板的吸收率(由激光波长、表面性状、形状、皮膜组成决定)、皮膜厚度的不同，由激光能向热能(温度分布、温度过程)的转换也不同，因此即使激光照射条件相同，由于钢板的性状不同，导入的应变也不同。而且，即使是相同的热能(温度分布、温度过程)，由于钢板的组成(例如Si含量)不同，物性值(例如杨氏模量、屈服应力值)也不同，因此残余应力也不同。因此，即使能够得到对于某种条件的钢板的最佳的激光照射条件，只要被膜的状态稍微变化，由激光引起的应变的进入方式也不同，铁损值会变化，因此激光条件与铁损的降低并不一对一地对应。因此，对于铁损，要求找到更本质的影响因子。专利文献2虽然定量性地谈到唯一应变、残余应力，但是若只是仅控制钢板表面的应变、拉伸残余应力，则铁损的降低存在极限。本发明的课题在于，将单向性电磁钢板的铁损分为磁滞损耗和涡流损耗，尤其是从涡流损耗的观点出发，不仅表面，也包括内部的板厚方向在内，定量地以适宜的条件控制应变以及残余应力的分布，由此提供与以往相比在铁损方面优异的单向性电磁钢板。本发明者们进行磁畴控制的实验，通过激光照射等向单向性电磁钢板导入应变、残余应力，对于得到的低铁损单向性电磁钢板刻苦进行研究，调查所导入的残余应力的分布。其结果发现，如果找到残余应力与涡流损耗之间的相关性，进行压缩应力值与应变间隔的控制，就能够实现铁损特性优异的单向性电磁钢板。本发明的要旨如下。(1)一种单向性电^f兹钢板，是通过照射连续波激光束从而具有与轧制方向大致垂直的线性应变的单向性电磁钢板，所述线性应变，在与轧制方向垂直的方向即板横向上均匀，并且在轧制方向上呈周期性，该单向性电磁钢板的特征在于，在一处应变导入部附近产生的轧制方向的压缩残余应4力的、在与板横向垂直的截面上的二维分布中，将轧制方向的压缩残余应力在该截面的存在压缩残余应力的区域内积分而得到的值为0.20N~0.80N。(2)才艮据上述(1)所述的单向性电磁钢板，其特征在于，由激光束照射引起的在上述板横向上均匀的应变在上述轧制方向上的周期性的间隔为2mm8mm。图1是用于本发明的单向性电磁钢板制造方法的装置的模式图。图2是激光照射位置附近的轧制方向的残余应力在轧制方向/板厚方向截面上的二维分布。图3是轧制方向的拉伸残余应力的最大值与铁损W17/5o的关系图。图4是积分压缩应力值oS与涡流损耗We的关系图(照射间隔固定在4mm)。图5是积分压缩应力值ctS与铁损\￥17/5()的关系图(照射间隔固定在4mm)。图6是照射间隔PL与铁损W17/5()的关系图(轧制方向的照射直径DL固定在0.1mm、扫描方向的照射直径DC固定在0.5mm)。图7是轧制方向的压缩残余应力的最大值与铁损W17/5o的关系图。具体实施例方式本发明者们在向单向性电磁钢板的表面照射激光，在轧制方向上以一定间隔导入与轧制方向大致垂直的线性应变从而改善铁损的方法中，对于各种的激光照射条件，着眼于与板横向垂直的截面上的轧制方向的残余应力的二维分布以及轧制方向的激光照射间隔(间距)，找到了可以得到铁损特性优异的单向性电磁钢板的条件。在此，板横向为与轧制方向垂直的方向。作为向单向性电磁钢板的表面导入上述那样的线性应变的方法，除了激光照射法以外，还可以列举出离子注入法、放电加工法、局部镀覆法、超声波振动法等，该条件是对于采用任何方法导入了应变的单向性电磁钢束都适用的。以下用附图来说明本发明的通过激光照射得到的单向性电磁,板。图1是本发明涉及的激光束照射方法的说明图。在本实施例中，使用多角镜4和fe透镜5，将由激光装置3输出的连续振荡(cw)的激光束LB扫描照射到单向性电磁钢板1上。通过改变fe透镜5与单向性电磁钢教l之间的距离，而使激光束的轧制方向聚光直径dl变化。6是圆柱透镜或多个圆柱组透镜，关于激光束的聚光点，根据要求使光束的扫描方向(与軋制方向垂直的板横向)的聚光直径(扫描方向长度)dc变化，从圆形到椭圆形而用于控制聚光形状。平均照射能量密度Ua[mJ/mm2，使用激光功率P[W]、板横向的激光束的板橫向扫描(scan)速度Vc[m/sj、轧制方向的激光照射间隔PL[mmI，定义为Ua(mJ/mm2)=P/(VcxPL)。激光扫描速度由多角镜的旋转速度决定，因此，可使激光功率、多角镜旋转速度、激光照射间隔变化而进行平均照射能量密度的调整。图l是使用了一组激光和激光束扫描装置的例子，但也可以根据钢板的板宽度，在板横向上配置多台同样的装置。本发明者们使用光纤芯直径为10jun的连续振荡光纤激光装置，通过聚光点形状和平均照射能量密度Ua的各种组合来改变照射条件，对单向性电磁钢板表面，在与轧制方向大致垂直的方向以线状扫描激光束，实施^t光照射的实验。测定与板横向垂直的截面上的轧制方向的残余应力的二维分布和铁损以及磁滞损耗，将铁损分离成磁滞损耗和涡流损耗进行考察。与板横向垂直的截面上的轧制方向的残余应力的二维分布的测定，是采用X射线衍射法测定晶格间距，使用弹性模量等的物性值转换成应力。铁损采用SST(单片试验器;SingleSheetTester)测定器测定W17/50。W訓是频率50Hz、最大磁通密度1.7T时的铁损。对于在本实施例中使用的单向性电磁钢板样品，在板厚为0.23mm的情况下，激光照射前的\￥17/50是0.86W/kg。磁滞损耗根据磁滞回线计算出，涡流损耗为从上述的铁损减去磁滞损耗得到的值。图2表示在激光照射位置附近产生的轧制方向的压缩残佘应力在与板横向垂直的截面上的二维分布的代表性的一例。关于可看到铁损改善的钢板，虽然根据激光照射条件，残余应力的绝对值存在差异，但是在钢板表面附近存在较大的拉伸应力，在其板厚方向的下方可看到压缩应力的存在。再者，存在残余应力以及塑性应变的轧制方向的宽度，与激光聚光点的轧制方向直径dl大致成比例。本发明者们对于使用连续振荡激光器进行了激光照射的钢板，对钢板表面的拉伸残余应力和压缩残余应力的最大值与铁损的关系进行了调查。将拉伸残余应力的最大值与铁损的关系示于图3，将压缩残余应力的最大值与铁损的关系示于图7。关于拉伸残余应力最大值，看不到与铁损相关、和/或最佳值。另一方面，关于压缩残余应力的最大值，在为由点划线表示的100MPa以上时，铁损良好，但上P艮值并不清楚。其结果，通过激光照射进行的磁畴控制中的铁损，不能用拉伸残余应力的最大值进行说明，也完全不能用压缩残余应力的最大值进行说明。可想到另外的特征量存在的可能性。因此，本发明者们仔细研讨数据的结果，作为第一着眼点，着眼于拉伸残余应力的最大值比压缩残余应力大且拉伸残余应力集中在狭窄的区域；根据照射条件而达到屈服应力即塑性应变区域；另一方面，压缩残余应力的最大值和铁损可看到不少关系，作为第二着眼点，着眼于即使压缩残余应力的最大值相同，压缩残余应力分布在深度方向的扩展上存在不同。即，实现铁损降低以及磁畴细分化的主要因素，从第一着眼点考虑，具有重要意义的不是拉伸应力，而是压缩应力，从第二着眼点考虑，具有重要意义的不是残余应力的最大值，而是分布的扩展。本发明者们在表示实现降低铁损的压缩应力的分布时，作为特征量"积分压缩应力值oS"，如下式(1)那样定义。oS=4sods…(1)即，在激光照射部附近，也就是应变导入部附近产生的轧制方向的压缩残余应力的、在垂直于板横向的截面上的二维分布中，关于积分压缩应力值oS[N，将轧制方向的压缩残余应力设为o[MPa]，将该截面的存在压缩残余应力的区域设为S[mm2，将面积单元设为ds，将oS定义为在区域S内对应力d进行积分而得到的值。即，积分压缩应力值是通过激光照射而导入的压缩残余应力的总和。将轧制方向的激光照射间隔PL设为4mm(恒定)，将激光聚光点形状设为20x2500nm、100x500nm、100x2000nm、300x200jun，关于对于该各个情况，阶段性地改变激光功率而照射过的单向性电磁钢板，采用上述方法求出积分压缩应力值。另一方面，由对于各个情况测定的铁损，减去磁滞损耗，求出涡流损耗。图4是对于各电磁钢板，在横坐标上绘制积分压缩应力值(jS、在纵坐标上绘制涡流损耗We，从而表示二者关系的图。从该结果来看，积分压缩应力值和涡流损耗，无论聚光点形状如何，都成反比例的关系。这意味着涡流损耗的降低即磁畴区细分化效果与所导入的压缩残余应力的总和成比例。从物理性原理考察这种现象，如下所述。磁弹性能E:E=-CxoxMxcos20其中，C为常数，o为残余应力，M为磁矩，6为o与M构成的角。此时，在轧制方向上存在压缩残余应力的情况下，0为90。时E最小，因此注意到(T为负值，磁矩的方向与轧制方向垂直。因此，由于压缩应力，易磁化轴不仅在轧制方向，在其垂直方向也会产生。一般地，其被称为环流磁畴。如果存在环流磁畴，则静磁能增高，变得不稳定，因此可以考虑到将磁畴细分化，降低静磁能从而进行稳定化。因此可以认为，环流磁畴越多，即越是压缩残余应力强、而且宽泛地发生，则磁畴细分化效果越高，涡流损耗越降低。图5是使用在图4中使用的数据和测定的铁损，在横坐标上绘制积分压缩应力值(yS、在纵坐标上绘制到达铁损W17/50,从而表示二者关系的图。从该结果来看，在由点划线所示的0.20N^ySS0.80N的范围，与磁畴控制前的铁损Wn/so-0.86W/kg相比，能够实现由虚线所示的铁损改善率为13%以上(W17/5。S0.75W/kg)这一良好的铁损。再者，铁损改善率i]定义为n(%)={(材料的铁损-到达铁损)/材料的铁损)xiot)。由于在积分压缩应力值oS小于0.20N时，涡流损耗高，因此铁损不能降低。可以认为，在积分压缩应力值tyS大于0.80N时，虽然涡流损耗降低，但是由于由表面附近的拉伸残余应力引起的塑性应变，因此磁滞损耗增大，不能降低铁损。如以上所述可知，如果将积分压缩应力值oS调节为0.20N5oS50.80N的范围，则可以得到良好的铁损改善。可知如果更优选地调节为0.40N$oS50.70N的范围，则可以得到进一步改善铁损的效果。在前面所述中，将轧制方向的激光照射间隔PL固定在4mm而进行，但进一步改变轧制方向的激光照射间隔PL而调查了其影响。此时，激光束的聚光点形状是轧制方向直径为O.lmm、扫描方向(板横向)直径为0.5mm,调整Ua使得积分压缩应力值oS为0.20N^jS^0.80N的范围。图6是在横坐标上绘制轧制方向的激光照射间隔PL、在纵坐标上绘制铁损Wn,5o从而表示二者关系的图。从该结果来看，PL为2mm8mm的范围时能够实现铁损改善率为13%的良好的铁损。当PL为小于2mm的范围时，磁滞损耗增大，因此不能够降低铁损。当PL为大于8mm的范围时，不能够降低涡流损耗，因此不能够降低铁损。可知如果如以上那样将轧制方向的激光照射间隔PL调节为2mm￡PL58mm的范围，则可以得到良好的铁损的改善。实施例1使用板厚为0.23mm的单向性电磁钢板，采用连续波激光以如表1所示的照射条件对该钢板表面进行照射，测定残余应力后，计算出积分压缩应力值，测定各自的铁损(W17/5。)。结果汇总于表l。在本实施例l中，将激光功率固定在200W、轧制方向的激光照射间隔固定在4mm而进行照射。积分压缩应力值的计算，是使用X射线衍射法测定轧制方向的残余应力(应变)，对于压缩应力由式(2)求得。由表l清楚地知道，试验No.lNo.8(本发明例)所示的电磁钢板，其轧制方向的积分压缩应力值oS均在本发明所规定的范围0.20N^rS50.80N，因此能够降低到作为铁损改善率13%的低铁损值(W17/50)0.75W/kg以下。另一方面，脱离条件范围0.20N^rS^0.80N的试验No.9~No.12(比较例)所示的电磁钢板，不能实现低铁损值(W17/50)0.75W/kg以下。这样一来，如果采用本发明，则能够得到铁损特性优异的单向性电磁钢板。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>实施例2对板厚为0,23mm的单向性电磁钢板的表面，以如表2所示的照射条件照射连续波激光，测定照射部的残余应力后，计算出积分压缩应力值，并且测定4失损(W17/5())，将这些数值汇总于表2。在本实施例2中，将激光功率固定为与前面所述实施例相同的200W而进行。由表2清楚地知道，试验No.l~No.6(本发明例)所示的电磁钢板，其轧制方向的积分压缩应力值oS、和轧制方向的激光照射间隔(应变间隔)PL，均在本发明所规定的范围0.20N^rS￡0，80N、2mmSPL￡8mm，因此能够降低到作为铁损改善率13。/。的低铁损值(W17/5q)0,75W/kg以下。另一方面，虽然积分压缩应力值(iS满足条件，但是照射间隔PL的条件偏离的试验No.7和No.8所示的电磁钢板，不能实现低铁损值(W17/5o)0.75W/kg以下。这样一来，如果采用本发明，则能够得到铁损特性优异的单向性电磁钢板。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>产业上的利用可能性根据本发明，通过定量性地适当控制导入到单向性电磁钢板中的残余应力尤其是压缩残余应力，与以往相比，能够稳定地得到铁损特性优异的单向性电磁钢板。通过将本发明的单向性电磁钢板作为铁心使用，可制造高效率且小型的变压器，因此本发明的产业上的利用价值非常高。本发明中表示数值范围的"以上，，和"以下"均包括本数。权利要求1、一种单向性电磁钢板，是通过照射连续波激光束从而具有与轧制方向大致垂直的线性应变的单向性电磁钢板，所述线性应变，在与轧制方向垂直的方向即板横向上均匀，并且在轧制方向上呈周期性，该单向性电磁钢板的特征在于，在一处应变导入部附近产生的轧制方向的压缩残余应力的、在与板横向垂直的截面上的二维分布中，将轧制方向的压缩残余应力在该截面的存在压缩残余应力的区域内积分而得到的值为0.20N～0.80N。2、根据权利要求l所述的单向性电磁钢板，其特征在于，在所述板横向上均匀的应变在所述轧制方向上的周期性的间隔为2mm8mm。全文摘要本发明通过将采用激光束照射等而导入了应变的单向性电磁钢板的铁损分为磁滞损耗和涡流损耗，并从涡流损耗的观点出发定量地适当控制应变以及残余应力的包括板厚方向在内的分布，提供相比于以往在铁损方面优异的单向性电磁钢板。对于通过激光束照射等，在板横向上均匀、并且在轧制方向上周期性地导入与轧制方向大致垂直的线性应变，从而进行了磁畴控制的单向性电磁钢板，导入应变使得在一处应变导入部附近产生的轧制方向的残余应力的、在与板横向垂直的截面上的二维分布中，将轧制方向的压缩残余应力在该截面的存在压缩残余应力的区域内积分而得到的值在规定的范围内。文档编号C21D8/12GK101528951SQ200780039168公开日2009年9月9日申请日期2007年10月16日优先权日2006年10月23日发明者坂井辰彦,岩田圭司,滨村秀行申请人:新日本制铁株式会社