CN202080089018.7取向电工钢板及其磁畴细化方法

权利要求

1.一种取向电工钢板，其包括：

存在于电工钢板表面的沟槽；以及

与所述沟槽底部相连的再结晶，

与所述沟槽底部相连的再结晶和其他再结晶的平均取向度差为0.5°至10°。

2.根据权利要求1所述的取向电工钢板，其中，

与所述沟槽底部相连的再结晶包括亚晶界，每个沟槽存在长度为10μm至700μm的亚晶界。

3.根据权利要求1所述的取向电工钢板，其中，

每个沟槽存在1个至10个所述亚晶界。

4.根据权利要求1所述的取向电工钢板，其还包括：

绝缘膜，其与所述沟槽顶部相连。

5.根据权利要求1所述的取向电工钢板，其中，

所述沟槽深度为钢板厚度的3％至15％，沟槽宽度为10μm至50μm。

6.一种取向电工钢板的磁畴细化方法，其包括：

准备冷轧钢板的步骤；

对所述冷轧钢板进行一次再结晶退火的步骤；

对所述冷轧钢板进行二次再结晶退火的步骤；

向完成所述二次再结晶退火的钢板照射激光以形成沟槽的步骤；以及

在形成有所述沟槽的钢板上形成绝缘膜的步骤，

所述照射激光时，激光的能量密度为3.0J/mm
²至8.0J/mm
²。

7.根据权利要求6所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，

所述激光功率为500W以上，激光扫描速度为5m/s以上，激光扫描距离为100mm以上。

8.根据权利要求6所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，

所述激光的波长为1.06μm至10.6μm。

9.根据权利要求6所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，

所述激光束的长度为100μm至500μm，所述激光束的宽度为10μm至27μm。

10.根据权利要求6所述的取向电工钢板的磁畴细化方法，其中，

所述形成绝缘膜的步骤包括在750℃至950℃的温度下进行热处理的步骤。

说明书

取向电工钢板及其磁畴细化方法

技术领域

本发明的一个实施例涉及取向电工钢板及其磁畴细化方法。更具体地，本发明的一个实施例涉及一种取向电工钢板及其磁畴细化方法，在取向电工钢板的再结晶温度以上的温度下进行退火热处理时，在沟槽底部应力松弛或再结晶时被基底部的二次再结晶组织完全侵蚀，从而使磁通密度衰减降到最低。

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以及提高能量转换效率，需要铁芯材料的铁损良好以及层叠和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(Goss Texture)”)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其方向时，与磁畴尺寸大时相比，可以减少能量消耗量。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。

在出现恢复(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衰减。

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功率激光，通过激光照射来形成随着基底部熔化而产生的沟槽(groove)。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的一个实施例提供取向电工钢板及其磁畴细化方法。更具体地，本发明的一个实施例提供一种取向电工钢板及其磁畴细化方法，形成于沟槽底部的应力集中区或再凝固组织被再结晶温度以上的重新涂覆或去应力退火时基底部的二次再结晶组织侵蚀，从而使磁通密度衰减降到最低。

(二)技术方案

根据本发明的一个实施例的取向电工钢板，其中存在于电工钢板表面的沟槽以及与沟槽底部相连的再结晶和其他再结晶的平均取向度差为0.5°至10°以下。

与沟槽底部相连的再结晶中存在亚晶界(Sub boundary)，每个沟槽可以存在长度为10μm至700μm的亚晶界。

每个沟槽可以存在1个至10个亚晶界。

所述取向电工钢板还可包括与沟槽顶部相连的绝缘膜。

沟槽深度可为钢板厚度的3％至15％，沟槽宽度可为10μm至50μm。

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，其包括：准备冷轧钢板的步骤；对冷轧钢板进行一次再结晶退火的步骤；对冷轧钢板进行二次再结晶退火的步骤；向完成二次再结晶退火的钢板照射激光以形成沟槽的步骤；以及在形成有沟槽的钢板上形成绝缘膜的步骤。

照射激光时，激光的能量密度为3.0J/mm
²至8.0J/mm
²。

激光功率可为500W以上，激光扫描速度可为5m/s以上，激光扫描距离可为100mm以上。

激光的波长可为1.06μm至10.6μm。

激光束的长度可为100μm至500μm，激光束的宽度可为10μm至27μm。

形成绝缘膜的步骤可包括750℃至900℃的温度下进行热处理的步骤。

(三)有益效果

根据本发明的一个实施例，当形成沟槽后进行再结晶温度以上的退火处理时，可以改善铁损，并且适当地形成为沟槽底部的晶粒取向度在10°以内，从而可使磁通密度衰减降到最低。

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的轧制面(ND面)的模式图。

图2是根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的截面(TD面)的模式图。

图3是现有取向电工钢板的截面(TD面)的模式图。

图4是根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的截面(TD面)的模式图。

图5是示出根据本发明的一个实施例的激光束形状的模式图。

具体实施方式

本文中第一、第二、第三等词汇用于描述各部分、成分、区域、层和/或段，但这些部分、成分、区域、层和/或段不应该被这些词汇限制。这些词汇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括复数形式。在说明书中使用的“包括”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，其间不存在其他部分。

虽然没有另作定义，但是本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的意思相同。对于辞典中定义的术语，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。然而，本发明能够以各种不同方式实施，并不限于本文所述的实施例。

图1中示出根据本发明的一个实施例进行磁畴细化的取向电工钢板10的模式图。

如图1所示，根据本发明的一个实施例的取向电工钢板10形成有线状沟槽20，所述线状沟槽20沿着与轧制方向(RD方向)交叉的方向形成在电工钢板的一面或两面上。

如图1所示，沟槽20的长度方向(图1的RD方向，图2的X方向)与轧制方向(RD方向)可以形成75至88°的角度。当以前述的角度形成沟槽20时，可有助于改善取向电工钢板的铁损。

沟槽20可以沿着钢板的轧制垂直方向(TD)连续或不连续地形成。当不连续地形成时，可以沿着钢板的轧制垂直方向(TD)形成2个至10个。图1中示出连续形成4个沟槽20的情形。

图2示出根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的截面(TD面)的模式图。

如图2所示，根据本发明的一个实施例的取向电工钢板，其表面上存在沟槽20，并且包括与沟槽20底部相连的二次再结晶31。在本发明的一个实施例中，通过控制该二次再结晶31的取向度，可使形成沟槽20而导致的磁性衰减降到最低。

与沟槽20底部相连的二次再结晶31区别于其他再结晶32。其他二次再结晶32是不与沟槽20相连的二次再结晶32，可以存在形成于没有形成沟槽20的表面附近的二次再结晶32或形成在钢板内部的二次再结晶32。

在本发明的一个实施例中，与沟槽20底部相连的二次再结晶31的大小是常规取向电工钢板中出现的几毫米至几十毫米的晶粒大小，因此厚度方向上大部分呈现为贯穿的晶粒。

二次再结晶31的粒径是指针对轧制方向垂直面(TD面)假设有一个面积与再结晶31相同的虚拟圆以该圆的直径计算的粒径。

在本发明的一个实施例中，与沟槽相连的二次再结晶31的取向度受到各种工艺条件的控制，但是最重要的工艺条件是形成在钢板上的激光束的形状和照射激光时的能量密度条件。也就是说，在二次再结晶后的钢板上形成沟槽，对该钢板在再结晶温度以上的温度下进行热处理时，如果能量密度条件适当，与沟槽20相连的二次再结晶的平均晶粒取向度差就可以形成为0.5至10°。更具体地，可以形成为0.5至5°。

向完成二次再结晶的钢板照射激光时，沟槽20底部会产生激光热所导致的冲击，其中一部分形成为亚晶界(sub boundary)33。在形成沟槽20之后，绝缘膜形成工艺中进行热处理时亚晶界33会生长。

亚晶界33被定义为晶粒内的缺陷产生区域，该区域是由于局部施加热应力或机械应力在相同晶粒内晶格缺陷如位错或孪晶(twin)的密度局部增加而产生的，而且由于晶格只出现在有限的区域，因此不同于一般的晶界(grain boundary)。

亚晶界可以在与沟槽20相连的二次再结晶31中以每个沟槽10μm至700μm的连续或不连续的长度存在。参考面是沿沟槽20的长度方向切开的面，在通过SEM或EBSD(电子背散射衍射分析)测定的照片中分析与沟槽20相连的二次再结晶31时，将位于晶粒内的沟槽20底部附近晶体取向差为0.5至10°的部分确定为亚晶界33，可以检测出它们的长度。

如果亚晶界33的长度过长或过短，则与沟槽20相连的二次再结晶31的取向度受到不良影响，最终磁性变差。更具体地，亚晶界33的长度可为300至700μm。

亚晶界可以不连续地存在多个，在此情况下，在二次再结晶31内存在于沟槽附近的亚晶界的所有长度之和可以满足前述的范围。

如前所述，每个沟槽可以存在1个至10个亚晶界。

亚晶界33的长度会受到形成沟槽20时激光的能量密度、激光束的形状以及形成沟槽20后绝缘膜形成工艺中的热处理条件等的影响。

图3是形成绝缘膜后照射激光而形成沟槽的情形。如图3所示，可以确认与沟槽20相连的二次再结晶31内亚晶界33形成得比图2少。

这是因为，亚晶界33仅通过激光的热冲击形成，而且后续亚晶界33没有适当地生长。

在此情况下，不同于本发明的一个实施例，与沟槽20相连的二次再结晶31与其他二次再结晶32的取向度差会大于10°。在此情况下，如前所述，磁通密度会大幅变差。

图4是根据本发明的一个实施例的取向电工钢板的截面(TD面)的模式图。

参照图4描述根据本发明的一个实施例的沟槽20的形成。

沟槽20的宽度(W
_G)可为10至50μm。如果沟槽20的宽度小或大，则无法获得适当的磁畴细化效果。

沟槽的深度(H
_G)可为钢板厚度的3至15％。如果沟槽的深度过浅，则无法充分获得铁损改善效果。如果沟槽的深度过深，则由于照射强激光，钢板10的组织特性发生很大变化或者形成大量的隆起和飞溅物，可能会造成磁性衰减。因此，可以将沟槽20的深度控制在前述的范围内。更具体地，沟槽20的深度可为钢板厚度的5至10％。

如前所述，在本发明的一个实施例中，通过向二次再结晶退火后的钢板照射激光来形成沟槽，因此沟槽顶部可能不存在金属氧化物层40。金属氧化物层40是二次再结晶退火过程中退火隔离剂与钢板表面的氧化物层发生反应而形成的层。作为一个实例，当涂覆MgO退火隔离剂时，将会形成镁橄榄石层。如图4所示，没有形成沟槽20的钢板10上面存在金属氧化物层40，而沟槽20上不存在金属氧化物层40。

然后，如前所述，形成绝缘膜，因此沟槽上可以存在相连的绝缘膜50。也就是说，沟槽20和绝缘膜50之间不会存在金属氧化物层40。

绝缘膜50可以不受限制地使用一般的绝缘膜。作为一个实例，可以包括10重量％以下的无机氮化物、60重量％以下的二氧化硅、60重量％以下的金属磷酸盐。进一步地，还可以包括4重量％以下的硼酸。

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，其包括：准备冷轧钢板的步骤；对冷轧钢板进行一次再结晶退火的步骤；对冷轧钢板进行二次再结晶退火的步骤；向完成二次再结晶退火的钢板照射激光以形成沟槽的步骤；以及在形成有沟槽的钢板上形成绝缘膜的步骤。

首先，准备冷轧钢板。在本发明的一个实施例中，本发明的特征是磁畴细化方法以及所形成的沟槽20和存在于沟槽20底部的再结晶31，作为磁畴细化的对象的冷轧钢板，可以不受限制地使用任何冷轧钢板。尤其，不管冷轧钢板的合金组分如何，都会表征本发明的效果。因此，将省略对冷轧钢板的合金组分的具体描述。

接下来，对冷轧板进行一次再结晶退火。

一次再结晶退火的步骤在取向电工钢板领域中是众所周知的，因此省略详细说明。一次再结晶退火过程中可以包括脱碳或脱碳和氮化，为了脱碳或脱碳和氮化，也可以在潮湿环境下进行退火。一次再结晶退火的步骤中的均热温度可为710至870℃。此外，露点温度可为40至70℃。

接下来，涂覆退火隔离剂，并进行二次再结晶退火。退火隔离剂是众所周知的，因此省略详细说明。作为一个实例，可以使用主成分为MgO的退火隔离剂。

从宏观上看，二次再结晶退火的目的在于，通过形成基于二次再结晶的{110}<001>织构以及形成一次再结晶退火时形成的氧化层和基于MgO反应的金属氧化物(玻璃质)层40来赋予绝缘性以及去除损害磁特性的杂质。作为二次再结晶退火方法，在发生二次再结晶前的升温段保持为氮气和氢气的混合气体以保护作为晶粒生长抑制剂的氮化物，使得二次再结晶能够顺利发达，而完成二次再结晶后，在均热步骤中100％氢气环境下长时间保持，以去除杂质。

二次再结晶退火的步骤可以在900至1210℃的均热温度下进行。

接下来，向完成二次再结晶退火的钢板照射激光，以形成沟槽。如前所述，在本发明的一个实施例中，形成沟槽的步骤的顺序、钢板上形成的激光束的形状和形成沟槽时激光的能量密度很重要。

沿着与轧制方向(RD方向)交叉的方向照射激光，以形成沟槽20。

激光密度可为3.0至8.0J/mm
²。如果激光密度过低，则对沟槽20底部热影响较小，从而生成微小的再结晶，即使在后续绝缘膜形成工艺中进行热处理，与沟槽20底部相连的再结晶31也不能充分生长。如果激光密度过高，则大量形成钢板熔化而形成的隆起和飞溅物，由于受到这些影响，再结晶31的取向度会大幅变差。因此，可以将激光密度调节成前述的范围。更具体地，激光密度可为3.0至7.0J/mm
²。

激光功率可为500W以上，激光扫描速度可为5m/s以上，激光扫描距离可为100mm以上。通过采用适当的功率、扫描速度和扫描距离，可以在沟槽底部适当地形成再结晶。更具体地，激光功率可为500至10kW，激光扫描速度可为10至80m/s，激光扫描距离可为100至500mm。

激光的激发方式不受限制，可以采用任何方式。也就是说，可以采用连续激发或脉冲方式(Pulsed mode)。如此照射激光，使得表面的光束吸收率能够达到钢板的熔化热以上，从而形成图1和图2所示的沟槽20。具体地，可以采用高斯模式(Gaussian mode)(TEMooM
²≤1.10)的激光。

对于激光波长，考虑到形成有金属氧化物层40的钢板10的能量吸收率，可以使用波长在1.06至10.6m范围内的激光。

图5中示出对激光束形状的模式图。在形成沟槽的步骤中，激光的钢板轧制垂直方向(TD方向)的光束长度(L)可为100至500μm。如果轧制垂直方向(TD方向)的光束长度(L)过短，则由于激光照射时间过短，无法形成适当的沟槽，难以获得铁损改善效果。更具体地，光束长度(L)可为150至450μm。

激光的钢板轧制方向(RD方向)的光束宽度(W)可为10至27μm。如果光束宽度(W)过短或过长，则沟槽20的宽度变短或变长，可能无法获得适当的磁畴细化效果。

尽管在图5中示出光束形状为椭圆形，但是光束形状不限于球形或矩形等形状。

在形成沟槽的步骤之后，还可以包括通过酸洗或刷洗将飞溅物高度控制在3.5μm以下的步骤。

接下来，在形成有沟槽的钢板上形成绝缘膜。

绝缘膜层形成方法不受限制，可以采用任何方法。作为一个实例，可以采用涂覆含磷酸盐的绝缘涂覆液的方式来形成绝缘膜层。这种绝缘涂覆液可以使用含有10重量％以下的无机氮化物、60重量％以下的二氧化硅、60重量％以下的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，相对于绝缘涂覆液的重量，Al、Mg或它们的组合的含量可为15重量％以上。进一步地，涂覆液还可以含有4重量％以下的硼酸。

在涂覆绝缘涂覆液后，可以进行热处理，以形成绝缘涂层。此时，温度可为750至900℃。通过调节为适当范围的温度，可以适当地调节再结晶31的粒径。

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至5

准备完成二次再结晶的0.27mm的取向电工钢板。向该电工钢板照射1.0kW的高斯模式(Gaussian mode)的连续波激光，以形成与RD方向呈86度角的沟槽。激光束的宽度(W)为13μm，激光束的长度(L)为200μm。在TD方向上将沟槽不连续地形成为8个区段。

实施各实施例时，如下表1所示改变激光的能量密度和沟槽的深度。

然后，涂覆绝缘涂覆液，并且在840℃的温度下热处理1.5分钟。

表1中示出铁损改善率和磁通密度衰减率。对于铁损改善率，通过测定未形成沟槽的电工钢板的铁损(W
₁)和形成沟槽的电工钢板的铁损(W
₂)，按照(W
₁-W
₂)/W
₁进行计算。对于铁损，当磁通密度的值为1.7特斯拉(Telsa)时，测定频率为50Hz时的铁损值(W
_17/50)。

对于磁通密度衰减率，通过测定未形成沟槽的电工钢板的磁通密度(B
₁)和形成沟槽的电工钢板的磁通密度(B
₂)，按照(B
₂-B
₁)/B
₁进行计算。对于磁通密度，测定800A/m的磁场下感应的磁通密度的大小(B
₈，Tesla)。

通过EBSD测出轧制垂直方向截面(TD面)中与沟槽底部相连的再结晶31和其他再结晶32的粒径、取向度差、亚晶界长度，并整理于下表1中。

比较例1

实施方式与实施例1相同，但是向冷轧板照射激光后，再进行一次再结晶、二次再结晶退火。

比较例2、3

实施方式与实施例1相同，但是如下表1所示改变激光束的形状、激光的能量密度和沟槽的深度。

[表1]

如表1所示，在形成沟槽时适当地控制激光的形状和激光的能量密度的情况下，与沟槽底部相连的再结晶31的取向度差也低，可以确认具有优异的铁损和磁通密度。

另一方面，比较例1是向冷轧板照射了激光，几乎没有形成亚晶界，取向度低，可以确认磁通密度较差。

比较例2是激光的形状和能量密度没有得到适当的调节，因此几乎没有形成亚晶界，取向度低，可以确认磁通密度较差。

比较例3是激光的形状没有得到适当的调节，因此几乎没有形成亚晶界，可以确认磁通密度较差。

本发明能以各种不同方式实施，并不局限于上述的实施例，本发明所属技术领域的普通技术人员可以理解在不改变本发明的技术思想或必要特征的情况下能够通过其他具体方式实施本发明。因此，应该理解上述的实施例在所有方面都是示例性的，并不是限制性的。

附图标记说明

10：取向电工钢板 20：沟槽

31：与沟槽底部相连的二次再结晶 32：其他二次再结晶

33：亚晶界 40：金属氧化物层

50：绝缘膜