JP5298874B2 - 低鉄損一方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、トランスの鉄心等に利用される歪取り焼鈍後に鉄損が劣化しない一方向性電磁鋼板の製造方法に関するものである。

一方向性電磁鋼板の鉄損特性を低減する技術としては、レーザー照射により磁区を細分化する方法が、特許文献１に開示されている。しかし該方法による鉄損の低減は、レーザーにより導入された歪に起因するため、歪取り焼鈍を必要としない積鉄心トランス用としては使用できるが、歪取り焼鈍を必要とする巻き鉄心トランス用としては使用できない。

そこで歪取り焼鈍を施しても消失しない種々の磁区制御技術が開示されている。中でも、特許文献２で記載している機械的に溝を形成する方法は、製造コストが比較的低い利点がある。しかし溝を形成する際に生ずる鋼鈑内部の溝周辺の歪は、その後の歪取り焼鈍によって再結晶を生じさせ磁区細分化に寄与するが、製品の鉄損特性に好ましくない残留歪が存在する。

また、機械的に溝を形成する方法において課題となる、製品の鉄損特性に好ましくない残留歪を抑制する方法として、鋼鈑を予め加熱して温間で機械的溝加工を行う方法が考えられるが、この手法はすでに双晶発生および皮膜の劣化防止策として特許文献３で開示されている。しかし、温間で機械的溝加工を行うと温度によって歪取り焼鈍後の溝下の再結晶粒サイズは変化するため、鉄損特性を効果的に低減するには溝深さ及び再結晶粒サイズの最適化が課題である。

特開昭５８−２６４０５号公報 特開昭６１−１１７２１８号公報 特開昭６２−０６７１１４号公報

本発明は、このような欠点を解消し、歪取り焼鈍後に鉄損が劣化しない一方向性電磁鋼板の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下のようにしたことを特徴とする。
（１） 質量％で、Ｓｉ：２．５〜４．５％、Ｃ：０．０３〜０．１０％、酸可溶性Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる珪素鋼を素材とし、仕上焼鈍後の或いは仕上焼鈍後に更に絶縁皮膜処理した一方向性電磁鋼板の表面に溝を形成する一方向性電磁鋼板の製造方法において、該電磁鋼板を１００〜４００℃の温度Ｔ（℃）に加熱し、該電磁鋼板の圧延方向に対し、直角方向から４５°方向の範囲内で、かつ溝深さＤ（μｍ）と加熱温度Ｔ（℃）が下記（式１）を満足する条件で機械的に溝を形成した後、７５０℃以上の温度で熱処理し、かつ、溝深さＤ（μｍ）と歪取り焼鈍後の溝下平均結晶粒サイズＧ（μｍ）の関係が、下記（式２）および（式３）を満たすことを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
１５０（Ｄ−１４）＋１００≦Ｔ≦１５０（Ｄ−８）＋１００ ・・・（式１）
１２≦Ｄ＋０．０６７Ｇ≦２１ ・・・ （式２）
０．５≦Ｄ−０．１２５Ｇ≦８ ・・・ （式３）
ここで、８≦Ｄ≦１６である。

本発明によれば、機械的に線状溝を形成させるに際し、温間でしかも溝深さと溝下再結晶粒サイズとの関係が特定の条件を満たすことにより、歪取り焼鈍を施しても消失しない磁区制御効果を最大限に引き出し、安価に鉄損特性を向上させることができる。

形成された溝下の再結晶組織例（板面 / 板表面付近）を示す図である。 鉄損におよぼす溝加工温度と溝深さの関係を示す図である。 鉄損におよぼす溝深さと溝下平均再結晶粒サイズの関係を示す図である。

以下に、本発明について詳細に説明する。

鋼板を予熱して温間で機械的溝加工を行うと、加工温度によって歪取り焼鈍後の溝下の再結晶粒サイズが変化する。本発明者は、この現象に着目して、機械的溝加工の際の加工温度及び溝深さを変えて、種々の溝深さと溝下の再結晶粒サイズを有する鋼板を作成し、鉄損向上効果に対する溝深さと加工温度（溝下の再結晶粒サイズ）の関係を調べた。

その結果、溝深さと加工温度（溝下の再結晶粒サイズ）の関係が特定の条件を満たす場合にのみ、溝加工時の導入歪を抑制でき、この結果、成品鋼鈑における溝近傍の残留歪の抑制により磁区制御効果を最大限に引き出し、鉄損を向上させることができることを見出し、本発明を完成させた。

以下に、そのような本発明の基本的な知見が得られた実験について説明する。
（実験例１）
質量％で、Ｓｉ：３．２５％、C：０．０５５％、酸可溶性Al：０．０２６％、N：０．００５％、Mn：０．０４％、S：０．０１％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる珪素鋼素材を、１回冷延法により板厚０．２３ｍｍとし、仕上げ焼鈍まで行った一方向性電磁鋼板の磁気特性を測定した。その後、鋼板の表面に、ピッチ５ｍｍ、先端の刃幅５０μｍの歯形ロールを用いて圧延方向に対して７５°方向に溝を形成した。この際、適正条件を見出すべく溝形成時の板温および溝深さ条件を種々変更した。このように製作した鋼鈑に対し、８５０℃で５ｍｉｎ歪取り焼鈍を行った後の磁気特性を測定し、溝加工前後の磁気特性変化を評価した。

磁気測定は６０×３００ｍｍの単板を用いたＪＩＳ Ｃ ２５５６ 記載の単板磁気特性試験方法（ＳＳＴ試験法）で行い、W_17/50（５０Hzで１．７テスラのときの鉄損、単位はワット／kg）およびB₈（８００A／ｍのときの磁束密度、単位はテスラ）を測定した。

ここで、本発明の目的である鉄損低減の効果を、溝加工前後の鉄損変化ΔW_17/50(W/kg)（溝加工後の鉄損−溝加工前の鉄損）で表し、鉄損変化が−０．０５W/kg以下を本発明と評価した。また加工による溝深さが大きいと磁束密度が劣化し好ましくないため、磁束密度劣化を溝加工前後の磁束密度変化ΔB₈(T) （溝加工後の磁束密度−溝加工前の磁束密度）で表し、−０．０５Tより少ない場合を本発明と評価した。これらの評価結果を表１および図２に示す。

本実験結果から、磁気特性が適正な範囲は、溝形成時の板温が高いほど、溝深さが深い方にずれることが判明した。この適正範囲は、次式で表される。

１５０（Ｄ−１４）＋１００≦Ｔ≦１５０（Ｄ−８）＋１００
１００≦Ｔ≦４００
８≦Ｄ≦１６
ここで、Ｄは溝深さ（μｍ）、Ｔは溝形成時の板温（℃）である。

（実験例２）
実験例１で作製した仕上焼鈍後の一方向性電磁鋼板に、ピッチ５mm、先端の刃幅５０μｍの歯形ロールを用いて圧延方向に対して７５°方向に溝を形成した。この際、適正条件を見出すべく溝形成時の板温および溝深さ条件を種々変更した。これらの鋼鈑を８５０℃で５ｍin歪取り焼鈍を行った後の磁気特性を測定し、溝加工前後の磁気特性変化を実験例１と同様に評価した。これらの評価結果を表２および図３に示す。

本実験結果から、磁気特性が適正な範囲は、以下の溝深さＤ（μｍ）と歪取り焼鈍後の溝下平均結晶粒サイズＧ（μｍ）の関係式で表されることが判明した。

１２≦Ｄ＋０．０６７Ｇ≦２１
かつ
０．５≦Ｄ−０．１２５Ｇ≦８

以上のような検討結果に基づいてなされた本発明の限定理由について更に説明する。
＜加工温度＞
溝加工温度は、１００〜４００℃が良い。１００℃未満の場合は鉄損低減効果が低い。これは、製品における溝近傍の残留歪の抑制が不十分なためと思われる。一方４００℃超では温度や溝深さ等の制御面で製造が困難になる割に鉄損低減効果が低いので好ましくない。

＜溝形成方向・幅・間隔＞
溝の形成方向は、圧延方向に対し４５°方向から直角方向の範囲が良い。圧延方向に対し４５°方向より小さいと磁区細分化効果が小さくなるためである。
溝の幅は１０〜５００μｍが好ましい。５００μｍを越すと磁束密度の劣化が大きくなり、鉄損低減効果が得られない。一方１０μｍより狭くすることは、工業的に困難である。
溝の間隔は１〜２０ｍｍが好ましい。２０ｍｍを越えると鉄損低減効果が小さくなるし、１ｍｍ未満にすることは工業的に困難である。
なお、上記実験例などでは歯形ロールによる線状の凹部形成の例を示したが、直線に並んだ点状または破線状凹部でも同等の効果を得ることができる。

＜溝深さ＞
溝深さは、平均で８〜１６μｍとする。１６μｍ超では磁束密度の劣化により鉄損特性が悪くなり、８μｍ未満では磁区細分化効果による鉄損低減効果が小さくなる。

＜溝深さと予熱温度（及び溝下の再結晶粒サイズ）との関係＞
本発明では、先の実験例１及び２に示したように、機械的に線状や点状の溝を鋼板に形成させるに際し、溝深さＤ（μｍ）と鋼板加熱温度Ｔ（℃）との関係が上記（式１）の条件を満たすようにする、あるいは、更に溝深さＤ（μｍ）と溝下平均結晶粒サイズＧ（μｍ）との関係が上記（式２）及び（式３）の条件を満たすようにすることにより、歪取り焼鈍を施しても消失しない磁区制御効果を最大限に引き出すことができる。

＜熱処理温度＞
上記溝加工処理後は、歪取り焼鈍を目的として、７５０℃で５ｍｉｎ以上熱処理を行えば良いが、製造工程においては絶縁皮膜焼付けおよび形状矯正熱処理を兼ねることができる。７５０℃で５ｍｉｎより低温・短時間の場合は歪除去が不十分のため鉄損特性が悪く、一方、８５０℃で５ｍｉｎ以上の高温・長時間熱処理しても鉄損特性はほとんど良くならず、むしろ生産性・コスト上は好ましくない。

＜化学成分＞
該珪素鋼素材の成分は、通常の一方向性電磁鋼板のものであれば本発明の効果が得られるが、代表的な素材の成分は、質量％で、Ｓｉ：２．５〜４．５％、Ｃ：０．０３〜０．１０％、酸可溶性Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。各成分の限定理由について以下に説明する。

Ｓｉは、添加量を多くすると電気抵抗が高くなり、鉄損特性が改善されるので、下限を２．５％とする。しかし、多すぎると冷間圧延の際に割れ易く加工が困難となるので上限を４．５％とする。

Ｃは、一次再結晶組織を制御する上で有効な元素であるため、下限を０．０３％とする。しかし磁気特性に悪影響を及ぼすため仕上げ焼鈍前に脱炭する必要があり、工業的に脱炭が困難とならないように、上限を０．１０％とする。

さらに以下の成分は、二次再結晶のための析出分散相として使用する不純物であり、効果的作用のためには適当量含有させる必要がある。すなわち酸可溶性Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％を二種以上適宜組み合わせることで｛１１０｝＜００１＞方位集積度の高い二次再結晶を得ることができる。

その他Ｓｂ、Ｃｕ、Ｓｎは、インヒビターをさらに強くする目的で１％以下となるよう少なくとも一種添加しても良い。

＜溝を形成する鋼板の表面状態＞
溝加工部の絶縁皮膜は一部破壊されるが、その後のリン酸系絶縁皮膜形成処理により修復される。

以下に本発明の実施例を説明するが、実施例で採用した条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するための一条件例である。従って、本発明はこの一例に限定されるものではなく、本発明を逸脱せず本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

磁気測定は６０×３００ｍｍの単板を用いたＪＩＳ Ｃ ２５５６ 記載の単板磁気特性試験方法（ＳＳＴ試験法）で行い、W_17/50（５０Hzで１．７テスラのときの鉄損、単位はワット／kg）およびB₈（８００A／ｍのときの磁束密度、単位はテスラ）を測定した。
溝加工前後の鉄損変化ΔW_17/50（Ｗ／ｋｇ）（溝加工後の鉄損−溝加工前の鉄損）が−０．０５Ｗ／ｋｇ以下、溝加工前後の磁束密度変化ΔB₈（Ｔ）（溝加工後の磁束密度−溝加工前の磁束密度）が−０．０５Ｔより少ないものが、本発明例である。

＜実施例１＞
質量％で、Ｓｉ：３．２５％、C：０．０５％、酸可溶性Ａｌ：０．０２６％、Ｎ：０．００６％、Ｍｎ：０．０５％、S：０．０１％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる珪素鋼素材を、１回冷延法により板厚０．２３ｍｍとし、仕上げ焼鈍まで行った一方向性電磁鋼板の磁気特性を測定した。その後、鋼板の表面に、ピッチ５ｍｍ、先端の刃幅５０μｍの歯形ロールを用いて溝を形成した。この際、溝形成時の板温、溝深さ及び圧延方向に対する溝角度の条件を種々変更した。このように製作した鋼鈑について、加熱温度を７００〜８５０℃で５ｍｉｎ歪取り焼鈍を行った後の磁気特性を測定し、溝加工前後の磁気特性変化を実験例１と同様に評価した。これらの評価結果を表３に示す。

本願発明の範囲を満足している発明例Ａ１〜Ａ８は、鉄損変化ΔW_17/50が−０．０５Ｗ／ｋｇ以下であり、磁束密度変化ΔB₈も−０．０５Ｔより少なく、磁気特性が優れている。これに対し、溝深さＤが本願発明範囲を満足していないａ１およびａ２、加工方向が本願発明範囲を満足していないａ３、加工温度が本願発明範囲を満足していないａ４およびａ５、熱処理温度が本願発明範囲を満足していないａ６は、いずれも鉄損変化ΔW_17/50が−０．０４Ｗ／ｋｇ以上であり鉄損特性が悪い。

＜実施例２＞
実施例１で作製した仕上焼鈍後の一方向性電磁鋼板に、ピッチ５mm、先端の刃幅５０μｍの歯形ロールを用いて圧延方向に対して７５°方向に溝を形成した。この際、表４に示すような溝形成時の溝深さおよび歪取り焼鈍後の溝下の平均結晶粒サイズを種々変更した。このように製作した鋼鈑に対して８５０℃で５ｍｉｎ歪取り焼鈍を行った後の磁気特性を測定し、溝加工前後の磁気特性変化を実験例２と同様に評価した。これらの評価結果を表４に示す。

溝深さＤと歪取り焼鈍後の溝下平均再結晶粒サイズＧの関係が式２および式３を満足する本願発明例Ｂ１〜Ｂ９は、鉄損変化ΔW_17/50が−０．０５Ｗ／ｋｇ以下であり、磁束密度変化ΔB₈も−０．０５Ｔより少なく、磁気特性が優れている。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｓｉ：２．５〜４．５％、Ｃ：０．０３〜０．１０％、酸可溶性Ａｌ：０．０１〜０．０４％、Ｎ：０．００３〜０．０１５％、Ｍｎ：０．０２〜０．１５％、Ｓ：０．００３〜０．０５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる珪素鋼を素材とし、仕上焼鈍後の或いは仕上焼鈍後に更に絶縁皮膜処理した一方向性電磁鋼板の表面に溝を形成する一方向性電磁鋼板の製造方法において、該電磁鋼板を１００〜４００℃の温度Ｔ（℃）に加熱し、該電磁鋼板の圧延方向に対し、直角方向から４５°方向の範囲内で、かつ溝深さＤ（μｍ）と加熱温度Ｔ（℃）が下記（式１）を満足する条件で機械的に溝を形成した後、７５０℃以上の温度で熱処理し、かつ、溝深さＤ（μｍ）と歪取り焼鈍後の溝下平均結晶粒サイズＧ（μｍ）の関係が、下記（式２）および（式３）を満たすことを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
   １５０（Ｄ−１４）＋１００≦Ｔ≦１５０（Ｄ−８）＋１００ ・・・（式１）
   １２≦Ｄ＋０．０６７Ｇ≦２１ ・・・ （式２）
   ０．５≦Ｄ−０．１２５Ｇ≦８ ・・・ （式３）
   ここで、８≦Ｄ≦１６である。