JP5938866B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
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、結晶方位の制御や、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。
また、特許文献2には、仕上げ焼鈍済みの鋼板に対して、882〜2156MPa(90〜220kgf/mm2)の荷重で地鉄部分に深さ:5μm超の溝を形成したのち、750℃以上の温度で加熱処理することにより、磁区を細分化する技術が提案されている。
上記したような種々の磁区細分化技術の開発により、鉄損特性が良好な方向性電磁鋼板が得られるようになってきている。
例えば、近年世界的な電力需要の増加を背景に、変圧器は大型化の一途を辿ってきているが、それに伴って変圧器鉄心の重量は増加し、その増加した自重を支え固定するために、外部からより大きな力をかけて支えるようになってきている。
このように、電磁鋼板に大きな外部応力がかかる状態で使用した場合には、その鉄損特性が劣化しやすいことが知られており、変圧器の大型化によるエネルギー効率の改善を妨げる原因となっている。
1.幅方向に延びる線状溝を圧延方向に一定間隔で有する方向性電磁鋼板において、該線状溝の幅が50〜300μm、深さが10μm以上かつ板厚の20%以下で、かつ圧延方向の間隔が2mm以上10mm以下であり、該線状溝の溝側壁が溝底面と交わる部分の曲率半径が1.0μm以上であって、上記鋼板の板厚方向に対し、上記線状溝の溝側壁面がなす角度を30°以上としたことを特徴とする方向性電磁鋼板。
・鋼板に大きな外部応力がかかる状態での鉄損特性改善
方向性電磁鋼板を用いて変圧器鉄心を構成すると、トランス鉄心内では局所的に応力が大きくなる部分が生じる。例えば、巻きトランスにおいては、内巻きのコーナー部分において鋼板板面に対して直角方向(以下、面直方向という)の大きな圧縮応力が生じる。また積みトランスにおいては、鋼板を押さえつけて鉄心を固定するので、面直方向に大きな圧縮応力が生じる。
このような圧縮応力は、面直方向の磁化を阻害するために、表面磁極を減少させることにつながる。すなわち、表面磁極の発生による静磁エネルギーをドライビングフォースとする磁区細分化効果が小さくなり、結果として鉄損が増大することとなる。また、線状溝が形成された鋼板では、鋼板面の不均一性により、このような応力が、溝形成部に集中することになり、局部的な応力集中が、大幅な鉄損増加を引き起こすことが考えられる。
ここに、本発明における、応力集中が少なく、かつ磁区細分化効果が大きい溝構成および溝形状の具体的な条件は次のとおりである。
(1) 幅が50〜300μm、深さが10μm以上で、かつ圧延方向の間隔が2mm以上10mm以下
(2) 断面形状において、溝側壁が溝底面と交わる部分の曲率半径が1.0μm以上とする必要がある。また、
(3) 断面形状において、板厚方向に対し、溝側壁面のなす角度が30°以上とすることが好ましい。
溝底部は、図1に示したように凸凹しているが、幅や深さが1μm以下の凸凹は無視し、一番深い部分を含む鋼板面に平行な面を溝底面、またその深さを溝深さと、それぞれ定義する。また、溝側壁面は、溝の始点と深さが溝深さの1/5の点とを結ぶ線に平行な面とする。
板厚方向に対し溝側壁方向のなす角度は、図1から分かるように、溝断面の両端に2つあるが、本発明では小さい方の角度を意味する。また、溝側壁が溝底面と交わる部分の曲率半径は、溝側壁が溝底面と交わる点の近傍(部分)における溝側壁の曲面の曲率半径と定義する。曲率半径も、図1から分かるように溝の両端に2つあるが、小さい方を、本発明における曲率半径とする。
なお、本発明では、溝断面を光学顕微鏡で観察し、上記の定義に従って、各パラメータを測定する。また、鋼板:100mm長ごとに1本の溝、それぞれの溝(コイル幅)について20点を観察し、その平均の値を各パラメータの値とする。
本発明では、線状溝の圧延方向の間隔を10mm以下とすることにより、方向性電磁鋼板の磁区幅を効果的に低減し、高調波が混在しても低鉄損化を図ることが可能となる。但し、あまりに間隔を狭くすると磁束密度が著しく低下するため、2mm以上とすることが必要である。
他方、線状溝の幅は50〜300μmの範囲とする。この幅が50μm以上の場合に、十分に表面磁極量が大きくなり、低鉄損化を図ることが可能となる。しかしながら、幅が300μmを超えると、表面磁極量が大きくなることによる鉄損低減効果よりも、地鉄の減少による透磁率減少効果が大きくなり、効果が小さくなる。なお、上記した線状溝の幅は、図1における溝の両始点(溝口部)間の長さである。
また、線状溝の深さを10μm以上とすることにより、幅の範囲を規定した理由と同様に、十分に表面磁極量が大きくなり、低鉄損化を図ることが可能となる。但し、あまりに深い溝では磁束密度が著しく低下するため、板厚の20%を超えないことが望ましい。
本発明では、板厚方向に対して溝側壁方向のなす角度を30°以上とすることが好ましい。というのは、鋼板に、面直方向(板厚方向)の圧縮応力がかかった場合でも、この圧縮応力を面内方向(板幅方向)に効果的に逃して、鉄損劣化を抑制することができるからである。但し、あまりに角度を大きくすると、面内の溝垂直方向の磁極量が小さくなるので、鉄損低減効果が小さくなってしまう。そのため、好ましい上限は70°程度である。
特に、3次以上の高調波成分を含む交流磁束密度波形により励磁させた条件下での鉄損特性を改善するためには、溝の断面形状において、板厚方向に対する溝側壁方向のなす角度を60°以下とするのが良い。
そのため、高調波成分を含む交流磁束密度波形による励磁条件下での鉄損を改善するためには、渦電流損を低減することが有効である。すなわち、溝の周囲に発生する磁極を増加させて、磁区細分化効果を増強し、渦電流損の増加を効果的に抑えることができるからである。
従って、本発明では、板厚方向に対し、溝側壁面のなす角度を60°以下とすることが、上述したように、溝の周囲に発生する磁極を増加させて磁区細分化効果を増強し、渦電流損の増加を効果的に抑えられるため望ましい。
・エッチング条件
極間距離:30mm
液温:40℃
電解液の鋼板に対する相対速度:0.5m/s
電流密度:10 A/dm2以上20 A/dm2以下
すなわち、前述したような溝形状とするためには、電流密度を10 A/m2以上とすることが良い。しかしながら、20 A/m2を超えた場合は、上述したように、反応が早く進行し過ぎて、溝口部ばかりが広がり、板厚方向に対する溝側壁方向のなす角度を最適な範囲に収めることが難しくなる。従って、本発明では、電流密度を10A/dm2以上20A/dm2以下の範囲とすることが好ましい。
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。
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。
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。
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。
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不純物およびFeである。
表1に示した成分を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の組成からなる鋼スラブを連続鋳造にて製造し、1400℃に加熱後、熱間圧延により板厚:2.2mmの熱延板としたのち、1020℃で180秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、冷間圧延により中間板厚:0.55mmとし、雰囲気酸化度P(H2O)/P(H2)=0.25、90秒の条件で中間焼鈍を施して、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去したのち、再度冷間圧延を施して最終板厚:0.23mmの冷延板に仕上げた。
その後に、製品の磁気特性を測定し、加えて各製品を斜角せん断し、500kVAの三相三脚型の積みトランスを組み立て、50Hz,1.7Tで励磁した状態での鉄損(ビルディングファクター)を測定した。
なお、磁気特性はJIS C2550に記載の方法に準拠して求めた。
上記した測定結果をそれぞれ表2に併記する。
しかしながら、溝底面と溝側壁の交わる部分の曲率半径が本発明の範囲を外れる条件7,19や、溝深さを満足しない条件12の方向性電磁鋼板は、変圧器に組んだ際のビルディングファクターが劣っていた。
表3に示した成分を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の組成からなる鋼スラブを連続鋳造にて製造し、1400℃に加熱後、熱間圧延により板厚:2.2mmの熱延板としたのち、1020℃で180秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、冷間圧延により中間板厚:0.55mmとし、雰囲気酸化度P(H2O)/P(H2)=0.25、90秒の条件で中間焼鈍を施して、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去したのち、再度冷間圧延を施して最終板厚:0.23mmの冷延板に仕上げた。
その後に、製品の磁気特性を測定し、加えて各製品を斜角せん断し、500kVAの三相型の巻きトランスを組み立て、50Hz,1.7Tで励磁した状態での鉄損(ビルディングファクター)を測定した。
なお、磁気特性はJIS C2550に記載の方法に準拠して求めた。
上記した測定結果をそれぞれ表4に併記する。
しかしながら、溝底面と溝側壁の交わる部分の曲率半径が本発明の範囲を外れる条件1,2の方向性電磁鋼板は、変圧器に組んだ際のビルディングファクターが劣っていた。
表5に示した成分を含有し、残部がFeおよび不可避不純物の組成からなる鋼スラブを連続鋳造にて製造し、1400℃に加熱後、熱間圧延により板厚:2.2mmの熱延板としたのち、1020℃で180秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、冷間圧延により中間板厚:0.55mmとし、雰囲気酸化度P(H2O)/P(H2)=0.25、90秒の条件で中間焼鈍を施して、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去したのち、再度冷間圧延を施して最終板厚:0.23mmの冷延板に仕上げた。
その後に、製品の磁気特性を測定し、加えて各製品を斜角せん断し、図2に示す500mm角の変圧器鉄心部分を模した三相三脚型の積みモデルトランスを組み立て、50Hz,1.7Tで励磁した状態での鉄損を測定した。また、このトランスの励磁磁束波形に三次高調波を基本波(50Hz)に対し5%重畳させ、磁束平均値:1.7Tで励磁し、鉄損を測定した。
なお、磁気特性はJIS C2550に記載の方法に準拠して求めた。
上記した測定結果をそれぞれ表6に併記する。
しかしながら、溝深さを満足しない条件11や溝底面と溝側壁の交わる部分の曲率半径が本発明の範囲を外れる条件12の方向性電磁鋼板は、高調波重畳時の鉄損特性が劣っていた。
Claims (3)
- 幅方向に延びる線状溝を圧延方向に一定間隔で有する方向性電磁鋼板において、該線状溝の幅が50〜300μm、深さが10μm以上かつ板厚の20%以下で、かつ圧延方向の間隔が2mm以上10mm以下であり、該線状溝の溝側壁が溝底面と交わる部分の曲率半径が1.0μm以上であって、上記鋼板の板厚方向に対し、上記線状溝の溝側壁面がなす角度を30°以上としたことを特徴とする方向性電磁鋼板。
- 前記鋼板の板厚方向に対し、前記線状溝の溝側壁面がなす角度を60°以下としたことを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板において、線状溝を形成するに際し、レジスト印刷を含む電解エッチング法を用いることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
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