JP6856114B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
すなわち、熱歪領域を線状に設けることによって鉄損が改善されるものの、その後の焼鈍等の加熱によって鉄損改善代が失われる(耐熱性のない)非耐熱型の磁区細分化方法と、鋼板表面に所定深さの線状の溝を設ける耐熱型の磁区細分化方法とである。
特に、後者は、熱処理を行っても磁区細分化効果が消失せず、巻き鉄心などにも適用可能であるという利点を有する。しかしながら、従来の耐熱型の磁区細分化方法で得られる方向性電磁鋼板は、レーザ光やプラズマ炎の照射による非耐熱型の磁区細分化方法で得られる方向性電磁鋼板に比べて、鉄損低減効果が十分でないという問題を有していた。
以上のように、耐熱型の磁区細分化の技術は、磁区細分化のための溝自体に着眼した改善策が一般的であった。
ところが、磁壁移動が不均一な場合(磁気的なピンニングサイトがある場合)における磁壁移動については、図1に(0)→(B1)→(B2)→(B3)→(4)の系統で示すように、磁壁移動が不均一になる。すると、部分的に大きな移動量となる磁壁が生じ、平均の磁束密度が比較的低い条件でも、隣接する磁区が合体するようになる(図1(B2))。この場合、交流磁化中、磁束密度が低下しつつある時間帯に、図1の(B3)に磁区cとして示す反対向きの新たな磁区が生成する必要がある。しかし、新たな磁区の生成には駆動エネルギーが必要なため、反対向きの磁区が残っている場合に比べて、反対向きの磁化成分の増加が遅れることになる。このように磁壁移動量が不均等な場合は、磁壁移動量が均等で最大磁束密度付近でも反対向きの磁区が残っている理想的な交流磁化の場合に比べて、磁束密度の変化(位相)が遅れる結果、鉄損が増加する。
この点、前記した非耐熱型の磁区細分化を施した方向性電磁鋼板(以下、非耐熱型磁区細分化鋼板と示す)の場合、磁区細分化の起点となる還流磁区の幅が薄く(狭く)、かつ板厚方向の深い領域まで存在しているため、鋼板表裏の磁壁移動量の差は小さい。
本発明は、かかる方向性電磁鋼板において、磁壁移動の阻害要因を排除してヒステリシス損を改善することに加えて、耐熱型磁区細分化鋼板に特有の現象(磁壁移動の表裏面での差)を考慮することにより、理想的な鉄損低減効果を得ようとするものである。
ちなみに、鋼板表面を鏡面化したうえで該表面に線状の溝を設ける技術も提案されているが、このような製品は製造コストが過大になるため、商業ベースでの製造に至っていないのが現状である。このため、現在の主要な製品形態である、フォルステライトを主体とする下地被膜を有する方向性電磁鋼板に有効である鉄損改善方法は、全世界的な送配電効率向上の要求に応えるためにも、その重要性は高い。
1.鋼板の表裏面にMg目付量にして0.2g/m2以上のフォルステライトを主成分とする被膜を有し、前記鋼板の表面に、圧延方向に直交する方向とのなす角度が45°以下で圧延方向を横切る向きに線状に延びかつ圧延方向に間隔を置いて並ぶ、複数本の溝を有する方向性電磁鋼板であって、
前記溝は、平均深さが前記鋼板の厚みの6%以上および隣り合う溝相互間の距離が1〜15mmの範囲であり、
周波数50Hzおよび最大磁束密度1.5Tで交流磁化させたときの比透磁率μr15/50が35000以上であり、
前記鋼板の圧延方向と直交する断面の、前記鋼板と前記被膜との界面において前記被膜の連続部分から離間して孤立する部分の存在頻度が0.3個/μm以下である方向性電磁鋼板。
n=N/L0 …(1)
ここで、フォルステライト被膜を三次元的にみると、圧延直交方向断面で観察される図2のa〜eの部分はフォルステライト被膜本体と繋がっている場合が多いが、被膜本体から複雑に張り出した構造のため、磁壁移動をピンニングする効果が高い。よって、かような部分は、圧延直交方向断面でみたとき、図2に示すように孤立した部分とみなして良い。
[フォルステライトを主成分とする被膜]
上述のとおり、本発明で対象とする鋼板は、通常の製造方法で大量生産されている、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布してから二次再結晶焼鈍を施した方向性電磁鋼板である。このような現状の製造方法による方向性電磁鋼板で鉄損の改善効果が得られれば、鋼板表面(地鉄)を鏡面化する特殊な工程を経ることなしに、耐熱型磁区細分化鋼板全体の平均的な鉄損特性を改善することが可能になる。しかも、電磁鋼板製品の使用者にとってはコスト削減という利点もある。このため、二次再結晶焼鈍後に鋼板表面にフォルステライトを主成分とする被膜(本発明において、単に、フォルステライト被膜という)が形成されている、方向性電磁鋼板を対象とする。その際、鋼板の表裏面のMg目付量を、片面当たり0.2g/m2以上とすることが好ましい。なぜなら、MgO目付量がこの値を下回ると、フォルステライト被膜上に塗布する絶縁張力コーティング(通常、リン酸塩系ガラス質)と鋼板表裏面(地鉄)とのバインダ効果が十分に確保されず、絶縁張力コーティングが剥離したり、被膜が鋼板表裏面(地鉄)に与える張力が不足したりするためである。なお、MgOを主成分とする焼鈍分離剤は、Mg目付量が例えば鋼板片面当たり0.2g/m2以上となる組成であればよい。より好ましくは、MgOを主成分とする焼鈍分離剤に、TiO2を1〜20質量%添加するとともに、従来公知の添加物である、Ca、Sr、Mn、Mo、Fe、Cu、Zn、Ni、Al、KおよびLiの酸化物、水酸化物、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩、ホウ酸塩、塩化物および硫化物等から選んだ1種または複数種を添加すればよい。ここで、焼鈍分離剤中のMgO以外の添加成分は30質量%以下とすることが好ましい。
磁区細分化のための溝は、圧延方向を横切る向きに線状に延びるものとする。さらには、溝の延びる方向が圧延直交方向となす角度を45°以下とする。この値を上回ると、溝壁面に生じる磁極による磁区細分化効果が十分に生じず、鉄損特性が劣化することになる。なお、溝は圧延方向を横切る向きに、連続して延びることが好ましいが、断続して延びていてもよい。
なお、溝間隔はいずれの部分でも概ね均等であることが望ましい。溝間隔が変化する場合は、平均の溝間隔の±50%程度までの変動があっても本発明の効果を損なうものではないので許容される。
前記のように、地鉄界面の凹凸が大きいと磁壁移動の際に移動距離が大きい磁壁と小さい磁壁とが発生し、反対向きの磁区が消滅する可能性が高まる。このような場合、反対向きの磁化が増加しつつあるときには、反対向きの磁区が新たに生成する必要があるが、新しい磁区生成のタイミングが遅れることから鉄損の増加を招く。とくに、溝を有する表面と反対側の裏面とは磁壁が大きく移動する必要がある。そのため、(鋼板片面の)溝付きの耐熱型磁区細分化鋼板では、鋼板表面での凹凸が激しい場合、磁壁移動がより不均一となって、最大磁束密度付近で反対向きの磁区が消失しやすくなり、鉄損の増加を招きやすい。このため、特に耐熱型磁区細分化鋼板の鉄損を改善するためには、溝を有していない通常の電磁鋼板よりも地鉄界面の凹凸度、とりわけ被膜下面の凹凸形態を適正化するのが重要であることを新規に知見し本発明を完成した。
ここで、磁壁は圧延方向と直交する方向に移動するため、存在頻度nは圧延直交方向の厚み断面で評価するのが適している。また、存在頻度の測定は、幅60μm以上の断面を、平滑に研磨した後、光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡により10視野以上観察して求めることが好ましい。また、鋼板の平均的な情報を得る観点から各視野は互いに1mm以上離れていることが望ましい。観察視野数が少ないと、局部的な状態しか評価できず、磁気的な影響が明らかでないからである。
まず、存在頻度nの圧延直交方向における分布の標準偏差とは、鋼板の圧延直交方向に、例えば、幅100μmごとに区切った領域内での存在頻度を計測し、この幅100μmの領域での計測を圧延直交方向に、例えば、10の領域において行って得た、全計測結果に基づくものとする。なお、前記存在頻度を測定する領域幅は、交流励磁過程における磁壁移動の最小幅程度とするのがよい。通常、磁壁間隔は200〜1000μm程度であることから、前記領域幅は50〜100μm程度が適している。同様に、存在頻度を測定する領域数は、10以上とすることが好ましい。また、圧延直交方向の測定部位は、圧延方向に1〜50μm程度の間隔をおいた複数の部位で行うことが好ましい。
磁区細分化処理済の方向性電磁鋼板が十分に低い鉄損値に到達するためには、二次再結晶組織の方位が、高い集積度でゴス(GOSS)方位に揃っている必要がある。
通常、方向性電磁鋼板の方位集積度に関する磁気的な指標は、磁界の強さ800A/mで磁化されたときの磁束密度であるB8が用いられる。ただし、鋼板の表面に溝を有する場合、B8は方位集積度とは別に溝の深さに影響を受ける。一方、励磁磁束密度が比較的低い条件での透磁率は溝の有無の影響を受けにくい。そこで、本発明のような溝付きの方向性電磁鋼板で十分な集積度の二次再結晶組織が発達していることを判断するための指標は、最大磁束密度1.5Tでの透磁率(周波数50Hz)が適している。そこで、本発明では、50Hzおよび1.5Tで交流磁化させたときの比透磁率μr15/50を地鉄部分の結晶方位の指標とした。
この指標を用いると、本発明に従う鋼板は、比透磁率μr15/50が35000以上を実現できる。
すなわち、本発明は、C:0.002〜0.10質量%、Si:2.0〜8.0質量%およびMn:0.005〜1.0質量%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる鋼素材(鋼スラブ)を加熱後、熱間圧延し、熱延板焼鈍する。ついで、冷間圧延を施し、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延により最終板厚の冷延板とした後、脱炭焼鈍してからMgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶とフォルステライト被膜形成と純化とを兼ねる最終仕上げ焼鈍を施す。さらに、残留した焼鈍分離剤を除去し、絶縁コーティング焼付けと平坦化を兼ねる連続焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法を用いる。特に本発明では、冷間圧延後または脱炭焼鈍後または二次再結晶焼鈍後または平坦化焼鈍後のいずれかの段階で鋼板表面に圧延直交方向となす角度45°以下、深さが板厚の6%以上の溝を溝間の間隔1mm以上15mm以下にて形成する。
焼鈍分離剤のスラリーの粘度は、概ねMgOの物性により決定されている。従って、使用されるMgOに対して所定の処理を行ったときの粘度を測定することで塗布時の粘度を決定することができる。なお、粘度を安定的に評価するには、MgOと水とを混合後、回転速度100rpmのインペラで30分撹拌後に測定を行うことが好ましい。
C:0.002〜0.10質量%
Cは、変態を利用して熱延組織を改善するとともに、ゴス核を発生させるのに有用な元素であり、Cは0.002質量%以上含有させることが好ましい。一方、0.10質量%を超えると、脱炭焼鈍で磁気時効の起こらない0.005質量%以下に低減することが困難となる。よって、Cは0.002〜0.10質量%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは0.010〜0.080質量%の範囲である。なお、Cは基本的には製品の地鉄成分中に残留しないこと望ましく、脱炭焼鈍などの製造工程で除去されるが、製品では地鉄中に不可避的不純物として50ppm以下が残留することがある。
Siは、鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減するのに有効な元素である。上記効果は、2.0質量%未満では十分ではない。一方、8.0質量%を超えると、加工性が低下し、圧延して製造すること困難となる。よって、Siは2.0〜8.0質量%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは2.5〜4.5質量%の範囲である。
なお、Siは、フォルステライト被膜形成の材料として使用される。そのため、製品の地鉄中のSi濃度はスラブ中の含有量よりも若干低下するがこの量は僅かであり、スラブ中の成分と製品地鉄中の成分はほぼ等しいとしてよい。
Mnは、鋼の熱間加工性を改善するために有効な元素である。上記効果は、0.005質量%未満では十分ではない。一方、1.0質量%を超えると、製品板の磁束密度が低下するようになる。よって、Mnは0.005〜1.0質量%の範囲とするのが好ましい。より好ましくは0.02〜0.20質量%の範囲である。なお、Mnはスラブ中に添加されたほぼ全量が製品地鉄中に残留する。
まず、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で、例えば、AlN系インヒビターを利用するときには、AlおよびNを、それぞれAl:0.010〜0.050質量%、N:0.003〜0.020質量%の範囲で含有させるのが好ましい。また、MnS・MnSe系インヒビターを利用する場合には、前述した量のMnと、S:0.002〜0.030質量%およびSe:0.003〜0.030質量%のうちの1種または2種とを含有させることが好ましい。それぞれ添加量が、上記下限値より少ないと、インヒビター効果が十分に得られない。一方、上限値を超えると、インヒビター成分がスラブ加熱時に未固溶で残存し、磁気特性の低下をもたらす。なお、AlN系とMnS・MnSe系のインヒビターは併用して用いてもよい。
Cu:0.01〜0.50質量%、P:0.005〜0.50質量%、Sb:0.005〜0.50質量%、Sn:0.005〜0.50質量%、Bi:0.005〜0.50質量%、B:0.0002〜0.0025質量%、Te:0.0005〜0.0100質量%、Nb:0.0010〜0.0100質量%、V:0.001〜0.010質量%およびTa:0.001〜0.010質量%
これらはいずれも、粒界に偏析するか、補助的な析出物分散型のインヒビター元素であるが、これらの補助的インヒビター元素を添加することによって粒成長抑制力がさらに強化され、磁束密度の安定性を高めることができる。いずれの元素についても、含有量が下限値を下回ると粒成長抑制力を補助する効果が十分に得られず、一方上限値を超えて添加すると飽和磁束密度の低下やAlNなどの主インヒビターの析出状態を変化させて磁気特性の劣化を招くので、それぞれ上記の範囲で含有させることが好ましい。
なお、これら添加元素の全量または一部は製品の鋼中に残留する。
2 フォルステライト被膜
20 被膜本体
a〜e 被膜の孤立部分(本発明における孤立する部分)
Claims (5)
- Si:2.0〜8.0質量%およびMn:0.005〜1.0質量%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、鋼板の表裏面にMg目付量にして片面当たり0.2〜0.58g/m 2 のフォルステライトを主成分とする被膜を有し、前記鋼板の表面に、圧延方向に直交する方向とのなす角度が45°以下で圧延方向を横切る向きに線状に延びかつ圧延方向に間隔を置いて並ぶ、複数本の溝を有する方向性電磁鋼板であって、
前記溝は、平均深さが前記鋼板の厚みの6%以上および隣り合う溝相互間の距離が1〜15mmの範囲であり、
周波数50Hzおよび最大磁束密度1.5Tで交流磁化させたときの比透磁率μr15/50が35000以上であり、
前記鋼板の圧延方向と直交する断面の、前記鋼板と前記被膜との界面において前記被膜の連続部分から離間して孤立する部分の存在頻度が0.3個/μm以下である方向性電磁鋼板。 - 前記孤立する部分の存在頻度が0.1個/μm以下である請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記孤立する部分の存在頻度の圧延方向と直交する方向の分布における標準偏差が平均値の30% 以下である請求項1または2記載の方向性電磁鋼板。
- 前記溝の平均深さが前記鋼板の厚みの13%以上である請求項1から3のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記鋼板が、さらにCu:0.01〜0.50質量%、P:0.005〜0.50質量%、Sb:0.005〜0.50質量%、Sn:0.005〜0.50質量%、Bi:0.005〜0.50質量%、B:0.0002〜0.0025質量%、Te:0.0005〜0.0100質量%、Nb:0.0010〜0.0100質量%、V:0.001〜0.010質量%、Ta:0.001〜0.010質量%、Cr:0.01〜0.50質量%、Ni:0.010〜1.50質量%およびMo:0.005〜0.100質量%のうちから選んだ一種または二種以上を含有する請求項1から4のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
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