CN112313358A - 磁特性优异的方向性电磁钢板 - Google Patents

Abstract

本发明提供在不使磁通密度劣化的情况下显著改善了铁损特性的方向性电磁钢板。一种方向性电磁钢板，其以质量％计Si：2.5～3.5％，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成，板厚为0.18～0.35mm，最终退火后的金属组织包含高斯取向二次再结晶粒的基体晶粒，该基体中存在的长径为5mm以下的高斯取向晶粒在上述金属组织中的存在频率为1.5个/cm²～8个/cm²，磁通密度B8为1.88T以上，在上述长径为5mm以下的高斯取向晶粒的取向中，上述高斯取向晶粒的<100>取向与轧制方向的偏离角度以α角度及β角度的单纯平均计分别为7°以下及5°以下。α角度：长度方向(轧制方向)与将高斯取向晶粒的[001]轴和其取向投影于试样轧制面表面而得到的方向之间的角度。β角度：高斯取向晶粒的[001]轴与轧制面所成的角度。

Description

磁特性优异的方向性电磁钢板

技术领域

本发明涉及在二次再结晶前后不人为地实施磁畴细分化、而是形成对于金属组织而言优选的大小被限定的高斯(Goss)取向的晶粒来进行磁畴细分化、具有良好的铁损特性的方向性电磁钢板。

背景技术

方向性电磁钢板主要作为变压器的铁芯材料被广泛使用，其特性根据铁损和磁通密度来分等级，铁损越少、磁通密度越高，则价值越大。一般而言，存在如果提高磁通密度则二次再结晶粒径变大、因此铁损劣化这样此消彼长的关系，以前的品质改善技术的方向是：在二次再结晶后应用人为地缩窄磁畴宽度的手段来使铁损降低。例如，在专利文献1中公开了一种技术，其通过激光照射来控制磁畴宽度。然而，该磁畴控制由于没有耐热性，因此不适于实施消除应变退火的用途，专利文献2的具有热稳定性的磁畴控制法正被实用化。另外，在专利文献3中开发了一种方法，其在二次再结晶前实施处理而将二次再结晶粒的磁畴细分化，该方法正被实用化。它们虽然磁畴的细分化的效果是优异的，但必须要多余的工序，存在下述课题：成本提高、生产量的限制、磁性的导入比例(成品率)降低、绝缘被膜的破坏及需要修复(再涂布)等。

另外，就以往的认识而言，虽然能够使方向性电磁钢板的粒径为数厘米左右的二次再结晶粒中混杂比较小的晶粒，但在这种情况下，该小晶粒的取向较大地偏离于所谓高斯取向({110}<001>)，磁特性劣化，因此未达到实用化。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭55-018566号公报

专利文献2：日本特开昭61-117218号公报

专利文献3：日本特开昭59-197520号公报

专利文献4：日本特公昭33-004710号公报

专利文献5：日本特开昭59-056522号公报

专利文献6：日本特开平09-287025号公报

专利文献7：日本特开昭58-023414号公报

专利文献8：日本特开2000-199015号公报

专利文献9：日本特公平6-80172号公报

非专利文献

非专利文献1：野泽忠生：东北大学学位论文：博士论文1979年

非专利文献2：美国专利1965559号公报

发明内容

发明所要解决的课题

就方向性电磁钢板而言，如果采用使磁通密度变得良好的工序条件(例如高冷轧率)，则虽然在一次再结晶织构中高斯取向晶粒的高斯取向变得尖锐，但高斯取向晶粒的存在频率变小，其结果是二次再结晶粒径变大，异常涡流损耗增大从而铁损劣化。即，虽然磁通密度变高(变大)，但铁损劣化。这是由于：虽然磁滞损耗改善，但磁畴宽度变宽，异常涡流损耗变大(增加)，总铁损劣化。另外，就以往的技术而言如果使二次再结晶组织中存在微细晶粒，则该微细晶粒的取向较大地偏离或偏差于高斯取向，因此磁特性未被改善。因此，在实际的工业生产中因为要确保高磁通密度，因此二次再结晶粒不得不变大，于是必须采用通过人工的附加性磁畴控制方法来改善铁损的方法。人工的附加性磁畴控制方法的一个例子是张力赋予绝缘皮膜的涂布，实际上，大多数电磁钢板是以该方法来生产的。但是，这样一来，在以往方法中，工序增加从而成本提高或因绝缘皮膜的破坏而产生层间电阻的劣化，而且铁损提高有限制，要求其改善。

本发明的目的是提供在不使磁通密度劣化的情况下通过使二次再结晶组织中存在高斯取向的微细晶粒从而显著改善了铁损的方向性电磁钢板。以下，将二次再结晶组织中存在的该高斯取向的微细晶粒称为“芝麻粒”。本发明中，芝麻粒是指长径为5mm以下的粒子。

用于解决课题的手段

(1)一种方向性电磁钢板，其特征在于，其是以质量％计Si：2.5～3.5％、剩余部分由Fe及不可避免的元素构成、板厚为0.18～0.35mm的方向性电磁钢板，

最终退火后的金属组织包含高斯取向二次再结晶粒的基体晶粒，

该基体晶粒中存在的长径为5mm以下的高斯取向晶粒在上述金属组织中的存在频率为1.5个/cm²～8个/cm²，磁通密度B8为1.88T以上，上述高斯取向晶粒的[001]方向与轧制方向的偏离角度以α角度及β角度的单纯平均计分别为7°以下及5°以下。

其中，α角度、β角度表示下述含义。

α角度：长度方向(轧制方向)与将高斯取向晶粒的[001]磁畴和其取向投影于轧制面表面而得到的方向之间所成的角度；

β角度：高斯取向晶粒的[001]轴与轧制面所成的角度。

发明效果

通过使二次再结晶组织中以特定的频率存在高斯取向的微细晶粒，能够获得在不使磁通密度劣化的情况下改善了铁损的方向性电磁钢板。

附图说明

图1是以3个角(α、β、γ角)表示方向性电磁钢板的3个方向(轧制、轧制面法线、钢板宽度方向)与高斯取向的三维角度关系的图。

图2是表示长径为5mm以下的尖锐的高斯取向的微细晶粒(芝麻粒)的晶体取向的例子的图。

图3是表示尖锐的高斯取向的微细晶粒(芝麻粒)的长轴尺寸及芝麻粒的存在密度与铁损(W17/50)的关系的图。

图4是表示二次再结晶宏观组织的图。下图表示本发明钢，上图表示以往的钢。

图5是表示尖锐的高斯取向的微细晶粒(芝麻粒)的密度与铁损及磁通密度的关系的图。

图6是表示尖锐的高斯取向的微细晶粒(芝麻粒)的取向与铁损的关系的图。

图7是电磁钢板(无张力赋予绝缘被膜)的铁损W17/50的等高线图。

具体实施方式

本发明的方向性电磁钢板是基于本发明的发明者们为了解决上述的课题而反复进行深入研究而得到的钢板，其是下述方向性电磁钢板：其金属组织由大的尖锐的高斯取向二次再结晶粒(以下称为“基体晶粒”)构成，使该大的二次再结晶粒(基体晶粒)中存在长径为5mm以下的同样尖锐的高斯取向的微细晶粒(以下称为“芝麻粒”)，改善大的二次再结晶粒(基体晶粒)中的磁畴结构，在不使磁通密度降低的情况下改善了铁损。换言之，也可以说基体晶粒与芝麻粒是处于海与岛的关系。即，在作为海的基体晶粒中存在作为岛的芝麻粒。在现有技术(例如，专利文献9)中公开了一种电磁钢板，其具有粒径大的粒子与粒径小的粒子混在一起的组织。然而，需要留意的一点是，就该现有技术而言，是在大粒子的晶界处存在小粒子，并非是在大粒子(基体晶粒)之中存在小粒子(芝麻粒)的海岛的结构。另外，还需要留意的一点是，本发明的电磁钢板具有在大粒子(基体晶粒)之中存在小粒子(芝麻粒)的海岛的结构，但也不否定小粒子存在于大粒子的晶界处。另外，基体晶粒的长径至少超过5mm，这是由于包含长径为5mm以下的芝麻粒。基体晶粒为二次再结晶粒，也可以具有数cm左右的粒径、例如约1cm～10cm的粒径。

另外，在本发明的方向性电磁钢板的表面也可以存在以镁橄榄石为主的玻璃被膜。另外，在其上也可以涂布张力被膜。

以下叙述详细内容。

<晶体取向>

首先，对方向性电磁钢板的二次再结晶粒的取向进行叙述。方向性电磁钢板有效利用二次再结晶现象而形成巨大的高斯取向晶粒。该高斯取向以成为{110}<001>的指数来表示。而且，方向性电磁钢板的高斯取向集中度大大依赖于结晶晶格的<100>取向与轧制方向的偏离。具体而言，如图1中所示的那样，偏离角度以三维空间中的3个角来规定，α、β、γ的角通过下述来定义(非专利文献1)。

α：长度方向(轧制方向)与将高斯取向晶粒的[001]轴和其取向投影于试样轧制面表面而得到的方向之间的角度(或者，[001]方向的绕轧制面法线轴的旋转角度。)

β：高斯取向晶粒的[001]轴与轧制面所成的角度。

γ：试样表面(与轧制方向垂直的截面)中的绕高斯取向晶粒的[001]轴的旋转角度。

由于像这样α和β角包含从轧制方向或试样表面起的与高斯取向晶粒的[001]轴的偏离或偏差，因此如果该偏离或偏差变大，则高斯取向晶粒的易磁化轴[001]较大地偏离或偏差于轧制方向，轧制方向的磁特性低劣。与此相对应地，γ角为绕高斯取向晶粒的[001]轴(易磁化轴)的角度，因此不会对磁通密度造成不良影响。反而可以说γ角越大则磁畴细分化效果越大，这是优选的。

这里，方向性电磁钢板的结晶晶格为体心立方晶。[]、()表示独特的方向和面法线方向，<>、{}表示立方晶的等价的取向和面法线取向。另外，在图1中，以与高斯取向相关的右手系坐标系来定义独特的[100]、[010]、[001]方向。进而，关于“方向”，将独特的情况设定为“方向”，将等价的情况设定为“取向”。

图2中示出了芝麻粒的{200}极点图的例子。(2A)是通过后述的轧制形状比低于7的以往的方法来制造的情况，(2B)是本发明的电磁钢板的例子。上述两者都为长径为5mm以下的晶粒的取向测定值，(2B)的铁损极为良好。

<成分组成>

以下，对成分组成进行说明。以下，“％”是指“质量％”。

Si：2.5～3.5％

Si是增大电阻系数、有助于铁损特性的提高的元素，如果低于2.5％，则电阻系数变小从而铁损劣化。如果Si多于3.5％，则在制造工序中特别是在轧制中断裂频发从而实际上无法进行商业生产。

方向性电磁钢板所需的成分为Fe和Si，以下对不可避免地存在的剩余部分的元素进行叙述。

作为最终在除表面以外的钢板本体中不可避免地含有的元素，有Al、C、P、Mn、S、Sn、Sb、N、B、Se、Ti、Nb、Cu等，它们被区分为在工业生产中不可避免地混入的元素和为了引起方向性电磁钢板的二次再结晶而人为地添加的元素。而且，这些不可避免的元素在最终制品中是不需要的，或者优选为少。

C为了织构改性在制造工序中是必要的。但是，为了防止磁时效，要求在最终制品中是少的，其优选的上限为0.005％以下，更优选为0.003％以下。

作为虽然不产生磁时效但被人为地添加并在最终制品中为不需要的元素，有P、N、S、Ti、B、Nb、Se等。它们的上限也优选为0.005％以下，更优选为0.0020％以下。Al由于以莫来石的形式存在于玻璃被膜中，因此未必不需要。

Al、Mn、Sn、Sb、Cu为金属元素，有不可避免地存在者和有意图地添加者，在最终制品中也残存。它们也是由于使饱和磁通密度降低，因此较少为宜，但在实机中的制造上，必然可以允许最大残存0.01％左右。实际的含量也可以依赖于其制造工艺来进行调整。

本发明的方向性电磁钢板以及用于制造它的板坯等中的各元素的含量根据元素的种类，可以使用一般的方法通过一般的测定条件来进行测定。

<成品厚度>

制品厚度在实际的生产中为0.18mm以下。虽然比0.18mm薄的钢板可以生产，但在轧机的辊径大的情况下，无法在充分满足厚度精度(板厚变动为5％以下)的同时进行轧制。由于方向性电磁钢板的绝对值铁损变大，因此厚度的上限设定为日本工业标准的上限的0.35mm以下。另外，就本发明的技术而言，存在微细二次再结晶粒且磁通密度B8为1.88T以上是根本。

<晶粒>

如熟知的那样方向性电磁钢板的铁损包含磁滞损耗、经典的涡流损耗、异常涡流损耗。

经典的涡流损耗由于较大依赖于电阻系数、板厚，因此即使二次再结晶粒径不同，在Si含量、板厚相同的情况下也认为相同。

磁滞损耗和异常涡流损耗较大依赖于二次再结晶粒径(准确而言为晶界面积)。如果晶界面积大则磁滞损耗变大，磁滞损耗不会因芝麻粒(晶界面积小)而增大。另一方面，方向性电磁钢板的铁损不仅依赖于粒径，还依赖于晶粒内的磁畴结构，更具体而言，本发明人发现：通过存在尖锐的高斯取向的芝麻粒，可获得使大的晶粒(基体晶粒或非芝麻粒)的磁畴宽度变得狭窄的效果。换言之，据认为：仅是大的二次再结晶高斯粒，则该晶粒内的磁畴宽度必然变宽，异常涡流损耗增加，但通过存在取向良好的(尖锐的高斯取向的)芝麻粒，大的晶粒内的磁畴宽度被窄化(磁畴细分化)，异常涡流损耗得以改善。像这样通过芝麻粒可获得磁畴细分化效果，另一方面，由于芝麻粒而导致磁滞损耗增加的效果令人担忧，但目前，对于两者的定量比较和说明是困难的。但是，据推定：本发明中由于芝麻粒取向良好，因此该劣化少。另外，由于认为通过芝麻粒的磁畴细分化效果而被改善的异常涡流损耗与磁畴壁移动速度的二次方成正比，移动速度与移动距离近似地成正比，因此认为在晶体取向相同的情况下结晶粒径越小(移动距离越短)则变得越小，即异常涡流损耗的降低效果越大。

如本发明那样芝麻粒的取向与粗大晶粒(基体晶粒)为同等的情况下，即使芝麻粒的存在密度相当大，由于磁畴细分化效果而总铁损也变得良好。表示其存在密度和大小的限定理由的是图3。将芝麻粒的长径限定为5mm以下是由于：如果长径变得大于5mm则β角变大。其结果是，如图3中所示的那样，铁损劣化。目前，β角变大的理由并不清楚。

另外，将金属组织中的芝麻粒的个数密度设定为1.5个/cm²以上也是因为如图3中所示的那样，铁损良好。大概而言，个数密度越高则铁损越良好，更优选的个数密度也可以设定为2.0个/cm²以上。将芝麻粒的上限设定为8个/cm²是由于：超过8个/cm²时目前无法在商业上生产具备具有良好的高斯取向的二次再结晶组织的电磁钢板。

图3是汇总了Si含量为3.25～3.40％、板厚为0.27mm的方向性电磁钢板为1.91～1.94T的磁通密度B8的情况的数据(芝麻粒的密度、芝麻粒的长径、铁损(W17/50)的图。另外，所谓铁损(W17/50)是指在最大磁通密度为1.7T、频率为50Hz时产生的铁损。

<芝麻粒的密度>

芝麻粒的密度根据图3及图5可知，下限为1.5个/cm²，上限为芝麻粒占金属组织整体的一半从而二次再结晶变得不良的8个/cm²。

芝麻粒为长方形，如果将其每一边的平均长度设定为2.5mm，则芝麻粒的平均面积成为2.5×2.5＝6.25mm²/个。另外，如果金属组织100mm²(1cm²)的一半设定为芝麻粒所占的面积则成为50mm²。因此，芝麻粒占金属组织整体的一半的情况下的芝麻粒的密度成为50mm²/6.25mm²/个＝8个。如果芝麻粒的密度处于8个/cm²以上，则因二次再结晶不良而无法成为商业制品。芝麻粒的密度是通过对包含板厚全厚的与轧制方向平行的钢板截面进行目视或放大镜观察来测定。

<α角度、β角度>

由图6可确认：在α角度、β角度分别为7°以下、5°以下的情况下铁损良好(优选铁损为0.93以下)。该差异如下考虑。据推定：在α和β中，就从高斯取向向难磁化轴的旋转角度(距离)而言，α较大，因此非微细晶粒(基体晶粒)内的磁畴细分化效果大，在宽泛的旋转角范围内该效果是有效的。如果超过这些上限，则频繁地产生从高斯取向的偏离或偏差变大而磁通密度变得低于1.88T。

另外，晶体取向通过单晶取向测定Laue法来测定。在Laue法中对各晶粒的中心区域照射X射线来对每各个晶粒进行测定。

<制造方法>

对用于获得具有本特性的方向性电磁钢板的方法进行说明。

作为本发明的对象的电磁钢板与日本工业标准JIS C 2553(方向性电磁钢带)中规定的内容有关，主要作为变压器用铁心来使用。在该标准中，作为其制造方法，公开并实现了多个方法。其起源追溯至N.P.Goss的非专利文献2，记载于之后的专利文献4、专利文献5等诸多发明的说明书中。本发明的电磁钢板涉及其中以AlN作为主要抑制剂的方向性电磁钢板，最终冷轧率超过80％，作为相关的技术例，可列举出专利文献6、专利文献7、专利文献8。

具体而言，准备板坯，该板坯中例如作为板坯成分，以重量比(质量％)计含有C：0.035～0.075％、Si：2.5～3.50％、酸可溶性A1：0.020～0.035％、N：0.005～0.010％、S、Se中的至少1种：0.005～0.015％、Mn：0.05～0.8％、根据需要Sn、Sb、Cr、P、Cu、Ni中的至少1种：0.02～0.30％、剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。将该板坯在低于1280℃的温度下加热，进行热轧，进行热轧板退火，进行夹有中间退火的一次以上的冷轧，在脱碳退火后使带钢移动的状态下在氢、氮、氨的混合气体中进行氮化处理。另外，在将板坯加热温度设定为1280℃以上的情况下，也可以不进行氮化处理。接着，涂布以MgO作为主要成分的退火分离剂来实施最终成品退火。之后的最终冷轧通过可逆轧制来进行。以下述事项作为基础来制造：该冷轧机的工作辊半径R(mm)为130mm以上，在多道次内的至少3次的道次中将钢板在150℃～300℃下保持1分钟以上，进而，上述多道次内的2道次以上的轧制形状比设定为7以上。图7是制品厚度为0.27mm的电磁钢板(无张力赋予绝缘被膜)的铁损W17/50的等高线图，横轴为冷轧期间的钢板保持温度，纵轴为冷轧的道次次数。根据图7可知，在保持温度为150℃以上、道次次数为2～3以上时，观察到铁损良好的区域，基于此来决定用于获得上述的本发明的电磁钢板的最终冷轧的工艺条件。另外，在图7中，使用了未涂布张力赋予绝缘被膜的钢板，与后述的实施例所涉及的表1、表2的相同厚度的钢板相比铁损差。

从现实的工艺这样的观点出发，如果不是可逆轧制，则难以将钢板在150～300℃下确保1分钟以上3道次以上，实质上在本发明的钢板的最终冷轧工序中采用可逆轧制。

进而，这里，轧制形状比m由下述式子来定义。

[数学式1]

R：辊半径(mm)、H1：入侧板厚(mm)、H2：出侧板厚(mm)

虽然并不期望拘束于特定的理论，但通过以上述的制造条件、特别是最终冷轧中的温度、道次次数、及轧制形状比来进行制造，能够使大的尖锐的高斯取向二次再结晶粒(基体晶粒)中以特定的频率存在长径为5mm以下的同样尖锐的高斯取向的微细晶粒(芝麻粒)。据认为：由于该金属组织改善大的二次再结晶粒中的磁畴结构，因此能够获得在不使磁通密度劣化的情况下改善了铁损的方向性电磁钢板。

实施例

<实施例1>

表1示出了将钢板中含有的Si设定为2.45～3.55％、按照上述的工艺条件生产的方向性电磁钢板的结果。另外，就一部分比较例而言，以Si含有率为本发明的范围外或不满足上述的工艺条件(特别是轧制形状比为7以上的道次次数)的条件制造了方向性电磁钢板。芝麻粒的存在频率为本发明范围的发明例A1～A7的铁损良好，与此相对，芝麻粒的存在频率为本发明范围外的比较例a1～a5的铁损差或无法成为制品。另外，铁损存在伴随着板厚的增加而劣化的倾向。发明例A4的铁损看起来差是由于板厚较厚。另外，就发明例A1～A7而言，如图4的观察照片所示的那样，确认了在大的基体晶粒中存在芝麻粒。

表1所得到的方向性电磁钢板的磁特性等结果

*1:长径为5mm以下的尖锐的高斯取向的微细晶粒

<实施例2>

表2示出了长径为5mm以下的芝麻粒的存在频率、取向与磁特性的关系，其是基于日本特公昭60-48886号公报将板坯加热温度设定为1350℃、未实施氮化、最终冷轧以上述的工艺条件来制造的钢板的结果。轧制形状比为7以上的道次次数如备注栏中记载的那样。制品厚度为0.27mm。在该范围内时，芝麻粒的存在频率越大或者偏离角度α、β的合计越小，则磁通密度越不会劣化从而铁损越良好。另外，就发明例B1～B4而言，也是如图4的观察照片所示的那样，确认了在大的基体晶粒中存在芝麻粒。

表2芝麻粒的存在频率、取向与磁特性的关系

*1：长径为5mm以下的尖锐的高斯取向的微细晶粒

*2：从压制方向或试样表面起的高斯取向晶粒的[001]轴方向的偏离角度。

Claims (1)

1.一种方向性电磁钢板，其特征在于，其是以质量％计Si：2.5～3.5％、剩余部分由Fe及不可避免的元素构成、板厚为0.18～0.35mm的方向性电磁钢板，

最终退火后的金属组织包含高斯取向二次再结晶粒的基体晶粒，

该基体晶粒中存在的长径为5mm以下的高斯取向晶粒在所述金属组织中的存在频率为1.5个/cm²～8个/cm²，磁通密度B8为1.88T以上，

所述高斯取向晶粒的[001]方向与轧制方向的偏离角度以α角度及β角度的单纯平均计分别为7°以下及5°以下，

其中，α角度、β角度表示下述含义，

α角度：长度方向(轧制方向)与将高斯取向晶粒的[001]轴和其取向投影于轧制面表面而得到的方向之间的角度；

β角度：高斯取向晶粒的[001]轴与轧制面所成的角度。

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