JP5023552B2

JP5023552B2 - 低鉄損方向性電磁鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP5023552B2
Application number: JP2006139711A
Authority: JP
Inventors: 操浪川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-05-19
Filing date: 2006-05-19
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-05-19
Also published as: JP2007308770A

Description

本発明は、方向性電磁鋼板およびその製造方法に関し、特に、磁区細分化処理を施した鉄損特性に優れる方向性電磁鋼板とその安価な製造方法に関するものである。

方向性電磁鋼板は、励磁特性や鉄損特性等が良好であるため、変圧器や大型発電機の鉄心材料として広く用いられている。この方向性電磁鋼板は、仕上焼鈍における二次再結晶現象を利用して、圧延面に｛１１０｝面、圧延方向に磁化容易軸である＜００１＞軸をもつ、いわゆるゴス粒を発達させたものであり、基本的にストライプ状の磁区構造を有しているのが特徴である。そして、従来の方向性電磁鋼板の開発は、上記｛１１０｝＜００１＞方位（ゴス方位）の集積度を高めるとともに、圧延方向からの偏りをできるだけ減少させることにより、励磁特性や鉄損特性等の改善を図ることに主眼が置かれてきた。

しかし、上記ゴス方位への集積度をより高めようとすると、ゴス粒が粗大化してストライプ状の磁区幅が広くなる。そのため、渦電流損失が増加し、却って鉄損特性が劣化してしまうという問題がある。

この問題に対する対応策については、従来からさまざまな方法が提案されている。例えば、特許文献１には、仕上焼鈍済みまたは絶縁被膜処理済みの鋼板に、歯車型ロール等により点線状あるいは破線状の加工歪み（溝）を加え、その後、焼鈍することにより微細再結晶粒を生じさせて磁区を細分化する方法が、また、特許文献２には、最終仕上焼鈍工程の前に、鋼板表面に線状の刻み目を導入することにより磁区幅を減少させる方法が提案されている。これらの方法は、歪取焼鈍を施しても、磁区細分化効果が消失しないという点で優れているが、生産効率が低く、製造コストが高いといった問題がある。

また、特許文献３や特許文献４等には、レーザビームや電子ビーム、イオンビーム等を用いて鋼板表面に局部的に熱エネルギーを加えることによって熱歪領域を形成し、磁区幅を減少させる方法が提案されている。しかし、この方法は、生産効率や製造コストの面では、上記の溝を形成する方法よりは優れているものの、磁区制御のために大掛りな設備を必要とするため、設備コストがかかるという問題がある。

一方、生産性が高くかつ低コストで磁区制御を行う方法として、方向性電磁鋼板の表面にショットブラスト処理を施して微小歪を導入することにより、磁区幅を減少させる方法が提案されている。例えば、特許文献５には、スチールショットにより直径６０〜８０μｍ、深さ３〜５μｍの圧痕を形成して磁区幅を減少させる方法が開示されている。

しかし、特許文献５に代表されるショットブラスト処理を施す方法は、該ショットブラストを、方向性電磁鋼板の製造プロセスで通常施す張力絶縁被膜の焼付けや鋼板の形状矯正のためのフラットニング焼鈍などの熱処理前に施したのでは、磁区細分化効果が低減してしまう。一方、上記熱処理後にショットブラストを施した場合には、磁区細分化の効果は得られるものの、張力絶縁被膜が損傷を受けるため、鋼板の耐食性が劣化するという別の問題が発生する。

上記問題点を改善する技術として、特許文献６には、張力絶縁被膜を損傷させることなく鋼板に微小歪を付与して磁区幅を減少させて、鉄損を改善した方向性電磁鋼板が開示されている。しかし、特許文献６の技術では、磁区幅を減少させるための歪付与方法として、レーザ照射を採用しており、設備コストが高いという問題点がある上、張力絶縁被膜上からの微小歪の付与による圧縮応力の発生により、トランス等に組立後の実機特性が劣化しやすく、これを回避するためには、５００℃を超えない温度域で、微小歪付与後の鋼板を加熱処理することが必要とされるという問題がある。
特開昭６１−１１７２１８号公報特公平０３−０６９９６８号公報特公昭５７−００２２５２号公報特開昭５９−２２９４１９号公報特公昭６０−０５６４０４号公報特公平０６−０１７５１１号公報

そこで、本発明の目的は、従来技術が抱える上記問題点を解決し、磁区細分化のための微小歪付与後においても絶縁被膜修復処理を施す必要がない低鉄損方向性電磁鋼板と、該鋼板を安価に製造する方法を提案することにある。

発明者らは、上記課題を達成するため、設備コストやランニングコストが安価なショットブラスト処理を用いた磁区細分化方法について検討を重ねた。その結果、絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板にショットブラスト処理を施すに当たり、ショットブラストの処理条件（粒子材質、粒子径および投射圧）を適正化すれば、鋼板表面の絶縁被膜に損傷を引き起こすことなく磁区細分化することができ、ひいてはショットブラスト処理後においても、耐食性確保のための絶縁被膜修復処理を施すことなく、低鉄損の方向性電磁鋼板を製造することができることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、仕上焼鈍後に絶縁被膜を形成してなる方向性電磁鋼板において、該鋼板の表面には、絶縁被膜の上から施されたショットブラスト処理による線状の歪領域が形成され、かつ、該歪領域に形成された絶縁被膜には、ショットブラスト処理による損傷がなく、絶縁被膜修復処理が施されていないことを特徴とする低鉄損方向性電磁鋼板である。

また、本発明は、仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板の表面に絶縁被膜を形成し、その絶縁被膜の上からショットブラスト処理を施して、鋼板表面に線状の歪領域を形成して磁区細分化する方向性電磁鋼板の製造方法において、投射粒子の平均粒径を１００μｍ以下、投射空気圧を０．０２５〜０．１５ＭＰａとしてショットブラスト処理し、その後、絶縁被膜修復処理を施さないことを特徴とする低鉄損方向性電磁鋼板の製造方法を提案する。

本発明における上記投射粒子は、アルミナ粒子であることを特徴とする。

本発明によれば、絶縁被膜の上から特定の条件で微粒子のショットブラスト処理を施することで、鋼板の極表層にのみ線状の微小歪領域を付与するようにしたので、絶縁被膜に損傷を引き起こすことなく磁区細分化を実現することができる。したがって、本発明によれば、低鉄損特性を有すると共に、耐食性に優れた方向性電磁鋼板を得ることができる。また、本発明によれば、磁区細分化方法として、設備コストやランニングコストの安価なショットブラスト処理を用いると共に、得られる鋼板も絶縁被膜の修復処理を施す必要がないので、鉄損特性に優れた向性電磁鋼板を安価に提供することができる。

本発明に係る方向性電磁鋼板は、鋼板の表面に形成された絶縁被膜の上から、微粒子をショットブラスト処理して、鋼板の極表層にのみ線状の微小歪領域を形成することによって磁区細分化し、もって、ショットブラスト処理前に比較して３％以上の鉄損の低減を図ったものである。

上記方向性電磁鋼板は、従来公知の方向性電磁鋼板であれば、いずれでも構わない。また、電磁鋼板の表面に形成された絶縁被膜は、従来公知の絶縁被膜で構わないが、好ましくは、リン酸アルミニウムまたはリン酸マグネシウムからなるガラス質の張力絶縁被膜であることが望ましい。なお、ショットブラスト処理は、鋼板のいずれか一方の面でもよく、あるいは両方の面に施してもよい。

ショットブラスト処理の方法は、高圧空気を用いて粒子を投射する方法であれば、従来公知のいずれの方法を用いることができる。また、ショットブラスト処理で線状の微小歪領域を形成する方法は、特に限定しないが、投射領域を絞ったノズルを鋼板上で走査する方法、線状スリットを設けたマスクを鋼板上に載置してマスク上から粒子を射出する方法等を好適に用いることができる。

ショットトブラスト処理に用いる微粒子は、ガラス質の絶縁被膜と硬さが比較的近いものが好ましく、例えば、アルミナ、シリカ、アルミナシリカコンパウンド等の粒子およびガラス粒子などが好適である。というのは、従来から用いられている鋼球やＳＵＳ球では、鉄損がショットブラスト処理前に比べて３％以上低減する条件で投射した場合には、絶縁被膜の表面に圧痕が形成されて損傷を起こし、被膜の耐食性が著しく低下してしまうからである。

また、上記微粒子の粒径は、平均粒子径が１００μｍ以下であることが必要である。１００μｍ超えでは、鉄損の低減と被膜の耐食性確保との両立が困難となるからである。好ましくは、３０〜５０μｍの範囲である。

また、上記微粒子を投射するのに用いる高圧空気の空気圧（投射圧）は、０．０２５〜０．１５ＭＰａの範囲であることが必要である。０．０２５ＭＰａ未満では、磁区細分化効果が小さく、逆に、０．１５ＭＰａ超えでは、絶縁被膜表面に圧痕が形成されて、耐食性の劣化を招くが、投射圧が０．０２５〜０．１５ＭＰａの範囲であれば、絶縁被膜に損傷を起こすことなく３％以上の鉄損低減効果が得られるからである。

上記のように、ショットブラスト処理による絶縁被膜表面の損傷が無いにも拘わらず鉄損が低減できるメカニズムは必ずしも明らかとはなっていないが、投射する微粒子として、ガラス質の絶縁被膜と比較的近い硬さのものを用いることにより、絶縁被膜には損傷を起こすことなく地鉄表面にのみ局所的な歪みを導入できるからと考えられる。

鋼板表面に発生させる微小歪領域は、従来の磁区細分化処理と同様、鋼板の圧延方向に対して直角方向、即ち、板幅方向に沿って線状に付与するのが最も効果的である。ただし、必ずしも圧延方向に直角である必要はなく、圧延方向に直角方向から１５度以内の範囲であれば、本発明の効果を十分に得ることができる。

線状の微小歪領域の線幅は、１００〜１０００μｍの範囲とすることが好ましい。１００μｍ未満では、十分な鉄損低減効果が得られないからであり、１０００μｍ超えとしても、鉄損低減効果に変化がないからである。

また、線状歪領域を形成する間隔は、ショットブラスト処理で投射する微粒子の材質、粒子径、投射速度等に応じて鉄損低減効果が得られるよう適宜調整する必要があり、例えば、粒子径が５０μｍのアルミナ粒子を、投射圧０．０２５ＭＰａ〜０．１５ＭＰａで投射する場合には、２．５〜１５ｍｍの間隔とするのが好ましく、さらには、３〜８ｍｍとするのがより好ましい。

二次再結晶粒を生成させる仕上焼鈍後、張力絶縁被膜を塗布・焼付した、板厚が０．２３ｍｍの高配向性方向性電磁鋼板から、圧延方向を長手方向とする幅１００ｍｍ×長さ４００ｍｍの試験片を採取し、ショットブラスト処理を行う前の鉄損Ｗ_{１７/５０}を単板磁気測定装置を用いて測定した。一方、板厚が１ｍｍで幅１５０ｍｍ×長さ５００ｍｍのＳＵＳ製の板を用意し、このＳＵＳ板に、幅方向に長さ１２０ｍｍ×幅０．２５ｍｍのスリットを５ｍｍピッチで放電加工し、ショットブラストのマスクを作製した。
このマスクを上記電磁鋼板の試験片上に重ねて、その上からスリットめがけて平均粒径が５０μｍのアルミナ微粒子を高圧空気で投射圧を変化させて投射し、投射後の絶縁被膜表面を光学顕微鏡で観察し、圧痕の発生状況や被膜の損傷状況を観察した。
また、単板磁気測定装置を用いて鉄損Ｗ_{１７/５０}を測定し、ショットブラスト処理による鉄損低減率を下記式；
鉄損改善率（％）＝１００×（ショットブラスト前の鉄損Ｗ_{１７/５０}−ショットブラスト後の鉄損Ｗ_{１７/５０}）／（ショットブラスト前の鉄損Ｗ_{１７/５０}）
から求めた。
次いで、上記ショットブラスト後の電磁鋼板を用いて、温度が５０℃で湿度が１００％の雰囲気中で５０時間保持する恒温高湿試験を行った後、絶縁被膜の表面に発生した赤錆の発生状況を目視観測して、耐食性を評価した。
なお、比較例として、ショットブラストの微粒子として、１００μｍ超えのアルミナ粒子を用いた例および５０μｍの鋼球を用いた例についても同様の評価を行った。

上記の結果を、表１にまとめて示した。また、図１に、ショットブラスト投射圧と鉄損低減率との関係を示した。これらの結果から、平均粒径５０μｍのアルミナ粒子を、投射圧０．０２５ＭＰａ〜０．１５ＭＰａでショットブラストすれば、地鉄や絶縁被膜に圧痕や損傷がなく、かつ、耐食性の劣化もない低鉄損の方向性電磁鋼板を得ることができることがわかる。

ショットブラスト処理における投射圧が鉄損低減率に及ぼす影響を示すグラフである。

Claims

仕上焼鈍後に絶縁被膜を形成してなる方向性電磁鋼板において、該鋼板の表面には、絶縁被膜の上から施されたショットブラスト処理による線状の歪領域が形成され、かつ、該歪領域に形成された絶縁被膜には、ショットブラスト処理による損傷がなく、絶縁被膜修復処理が施されていないことを特徴とする低鉄損方向性電磁鋼板。
仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板の表面に絶縁被膜を形成し、その絶縁被膜の上からショットブラスト処理を施して、鋼板表面に線状の歪領域を形成して磁区細分化する方向性電磁鋼板の製造方法において、投射粒子の平均粒径を１００μｍ以下、投射空気圧を０．０２５〜０．１５ＭＰａとしてショットブラスト処理し、その後、絶縁被膜修復処理を施さないことを特徴とする低鉄損方向性電磁鋼板の製造方法。
上記投射粒子は、アルミナ粒子であることを特徴とする請求項２に記載の低鉄損方向性電磁鋼板の製造方法。