[发明专利]电磁钢板及其制造方法

说明书

本发明提供一种饱和磁通密度高且高频铁损低的电磁钢板及其制造方法。所述电磁钢板具有：以钢板的板厚中心为对称面、且从钢板表面沿板厚深度方向从高Si浓度连续变化至低Si浓度的表层部；Si浓度不连续地变化的边界部；以及，Si浓度实质上不沿板厚方向变化的包含板厚中心的内层部。所述电磁钢板分别在表层部具有面内拉伸应力，在内层部具有面内压缩应力。表层部的晶粒的平均长径比：板面平行方向相对于板面垂直方向(深度方向)的尺寸比为0.7以上且4.0以下。

技术领域

本发明涉及电力电子用的高频变压器、电抗器、电动机等的铁芯材料所使用的电磁钢板及其制造方法。

背景技术

电磁钢板的铁损由磁滞损耗和涡流损耗构成，所述磁滞损耗强烈依赖于钢中的析出物、结晶粒径、集合组织等，所述涡流损耗强烈依赖于板厚、比电阻、磁畴结构等。

普通的电磁钢板通过尽量减少钢中杂质，来提高晶粒的生长性，实现磁滞损耗的降低。

在商用频率(50/60Hz)下，电磁钢板的铁损中磁滞损耗所占的比例大。虽然磁滞损耗与频率成比例地增大，但涡流损耗与频率的平方成比例地增大，因此，在达到数kHz以上的高频时，涡流损耗所占的比例反而变大。

另外，近年来，电力电子领域中开关元件的高频化不断发展，对于作为变压器、电抗器、电动机等的铁芯材料而使用的电磁钢板，强烈希望降低高频铁损。

为了应对上述希望，进行了如下尝试：通过使板厚比现有的普通电磁钢板的板厚0.3～0.5mm更薄、即将板厚减薄至0.2mm以下，或增加提高钢的电阻率的Si、Al等元素的添加量，从而降低涡流损耗。

另外，最近不仅在汽车、空调领域，而且在光伏发电等新能源领域，在较大容量的电源中已经使用数kHz～50kHz的开关元件，要求高频铁损更低的铁芯材料。

目前，在这样的电源领域中，应用了板厚为0.1mm以下的极薄电磁钢板、高Si电磁钢板、或将铁粉固化而成的压粉磁芯等。另外，在小容量领域中，使用电阻率比金属类的软磁性材料大几个数量级的Mn-Zn铁氧体等。

但是，考虑到将来的进一步高频化，处于即使极薄电磁钢板的板厚为0.1mm也无法使涡流损耗充分降低的状况。另外，Si浓度超过4质量％的高Si电磁钢板硬且脆，因此不容易制造。与电磁钢板相比，压粉磁芯的磁滞损耗明显大，因此，在数kHz的频率下，铁损大幅劣化。Mn-Zn铁氧体的涡流损耗极小，但另一方面，饱和磁通密度最多为0.5T，与普通的电磁钢板的2.0T相比是极低的，因此，在大容量的电源中，芯变得大型化。

对于上述情况，作为降低电磁钢板的高频铁损的方法，专利文献1中公开了一种基于渗硅法的6.5质量％Si钢板的制造方法。该技术是使板厚为0.05～0.3mm的3质量％Si钢板在高温下与四氯化硅气体反应来提高钢中的Si浓度的工艺。这是由于，6.5质量％Si钢板具有3质量％Si钢板的约2倍的电阻率，能够有效地降低涡流损耗，因此，作为高频用材料是有利的，并且磁致伸缩实质上为零，可发挥铁芯的低噪音化优异的效果。

专利文献2中公开了：在渗硅工艺中，通过在表层Si浓度达到6.5质量％的时刻中断Si均匀化扩散，可以得到沿板厚方向具有Si浓度梯度的钢板、即所谓的“Si梯度钢板”；而且，在使用该材料时，与进行了Si均匀化的情况相比，高频区域中的铁损降低。

专利文献3中，为了降低Si梯度钢板的高频铁损，对板厚方向的Si浓度差(最大-最小)、表层Si浓度及钢板表面背面的Si浓度差进行了限定。特别是具有如下内容的记载：在表层Si浓度为6.5质量％的情况下，可以得到最低的铁损。

一般来说，含有3质量％以上的Si的电磁钢板即使加热至高温，也不会变成奥氏体相(γ相)，而成为铁素体相(α相)直到产生液相。因此，上述的渗硅处理完全在α相中进行。