專利名稱：：鐵損特性優異的單向性電磁鋼板的制作方法
技術領域：
：本發明涉及通過激光照射等導入殘余應力來實施磁疇控制的鐵損特性優異的單向性電磁鋼板。
背景技術：
：在鋼板的軋制方向具有易磁化軸的單向性電磁鋼板，主要被用于變壓器的鐵心等，近年來從節約能源的觀點出發，強烈要求降低鐵心的鐵損。電磁鋼板的鐵損(鐵耗；ironloss)，大致包括磁滯損耗和渦流損耗。已知磁滯損耗受晶體取向、缺陷、晶界等影響，另外，渦流損耗受板厚、電阻、磁疇寬度等影響。為了降低磁滯損耗而控制和改善晶體取向的方法存在極限，因此，近年來為了降低占較多鐵損的渦流損耗，曾提出了較多的磁疇寬度細分化即磁疇控制技術。作為其方法，在日本特公平6-19112號公報中，作為單向性電磁鋼板的制造方法，曾經提出了通過YAG激光照射，在軋制方向周期性地導入與軋制方向大致垂直的線性應變，來降低鐵損的方法。被稱為激光磁疇控制的該方法的原理是，起因于由掃描地照射激光束引起的表面應變，180°磁疇寬度被細分化，可以降低鐵損。另外，在日本特開2005-248291號公報中，提出了著眼于在鋼板表面形成的軋制方向的殘余應力的最大值的新方案。
發明內容關于向鋼板表面導入局部的應變，將180。磁疇寬度細分化來降低鐵損這一激光磁疇控制，包括作為現有技術的專利文獻1在內的、迄今為止的大部分提案，進行嘗試的結果，進一步限定了激光的種類、激光束聚光點形狀、激光能量密度、激光照射間隔等較多的照射參數，提案的內容非常片面，缺乏統一性。其原因在于沒有涉及到作為引起磁疇細分化、降低鐵損的主要因素的應變或者殘余應力的定量的討論。說起來，在通過激光照射來改善鐵損方面，即使是相同的照射條件，根據鋼板的吸收率(由激光波長、表面性狀、形狀、皮膜組成決定)、皮膜厚度的不同，由激光能向熱能(溫度分布、溫度過程)的轉換也不同，因此即使激光照射條件相同，由于鋼板的性狀不同，導入的應變也不同。而且，即使是相同的熱能(溫度分布、溫度過程)，由于鋼板的組成(例如Si含量)不同，物性值(例如楊氏模量、屈服應力值)也不同，因此殘余應力也不同。因此，即使能夠得到對于某種條件的鋼板的最佳的激光照射條件，只要被膜的狀態稍微變化，由激光引起的應變的進入方式也不同，鐵損值會變化，因此激光條件與鐵損的降低并不一對一地對應。因此，對于鐵損，要求找到更本質的影響因子。專利文獻2雖然定量性地談到唯一應變、殘余應力，但是若只是僅控制鋼板表面的應變、拉伸殘余應力，則鐵損的降低存在極限。本發明的課題在于，將單向性電磁鋼板的鐵損分為磁滯損耗和渦流損耗，尤其是從渦流損耗的觀點出發，不僅表面，也包括內部的板厚方向在內，定量地以適宜的條件控制應變以及殘余應力的分布，由此提供與以往相比在鐵損方面優異的單向性電磁鋼板。本發明者們進行磁疇控制的實驗，通過激光照射等向單向性電磁鋼板導入應變、殘余應力，對于得到的低鐵損單向性電磁鋼板刻苦進行研究，調查所導入的殘余應力的分布。其結果發現，如果找到殘余應力與渦流損耗之間的相關性，進行壓縮應力值與應變間隔的控制，就能夠實現鐵損特性優異的單向性電磁鋼板。本發明的要旨如下。(1)一種單向性電^f茲鋼板，是通過照射連續波激光束從而具有與軋制方向大致垂直的線性應變的單向性電磁鋼板，所述線性應變，在與軋制方向垂直的方向即板橫向上均勻，并且在軋制方向上呈周期性，該單向性電磁鋼板的特征在于，在一處應變導入部附近產生的軋制方向的壓縮殘余應4力的、在與板橫向垂直的截面上的二維分布中，將軋制方向的壓縮殘余應力在該截面的存在壓縮殘余應力的區域內積分而得到的值為0.20N~0.80N。(2)才艮據上述(1)所述的單向性電磁鋼板，其特征在于，由激光束照射引起的在上述板橫向上均勻的應變在上述軋制方向上的周期性的間隔為2mm8mm。圖1是用于本發明的單向性電磁鋼板制造方法的裝置的模式圖。圖2是激光照射位置附近的軋制方向的殘余應力在軋制方向/板厚方向截面上的二維分布。圖3是軋制方向的拉伸殘余應力的最大值與鐵損W17/5o的關系圖。圖4是積分壓縮應力值oS與渦流損耗We的關系圖(照射間隔固定在4mm)。圖5是積分壓縮應力值ctS與鐵損\￥17/5()的關系圖(照射間隔固定在4mm)。圖6是照射間隔PL與鐵損W17/5()的關系圖(軋制方向的照射直徑DL固定在0.1mm、掃描方向的照射直徑DC固定在0.5mm)。圖7是軋制方向的壓縮殘余應力的最大值與鐵損W17/5o的關系圖。具體實施例方式本發明者們在向單向性電磁鋼板的表面照射激光，在軋制方向上以一定間隔導入與軋制方向大致垂直的線性應變從而改善鐵損的方法中，對于各種的激光照射條件，著眼于與板橫向垂直的截面上的軋制方向的殘余應力的二維分布以及軋制方向的激光照射間隔(間距)，找到了可以得到鐵損特性優異的單向性電磁鋼板的條件。在此，板橫向為與軋制方向垂直的方向。作為向單向性電磁鋼板的表面導入上述那樣的線性應變的方法，除了激光照射法以外，還可以列舉出離子注入法、放電加工法、局部鍍覆法、超聲波振動法等，該條件是對于采用任何方法導入了應變的單向性電磁鋼束都適用的。以下用附圖來說明本發明的通過激光照射得到的單向性電磁,板。圖1是本發明涉及的激光束照射方法的說明圖。在本實施例中，使用多角鏡4和fe透鏡5，將由激光裝置3輸出的連續振蕩(cw)的激光束LB掃描照射到單向性電磁鋼板1上。通過改變fe透鏡5與單向性電磁鋼教l之間的距離，而使激光束的軋制方向聚光直徑dl變化。6是圓柱透鏡或多個圓柱組透鏡，關于激光束的聚光點，根據要求使光束的掃描方向(與軋制方向垂直的板橫向)的聚光直徑(掃描方向長度)dc變化，從圓形到橢圓形而用于控制聚光形狀。平均照射能量密度Ua[mJ/mm2，使用激光功率P[W]、板橫向的激光束的板橫向掃描(scan)速度Vc[m/sj、軋制方向的激光照射間隔PL[mmI，定義為Ua(mJ/mm2)=P/(VcxPL)。激光掃描速度由多角鏡的旋轉速度決定，因此，可使激光功率、多角鏡旋轉速度、激光照射間隔變化而進行平均照射能量密度的調整。圖l是使用了一組激光和激光束掃描裝置的例子，但也可以根據鋼板的板寬度，在板橫向上配置多臺同樣的裝置。本發明者們使用光纖芯直徑為10jun的連續振蕩光纖激光裝置，通過聚光點形狀和平均照射能量密度Ua的各種組合來改變照射條件，對單向性電磁鋼板表面，在與軋制方向大致垂直的方向以線狀掃描激光束，實施^t光照射的實驗。測定與板橫向垂直的截面上的軋制方向的殘余應力的二維分布和鐵損以及磁滯損耗，將鐵損分離成磁滯損耗和渦流損耗進行考察。與板橫向垂直的截面上的軋制方向的殘余應力的二維分布的測定，是采用X射線衍射法測定晶格間距，使用彈性模量等的物性值轉換成應力。鐵損采用SST(單片試驗器;SingleSheetTester)測定器測定W17/50。W訓是頻率50Hz、最大磁通密度1.7T時的鐵損。對于在本實施例中使用的單向性電磁鋼板樣品，在板厚為0.23mm的情況下，激光照射前的\￥17/50是0.86W/kg。磁滯損耗根據磁滯回線計算出，渦流損耗為從上述的鐵損減去磁滯損耗得到的值。圖2表示在激光照射位置附近產生的軋制方向的壓縮殘佘應力在與板橫向垂直的截面上的二維分布的代表性的一例。關于可看到鐵損改善的鋼板，雖然根據激光照射條件，殘余應力的絕對值存在差異，但是在鋼板表面附近存在較大的拉伸應力，在其板厚方向的下方可看到壓縮應力的存在。再者，存在殘余應力以及塑性應變的軋制方向的寬度，與激光聚光點的軋制方向直徑dl大致成比例。本發明者們對于使用連續振蕩激光器進行了激光照射的鋼板，對鋼板表面的拉伸殘余應力和壓縮殘余應力的最大值與鐵損的關系進行了調查。將拉伸殘余應力的最大值與鐵損的關系示于圖3，將壓縮殘余應力的最大值與鐵損的關系示于圖7。關于拉伸殘余應力最大值，看不到與鐵損相關、和/或最佳值。另一方面，關于壓縮殘余應力的最大值，在為由點劃線表示的100MPa以上時，鐵損良好，但上P艮值并不清楚。其結果，通過激光照射進行的磁疇控制中的鐵損，不能用拉伸殘余應力的最大值進行說明，也完全不能用壓縮殘余應力的最大值進行說明。可想到另外的特征量存在的可能性。因此，本發明者們仔細研討數據的結果，作為第一著眼點，著眼于拉伸殘余應力的最大值比壓縮殘余應力大且拉伸殘余應力集中在狹窄的區域；根據照射條件而達到屈服應力即塑性應變區域；另一方面，壓縮殘余應力的最大值和鐵損可看到不少關系，作為第二著眼點，著眼于即使壓縮殘余應力的最大值相同，壓縮殘余應力分布在深度方向的擴展上存在不同。即，實現鐵損降低以及磁疇細分化的主要因素，從第一著眼點考慮，具有重要意義的不是拉伸應力，而是壓縮應力，從第二著眼點考慮，具有重要意義的不是殘余應力的最大值，而是分布的擴展。本發明者們在表示實現降低鐵損的壓縮應力的分布時，作為特征量"積分壓縮應力值oS"，如下式(1)那樣定義。oS=4sods…(1)即，在激光照射部附近，也就是應變導入部附近產生的軋制方向的壓縮殘余應力的、在垂直于板橫向的截面上的二維分布中，關于積分壓縮應力值oS[N，將軋制方向的壓縮殘余應力設為o[MPa]，將該截面的存在壓縮殘余應力的區域設為S[mm2，將面積單元設為ds，將oS定義為在區域S內對應力d進行積分而得到的值。即，積分壓縮應力值是通過激光照射而導入的壓縮殘余應力的總和。將軋制方向的激光照射間隔PL設為4mm(恒定)，將激光聚光點形狀設為20x2500nm、100x500nm、100x2000nm、300x200jun，關于對于該各個情況，階段性地改變激光功率而照射過的單向性電磁鋼板，采用上述方法求出積分壓縮應力值。另一方面，由對于各個情況測定的鐵損，減去磁滯損耗，求出渦流損耗。圖4是對于各電磁鋼板，在橫坐標上繪制積分壓縮應力值(jS、在縱坐標上繪制渦流損耗We，從而表示二者關系的圖。從該結果來看，積分壓縮應力值和渦流損耗，無論聚光點形狀如何，都成反比例的關系。這意味著渦流損耗的降低即磁疇區細分化效果與所導入的壓縮殘余應力的總和成比例。從物理性原理考察這種現象，如下所述。磁彈性能E:E=-CxoxMxcos20其中，C為常數，o為殘余應力，M為磁矩，6為o與M構成的角。此時，在軋制方向上存在壓縮殘余應力的情況下，0為90。時E最小，因此注意到(T為負值，磁矩的方向與軋制方向垂直。因此，由于壓縮應力，易磁化軸不僅在軋制方向，在其垂直方向也會產生。一般地，其被稱為環流磁疇。如果存在環流磁疇，則靜磁能增高，變得不穩定，因此可以考慮到將磁疇細分化，降低靜磁能從而進行穩定化。因此可以認為，環流磁疇越多，即越是壓縮殘余應力強、而且寬泛地發生，則磁疇細分化效果越高，渦流損耗越降低。圖5是使用在圖4中使用的數據和測定的鐵損，在橫坐標上繪制積分壓縮應力值(yS、在縱坐標上繪制到達鐵損W17/50,從而表示二者關系的圖。從該結果來看，在由點劃線所示的0.20N^ySS0.80N的范圍，與磁疇控制前的鐵損Wn/so-0.86W/kg相比，能夠實現由虛線所示的鐵損改善率為13%以上(W17/5。S0.75W/kg)這一良好的鐵損。再者，鐵損改善率i]定義為n(%)={(材料的鐵損-到達鐵損)/材料的鐵損)xiot)。由于在積分壓縮應力值oS小于0.20N時，渦流損耗高，因此鐵損不能降低。可以認為，在積分壓縮應力值tyS大于0.80N時，雖然渦流損耗降低，但是由于由表面附近的拉伸殘余應力引起的塑性應變，因此磁滯損耗增大，不能降低鐵損。如以上所述可知，如果將積分壓縮應力值oS調節為0.20N5oS50.80N的范圍，則可以得到良好的鐵損改善。可知如果更優選地調節為0.40N$oS50.70N的范圍，則可以得到進一步改善鐵損的效果。在前面所述中，將軋制方向的激光照射間隔PL固定在4mm而進行，但進一步改變軋制方向的激光照射間隔PL而調查了其影響。此時，激光束的聚光點形狀是軋制方向直徑為O.lmm、掃描方向(板橫向)直徑為0.5mm,調整Ua使得積分壓縮應力值oS為0.20N^jS^0.80N的范圍。圖6是在橫坐標上繪制軋制方向的激光照射間隔PL、在縱坐標上繪制鐵損Wn,5o從而表示二者關系的圖。從該結果來看，PL為2mm8mm的范圍時能夠實現鐵損改善率為13%的良好的鐵損。當PL為小于2mm的范圍時，磁滯損耗增大，因此不能夠降低鐵損。當PL為大于8mm的范圍時，不能夠降低渦流損耗，因此不能夠降低鐵損。可知如果如以上那樣將軋制方向的激光照射間隔PL調節為2mm￡PL58mm的范圍，則可以得到良好的鐵損的改善。實施例1使用板厚為0.23mm的單向性電磁鋼板，采用連續波激光以如表1所示的照射條件對該鋼板表面進行照射，測定殘余應力后，計算出積分壓縮應力值，測定各自的鐵損(W17/5。)。結果匯總于表l。在本實施例l中，將激光功率固定在200W、軋制方向的激光照射間隔固定在4mm而進行照射。積分壓縮應力值的計算，是使用X射線衍射法測定軋制方向的殘余應力(應變)，對于壓縮應力由式(2)求得。由表l清楚地知道，試驗No.lNo.8(本發明例)所示的電磁鋼板，其軋制方向的積分壓縮應力值oS均在本發明所規定的范圍0.20N^rS50.80N，因此能夠降低到作為鐵損改善率13%的低鐵損值(W17/50)0.75W/kg以下。另一方面，脫離條件范圍0.20N^rS^0.80N的試驗No.9~No.12(比較例)所示的電磁鋼板，不能實現低鐵損值(W17/50)0.75W/kg以下。這樣一來，如果采用本發明，則能夠得到鐵損特性優異的單向性電磁鋼板。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>實施例2對板厚為0,23mm的單向性電磁鋼板的表面，以如表2所示的照射條件照射連續波激光，測定照射部的殘余應力后，計算出積分壓縮應力值，并且測定4失損(W17/5())，將這些數值匯總于表2。在本實施例2中，將激光功率固定為與前面所述實施例相同的200W而進行。由表2清楚地知道，試驗No.l~No.6(本發明例)所示的電磁鋼板，其軋制方向的積分壓縮應力值oS、和軋制方向的激光照射間隔(應變間隔)PL，均在本發明所規定的范圍0.20N^rS￡0，80N、2mmSPL￡8mm，因此能夠降低到作為鐵損改善率13。/。的低鐵損值(W17/5q)0,75W/kg以下。另一方面，雖然積分壓縮應力值(iS滿足條件，但是照射間隔PL的條件偏離的試驗No.7和No.8所示的電磁鋼板，不能實現低鐵損值(W17/5o)0.75W/kg以下。這樣一來，如果采用本發明，則能夠得到鐵損特性優異的單向性電磁鋼板。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>產業上的利用可能性根據本發明，通過定量性地適當控制導入到單向性電磁鋼板中的殘余應力尤其是壓縮殘余應力，與以往相比，能夠穩定地得到鐵損特性優異的單向性電磁鋼板。通過將本發明的單向性電磁鋼板作為鐵心使用，可制造高效率且小型的變壓器，因此本發明的產業上的利用價值非常高。本發明中表示數值范圍的"以上，，和"以下"均包括本數。權利要求1、一種單向性電磁鋼板，是通過照射連續波激光束從而具有與軋制方向大致垂直的線性應變的單向性電磁鋼板，所述線性應變，在與軋制方向垂直的方向即板橫向上均勻，并且在軋制方向上呈周期性，該單向性電磁鋼板的特征在于，在一處應變導入部附近產生的軋制方向的壓縮殘余應力的、在與板橫向垂直的截面上的二維分布中，將軋制方向的壓縮殘余應力在該截面的存在壓縮殘余應力的區域內積分而得到的值為0.20N～0.80N。2、根據權利要求l所述的單向性電磁鋼板，其特征在于，在所述板橫向上均勻的應變在所述軋制方向上的周期性的間隔為2mm8mm。全文摘要本發明通過將采用激光束照射等而導入了應變的單向性電磁鋼板的鐵損分為磁滯損耗和渦流損耗，并從渦流損耗的觀點出發定量地適當控制應變以及殘余應力的包括板厚方向在內的分布，提供相比于以往在鐵損方面優異的單向性電磁鋼板。對于通過激光束照射等，在板橫向上均勻、并且在軋制方向上周期性地導入與軋制方向大致垂直的線性應變，從而進行了磁疇控制的單向性電磁鋼板，導入應變使得在一處應變導入部附近產生的軋制方向的殘余應力的、在與板橫向垂直的截面上的二維分布中，將軋制方向的壓縮殘余應力在該截面的存在壓縮殘余應力的區域內積分而得到的值在規定的范圍內。文檔編號C21D8/12GK101528951SQ200780039168公開日2009年9月9日申請日期2007年10月16日優先權日2006年10月23日發明者坂井辰彥,巖田圭司,濱村秀行申請人:新日本制鐵株式會社