JP2012052229A - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁区細分化処理により低鉄損を実現した方向性電磁鋼板において、変圧器鉄心等に積層して使用した場合に鉄心が発生する騒音を低減させる方途について提案する。
【解決手段】鋼板表面における被膜のクラック総長さが10000μｍ²当たり20μｍ以下である方向性電磁鋼板に、該鋼板の圧延方向と交差する方向へ線状に導入する熱歪みによる、磁区細分化を、前記圧延方向に所定間隔の下に施して、鋼板の反りを前記圧延方向長さ500mm当たり３mm以下とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、変圧器などの鉄心材料に用いる、該鉄心に適用した際に騒音の低い方向性電磁鋼板およびそ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、鋼板に電子ビームを照射すること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

ところで、変圧器の騒音は、一般的に電磁鋼板が磁化した時に生じる磁歪挙動が原因であることが知られている。３％程度のSiを含有する電磁鋼板においては、通常、磁化した方向に鋼板が伸長する。そして、交流励磁された場合、磁化方向は零を挟んで正負方向に交番磁化となるため、鉄心は伸縮運動を繰り返すことになり、この磁歪振動に伴って騒音が発生する。
このほかにも騒音の原因として、鋼板同士の電磁振動が挙げられる。交流励磁されることで鋼板は磁化するが、この際、鋼板同士に引力や斥力が発生して、いわゆるバタついた状態となり騒音の原因となるものである。このような現象は良く知られており、変圧器製造の際、鋼板同士を締めつけることで、バタつきが生じないようにする対策がとられているが、十分でない場合がある。

そこで、本発明は、磁区細分化処理により低鉄損を実現した方向性電磁鋼板において、変圧器鉄心等に積層して使用した場合に鉄心が発生する騒音を低減させる方途について提案することを目的とする。

さて、方向性電磁鋼板は、一般にコイル状に巻き取った状態で長時間焼鈍を施すことにより製造しているため、この焼鈍後の製品は、コイル状の巻き癖が付いた状態となる。したがって、出荷に際しては、連続焼鈍ラインで800℃以上の高温として平坦化焼鈍を実施する場合が多い。しかしながら、連続のラインにて、かつ炉長が長い場合や支持ロールの間隔が広い場合には、高温になると鋼帯はクリープ変形し炉内で撓みが発生してしまう。また、平坦化焼鈍において炉内張力を高めると、鋼板の矯正効果は高まるが、同時に前記のクリープ変形を助長する。これらの要因により、例えば図１に「微細な亀裂」として示すように、鋼板表面の被膜がクラック状の損傷を受けることになる。このような鋼板表面の被膜におけるクラックは、鉄損特性を劣化させる要因になる。なお、図１は、フォルステライト被膜（Mg_２SiO_４を主体とする被膜）上に絶縁コーティングを有する製品板のフォルステライト被膜に存在する微細な亀裂を示す、加速電圧15kVで観察した反射電子像写真である。

ここで、平坦化焼鈍時の炉内張力を５〜50MPaとして得られたフォルステライト被膜上に絶縁コーティングを有する製品板について、加速電圧を15kVとした反射電子像で鋼板表面を観察し、その観察視野10000μｍ²あたりの上記クラックの総長さと、各鋼板の鉄損とを調査した。その調査結果について、クラックの総長さを横軸として、鉄損特性を縦軸として、図２に示す。この結果から、クラックの総長さを20μｍ以下にすることが鉄損特性の劣化を抑制するために重要であることが分かる。

一方、被膜の損傷を抑えることは、平坦化焼鈍の温度や炉内張力を低下させることにより、可能となる。すなわち、平坦化焼鈍を行わない場合には、鋼板表面にクラックはほとんど発生していない。しかしながら、このように平坦化焼鈍を行わなかったり、平坦化焼鈍での矯正力を弱めたりすると、巻き癖は部分的に残留し、結果として、コイルから鋼板を切り出すと鋼板は反りを有する状態となってしまう。このような巻き癖は、変圧器として積層した際に、鋼板間の隙間の原因となり、結果として電磁振動によるバタつきの要因となり得るため、騒音の増大につながってしまう。また、変圧器として積層する際、鋼板に反りが存在するとハンドリングがしにくく、積層も困難になることが予想される。

発明者らは、このような反りの低減に、歪み付与型の磁区細分化処理が利用可能であることに想到した。
例えば、電子ビームによって磁区細分化処理を行うと、その磁区構造から、照射された鋼板表面に若干の引張応力が残留した状態となっていることが予想される。これは照射された部分が熱せられた後、急激に冷却される際の体積変化に起因すると考えられる。
このような引張応力は磁区細分化による鉄損改善に対してさらに有利に働くが、このような特徴を形状矯正に積極的に利用出来ることが想定される。具体的には、磁区細分化を施す際、コイル形状にて焼鈍した外周側（巻き癖で湾曲した凸状となる側）から熱歪み型の磁区細分化処理を行うことにより、その引張応力によって形状矯正の可能性があることを見出した。さらに、発明者らは、磁区細分化に適したビーム密度と磁区細分化処理の処理間隔について鋭意検討を行ったところ、鉄損特性を十分に低減しつつ、形状をも改善させる方途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。

（１）鋼板表面における被膜のクラック総長さが10000μｍ²当たり20μｍ以下である方向性電磁鋼板に、該鋼板の圧延方向と交差する方向へ線状に導入する熱歪みによる、磁区細分化を、前記圧延方向に下記間隔Ｄmmの下に施してなり、鋼板の反りが前記圧延方向長さ500mm当たり３mm以下であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
記
0.5／（Δβ／10）≦Ｄ≦1.0／（Δβ／10）
ここで、Δβ（°）：二次再結晶粒内の圧延方向10mmあたりのβ角（圧延方向に最も
近い結晶粒の<001>軸が鋼板面となす角度）の変動値

（２）前記熱歪みの導入は、電子ビーム照射によるものである前記（１）に記載の方向性電磁鋼板。

（３）前記熱歪みの導入は、レーザー照射によるものである前記（１）に記載の方向性電磁鋼板。

（４）鋼板表面における被膜のクラック総長さが10000μｍ²当たり20μｍ以下である、仕上げ焼鈍後の方向性電磁鋼板に、該鋼板の圧延方向と交差する方向へ線状に導入する熱歪みによる磁区細分化処理を施すに当たり、該磁区細分化処理は、前記圧延方向に下記間隔Ｄmmにて前記仕上げ焼鈍時のコイルの外巻き側から熱歪みの導入を行うことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
0.5／（Δβ／10）≦Ｄ≦1.0／（Δβ／10）
ここで、Δβ（°）：二次再結晶粒内の圧延方向10mmあたりのβ角（圧延方向に最も
近い結晶粒の<001>軸が鋼板面となす角度）の変動値

（５）前記熱歪みの導入は、電子ビーム照射によるものである前記（４）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

（６）前記熱歪みの導入は、レーザー照射によるものである前記（４）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明により、熱歪み付与による磁区細分化処理を施して鉄損を低減した方向性電磁鋼板において、前記磁区細分化処理の条件を厳密に規制して反りを抑制することによって該鋼板を積層した際の鋼板間に発生する隙間を低減することができる。従って、本発明の鋼板を変圧器に適用すれば、さらなる低騒音化を達成することが可能になる。

被膜におけるクラックの発生状態を示す反射電子像写真である。 被膜におけるクラックの総長さと鉄損特性との関係を示すグラフである。 コイルから巻きだした鋼板における結晶粒の方位を示す模式図である。 鋼板の反り量の評価方法を示す図である。 磁区細分化処理の間隔Ｄと反り量との関係を示すグラフである。

本発明の鋼板は、熱歪み付与による磁区細分化処理を施してなることが必須である。この磁区細分化による鉄損改善の観点からは、電子ビーム照射やレーザー照射の条件として、照射方向は圧延方向を横切る方向、好適には圧延方向から60°〜90°の方向で、圧延方向へ３〜15mm程度の間隔が好適である。
また、電子ビームの場合、加速電圧：10〜200kVおよび電流：0.005〜10mA、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。

一方、連続レーザーの場合、パワー密度はレーザー光の走査速度に依存するが100〜10000W/mm²の範囲が好ましい。また、パワー密度は一定のほか、変調を行いパワー密度を周期的に変化させる手法も有効である。励起源としては半導体レーザー励起のファイバーレーザー等が有効である。
また、Ｑスイッチタイプのパルスレーザー等でも同様の効果を得ることは可能である。但し、これを利用する場合、処理痕跡として局所的に鋼板表面の被膜が欠損する場合がある。その場合は、絶縁性を確保するために、再コートが必要となるため、工業的には連続レーザーが適している。

上記した好適範囲を満足しつつ、鋼板の形状矯正に関しては、巻き癖のきついコイル内径側ほど、熱歪み型の磁区細分化処理による強い引張応力が必要であり、逆にコイル外径側ほど矯正に必要とされる引張応力は低くて良いと考えられる。
そこで、この引張応力に与える影響が大きい、電子ビームの照射間隔について鋭意究明した。すなわち、フォルステライト被膜上に絶縁コーティングを有する鋼板から圧延方向に500mmおよび幅方向に50mmの長さで試験片を切り出し、この試験片に対して、加速電圧：200kV、電流：0.8mA、ビーム径：0.5mm、ビーム走査速度：２m/秒の条件にて、電子ビームを圧延方向から90°の方向（Ｃ方向）に対して、コイル形状で焼鈍した外周側（巻き癖で湾曲した凸状となる側）に照射し、形状矯正に適した照射間隔を見出す実験を行った。

この実験では、Δβ（°）をコイルの内径側および外径側を示す指標とした。すなわち、Δβとは、まず、β角を、圧延方向に最も近い結晶粒の<001>軸が鋼板面となす角度と定義したとき、図３にコイルから巻きだした鋼板における結晶粒の方位を模式で示すように、二次再結晶粒内の10mm当たりの該β角の変化である。このΔβは、コイル径と１対１で対応し、例えば、コイル径が1000mmであれば、同一二次再結晶粒内で10mm離れた位置でのβ角を測定すると、1.14°変動した値となる。

試料は、Δβが2.29°、1.14°、0.76°および0.57°の４水準にて作製した。また、照射後の形状は、図４に示すように、500mm長さの鋼板の端部30mmをアクリル板で挟み、幅方向が垂直となるように設置したときの反り量（mm）で評価した。この結果を図５に示す。
図５から、Δβ：2.29°に対しては処理間隔が３〜４mm、Δβ：1.14°に対しては処理間隔が４〜８mm、Δβ：0.76°に対しては処理間隔が７〜13mm、Δβ：0.57°に対しては処理間隔が８mm以上の範囲においてで鋼板の反りを±３mmの範囲に制御できることが分かる。

このような実験を繰り返し、鋼板を矯正するのに適正な処理間隔Ｄ（mm）を調査したところ、
0.5／（Δβ/10）≦Ｄ≦1.0／（Δβ／10）
の範囲を満足する間隔Ｄにて処理を施すことにより、反り量を±３mmの許容レベルに抑制できることを見出した。

なお、Δβが3.3°を超える場合では形状矯正に必要と考えられる処理間隔が３mm以下となるが、そのような鋼板に対しては磁区細分化と形状矯正との両立は困難となるため、Δβは3.3°以下とすることが好ましい。また、Δβが小さい鋼板では、そもそも鋼板の反りがほとんど発生していない。特に、Δβ＜0.4°の鋼板に対して、本発明を適用しようとした場合、Ｄ＞15mmとなるため、磁区細分化の効果を適正に得ることが出来なくなる。
Δβはコイル径と１対１で対応しているため、事前に結晶方位を測定する必要は必ずしもなく、コイル径に対して適正な処理間隔Ｄｍｍを見積もり、磁区細分化処理を行えばよい。

ここで、本発明に係る磁区細分化処理が施される方向性電磁鋼板は、従来公知の方向性電磁鋼板でよい。例えば、Si：2.0〜8.0質量％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。
なお、結晶粒の<100>方向への集積度が高いほど、磁区細分化による鉄損低減効果は大きくなるため、集積度の指標となる磁束密度Ｂ_８が1.90Ｔ以上であることが好ましい。

さらに、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、集合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％、Nb:0.0005〜0.0100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。

上記した成分組成になる鋼スラブは、やはり方向性電磁鋼板の一般に従う工程を経て、二次再結晶焼鈍後に張力絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板とする。すなわち、スラブ加熱後に熱間圧延を施し、１回又は中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延にて最終板厚とし、その後、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、例えば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仕上げ焼鈍を施し、その後、例えばコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる張力絶縁コーティングを塗布して焼付ければよい。
ここで、MgOを主成分とするとは、本発明の目的とするフォルステライト被膜の形成を阻害しない範囲において、マグネシア以外の公知の焼鈍分離剤成分や特性改善成分を含有してもよいことを意味する。

本発明では、上記の最終仕上げ焼鈍の後、または張力絶縁コーティング形成の後に、コイル形状で焼鈍した外周側（巻き癖で湾曲した凸状となる側）から熱歪み型の磁区細分化処理を行なうとともに形状を矯正する。

Si：３質量％を含有する最終板厚0.27mm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、コイル状で二次再結晶過程と純化過程とを含む最終仕上げ焼鈍を施し、フォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板を得た。このコイルの内径側から外径側までの各所から、圧延方向500mmおよび幅方向100mmの試験片を切り出した。切り出した鋼板には、60%のコロイダルシリカとリン酸アルミニウムからなる絶縁コートを塗布し、800℃にて焼付けを行った。この800℃焼付け時に平坦化を同時に行うため圧延方向に５〜50MPaの張力をかけた状態とした。これにより鋼板をクリープ変形させ、被膜に欠損を与えた。欠損の状態は、加速電圧を15kVとした反射電子像観察を用いて行い、10000μｍ²当たりの総クラック長さで評価した。

次いで、圧延方向と直角に電子ビームあるいは連続ファイバーレーザーを照射する磁区細分化処理を、仕上げ焼鈍（二次再結晶）時にコイル外周側に相当する片面に施し、鋼板の反り量を評価した。

さらに、試料を幅100mm、短辺300mm長辺500mmの台形に斜角剪断して積層し、総重量100kgの単相変圧器を作製した。バタつき抑制のため、単相変圧器は鋼板全体で0.098MPaとなるように締め付けを行った。そして、コンデンサマイクロフォンを使用して、1.7Ｔおよび50Hz励磁における騒音を測定した。なお、聴感補正としてＡスケール補正を行っている。

これらの結果を表１にまとめた。発明例で単板試験片での反り量が低減しており、トランスでの低鉄損、低騒音が両立していることが分かる。
また、フォルステライト被膜中のクラック総長さを10000μｍ^２当たり20μｍ以下とするには、平坦化焼鈍時の炉内張力を10MPa以下とすることが好ましいことが確認された。他方、照射間隔が本発明の範囲外である場合（例えば供試材Ｅ、Ｈなど）は、反り量が500ｍｍあたり３ｍｍを超えて騒音が大きくなる。さらに、被膜中のクラック総長さが20μｍを超える場合も、平坦化を過剰に強化したことにより熱歪み導入前の反り量が本発明の想定と相違しがちである。すなわち、照射間隔が本発明の範囲内であっても反り量が３ｍｍ以内に収まらない場合（例えば供試材Ｃ、Ｄ、Ｊなど）があり、騒音が大きくなる。この反り量が大きくならない場合にあっても、被膜の損傷があると鉄損が充分に低下しない（例えば供試材Ｎなど）。

Claims (6)

1. 鋼板表面における被膜のクラック総長さが10000μｍ²当たり20μｍ以下である方向性電磁鋼板に、該鋼板の圧延方向と交差する方向へ線状に導入する熱歪みによる、磁区細分化を前記圧延方向に下記間隔Ｄmmの下に施してなり、鋼板の反りが前記圧延方向長さ500mm当たり３mm以下であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
   記
   0.5／（Δβ／10）≦Ｄ≦1.0／（Δβ／10）
   ここで、Δβ（°）：二次再結晶粒内の圧延方向10mmあたりのβ角（圧延方向に最も
   近い結晶粒の<001>軸が鋼板面となす角度）の変動値
2. 前記熱歪みの導入は、電子ビーム照射によるものである請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
3. 前記熱歪みの導入は、レーザー照射によるものである請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
4. 鋼板表面における被膜のクラック総長さが10000μｍ²当たり20μｍ以下である、仕上げ焼鈍後の方向性電磁鋼板に、該鋼板の圧延方向と交差する方向へ線状に導入する熱歪みによる磁区細分化処理を施すに当たり、該磁区細分化処理は、前記圧延方向に下記間隔Ｄmmにて前記仕上げ焼鈍時のコイルの外巻き側から熱歪みの導入を行うことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
   記
   0.5／（Δβ／10）≦Ｄ≦1.0／（Δβ／10）
   ここで、Δβ（°）：二次再結晶粒内の圧延方向10mmあたりのβ角（圧延方向に最も
   近い結晶粒の<001>軸が鋼板面となす角度）の変動値
5. 前記熱歪みの導入は、電子ビーム照射によるものである請求項４に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
6. 前記熱歪みの導入は、レーザー照射によるものである請求項４に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。