JP2009197295A - 板状軟質磁性材料の直交磁界中張力熱処理方法と高性能無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、等方性軟質磁性材料を製造する熱処理方法及び該熱処理法によって得られる高性能無方向性電磁鋼板を提供するものである。
【解決手段】磁化容易方向の磁歪が正である板状軟質磁性材料の熱処理方法において、板面内の一方向に張力を付与しつつ、板面内の張力付与方向とは直角方向に磁界を印加することを特徴とする板状軟質磁性材料の直交磁界中張力熱処理方法。
【選択図】 図２

Description

本発明は、等方性軟質磁性材料を製造する熱処理方法と、この熱処理によって得られる高性能無方向性電磁鋼板に関するものである。

電動機や発電機などでは無方向性電磁鋼板が鉄心材料として使用されるが、電動機や発電機の高性能化のために、高磁束密度でかつ低鉄損の無方向性電磁鋼板が必要である。無方向性電磁鋼板の磁気特性を高磁束密度でかつ低鉄損であるためには、できるだけ磁化の容易方向を鋼板面内にする必要がある。また、小形高出力のためには、高周波化されることが多いため、無方向性電磁鋼板の鉄損を低減するために薄手化が求められている。電動機や発電機などでは励磁方向が無方向性電磁鋼板面内の両方向になるため、全方向で高磁束密度でかつ低鉄損であることが望まれる。

しかし、無方向性電磁鋼板において、全ての磁化の容易方向を鋼板面内にすることは難しい。無方向性電磁鋼板の結晶粒界や鋼板表面において、各結晶粒の磁化容易方向は、結晶磁気異方性以外に、境界に発生する磁極や磁歪により、結晶粒界や鋼板表面に垂直方向に誘導磁気異方性が生じているためである。特に、薄手材は鋼板面の影響が大きく、鋼板面に垂直な方向に誘導磁気異方性が大きくなり、磁化が鋼板面に垂直に向くため、磁束密度は低下し、鉄損は増加するので、薄手化により劣化している。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、等方性軟質磁性材料を製造する熱処理方法、及び該熱処理法によって得られる高性能無方向性電磁鋼板を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するために、以下の構成を要旨とする。
（１） 磁化容易方向の磁歪が正である板状軟質磁性材料の熱処理方法において、板面内の一方向に張力を 付与しつつ、板面内の張力付与方向とは直角方向に磁界を印加することを特徴とする板状軟質磁性材料の直交磁界中張力熱処理方法。
（２） 張力と磁界の付与開始温度をキュリー点より５０℃低い温度以上とすることを特徴とする前記（１）記載の直交磁界中張力熱処理方法。
（３） 張力と磁界の付与開始温度より少なくとも３００℃以下までの間張力と磁界を付与することを特徴 とする前記（１）又は（２）に記載の直交磁界中張力熱処理方法。
（４） 連続焼鈍ラインの出側の冷却工程で、直交磁界中張力熱処理を行うことを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理方法。
（５） 磁界の大きさを室温保磁力の３倍以上とすることを特徴とする前記（１）から（４）のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理方法。
（６） 張力の大きさを下記の応力σとすることを特徴とする前記（１）から（５）のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理方法。
σ≧Ｂ_ＳＨ_Ｃ／λ_Ｅ
λ_Ｅ：室温磁化容易方向磁歪 Ｂ_Ｓ：室温飽和磁化 Ｈ_Ｃ：室温保磁力
（７） 前記（１）から（６）のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理を行って得たことを特徴とする高性能無方向性電磁鋼板。
（８） 板厚が０．２mm以下あるいは、板厚方向に結晶粒径が２個以下であることを特徴とする前記（７）記載の高性能無方向性電磁鋼板。
（９） Ｓｉ含有量が７質量％以下であることを特徴とする前記（７）又は（８）記載の高性能無方向性電磁鋼板。

本発明では、磁化容易方向の磁歪が正である板状軟質磁性材料の熱処理方法において、板面内の一方向に張力を付与しつつ、板面内の張力付与方向とは直角方向に磁界を印加する板状軟質磁性材料の直交磁界中張力熱処理方法を行うことにより、鋼板面内の縦横両方向に磁化しやすい誘導磁気異方性を生じさせることにより、鋼板面での全方向の磁気特性が改善され、従来品より磁束密度が高く低鉄損である無方向性電磁鋼板が提供できるようになった。

特に、薄手材での改善が大きく、多用される電動機などの高周波駆動において、電動機性能を向上させることができる。板厚が０．２mm以下あるいは板厚方向に結晶粒径が二個以下である無方向性電磁鋼板では板厚の効果で磁気特性が劣化するので、特に効果が期待できる。無方向性電磁鋼板の連続焼鈍ラインの出側の冷却工程において、コイルが流れる方向に張力を付与し、ラインの両サイドから磁界を加えれば良いので、従来の製造ラインへの適用も容易であり、比較的容易に高性能無方向性電磁鋼板をえることができる。

本発明における板状軟質磁性材料は、磁化容易方向の磁歪が正である無方向性の板状軟質磁性材料であり、無方向性電磁鋼板、非晶質磁性材料、ナノ結晶磁性材料などである。無方向性電磁鋼板は製造工程の最終熱処理工程で磁化容易方向＜１００＞の磁歪が正である必要があり、非晶質磁性材料は磁歪が正である必要がある。キュリー点近傍以下で容易方向の磁歪が正であるためには無方向性電磁鋼板のＳｉ含有量は７質量％以下である必要がある。

本発明においては、板状軟質磁性材料に直交磁界中張力熱処理方法を適用する。
熱処理は板状軟質磁性材料の製造工程においてキュリー点近傍以下となる最終の熱処理であり、製造工程後の熱処理も含む。製造工程後の熱処理としては歪取り焼鈍などや本発明の方法のために追加的に行うものも含む。この熱処理中において、板面内の一方向に張力を付与しつつ、板面内の張力付与方向とは直角方向に磁界を印加する。

磁界中熱処理や張力熱処理の効果は磁界中熱処理や張力熱処理の保定温度でもあるが、特に、キュリー点近傍以下の冷却過程で効果が高いので、張力と磁界の付与開始温度はキュリー点より５０℃低い温度以上とするとよい。従って、張力と磁界の付与開始温度がキュリー点以上であれば最適であるが、キュリー点以下でもキュリー点近傍であれば磁界中熱処理や張力熱処理の効果はあるので、張力と磁界の付与開始温度はキュリー点より５０℃低い温度以上とするのが好ましい。

自発磁化はキュリー点より低くなると大きくなり、キュリー点の絶対温度の約５〜１０％で室温の自発磁化の約半分程度に上昇する。キュリー点が高い電磁鋼板ではキュリー点は１０００Ｋ以上であり、非晶質磁性材料やナノ結晶磁性材料は一般に５００Ｋ以上であるので、キュリー点より５０℃低い温度以上であると、磁界中熱処理や張力熱処理の効果がある。

冷却過程で張力と磁界の付与する下限温度は熱処理終了の室温までであっても良いが、キュリー点より３００℃以下まであれば張力と磁界を付与すると良い。３００℃以下まであれば飽和磁化は室温の飽和磁化にほぼ同じであり、これ以下では磁界中熱処理や張力熱処理の効果は期待できない。

直交磁界中張力熱処理方法における磁界の大きさは、磁壁移動が完了する磁界以上であると良い。保磁力の２〜３倍の磁界で磁束密度は残留磁化程度近くになり、ほぼ磁壁移動は完了するので、磁界中焼鈍における磁界の大きさは室温保磁力の３倍以上とする。室温より高い温度では、室温の保磁力より低くなるので、磁壁移動はこの磁界であればほぼ完了している。

直交磁顕中張力熱処理方法における張力の大きさは磁区の方向が揃う張力の大きさ以上が好ましい。磁壁移動に必要とするエネルギーレベルは飽和磁化Ｂ_Ｓと室温保磁力Ｈ_Ｃの積Ｂ_ＳＨ_Ｃであり、室温磁化容易方向の磁歪λ_Ｅが正である場合に、張力σで磁区が張力方向に向くには、張力による入力されるエネルギーσλ_Ｅが積Ｂ_ＳＨ_Ｃ以上であれば良いので、直交磁顕中張力熱処理方法における張力の大きさは、
σ≧Ｂ_ＳＨ_Ｃ／λ_Ｅ
であることが必要である。

直交磁顕中張力熱処理方法における磁界と張力の方向は直角関係にあることが必要である。本発明では磁界中熱処理による誘導磁気異方性と、張力熱処理による誘導磁気異方性を活用するが、これらの誘導磁気異方性が直交し合うと、鋼板面が磁化容易面となり、鋼板面内全方向に優れた磁気特性が生じる。従って、磁界と張力の方向は直角だけでなく、直角に近いものであれば良い。

本発明を適用する無方向性電磁鋼板は、以上の記述より従来の無方向性電磁鋼板に適用できることはいうまでもなく、鋼板表面の影響による磁気特性の劣化が大きくなる板厚が０．２mm以下あるいは板厚方向に結晶粒径が２個以下である無方向性電磁鋼板において、特に本発明の効果がある。本発明の直交磁界中張力熱処理は、製品の無方向性電磁鋼板に行っても良いが、無方向性電磁鋼板の連続焼鈍ラインや非晶質磁性材料、ナノ結晶磁性材料などの連続焼鈍でラインの出側の冷却工程で行っても良い。

質量で３％のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板に本発明を適用した。適用した無方向性電磁鋼板は、質量でＣ：０．００２％，Ｓｉ：３％，Ｍｎ：０．３％，Ｓ：０．００２％，Ａｌ：０．１５，Ｎ：０．００２％，Ｔｉ：０．O０２％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる熱延板を焼鈍し、冷延し、所要の温度（通常７５０℃以上）で最終焼鈍を施して製造した。該最終焼鈍の冷却工程において、１ｋｇ／ｍｍ² の張力を加え、直交磁界中張力熱処理を行った。

図１及び図２に処理（最終焼鈍）工程を模式的に示した。図において、５は焼鈍炉、６は焼鈍炉に後続する冷却部、３及び４はこれらの前後に配置したピンチロール（張力付与装置）であり、電磁鋼板１はピンチロール３と４により張力が付与された状態で、矢印２の方向に、焼鈍炉５を通った後、冷却部６を通す処理をした。鋼板１は焼鈍炉５でキュリー点以上の９５０℃に加熱し、冷却部６では、９５０℃から５００℃以下に冷却した。
図２は冷却部６の断面説明図であり、図のように、冷却ボックス７の中で、励磁巻線８と継鉄９により、電磁鋼板１に矢印１０の方向に磁界３０００Ａ／ｍを印加した。このときのＢｓ：２．０、Ｈｃ：０．８、λ_Ｅ：１．２×１０^−３として、σ：１．３×１０^−３
となる。

この方法で得られた電磁鋼板のヒステリシス損は、０．３５mmの圧延方向ＲＤを基準（これを１とした比鉄損）として、図３に示した。本発明の直交磁顕界中張力熱処理方法を採用したヒステリシス損１１，１２は、本発明によらない従来の方法で製造されたヒステリシス損１３、１４に対して低下し、しかも、ＲＤとＴＤ(鋼板面内のＲＤと直角方向)ともに改善されている。特に板厚が０．２mm以下での改善が大きい。

６．５質量％のＳｉを含有する無方向性電磁鋼板を実施例１と同じ工程で直交磁界中張力熱処理を行った。張力焼鈍方向のＲＤでも、鉄損が５％低減した。

本発明の実施設備を模式的に示した説明図。 本発明を実施する冷却部の断面を模式的に示した説明図。 ヒステリシス損の板厚依存性を示す図。

符号の説明

１：電磁鋼板
２：通搬方向
３、４：張力付加装置
５：焼鈍炉
６：冷却部
７：冷却ボックス
８：励磁巻線
９：継鉄
１０：磁界印加方向
１１：本発明方法におけるＲＤのヒステリシス損
１２：本発明方法におけるＴＤのヒステリシス損
１３：従来方法におけるＲＤのヒステリシス損
１４：従来方法におけるＴＤのヒステリシス損

Claims (9)

1. 磁化容易方向の磁歪が正である板状軟質磁性材料の熱処理方法において、板面内の一方向に張力を付与しつつ、板面内の張力付与方向とは直角方向に磁界を印加することを特徴とする板状軟質磁性材料の直交磁界中張力熱処理方法。
2. 張力と磁界の付与開始温度をキュリー点より５０℃低い温度以上とすることを特徴とする請求項１記載の直交磁界中張力熱処理方法。
3. 張力と磁界の付与開始温度より少なくとも３００℃以下までの間張力と磁界を付与することを特徴とする請求項１又は２に記載の直交磁界中張力熱処理方法。
4. 連続焼鈍ラインの出側の冷却工程で、直交磁界中張力熱処理を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理方法。
5. 磁界の大きさを室温保磁力の３倍以上とすることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理方法。
6. 張力の大きさを下記の応力σとすることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理方法。
   σ≧Ｂ_ＳＨ_Ｃ／λ_Ｅ
   λ_Ｅ：室温磁化容易方向磁歪 Ｂ_Ｓ：室温飽和磁化 Ｈ_Ｃ：室温保磁力
7. 請求項１から６のいずれかに記載の直交磁界中張力熱処理を行って得たことを特徴とする高性能無方向性電磁鋼板。
8. 板厚が０．２mm以下あるいは、板厚方向に結晶粒径が２個以下であることを特徴とする請求項７記載の高性能無方向性電磁鋼板。
9. Ｓｉ含有量が７質量％以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の高性能無方向性電磁鋼板。

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