CN110088312B - 取向电工钢板及其磁畴细化方法 - Google Patents

取向电工钢板及其磁畴细化方法 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的磁畴细化方法，其包含：准备取向电工钢板的步骤；在取向电工钢板的表面上形成掩膜层的步骤；向部分掩膜层照射激光束以去除掩膜层形成预制沟槽于取向电工钢板上的步骤；以及对取向电工钢板进行酸洗以形成沟槽的步骤。

Description

取向电工钢板及其磁畴细化方法
技术领域
本发明涉及取向电工钢板及其磁畴细化方法。
背景技术
取向电工钢板用作变压器等电气产品的铁芯材料。因此，为了降低电气设备的功率损耗提高能量转换效率，铁芯材料的铁损应该优异，而且需要层叠及卷取时占空比高的钢板。
取向电工钢板是指具有通过热轧、冷轧及退火工艺二次再结晶的晶粒沿轧制方向排列成{110}<001>取向的织构(又称“高斯织构”)的功能性钢板。
作为降低取向电工钢板铁损的方法，已知有磁畴细化方法。也就是说，针对磁畴，通过形成划痕或者施加能量冲击，使得取向电工钢板所具有的大磁畴的尺寸细化。在此情况下，当磁畴磁化以及改变方向时，与磁畴尺寸大时相比，可减少能量消耗量。磁畴细化方法有热处理后也保持改善效果的永久磁畴细化和不会保持改善效果的临时磁畴细化。
在出现回复(Recovery)的热处理温度以上的去应力热处理后也显示出铁损改善效果的永久磁畴细化方法可分为蚀刻法、辊压法及激光法。蚀刻法是通过溶液中的选择性电化学反应在钢板表面上形成沟槽(groove)，因此难以控制沟槽形状，从而难以沿着宽度方向均匀地确保最终产品的铁损特性。同时，由于用作溶剂的酸溶液，存在不环保的缺陷。
基于压辊的永久磁畴细化方法是具有铁损改善效果的磁畴细化技术，在压辊上加工出突起形状后，对压辊或板件施压，从而在板件表面上形成具有一定宽度和深度的沟槽，然后进行退火，使得局部上产生沟槽底部的再结晶。辊压法的缺点在于，对机械加工的稳定性、难以确保基于厚度的稳定铁损的可靠性及工艺性复杂，并且形成沟槽后(去应力退火前)铁损和磁通密度特性变差。
基于激光的永久磁畴细化方法所采用的方法是向快速移动的电工钢板表面部照射高输出激光，通过激光照射来形成随着基底部熔化而产生的沟槽(groove)。为了快速加工出沟槽，需要使用输出较大的激光，因此存在购买和维护激光器的成本很高的缺点。此外，当形成沟槽时，必然会产生熔化铁的***(hill-up)，而***的产生会造成漏磁。因此，将会出现铁损增加的趋势。***的形成也会对绝缘产生影响，从而造成永久磁畴细化钢板的磁性能变差。为了去除***所采用的方法使用水洗、刷除、酸洗。但是，在对表面用刷子刮刷的过程或通过酸进行熔化的过程中，粗糙度会严重受损，而且不易去除***。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在提供一种通过组合蚀刻法和激光法以较快的生产速度改善磁性和占空比的取向电工钢板及其磁畴细化方法。
(二)技术方案
根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的磁畴细化方法，其包含：准备取向电工钢板的步骤；在取向电工钢板的表面上形成掩膜层的步骤；向部分掩膜层照射激光束以去除掩膜层形成预制沟槽于取向电工钢板上的步骤；以及对取向电工钢板进行酸洗以形成沟槽的步骤。
掩膜层可包含铝、镁、锰或它们的氧化物或复合有机物。
掩膜层的厚度可为1μm至10μm。
激光束的输出可为1kW至3kW，照射速度可为70m/s至100m/s。
激光束的焦点位置和取向电工钢板的表面之差可小于等于200μm。
预制沟槽的深度可为2μm至5μm。
在形成沟槽的步骤中，部分***可被去除。
在形成沟槽的步骤中，酸洗液的酸浓度可为30体积％至50体积％，温度可为50℃至90℃。
在形成沟槽的步骤中，沟槽的深度可为15μm至30μm。
在形成沟槽的步骤之后，还可包含形成绝缘膜层于掩膜层上面和沟槽上面的步骤。
根据本发明的一个实施例的取向电工钢板，其包含：沟槽，其从电工钢板的表面向电工钢板的内部方向形成；以及掩膜层，其形成在电工钢板的表面上，沟槽部分的表面粗糙度(Ra)可为0.1μm至0.7μm。
沟槽在沟槽深度1/2处的沟槽宽度Wb与在电工钢板表面的沟槽上宽Wa之比(Wb/Wa)可为0.3至0.8。
所述沟槽的深度可为15μm至30μm。
所述取向电工钢板还可包含形成在掩膜层和沟槽上的绝缘膜层。
(三)有益效果
根据本发明的一个示例性实施方案，可以较快的生产速度形成所需形状的沟槽。
此外，根据本发明的一个示例性实施方案，可改善磁性和占空比。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的取向电工钢板表面的模式图。
图2是根据本发明的一个实施例的磁畴细化方法的流程图。
图3是形成掩膜层后的取向电工钢板截面的模式图。
图4是照射激光后的取向电工钢板截面的模式图。
图5是酸洗后的取向电工钢板截面的模式图。
图6是形成绝缘膜层后的取向电工钢板截面的模式图。
图7是放大沟槽截面的模式图。
图8是用于说明沟槽的宽度和深度的示意图。
具体实施方式
文中术语第一、第二、第三等用于描述各种部分、成分、区域、层和/或段，但这些部分、成分、区域、层和/或段不应该被这些术语限制。这些术语仅用于区分某一部分、成分、区域、层和/或段与另一部分、成分、区域、层和/或段。因此，在不脱离本发明的范围内，下面描述的第一部分、成分、区域、层和/或段也可以被描述为第二部分、成分、区域、层和/或段。
本文所使用的术语只是出于描述特定实施例，并不意在限制本发明。除非上下文中另给出明显相反的含义，否则本文所使用的单数形式也意在包含复数形式。还应该理解的是，术语“包含”可以具体指某一特性、领域、整数、步骤、动作、要素及/或成分，但并不排除其他特性、领域、整数、步骤、动作、要素、成分及/或组的存在或附加。
如果某一部分被描述为在另一个部分之上，则可以直接在另一个部分上面或者其间存在其他部分。当某一部分被描述为直接在另一个部分上面时，其间不会存在其他部分。
虽然没有另作定义，但本文使用的所有术语(包含技术术语和科学术语)的含义与所属领域的技术人员通常理解的意思相同。对于辞典里面有定义的术语，应该被解释为具有与相关技术文献和本文中公开的内容一致的意思，而不应该以理想化或过于正式的含义来解释它们的意思。
下面详细描述本发明的实施例，以使本发明所属领域的普通技术人员容易实施本发明。本发明能够以各种不同方式变形实施，并不局限于本文所述的实施例。
图1中示出了根据本发明的一个实施例磁畴得到细化的取向电工钢板10的模式图。如图1所示，取向电工钢板10的表面上沿着轧制方向形成有多个沟槽30。
图2中示意性地示出了根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的磁畴细化方法的流程图。图2的磁畴细化方法的流程图只是用于例示本发明，本发明不限于图2所示的流程。因此，可对磁畴细化方法进行各种变形。
如图2所示，根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的磁畴细化方法，其包含：准备取向电工钢板的步骤S10；在取向电工钢板的表面上形成掩膜层的步骤S20；向部分掩膜层照射激光束以去除掩膜层形成预制沟槽于取向电工钢板上的步骤S30；以及对取向电工钢板进行酸洗以形成沟槽的步骤S40。下面按照各步骤进行详细描述。
首先，在步骤S10中准备取向电工钢板。在本发明的一个实施例中，取向电工钢板的特征在于磁畴细化方法和所形成的沟槽形状，而作为磁畴细化对象的取向电工钢板可以不受限制地使用任何取向电工钢板。尤其，无论取向电工钢板的合金组分如何，都会发挥本发明的效果。因此，省略对取向电工钢板合金组分的详细描述。
在本发明的一个实施例中，取向电工钢板可使用通过热轧和冷轧从板坯轧制成预定厚度的取向电工钢板。
接下来，在步骤S20中准备的取向电工钢板的表面上形成掩膜层。图3中示意性地示出了形成有掩膜层20的取向电工钢板10。掩膜层20的作用是在下述的酸洗步骤S40中避免钢板母材因酸而受到影响。此外，在下述的激光照射步骤S30中，只有在照射激光的部位上掩膜层20被去除，因此下述的酸洗步骤S40中只有去除掩膜层20的部分暴露于酸，进而从预制沟槽可形成深度更深的沟槽。
掩膜层20可包含铝、镁、锰或它们的氧化物或复合有机物。对形成掩膜层的方法没有特别限制，但是可通过涂覆包含铝、镁、锰或它们的氧化物的浆料形式的掩膜涂覆组合物后进行干燥的方式来形成掩膜层。
掩膜层20的厚度可为1μm至10μm。如果掩膜层20的厚度过薄，则下述的酸洗步骤S40中钢板母材受到酸的影响，进而钢板表面的粗糙度会上升，有可能对磁性产生不良影响。如果掩膜层20的厚度过厚，则下述的激光照射步骤S30中预制沟槽可能无法形成适当厚度。因此，可将掩膜层20的厚度控制在前述的范围内。
在本发明的一个实施例中，掩膜层20不会被清除，可以残留。残留的掩膜层20起到进一步赋予张力的作用。
接下来，在步骤S30中，向部分掩膜层照射激光束，以去除掩膜层20形成预制沟槽31于取向电工钢板10上。图4中示意性地示出了去除部分掩膜层20并形成预制沟槽31的取向电工钢板10。
在下述的酸洗步骤S40中，可通过酸洗形成深度更深的沟槽30。因此，在步骤S30中，可以较快的照射速度使用输出较低的激光束。具体地，激光束的输出可为1kW至3kW，照射速度可为70m/s至100m/s。如果激光束的输出过低或者照射速度过快，就不会形成具有适当深度的预制沟槽31。另外，如果激光束的输出过高或者照射速度过慢，则钢板大量熔化，可能会造成所产生的***32的尺寸变大或者产生大量的***32。因此，可将激光束的输出及照射速度控制在前述的范围内。
激光束的焦点位置和取向电工钢板10的表面之差可小于等于200μm。如果焦点偏离表面很多，则由于激光束的能量损失，无法适当地形成预制沟槽31的深度。
预制沟槽31的深度可为5μm至10μm。此时，预制沟槽31的深度是指从没有形成沟槽的取向电工钢板表面到沿着厚度方向(z方向)形成得最深的沟槽部分的长度。在本发明的一个实施例中，通过照射激光来形成预制沟槽31，然后在酸洗步骤S40中通过酸洗使预制沟槽31的深度形成得更深，可通过该方式迅速地形成具有特定形状的沟槽30。
对于激光束的照射形状，可根据所形成的预制沟槽31和沟槽30的形状进行照射。具体地，如图1中公开的，沟槽可形成为线状，而且沿着轧制方向(y方向)形成多个，可根据这种形状照射激光束。沟槽之间的间隔可为1mm至5mm。
另外，相对于钢板的宽度方向(x方向)，可以不连续地形成2个至6个沟槽，并且相对于轧制方向(y方向)呈82°至98°角，可根据这种形状照射激光束。
对激光束的种类没有特别限制，可使用单光纤激光(single fiber laser)。
接下来，在步骤S40中，对取向电工钢板10进行酸洗，以形成沟槽30。图5中示意性地示出了形成有沟槽30的取向电工钢板10。如前所述，本发明的一个实施例中在步骤S30通过照射激光来形成预制沟槽31，因此即使在步骤S40中酸洗的时间短，也能形成所需深度的沟槽30。此外，不同于一般通过照射激光来形成沟槽的方式，通过酸洗可在沟槽部分形成特定的表面粗糙度。另外，不同于一般通过蚀刻来形成沟槽的方法，在步骤S30中通过照射激光来形成预制沟槽31，从而可形成下宽较窄且深度较深的具有特定形状的沟槽。
在步骤S40中，不仅形成沟槽30，还可去除步骤S30中形成的部分***32。对于一般通过照射激光来形成沟槽的方式，为了去除***32，需要额外的工艺，但是本发明的一个实施例中无需任何额外的工艺，也能在形成沟槽30的过程中同时去除***32。去除部分***32是指所形成的多个***32中的一部分被去除或者高度较高的***32的一部分被去除而高度变低。这些***32有可能对电工钢板的表面性和磁性产生不良影响，因此有必要适当地去除。
酸洗中使用的酸洗液，其酸浓度可为30体积％至50体积％。如果酸浓度过低，就不会形成具有适当深度的沟槽30。如果酸浓度过高，则有可能发生沟槽30部分的表面粗糙度过于粗糙的问题。因此，可使用具有前述范围的浓度的酸洗液。
在酸洗步骤中，温度可为50℃至90℃。在适当的温度范围下，可进一步提高酸洗效率。
对酸洗液的种类没有特别限制，可使用普通的酸水溶液如盐酸、硫酸、氢氟酸等。
步骤S40中形成的沟槽30的深度D可为15μm至30μm。
在步骤S40之后，可根据需要进一步形成绝缘膜层。图6中示意性地示出了形成有绝缘膜层30的取向电工钢板10。如图6所示，绝缘膜层30形成在掩膜层20和沟槽30上。作为具体的方法，可通过涂覆包含磷酸盐的绝缘涂覆液的方式来形成绝缘膜层30。作为这种绝缘涂覆液，优选使用包含胶态二氧化硅和金属磷酸盐的涂覆液。此时，金属磷酸盐可以是Al磷酸盐、Mg磷酸盐或它们的组合，并且相对于绝缘涂覆液的重量，Al、Mg或它们的组合的含量可大于等于15重量％。
根据本发明的一个实施例的取向电工钢板10，其包含：沟槽30，其从电工钢板的表面向电工钢板的内部方向形成；以及掩膜层20，其形成在电工钢板的表面上，沟槽30部分的表面粗糙度为0.1Ra至0.7Ra。关于取向电工钢板10、掩膜层20及沟槽30，在前述的磁畴细化方法中已经详细描述过，因此省略重复的描述。
图7是图6中的沟槽30部分的放大图。如图7所示，沟槽30部分上会形成粗糙度。这样的粗糙度是因酸洗步骤S40中的酸洗而形成。不同于一般通过激光照射或蚀刻形成沟槽的方法，沟槽30部分的粗糙度形成得粗糙。当适当地形成沟槽30部分的粗糙度时，将会改善占空比，并且具有改善磁性的效果。此外，当形成绝缘膜层40时，可提高电工钢板10和绝缘膜层40之间的附着性。当沟槽30部分的粗糙度过大时，有可能在与绝缘膜层40的反应和接触方面发生问题。在本发明的一个实施例中，粗糙度是指按照JIS97方法测定的粗糙度。
沟槽30在沟槽深度1/2处的沟槽宽度Wb与在电工钢板表面的沟槽上宽Wa之比(Wb/Wa)可为0.3至0.8。图8中示出了在电工钢板表面的沟槽上宽Wa和在沟槽深度1/2处的沟槽宽度Wb。在沟槽深度1/2处的沟槽宽度Wb与在电工钢板表面的沟槽的上宽Wa之比(Wb/Wa)越接近1，将会形成宽度之差越小的沟槽，当使用一般的蚀刻方法时，将会形成这种形式的沟槽。在沟槽深度1/2处的沟槽宽度Wb与在电工钢板表面的沟槽上宽Wa之比(Wb/Wa)越接近0且深度越深，将会形成宽度急剧变窄的沟槽，宽度Wb越窄以及深度越深，在磁性和占空比方面可进一步得到改善。
沟槽30的深度D可为15μm至30μm。如果深度D较浅，则有可能不会产生充分的磁畴细化效果。如果深度过深，则热影响部位增加，有可能对高斯织构(Goss Texture)的生长产生不良影响。
所述取向电工钢板还可包含形成在掩膜层20和沟槽30上的绝缘膜层40。关于绝缘膜层40，上面已经详细描述过，因此省略重复的描述。
下面通过实施例进一步详细描述本发明。然而，下述实施例只是用于例示本发明，本发明不限于下述实施例。
实施例1：形成预制沟槽
准备经过冷轧的厚度为0.20mm的取向电工钢板。该电工钢板表面上涂覆MgO和水以1:1的重量比混合而成的涂覆液后，在100℃下进行干燥而形成厚度为5μm的掩膜层。将具有整理于下表1中的输出的单光纤激光以整理于下表1中的照射速度进行照射。此时，钢板的移动速度也整理于下表1中。此外，激光束的焦点位置和取向电工钢板表面的间隔整理于下表1中。将通过激光照射来形成的预制沟槽的宽度和深度整理于下表1中。预制沟槽的宽度是指在钢板表面上的宽度。
[表1]
Figure BDA0002101551780000101
实施例2：形成沟槽
对发明例1至7中形成预制沟槽的钢板用具有整理于下表2中的浓度的盐酸进行酸洗，酸洗时间整理于下表2中。最终制成的沟槽的上宽Wa为120μm保持一定。将沟槽的深度D、在1/2深度的中宽Wb、上宽与中宽之比(Wb/Wa)、沟槽部分的粗糙度整理于下表2中。粗糙度采用JIS97标准。
[表2]
Figure BDA0002101551780000102
对比例1：由蚀刻法形成沟槽
准备经过冷轧的厚度为0.20mm的取向电工钢板。该钢板的表面上涂覆形成图案化成沟槽形状的光刻胶层，并在NaCl电解浴中以30A/dm2的电流密度进行电解蚀刻形成沟槽，从而形成了整理于下表3中的沟槽。最终制成的沟槽的上宽Wa为120μm保持一定。将沟槽的深度D、在1/2深度的中宽Wb、上宽与中宽之比(Wb/Wa)、沟槽部分的粗糙度整理于下表3中。
对比例2：通过激光照射形成沟槽
准备经过冷轧的厚度为0.23mm的取向电工钢板。向该钢板的表面以100m/s的速度照射输出为2kW的激光束，从而形成沟槽。最终制成的沟槽的上宽Wa为120μm保持一定。将沟槽的深度D、在1/2深度的中宽Wb、上宽与中宽之比(Wb/Wa)、沟槽部分的粗糙度整理于下表3中。
[表3]
分类 沟槽深度(μm) 沟槽中宽(μm) W<sub>b</sub>/W<sub>a</sub>比 粗糙度(μm)
对比例1 20 110 0.91 0.2
对比例2 20 50 0.42 0.16
实施例3：形成绝缘膜层以及测定磁性、占空比
将包含胶态二氧化硅和金属磷酸盐的绝缘涂覆液涂覆在发明例8至17及对比例1和2中形成沟槽的取向电工钢板上并进行热处理，从而在钢板的表面上形成绝缘膜层，并且测定出磁性和占空比后整理于下表4中。
对于铁损改善率，对照射激光形成沟槽之前的电工钢板的铁损(W1)和照射激光形成沟槽之后的铁损(W2)进行测定后，通过(W1-W2)/W1来计算出铁损改善率。
对于占空比，将60mm×300mm的试样叠放14张后，通过计算相对于总体面积的铁面积来测定出占空比。
[表4]
分类 铁损改善率(％) 占空比(％)
发明例8 7 96.2
发明例9 6 95.8
发明例10 7 96.4
发明例11 6 96.5
发明例12 5 95.9
发明例13 10 97.7
发明例14 10 96.8
发明例15 9 97.2
发明例16 10 97.3
发明例17 10 97
对比例1 4 95
对比例2 6 97
如上表4所示，与通过现有的普通蚀刻法和激光照射法形成沟槽的对比例1和对比例2相比，发明例8至17可获得明显优异的铁损改善率和占空比。进一步地，将沟槽形状控制成特定形状的发明例13至17可获得更优异的铁损改善率和占空比。
本发明能以各种不同方式实施并不局限于所述的实施例，本发明所属领域的普通技术人员可以理解在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下通过其他具体方式能够实施本发明。因此，应该理解上述的实施例是示例性的，而不是用来限制本发明的。
附图标记说明
10：电工钢板 20：掩膜层
30：沟槽 31：预制沟槽
32：*** 40：绝缘膜层

Claims (11)

1.一种取向电工钢板的磁畴细化方法，其包含：
准备取向电工钢板的步骤；
在所述取向电工钢板的表面上形成掩膜层的步骤；
向部分所述掩膜层照射激光束以去除掩膜层形成预制沟槽于所述取向电工钢板上的步骤；
对所述取向电工钢板进行酸洗以形成沟槽的步骤；以及
形成绝缘膜层于所述掩膜层和所述沟槽上面的步骤，
所述沟槽部分的表面粗糙度为0.1μm至0.7μm；
所述掩膜层包含铝、镁、锰或它们的氧化物。
2.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
所述掩膜层的厚度为1μm至10μm。
3.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
所述激光束的输出为1kW至3kW，照射速度为70m/s至100m/s。
4.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
所述激光束的焦点位置和取向电工钢板的表面之差小于等于200μm。
5.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
所述预制沟槽的深度为5μm至10μm。
6.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
在所述形成沟槽的步骤中，部分***被去除。
7.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
在所述形成沟槽的步骤中，酸洗液的酸浓度为30体积％至50体积％，温度为50℃至90℃。
8.根据权利要求1所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，
在所述形成沟槽的步骤中，沟槽的深度为15μm至30μm。
9.一种取向电工钢板，其包含：
沟槽，其从电工钢板的表面向电工钢板的内部方向形成；
掩膜层，其形成在所述电工钢板的表面上；以及
绝缘膜层，其形成在所述掩膜层和所述沟槽上，
所述沟槽部分的表面粗糙度为0.1μm至0.7μm，
所述掩膜层包含铝、镁、锰或它们的氧化物。
10.根据权利要求9所述的取向电工钢板，其中，
所述沟槽在沟槽深度1/2处的沟槽宽度Wb与在所述电工钢板表面的沟槽上宽Wa之比Wb/Wa为0.3至0.8。
11.根据权利要求9所述的取向电工钢板，其中，
所述沟槽的深度为15μm至30μm。
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