JP5565307B2

JP5565307B2 - 方向性電磁鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP5565307B2
Application number: JP2010293290A
Authority: JP
Inventors: 誠司岡部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2030-12-28
Also published as: JP2012140665A

Description

本発明は、方向性電磁鋼板の製造方法、特に方向性電磁鋼板に磁区細分化処理を施すことにより鉄損を改善する方法に関する。

方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
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や、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位を制御することや、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入し、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。

例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域（熱歪み領域）を導入し、磁区幅を狭くすることによって、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。また、特許文献２には鋼板表面にプラズマ炎を放射して線状の高転位密度領域を導入する方法が、特許文献３には鋼板表面に電子ビームを照射して線状の高転位密度領域を導入する方法が、それぞれ提案されている。

特公昭５７−２２５２号公報特開昭６２−９６６１７号公報特開平１−２８１７０８号公報

上記した熱歪み領域の導入による磁区細分化処理は、高い磁区細分化効果が得られる一方で、このような局所的な熱歪みを導入した方向性電磁鋼板を変圧器として利用した場合、騒音が大きくなるという問題が生じることがある。これらは特に鉄損を極限まで低減しようとして、鋼板に加える熱量（歪み量）を大きくした場合に顕著となる。これは、熱歪み領域および、周辺の弾性歪みの導入された領域に生じる、微細かつ複雑な補助磁区が多くなり、このような多量の補助磁区の存在が、変圧器の鉄心に使用される際の磁化過程において磁歪変動を増大かつ複雑化するためである。

そこで、本発明は、このような熱歪みを導入した方向性電磁鋼板を変圧器に利用した場合の騒音の問題を解消し、磁区細分化効果並びに張力付与効果を十二分に享受し得る方途について提供することを目的とする。

発明者らは、上記した課題を解決するために、熱歪みの導入方法を鋭意究明したところ、仕上げ焼鈍の後に張力絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板を特定の向きに湾曲させた内側の表面に、線状の熱歪みを導入することが極めて有効であることを知見し、本発明を完成するに到った。

すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで張力絶縁被膜の形成および平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きに線状の熱歪み領域を導入する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に、母線が前記圧延方向と交差する向きとなる湾曲を与えて、該湾曲の内側面に前記熱歪み領域を導入することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明によれば、鋼板に熱歪みを導入する際に、熱歪みを導入する面を内側にして、鋼板を圧延方向に沿って湾曲させるという簡便な方法によって、変圧器鉄損の低減と、変圧器の鉄心として使用した際の騒音の低減とが両立される方向性電磁鋼板を製造することができる。

本発明に従う熱歪み導入の要領を示す図である。熱歪み導入の具体例を示す図である。熱歪み導入の具体例を示す図である。熱歪み導入の具体例を示す図である。従来の熱歪み導入の要領を示す図である。

以下、本発明の方法について、詳しく説明する。
本発明では、コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施したのち、平坦化焼鈍にてコイルの巻き癖を取り除いて鋼板を平坦化した後、図１に示すように、鋼板１に母線が鋼板の圧延方向と交差する向きとなる湾曲を与えて、この湾曲の内側面２に線状の熱歪み領域を、レーザや電子ビーム等のエネルギービーム３により導入する。

ここで、鋼板１を湾曲させるに当たり、連続コイルの場合はエネルギービーム３が透過するようにしたロールやガイド板に巻き付けたり、間隔を小さく配置したガイドロールに沿わす等の方法を取ることができ、切り板の場合は所定の曲率を持ったガイドに押しつける等の方法を取ることができる。
すなわち、エネルギービーム３が透過するガイドロールとして、例えば図２に示すような、発振器３ａからのレーザ光３ｂを透過するガイドロール４を用いて、このロール４に鋼板１を巻き付けることができる。なお、レーザ光を透過するガイドロールとしては、照射するレーザ光の波長に対して高透過率を有するガラスまたは樹脂等を素材とするものを適用できる。
また、エネルギービーム３が透過するガイド板としては、例えば図３に示すような、ガイド板５にエネルギービーム３を通すスリット（または窓）５ａを設けて、このような隙間からエネルギービーム３を通過させることが可能である。
さらに、間隔を小さく配置したガイドロールを用いる場合は、例えば図４に示すような、多数の小径ロール６を対向配置して鋼板１を湾曲させながら誘導する際に、そのロール６相互の隙間を介してエネルギービーム３を鋼板１に照射することも可能である。

なお、湾曲させる際の該湾曲の曲率半径の好適範囲は、対象鋼板の厚みによって異なるが、概ね板厚の200倍以上2000倍以下である。すなわち、曲率半径が板厚の200倍よりも小さいと、湾曲による鋼板の反りが熱歪みの導入後も残存して変圧器の加工が困難となる。一方、2000倍を超えると、後述する湾曲の効果が少なくなる。

また、湾曲は、母線が前記圧延方向と交差する向きに与えることが肝要である。特に、湾曲面の母線が圧延方向と直交する、湾曲を与えることが好適であるが、湾曲面の母線が圧延直角方向に対してなす角度α（図１（ｂ）参照）が45°以内であればよい。

上記に従う湾曲を鋼板に与えると、この湾曲面の母線方向と熱歪みを線状に導入する方向とは概ね平行となる。この湾曲を与えて熱歪みを線状に導入することにより、かような工程を経た鋼板を変圧器に適用した際の、騒音が低減される理由は定かではないが、次にように考えられる。
すなわち、湾曲した鋼板の内側表面には圧縮応力が作用しており、これにより瞬間的な加熱によって鋼板が熱膨張して生じる歪みが、より小さい入熱量で発生するようになり、磁区細分化に必要な熱歪みの総量が減少する結果、補助磁区の形成量も減少し、変圧器鉄心の磁化時の磁歪変化量が小さくなるためと推測される。従って、湾曲面の母線方向と熱歪みを線状に導入する方向とは概ね平行となることが有効であると、考えられる。

ここに、熱歪みの導入は、仕上げ焼鈍と張力絶縁被膜の形成後である必要がある。方向性電磁鋼板の特徴であるゴス方位の二次再結晶を成長させるための仕上げ焼鈍、および張力絶縁被膜の形成と張力効果の発現のためには、いずれも高温での熱処理が必要である。しかし、このような高温処理は鋼板に導入された歪みを除去または減少させるため、例えば熱歪みの導入後に張力被膜の焼付けを行うと、導入した歪による圧縮応力が解消され、磁区細分化の効果が消失してしまう。したがって、張力被膜の形成等の高温処理は、本発明の熱歪導入前に実施する必要がある。

熱歪みを導入する方法は、ＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ、ファイバーレーザ等のパルス発振、または連続発振での照射、電子ビームの照射、プラズマ炎の照射等、公知の方法を取ることができる。熱歪みは、圧延方向と交差する向き、好ましくは直交する方向へ線状に導入するが、連続する線状、または点線状のいずれでもよい。この線状の歪み導入領域は、圧延方向に２mm以上20mm以下の間隔で反復して形成する。
なお、鋼板に導入される歪の深さは、５〜30μｍ程度とするのが好適である。

また、磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板の鉄損は、二次再結晶の方位集積が高い方がより小さいことが知られている。方位集積の目安としてＢ_８（800A/mで磁化した際の磁束密度）がよく用いられるが、本発明に用いる方向性電磁鋼板はＢ_８が1.88Ｔ以上、より好ましくは1.92Ｔ以上のものが好適である。
このような磁束密度の高い方向性電磁鋼板では、磁歪の大きさが小さく、変圧器の騒音を低減するのに有利である。そして、本発明では従前よりも低い出力での熱歪み導入が可能になり、その結果、熱歪みに起因する磁歪変化が抑制でき、素材の低磁歪を生かして騒音の低減が実現する。

電磁鋼板の表面に形成された張力絶縁被膜は、従来公知の張力絶縁被膜で構わないが、リン酸アルミニウムまたはリン酸マグネシウム等のリン酸塩とシリカを主成分とするガラス質の張力絶縁被膜であることが好ましい。
なお、張力コーティングの焼付けと平坦化焼鈍とは同時であっても、別々の焼鈍に分かれていてもかまわない。

本発明に係る方向性電磁鋼板は、従来公知の方向性電磁鋼板であればよい。例えば、Si：2.0〜8.0質量％を含む電磁鋼素材を用いればよい。
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。

また、Siの他の基本成分および任意添加成分について述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、集合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。

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。

ここで、二次再結晶を生じさせるために、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％および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以下およびSe：50 質量ppm以下に抑制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％、Mo:0.005〜0.10質量％およびCr:0.03〜1.50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、Cr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。

上記した成分組成になる鋼スラブは、やはり方向性電磁鋼板の一般に従う工程を経て、二次再結晶焼鈍後に張力絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板とする。すなわち、スラブ加熱後に熱間圧延を施し、１回又は中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延にて最終板厚とし、その後、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、例えば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げ焼鈍を施し、上述の操作を行った上、例えば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して焼付ければよい。

最終仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板コイル（板厚：0.23mm）に、平坦化焼鈍を行うと同時に張力絶縁被膜を塗布そして焼付けした。方向性電磁鋼板は、3.4質量％のSiを含有するものであり、張力絶縁被膜はフォルステライト被膜の上に形成されたコロイド状シリカ、リン酸マグネシウム、クロム酸からなる薬液を焼き付けたものである。このコイルから圧延方向を長手方向とする幅100ｍｍ、長さ500ｍｍの試料を採取し、単板磁気測定装置で磁気特性を測定したところ、この方向性電磁鋼板の励磁条件1.7Ｔおよび50Ｈｚにおける鉄損Ｗ_17/50は0.90W/kg、そして磁化力800A/mにおける磁束密度Ｂ_８は1.93Ｔであった。

次に、この試料にパルスレーザ、または電子ビームを照射する磁区細分化処理を行った。この際、切り板を長手方向に沿って所定の曲率半径で湾曲したガイドとなるステンレス鋼板を準備し、該ステンレス鋼板に沿うように試料を固定して湾曲を与え、図１に示したように、レーザまたは電子ビームが、この湾曲部の内側面に照射されるように照射装置にセットした。また、一部の試料は、図５に示すように平坦（曲率なし）の状態で、エネルギービーム（レーザまたは電子ビーム）３を照射した。
すなわち、レーザまたは電子ビームの出力を変更して照射し、鉄損が十分に低減されて0.78W/kgになる条件を確認し、それぞれの条件で500枚を処理した。パルスレーザおよび電子ビームの照射条件は、表１の欄外に示したとおりである。ここで、レーザまたは電子ビームの出力は、鋼板表面１cm当たりの熱量に換算して示した。

さらに、これらの切り板を３相３脚タイプのモデル変圧器の部材になるよう斜角裁断を施し、100枚をラップ幅10mmの交互積みで積層した鉄心を構成し、1.7Ｔおよび50Hzでの鉄損と、その際の騒音（鉄心から300mmの位置で測定）を測定した。
これらの測定結果を表１に示すように、本発明に従って湾曲させて磁区細分化処理を施した材料を鉄心とした場合は、従来のように平坦の状態で磁区細分化処理をした材料に比べて、騒音が約２ｄＢ以上低滅された。

１鋼板
２内側面
３エネルギービーム
３ａ発振器
３ｂレーザ光
４ガイドロール
５ガイド板
５ａスリット
６ロール

Claims

コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで張力絶縁被膜の形成および平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きに線状の熱歪み領域を導入する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に、母線が前記圧延方向と交差する向きとなる湾曲を与えて、該湾曲の内側面に前記熱歪み領域を導入することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。