JP4807064B2

JP4807064B2 - 低鉄損方向性電磁鋼板とその製造方法

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Publication number: JP4807064B2
Application number: JP2005369822A
Authority: JP
Inventors: 山口　　広; 高島　　稔; 多津彦平谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-12-22
Also published as: JP2007169726A

Description

本発明は、変圧器や発電器の鉄心等に用いられる方向性電磁鋼板に関し、特に歪取焼鈍による鉄損劣化のない低鉄損方向性電磁鋼板とその製造方法に関するものである。

Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％含有し、結晶方位が（１１０）〔００１〕方位（ゴス方位）に配向した結晶粒（ゴス粒）からなる方向性電磁鋼板は、優れた軟磁気特性を示すことから、商用周波数帯域で使用される各種鉄芯材料として広く用いられている。

上記電磁鋼板に要求される特性としては、８００Ａ／ｍの磁化力における磁束密度Ｂ_８（Ｔ）が高いこと、および、周波数５０Ｈｚ、最大磁束密度１．７Ｔで磁化させた時の鉄損Ｗ_{１７／５０}（Ｗ／ｋｇ）が低いことが挙げられる。

一般に、方向性電磁鋼板の磁束密度は、上記ゴス方位への集積度に依存し、集積度が高い程、磁束密度が高いことが知られている。また、磁束密度が高い方向性電磁鋼板は、ヒステリシス損失も低い場合が多く、鉄損特性にも優れているのが普通である。しかし、（１１０）〔００１〕方位への集積度を高めると、ゴス粒が粗大化し、それに伴って磁区幅も大きくなるため、鉄損を構成するもう一つの渦電流損失が増大する。その結果、ヒステリシス損失の低減が相殺されて、それ以上の鉄損の向上は望めなくなる。

そこで、高磁束密度の方向性電磁鋼板の鉄損をさらに向上するために、磁区を細分化する各種技術が開発されている。例えば、特許文献１には、仕上焼鈍済みの鋼板表面に冷間圧延方向と直角方向に線状の微小歪を導入する方法が、特許文献２には、仕上焼鈍済みの鋼板表面にレーザーを照射して線状歪を導入する方法が、また、特許文献３には、プラズマ炎を線状に照射する方法が開示されている。しかし、これらの方法で導入した歪は、熱的安定性に乏しく、約８００℃の温度で行われる歪取焼鈍によってその効果は消失してしまうという問題がある。

そこで、歪取焼鈍でも効果が消失しない磁区細分化方法として、物理的に溝を形成する各種技術が提案されている。例えば、特許文献４には、仕上焼鈍済みの鋼板表面に突起付きの歯車型ロールを用いて荷重を加えて溝を形成する方法が開示されている。また、特許文献５には、表面に難溶解のレジストをパターン塗布し、地鉄を部分的に酸でエッチングするか、または、電解によりエッチングして溝を形成する方法が開示されている。さらに、特許文献６には、レーザーにより絶縁被膜を破壊してからエッチングにより溝を形成する方法が開示されている。
特公昭５８−５９６８号公報特公昭５７−２２５２号公報特公平０７−７２３００号公報特開昭６２−５３５７９号公報特公平０８−６１４０号公報特開昭６１−２５３３８０号公報

しかしながら、特許文献４に開示の方法は、仕上焼鈍済みの鋼板表面に存在する、フォルステライトを主成分とするセラミックス被膜のために、歯車型ロールの歯先の摩耗が激しく、工業的規模での生産には不向きである他、鋼板の局部的な変形を伴うため、占積率の低下を招くという問題がある。また、特許文献５に開示の方法は、占積率の低下もなく、溝深さも均一に制御できる点で優れているが、レジストの除去工程も含めた製造コストが高いという欠点がある。また、特許文献６に開示の方法は、絶縁被膜の厚さの変動によって被膜が残存する場合があり、溝深さが変動して、鉄損低減効果が安定して得られないという問題がある。

さらに、上記いずれの溝形成方法も、圧延方向とほぼ直角方向に溝を形成するため、磁束密度の低下を招くという問題があり、これを回避するためには、形成する溝の深さを板厚の１０％程度に制限せざるを得ないという本質的な問題が存在する。

そこで、本発明の目的は、歪取焼鈍による鉄損劣化のない耐歪取焼鈍特性に優れた低鉄損の方向性電磁鋼板と、その有利な製造方法を提案することにある。

発明者らは、従来技術が抱える上述した問題点を解決すべく、鋭意、検討を重ねた。その結果、鋼板の表面に板厚を貫通する微小穴を多数形成することに想到した。そして、さらに検討を重ねた結果、貫通穴を形成した場合には、溝形成の場合のような、溝深さの変動による鉄損低減効果のばらつきという問題が本質的に生じ得ないことに加えて、磁束の流れが二次元的に平面に分散するため、磁束密度の低下がほとんど生じないことを見出した。さらに、貫通穴の分布パターンや面密度を適正に制御することによって、磁束密度の低下を招くことなく磁区細分化の効果を発現でき、ひいては低鉄損化が図れることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％含有する方向性電磁鋼板において、鋼板に１ｃｍ^２当たり０．２〜５０個の貫通穴が、一辺の長さが等しいハニカム状、三角格子状、正方格子状、菱形格子状に分布して形成されてなることを特徴とする方向性電磁鋼板である。

また、本発明は、Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％含有する方向性電磁鋼板の製造方向において、最終冷延後から二次再結晶焼鈍を経て絶縁被膜を形成するまでのいずれかの工程において、鋼板に１ｃｍ^２当たり０．２〜５０個の貫通穴を、一辺の長さが等しいハニカム状、三角格子状、正方格子状、菱形格子状に分布するよう形成することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法である。

本発明によれば、磁束密度をほとんど損なうことなく耐歪取焼鈍特性に優れる磁区細分化処理を施した低鉄損の方向性電磁鋼板を、簡便かつ安価に製造することができる。

本発明に係る方向性電磁鋼板は、従来公知の製造方法、即ち、Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％含有する鋼スラブを熱間圧延して熱延板とし、必要に応じて熱延板焼鈍を施してから、１回または中間焼鈍を挟んだ２回の冷間圧延により最終板厚の冷延板とし、次いで、湿水素雰囲気中で、脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施してから、焼鈍分離剤を塗布してコイル状に巻き取り、二次再結晶させる仕上焼鈍を施し、その後、鋼板表面に絶縁被膜を形成する製造方法で製造することができる。そして、本発明は、上記一連の方向性電磁鋼板の製造工程において、最終冷延後から絶縁被膜形成前までの間に、レーザー照射等の方法を用いて鋼板の表面全体にわたって微小径の貫通穴を形成し、磁区細分化を図るところに特徴がある。

まず、本発明を開発する契機となった実験について説明する。
Ｃ：０．０７ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．３ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０７ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０２５ｍａｓｓ％、酸可溶性Ａｌ：０．０２６ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００８ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．１ｍａｓｓ％を含有する板厚２．０ｍｍの熱延板に、１１２０℃×２分の焼鈍を施してから、冷間圧延して、最終板厚０．２３ｍｍの冷延板とした。この冷延板を、窒素と水素の混合ガス雰囲気中で、８５０℃×９０秒の脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施してから、鋼板の切断加工等に用いるＣＯ_２レーザーを用いて、鋼板の全面にわたって貫通穴を形成した。貫通穴の分布は、図１に示した三角格子状のパターンＡとハニカム状のパターンＢの２種類とし、貫通穴の面密度を種々に変化させた。形成した貫通穴を光学顕微鏡で観察したところ、貫通穴の直径は約３０μｍであり、また、穴加工による鋼板の変形や穴の周囲への溶融塊の付着等は認められなかった。その後、ＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤のスラリーを塗布し、乾燥させてから、水素７５ｖｏｌ％、窒素２５ｖｏｌ％の雰囲気中で、１１８０℃まで２５℃／ｈｒで昇温する二次再結晶焼鈍を施した。

上記のようにして得た二次再結晶後の鋼板について、磁束密度Ｂ_８と鉄損Ｗ_{１７／５０}を測定した。図２は、上記測定結果について、貫通穴の面密度と、磁束密度Ｂ_８および鉄損Ｗ_{１７／５０}との関係を示したものである。図２から、貫通穴の分布パターンに関係なく、面密度が０．２個／ｃｍ^２以上で磁区細分化による鉄損Ｗ_{１７／５０}値の低下効果が得られること、一方、面密度が５０個／ｃｍ^２より大きくなると、鉄損低減効果が飽和すると共に、磁束密度の低下が大きくなることがわかった。

さらに、同一素材を用いて、貫通穴有無による磁区幅の観察を行った結果、貫通穴による磁区細分化効果が確認された。この貫通穴形成による磁区細分化が起こる原因は、十分に明らかとはなっていないが、貫通穴の側面に現れる磁極による反磁界効果が関係しているものと考えている。また、仕上焼鈍前に穴の形成を行った場合には、貫通穴近傍に徹細粒が形成され、これが磁区細分化に寄与している可能性もある。

なお、二次再結晶粒径と貫通穴の面密度との関係については、おおよそ二次再結晶粒内に１個以上の貫通穴が形成されていればよく、貫通穴が少なくて、１つの結晶粒内に形成される穴が１個程度となった場合でも、１ｃｍ^２あたり０．２以上５０個以下の範囲であれば、本発明の磁区細分化効果は十分に得られる。また、貫通穴が形成されていない粒があっても、隣接する粒に貫通穴が形成され磁区細分化がなされている場合には、粒界における磁束の流れの連続性から、磁区細分化されることが確認されている。したがって、貫通穴の面密度が磁区細分化に及ぼす効果は、二次再結晶粒の大きさによっては大きな影響を受けることはない。

次に、本発明の特徴である貫通穴の形成方法等について説明する。
貫通穴の形成方法は、レーザー照射法が簡便である。ミラーを多数並べることで、同時に多数の貫通穴を形成することができるからである。ただし、ドリルやパンチ等の機械的加工を用いても何ら問題はない。

形成する貫通穴の直径は、５μｍ〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。５μｍ未満では、鉄損低減の効果が小さく、一方、２ｍｍより大きくなると、材料の歩留まりを著しく落とすことと、穴形成の負荷が増大することから好ましくない。

形成する貫通穴の分布パターンについては、図１に示したような三角格子状やハニカム状のパターンの他、正方格子状、菱形格子状などのパターンが、工業的には形成し易く、好ましい。また、ランダムに分散させても構わないが、この場合には、局部的に面密度が０．２個／ｃｍ^２未満となったり、５０個／ｃｍ^２超えとなったりしないようにすることが必要である。

ところで、従来の磁区細分化技術では、溝や微小歪領域を線状あるいは破線状に形成するのが一般的であった。しかしながら、発明者らの検討結果によれば、貫通穴を列状に並べた場合には、隣り合う貫通穴同士が接近し、鉄損低減効果が不十分となるかあるいは却って鉄損低減効果が損なわれることが明らかになった。その原因は、列状に貫通穴を形成した場合には、隣接する貫通穴の間の磁区運動に乱れが生じるためと推定している。また、貫通穴の列状の配置は、鋼板の特定方向の強度あるいは剛性の低下を招くため、磁歪振動が増加して騒音が増大する傾向があることもわかった。

この点、本発明の方向性電磁鋼板は、上述したように、特定の方向に列状に貫通穴を形成するのではなく、ハニカム状や各種格子状もしくはランダムに分散配置しているので、上記のような問題を起こすおそれがない。

鋼板に貫通穴を形成する工程は、最終冷延工程以降でかつ絶縁被膜形成前のいずれかの工程とすることが必要である。穴加工後、圧延を行うことは、穴加工の負荷が増大するだけでなく、穴の形状が変化して磁区細分化効果が失われたり、圧延自体が難しくなったりする。一方、絶縁被膜形成後に貫通穴を形成した場合には、耐食性、絶縁性等の劣化を招くことから、絶縁被膜の再塗布などの補修処理が必要となるからである。

なお、本発明の磁区細分化技術は、絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板に限定されるものではなく、例えば、仕上焼鈍時の分離剤の成分を調整して、フォルステライトを主体とする鉱物質被膜を意図的に形成しないようにした鋼板や、形成したフォルステライト被膜を除去し、表面を平滑化した鋼板に対して適用しても有効であることは言うまでもない。

次に、本発明の方向性電磁鋼板の望ましい成分組成について説明する。
本発明の方向性電磁鋼板は、Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％、Ｍｎを０．０３〜２．５ｍａｓｓ％の範囲で含有することが好ましい。ＳｉおよびＭｎは、鋼板の電気抵抗を高めて鉄損を低減するのに有効な成分であり、それぞれ１．５ｍａｓｓ％以上、０．０３ｍａｓｓ％以上含有するのが好ましい。しかし、Ｓｉは、７．０ｍａｓｓ％を超えると、硬度が高くなり過ぎて、製造や加工が困難になり、また、Ｍｎは、２．５ｍａｓｓ％を超えると、熱処理時にγ変態を誘起して磁気特性を劣化させるおそれがあるからである。

本発明の方向性電磁鋼板は、上記Ｓｉ，Ｍｎの他に、二次再結晶を起こさせるために不可欠なインヒビター成分として、Ａｌ，Ｂ，Ｂｉ，Ｓｂ，Ｍｏ，Ｔｅ，Ｓｎ，Ｐ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｐｂ，ＺｎおよびＩｎなどの元素を、それぞれの元素が有する特徴に応じて、単独または複合して含有することが好ましい。

また、本発明の方向性電磁鋼板において、Ｃ，Ｓ，Ｎ等の不純物成分は、いずれも磁気特性に対して有害な作用があり、特に鉄損を劣化させるので、それぞれＣ：０．００３ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００２ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００２ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。

本発明の方向性電磁鋼板の表面に形成する絶縁被膜は、張力付与型のものが好ましい。張力付与型の絶縁被膜としては、フォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板の絶縁被膜として従来から用いられている、リン酸塩−コロイダルシリカ−クロム酸系のものが、磁気特性の面から、また、均一処理性やコスト等の製造性の点から好適である。絶縁被膜の厚さは、張力付与効果や占積率、被膜密着性等の観点から、０．３〜１０μｍの範囲が好ましい。なお、張力付与型の絶縁被膜としては、上記リン酸塩−コロイダルシリカ−クロム酸系に限定されるものではなく、例えば、特開平６−６５７５４号公報、特開平６−６５７５５号公報、特開平８−２９９３６６号公報などで提案されているホウ酸−アルミナ等の酸化物系被膜を適用することもできる。

Ｓｉを３ｍａｓｓ％含有する板厚が０．２０ｍｍの方向性電磁鋼板の冷延板に、脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施し、その後、ＣＯ_２レーザーを用いて試料全面に５０μｍ径の貫通穴を、図３に示すような４つのパターンで、面密度を変更して形成した。
その後、材料を２つに分け、１つは、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とした。もう１つは、ＭｇＯを主成分とし塩化鉛を含む焼鈍分離剤を塗布し、フォルステライト被膜のない平滑な表面を有する最終仕上焼鈍板とし、引き続き、ＮａＣｌ水溶液中で電解して平滑化処理を施してから、ＣＶＤ法を用いてＴｉＮ皮膜を片面当たり１μｍの厚さで被成し、方向性電磁鋼板とした。
その後、両鋼板に対して、リン酸マグネシウム、コロイダルシリカおよびクロム酸マグネシウムを主成分とする水性処理液を塗布し、８００℃で焼き付けて、付着量が約８．０ｇ／ｍ^２の絶縁被膜を形成し、磁束密度Ｂ_８（Ｔ）および鉄損Ｗ_{１７／５０}（Ｗ／ｋｇ）の測定に供した。

上記測定の結果を、鋼板の表面状態、貫通穴の分布パターンおよび面密度も併せて表１に示した。この結果から、貫通穴の分布パターンに拘わらず、貫通穴の面密度が０．２個／ｃｍ^２未満のＮｏ．１や７の鋼板は、鉄損の低減効果が得られず、一方、面密度が５０個／ｃｍ^２を超えるＮｏ．５，６および１０の鋼板は、磁束密度の低下が大きく、それに伴って鉄損の劣化も生じているのがわかる。それに対して、本発明の条件（面密度：０．２〜５０個／ｃｍ^２）を満たすＮｏ．２〜４、８および９の鋼板は、高い磁束密度を維持したまま、鉄損の低減が達成できていることがわかる。なお、これら鋼板について、歪取焼鈍に相当する８００℃×１８０分の焼鈍を行い、その後、磁束密度および鉄損を測定したところ、いずれの特性も劣化は認められなかった。

実験に用いた貫通穴の分布パターンを説明する図である。貫通穴の面密度が方向性電磁鋼板の磁気特性（磁束密度，鉄損）に及ぼす影響を示すグラフである。実施例で用いた貫通穴の分布パターンを説明する図である。

Claims

Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％含有する方向性電磁鋼板において、鋼板に１ｃｍ^２当たり０．２〜５０個の貫通穴が、一辺の長さが等しいハニカム状、三角格子状、正方格子状、菱形格子状に分布して形成されてなることを特徴とする方向性電磁鋼板。
Ｓｉを１．５〜７．０ｍａｓｓ％含有する方向性電磁鋼板の製造方向において、最終冷延後から二次再結晶焼鈍を経て絶縁被膜を形成するまでのいずれかの工程において、鋼板に１ｃｍ^２当たり０．２〜５０個の貫通穴を、一辺の長さが等しいハニカム状、三角格子状、正方格子状、菱形格子状に分布するよう形成することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。