JP4876799B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器やその他の電気機器の鉄心として用いられる低鉄損方向性電磁鋼板に関するものであり、特に歪取焼鈍による鉄損特性の劣化防止を図ったものである。

方向性電磁鋼板は変圧器やその他の電気機器鉄心として利用され、磁気特性に優れること、中でも鉄損の低いことが要求される。この鉄損は、概ねヒステリシス損と渦電流損の和で表わすことができ、ヒステリシス損は、二次再結晶を生じさせる際に、インヒビターと称される析出物(AlＮ、MnS、MnSe等)により一次再結晶粒の粒成長抑制力を強めることで、結晶方位をゴス方位、すなわち{110}<001>方位に高度に集積させたり、磁化したとき磁壁移動を妨げるピンニング因子（析出物）の生成原因となる不純物元素を低減すること等により大幅に低減されてきた。

一方、渦電流損については、Si含有量を増加して電気抵抗を増大させることや、鋼板板厚を薄くすることや、鋼板地鉄表面に地鉄と熱膨張係数の異なる被膜を形成して地鉄に張力を付与したり、結晶粒を微細化したりすることにより磁区幅を低減すること等によって低減が図られてきた。
さらに渦電流損を低減する方法として、特許文献１には、鋼板の圧延方向と直行する方向に沿ってレーザー光を照射する方法が、特許文献２には、プラズマ炎等を照射する方法が提案されている。これらの方法は、鋼板表面に線状又は点状に微小な熱歪みを導入することにより磁区を細分化し、鉄損を大幅に低減しようとするものである。しかしながら特許文献１および２の方法において、磁区細分化後に高温での焼鈍を施すと熱歪が除去されて鉄損低減効果は消失してしまうため、照射処理後に歪取焼鈍を必要とする巻鉄心用素材として用いることはできなかった。

そこで歪取焼鈍にも耐え得る磁区細分化方法として、鋼板への溝形成を行う手法が種々提案されている。例えば、最終仕上げ焼鈍後即ち二次再結晶後の鋼板に局所的に溝を形成し、その反磁界効果によって磁区を細分化する方法である。特許文献３には、この溝形成手段として、機械的な加工方法が、特許文献４にはレーザー光照射により絶縁被膜及び下地被膜を局所的に除去した後電解エッチングする方法が記載されている。また、特許文献５には、歯車型ロールで圧刻後、歪取焼鈍することで溝形成及び再結晶を達成して磁区を細分化する方法が、特許文献６には最終仕上げ焼鈍前の鋼板に溝を形成する方法が、それぞれ開示されている。

このように近年では、以上のような結晶方位の高配向化（溝形成後の製品でB8が1.91T以上）と磁区細分化の組み合わせで、材料の低鉄損特性はきわめて高いレベルにまで改善されてきている。しかしながら、変圧器鉄心に加工したのちの鉄損は、高配向化の影響でビルディングファクターが劣化し、設計などにより必ずしも材料の低鉄損特性を生かしきれていないという問題点がある。
特公昭57-2252 号公報 特開昭62-96617号公報 特公昭50-35679号公報 特開昭 63-76819号公報 特公昭62-53579号公報 特開昭59-197520 号公報

本発明は上記問題を有利に解決するためになされたもので、歪取焼鈍後に鉄損が劣化せず、変圧器鉄心として加工した後も低鉄損特性を得ることが可能な低鉄損方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明者らは上記課題を解決するため、方向性電磁鋼板に線状の溝を設け磁区細分化処理を行うことを基本としさらに改良を加えることを中心に鋭意研究を行った。その結果、各溝の間に、例えば、凹部や貫通孔、すなわち板厚減少部を導入し、反磁界を形成することにより、歪取焼鈍後においても鉄損が劣化しない低鉄損方向性電磁鋼板が得られることを見出した。

本発明は、以上の知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］鋼板幅方向に延びる複数の溝を有する方向性電磁鋼板であって、前記各溝の間に、板厚減少部が点在して形成され、前記板厚減少部による板厚減少量の合計が、前記板厚減少部が形成される前の鋼板に対する重量減少率で0.01〜0.05％であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
［２］前記［１］において、前記板厚減少部が凹部および／または貫通孔からなることを特徴とする方向性電磁鋼板。

本発明によれば、歪取焼鈍後においても鉄損が劣化しない低鉄損方向性電磁鋼板を得ることができる。そして、本発明の方向性電磁鋼板を変圧器鉄心として加工し使用した際にも、低鉄損特性を得ることが可能である。この結果、変圧器において、材料の低鉄損特性が最大限利用可能となり、変圧器における鉄損の低減が図られ、産業、民生用の電気エネルギーの効率的利用につながり、社会の省エネルギー化に貢献することができる。

本発明は、溝形成による磁区細分化処理に種々の加工を組み合わせることを中心に鋭意研究した結果、変圧器の鉄損を有利に改善できる鋼板を完成するに至ったものである。すなわち、本発明の方向性電磁鋼板は、圧延方向と略直交する向きに複数の溝を有し、前記各溝の間に、板厚減少部が点在して形成され、前記板厚減少部における板厚減少量の合計が、前記板厚減少部が形成される前の鋼板に対する重量減少率で0.01〜0.05％であることを特徴とする。これは本発明において、最も重要な要件であり、このように、各溝の間に板厚減少部を点在させることで、各々の板厚減少部により反磁界が形成される。そして、反磁界が形成されることで、圧延方向以外に磁束が流れる場合の鉄損上昇を抑制することが可能となり、本発明の課題が解決される。なお、本発明において、板厚減少部とは、溝間の平坦部に形成されるものであり、例えば、直径200μm以下で深さ40μm以下程度の微少な凹部や、直径100μm以下程度の微少な貫通孔により形成されるものである。また、前記重量減少率とは、線状溝の間に板厚減少部を導入しない場合の鋼板重量に対しての、板厚減少部を導入した場合の鋼板重量減少率である。

以下に本発明を詳細に説明する。まず、本発明の端緒になった実験について述べる。
方向性電磁鋼板用の最終板厚0.23mmの冷延鋼板を用い、深さ１５μm、幅７０μｍの溝がピッチ３mmで形成されるようなエッチングレジストを形成し、電解研磨を行って、溝を形成した。さらに、エッチングレジストを除去した後、同様の電解手法で電解条件を調整して、溝の間の平坦部に板厚減少部導入のため、直径75μm、深さ20μmの凹部を点在させた。このとき点在させる凹部の量を変化させることにより、重量減少率として、最大0.10％まで導入した（条件1）。
また、条件2として、板厚減少部導入のため、直径40μmの貫通孔を上記と同様の重量減少率分、レーザー加工により導入した。さらに、条件３では、板厚減少部導入のため直径75μm、深さ20μmの凹部と直径40μmの貫通孔を併用した。なお重量減少率分は、条件１及び条件２と同様である。さらに比較として、前記溝形成のみを行い、凹部や貫通孔を有しない試料も準備した（条件４）。条件１、条件２、条件３および条件4の処理を施した各々の材料に対して脱炭焼鈍、二次再結晶処理に供したのち平坦化焼鈍により最終製品を得た。得られた最終製品に対してJIS C2550に記載のエプスタイン法により磁気特性を測定した結果、この最終製品の特性は、いずれも磁束密度B8で1.91T以上であった。
次に、上記により得られた最終製品から3相積変圧器鉄心（鉄心重量500kg）を製作し、周波数50Hzにて鉄心脚部分の磁束密度が1.7Tとなるときの鉄損特性を測定した。この，1.7T、50Hzでの鉄損特性はワットメータを用いて無負荷損を測定した。得られた結果を図1に示す。
図1より、変圧器の鉄損は、溝加工に加え、凹部、貫通孔を重量減少率として0.01％以上0.05％以下導入することでより低くなり、溝の間の凹部、貫通孔は低鉄損化に有利に働くことが判明した。これらの改善メカニズムについては明確ではないが、0.01％以上で変圧器鉄損が改善される理由は、板厚減少部による反磁界形成により変圧器鉄心内での磁束の流れが結晶の配向した圧延方向以外に流れる場合の鉄損上昇を抑制したことによるものと考えられる。一方、0.05％を超える領域では、磁区の乱れが顕著になり逆に面内渦電流損などの鉄損増加成分が上昇したものと考えられる。

以上より、本発明においては、線状溝の間に、重量減少率で0.01〜0.05％に相当する板厚減少部を点在させることとする。

次に、本発明に好適に用いられる方向性電磁鋼板の組成について説明する。本発明の素材としては含珪素鋼であり、従来公知の成分組成のいずれも適合することができる。しかし、磁気特性向上の点から以下に示す組成を用いることが好ましい。
Ｃ：0.01〜0.10質量％（以下、単に％と称す）
Ｃは、熱間圧延、冷間圧延中の組織の均一微細化のみらならず、ゴス方位の発達に有用な元素であり、0.01％以上の添加が好ましい。一方、0.10％を超えて含有するとゴス方位に乱れが生じる場合があるので上限は0.10％が好ましい。
Si：2.0 〜4.5 ％
Siは、鋼板の比抵抗を高め鉄損の低減に有効に寄与するが、4.5 ％を上回ると冷延性が損なわれる。一方、2.0 ％に満たないと比抵抗が低下するだけでなく、２次再結晶・純化のために行われる最終高温焼鈍中にα−γ変態によって結晶方位のランダム化を生じ、十分な鉄損改善効果が得られない場合がある。よって、Si量は2.0％以上4.5％以下が好ましい。
Mn：0.02〜0.12％
Mnは、熱間脆化を防止するため少なくとも0.02％程度を必要とする。一方、あまりに多すぎると磁気特性を劣化させる場合がある。よって、0.02％以上0.12％以下が好ましい。
インヒビター（析出物）としては、いわゆるMnS、MnSe系とAlN 系とがある。 MnS、 MnSe系の場合は、Se、 Ｓのうちから選ばれる少なくとも１種を0.005％以上0.06％以下含有することが好ましい。Se、 Ｓは、いずれも、方向性けい素鋼板の２次再結晶を制御するインヒビターとして有力な元素である。抑制力確保の観点からは、少なくとも0.005 ％以上を必要とする。一方、0.06％を超えるとその効果が損なわれる場合がある。その下限、上限はそれぞれ0.005％、 0.06％程度とするのが好ましい。
AlN 系の場合は、AlおよびＮの範囲についても上述したMnS、 MnSe系の場合と同様な理由により、Al：0.005％以上0.10％以下、Ｎ：0.004％以上0.015％以下が好ましい。なお、MnS、 MnSe系および AlN系は併用が可能である。
また、インヒビター成分としては上記したＳ、 Se、 Alの他、Cu、 Sn、 Cr、Ge、 Sb、 Mo、 Te、 BiおよびＰなども有利に適合するので、Cu、 Sn、 Cr、Ge、 Sb、 Mo、 Te、 BiおよびＰなどをそれぞれ少量併せて含有させることもできる。含有する場合の各々の成分の好適添加範囲は、Cu、 Sn、 Crが0.01％以上0.15％以下、Ge、Sb、Mo、Te、Biが0.005％以上0.1％以下、Ｐが0.01％以上0.2％以下である。これらの各インヒビター成分についても、単独使用および複合使用のいずれも可能である。以上のうち、C、Al、N、S、Seは、製造過程において、所期の目的を果たした後鈍化除去され、製品板中には不純物程度残留する。

次に本発明の方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
上記成分を含有した鋼は、通常、連続鋳造機もしくは造塊によりスラブとしたのち、熱間圧延により２〜３mmの板厚に仕上げる。次いで、この熱延鋼板を、必要に応じて熱延板焼鈍したのち、１回の冷間圧延、もしくは、中間焼鈍をはさむ２回の冷間圧延により最終製品厚の冷延鋼板とする。この冷延鋼板は、通常、脱炭焼鈍後、1200℃程度までの高温箱焼鈍により、二次再結晶焼鈍と不純物の除去が行われる。箱焼鈍を完了したコイルは、板の巻ぐせを矯正するとともに、ガラス被膜を塗布焼つけするための平坦化焼鈍が施され、製品となる。

本発明の特徴である磁区細分化のための溝加工および溝の間の板厚減少部の導入は、最終冷間圧延後に施しても、平坦化焼鈍完了までに施してもどちらでもよい。さらには、平坦化焼鈍後に追加工の形で実施することもできる。ただし、この場合には、絶縁効果を有するガラス被膜の塗布焼き付けを再度行う必要がある。
導入方法については、特に限定しない。溝加工については電解研磨、化学研磨、機械加工による方法があげられる。溝加工は、圧延方向と略直交する向き（鋼板幅方向）に複数の線状に有していればよく、形状、大きさ等は特に限定しない。一般的な磁束密度評価の指標であるB8(磁化力800A/mにおける磁束密度)の劣化防止の観点からは、溝断面が矩形に近い形状で、幅150μm以下、深さ40μm以下が好ましい。
溝間の凹部の導入については、電解研磨、化学研磨、機械加工による方法があげられる。一方、貫通孔の導入については、集光したレーザービームやプラズマを照射する方法があげられる。板厚減少部を導入するにあたっては、各線状溝の間に重量減少率が0.01〜0.05％となるように、例えば、微少な凹部や微少な貫通孔を点在させる。凹部や貫通孔を点在させるにあたっては、磁気特性向上の点から、各線状溝の間に均一に散らばるように導入するのが好ましい。板厚減少部の形状は問わないが、鋼板表面から凹部に陥入する部分（壁面）の傾斜は、反磁界形成の点から、なるべく急であることがよく、板厚方向に対して好ましくは60°以下、より好ましくは45°以下となることが好ましい。また、サイズは最長径（略円形の場合は直径）が200μm以下程度がB8の劣化防止や鋼板の強度を維持するために好ましい。深さは反磁界形成による鉄損低減効果を得るために５μｍ以上とすることが好ましい。

板厚0.27mmの方向性電磁鋼板用冷延鋼板を用いて、半量は比較例として従来の溝形成処理を、残る半量は本発明例として上記と同様の溝形成に加え、溝の間に凹部を溝形成と同一のタイミングで電解研磨処理により形成した。このとき、溝は線状溝とし、溝幅は全て平均65μｍ、深さは平均19μｍ、ピッチ3.5mmであり、電解研磨により施した。また、溝の間の凹部のサイズは、45μｍφで、深さ25μｍとし、重量減少率としては0.03％であった。

上記により得られた材料に対して、通常の脱炭焼鈍、二次再結晶のための箱焼鈍を施した後、平坦化焼鈍において絶縁被膜を塗布焼付けを行った。次いで、磁束密度を測定したところ、比較例のB8は1.916T、発明例のB8は1.912Tであった。なお、磁束密度の測定は、図1と同様の方法である。
次いで、絶縁被膜塗布後の材料を鉄心重量750kgの三相変圧器鉄心に加工し、鉄損特性を測定した。なお、鉄損の測定は、図1と同様の方法である。
以上により得られた結果は、比較例の鉄心脚の磁束密度1.7T、50Hzでの鉄損は690Wであり、これに対し、本発明例の鉄心脚の磁束密度1.7T、50Hzでの鉄損は660Wであった。この結果より、本発明例では鉄損の改善が認められた。

本発明の方向性電磁鋼板を、例えば、変圧器の鉄心として用いた場合、低鉄損特性が得られるなど、本発明の方向性電磁鋼板は鉄損特性に優れるため、変圧器やその他の電気機器などの鉄損が低いことが要求される用途を中心に幅広い用途での使用が期待される。

凹部および貫通孔による重量減少率と変圧器鉄損との関係を示した図である。

Claims (2)

1. 鋼板幅方向に延びる複数の溝を有する方向性電磁鋼板であって、
   前記各溝の間に、板厚減少部が点在して形成され、前記板厚減少部による板厚減少量の合計が、前記板厚減少部が形成される前の鋼板に対する重量減少率で0.01〜0.05％であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
2. 前記板厚減少部が凹部および／または貫通孔からなることを特徴とする請求項1記載の方向性電磁鋼板。

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