JP5884168B2

JP5884168B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP5884168B2
Application number: JP2012025245A
Authority: JP
Inventors: 重宏 ▲高▼城; 山口　広; 山口　　広; 岡部　誠司; 誠司岡部; 花澤　和浩; 和浩花澤
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2012-02-08
Filing date: 2012-02-08
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2032-02-08
Also published as: JP2013159847A

Description

本発明は、変圧器の鉄心などの用途に使用される方向性電磁鋼板およびその製造方法に関し、特に透磁率の低下を招くことなしに鉄損の有利な低減を図ろうとするものである。

変圧器などに使用される方向性電磁鋼板には、高磁束密度を始めとして、低鉄損、高透磁率、低騒音など、多岐にわたる特性が求められる。特に、近年では、エネルギ使用効率の高い変圧器が求められており、方向性電磁鋼板として、低鉄損かつ高透磁率であることが重要になっている。

方向性電磁鋼板の鉄損を低減する方法としては、これまで素材の組織や化学組成の調整の他に、鋼板への線状溝の形成、レーザ、プラズマ炎、電子ビーム照射などによる磁区細分化が知られている（例えば特許文献１など）。
上記した方法のうち、線状溝の形成は、鉄損の改善効果が大きいことが知られているが、磁束密度を劣化させるという欠点がある。
一方、レーザやプラズマ炎、電子ビーム照射による磁区細分化は、鉄損を劇的に改善することができるだけでなく、鋼板の磁束密度はほとんど劣化させないことが知られている。ところが、このような磁区細分化を行うと、鋼板の透磁率は減少する傾向にある。透磁率が低くなると、励磁に必要な電流が大きくなり、変圧器の負荷損が増大してしまう。また、磁気シールドなどの用途では、透磁率が低いとシールド性が劣化してしまう。

方向性電磁鋼板の透磁率を高くする技術は、これまでにも幾つか報告されてきた（例えば特許文献２など）が、従来のレーザ、プラズマ炎、電子ビーム照射による磁区細分化技術では、鉄損をいかに低減するかに主眼が置かれており、照射によって透磁率が劣化することについては注意が払われていなかった。

特公平7-65106号公報特許第4258202号公報特許第4344264号公報特許第3361709号公報

透磁率は、磁壁の移動のしやすさを表すものであるから、透磁率を高く保つためには、磁壁の移動を妨げる結晶粒界や、高転位密度領域などを低減すれば良い。
しかしながら、例えば特許文献３に示されるように、レーザなどを照射した部分には、局所的に高転位密度領域が形成される。

上記のような、高転位密度領域は、主として、レーザやプラズマ炎、電子ビーム（以下、まとめてビームという）照射部の局所的な高温化によって生成し、局所的に高温であるほどより高密度に形成される傾向がある。特許文献４によれば、ビーム照射部の局所的な高温化は、ビームのパワー密度が高い方が顕著であるため、透磁率の劣化を抑制するためには、パワー密度が低い条件でビーム照射を行うことが望ましい。しかしながら、パワー密度を低減した場合には、十分な磁区細分化効果が得られず、ビーム照射後の鋼板の鉄損が十分には低減されないという問題があった。
さらに、ビーム照射材の生産性を高くすることを背景として、以下に述べるように、ビームのパワー密度はできるだけ高くすることが求められており、照射による透磁率の劣化代はますます大きくなる傾向にある。

さて、ビーム照射材の生産性の観点からは、ビーム走査の高速化が求められている。パルス状にビームを照射する場合では、ビームの平均走査速度ｖは、ｖ〜ｐｆ（ｐ：パルス照射部の間隔（ドットピッチ）、ｆ：照射の繰返し周波数）で与えられるため、照射の高周波数化が必要になってくる。電子ビームの場合には、繰返し周波数ｆを数百kHz以上という極めて大きい値まで設定することができるため、高速操業の点では有利である。また、さらなる高速化を達成しようとする場合には、ドットピッチｐを増大させることが重要になっている。
しかしながら、これまでの技術では、パルス照射部の間隔ｐを過度に大きくすると、鉄損が十分に低減しないという問題があった。

さらに、ビームの走査速度ｖが大きくなると、鋼板に熱歪みを導入するために必要なビーム出力Ｗが高くなる。単純に、鋼板への単位長さ当たりの入熱量Ｑを考えても、
Ｑ＝Ｗ／ｖ＝Ｗ／(ｐｆ)
であるから、走査速度ｖが大きくなると、入熱量Ｑを一定に保つためには、ビーム出力Ｗを大きくしなければならない。ビーム出力が高い場合、ビーム径などが同等であれば、パワー密度も高くなる。
すると、上記したように、透磁率の劣化を抑制する観点からは不利になってしまう。特許文献４によれば、パワー密度が高くなる分、入熱量を低減させても、同等の鉄損低減効果が得られるとされているが、それでも透磁率の劣化を防止するほどまで入熱量を低減することはできない。

本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、ビームの照射パターンに工夫を加えることによって、従来、ビーム照射の際に懸念された過度な高転位密度領域の生成を効果的に抑制して、低鉄損で透磁率の劣化が少ない方向性電磁鋼板をその有利な製造方法と共に提案することを目的とする。

さて、発明者らは、連続的なビーム照射が、パルス状のビーム照射に比べて低パワー密度のビーム照射で満足のいく鉄損低減効果を有することに着目し、パルス状のビーム照射と連続的なビーム照射を組み合わせた照射パターンとすることによって、照射後に鉄損と透磁率の両者に優れた方向性電磁鋼板を得ることに成功した。

電子ビームのように、常に出力され続けるビームによって、鋼板表面を照射する場合、走査線に沿って、ビームの照射時間を、長時間（ｓ₁）と短時間（ｓ₂）を繰り返すようにして行うことが多い。この繰り返しの距離周期が本明細書中に記載するドットピッチに対応する。
通常、パルス状にビーム照射する場合には、図１(a)に示すように、例えば、ｓ₂／ｓ₁＜0.1となるように、ｓ₂がｓ₁に対して十分短くなるように設定されるが、短時間照射部におけるビームの走査速度（最大走査速度）を小さくし、ｓ₂／ｓ₁を通常よりも大きくすることによって、ドットピッチを過度に小さくすることなく、連続的なビーム照射に近づけることが可能であることに想い至った。さらに、実験を積み重ねることによって、上記のように短時間照射部におけるビームの走査速度を小さくした場合には、パワー密度が比較的低くても、十分な鉄損低減効果が得られることが見出された。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鋼板の表面に、圧延方向に対して60°から120°の方向に線状の格子歪みを形成した方向性電磁鋼板であって、
上記線状格子歪みの方向に沿って、格子歪みが0.1〜0.3％である領域と0.3％超の領域が、0.1〜0.35mmの間隔で交互にかつ周期的に分布していることを特徴とする方向性電磁鋼板。

２．方向性電磁鋼板の表面に、圧延方向に対して60°から120°の方向に電子ビームを照射して格子歪み領域を形成するに際し、
上記電子ビームの最大走査速度が50m/s〜300m/sで、かつ平均走査速度が20m/s以上の条件で電子ビーム照射を行うことを特徴とする前記１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

３．格子歪み領域を形成する前記電子ビーム照射を、鋼板表面上の圧延方向に３〜10mmの間隔を隔てて周期的に行うことを特徴とする前記２に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明に従う条件で電子ビームを照射することによって、照射後も透磁率が高い低鉄損材を製造することが可能になり、変圧器の鉄心などに使用した場合に、変圧器のエネルギ使用効率を向上させることができ、産業上有用である。
また、本発明に示す低鉄損・高透磁率材を製造するための電子ビーム照射は、高速走査が可能であるため、ビーム照射材の生産性を低下させることがなく、この点でも産業上有用である。

ビームの照射時間と走査方向位置との関係を示した図である。歪み領域の分布が鉄損および透磁率に及ぼす影響を示した図である。照射パターンの一例を示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
［被照射材］
本発明は、方向性電磁鋼板に適用され、鋼板には、地鉄の上に絶縁被膜などがコーティングされていても良いし、無くても問題はない。そして、本発明に従う照射条件にてビームを照射することによって、以下に示す歪み分布を有する方向性電磁鋼板となる。
ビーム照射によって、鋼板表面に形成される格子歪み（以下、単に歪みという）は、鋼板表面の圧延方向に対して60°から120°の方向に線状に生成され、この方向に沿って、歪みの大きさが0.1〜0.3％である領域と0.3％以上の領域が、一定間隔ｄで交互にかつ周期的に分布している。ここで、ｄは、ドットピッチの半分に相当し、0.1mm以上となっている。

図２に、鋼板に付与する歪みの大きさが0.3％超の歪み領域をＪ、0.1〜0.3％の歪み領域をＫ、0.1％未満の歪み領域をＬとした場合に、
(ａ) ＪとＫが交互に周期的に存在する場合、
(ｂ) ＪとＬが交互に周期的に存在する場合、および
(ｃ) ＫとＬが交互に周期的に存在する場合
の、鉄損と透磁率バランスについて調べた結果を示す。
ここに示される素材は、(ａ)についてはＢ₈が1.925〜1.930Ｔ、Ｗh_17/50が0.272〜0.299W/kgの範囲で、(ｂ)についてはＢ₈が1.925〜1.929Ｔ、Ｗh_17/50が0.273〜0.299W/kgの範囲で、(ｃ)についてはＢ₈が1.925〜1.929Ｔ、Ｗh_17/50が0.272〜0.299W/kgの範囲で、それぞればらついた特性を有するものであり、いずれの試料も、電子ビーム照射前の透磁率μ_17/50は30000〜34500emu、全鉄損Ｗ_17/50は0.845〜0.865W/kgであった。また、ｄは、いずれの試料も0.2mmとした。

図２より、電子ビームをドット状に照射して、周期的な歪み分布を形成させる場合には、（ａ）0.1〜0.3％の歪み領域と0.3％超の歪み領域を交互に周期的に分布させることによって、鉄損を十分に低減させたときに透磁率も優れた鋼板になることが分かる。一方、（ｂ）0.1％未満の歪み領域と0.3％超の歪み領域を交互に周期的に分布させた場合には、鉄損は同等の値になるにしても、透磁率が過度に劣化してしまうことが分かる。また、（ｃ）0.1〜0.3％の歪み領域と0.1％未満の歪み領域を交互に周期的に分布させた場合には、高い透磁率は得られるものの、鉄損は十分には低減しないことが分かる。

［ビーム照射手法］
本発明は、ビーム照射によって、局所的な高転位密度領域の形成を抑制しつつ、磁区を細分化させることによって、低鉄損化を図るものであるが、その方法は、鋼板表面に連続的にビームを照射できるものであればいずれでも構わない。好適には、電子ビーム照射、プラズマ炎照射、レーザ照射であるが、その他の手法であっても、鋼板を局所的に高温化させることができるものであれば適用することができる。
以下、代表例として、電子ビームを使用する場合について説明する。

電子ビームは、鋼板を横切るように、鋼板の幅端部からもう一方の幅端部まで、その方向が鋼板の圧延方向から60〜120°の角度になるように、鋼板表面を走査させる。走査は、一方向に直線状とする。また、照射を要する材料の幅が広すぎる場合には、複数の照射源を用いて、照射しても良い。ビームは、鋼板表面の走査線に沿って、ビームの照射時間が、長時間（ｓ₁）と短時間（ｓ₂）を繰り返すようにして行う。この繰り返しの距離周期をドットピッチｐとする。また、ｓ₂＞０である。

照射パターンの一例を図３に示す。
図中、Ａで示す円はビームスポットを示しており、ビームはＡ-1の位置にて一定時間（ｔ）待機し、次のＡ-2まで速度Ｖmで移動し、Ａ-2にてまた一定時間待機するような照射を繰返す。ここで、ｖmは照射中の最高速度になるので、以下、最高走査速度とする。
単位長さ当たりの平均走査速度ｖは、ｖ〜1／(1／ｖm＋ｔ／ｐ)で表すことができる。
ここで、平均走査速度ｖは20m/s以上とする。ｖが20m/sより小さいと、ビーム照射材の生産性が低下する。一方、ｖがあまりに大きいと、鋼板を局所的に高温化するために、過度の出力が必要になり、装置の寿命を著しく低下させるため、最大でも200m/s程度とすることが望ましい。
また、最高走査速度ｖmは、50m/s〜300m/sとする。50m/sより小さくすると、ｖが小さくなって、ビーム照射材の生産性が悪くなる。一方で、300m/sより大きくすると、図３中のＢ部に照射される熱量が過度に小さくなり、かえってＡ部において十分な鉄損低減に必要なビームのパワー密度が高くなって透磁率の劣化代が大きくなってしまうからである。

Ａ部におけるビームの待機時間ｔは、１〜20μsとすることが好ましい。ｔが１μsより小さいと、鋼板を局所的に高温化するために必要なビーム出力が過度に高くなり、装置の寿命を著しく下げてしまう。一方、20μｓより大きいと、生産性が低下してしまう。
ドットピッチｐは、0.2〜0.8mmとすることが好ましい。生産性向上の点から0.2mm以上であることが好ましく、一方0.8mmより大きいと、ビーム照射後の鉄損が十分には低減しない。

また、鋼板の端部から他端部までの走査は、圧延方向に３〜10mmの間隔を隔てて繰り返し行うことが望ましい。この間隔が過度に短いと、生産能力が過度に減少してしまい、一方過度に長いと、鉄損を十分に低減することができないため、３〜10mmとすることが好ましい。
なお、その他、照射エネルギ、ビーム径などは、ＷＤ（ワーキングディスタンス）、真空度などの条件によって調整範囲、適正値が異なるため、必要に応じて適宜調整する必要がある。

［歪みの定量化］
鋼板表面の歪み分布は、CrossCourt Ver.3.0（BLG Productions Bristol製）を用いたEBSD−wilkinson法によって測定した。１回の測定における測定視野は、予めマグネットビュアー観察などによって還流磁区が形成され、ビームが照射されたと推定される部分が中心になるように、600μm以上×600μm以上の範囲とした。また、測定ピッチは５μmとし、還流磁区形成部から200μm離れた位置を無歪み参照点に選んだ。
また、被膜付き試料のEBSD測定をするにあたっては、事前に被膜を除去した。被膜除去処理後、被膜が残存しないことは、EPMA測定などにより簡易に行うことが可能である。被膜の除去は、従来知見に基づき行えば良いが、被膜除去の際、地鉄を過度に削ることが無いように注意する必要がある。本測定は、いずれの試料においても、地鉄表面から10μｍの部分で歪み測定を実施した。また歪みとして、線上に観察された還流磁区領域の長手方向（ビームの走査方向）の歪みを測定した。

［鉄損および透磁率の評価］
長さ（圧延方向）：280mm、幅（圧延直角方向）：100mmの試料を用い、JIS C2556に準拠して、単板磁気試験装置による磁気測定を行った。また、素材鉄損測定と同じ試料について直流磁化（0.01HZ以下）で、磁束最大値：1.7Ｔ、最小値：−1.7Ｔのヒステリシス（Ｂ−Ｈ）ループの測定を行い、そのＢ−Ｈループ１周期から求めた鉄損をヒステリシス損Ｗh_17/50とした。

［素材の成分組成］
本発明が適用される方向性電磁鋼板の素材の成分組成としては、例えば以下の元素が挙げられる。
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。

Ｃ：50質量ppm以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加を行うが、最終製品では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％、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1.50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0.03〜1.50質量％の範囲とするのが好ましい。
また、Sn，Sb，Cu，Ｐ，MoおよびCr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。

圧延方向のＢ₈が1.925〜1.935Ｔ、全鉄損Ｗ_17/50が0.845〜0.865W/kg、透磁率μ_17/50が30000〜34000emuである被膜がついた板厚：0.23mmの方向性電磁鋼板に、表１に示す種々の条件で電子ビームを照射した。ここで、歪み分布ａ〜ｃは、鋼板に付与する歪みの大きさが0.3％超の歪み領域をＪ、0.1〜0.3％の歪み領域をＫ、0.1％未満の歪み領域をＬとした場合に、
ａ：ＪとＫが交互に周期的に存在する場合、
ｂ：ＪとＬが交互に周期的に存在する場合、および
ｃ：ＫとＬが交互に周期的に存在する場合
を表している。
その後、磁気測定を行ったのち、被膜を除去し、地鉄表面から10μｍの位置でEBSD法にて表面の歪み分布を測定した。磁気測定値は10枚の測定試料の平均値とした。
表１に、実験結果を示す。

表１に示したとおり、本発明に従い電子ビームを照射することによって、格子歪みが0.1〜0.3％である領域と0.3％超の領域が、0.1mm以上の間隔で交互にかつ周期的に分布した方向性電磁鋼板を作製することができる。
本方向性電磁鋼板は、鉄損Ｗ_17/50が0.75W/kg以下であり、かつ、透磁率が20000emu以上の極めて優れた磁気特性を有することが分かる。比較して、本発明条件から逸脱し、歪み分布がbの状態であるNo.１の条件では、低鉄損が得られるものの、透磁率が20000emu未満となる。また、歪み分布がcの状態であるNo.8の条件では、高い透磁率が得られるものの、鉄損が大きくなる。なお、No.10に示すように、圧延方向における線間隔（RD線間隔）が13mmと大きい場合には、0.75W/kgより大きい鉄損となってしまうが、RD線間隔は、必要となる特性と生産性との兼ね合い等で適宜定めればよい。

Claims

鋼板の表面に、圧延方向に対して60°から120°の方向に線状の格子歪みを形成した方向性電磁鋼板であって、
上記線状格子歪みの方向に沿って、格子歪みが0.1〜0.3％である領域と0.3％超の領域が、0.1〜0.35mmの間隔で交互にかつ周期的に分布していることを特徴とする方向性電磁鋼板。
方向性電磁鋼板の表面に、圧延方向に対して60°から120°の方向に電子ビームを照射して格子歪み領域を形成するに際し、
上記電子ビームの最大走査速度が50m/s〜300m/sで、かつ平均走査速度が20m/s以上の条件で電子ビーム照射を行うことを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
格子歪み領域を形成する前記電子ビーム照射を、鋼板表面上の圧延方向に３〜10mmの間隔を隔てて周期的に行うことを特徴とする請求項２に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。