JP2012036449A - 方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱歪や溝を圧延方向とほぼ直角方向に導入する手法並びに、鋼板に張力を付与する手法を併用する磁区細分化処理における適正条件を与えることにより、方向性電磁鋼板の鉄損をさらに低減する。
【解決手段】表面に被膜を有する方向性電磁鋼板に、電子ビーム照射による磁区細分化処理を施すに当たり、前記電子ビーム照射に先立ち、前記被膜により鋼板に付与されている張力Ｔ(MPa)を測定し、その後に施す電子ビーム照射の圧延方向への照射間隔Wr(mm)を前記張力Ｔの0.1〜0.6倍に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は変圧器などの鉄心材料に用いられ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。さらに、結晶方位の制御や、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、鋼板表層に高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることにより、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。また、特許文献２には、電子ビームの照射により磁区幅を制御する技術が提案されている。

特公昭57−2252号公報 特公平６−72266号公報

磁区細分化処理は、その名の通り磁区を細分化することを目的としている。この磁区の細分化には、上述の通り、鋼板に熱歪や溝を圧延方向とほぼ直角方向に導入する方法もあるが、硬質被膜や絶縁コーティングにより鋼板に張力を付与する方法でも磁区は細分化される。これら両手法は、相互に適正である条件に制御しないと、両手法による鉄損低減効果を最大限に発揮することが難しいところ、これまでは、かような適正条件については特に考慮されていなかった。

すなわち、本発明は、熱歪や溝を圧延方向とほぼ直角方向に導入する手法並びに、鋼板に張力を付与する手法を併用する磁区細分化処理における適正条件を与えることにより、方向性電磁鋼板の鉄損をさらに低減しようとするものである。

まず、熱歪や溝を圧延方向とほぼ直角方向に導入する手法について検討した。すなわち、電子ビーム照射による磁区細分化は、鋼板に熱歪を加える手法であるが、他の熱歪付与型の磁区細分化処理であるレーザー照射やプラズマ炎照射よりも、照射面積が小さいことが特徴である。熱歪を付与された部分は鋼板の結晶が歪んでおり、他の鋼板部分の磁区を細分化する効果があるものの、熱歪付与部分自体は磁区構造が乱れ、磁気特性には好ましくない領域となっている。電子ビーム照射ではこの領域が小さく、他の手法と比較すると優位である。したがって、電子ビーム照射では他の手法に比べて、照射間隔の自由度が増すことになる。
また、電子ビームは他の手法よりも鋼板表面の被膜に与えるダメージが小さいのも特徴である。これは、電子ビームが被膜をすり抜け鋼板内部にまで達することができることに起因する。

そこで、発明者らは、電子ビーム照射での圧延方向の照射間隔と、被膜、つまり下地被膜および絶縁コーティングによる張力（すなわち鋼板に付与されている張力の合計）との関係に注目した。その結果、被膜による磁区細分化の程度に応じて照射間隔を制御することによって、鋼板全体としてさらなる低鉄損を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。

表面に被膜を有する方向性電磁鋼板に、電子ビーム照射による磁区細分化処理を施すに当たり、前記電子ビーム照射に先立ち、前記被膜により鋼板に付与されている張力Ｔ(MPa)を測定し、その後に施す電子ビーム照射の圧延方向への照射間隔Wr(mm)を前記張力Ｔに基づいて、下記式の範囲内に制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
0.1≦Wr／T≦0.6

ここで、上記被膜としては、フォルステライト被膜と該被膜上に施す絶縁コーティングとの組み合わせのほか、鋼板表面にTiNやTiCを単独でコーティングしたものなどが対象となる。

本発明により、被膜張力に相応した照射間隔にて電子ビームによる磁区細分化処理を施すことが可能になり、さらなる低鉄損化が実現する。

被膜による張力および電子ビーム照射間隔の比と鉄損との関係を示すグラフである。

まず、本発明を導くに至った知見の基礎となる実験について、説明する。
すなわち、Si：３質量％を含有する、最終板厚0.23mmに圧延された冷延板を、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶過程と純化過程を含む最終焼鈍を施し、フォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板を得た。その後、シリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コートを塗布、850℃にて焼付けて供試用の鋼板を作製した。ついで、圧延方向と直角（90°）に電子ビームを連続的に照射する磁区細分化処理を、鋼板の片面に施した。なお、電子ビームは、加速電圧100kV、ビーム電流値1.0mA、走査スピード５m/秒の条件で行った。この際、圧延方向の照射間隔を種々に変更した。

得られた鋼板の磁気特性を、JIS Ｃ2550に準拠して測定した。張力は、磁区細分化処理前に、鋼板の片面をフォルステライト被膜およびコーティングごと酸洗して10μｍ厚みにわたり除去することにより、鋼板に反りを発生させ、この反りの大きさを測定して張力を計算した。

ここに、測定した鉄損、フォルステライト被膜および絶縁コーティングから与えられている張力Ｔ(MPa)並びに、電子ビームの照射間隔Wr(mm)との関係を、図１に示す。
同図から明らかなように、磁区細分化による鉄損低減効果は、張力Ｔと照射間隔との関係により大きく変化する。
すなわち、電子ビームによる磁区細分化処理の圧延方向照射間隔Wr(mm)と、照射される方向性電磁鋼板の照射面のフォルステライト被膜および絶縁コーティングの合計張力T(MPa)との関係は、0.1≦Wr／Ｔ≦0.6の範囲にあるときに格段の鉄損低減効果が発揮される。Wr／Ｔが0.1未満であれば、張力効果に対して磁区細分化処理が過分であり、かえって磁気特性が劣化する。すなわち、張力が低ければ磁区幅は比較的広いので、照射間隔を狭くすることによる磁区細分化処理が発揮される余地がある。しかしながら、照射した部位自体は歪により磁区が乱れて鉄損や磁束密度が劣化するため、張力が高く張力効果によって磁区の細分が進んだ状態では、照射間隔を狭くすると、照射部分が増える弊害が顕著となり、磁気特性の劣化に至ってしまう。また、0.6を超えると、電子ビーム照射もしくは張力付与による磁区細分化効果が不十分であり、低鉄損を達成しにくくなる。

なお、フォルステライト被膜および絶縁コーティングの合計張力は、磁区細分化処理を施す前に事前に測定しておく必要がある。なぜなら、測定張力に応じて、その後の電子ビーム照射の間隔を決定するからである。

そのためには、鋼板の片面をフォルステライト被膜とコーティングごと酸洗等の手法で除去することで鋼板に反りを発生させ、この反りの大きさを測定して張力を計算する方法が一般的である。磁区細分化処理前にその都度、張力値を測定してもよいが、例えば、種々の鋼種（板厚、Ｓｉ量等）や製造条件（焼鈍分離剤塗布量、コーティング組成や形成条件等）に対して予め張力値を求めておき、磁区細分化処理を施す鋼板の製造履歴に応じて、同一もしくは近接した製造履歴について予め求められている張力値を採用してもよい。もちろん、磁区細分化処理までに、製品特性上必要な被膜形成およびコーティング塗布は実施しておく必要がある。

磁区細分化を施す方向性電磁鋼板としては、磁束密度Ｂ_８が高いほど磁区細分化効果が大きいことから、Ｂ_８が1.90Ｔ以上であることが望ましい。さらに望ましくは、1.92Ｔ以上である。
また、鋼板表面の被膜は、方向性電磁鋼板において一般的な、フォルステライト被膜を形成したのち該被膜上にガラス質のコーティングを付与するものが典型例である。また、ガラス質のコーティングに換えて、より強い張力を付与できるTiNコーティングやTiCコーティングを適用することもでき、さらに効果的である。

電子ビームによる磁区細分化において、電子ビームの照射は圧延方向を横切る方向、好適には圧延方向に対して60°〜90°の方向に施す。さらに好適なのは80〜90°である。照射条件としては、10〜200kVの加速電圧、0.005〜10mAの電流、ビーム径は0.005〜１mmを用いて、点状あるいは線状に施すのが効果的である。

次に、本発明に従う方向性電磁鋼板の製造条件に関して具体的に説明する。
本発明において、方向性電磁鋼板用スラブの成分組成は、二次再結晶が生じる成分組成であればよい。
また、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。

本発明の方向性電磁鋼板用スラブの基本成分および任意添加成分について具体的に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。

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。

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。

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％、Nb:0.002〜0.020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、Mo、NbおよびCr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。

次いで、上記した成分組成を有するスラブは、常法に従い加熱して熱間圧延に供するが、鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延しても良いし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進んでもよい。

さらに、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。この時、ゴス組織を製品板において高度に発達させるためには、熱延板焼鈍温度として800〜 1100℃の範囲が好適である。熱延板焼鈍温度が800℃未満であると、熱間圧延でのバンド組織が残留し、整粒した一次再結晶組織を実現することが困難になり、二次再結晶の発達が阻害される。一方、熱延板焼鈍温度が1100℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるために、整粒した一次再結晶組織の実現が極めて困難となる。
熱延板焼鈍後は、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施した後、再結晶焼鈍を行い、焼鈍分離剤を塗布する。焼鈍分離剤を塗布した後に、二次再結晶およびフォルステライト被膜の形成を目的として最終仕上げ焼鈍を施す。

最終仕上げ焼鈍後には、平坦化焼鈍を行って形状を矯正することが有効である。なお、本発明では、平坦化焼鈍前または後に、鋼板表面に絶縁性を有する絶縁コーティングを施す。

本発明では、上述した絶縁コーティング後の方向性電磁鋼板の張力値を求め、その張力値に応じた所定の関係を満足する圧延方向照射間隔で鋼板表面に電子ビームを照射することにより、磁区細分化を施すものであり、その際、電子ビームを照射する際の真空度を前述のとおり制御することで、電子ビーム照射による磁区細分化効果を十分に発揮させることができる。

Si：３質量％を含有する、最終板厚0.23mmに圧延された冷延板を、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶過程と純化過程を含む最終焼鈍を施し、フォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板を得た。その後、シリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コートを塗布、850℃にて焼付けた鋼板と、CVD法によりTiNコーティングを適用した鋼板とに作り分けた。その際、各々のコーティング厚みを変化させることで鋼板に付与された張力を変化させた。

ついで、圧延方向と直角（90°）に電子ビームを連続的に照射する磁区細分化処理を、鋼板の片面に施した。なお、電子ビームは、加速電圧50kV、ビーム電流値2.0mA、走査速度４m/秒の条件で行った。この際、圧延方向の照射間隔を種々に変更した。

かくして得られた供試材の磁気特性を、JIS Ｃ2550に準拠して測定した。張力は、磁区細分化処理前に、鋼板の片面をフォルステライト被膜およびコーティングごと酸洗して10μｍ厚みにわたり除去することにより、鋼板に反りを発生させ、この反りの大きさを測定して張力を計算した。

ここに、測定した鉄損、フォルステライト被膜および絶縁コーティングから与えられている張力Ｔ(MPa)並びに、電子ビームの照射間隔Wr(mm)を、表１にまとめて示す。

Claims (1)

1. 表面に被膜を有する方向性電磁鋼板に、電子ビーム照射による磁区細分化処理を施すに当たり、前記電子ビーム照射に先立ち、前記被膜により鋼板に付与されている張力Ｔ(MPa)を測定し、その後に施す電子ビーム照射の圧延方向への照射間隔Wr(mm)を前記張力Ｔに基づいて、下記式の範囲内に制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
   記
   0.1≦Wr／T≦0.6
   
   

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