JP6169695B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、方向性電磁鋼板に関するものであり、特に、著しく低減された変圧器鉄損を有する変圧器鉄心用方向性電磁鋼板に関するものである。
また、本発明は、上記方向性電磁鋼板の製造方法に関するものである。

方向性電磁鋼板は、主に変圧器などの鉄心に利用されており、その磁気特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められる。

方向性電磁鋼板の磁気特性を改善する方法としては、鋼板を構成する結晶粒のGoss方位への配向性の向上（先鋭化）、張力被膜によって鋼板に付与される張力の増加、鋼板に歪や溝を形成することによる磁区細分化など、様々なものが提案されている。

例えば、特許文献１には、３９．３ＭＰａまでの極めて高い張力を有する張力被膜を形成することによって、最大磁束密度１．７Ｔ、周波数５０Ｈｚで励磁した時の方向性電磁鋼板の鉄損（Ｗ_17/50）を０．８０Ｗ／ｋｇ未満にすることが記載されている。

また、歪を形成して鉄損を低減する方法としては、プラズマ炎、レーザー、電子ビームなどを照射する方法が知られている。例えば、特許文献２には、２次再結晶後の鋼板にプラズマアークを照射することにより、照射前には０．８０Ｗ／ｋｇ以上であった鉄損Ｗ_17/50を、０．６５Ｗ／ｋｇ以下に低減できることが記載されている。

特許文献３には、フォルステライト被膜の厚さと、電子ビーム照射によって鋼板に形成される磁区不連続部の平均幅とを適正化することによって、鉄損が低く、騒音が小さい変圧器用方向性電磁鋼板を得ることが記載されている。

特許文献４には、電子ビームの出力や照射時間を適正化することによって、方向性電磁鋼板の鉄損を低減することが記載されている。

このように、方向性電磁鋼板の鉄損の改善が進められているが、鉄損が低い方向性電磁鋼板を鉄心に用いて変圧器を作製したとしても、得られる変圧器の鉄損（変圧器鉄損）は、必ずしも低くなるとは限らない。これは、方向性電磁鋼板自体の鉄損を評価する際の励磁磁束は圧延方向成分のみであるのに対して、鋼板を変圧器の鉄心として実際に使用する際の励磁磁束が、圧延方向成分だけでなく圧延直角方向成分も有しているためである。

素材鋼板自体と、その鋼板を用いて製造した変圧器との間での鉄損の差異を表す指標として、素材鋼板の鉄損に対する変圧器鉄損の比として定義されるビルディングファクタ（ＢＦ）が一般的に用いられる。ＢＦが１以上である場合、変圧器の鉄損が素材鋼板の鉄損よりも大きいことを意味する。方向性電磁鋼板は、圧延方向に磁化したときに素材の鉄損が最も低くなる素材であるため、圧延方向以外にも磁化される変圧器に組み込まれると鉄損は増大し、ＢＦは１よりも大きくなる。変圧器のエネルギー効率を向上させるためには、素材鋼板の鉄損が低いだけでなく、このＢＦを可能な限り低くする、すなわち、１に近づける必要がある。

例えば、特許文献５には、レーザー照射や電子ビーム照射で被膜が劣化した場合であっても、フォルステライト被膜と張力コーティングにより鋼板に付与される合計張力を適正化することによってＢＦを改善する方法が開示されている。

また、特許文献６には、点列状に照射した電子ビームの点列間隔を適正化することによって、良好な変圧器鉄損を得る技術が開示されている。

非特許文献１には、レーザー照射方向を圧延方向から傾けることによって、優れたＢＦを得ることが記載されている。

一方、レーザー照射を用いた磁区細分化の際に形成される還流磁区に着目し、その形状や寸法を最適化することによって、鉄損を低減させる技術も提案されている（特許文献７、８）。

特許第４１９２３９９号公報 特開２０１１−２４６７８２号公報 特開２０１２−５２２３０号公報 特開２０１２−１７２１９１号公報 特開２０１２−３１４９８号公報 特開２０１２−３６４５０号公報 特許第３４８２３４０号公報 特許第４０９１７４９号公報 特開平１０−２９８６５４号公報 国際公開２０１３／０４６７１６号

ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｍａｇｎ．Ｖｏｌ．ＭＡＧ−２０， Ｎｏ．５，ｐ．１５５７

しかし、特許文献５に記載された技術においては、被膜が損傷した場合において、ＢＦをある程度改善することができるものの、電子ビーム法により被膜を損傷せずに磁区細分化処理を施し、その際にＢＦを改善する方法については明らかにされていない。

また、特許文献６に記載された方法では、電子ビームによる処理の速度が遅いだけでなく、照射時間が長すぎるために被膜を損傷してしまうおそれがあった。さらに、非特許文献１に記載された方法では、電子ビームを斜めに照射するため、鋼板上の走査長が長くなって制御が難しくなるほか、単板での鉄損が下がりにくい問題があった。

一方、還流磁区が圧延方向と異なる方向を向いているものであるため、特許文献７、８に記載されているような還流磁区の制御技術は、ＢＦを改善できる可能性を有していると考えられる。しかし、特許文献７、８では単板の鉄損のみを評価しており、変圧器鉄損の観点で検討が行われていなかった。

さらに、特許文献７、８に開示されている方法では、ビーム出力やビーム照射時間を増加させる必要があり、鋼板表面に形成されている被膜がビーム照射によって損傷することや、処理効率が低下するといった問題があった。

例えば、特許文献８に記載されている方法では、板厚方向に貫通した還流磁区を形成するために、レーザーを鋼板の表裏面から照射する。そのため、鋼板の片側からレーザーを照射する通常の磁区細分化処理に比較して約２倍の処理時間を要し、生産性が低い。

また、特許文献７に記載されている方法では、レーザーのスポット形状を楕円形としているため、後述するように、ある程度は被膜損傷が抑制されていると考えられる。しかしながら、特許文献７には被膜の損傷が抑制されるか否かについては記載されておらず、本発明者らが実験したところ、非常に深い還流磁区を形成させるために、被膜を損傷してしまうことが確認された。

一方、磁区細分化の処理能力を損なわずに被膜損傷を抑制する手段として、レーザービームを楕円状にする技術（特許文献９）や、電子ビームの加速電圧を増大する技術（特許文献１０）が知られている。

しかし、ＢＦの改善に必要な板厚方向に深い還流磁区を形成するためには高い照射エネルギーが必要であり、従来の方法では、被膜を損傷させることなく処理できる板厚方向の深さに限界があった。

例えば、レーザービームを用いる場合、一般的に磁区細分化用として使用されるレーザーの波長領域における被膜のレーザー吸収率が高いため、ビームを楕円状にしても、照射部の被膜を損傷させることなく処理できる板厚方向の深さには限界があった。

また、電子ビームを用いる場合、加速電圧を増大するとビームが被膜を透過しやすくなるものの、還流磁区深さを増加させるためにビーム出力や照射時間を増大させると、地鉄の熱膨張量が増加し、被膜に応力が生じて損傷してしまう。

被膜損傷の抑制は、変圧器鉄心として使用する鋼板に重要である。被膜に損傷が認められる場合は、絶縁性や耐食性を確保するために、損傷した被膜の上から再コーティングを行う必要がある。すると、地鉄と被膜からなる鋼板のうち、地鉄部分の体積率（占積率）が減少してしまうため、再コートしない場合に比較して、変圧器鉄心として使用する際における磁束密度が減少してしまう。あるいは、磁束密度確保のためにさらに励磁電流を増大させれば、鉄損が増大してしまう。

本発明は、上記事情に鑑み、被膜を損傷することなく還流磁区を形成し、変圧器鉄損とＢＦが極めて低い方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記ＢＦが極めて低い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。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、ビーム形状の楕円化と、電子ビームの加速電圧の増大を適切に組み合わせた磁区細分化処理を行うことにより、被膜の損傷を抑えつつ、還流磁区を形成できることを見出した。

しかし、従来の電子ビームの照射方法では、収差などの影響によって、ビーム形状が照射位置で大きく異なるという問題があった。ダイナミクフォーカッシング技術などによってビームの径をそろえることは可能であるが、鋼板の幅方向に走査しながら電子ビームを照射する際に、そのビーム形状が所望の楕円形となるように正確に制御することは極めて困難であった。

ビーム形状を補正する技術としては、電子顕微鏡などに広く利用されているスティグマトール（非点補正装置）がある。しかし、従来のスティグマトールは、鋼板の幅方向の狭い範囲内においてのみ補正が有効となるような制御であり、鋼板の幅全域にわたって偏向させながらビームを照射するような場合には十分な効果が得られない。

そこで、さらに検討を行った結果、スティグマトールを、ビームの偏向に応じて動的に制御することによって、幅方向に対して一定の楕円形状ビームを形成できることを見出した。

また、ビーム照射によって形成する直線状の歪の間隔がＢＦに与える影響についても検討を行い、変圧器鉄損を低減するという観点から、最適な間隔を見出した。

そこで、発明者らは、上記の知見をもとに歪の導入間隔や還流磁区の形状、寸法、電子ビームの照射方法などを最適化し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）鋼板と、
前記鋼板の表面上に形成された張力被膜とを有する方向性電磁鋼板であって、
層間抵抗試験で測定される層間電流が０．１５Ａ以下であり、
前記鋼板に、圧延方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の歪が形成されており、
前記複数の直線状の歪の、圧延方向における線間隔が１５ｍｍ以下であり、
前記歪部分に、板厚方向の長さｄが６５μｍ以上、圧延方向の長さｗが２５０μｍ以下である還流磁区が形成されている方向性電磁鋼板。

（２）前記複数の直線状の歪の、圧延方向における線間隔が４ｍｍ以上である、前記（１）に記載の方向性電磁鋼板。

本発明によれば、張力被膜を損傷することなく、方向性電磁鋼板の変圧器鉄損とＢＦを著しく改善することができる。張力被膜の損傷が生じないため、ビーム照射後に再コートを行う必要がない。また、本発明では、磁区細分化処理の線間隔を過度に縮小する必要も無い。そのため、本発明の電磁鋼板は、極めて高い効率で製造することが可能である。

照射線間隔の影響を評価するための実験における、直線状の歪の形成方法を表す模式図である。 照射線間隔がビルディングファクターに及ぼす影響を示すグラフである。 照射線間隔が変圧器鉄損と単板鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。 変圧器鉄損の測定に用いた鉄心の模式図である。 板厚方向における還流磁区の長さｄが変圧器鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。 走査直交方向のビーム径に対する走査方向のビーム径の比が、単板鉄損に及ぼす影響を示すグラフである。

次に、本発明について具体的に説明する。
・ 方向性電磁鋼板
本発明では、張力被膜を備えた方向性電磁鋼板の表面に、エネルギービームを照射することによって複数の直線状の歪を形成する。母材として使用される方向性電磁鋼板の種類は特に限定されず、各種公知の方向性電磁鋼板を使用することができる。

・ 張力被膜
本発明で使用される方向性電磁鋼板は、表面に張力被膜を備えている。張力被膜の種類は特に限定されず、例えば、仕上焼鈍において形成されたＭｇ₂ＳｉＯ₄を主成分とするフォルステライト被膜と、さらにその上に形成されたリン酸塩系張力被膜からなる２層被膜を、張力被膜として使用することができる。また、フォルステライト被膜を有していない鋼板の表面に、リン酸塩系の張力付与型絶縁被膜を直接形成することもできる。前記リン酸塩系の張力付与型絶縁被膜は、例えば、金属リン酸塩とシリカを主成分とする水溶液を、鋼板の表面に塗布し、焼付けることによって形成することができる。

本発明では、ビーム照射によって張力被膜が損傷を受けないため、ビーム照射後に補修のための再コートを行う必要が無い。そのため、被膜の厚みを過度に厚くすることがなく、鋼板を変圧器用鉄心として組んだ際の占積率を高くすることができる。例えば、厚さ０．２３ｍｍ以下の鋼板を用いた場合で９６．５％以上、厚さ０．２４ｍｍ以上の鋼板を用いた場合で９７．５％以上といった、高い占積率を達成できる。

・ 層間電流：０．１５Ａ以下
本発明では、ＪＩＳ−Ｃ２５５０で定められた層間抵抗試験の測定方法（表面絶縁抵抗の測定方法）の１つであるＡ法に基づいて測定を行った際に、接触子に流れる全電流値を「層間電流」と定義する。この層間電流が低いほど、鋼板が良好な絶縁特性を有することを示している。本発明では、ビーム照射によって張力被膜が損傷を受けないため、ビーム照射後に補修のための再コートを行わなくても、０．１５Ａ以下という低い層間電流を得ることができる。なお、層間電流は０．０５Ａ以下であることが好ましい。

・ 複数の直線状の歪
本発明の方向性電磁鋼板には、圧延方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の歪が形成される。この歪は、磁区を細分化して、鉄損を低減する作用を有している。前記複数の直線状の歪は互いに平行であり、後述する所定の間隔で設けられている。

・ 高エネルギービームの照射
上記複数の直線状の歪は、張力被膜を備える鋼板の表面へ、収束された高エネルギービームを照射することによって形成することができる。高エネルギービームの種類は特に限定されないが、電子ビームは、高加速電圧化による被膜損傷の抑制効果や、高速でビーム制御ができるなどの特徴があるため、電子ビームを用いることが好ましい。

高エネルギービームの照射は、１台あるいは２台以上の照射装置（例えば電子銃）を用いて、鋼板の幅端部から、もう一方の幅端部へビームを走査しながら行われる。ビームの走査方向は、圧延方向に対して60から120°の角度とすることが好ましく、90°、すなわち、圧延方向に対し直角とすることがより好ましい。90°からのずれが大きくなると、歪導入部の体積が過度に増大してしまうため、ヒステリシス損が増加する。

・ 照射線間隔：４〜１５ｍｍ
前記複数の直線状の歪は、圧延方向に一定の間隔をあけて形成され、この間隔を照射線間隔または線間隔と呼ぶ。発明者らは、ＢＦと変圧器鉄損を低減するために最適な線間隔を決定するために、以下の実験を行った。

試験片としての方向性電磁鋼板を用意し、その表面に電子ビームを照射して、複数の直線状の歪を形成した。電子ビームの照射は、鋼板の幅方向に一定の速度で走査しながら行った。その際、直線状の歪の形成を、図１に示すように複数回に分けて行った。１回目で形成された歪の照射線間隔をｓとすると、２回目処理後の照射線間隔がｓ／２、３回目処理後の照射線間隔がｓ／４となるように、直線状の歪を追加した。各段階において、すべての直線状の歪みの間隔は等しい。なお、その他の条件は、後述する実施例における条件と同様とした。

ＢＦにおよぼす磁区細分化処理条件の影響については、これまでにも幾つか報告がある。それらの報告においては、複数の試験片に対して、異なる条件でビームを照射することによってＢＦの比較が行われている。しかし、ＢＦは素材鋼板の結晶方位や粒径など、さまざまな要素の影響を受けることが知られている。そのため、上述のように複数の試験片を用いる実験方法では、試験片の特性のばらつきの影響を完全に排除することができず、ＢＦにおよぼす磁区細分化処理条件の影響を正確に評価できないおそれがある。

そこで、本発明者らは、磁区細分化処理条件がＢＦに及ぼす影響を、より正確に評価するために、上記実験を行った。この実験では、同一の試験片に対して、段階的に照射線間隔を縮めていくように磁区細分化処理が施される。いずれの段階においても同一の試験片が使用されているため、試験片としての鋼板におけるＳｉ量、粒径、結晶方位などのばらつきの影響を受けることなく、線間隔の影響のみを正確に評価することができる。

電子ビームの照射を７段階に分けて行い、各段階におけるＢＦ、変圧器鉄損、および単板鉄損を測定した。ここでは、まず第１回目の照射線間隔ｓを１２ｍｍとして、上述のように線間隔が１／２となるように歪を追加形成する処理を４回目まで行って、各回ごとに測定を行った。次いで、歪取焼鈍を行って、前記電子ビーム照射により形成された歪を除去し、さらに、第１回目の照射線間隔ｓを８ｍｍとして、歪の形成処理を３回目まで行って、各回ごとに測定を行った。得られた結果を図２、３に示す。図２は、照射線間隔と測定されたＢＦとの関係を表したものである。いずれの線間隔においても、電子ビーム照射を行っていない（非処理）試験片に比べてＢＦが改善されていた。また、線間隔が小さいほど、ＢＦが１に近くなることが分かる。

図３は、測定された変圧器鉄損と単板鉄損の値を、それぞれ、照射線間隔に対してプロットしたものである。単板鉄損は、線間隔が６〜８ｍｍのときに最小となるのに対して、変圧器鉄損は線間隔が３ｍｍ程度のときに最小となった。この結果から、線間隔を３ｍｍ程度まで小さくすれば、変圧器鉄損やＢＦを十分に低減できることが分かる。

しかし、線間隔を小さくするためには、形成する直線状の歪の数を増やす必要があり、その結果、磁区細分化処理に要する時間が増加する。例えば、線間隔を半分にするにはおおよそ２倍の処理時間が必要である。このような処理時間の増加による生産効率の低下は、工業的観点から好ましいものではない。

そのため、本発明においては、ＢＦおよび変圧器鉄損の低減と、生産性の向上の両者を勘案し、照射線間隔を１５ｍｍ以下とする。線間隔が１５ｍｍを超えると、ビームが照射されない結晶粒の数が増え、十分な磁区細分化効果を得ることができない。なお、線間隔は１２ｍｍ以下とすることが好ましい。

さらに本発明では、線間隔を４ｍｍ以上とすることが好ましい。線間隔が４ｍｍ以上とすることにより、処理時間を短縮して生産効率を高めることができ、また、鋼中に形成される歪領域が過度に大きくなって、ヒステリシス損と磁気歪が増加してしまうことを防止できる。なお、線間隔を５ｍｍ以上とすることがより好ましい。

・ 還流磁区の、板厚方向における長さｄ：６５μｍ以上
電子ビームが照射された部分には、主磁区とは異なる還流磁区が形成される。この板厚方向における還流磁区の長さｄ（還流磁区深さ、とも呼ぶ）が、鉄損に影響をおよぼすと考えられている。そこで、発明者らは、以下の実験を行って、ｄと変圧器鉄損との関係を調査した。

鋼板に対して、異なる条件で電子ビーム照射を行って、ｄが異なる方向性電磁鋼板を用意した。ｄの値は、Ｋｅｒｒ効果顕微鏡を使用して板厚断面を観察することにより測定した。なお、すべての試料において、圧延方向における還流磁区の長さｗは、２４０〜２５０μｍと、ほぼ同じ値とした。

得られた鋼板のそれぞれを使用して変圧器用鉄心を作製した。鉄心は、三相三脚の積み鉄心とし、その形状は、図４に示すように、幅１００ｍｍの鋼板からなる、一辺５００ｍｍの四角形とした。前記鉄心は、鋼板を、長手方向が圧延方向となるように図４に示した形状に斜角切断し、これを積み厚約１５ｍｍ、鉄心重量約２０ｋｇとなるよう積層して製造した。積層方法は２枚重ねの５段ステップラップ積みとした。鉄心は平面上に平積みし、さらにベークライト製の押さえ板で約０．１ＭＰａの加重で挟み込んで固定した。

次に、各鉄心の変圧器鉄損を測定した。測定における励磁の条件は、位相差：１２０°、最大磁束密度１．７Ｔ、周波数５０Ｈｚとした。測定結果を図５に示す。図中の白抜点は、線間隔を３ｍｍとした場合の結果を、その他の点は線間隔を５ｍｍとした場合の結果を、それぞれ示している。この結果より、ｄを大きくすると、変圧器鉄損を低減できることが分かる。特に、ｄを６５μｍ以上とすることによって、線間隔が５ｍｍであっても、線間隔が３ｍｍの場合と同等の変圧器鉄損を得ることができる。したがって、本発明では、板厚方向における還流磁区の長さｄを６５μｍ以上とすることが重要である。なお、ｄを７０μｍ以上とすることがより好ましい。一方、ｄの上限については特に限定されないが、過度にｄを大きくすると、ビームの照射によって被膜が損傷するおそれがあるため、ｄは１１０μｍ以下とすることが好ましく、９０μｍ以下とすることがより好ましい。

・ 還流磁区の、圧延方向における長さｗ：２５０μｍ以下
ＢＦを改善するためには、還流磁区の体積を大きくすることが好ましい。しかし、圧延方向における還流磁区の長さｗ（還流磁区幅、とも呼ぶ）を大きくすると、還流磁区の体積が大きくなってＢＦが低下する一方で、ヒステリシス損が増加してしまう。そのため、本発明では、ｄを大きくして還流磁区の体積を増加させる一方で、ｗを２５０μｍ以下とすることが重要である。なお、ｗの下限は特に限定されないが、１６０μｍ以上とすることが好ましく、１８０μｍ以上とすることがより好ましい。ここで、ｗは鋼板上のビーム照射表面から、ビッター法などによる磁区観察によって測定する。

次に、本発明の磁区細分化処理を電子ビーム照射によって行う際の条件について、さらに詳細に説明する。
・ 加速電圧Ｖａ：６０ｋＶ以上、３００ｋＶ以下
電子ビームの加速電圧は高い方が好ましい。これは、加速電圧が高いほど、電子ビームの物質透過性が高まるためである。加速電圧を十分に大きくすることによって、電子ビームが張力被膜を透過しやすくなり、被膜の損傷が抑制される。また、加速電圧が高いと、地鉄中での発熱中心が板厚表面からより離れた（深い）位置となるため、板厚方向における還流磁区長さｄを大きくすることができる。さらに、加速電圧が高いと、ビーム径を小さくしやすい。以上の効果を得るために、本発明では加速電圧を６０ｋＶ以上とする。なお、加速電圧は９０ｋＶ以上とすることが好ましく、１２０ｋＶ以上とすることがより好ましい。

一方、加速電圧が高すぎると、電子ビームが照射された鋼板から発生するＸ線の遮蔽が困難になる。そのため、実用上の見地から、加速電圧は３００ｋＶ以下とする。なお、加速電圧は２５０ｋＶ以下とすることが好ましく、２００ｋＶ以下とすることがより好ましい。

・ ビーム径
ビームの走査方向と直交する方向におけるビーム径は、小さいほど単板鉄損の向上に有利である。したがって、本発明では、走査方向と直交する方向におけるビーム径を３００μｍ以下とする。ここで、ビーム径とは、スリット法（幅０．０３ｍｍのスリットを使用）によって測定したビームプロファイルの半値幅と定義する。なお、走査方向と直交する方向におけるビーム径は、２８０μｍ以下とすることが好ましく、２６０μｍ以下とすることがより好ましい。

一方、走査方向と直交する方向におけるビーム径の下限は特に限定されないが、１０μｍ以上とすることが好ましい。走査方向と直交する方向におけるビーム径を１０μｍ未満にすると、ワーキングディスタンスを極度に小さくする必要があり、１つの電子ビーム源によって偏向照射可能な領域が大幅に減少してしまう。走査方向と直交する方向におけるビーム径が１０μｍ以上であれば、１つの電子ビーム源によって広い範囲に対し照射を行うことが可能である。なお、走査方向と直交する方向におけるビーム径は、８０μｍ以上とすることが好ましく、１２０μｍ以上とすることがより好ましい。

さらに、本発明では、走査方向におけるビーム径を、走査方向と直交する方向のビーム径の１．２倍以上とする。電子ビームの楕円化は、スティグマトールによって行えばよいが、スティグマトールの特性上、ビームの一方向の径を拡大すると、その直交方向の径は縮小しやすい傾向にある。したがって、走査方向におけるビーム径を大きくすることにより、走査方向と直交する方向、すなわち、圧延方向における還流磁区の長さを小さくすることができる。さらに、上述のように走査方向におけるビーム径を大きくすることにより、ビームが通過する鋼板上のある１点にビームが照射される時間が１．２倍以上に増大することになる。その結果、熱伝導の効果により、歪みがより板厚内部にまで形成されるようになる。図６に示すように、本発明者らの実験ではビーム径が１．２倍以上の場合に単板での鉄損が改善されたため、下限を１．２倍とした。ここで、上記の実験では加速電圧９０ｋＶ、線間隔５ｍｍとした。また、ＢＦはいずれも１．１５程度で同等であった。走査方向におけるビーム径の上限は特に限定されないが、径を過度に大きくするとビーム照射条件の調整が困難となることから、１２００μｍ以下とすることが好ましく、５００μｍ以下とすることがより好ましい。

・ ビーム電流：０．５ｍＡ〜３０ｍＡ
ビーム電流は、ビーム径縮小の観点からは小さい方が好ましい。ビーム電流が大きすぎると、電子同士のクーロン反発力によって、ビームを収束させることが困難となる。そのため、本発明では、ビーム電流を３０ｍＡ以下とすることが好ましい。なお、ビーム電流は２０ｍＡ以下とすることがより好ましい。一方、ビーム電流が小さすぎると、十分な磁区細分化効果を得るために必要な歪を形成することができない。そのため、本発明では、ビーム電流を０．５ｍＡ以上とすることが好ましい。なお、ビーム電流は１ｍＡ以上とすることがより好ましく、２ｍＡ以上とすることがさらに好ましい。

・ ビーム照射領域内圧力
電子ビームは、気体分子によって散乱され、その径が大きくなってしまう。この散乱を抑制するために、ビーム照射領域内の圧力を、３Ｐａ以下とすることが好ましい。一方、圧力の下限については特に限定されないが、過度に低くすると、真空ポンプなどの真空系にかかるコストが増大する。そのため、実用上、圧力は１０^-5Ｐａ以上とすることが好ましい。

・ ＷＤ（ワーキングディスタンス）：１０００ｍｍ以下
電子線を収束させるために用いるコイルと鋼板表面との間の距離をワーキングディスタンス（ＷＤ）と呼ぶ。ＷＤは、ビーム径に著しい影響をおよぼすことが知られている。ＷＤを小さくすれば、ビームの行路長が短くなって、ビームが収束しやすくなる。そのため、本発明では、ＷＤを１０００ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに、１００μｍ以下の小径ビームを用いる場合には、ＷＤを５００ｍｍ以下とすることが好ましい。一方、ＷＤの下限は特に限定されないが、３００ｍｍ以上とすることが好ましく、４００ｍｍ以上とすることがより好ましい。

・ 走査速度
ビームの走査速度は３０ｍ／ｓ以上とすることが好ましい。ここで、走査速度とは、鋼板の幅端部から、もう一方の幅端部へビームを走査しながら照射する間の、平均走査速度とする。走査速度が３０ｍ／ｓより小さいと、処理時間が長くなり、生産性が低下する。走査速度は、６０ｍ／ｓ以上とすることがより好ましい。

スティグマトールは４極子や８極子のものが主流であるが、本発明においてもこれらを使用することができる。ビームの楕円形状の補正はスティグマトールに流れる電流量によって異なるので、鋼板上をビームが走査している間、スティグマトールに流れる電流量を変化させて、鋼板の幅方向でビーム形状が常に均一となるように制御することが重要である。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明は、該実施例によって何ら限定されるものではない。本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、そのような態様も本発明の技術的範囲に含まれる。

一次再結晶焼鈍された冷延鋼板の表面に、ＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を塗布した後、仕上げ焼鈍を行って、フォルステライト被膜を備えた方向性電磁鋼板を作製した。次いで、コロイダルシリカとリン酸マグネシウムを含有する張力被膜形成用組成物を、前記フォルステライト被膜の表面に塗布し、焼付けてリン酸塩系の張力被膜を形成した。得られた方向性電磁鋼板の厚さは０．２３ｍｍであった。

上記方向性電磁鋼板の表面に電子ビームを照射し、圧延方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の歪を形成した。電子ビームの平均走査速度は９０ｍ／ｓ、電子ビームの照射に用いた加工室内の圧力は０．１Ｐａとした。また、直線状の歪の、圧延方向に対する角度（線角度）は９０°とした。その他の処理条件は、表１に示した通りである。

次に、上記電子ビームの照射によって形成された方向性電磁鋼板の、還流磁区の寸法、層間電流、ＢＦ、単板鉄損、および変圧器鉄損を測定した。測定方法は次の通りである。

・ 還流磁区の寸法
板厚方向における還流磁区の長さｄは、Ｋｅｒｒ効果顕微鏡を使用して板厚断面を観察することにより測定した。圧延方向における還流磁区の長さｗは、磁性コロイド溶液を含んだマグネットビュアーを、電子ビームを照射した側の鋼板表面に載せ、マグネットビュアーに転写された磁区パターンを観察することによって測定した。

・ 層間電流
ＪＩＳ−Ｃ２５５０で定められた層間抵抗試験の測定方法の１つであるＡ法に基づいて、層間電流を測定した。層間抵抗の測定において、接触子に流れる全電流値を層間電流とした。

・ 単板鉄損、変圧器鉄損、ＢＦ
単板鉄損、変圧器鉄損、およびＢＦは、先に述べた方法により測定した。変圧器鉄損の測定に用いた鉄心は、図４に示した通りである。

測定結果は、表１に示した通りである。本発明の条件を満たす発明例は、いずれも、鉄損、ＢＦ、および層間電流が、十分に低減されており、変圧器鉄心用として好適な特性を備えていた。これに対して、本発明の条件を満たさない比較例においては、変圧器鉄損と層間電流のいずれかが発明例よりも高く、特定が劣っていた。

例えば、Ｎｏ．２の比較例では、走査方向と直交する方向におけるビーム径に対する走査方向におけるビーム径の比が１．２未満であるため、単板での鉄損を十分に低減するために必要なビーム電流量が過度に増大し、張力被膜の損傷が十分に抑制できておらず、その結果、層間電流が高くなった。一方、ビーム電流、ビーム径の比以外はほぼ同じ条件で処理を行ったＮｏ．３の実施例では、同等の鉄損でありながら、層間電流が十分に低く、良好な絶縁特性を得ることができた。

また、板厚方向における還流磁区の長さｄが本発明の条件よりも小さいＮｏ．４では、Ｎｏ．１と同様の単板鉄損を示しているものの、変圧器鉄損を十分に低下させることができておらず、したがってＢＦも高かった。

Ｎｏ．７では、ＷＤを低くすることによって、ビーム径を極めて小さくした。この実施例においては、板厚方向における還流磁区の長さｄも大きく、また圧延方向における還流磁区の長さｗも比較的小さく抑えられている。Ｎｏ．８においては、加速電圧が１５０ｋＶと高いものの、収束条件を変えてビーム径をやや大きくした。この比較例では、ｗが過度に大きくなり、単板鉄損および変圧器鉄損が劣っていた。Ｎｏ．９は、線間隔を１６ｍｍと大きくした比較例であり、実施例であるＮｏ．１と比べてＢＦが大きく、また単板鉄損も高めであった。

Claims (2)

1. 鋼板と、
   前記鋼板の表面上に形成された張力被膜とを有する方向性電磁鋼板であって、
   層間抵抗試験で測定される層間電流が０．１５Ａ以下であり、
   前記鋼板に、圧延方向と交差する方向に伸びる複数の直線状の歪が形成されており、
   前記複数の直線状の歪の、圧延方向における線間隔が１５ｍｍ以下であり、
   前記歪部分に、板厚方向の長さｄが６５μｍ以上１１０μｍ以下、圧延方向の長さｗが１９５μｍ以下である還流磁区が形成されている方向性電磁鋼板。
2. 前記複数の直線状の歪の、圧延方向における線間隔が４ｍｍ以上である、請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
   

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