JP2005240079A - 鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】 積み鉄心やＥＩコアなど鉄心中で板の圧延直角方向に磁化される部分の特性劣化が大きいものに好適に利用できる鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】 結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａが3゜以上8°以下であって、前記ずれ角の標準偏差σ_（α）の前記ずれ角の平均値α_ａに対する比σ_（α）／α_ａが0.5以下である素材方向性電磁鋼板上に張力3ＭＰａ以下の絶縁被膜を有してなり、その鉄損劣化率が小さいものである。

Description

本発明は、トランスや発電機の鉄心材料として用いられる方向性電磁鋼板、特に積み鉄心やＥＩコアなど鉄心の中で板の圧延直角方向に磁化される部分の特性劣化が大きいものに好適に利用できる鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板に関する。

方向性電磁鋼板は鋼板の結晶方位を｛１１０｝<００１>に高度に集積させた製品であり、変圧器、発電機等の電機機器の鉄心材料として広く利用されている。その特性は変圧器等の電力損失に大きく影響するため、従来から鉄損を低減するため様々な提案が行われてきた。例えば特許文献１には結晶方位集積度を更に高める手段が、特許文献２には鋼板表面に直接にまたはその上に形成されたフォルステライト被膜上に張力付与被膜を被成して磁区を細分化する手段が、さらに特許文献３には鋼板表面に一定間隔で歪みを導入して磁区を細分化する手段が開示されている。

しかしながら、これらの手段により方向性電磁鋼板の圧延方向の磁気特性が飛躍的に向上するにつれて、鉄心のコーナー部やＥＩコアにおける鉄損の増大が問題となってきている。すなわち、鉄心のコーナー部等では、電磁鋼板は磁束が圧延方向に直角方向に通るようになり、この部分で鉄損が増大するために、圧延方向の特性が優れた材料を使用しても鉄心全体で評価すると期待された特性が得られないというケースが顕在化してきている。例えばGoss方位が高度に集積した方向性電磁鋼板（板厚0.35ｍｍ）では、圧延方向に直角方向に磁化した場合、圧延方向に平行に磁化した場合の３〜４倍もの高い鉄損値（Ｗ_15/50）を示す。したがって、鉄心のコーナー部など鉄心の一部分が圧延方向に直角方向に磁化されると、鉄心全体の鉄損も大幅に上昇してしまう結果を招く。

このような問題を解決するために、鉄心コーナー部での鉄損増大を防止するため、鋼板の先端を斜めに切り落として、これを突き合わせることにより圧延直角方向に磁化する部分を極力小さくするという手段が講じられている。また、特許文献４には、圧延方向の鉄損（Ｗ_{１５／５０}）が１.4Ｗ／ｋｇ以下で圧延直角方向の鉄損値が圧延方向の鉄損値の2.6倍以下であるグラス被膜のない方向性電磁鋼板がＥＩコアに適したものと記載されている。

しかしながら、上記の鋼板の先端を斜めに切り落としとその突き合わせによる鉄心の組み立ては、高い精度が要求され製品価格が上昇してしまう難点がある。またＥＩコアにおいては、鉄心の２割程度が圧延直角方向に磁化されるため、この部分の磁気特性を改善しなければ、素材の優れた特性を有効に利用することはできない。さらに特許文献４による手段は、圧延直角方向の特性を考慮したものであるが、これはグラス被膜のない特殊な方向性電磁鋼板に限定されたものであり、グラス被膜を有する一般的な方向性電磁鋼板に適用されるものではない。また、絶縁被膜の張力は、圧延方向と圧延直角方向の特性に大きな影響を及ぼすが、この点に関して何らの記載もない。

特開平11-279643号公報 特開平5-279864号公報 特開平05-258935号公報 特開2002-217012号公報

本発明は、上記従来技術の問題点、すなわち単に圧延方向の磁気特性を改善するだけでは、鉄心のコーナー部など鉄心の一部分が圧延方向に磁化されるため、鉄心全体で評価すると期待された特性が得られないという問題を解決するために、特に積み鉄心やＥＩコアなど鉄心中で板の圧延直角方向に磁化される部分の特性劣化が大きいものに好適に利用できる鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明に係る方向性電磁鋼板は、結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａが3゜以上8°以下であって、前記ずれ角の標準偏差σ_（α）の前記ずれ角の平均値α_ａに対する比σ_（α）／α_ａが0.5以下である素材方向性電磁鋼板上に張力3ＭＰａ以下の絶縁被膜を有してなり、その鉄損劣化率が小さいものである。ここに鉄損劣化率とは、標準エプスタイン試験値をａ、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値をｂとしたとき、（ａ−ｂ）×100／ａ（％）によって算出される値をいい、標準エプスタイン試験値とはすべて圧延方向に並行に採取されたエプスタイン試験片を用い、JIS C 2550に従い測定されたＷ_15/50をいい、1／4直角方向磁化エプスタイン試験値とはエプスタイン枠の３辺には圧延方向に並行に採取されたエプスタイン試験片を残りの１辺には圧延方向に直角に採取されたエプスタイン試験片を差し入れて測定されたＷ_15/50をいう。

上記発明において、素材方向性電磁鋼板はグラス被膜を有するものとすることが好適であり、また、絶縁被膜は張力3ＭＰａ以下の非クロム酸系絶縁被膜とすることが好適である。さらに、この非クロム酸系絶縁被膜は、固形分に換算してかつ質量比でコロイド状シリカ20部、リン酸マグネシウム（Mg(H₂PO₄)₃換算）10〜120部及び硫酸マンガン4〜40部を含有するコーティング処理液を素材方向性電磁鋼板上に塗布し、ついで300℃以上の温度で焼きつけて被成されたものであることとするのが好適である。

本発明により提供される方向性電磁鋼板を用いて組立てられた単純剪断形式の積層鉄心やＥＩコアは、磁化時圧延直角方向の磁化成分を含むランセット磁区が残りやすく、圧延直角方向の磁気特性が改善されるため、鉄心全体で評価したときに鉄損値が低下し、それにより電力損失の低減に寄与する。また、非クロム酸系の絶縁被膜を適用することにより環境に対するリスクを軽減することが可能となる。

本発明に係る一方向性電磁鋼板は、基本的には、Si：2.0〜4.5％、Mn：0.3％以下を含有し、残部実質的にFeからなる組成を有する。ただし、一方向性電磁鋼板を製造する上で不可欠なS、Se、Al、N等の析出型インヒビター成分、さらにはSn、Cu、Sｂ、Bi、Mo等の偏析型インヒビター成分が残留することを妨げない。

本発明の素材方向性電磁鋼板は、上記組成にかかわりなく、二次再結晶粒が以下に示す方位を有することが必要である。表１は二次再結晶粒の圧延方向への集積度の異なる一方向性電磁鋼板（厚さ0.23ｍｍ）について鉄損劣化率を調査した結果である。

ここに、鉄損劣化率とは、標準エプスタイン試験値をａ、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値をｂとしたとき、（ａ−ｂ）×100／ａ（％）によって算出される値をいい、標準エプスタイン試験値とは、すべて圧延方向に並行に採取されたエプスタイン試験片を用い、JIS C 2550に従い測定されたＷ_15/50をいい、1／4直角方向磁化エプスタイン試験値とは、エプスタイン枠の３辺には圧延方向に並行に採取されたエプスタイン試験片を残りの１辺には圧延方向に直角に採取されたエプスタイン試験片を差し入れて測定されたＷ_15/50をいう。この1／4直角方向磁化エプスタイン試験値は、コア材の一部が圧延直角方向に磁化される鉄心を簡易にシミュレートしたものである。また、二次再結晶粒の圧延方向への集積度は、以下のようにして結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａ、前記ずれ角の標準偏差σ_（α）を測定し、さらにずれ角の平均値α_ａに対する比σ_（α）／α_ａを算出することによって行なったものである。

なお、結晶方位の測定は、ラウエ法により300×300ｍｍの試料中の各二次再結晶粒に対して行なったものであり、また、αaは、面積平均（各結晶粒ごとに面積を掛けて平均化）で算出した値である。被膜張力は、エプスタイン試験片に片面塗布したときの長手方向の板の反り量から算出したものである。

表１から以下のことが分かる。まず、結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａが2.2°と小さくかつその標準偏差σ_（α）も0.32と小さいGoss方位が強く集積した試料1は、標準エプスタイン試験値ａは0.56Ｗ／ｋｇと低い値を示すが、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂは0.91Ｗ／ｋｇと高い値を示し、そのため鉄損劣化率は57％ときわめて大きい。このような鋼板は圧延直角方向に磁化される部分によって素材特性から期待される鉄損低減効果が著しく阻害されているものであり、コーナー部の斜めカット等の加工を必要とし、本発明の目的を満足しないものである。

これに対し、試料20は結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａが9.4°と大きくかつその標準偏差σ_（α）も4.4と大きく、Goss方位への集積度が弱いために標準エプスタイン試験値ａが0.76Ｗ／ｋｇ、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが0.98Ｗ／ｋｇと劣るが鉄損低下率は29％と比較的低く優れている。しかしながら、かかるGoss方位への集積度が弱い材料は鉄損劣化率が優れていても1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが高すぎるため、鉄心の実鉄損が全体として高くなり、実用的ではない。

かかる評価を試料1〜20について行なうと以下のとおりとなる。平均ずれ角α_ａが3〜8°の範囲にありかつ、α_ａに対する標準偏差σ_（α）の比が1.5以下の試料2,3,6,7,9〜12、14〜16,19においては、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが0.9Ｗ／ｋｇ以下となり、鉄損劣化率も30％以下となっている。かかる評価結果に基づき、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが0.9Ｗ／ｋｇ以下、鉄損低下率が30％以下を示すものを本発明の目的を達するものとして選択すると、その条件は、結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａが3゜以上8°以下であって、前記ずれ角の標準偏差σ_（α）の前記ずれ角の平均値α_ａに対する比σ_（α）／α_ａが0.5以下とまとめられる。

しかしながら、上記条件を満足するだけではなお本発明の目的である1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが0.9Ｗ／ｋｇ以下、鉄損低下率30％以下とすることができない。たとえば、表１において、α_ａとσ_（α）/α_ａが上記範囲を満足するものであっても、絶縁被膜の張力が試料4,8,18では1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが0.9W/kgをこえており、また鉄損低下率も50％超であり、鉄心の実鉄損が全体として高くなり、実用的ではない。したがって、本発明では、上記二次再結晶粒の方位条件のほかに、鋼板上に被成される絶縁被膜の張力が3ＭＰａ以下であることを必要とする。

上記構成により鉄損低下率が低下する理由は現時点では明らかではなく、また本発明の技術的範囲を特定するために必要なものでもないが、本発明者の推察によれば以下のとおりである。すなわち、結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角αの面積平均値α_ａが3°未満のGoss集積度がきわめて高い試料においては、絶縁被膜の張力の強弱にかかわらずランセット磁区が生じにくく、圧延方向に対して圧延直角方向の磁気特性はきわめて悪い。そのため1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが大幅に増加したものと考えられる。また、鉄損低下率も劣化する。

一方、α_ａが3°以上8°以下の比較的集積度の高い試料においては、絶縁被膜の張力が3ＭＰａ以下の低い場合に圧延直角方向の磁化成分を含むランセット磁区が残りやすく、その方向の磁気特性が改善されるため鉄損低下率が小さくなるが、絶縁被膜の張力が3ＭＰａを超える場合はランセット磁区が形成され難くなり、圧延方向と圧延直角方向の鉄損値の差が拡大する傾向にあり、鉄損低下率が劣化することになる。

また、ずれ角αの平均に対する標準偏差の比σ_（α）/α_ａの値が0.5以上の場合にはGoss方位への集積度が低すぎて1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂも増大する。同様のことがずれ角αの平均に対するα_ａが8°を超える場合についても当てはまる。

したがって、本発明では素材方向性電磁鋼板上に被成される絶縁被膜を張力3ＭＰａ以下とする。この絶縁被膜は張力に関する条件を満たすほか、方向性電磁鋼板被膜に関する一般的な特性を満足するものであれば、特にその化学組成を問わない。また、地鉄上に形成されたグラス被膜（フォルステライト被膜等）上に形成してもよいし、あるいは地鉄上に直接形成することも可能である。この場合、公知の手段により鋼板表面を鏡面化して、その上に絶縁被膜を被成することもできる。なお、素材方向性電磁鋼板をグラス被膜のあるものとし、その上に絶縁被膜を被成するときは、絶縁被膜の素材電磁鋼板への密着性を向上させる。その場合、フォルステライト等のグラス被膜による張力はほとんど無視できるので、グラス被膜上の絶縁被膜の張力のみを考慮する。

このように、絶縁被膜の種類、被成方法については、張力の条件を除き、特に制限はない。しかしながら、絶縁被膜として従来広く用いられてきたクロメート系被膜を用いるよりも非クロム酸系絶縁被膜を用いたときの方が、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが低くなりかつ、有害な６価クロムによる環境汚染の問題を完全に回避できるので、本発明においても絶縁被膜は非クロム酸系被膜とするのが好ましい。この非クロム酸系絶縁被膜を利用することにより1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが低くなる原因については、非クロム酸系絶縁被膜を被成したときはクロメート系の被膜を被成したときに比べて素材電磁鋼板表面（地鉄）が酸化されやすく、その結果、圧延直角方向の磁気特性に有効な補助磁区が形成され、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値ｂが低下したのではないかと考えられる。

このような非クロム酸系絶縁被膜を被成するには、固形分に換算してかつ質量比でコロイド状シリカ20部、リン酸マグネシウム（Mg(H₂PO₄)₃換算）10〜120部及び硫酸マンガン4〜40部を含有するコーティング処理液を素材方向性電磁鋼板上に塗布し、ついで300℃以上の温度で焼き付ければよい。

コロイド状シリカは安定な被膜を形成するために重要な成分であるが、多すぎると被膜張力を上昇させ本発明の目的を達成できなくなるので必須含有成分とし、その20部を基準として他の物質の配合量を決定する。リン酸マグネシウムはMg(Ｈ₂PO₄)₃に換算して10〜１20部と限定するのが好ましい。10部より少ないとコロイド状シリカと反応して被膜を形成するのに十分ではなく、一方、120部より多いと得られる被膜が白っぽく、表面が平滑でなくなり、占積率が低下するためである。硫酸マンガンは、耐吸湿性に優れ、コロイド状シリカとリン酸マグネシウムの吸湿発錆を防止する効果をもたらすが、多すぎると被膜の均一性が悪くなり、表面がざらついて占積率が低下するので、4〜40部とするのが好ましい。焼き付け温度を300℃以上とするのは300℃より低いと被膜の密着性が劣化するからである。このような基準にしたがうことにより、非クロム酸系絶縁被膜を耐食性、密着性、耐吸湿性に優れたものとすることができる。

本発明では、上記のとおり一方向性電磁鋼板の結晶粒方位分布を限定しかつ、そのような結晶粒方位分布を有する素材方向性電磁鋼板上に張力3ＭＰａ以下の絶縁被膜を被成したものとすることによって変圧器など鉄心に組み込んだときの鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板を提供することができるものである。

素材方向性電磁鋼板の製造に当たっては、一般に利用される一方向性電磁鋼板の製造手段を利用し、その成分条件、熱延・冷延条件、熱処理条件等を適宜選択して、本発明特有の結晶粒方位分布をもつものとすることが肝要である。

典型的には、C：0.05％（質量比、以下同様）、Si：3.2％、Mn：0.06％、S：0.03％、Se：0.001％、Al：0.02％、N：80ｐｐｍおよびCu：0.2％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるスラブを、1370℃に加熱した後、板厚2.0ｍｍまで熱間圧延を施し、得られた熱延板に熱延板焼鈍を1050℃で行なった後、最終板厚が0.35ｍｍのものは１回の冷延で、最終板厚が0.23ｍｍのものは中間厚を1.5ｍｍとして1150℃の中間焼鈍を含む２回の冷延を施して冷延板とし、得られた冷延板にH₂−N₂−H₂O雰囲気中で850℃、2分間の脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施し、次いで、MgO主体（TiO₂：3mass％を含む）の焼鈍分離剤を塗布した後、H₂雰囲気中で1200℃、10時間の二次再結晶、純化焼鈍に供すればよい。上記プロセスにより、本発明で規定する結晶粒方位分布を有する電磁鋼板が得られるので、これを基準として素材成分、スラブの加熱温度、熱延板焼鈍温度、中間焼鈍温度、冷延圧下率、一次再結晶焼鈍温度、二次再結晶・純化焼鈍温度を適宜調整すればよい。

このようにして得られた素材方向性電磁鋼板上に絶縁被膜を被成する。この絶縁被膜は、素材方向性電磁鋼板に張力3ＭＰａ以下の張力を与える低張力付与型ものとすることが必要であり、従来公知の絶縁被膜組成物から適宜選択することができる。なお、絶縁被膜を低張力型とするためには、すでに述べたように、コーティング処理液中のコロイド状シリカの配合量に注意し、張力が過大にならないようにすることが肝要である。また、被膜厚を変えることによっても付与張力を調整することができる。これらの選択は自由である。

質量比で、C：0.05％、Si：3.2％、Mn：0.06％、S：0.03％、Se：0.001％、Al：0.02％、N：80ｐｐｍおよびCu：0.2％を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなるスラブを、1370℃に加熱した後、板厚2.5ｍｍまで熱間圧延を施した。熱延板焼鈍を1050℃で行なった後、最終板厚が0.35ｍｍの場合、中間厚を1.8ｍｍ、最終板厚が0.23ｍｍのものは中間厚を1.5ｍｍとして800〜1150℃の中間焼鈍を含む２回の冷延を施して最終板厚とした。ここで、中間焼鈍温度の変動は、ずれ角α_aと標準偏差σ_(α)を変化させるための措置である。

このようにして中間焼鈍温度を変動させて得られた冷延板に対して、H₂−N₂−H₂O雰囲気中で850℃、2分間の脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施した。次いで、MgO主体（TiO₂：3mass％を含む）の焼鈍分離剤を塗布してから、H₂雰囲気中で1200℃、10時間の二次再結晶、純化焼鈍に供して表面にフォルステライトを主成分とするグラス被膜を有する素材一方向性電磁鋼板を製造した。

得られた素材方向性電磁鋼板に対して、平坦化のため歪取り焼鈍を施した後、固形分に換算してかつ質量比でコロイド状シリカを20部、リン酸マグネシウムをMg(H₂PO₄)₃に換算して80部及び硫酸マンガン20を含有するコーティング処理液を塗布し、500℃で焼き付けを行って製品とした。なお、比較のため、クロメート系のコーティング処理液（コロイド状シリカ水分散液（濃度30％、質量比）100ｍｌとリン酸マグネシウム（濃度40％、質量比）液80ｍｌおよび無水クロム酸3ｇ）を塗布し、800℃で焼き付けて製品とした。

得られた製品からエプスタイン試験試料を切り出し、標準エプスタイン試験及び1／4直角方向磁化エプスタイン試験を行ない、鉄損劣化率を算出した。また、上記エプスタイン試験を行なった試料について、圧延方向からの001軸のずれ角αの測定を行ない、その平均値α_ａ、標準偏差σ_（α）及びずれ角の平均値α_ａに対する比σ_（α）／α_ａを算出した。また、被膜張力を片面塗布した試料の反り量から算出した。結果は表２に示す。

表２から明らかなように、本発明にしたがう製品は鉄損劣化率が30％以下であることが確認された。かかる製品は斜めカット等の特殊加工を施すことなくトランス鉄心として使用しても鉄損が大幅に劣化することがないことが期待できる。また、ＥＩコアとして使用したとき鉄損が大幅に劣化することがないことが期待できる。

Claims (4)

1. 結晶粒の001軸の圧延方向からのずれ角の平均値α_ａが3゜以上8°以下であって、前記ずれ角の標準偏差σ_（α）の前記ずれ角の平均値α_ａに対する比σ_（α）／α_ａが0.5以下である素材方向性電磁鋼板上に張力3ＭＰａ以下の絶縁被膜を有してなることを特徴とする鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板。
   ここに鉄損劣化率とは、標準エプスタイン試験値をａ、1/4直角方向磁化エプスタイン試験値をｂとしたとき、（ａ−ｂ）×100／ａ（％）によって算出される値をいい、標準エプスタイン試験値とは、すべて圧延方向に並行に採取されたエプスタイン試験片を用い、JIS C 2550に従い測定されたＷ_15/50をいい、1／4直角方向磁化エプスタイン試験値とは、エプスタイン枠の３辺には圧延方向に並行に採取されたエプスタイン試験片を残りの１辺には圧延方向に直角に採取されたエプスタイン試験片を差し入れて測定されたＷ_15/50をいう。
2. 素材方向性電磁鋼板はグラス被膜を有するものであることを特徴とする請求項１記載の鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板。
3. 絶縁被膜は張力3ＭＰａ以下の非クロム酸系絶縁被膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板。
4. 非クロム酸系絶縁被膜は、固形分に換算してかつ質量比でコロイド状シリカ20部、燐酸マグネシウム（Mg(H₂PO₄)₃換算）10〜120部及び硫酸マンガン4〜40部を含有するコーティング処理液を素材方向性電磁鋼板上に塗布し、ついで300℃以上の温度で焼きつけて被成されたものであることを特徴とする請求項３記載の鉄損劣化率が小さい方向性電磁鋼板。