JP2012012664A

JP2012012664A - 方向性電磁鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP2012012664A
Application number: JP2010150367A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kijima; 剛木島; Seiji Okabe; 誠司岡部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: JP5691265B2

Abstract

【課題】磁区細分化により鉄損を低減させる方向性電磁鋼板の製造方法において、磁区細分化をより確実に実現する手法について提供する。
【解決手段】コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、該仕上焼鈍時のコイルの内巻き部分から外巻き部分に向けて、当該鋼板部分に照射するレーザーのエネルギー密度を高めていく。
【選択図】なし

Description

本発明は、トランスなどの鉄心材料に用いる方向性電磁鋼板の製造方法に関するものである。

方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を、(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位を制御することや、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性（歪）を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。

例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることによって、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。レーザー照射を用いる磁区細分化技術は、その後改良され（特許文献２、特許文献３および特許文献４などを参照）鉄損特性が良好な方向性電磁鋼板が得られるようになってきている。

以上の通り、電磁鋼板の鉄損低減に向けて、種々の技術的改善がなされてはいるものの、近年の省エネルギーや環境保護に対する意識の高まりから、方向性電磁鋼板に対して、更なる鉄損特性の改善が要求されている。

特公昭５７−２２５２号公報特開２００６−１１７９６４号公報特開平１０−２０４５３３号公報特開平１１−２７９６４５号公報

しかしながら、上掲した特許文献１〜４に記載の方向性電磁鋼板に係る技術は、そのいずれもが上記した要求に応えられる鉄損値を得られるものではなかった。
そこで、本発明は、磁区細分化により鉄損を低減させる方向性電磁鋼板の製造方法において、磁区細分化をより確実に実現する手法について提案することを目的とする

発明者らは、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍時における結晶粒があった位置の鋼板の曲率半径と磁区幅の関係を詳細に調べた。その結果、前記曲率半径が大きくなるとβ角の変化による影響のため磁区幅が広くなる領域が増加する、という知見を得た。
すなわち、仕上焼鈍は長時間を要するために、鋼板をコイルに巻き取った状態でバッチ焼鈍によって行うのが通例である。この仕上焼鈍においては、鋼板が圧延方向に所定の曲率半径を有した状態で二次再結晶が進行する。したがって、仕上焼鈍後の鋼板がそのままの曲率で保持されていれば、同一結晶粒内では結晶方向が同一方向となっているが、仕上焼鈍後に平坦化焼鈍によって矯正し、鋼板を曲率のない平坦な状態とすると、結晶は撓んだ形状になり、同一結晶粒内で鋼板矯正前の当該結晶粒における曲率半径に応じて圧延方向に結晶方位が徐々に変化することになる。これは、比較的に大きな二次再結晶粒を有する方向性電磁鋼板において顕著である。

そのため、仕上焼鈍後に平坦化した状態では、特に、仕上焼鈍時の曲率半径に応じて同一結晶粒内でも圧延方向にβ角が変化することになる。ここで、β角は、二次再結晶方位の圧延面内直角方向（ＴＤ）周りにおける理想ゴス方位からのずれ角（°）である。このβ角は、磁区幅に影響を及ぼし、β角が小さいほど磁区幅が広くなる傾向がある。
上記した磁区細分化処理は、処理前の磁区幅が広いほど、磁区細分化効果すなわち鉄損低減効果が高くなる。一方、磁区細分化処理前に既に磁区幅が狭い場合は、磁区細分化の効果が少ない。磁区細分化処理は、処理領域周辺を磁区細分化して鉄損を低減する効果があるが、処理領域直下だけをみれば磁区構造が乱れるため、鉄損に関して不利がある。したがって、コイル全体で見た場合、特に磁区細分化処理がより有効である、β角が小さい領域の量は、仕上焼鈍時の曲率半径によって異なるから、最適な磁区細分化条件も、レーザー照射領域が先の仕上焼鈍中に付与されていた曲率半径に応じて異なると考えられる。しかしながら、現在まで以上の点を考慮に入れて磁区細分化が行われることはなかったのである。

かように、磁区細分化処理を実施する際に、仕上焼鈍時の曲率半径を考慮に入れて行うことによって、より確実かつ効果的に磁区細分化をはかれることを新たに知見し、本発明を完成するに到った。

本発明の要旨構成は、次の通りである。
（１）コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、該仕上焼鈍時のコイルの内巻き部分から外巻き部分に向けて、当該鋼板部分に照射するレーザーのエネルギー密度を高めていくことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。

（２）前記仕上焼鈍時のコイルの曲率半径の最大値をＲ１(mm)および最小値をＲ０(mm)、照射するレーザーの平均エネルギー密度の最大値をＥ１(mJ/mm²)および最小値をＥ０(mJ/mm²)、そしてｋを任意定数とした際、下記式を満足する平均エネルギー密度にてレーザーの照射を行うことを特徴とする前記（１）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
記
Ｅ１＝ｋ（Ｒ１−Ｒ０）＋Ｅ０

なお、上記のＲ１およびＲ０、Ｅ１およびＥ０の好適範囲は、Ｒ０：500〜1000 mmおよびＲ１の範囲を1000〜2000mmとすることが好ましく、さらにＥ０の範囲を２〜３mJ/mm²およびＥ１の範囲を６〜９mJ/mm²とすることが好ましい。その理由については後述する。

本発明によれば、レーザーを照射する際のエネルギー密度を照射領域にある結晶粒があった位置の鋼板の曲率半径に応じて変化させることによって、低鉄損の方向性電磁鋼板を特性がばらつくことなく確実に製造することができる。

上述したように、方向性電磁鋼板の仕上焼鈍時における結晶粒があった位置の鋼板の曲率半径が大きくなると、β角の変化による影響のため磁区幅が広くなる領域が増加することを知見した。この知見に立脚すると、曲率半径が大きくなるほど磁区幅が広くなる領域が多くなるため、レーザー照射による磁区細分化処理を施す必要性が高まるが、一方で曲率半径が小さい場合は磁区幅がすでに比較的狭い状態であるから、レーザー照射による磁区細分化処理は必ずしも必要とならず、処理の程度が強まると却って前述した弊害を生じることになる。すなわち、レーザー照射は、仕上焼鈍時のコイルにおける曲率半径が大きい鋼板部分ほど強力な条件下、つまりレーザー照射のエネルギー密度が高くなるように施した方が、曲率半径に関わらず一定の条件下で施した時に比べてコイル全体として見た場合に鉄損を低減することが可能となる。

従って、本発明では、仕上焼鈍後にレーザー照射を行うに当って、該仕上焼鈍時のコイルの内巻き部分から外巻き部分に向けて照射するレーザーのエネルギー密度を高めていくことによって、仕上焼鈍時のコイルにおける曲率半径に応じて照射するレーザーのエネルギー密度を調整するようにした。

より具体的には、仕上焼鈍時にコイル状に巻かれた鋼板の曲率半径の最大値をＲ１(mm)および最小値をＲ０(mm)、レーザーの平均エネルギー密度の最大値をＥ１(mJ/mm²)および最小値をＥ０(mJ/mm²)、そしてｋを任意定数とした場合に、次式
Ｅ１＝ｋ（Ｒ１−Ｒ０）＋Ｅ０
を満足するレーザービームを照射すれば、仕上焼鈍時の曲率半径を考慮することなく一定の条件下でレーザー照射を行っていた在来処理に比べて、コイル全体で評価したときの鉄損が低減することを見出した。なお、レーザーの平均エネルギー密度E(mJ/mm²)とは、レーザーのパワーをP(W)、レーザーの走査速度をV(m/s)、レーザー照射の圧延方向の反復間隔をL(mm)とした場合に、E=P/(V×L)で定義される値である。

すなわち、仕上焼鈍時にコイル状に巻かれた鋼板の曲率半径が最大となるのはコイルの外巻き部分であり、同最小値となるのは同内巻き部分であり、これら曲率半径は予め定まるから、これら曲率半径に応じた適切なレーザーの平均エネルギー密度との関係からエネルギー密度の変化率であるｋが求まる。従って、仕上焼鈍時にコイルに応じて、上式を満足するレーザービーム照射を適用すれば、結果として、仕上焼鈍時のコイルの内巻き部分から外巻き部分に向けて照射するレーザーのエネルギー密度を適切に高めることができる。

次に、上記した本発明において曲率半径Ｒやレーザーの平均的エネルギー密度Ｅの好適範囲について説明する。
上述の知見に基づいて鋭意究明したところ、前記曲率半径Ｒ０が1000mm以下の範囲は比較的磁区幅が狭い鋼板部分であり、レーザーの平均エネルギー密度が２〜３mJ/mm²までは磁区細分化効果が認められたが、さらにエネルギー密度を大きくしても、それ以上の磁区細分化効果は認められなかった。また、Ｒ０が500mm未満の範囲では既に磁区幅が充分狭くなっており、レーザーによる磁区細分化効果はみられないから、Ｒ０は500mm以上とした。このような場合にレーザーを照射すると過剰な局所歪みの導入により磁区構造に乱れが生じて履歴損が劣化するので好ましくない。

一方、Ｒ１：1000mm〜2000mmでは磁区幅が比較的広いため、レーザーの平均エネルギー密度が６〜９mJ/mm²の強い領域とすることで十分な磁区細分化の効果が認められたが、それ以上の平均的エネルギー密度では更なる磁区細分化効果は認められなかった。これ以上の平均的エネルギー密度の領域では、磁区細分化効果は飽和する一方で、上記の場合と同様に過剰な局所歪みの導入により履歴損が劣化するので好ましくない。

したがって、本発明ではＲ0の範囲を500〜1000 mm、およびＲ１の範囲を1000〜2000 ｍｍｍとすることが好ましく、さらにＥ０の範囲を２〜３mJ/mm²およびＥ１の範囲を６〜９mJ/mm²とすることが好ましい。そして、これらＲ０およびＲ１を満たすようなコイル形状において仕上焼鈍を施し、その後の磁区細分化処理におけるレーザーの平均エネルギー密度Ｅ０およびＥ１は、曲率半径に応じた適切なレーザーの平均エネルギー密度との関係から定めればよく、そのコイル形状やコイル素材、その他性状に応じて具体的な値を定められる。

同様に、上式における比例定数ｋの範囲について述べる。最適なｋの値は、鋼板の平均的な被膜張力や二次粒径によっても変化する。これは被膜張力が大きくなることによって、もしくは二次粒径が小さくなることによって磁区が細分化するために、各照射領域において仕上焼鈍時に同じ曲率半径であっても磁区細分化に最適なレーザ照射条件が変化するからである。
なお、この発明では磁区細分化方法としてレーザーを照射するとしているが、曲率半径に応じてレーザーの照射強度を変化させられればよく、他のレーザの条件については何ら問われるものではないが、以下に示す条件が推奨される。

本発明におけるレーザー照射の圧延方向の反復間隔は２〜８mm程度とすればよい。また、圧延方向にほぼ直交する方向（概ね90°〜60°）の線状の局所歪については、その圧延方向の反復間隔は２〜20mm程度とすればよい。

そして、本発明で照射するレーザーの光源としては、連続波レーザー、パルスレーザーのいずれでもよく、ＹＡＧレーザーやＣＯ_２レーザー等の種類も選ぶ必要はない。ここで、最近使用されるようになってきたグリーンレーザーマーカーは、照射精度の面で特に好適である。その際、グリーンレーザーマーカーにおけるレーザーの出力は、単位長さ当たりの熱量として、５〜100J/m程度の範囲が好ましい。
また、レーザービームのスポット径は0.1〜0.5mm程度の範囲とし、圧延方向の繰返し間隔は１〜20mm程度の範囲とすることが好ましい。
なお、鋼板に付与される塑性歪の深さは、5〜50μｍ程度とするのが好適である。

この発明において、上述した条件を満たすレーザー照射による線状の局所歪を鋼板表面に付与する対象となる方向性電磁鋼板（仕上焼鈍済みの鋼板）は、従来公知のいずれの成分組成範囲になる方向性電磁鋼板もが包含される。一般的には、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減する効果のあるSiを２mass％程度以上で含有する成分の鋼板である。

さらに、製造条件についても制限はなく、仕上焼鈍（二次再結晶焼鈍）が曲率半径を有した状態、すなわちコイル状態で施されるものであればよい。従って、方向性電磁鋼板のその他の製造条件は、二次再結晶を生じさせて方向性電磁鋼板が得られるものであれば、従来公知のいずれの方法も利用することができる。

例えば、仕上焼鈍までの工程は、一般的には、Si及びインヒビター成分を含有する鋼を加熱してから熱間圧延を施し、必要に応じて熱延板焼鈍を施してから、１回又は中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して最終板厚とし、次いで脱炭焼鈍、更に焼鈍分離剤を塗布してから仕上焼鈍に供する工程になる。なお、素材のAl、Ｎ、ＳおよびSeの含有量を制限したインヒビターを利用しないで二次再結晶される方法も利用可能である。

上述のとおり、本発明の方法では、素材については方向性電磁鋼板の一般に従えばよい。例えば、Si：2.0〜8.0mass％を含む電磁鋼素材を用いればよい。
Si：2.0〜8.0質量％
Siは、鋼の電気抵抗を高め、鉄損を改善するのに有効な元素であるが、含有量が2.0質量％に満たないと十分な鉄損低減効果が達成できず、一方、8.0質量％を超えると加工性が著しく低下し、また磁束密度も低下するため、Si量は2.0〜8.0質量％の範囲とすることが好ましい。

ここで、Siの他の基本成分および任意添加成分について述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加をするが、0.08質量％を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが困難になるため、0.08質量％以下とすることが好ましい。なお、下限に関しては、Ｃを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。

Mn：0.005〜1.0質量％
Mnは、熱間加工性を良好にする上で必要な元素であるが、含有量が0.005質量％未満ではその添加効果に乏しく、一方1.0質量％を超えると製品板の磁束密度が低下するため、Mn量は0.005〜1.0質量％の範囲とすることが好ましい。

ここで、二次再結晶を生じさせるために、インヒビターを利用する場合、例えばAlＮ系インヒビターを利用する場合であればAlおよびＮを、またMnＳ・MnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび／またはＳを適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl、Ｎ、ＳおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al：0.01〜0.065質量％、Ｎ：0.005〜0.012質量％、Ｓ：0.005〜0.03質量％、Se：0.005〜0.03質量％である。
さらに、本発明は、Al、Ｎ、Ｓ、Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
この場合には、Al、Ｎ、ＳおよびSe量はそれぞれ、Al：100 質量ppm以下、Ｎ：50 質量ppm以下、Ｓ：50 質量ppm以下、Se：50 質量ppm以下に抑制することが好ましい。

上記の基本成分以外に、磁気特性改善成分として、次に述べる元素を適宜含有させることができる。
Ni：0.03〜1.50質量％、Sn：0.01〜1.50質量％、Sb：0.005〜1.50質量％、Cu：0.03〜3.0質量％、Ｐ：0.03〜0.50質量％、Mo:0.005〜0.10質量％およびCr:0.03〜1.50質量％のうちから選んだ少なくとも１種
Niは、熱延板組織を改善して磁気特性を向上させるために有用な元素である。しかしながら、含有量が0.03質量％未満では磁気特性の向上効果が小さく、一方1.5質量％を超えると二次再結晶が不安定になり磁気特性が劣化する。そのため、Ni量は0.03〜1.5質量％の範囲とするのが好ましい。

また、Sn、Sb、Cu、Ｐ、CrおよびMoはそれぞれ磁気特性の向上に有用な元素であるが、いずれも上記した各成分の下限に満たないと、磁気特性の向上効果が小さく、一方、上記した各成分の上限量を超えると、二次再結晶粒の発達が阻害されるため、それぞれ上記の範囲で含有させることが好ましい。
なお、上記成分以外の残部は、製造工程において混入する不可避的不純物およびFeである。

AlN 及びMnSeをインヒビター成分として含有するスラブを素材として、中間焼鈍を含む２回冷延法によって仕上げ焼鈍まで施し、平坦化焼鈍を行って0.23mm厚の3.2mass％のSiを含有する方向性電磁鋼板を得た。なお、仕上げ焼鈍はコイルに巻き取った状態で行った。この鋼板コイルから、仕上げ焼鈍時のコイル曲率半径Ｒ（mm）が300 mmから100mm間隔で2500 mmまで変えた各位置で試料を採取し、それぞれの位置について幅30mmおよび長さ280 mmの試験片を５枚作製した。

次いで、リン酸マグネシウム、コロイダルシリカ、重クロム酸を主成分とする張力コーティングを施した。その後、この試験片の表面にパルス発振したYAGレーザを照射した。このとき、パルスレーザの平均エネルギー密度を、曲率半径に応じて変化させた。また、比較として曲率半径に関係なく一定のエネルギー密度で照射させた。以上の磁区細分化処理後の試験片について鉄損を測定した。その測定結果を表１に示す。

なお、Ｗ_17/50改善値の平均と分散は、レーザ照射前後での鉄損Ｗ_17/50の改善代を、500 mmから100mm間隔で2000 mmまで変えた各位置で採取した幅30mmおよび長さ280 mmの試験片５枚について個別に測定した結果に対して、その平均値と分散値を計算したものである。

本発明に従う条件下では、エネルギー密度一定の場合に比べて比較的高い鉄損低減効果があったことがわかる。一方、エネルギー密度が一定（ｋ＝０）の場合、比較的低いエネルギー密度では磁区幅が広い時に磁区細分化効果が充分ではなく、一方比較的高いエネルギー密度では過剰に局所歪みが導入されたことによる履歴損増加の影響があるため、どちらもコイル全体で考えた時に効率的に磁区細分化処理が行われなかったためだと考えられる。

Claims

コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、該仕上焼鈍時のコイルの内巻き部分から外巻き部分に向けて、当該鋼板部分に照射するレーザーのエネルギー密度を高めていくことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
前記仕上焼鈍時のコイルの曲率半径の最大値をＲ１(mm)および最小値をＲ０(mm)、照射するレーザーの平均エネルギー密度の最大値をＥ１(mJ/mm²)および最小値をＥ０(mJ/mm²)、そしてｋを任意定数とした際、下記式を満足する平均エネルギー密度にてレーザーの照射を行うことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
Ｅ１＝ｋ（Ｒ１−Ｒ０）＋Ｅ０