JP6928094B2 - 方向性電磁鋼板およびその磁区微細化方法 - Google Patents

方向性電磁鋼板およびその磁区微細化方法 Download PDF

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Description

方向性電磁鋼板およびその磁区微細化方法に関する。
方向性電磁鋼板は、変圧器などの電磁製品の鉄心材料として使用されるため、機器の電力損失を低減することによってエネルギー変換効率を向上させるためには、鉄心素材の鉄損に優れ、積層および巻取時の占積率が高い鋼板が要求される。
方向性電磁鋼板は、熱延、冷延および焼鈍工程により２次再結晶された結晶粒が圧延方向に｛１１０｝＜００１＞方向に配向された集合組織（別名、「Ｇｏｓｓ Ｔｅｘｔｕｒｅ」ともいう）を有する機能性鋼板をいう。
回復（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ）が現れる熱処理温度以上の応力緩和熱処理後にも鉄損改善効果を示す永久磁区微細化方法は、エッチング法、ロール法およびレーザ法に区分することができる。エッチング法は、溶液内の選択的な電気化学反応で鋼板表面に溝を形成させるため、溝形状を制御し難いことから、最終製品の鉄損特性を幅方向に均一に確保することが難しい。これとともに、溶媒として用いる酸容液によって環境に優しくないという欠点がある。
ロールによる永久磁区微細化方法は、ロールに突起形状を加工してロールや板を加圧することによって板表面に一定の幅と深さを有する溝を形成した後、焼鈍することによって、溝下部の再結晶を部分的に発生させる鉄損改善効果を示す磁区微細化技術である。ロール法は、機械加工に対する安定性、厚さに応じた安定した鉄損の確保を得にくく、信頼性およびプロセスが複雑であり、溝形成直後（応力緩和焼鈍前）に鉄損と磁束密度特性が劣化するという欠点がある。
パルスおよび非ガウスモード（Ｎｏｎ−Ｇａｕｓｓｉａｎ Ｍｏｄｅ）のレーザによる永久磁区微細化法は、溝形成時、溝部の凝固合金層を側壁にのみ形成させたり溝全面部に均一に形成させられないことによって、溝下部の基地部に過度の変形を起こさせるため、１次再結晶前あるいは１次再結晶後の工程に適用し難く、最終絶縁コーティング後の占積率の低下を示すという欠点がある。連続波レーザによる溝形成法は、凝固合金層を全面あるいは部分的に形成できるが、凝固合金層の厚さ制御により応力緩和焼鈍以上の熱処理条件で再結晶粒の大きさを制御できないという欠点がある。
熱処理後の鉄損改善と磁束密度低下率が小さい特性を有する方向性電磁鋼板および磁区微細化方法を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板は、表面に形成された溝と、その溝下部に凝固合金層があり、凝固合金層は、平均粒径が１〜１０μｍの再結晶を含んでいる。
本発明の他の実施形態による方向性電磁鋼板の表面に形成された溝と、その溝下部に凝固合金層があり、凝固合金層は、平均粒径が１〜２０μｍの応力緩和焼鈍後の再結晶を含んでいる。
凝固合金層の厚さは、０．６〜３．０μｍであることができる。
電磁鋼板の表面上にさらに非金属酸化物層があってもよい。非金属酸化物層は、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ａｌ２ＳｉＯ４、またはＭｎ２ＳｉＯ４を含むことができる。さらに、非金属酸化物層上にさらに絶縁コーティング層が形成されていてもよい。溝は、線状であり、電磁鋼板の圧延方向に対して８２°〜９８°の角度で形成される。溝の深さ（Ｄ）は、電磁鋼板の厚さの３％〜８％であることができる。
本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板の磁区微細化方法は、方向性電磁鋼板を準備する段階と、方向性電磁鋼板の表面にレーザを照射して溝を形成する段階と、溝が形成された部分を４００〜１５００℃／ｓの冷却速度で急冷する段階とを含む。急冷する段階は、前記溝の形成と同時に急冷してもよい。急冷する段階の後に、応力緩和焼鈍する段階をさらに含んでもよい。溝を形成する段階において、レーザは、ガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）エネルギー分布を有し、出力は１ｋＷ以上の連続波レーザであってもよい。レーザは、ＴＥＭ００モードであり、ビームクオリティファクタ（ｆａｃｔｏｒ）のＭ２が１．０〜１．１であり、出力は１〜１０ｋＷである連続波レーザであってもよい。
溝を形成する段階の後に、電磁鋼板の表面上に形成されたヒルアップ（ｈｉｌｌ−ｕｐ）またはスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）を除去する段階をさらに含んでもよい。
方向性電磁鋼板を準備する段階は、冷間圧延した電磁鋼板を脱炭焼鈍または窒化焼鈍して、鋼板の表面に酸化層を形成する段階と、酸化層が形成された鋼板の表面に焼鈍分離剤を塗布し高温焼鈍して、鋼板の表面に非金属酸化物層を形成する段階とを含むことができる。非金属酸化物層を形成する段階の後、非金属酸化物層上に絶縁コーティング層を形成する段階をさらに含んでもよい。
本発明の一実施形態によれば、永久磁区微細化による磁束密度の劣化を減少させることができ、鉄損改善率を増加させることができる。
また、本発明の一実施形態によれば、最終絶縁コーティング後、積鉄心変圧器の鉄心および熱処理を必要とする巻鉄心変圧器の鉄心として使用することができる。
本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板の模式図である。 本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板の断面の模式図である。 本発明の他の実施形態による方向性電磁鋼板の断面の模式図である。 本発明の他の実施形態による方向性電磁鋼板の断面の模式図である。
第１、第２および第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層および／またはセクションを説明するために使用するが、これらに限定されない。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層またはセクションを、他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するためにのみ使用される。したがって、以下に述べる第１部分、成分、領域、層またはセクションは、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層またはセクションと言うこともできる。
ここで使用される専門用語は、単に特定の実施例を説明するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数表現は、文言がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分の存在や付加を除外させるものではない。
ある部分が他の部分の「上に」あると言う場合、これは、まさに他の部分の上にあったり、その間に他の部分が伴っていてもよい。対照的にある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分は介在しない。
別途に定義しないものの、ここで使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。
以下、本発明の実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
図１では、本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板１０の模式図を示す。図１に示されるように、方向性電磁鋼板１０の表面には、圧延方向に沿って複数の溝２０が形成される。
図２では、本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板１０の断面の模式図を示す。図２に示されるように、本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板１０は、表面に形成された溝２０と、その溝２０の下部に凝固合金層３０が形成される、凝固合金層３０は、平均粒径が１〜１０μｍの再結晶３１を含む。本発明の一実施形態では、凝固合金層３０内の再結晶３１の大きさを制御することによって、応力緩和焼鈍のような再結晶温度以上の熱処理をしても凝固合金層３０内および基地部に再結晶粒が成長することによって、応力緩和焼鈍後にも鉄損改善効果を確保できる。再結晶３１の平均粒径は１〜１０μｍであることができる。再結晶３１の平均粒径が小さすぎると、反磁場の増加によって、磁束密度劣化率が高くなる。再結晶３１の平均粒径が大きすぎると、反磁場の減少によって、鉄損改善率が低くなり、磁束密度劣化率が高くなる。さらに具体的には、再結晶３１の平均粒径は２〜７μｍであることができる。
図３では、本発明の他の実施形態による方向性電磁鋼板１０の断面の模式図を示す。前述した図２における方向性電磁鋼板１０を応力緩和焼鈍のような再結晶温度以上の熱処理をする時、凝固合金層３０内および基地部に再結晶粒が成長して応力緩和焼鈍後の再結晶３２が形成される。このような応力緩和焼鈍後の再結晶３２は、平均粒径が１〜２０μｍであることができる。
凝固合金層３０は、磁区微細化のためのレーザ照射時に形成される。凝固合金層３０の厚さは、０．６〜３．０μｍであることができる。凝固合金層３０の厚さが薄すぎると、凝固合金層３０内の再結晶３１が２次再結晶の形成された基地部に成長できないことから、再結晶３１による鉄損改善効果が現れず、凝固合金層３０の厚さが厚すぎると、再結晶３１は形成されるものの、熱影響によって、応力緩和焼鈍後の再結晶３２が溝２０の下部、側部および基地部で再結晶が形成されることによって、磁束密度の劣化が顕著になることがある。
図４に示されるように、鋼板１０の表面に非金属酸化物層４０が形成される。非金属酸化物層４０が形成されると、レーザ照射時、レーザ吸収率が非金属酸化物層４０の形成されない鋼板より３０％以上増加して、相対的に低いエネルギー密度でも溝２０を形成することができるようになって、高い走査速度で線状の溝２０を形成することができる。
したがって、非金属酸化物層４０が形成された鋼板は、非金属酸化物層４０が形成されない鋼板に比べて、溝２０の形成に必要なレーザ出力は２０％以上減少して、鉄損を改善するのに効率が高い。
また、鋼板の表面に非金属酸化物層４０が形成されると、このような非金属酸化物層が鋼板の表面と物理化学的に強固な結合をしていて、レーザ照射による熱衝撃にも簡単に破壊されない。
このような非金属酸化物層４０は、鋼板の表面に１〜２０μｍの厚さに形成することが好ましい。非金属酸化物層４０の厚さが薄すぎると、レーザ吸収率の増加効果が低く、レーザ照射時、非金属酸化物層が熱衝撃によって破壊されることがあり、非金属酸化物層４０の厚さが厚すぎると、非金属酸化物層４０を形成させるための工程条件を制御し難くく、溝２０形成のためのレーザ出力が高くなるという欠点がある。
非金属酸化物層４０は、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ａｌ２ＳｉＯ４、またはＭｎ２ＳｉＯ４を含むことができる。非金属酸化物層４０上には絶縁コーティング層５０が形成される。
溝２０の深さ（Ｄ）は、電磁鋼板の厚さの３％〜８％であってもよい。より具体的には４％〜８％であってもよい。３％未満の場合、鉄損改善のための適正な深さのグルーブが形成されず、８％を超えると、熱影響部が増加して、ゴス集合組織（Ｇｏｓｓ Ｔｅｘｔｕｒｅ）の成長に悪影響を及ぼすことがある。
また、溝２０は、電磁鋼板の圧延方向に対して８２°〜９８°に形成される。溝２０を９０°でなく斜線状に形成することによって、反磁場を弱めて磁性を向上させることができる。
溝２０は、鋼板の幅方向に断続的に２〜１０個形成される。
本発明の一実施形態による方向性電磁鋼板の磁区微細化方法は、方向性電磁鋼板を準備する段階と、方向性電磁鋼板の表面にレーザを照射して溝を形成する段階と、溝が形成された部分を４００〜１５００℃／ｓの冷却速度で急冷する段階とを含む。以下、各段階別に詳細に説明する。
まず、方向性電磁鋼板を準備する。
方向性電磁鋼板を準備する段階は、冷間圧延した電磁鋼板を脱炭焼鈍または窒化焼鈍して、鋼板の表面に酸化層を形成する段階と、酸化層が形成された鋼板の表面に焼鈍分離剤を塗布し高温焼鈍して、鋼板の表面に非金属酸化物層を形成する段階とを含むことができる。
一般に、冷間圧延した電磁鋼板は、Ｓｉ１〜７重量％含むスラブ（ｓｌａｂ）を熱間圧延および熱延板焼鈍、冷間圧延する段階で製造される。非金属酸化物層については前述した通りであるので、繰り返しの説明を省略する。
本発明の一実施形態では、このように鋼板の表面に直ちに磁区微細化を実施したり、または鋼板の表面に非金属酸化物を形成した後、直ちにレーザを照射して磁区微細化を実施してもよく、非金属酸化物層の上部にコロイダルシリカと金属リン酸塩とを含む絶縁コーティング液を塗布および熱処理して、鋼板の表面に絶縁コーティング層を追加的に形成した後、レーザを照射して磁区微細化を実施してもよい。鋼板の表面に非金属酸化物層が形成されると、この層がレーザ吸収率を増加させて、相対的に低いエネルギー密度でもグルーブを形成することができる。
次に、方向性電磁鋼板の表面にレーザを照射してグルーブを形成する。この時、レーザは、ガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）エネルギー分布を有し、出力は１ｋＷ以上の連続波レーザであってもよい。このような連続波レーザは、２次再結晶が完了した電磁鋼板の表面に均一な溝を形成するのに適する。さらに具体的には、レーザは、ＴＥＭ００モードであり、ビームクオリティファクタ（ｆａｃｔｏｒ）のＭ２が１．０〜１．１であり、出力は１〜１０ｋＷである連続波レーザであってもよい。レーザ照射による照射部の気化だけで溝を形成させることは凝固合金層を形成できないことから、高すぎる出力を有するレーザを用いて溝を形成する方法は好ましくない。
溝を形成する段階の後に、電磁鋼板の表面上に形成されたヒルアップ（ｈｉｌｌ−ｕｐ）またはスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）を除去する段階をさらに含むことができる。ヒルアップは、溝の形成時に発生した溶融物質が溝の両側上部に盛り上がったものを意味し、スパッタは、溶融物質の飛散によって形成されたものを意味する。ヒルアップおよびスパッタは、ブラシまたは酸洗により除去可能である。
次に、溝が形成された部分を４００〜１５００℃／ｓの冷却速度で急冷する。本発明の一実施形態では、冷却速度の調節により凝固合金層内の再結晶の大きさを調節することができる。具体的には、冷却速度を４００〜１５００℃／ｓに調節することによって、凝固合金層内の再結晶の平均粒径を１〜１０μｍに調節することができる。さらに具体的には、冷却速度を５００〜１２００℃／ｓに調節することができる。
急冷する方法としては特に制限されず、レーザ照射上部で空冷する方法を使用することができる。急冷する段階は、溝の形成と同時に行われる。急冷する段階の後に、応力緩和焼鈍する段階をさらに含んでもよい。本発明の一実施形態において、応力緩和焼鈍のような再結晶温度以上の熱処理をする時、凝固合金層内および基地部に再結晶粒が成長して応力緩和焼鈍後の再結晶が形成される。このような応力緩和焼鈍後の再結晶は、平均粒径が１〜２０μｍであることができる。
このように、凝固合金層の形成後、再結晶温度以上の熱処理条件で応力緩和焼鈍後の再結晶の形成により鉄損改善効果を２％以上確保すると同時に、磁束密度劣化率１．０％以下で確保できる。
以下、実施例を通じて本発明をより詳細に説明する。しかし、このような実施例は単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
〔実施例〕
冷間圧延した厚さ０．３０ｍｍの方向性電磁鋼板を脱炭焼鈍して酸化層を形成した後、ＭｇＯを含む焼鈍分離剤を塗布し、高温焼鈍実施して、フォルステライト被膜を形成した。その後、コロイダルシリカと金属リン酸塩とを含む絶縁コーティング液をコーティングして絶縁コーティング層を形成した。
この電磁鋼板の表面に、ＴＥＭ００モードであり、ビームクオリティファクタ（ｆａｃｔｏｒ）のＭ２が１．０であり、出力を１．８ｋＷに調節してレーザを照射した。表２の比較例２の場合、連続波レーザではない、ｐｕｌｓｅレーザを用いた。レーザ照射時、空冷により冷却速度を下記表のように調節した。磁区微細化処理後、応力焼鈍をした。
溝の深さ、凝固合金層の厚さ、凝固合金層内の再結晶の平均粒径および応力焼鈍後の再結晶の平均粒径を、表１および表２にまとめた。
Figure 0006928094
Figure 0006928094
表１および表２で、鉄損改善率は、レーザを照射して溝を形成する前の電磁鋼板の鉄損（Ｗ１）と、レーザを照射して溝を形成した後の鉄損（Ｗ２）とを測定して、（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ１で計算した。磁束密度劣化率は、レーザを照射して溝を形成する前の電磁鋼板の磁束密度（Ｂ１）と、レーザを照射して溝を形成した後の磁束密度（Ｂ２）とを測定して、（Ｂ２−Ｂ１）／Ｂ１で計算した。占積率は、５Ｍｐａの圧力下、理論体積に対する実際の体積に相当する鋼板の重量比率として、ＪＩＳ Ｃ２５５０−２０００による方法で測定した。
表１および表２に示されるように、連続波レーザを用い、冷却速度を適切に調節した実施例は、凝固合金層内に再結晶が適切な大きさに形成され、鉄損改善率および磁束密度劣化率に優れ、応力焼鈍熱処理後にも鉄損および磁束密度に優れていることを確認できた。
本発明は、実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造可能であり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施可能であることを理解するであろう。そのため、以上に述べた実施例はあらゆる面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
１０：電磁鋼板
２０：溝
３０：凝固合金層
３１：再結晶
３２：応力焼鈍後の再結晶
４０：非金属酸化物層
５０：絶縁コーティング層

Claims (12)

  1. 電磁鋼板の表面に形成された溝と、
    前記溝の下部に形成された凝固合金層とを含み、
    前記凝固合金層の厚さは、０．６〜３．０μｍであり、
    前記凝固合金層は、平均粒径が８〜２０μｍの応力緩和焼鈍後の再結晶からなることを特徴とする方向性電磁鋼板。
  2. 前記電磁鋼板の表面上に形成された非金属酸化物層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
  3. 前記非金属酸化物層は、Ｍｇ２ＳｉＯ４、Ａｌ２ＳｉＯ４、またはＭｎ２ＳｉＯ４を含むことを特徴とする請求項２に記載の方向性電磁鋼板。
  4. 前記非金属酸化物層上に形成された絶縁コーティング層をさらに含むことを特徴とする請求項２または３に記載の方向性電磁鋼板。
  5. 前記溝は、線状であり、電磁鋼板の圧延方向に対して８２°〜９８°の角度で形成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の方向性電磁鋼板。
  6. 前記溝の深さ（Ｄ）は、電磁鋼板の厚さの３％〜８％であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の方向性電磁鋼板。
  7. 方向性電磁鋼板を準備する段階と、
    前記方向性電磁鋼板の表面にレーザを照射して溝を形成する段階と、
    前記溝が形成された部分を４００〜１５００℃／ｓの冷却速度で急冷する段階とを含み
    前記急冷する段階は、前記溝の形成と同時に急冷され、
    前記レーザは、ガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）エネルギー分布を有し、出力は１ｋＷ以上の連続波レーザであり、
    製造された電磁鋼板の表面に形成された溝と、
    前記溝の下部に形成された凝固合金層とを含み、
    前記凝固合金層の厚さは、０．６〜３．０μｍであり、
    前記凝固合金層は、平均粒径が１〜７μｍの再結晶からなることを特徴とする方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
  8. 方向性電磁鋼板を準備する段階と、
    前記方向性電磁鋼板の表面にレーザを照射して溝を形成する段階と、
    前記溝が形成された部分を４００〜１５００℃／ｓの冷却速度で急冷する段階と
    応力緩和焼鈍する段階をさらに含み、
    前記急冷する段階は、前記溝の形成と同時に急冷され、
    前記レーザは、ガウス（Ｇａｕｓｓｉａｎ）エネルギー分布を有し、出力は１ｋＷ以上の連続波レーザであり、
    製造された電磁鋼板の表面に形成された溝と、
    前記溝の下部に形成された凝固合金層とを含み、
    前記凝固合金層の厚さは、０．６〜３．０μｍであり、
    前記凝固合金層は、平均粒径が８〜２０μｍの応力緩和焼鈍後の再結晶からなることを特徴とする方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
  9. 前記レーザは、ＴＥＭ００モードであり、ビームクオリティファクタ（ｆａｃｔｏｒ）のＭ２が１．０〜１．１であり、出力は１〜１０ｋＷである連続波レーザであることを特徴とする請求項７または８に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
  10. 前記溝を形成する段階の後に、前記電磁鋼板の表面上に形成されたヒルアップ（ｈｉｌｌ−ｕｐ）またはスパッタ（ｓｐａｔｔｅｒ）を除去する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか一項に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
  11. 前記方向性電磁鋼板を準備する段階は、
    冷間圧延した電磁鋼板を脱炭焼鈍または、脱炭焼鈍および窒化焼鈍して、鋼板の表面に酸化層を形成する段階と、
    前記酸化層が形成された鋼板の表面に焼鈍分離剤を塗布し高温焼鈍して、鋼板の表面に非金属酸化物層を形成する段階とを含むことを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか一項に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
  12. 前記非金属酸化物層を形成する段階の後、非金属酸化物層上に絶縁コーティング層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の方向性電磁鋼板の磁区微細化方法。
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