JP5447738B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents

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Description

本発明は、変圧器などの鉄心材料に用いる方向性電磁鋼板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る材料である。方向性電磁鋼板の材料特性としては、トランスの高効率化および低騒音化の観点から、低鉄損および低磁歪が求められている。
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が重要である。一方で、結晶粒の配向性が高すぎると逆に鉄損が増加してしまうことが知られている。そこで、この欠点を解消するため、鋼板の表面に歪や溝を導入し、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。
たとえば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入することにより、磁区幅を狭くして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、電子ビームの照射により磁区幅を制御する技術が提案されている。この電子ビーム照射によって鉄損を低減する方法では、電子ビームの走査は磁場制御によって高速で行うことが可能である。したがって、レーザーの光学的走査機構に見られるような機械的な可動部がないことから、特に１ｍ以上の広幅の連続したストリップに対して、連続かつ高速で歪導入をはかる場合に有利である。
特公昭57-2252号公報 特公平06-072266号公報
しかしながら、上述のようにして磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であっても、実機変圧器に組上げた場合には、トランスの騒音が大きくなる場合のあることが問題であった。
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたものであり、磁区細分化処理により鉄損を低減させた方向性電磁鋼板について、変圧器鉄心に積層して使用した場合に発生する騒音を効果的に低減することが可能な、騒音特性に優れた方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）鋼板の表裏面にフォルステライト被膜および張力コーティングをそなえる方向性電磁鋼板（の片面）に、線状の熱歪みを導入する磁区細分化処理が施された方向性電磁鋼板であって、該鋼板の圧延方向の反り量が前記熱歪みの導入面を内側とする反り面の曲率半径で600mm以上6000mm以下であり、かつ前記圧延方向と直角方向の反り量が前記歪みの導入面を内側とする反り面の曲率半径で2000mm以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
（２）前記磁区細分化処理に供する方向性電磁鋼板は、前記フォルステライト被膜および張力コーティングを合わせた被膜張力が鋼板表裏面で等しく、かつ鋼板表裏面のいずれか片面のみのフォルステライト被膜および張力コーティングを除去した際の反り量が該反り面の曲率半径で500mm以下である前記（１）に記載の方向性電磁鋼板。
（３）前記線状の熱歪みが、レーザビームの照射により導入されてなる前記（１）または（２）に記載の方向性電磁鋼板。
（４）前記線状の熱歪みが、電子ビームの照射により導入されてなる前記（１）または（２）に記載の方向性電磁鋼板。
ここで、上記した鋼板における反り量としての曲率半径は、圧延方向の反り量を評価する場合は、熱歪みの導入後または導入前の方向性電磁鋼板から圧延方向へ300mmおよび圧延方向と直角方向へ100mmの試料を切り出し、この試料を図１に示すように、100mm辺を鉛直方向に立てて距離ｘおよびＬを測定し、次式に従って算出することとする。
曲率半径Ｒ＝（Ｌ２＋４ｘ２）／８ｘ
なお、上式は、図２に示すところに従う、関係２式
Ｌ＝２Ｒsin（θ／２）
ｘ＝Ｒ{１−cos（θ／２）}
より、導出した。なお、圧延方向と直角方向の反り量を評価する場合は、圧延方向と直角方向へ300mmおよび圧延方向へ100mmの試料を切り出し、同様の測定を行って曲率半径を算出する。
また、反りにおける圧延方向や圧延方向と直角方向という向きは、該反りを弓としたときの弦が延びる向きを意味する。
本発明によれば、歪み導入により低鉄損とした方向性電磁鋼板を積層して作製する、変圧器において、従来に比べて騒音を大幅に低減することができる。
鋼板における曲率半径の測定要領を説明する図である。 曲率半径の算定式の導出過程を説明する図である。 鋼板長手方向の反り量（曲率半径）と鉄心の騒音値との関係を示すグラフである。 鋼板圧延直角方向の反り量（曲率半径）と鉄心の騒音値との関係を示すグラフである。
以下、本発明の方向性電磁鋼板について具体的に説明する。
方向性電磁鋼板の製品板の表層には、フォルステライト被膜および張力コーティングが形成されているのが一般的であり、鉄損低減のために施される、レーザー照射あるいは電子ビーム照射等は、張力コーティングの表面に施されている。その鉄損低減のメカニズムは、鋼板表面への高エネルギービーム照射により熱歪みが与えられて鋼板の磁区が細分化されて発現するものである。
この局所的な熱歪みが鋼板の片面より周期的に導入されることにより、鋼板には歪み導入面を内側として圧延方向に反りが生じる。この反りを含んだ鋼板形状は鉄損測定あるいは磁束密度測定にはほとんど影響を及ぼさないものの、変圧器を組み立てた際に問題になることが明らかとなってきた。
熱歪み導入による磁区制御技術はそもそも、幅の広い主磁区主体の磁区構造に対して、ほぼ直角に歪みを導入することで主磁区の磁区幅を狭めて鉄損を低減する技術である、といえる。したがって、熱歪みが導入された箇所では磁区構造が局所的に変化して、補助磁区または環流磁区ともいう磁区構造が現れる。騒音の主原因となる磁歪振動は、交流励磁下における動的な磁区構造変化の結果を直接反映したものであるから、その熱歪み導入の強度やパターンにより騒音値は大きくも小さくもなりうる。
本発明は、その局所的な磁区構造に基づく磁歪振動とは別に、鋼板全体として見た場合の反りに着目している。すなわち、変圧器鉄心の積層構造において、長手方向（圧延方向）に反りを生じている鋼板は真っ直ぐに矯正されて積層されることになるが、その時、熱歪みの導入面側には引張応力、非導入面側には圧縮応力が働くことになる。
そこで、連続レーザーを用いて、照射ビーム強度、および種々の繰り返し照射ピッチにて磁区を制御した鋼板を製作して、この鋼板から500mm角の三相三脚変圧器のモデル鉄心を作製して、鋼板反り量と鉄心が発する騒音とに関して詳細に検討した。使用した方向性電磁鋼板の重量はおよそ20kgであり、鉄心全面に面圧で98.1kPa （1.0kgf／cm2)の荷重をかけて、磁束密度1.7Ｔおよび周波数50Hzの交流励磁を行い、騒音測定を実施した。
騒音測定は、Ｕ脚、Ｖ脚、Ｗ脚の各脚中央の真上200mm の位置に設置したコンデンサマイクロフォンを使用し、３点の平均値をとった。なお、周波数解析も行ったが、騒音はオーバーオール値で比較した。
その鋼板の長手方向（圧延方向）の反り量を曲率半径として計測し、この反り量を横軸および鉄心の騒音値を縦軸にプロットした結果を、図３に示す。同図に示すように、曲率半径が600mm未満になると、騒音値が急速に増大していくことがわかる。これは反り量の大きな鋼板が積層時に形状矯正されて、強い応力が加わったためと考えられる。また、曲率半径が6000mmを超える範囲でも騒音が大きくなる傾向にあることがわかる。これは熱歪みの導入量が少なすぎるために生じると推定される。すなわち、熱歪み導入によって磁区細分化処理を施した材料は、その磁区制御によって磁区幅自体が狭くなるため、いわゆる磁歪振動における振動振幅は小さくなり、騒音には有利に働くからである。したがって、実際の変圧器が発生する騒音を考えた場合、熱歪みの導入量および導入パターンを反映した鋼板反り量には最適範囲が存在し、その範囲は、圧延方向の鋼板反り量が歪み導入面を内側として曲率半径で600mm以上6000mm以下である。
また、実際の大型変圧器の組立において、鋼板が長手方向すなわち圧延方向に反りを有していると、積層作業に問題を生じるのは言うまでもない。
次に、発明者らは、圧延直角方向の反り量にも着目した。今度は連続レーザーを用いて、照射ビームを走査する際に周期的に強度を変調させたり、焦点自身をジャストからややぼかしたりして照射を行った。圧延方向すなわち鋼板長手方向の反り量は曲率半径が5000mmで一定となるようにビーム強度、ピッチ等を調整した。同時にパルス発振型のレーザー照射もあわせて実施した。パルス照射では周期的な強度変調はできない。
図４に、圧延直角方向の反り量を曲率半径として測定した結果について、騒音との関係を示した。圧延直角方向の鋼板反り量が歪み導入面を内側として曲率半径で2000mm未満の領域では、騒音が増大している。従って、圧延直角方向の反りは、騒音に対して小さい方が良いと考えられる。なお、上限は特に定める必要はなく、圧延直角方向においては完全に平坦であってもよい。
さらに、フォルステライト被膜および張力コーティングが有する、適正な被膜張力は、騒音抑制に有効である。両者をあわせた被膜張力の評価方法として、熱歪み導入前の鋼板表裏面の片面のみフォルステライト被膜および張力コーティングを除去した際の、曲率半径を採用すると、該曲率半径が500mm以下であることが鋼板の磁歪振動の抑制に必要である。それより大きい場合には両者を合わせた被膜張力が小さすぎて、鋼板の磁歪振動を抑制する効果が小さく、結果として騒音が大きくなってしまう。
次に、本発明に従う方向性電磁鋼板の製造条件に関して具体的に説明する。
本発明において、方向性電磁鋼板用スラブの成分組成は、特に制限はなく、二次再結晶が生じる成分組成であればよい。
また、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。
本発明の方向性電磁鋼板用スラブの基本成分および任意添加成分について具体的に述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、熱延板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。
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。
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。
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％およびMo:0.005〜0.10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およびMo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。
次いで、上記した成分組成を有するスラブは、常法に従い加熱して熱間圧延に供するが、鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延しても良いし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進んでもよい。
さらに、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。この時、ゴス組織を製品板において高度に発達させるためには、熱延板焼鈍温度として800〜 1100℃の範囲が好適である。熱延板焼鈍温度が800℃未満であると、熱間圧延でのバンド組織が残留し、整粒した一次再結晶組織を実現することが困難になり、二次再結晶の発達が阻害される。一方、熱延板焼鈍温度が1100℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるために、整粒した一次再結晶組織の実現が極めて困難となる。
熱延板焼鈍後は、該熱延板に１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して冷延板とした後、再結晶焼鈍を行い、焼鈍分離剤を塗布する。焼鈍分離剤を塗布した鋼板に、二次再結晶およびフォルステライト被膜の形成を目的として最終仕上げ焼鈍を施す。
最終仕上げ焼鈍後の鋼板に、平坦化焼鈍を行って鋼板の形状を矯正することが有効である。なお、鋼板を積層して使用する場合には、鉄損を改善する目的で、平坦化焼鈍前または後に、鋼板表面に張力コーティングを施すことが有効である。この張力コーティングは、リン酸塩―コロイダルシリカ系のガラスコーティングが一般的であるが、他にホウ酸アルミナ系などの低熱膨張係数を有する酸化物でも良い。またさらなる高張力を生じる被膜として、ヤング率の大きな炭化物、窒化物等も有効である。
なお、張力コーティングを施す際には塗布量・焼付け条件を調整し、発生張力を十分に発揮させることが肝要である。
ここで、磁区細分化処理前の方向性電磁鋼板において、フォルステライト被膜および張力コーティングを併せた被膜張力が鋼板表裏面で等しく、かつ鋼板表裏面のいずれか片面のみのフォルステライト被膜および張力コーティングを除去した際の反り量が該反り面の曲率半径で500mm以下とするには、平坦化焼鈍を適切な張力や適切な温度の下で行うこと、そして、上記被膜について低熱膨張係数を有するガラスコーティングの焼付けを十分に行い、熱残留応力に基づく引張応力を十分に発生させること、が必要である。
本発明では、張力コーティング付与後の時点で、鋼板表面にレーザーや電子ビーム等の熱ビームを照射することにより、磁区を細分化する。これら照射痕の方向は、鋼板の圧延方向に対して、90°から45°をなす方向であることが好ましい。
ここで、磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板において、該鋼板の圧延方向の反り量を前記歪みの導入面を内側とする反り面の曲率半径で600mm以上6000mm以下、かつ前記圧延方向と直角方向の反り量が前記歪みの導入面を内側とする反り面の曲率半径で2000mm以上とするには、レーザーや電子ビームのビーム強度およびビームプロファイルの調整、さらに走査中の強度分布に変化をもたせる等の手法の組み合わせが有効である。そして、上記の範囲を満足するように前記した手法を最適条件で組み合わせることが肝要である。特に、ビームプロファイルの調整として、レーザーであれば焦点調整、電子ビームであれば収束コイルでのビーム収束量を変化させ、必ずしもジャストフォーカスとしないことが有効である。
Si：3.2質量％、Ｃ：0.07質量％、Mn：0.06質量％、Ni：0.05質量％、Al：0.027質量％、Ｎ：0.008質量％およびSe：0.02質量％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを1450℃に加熱して1.8mm厚に熱間圧延して熱延板とした後、該熱延板に中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延を施して最終板厚0.23ｍｍとした、方向性電磁鋼板用冷延板に、脱炭、一次再結晶焼鈍を施した後、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。その後、該鋼板に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、800℃にて焼付けた。この時、コーティングの目付量を二水準として、厚目付（片面当り乾燥目付量で6.5g/m2）と薄目付（片面当り乾燥目付量で4.0g/m2）とした。
得られた試料を圧延方向および圧延直角方向に剪断し、長さ300mmおよび幅100mmのサイズの被膜張力評価用試片を作製した。その後、熱塩酸にて試片のフォルステライト被膜および絶縁コートを片面のみ除去して、圧延方向の曲率半径を計測した。なお、曲率半径は、上記した図２に示したところに従って求めた。これは、以下の曲率半径についても同様である。
ついで、磁区細分化処理は、方向性電磁鋼板に、その圧延方向と直角に連続ファイバーレーザーを照射することで実施した。レーザービームの鋼板上での走査はガルバノスキャナを用いて行った。
レーザー照射時の圧延方向の照射列の間隔は４mmで一定としたが、連続レーザーの強度は一定の条件だけではなく、走査中に強度を50〜100％の範囲で変化させること、焦点をジャスト位置からややぼかした位置に変更して照射すること、により反りを調整した。
得られた試料の一部は、長さ300mmおよび幅100mmのサイズに圧延方向および圧延直角方向に剪断し、レーザー照射後の鋼板の曲率を圧延方向、圧延直角方向でそれぞれ測定した。残りの試料は、500mm角の正方三脚鉄心用に斜角剪断して積層し、約40kg三相変圧器を作製した。各脚の幅は100mmである。コンデンサマイクロフォンを使用して三相変圧器鉄心の各脚の直上20cmの位置にて、1.7Ｔおよび50Hz励磁における騒音を測定して平均値を求めた。その際、聴感補正としてＡスケール補正を行った。
計測された変圧器騒音を、鋼板の圧延方向、圧延直角方向の曲率半径および被膜張力の指標となる片面除去時の曲率半径とあわせて表１にまとめた。圧延方向あるいは圧延直角方向の曲率が適正範囲に入っていない試料１、４〜６、９、10、12では、モデル変圧器鉄心の騒音が大きくなった。他方、本発明条件を満たす試料２、３、７、８、11では騒音が抑制されていることがわかり、被膜張力が本発明の好適な範囲である試料２、３、７、11ではより騒音が抑制されている。
Figure 0005447738
Si：3.3質量％、Ｃ：0.06質量％、Mn：0.08質量％、Ｓ：0.023質量％、Al：0.03質量％、Ｎ：0.007質量％、Cu：0.2質量％およびSb：0.02質量％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを1430℃に加熱して2.5mm厚に熱間圧延して熱延板とした後、該熱延板に中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延を施して最終板厚0.23ｍｍとした、方向性電磁鋼板用冷延板に、脱炭、一次再結晶焼鈍を施した後、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。50%のコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コートを塗布、850℃にて焼付けた。この時、コーティングの目付量を二水準として、厚目付と薄目付とした。得られた試料より被膜張力評価用として、長さ300mm、幅100mmのサイズに圧延方向および圧延直角方向に剪断した。その後、該鋼板に熱塩酸にてフォルステライト被膜および絶縁コートを片面のみ除去して、圧延方向の曲率を計測した。
次いで、磁区細分化処理は、方向性電磁鋼板に、その圧延方向と直角に電子ビームを照射することで実施した。処理中の真空度は0.5Paで、電子ビームの鋼板上での走査は偏向コイルにより行った。
電子ビーム照射時の圧延方向の照射列の間隔は５mmで一定とした。電子ビームは連続的に照射したのではなく、ドット状に照射し、その点列間隔を0.1〜1.0mmの範囲で変化させた。またビーム強度のプロファイルをビーム電流および収束コイルの電流量を調整することで変化させた。
得られた試料の一部は長さ300mmおよび幅100mmのサイズに圧延方向および圧延直角方向に剪断し、電子ビーム照射後の鋼板の曲率を圧延方向、圧延直角方向でそれぞれ測定した。残りの試料は、500mm角の正方三脚鉄心用に斜角剪断して積層し、約32kg単相変圧器を作製した。脚の幅は100mmである。コンデンサマイクロフォンを使用して単相変圧器鉄心の両端脚の直上20cmの位置にて、1.7Ｔ、50Hz励磁における騒音を測定して平均値を求めた。その際、聴感補正としてＡスケール補正を行った。
計測された変圧器騒音を、鋼板の圧延方向、圧延直角方向の曲率半径および被膜張力の指標となる片面除去時の曲率半径とあわせて表２にまとめた。圧延方向あるいは圧延直角方向の曲率が適正範囲に入っていない試料１、２、５、６、９、10、12では、モデル変圧器鉄心の騒音が大きくなった。他方、本発明条件を満たす試料３、４、７、８、11では騒音が抑制されていることがわかり、被膜張力が本発明の好適な範囲である試料３、４、７、11ではより騒音が抑制されている。
Figure 0005447738

Claims (4)

  1. 鋼板の表裏面にフォルステライト被膜および張力コーティングをそなえる方向性電磁鋼板に、線状の熱歪みを導入する磁区細分化処理が施された方向性電磁鋼板であって、該鋼板の圧延方向の反り量が前記歪みの導入面を内側とする反り面の曲率半径で600mm以上6000mm以下であり、かつ前記圧延方向と直角方向の反り量が前記歪みの導入面を内側とする反り面の曲率半径で2000mm以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
  2. 前記磁区細分化処理に供する方向性電磁鋼板は、前記フォルステライト被膜および張力コーティングを併せた被膜張力が鋼板表裏面で等しく、かつ鋼板表裏面のいずれか片面のみのフォルステライト被膜および張力コーティングを除去した際の反り量が該反り面の曲率半径で500mm以下である請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
  3. 前記線状の熱歪みが、レーザビームの照射により導入されてなる請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板。
  4. 前記線状の熱歪みが、電子ビームの照射により導入されてなる請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板。
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