專利名稱：通過激光處理改善晶粒定向電工硅鋼片的磁學特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過激光劃線(scribe)改善晶粒定向電工硅鋼片的磁學特性的方法，更具體而言，涉及為了改善未經(jīng)處理的鋼片的感應特性、損耗以及磁致伸縮，對終退火后的鋼片進行輻射的方法。
在非磁化狀態(tài)下，磁矩的矢量和為零，在外加場里，初始磁化基本上通過疇壁的移動產(chǎn)生，該疇壁優(yōu)先與外加場同向，以減少能量并通過其它疇的壁作180°的側(cè)向移動而生長。較高的疇壁可動性使得磁化較為容易，因此疇壁的移動需要較少的能量。與疇壁的180°移動相關(guān)的能量的損耗由于電動勢而產(chǎn)生，該電動勢由于與該移動相反的疇壁的移動而產(chǎn)生。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種損耗的成分和180°壁之間的距離與鋼片厚度之間的比成比例。且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，損耗也取決于鋼片晶粒尺寸以及晶粒相對于鋼片表面的晶格方向。
因此，最明顯且最直接的選擇包含具有高度定向的晶粒的硅鋼片，該硅鋼片具有給定的晶粒尺寸以及低的厚度。
至今仍在進行的努力已經(jīng)產(chǎn)生出色的結(jié)果，從制造的觀點看，這些結(jié)果不能通過可以想見的方法得到進一步的提高。特別地，可以發(fā)現(xiàn)晶粒的優(yōu)選尺寸在4mm左右，當考慮到鋼片的厚度時，該尺寸低于某值對于該方法的成本是不合適的，并且，由于鋼片體積與所需絕緣涂層體積的比率(稱為“距離因素”)降低太多，因此磁芯中相當多的部分會被絕緣涂層占據(jù)。
因此，已考慮影響磁芯損耗的其它因素，尤其是與磁疇尺寸有關(guān)的因素。
首先，已發(fā)現(xiàn)對鋼片施加拉力，就會在鋼片平面上引起各向異性，當存在這些材料(高斯結(jié)構(gòu))的典型結(jié)構(gòu)時，就會增加平行于軋制方向的結(jié)晶方向<100>和垂直于軋制方向的方向<011>之間的磁化能差異。因此，靜磁能與有利于疇壁能的疇壁移動的靜磁能之間的平衡使得大量疇壁的形成變得較薄且較近。通過這種方法，會使得影響總損耗值的渦流大幅減少。因此，已發(fā)展了可以實現(xiàn)這種改善的張力絕緣涂層。
但是，自從1924年，已提出這種張力也可以通過產(chǎn)生局部壓縮微應力而獲得，根據(jù)這個觀點，提出了對鋼片進行噴丸處理或用鉆頭(drill)、刀口(blade)或者帶有浮凸物(relieve)的軋輥(roll)進行機械劃線，雖然這種方法有效并且可以改善高溫下抗熱處理的能力，但具有以下缺點從加工的角度來看難以應用，并且破壞了鋼片的絕緣層，使得暴露部分迅速氧化，因此需要另外的絕緣涂層，并且在劃線或壓縮區(qū)的邊緣形成粘附物(bur)或者浮凸物(relieve)，就會降低磁芯的間距值，使得短路更加頻繁。
下一步與用激光束、電子束和等離子等形式的聚集能量脈沖對鋼片表面處理有關(guān)。
J.W.Schoen A.L.Hollen的題目為“定向電工鋼的疇細化從早期開始到現(xiàn)有的技術(shù)”的文章清楚地說明了在這個主題上包括第一次實驗的所有結(jié)果，特別說明了激光劃線處理，該文章在1986年10月4-9日在佛羅里達的奧蘭多召開的“1986 ASM材料周會”上發(fā)表。
在該文中，圖7至9連同文中與其相關(guān)的討論，說明了通過細化磁疇獲得的改善與激光處理后的磁致伸縮條件有關(guān)，因為磁致伸縮變化表明在激光處理的區(qū)域中引起的非180°壁比例的數(shù)量測量(quantitativemeasure)；最好的細化疇結(jié)果在磁致伸縮增加時得到。這種情況也可以在其它文件中發(fā)現(xiàn)；例如在歐洲專利No.87587中通過激光束對電磁鋼片的輻射方法，該專利優(yōu)先日為1980年1月25日。該發(fā)明包含在激光處理后對鋼片施加液體涂層劑(liquid coating agent)以及在低于600℃的溫度下將該涂層進行退火。該溫度的限制是由于，在高于500-600℃的溫度下激光型處理導致的損耗的改善就會徹底消失。該專利說明激光處理的效果不僅為了降低損耗，還為了改善磁致伸縮；但是在這一方面，沒有給出所得到的結(jié)果的可信服的實證；實事上，表1表明與磁致伸縮有關(guān)的測量是在17kg的力學載荷下以尺寸變化的形式給出，該表是唯一給出了磁致伸縮評估的表。因此，在這點上，必須指出，眾所周知的是，力學牽引改善了磁致伸縮。并且，從報道的數(shù)據(jù)中，可以注意到當考慮到磁致伸縮時，根據(jù)該發(fā)明的結(jié)果低于僅施加最終的絕緣涂層而不用激光處理的結(jié)果。因此，激光處理的僅有的優(yōu)點是為了改善總磁芯損耗的值。
在1994年8月24號提出申請的第611829號歐洲專利，涉及為了獲得具有在形狀和聲發(fā)射性能得到改善的產(chǎn)品(變壓器的磁芯)，對電工定向晶粒鋼片表面進行的電子束處理。該專利包含用沿連續(xù)或者不連續(xù)曲折路徑輸送到鋼片上的電子束對具有最終絕緣涂層的鋼片進行輻射，以使電子束徑跡對應于曲折路徑的頂峰(apexe)。并且，在這種方法中，由于涉及磁致伸縮(激勵功率及噪聲)的值可以與未處理的條帶相比，所獲得的改善僅與損耗有關(guān)，并且它們僅對于電子束的線型輻射處理的條帶才是較好的。另一涉及電子束使用的缺點包含必須在高真空下進行操作，這在連續(xù)處理車間里是很難獲得的昂貴條件。最后，必須注意的是，在該文件中，最好的結(jié)果是當通過電子束處理條帶的處理溫度在600-800℃之間時獲得的，從所周知，在這樣的溫度下由處理引起的微應力而獲得的益處就喪失了。因此可以推論出，在該文件中所獲得的改善基本上是由于最終絕緣涂層的張力效果引起的，由于通過電子束刻于玻璃膜上的槽，該效果較好與鋼片有關(guān)。
目前技術(shù)說明了對定向晶粒硅鋼片進行的激光或電子束輻射處理是如何在損耗的普通特性方面導致有效的提高，如果考慮磁致伸縮及噪聲，結(jié)果至少可以與那些通過沒有表面輻射的普通處理方法獲得的結(jié)果相比。并且，必須考慮到激光或者電子束車間具有非常高的資金及運行成本，因此，它們不能僅與損耗的提高有關(guān)就被證明是正確的。
因此，本發(fā)明的領(lǐng)域是為了獲得對磁學定向晶粒鋼片的激光處理，該處理可以絕對提高在800A/m(從現(xiàn)在為B800)的情況下測得的磁芯損耗、磁致伸縮以及感應的值。
本發(fā)明的另一領(lǐng)域是為了實施激光處理，而不破壞鋼片絕緣涂層。
本發(fā)明的又一領(lǐng)域是為了避免在激光處理后鋼片的最終絕緣涂層所帶來的額外成本，這至今是必須的。
在此情況中，停留時間是對由激光束輻射條帶的特定表面而言，停留時間為條帶速度、激光束掃描速度以及激光的截面尺寸的函數(shù)。
單位輻射能優(yōu)選在2-8mJ/mm2之間，并且更優(yōu)選在3-5mJ/mm2之間。對于停留時間，必須優(yōu)選在1×10-5s-1×10-3之間，并且特別優(yōu)選在1-8×10-2s之間。
根據(jù)晶粒的平均尺寸，兩連續(xù)線之間的距離必須優(yōu)選保持在3.5-8mm之間；在我們的實驗中，當兩連續(xù)線的間距值低于在條帶的軋制方向測得的平均晶粒尺寸的10-20％時，就可有非常好的結(jié)果。
另一個非常重要的因素是激光束在條帶表面上的掃描速度，它取決于其它的參數(shù)，例如鋼片沿線方向的平移速度(translation speed)以及劃線之間的距離；因此，在不同的車間該參數(shù)可以有不同的值，仍然可使所得的磁學特性保持為適宜的值；在實驗室里進行的實驗中，掃描速度在800-10000m/min之間可以獲得優(yōu)異的結(jié)果；在所使用的工業(yè)車間里，所用值一般在1500-6000m/min之間。
激光束截面尺寸，或者說點的長度，在1-60mm之間，優(yōu)選在5-50之間，一般值在7-40之間，停留時間取決于該點的長度。
由于激光束的掃描運動由多邊鏡的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，方法參數(shù)也取決于多邊鏡的旋轉(zhuǎn)速度，該多邊鏡將光束送至拋物柱面鏡，光束從該拋物柱面鏡最終被輸送到條帶；因此，根據(jù)發(fā)明，該旋轉(zhuǎn)速度在100-10000轉(zhuǎn)/分之間，優(yōu)選在600-6000轉(zhuǎn)/分之間。
為了使損耗或者磁致伸縮的改善最優(yōu)化，可以調(diào)整方法參數(shù)，也可以在磁導率的值上有小的改善。
由于沒有測量磁致伸縮的標準方法，本文中的相關(guān)測量根據(jù)G.Ban和F.Janosi的論文“對3.2％SiFe G.O.電工鋼的直流和交流磁致伸縮行為進行研究的測量系統(tǒng)和評估方法”中所述的方法進行的，該論文發(fā)表于軟磁材料會議，SMM’12會議論文集，磁與磁性材料雜志(Journal ofMagn.And Magn.Mat.)，第160卷，(1996)，167-170。
現(xiàn)在參照下面的實施例對本發(fā)明進行詳述，所述并非是對本發(fā)明主題的限制例子。
例1用眾所周知的方法，煉出普通用于制造具有高磁性的含有3.2wt％Si的鋼，并制成厚度為0.27mm的鋼片，用傳統(tǒng)上由MgO構(gòu)成的退火隔離物進行涂敷，并在箱式爐里進行退火。
在所需的終處理之后，得到了具有如下磁學特性的產(chǎn)品
在如下所示的條件下用激光束對覆蓋有玻璃膜和絕緣涂層的條帶(一個是為傳統(tǒng)處理，另三個用于根據(jù)本發(fā)明的處理)進行輻射表1
因此，在所得到的材料上，已測出如下的磁學特性與輻射區(qū)域相關(guān)的銹敏感性(以每徑跡米(trace meter)中的氧化厘米(Oxidized cm)表示)、在鋼片上激光束徑跡(以可見長度和徑跡長度之間的比率表示)和磁致伸縮λ(p-p)(條帶長度的最大變化)。所測值如表2所示。
表2
例2又通過改變停留時間對條帶進行處理。與實驗相關(guān)的數(shù)據(jù)在表3中給出。
很清楚，最終產(chǎn)品的磁性質(zhì)量對停留時間有強烈依賴作用，特別是所考慮的所有磁學特性僅在某些情況下才會有所改善。
對于條帶G和H，即使停留時間包含在固定值內(nèi)，在特定的車間內(nèi)，也不可能用最佳方法調(diào)整諸如條帶和激光束的掃描速度的其它參數(shù)。
對于條帶I和J，即使得到的徑跡可見性和腐蝕性為零，但可以注意到與損耗有關(guān)的小的并且也消極的影響、與磁導率有關(guān)的消極影響和過高的磁致伸縮值。
表3
例3通過改變條帶之間的距離對如I處理的條帶進行進一步的操作。在條帶中，沿軋制方向的晶粒的平均尺寸為8.53mm，變率為30％。所得到的結(jié)果如表4所示。在這種情況下也能注意到，在整個檢測范圍內(nèi)都可獲得滿意的值，該范圍在為操作參數(shù)選定的范圍內(nèi)(除了磁致伸縮最小的樣品P和Q)，并且在線的間距在7-8mm之間時可以獲得最適宜的值，也就是說低于晶粒平均尺寸8-18％。
表4
例4根據(jù)本發(fā)明，在激光處理前或者處理后對鋼條帶O進行磁致伸縮測量，該條帶具有0.8-1.9T的極化場。所得的數(shù)據(jù)如表5所示。
表權(quán)利要求
1.一種通過激光處理提高晶粒定向電工硅鋼片的磁學特性的方法，其中，為了與一條定向晶粒硅鋼條帶的運動方向大體橫向地對該帶進行連續(xù)掃描，用具有10.46μm波長的連續(xù)發(fā)射CO2型激光對該定向晶粒硅鋼條帶進行處理，該定向晶粒硅鋼條帶已經(jīng)過二次再結(jié)晶退火并具有絕緣涂層，其特征在于如下預先選擇的操作參數(shù)單位輻射能、停留時間和激光束在鋼片上的兩連續(xù)徑跡之間的間距被同時并連續(xù)在0.1-25mJ/mm2、1×10-6s-1×10-2s和2-12mm的范圍內(nèi)得到調(diào)整，以優(yōu)化在激光束處理前和處理后連續(xù)測量到的條帶的磁學特性感應和磁芯損耗中的至少一個的改善而不損傷玻璃膜涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，單位輻射能優(yōu)選在2-8mJ/mm2之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，單位輻射能優(yōu)選在3-5mJ/mm2之間。
4.根據(jù)所有上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，停留時間在1×10-5s-1×10-3s之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，停留時間在1-8×10-4s之間。
6.根據(jù)所有上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，兩連續(xù)線之間的距離保持在3.5-8mm的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，兩連續(xù)線之間的距離值低于平均晶粒尺寸10-20％。
8.根據(jù)所有上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，激光束在條帶表面上的掃描速度在800-10000米/分。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，對條帶的掃描速度在1500-6000米/分。
10.根據(jù)所有上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，激光束的截面尺寸或者點的長度在1-60mm之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，激光束的截面尺寸在5-50mm之間，典型值在7-40mm之間。
12.根據(jù)所有上述權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，激光光學系統(tǒng)的多邊鏡的旋轉(zhuǎn)速度在100-10000轉(zhuǎn)/分鐘。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，鏡子的旋轉(zhuǎn)速度在600-6000轉(zhuǎn)/分鐘。
全文摘要
已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在用于對晶粒定向電工硅鋼片中的磁疇尺寸控制的激光處理過程中,通過優(yōu)化諸如單位輻射能、劃線條帶之間的距離、掃描速度以及停留時間等的基本處理參數(shù),可以使得磁致伸縮、感應以及磁芯損耗同時得到改善。
文檔編號C21D1/34GK1352700SQ00808070
公開日2002年6月5日 申請日期2000年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月26日
發(fā)明者格博·班 申請人:阿奇亞斯佩絲阿里特爾尼公司