JP7099648B1 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

実機トランスに組上げた場合に、優れた低騒音性および低鉄損特性を得ることができる、レーザ照射で磁区細分化処理された方向性電磁鋼板を提供する。本発明の方向性電磁鋼板は、磁束密度Ｂ8を1.92Ｔ以上とし、歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Waと非歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Wbとの比（Wa/Wb）を0.5以上とし、かつ非歪導入面における磁区不連続部の平均幅を、歪導入面における磁区不連続部の平均幅の1.00倍以上とし、非歪導入面の磁区不連続部の平均幅を400μm以下とし、さらに、歪導入面である鋼板表面から少なくとも板厚方向2μmの範囲において圧延方向に圧縮応力が存在する。

Description

本発明は、変圧器などの鉄心材料として好適な方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。
方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
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。ところが、結晶方位の制御や、不純物を低減するといった操作は、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板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様々開発されている。
例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザを照射し、鋼板表層に高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることで、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。
また、特許文献２には、電子ビームの照射により照射面と非照射面の磁区不連続部を制御する技術が提案されている。
特公昭57-2252号公報 特開2012-52230号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、低鉄損化は実現できるものの低騒音化に関する検討が不十分で、低鉄損化と低騒音化の両立という点で問題があった。
また、特許文献２に記載の技術を使用すれば、低騒音および低鉄損を両立した方向性電磁鋼板を得ることができるが、近年さらなる低鉄損化が求められているのが現状である。
さらに、この特許文献２の技術をレーザ照射に適用すると、電子ビームに比して透過能が低いために、裏面に磁区不連続部を形成するためには極めて大きなエネルギーを鋼板内に投入する必要がある。この場合、電子ビーム照射と同レベルの磁区細分化効果は得ることができるものの、ヒステリシス損の劣化により全鉄損が電子ビーム照射材レベルに到達しない。
また、特許文献２に記載の技術には、磁歪特性も劣化するので騒音が大きくなってしまうという課題があった。さらには、高エネルギーを投入することで、フォルステライト被膜の損傷が激しくなり、好適な膜厚に制御することが極めて困難であるという問題があった。
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、実機トランスに組上げた場合に、優れた低騒音性および低鉄損特性を得ることができる、レーザ照射で磁区細分化処理された方向性電磁鋼板を、その有利な製造方法と共に提供することを目的とする。
発明者らは、鋭意検討の結果、従来の磁区細分化メカニズムである熱拡散に加えて、衝撃波を効果的に利用することで、フォルステライト被膜損傷を抑制しつつ、鉄損及び騒音に対する改善の効果を得るために必要な応力分布を形成させることが可能になることを知見した。
本発明は、上記した知見に基づき開発されたものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鋼板表面の両方の面にフォルステライト被膜を備え、該表面の片方の面に歪導入面を備える、磁束密度Ｂ8が1.92Ｔ以上の方向性電磁鋼板であって、上記歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Waと非歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Wbとの比（Wa/Wb）が0.5以上で、かつ上記非歪導入面における磁区不連続部の平均幅が、上記歪導入面における磁区不連続部の平均幅の1.00倍以上であって、上記非歪導入面の磁区不連続部の平均幅が400μm以下であり、歪導入面である鋼板表面から少なくとも板厚方向2μmの範囲において圧延方向に圧縮応力が存在することを特徴とする方向性電磁鋼板。
２．方向性電磁鋼板用スラブを、熱間圧延し、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して、最終板厚に仕上げたのち、脱炭焼鈍を施し、ついで鋼板表面にＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を塗布してから、最終仕上げ焼鈍さらに平坦化焼鈍を兼ねた張力コーティング処理を行うに際し、該張力コーティング処理後に、レーザビーム照射による磁区細分化処理を行う一連の工程になる方向性電磁鋼板の製造方法であって、
上記レーザビーム照射は、
（１）ピコ秒レーザあるいはフェムト秒レーザを使用する
（２）レーザ出力を100Ｗ以上とする
の条件に従い、
上記張力コーティング処理は、
（３）平坦化焼鈍時における鋼板への付与張力を5～15MPaに制御する
の条件に従うことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、磁区細分化による鉄損低減及び磁歪改善の効果が、実機トランスにおいても効果的に維持される方向性電磁鋼板を得ることができる。そのため、実機トランスにおいて、低鉄損性を維持しつつ優れた低騒音性を得ることができる。
フォルステライト被膜厚みの測定用断面を示す模式図である。 鋼板の磁区観察結果を示す模式図である。
以下、本発明について具体的に説明する。
本発明において、歪みを付与した、磁区細分化処理済みの方向性電磁鋼板を用いた実機トランスの騒音及び鉄損の増加を抑制するためのポイントは、以下の４つの要件を全て満足することである。
［歪導入面のフォルステライト被膜厚みの制御］
第１のポイントは、歪を導入した面のフォルステライト被膜の厚みの制御である。フォルステライト被膜の厚みの制御が重要な理由は次のとおりである。
鋼板表面のフォルステライト被膜は、鋼板に張力を付与している。このフォルステライト被膜の厚みが変動すると、鋼板の張力分布が不均一になる。ここで、張力分布が不均一になると、騒音の原因となる鋼板の磁歪振動波形の歪みが発生し、結果的に高調波成分が重畳して騒音の増加を招くこととなる。従って、この騒音増加を抑制するには、微小な歪み導入時に発生する、歪導入側の面（本発明において歪導入面という）のフォルステライト被膜の厚みの減少を抑えることが重要である。
以上より、本発明では、歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Waと非歪導入側の面（本発明において非歪導入面という）のフォルステライト被膜の膜厚Wbとの比（Wa/Wb）を0.5以上とする必要がある。好ましくは、0.7以上である。なお、かかる（Wa/Wb）の上限は、理論的には1.0であるが、工業的には0.95程度である。ここで、上記WaとWbとは平均のフォルステライト被膜厚であるが、かかる平均のフォルステライト被膜厚は、図１に示すような、圧延方向断面のフォルステライト被膜をSEMにて観察し、任意の箇所より、3mmピッチで20か所におけるフォルステライト被膜の厚みの計測を行い、計測された20か所の値を平均化することで導出可能である。
上記比（Wa/Wb）を満足させるためには、前述したように、微小な歪みを付与した部分のフォルステライト被膜の厚みの減少を抑えることが重要であり、その抑制手段を以下に述べる。
まず重要なことは、良好なフォルステライト被膜を形成することである。本発明において、良好なフォルステライト被膜とは、被膜中に、割れなどに起因した空隙が少なくて、緻密度の高いフォルステライト被膜のことをいう。また、フォルステライト被膜に割れなどのダメージを与える因子で最も影響が大きいのは、平坦化焼鈍を兼ねた張力コーティング処理中の鋼板に付与される張力であり、この張力が強いとフォルステライト被膜がダメージを受けて、割れなどが生じてしまう。フォルステライト被膜に割れ等が生じると、レーザを照射して歪みを導入した際に被膜が損耗しやすくなる。従って、鋼板温度が高く、張力感受性が高くなる平坦化焼鈍炉内では、鋼板に付与する張力を15MPa（1.5kgf/mm2）以下に制御する必要がある。
一方、本発明の製造方法では、上記した張力を5MPa（0.5kgf/mm2）以上とする必要がある。というのは、5MPa未満の場合、鋼板の形状矯正が不十分となるからである。
また、発明者らは、フォルステライト被膜の損傷を抑制するために、従来の磁区細分化メカニズムである熱拡散ではなく、衝撃波を利用することが有効であるという知見を得た。この理由は明らかではないが、熱拡散と衝撃波というエネルギー導入メカニズムの違いに起因するものと考えている。この衝撃波を発生させるためには、鋼板表面にプラズマを生成させる必要があるため、レーザビームの出力、パルス幅を制御することが極めて重要である。
ピコ秒やフェムト秒レーザを使用した場合は、レーザ出力100Ｗ以上の高エネルギーを鋼板に投入すればプラズマが発生し、衝撃波が鋼板内部に進行する。他方、ナノ秒やマイクロ秒レーザを使用する場合は、エネルギー集中程度が不足するため、上記レーザ出力をもってしても単に鋼板に照射したところでプラズマは生成しない。
なお、特許文献２等で行われている電子ビームの照射による歪導入メカニズムも、従来の熱拡散を利用する手法であり、衝撃波を利用する手法とは異なる。
［鋼板表層における圧延方向の応力分布制御］
本発明においては、衝撃波を利用した鋼板表層の応力分布の制御が重要な第２のポイントである。衝撃波を用いて鋼板にエネルギーを投入した場合、従来の熱拡散を利用した場合と比較して、鋼板表層の応力分布が異なる。特開2005-248291号公報に開示されているように、熱拡散を利用した場合、鋼板表層において圧延方向には引張応力が導入される。一方で、衝撃波を利用した場合、鋼板表層において圧延方向には圧縮応力が導入される。
本発明では、所定条件下でのレーザビーム照射による、衝撃波を利用した磁区細分化である結果として、鋼板表層（鋼板表面から板厚方向に2μm深さの範囲を意味し、後述するフォルステライト被膜を含まない範囲）における圧延方向の応力分布を、圧縮応力が存在するように制御している。圧縮応力が存在する板厚方向の深さが2μm未満と小さい場合、鋼板に付与される衝撃波が少なく不足することを意味するので、所望の鉄損低減効果を得られるエネルギーを鋼板内部にまで導入することができない。一方、圧縮応力が存在する深さが2μm以上と十分に大きい場合、鋼板に付与される衝撃波も十分に大きいことを意味するので、十分な鉄損低減効果が得られる程度のエネルギーを鋼板内部にまで導入することが可能になる。また、衝撃波を利用するので、大きなエネルギーを鋼板内部にまで導入するにも関わらず、被膜損傷を抑制することができ、低騒音効果も得ることができる。圧縮応力が存在する深さ2μmというのは、鉄損低減効果及び低騒音効果を得るのに最低限必要な衝撃波の大きさを示す指標であり、この深さと同時に、応力の絶対値も衝撃波の大きさを示す指標となる。本発明では、応力の絶対値自体は特に限定されることはなく、少なくとも板厚方向2μmの範囲において0MPa超の圧縮応力が存在していれば効果が得られる。ただし、本発明の効果をより高めるためには、板厚方向2μmの範囲における最大圧縮応力が10MPa以上であることが好ましく、20MPa以上であることがより好ましく、鋼板表面から板厚方向に10μm深さの範囲にわたって圧縮応力が存在することが更に好ましい。また、本発明において、かかる圧縮応力は、鋼板表層内に１か所または複数か所に存在してよい。
また、鋼板表層に形成された圧延方向の応力測定は、上記特開2005-248291号公報に記載されているような単結晶X線応力解析法を用いることで実施可能である。
なお、特許文献２等で行われている電子ビームの照射では、上述のとおり熱拡散を利用しているため、鋼板表層において圧延方向に圧縮応力が存在するよう制御することはできない。
［鋼板の歪導入面および非歪導入面における磁区不連続部の制御］
本発明における第３のポイントは、図２に示すような、歪導入面および非歪導入面に線状に形成された磁区不連続部の制御である。前記したフォルステライト被膜の厚みの制御により、騒音増加はある程度抑制できるが、実機トランスはさらに低騒音かつ低鉄損であることが要求される。
トランス鉄損を低くするためには、トランス素材としての方向性電磁鋼板の鉄損低減も大切であるが、かかる素材における磁区細分化効果を十分得るためには、
ｉ）非歪導入面にも磁区不連続部が生じるまで鋼板の内部に歪みを導入すること、
ｉｉ）歪み導入は、履歴損の劣化を招くので、投入エネルギーはできる限り少なくすること、の２点が重要である。
上記のｉ）およびｉｉ）の各項を満たす具体的な条件は、衝撃波を利用して、できる限り少ない投入エネルギーの下、非歪導入面における磁区不連続部の平均幅を、歪導入面の磁区不連続部幅の平均幅の（非歪導入面の磁区不連続部の平均幅/歪導入面の磁区不連続部の平均幅）1.00倍以上（本発明において、磁区不連続部幅の比ともいう）とし、非歪導入面の磁区不連続幅を400μm以下にすることである。なお、磁区不連続部幅の比の上限は、特に限定されないものの、３倍程度が好ましい。また、非歪導入面の磁区不連続幅の下限も、特に限定されないものの、該幅が100μm以下と過剰に狭い場合は、得られる効果が十分ではないので、100μm程度が好ましい。また、上述のとおり、歪導入に際して投入するエネルギーを過度に高めないことが好ましい。裏面（非歪導入面）における磁区不連続部幅は投入したエネルギーに比例するので、該幅をある程度狭く制御することが好ましく、250μm未満とすることが好ましい。非歪導入面の磁区不連続部の平均幅は、100～250μm未満がより好ましい。
本発明は、非歪導入面の磁区不連続部の平均幅を規定することで上記ｉ）を満たし、また非歪導入面の平均幅上限値を設定することで上記ｉｉ）を満たしている。
なお、前記した第１のポイントである、平坦化焼鈍時に鋼板へ付与する最大張力を超える場合、および、衝撃波を活用しない条件下でレーザビーム照射を行う場合には、フォルステライト被膜の厚みを減少させずに、上記の熱影響幅（磁区不連続部の平均幅）を満足させるのは極めて困難であり、工業的に現実的ではない。
本発明で重要なことは、磁区不連続部の平均幅を規定することであり、平均照射幅の規定ではないことに注意をする必要がある。これは、衝撃波が鋼板に導入されると、衝撃波は板厚方向や板幅方向などあらゆる方向に広がるので、このような影響が及ぶ磁区不連続部は、通常、照射幅よりも広くなる傾向にあるからである。
かかる磁区不連続部の平均幅は、磁化の変化が大きい部分にひきつけられやすい磁性コロイドを用いるビッター法によって鋼板表面から磁区を観察し、ビーム照射部で確認される不連続幅を計測することで確認が可能である。より具体的には、100mmの長さに亘って磁区不連続部を計測し、画像解析ソフトを使用して磁区不連続部の面積を求める。求めた面積を計測距離で割ることで、その観察部位の磁区幅とした。このような方法で20か所の磁区幅を導出し、その平均値を平均幅とした。
［素材の結晶粒の磁化容易軸への集積度が高い］
第４のポイントは、素材の結晶粒の磁化容易軸への集積度が高いことである。
変圧器騒音すなわち磁歪振動については、上記結晶粒の磁化容易軸への集積度が高いほど振動振幅が小さくなる。そのため、騒音抑制には、磁化容易軸への集積度の指標ともなる磁束密度Ｂ8が1.92Ｔ以上であることが必要である。ここに、磁束密度Ｂ8が1.92Ｔ未満の場合、磁化過程において励磁磁界と平行になるように生じる磁区の回転運動が、大きな磁歪を発生させて変圧器の騒音を増大させることとなる。また、集積度が高い方が磁区細分化効果も高くなるので、本発明の鉄損低減効果を得る観点からも、素材としての方向性電磁鋼板の磁束密度Ｂ8は1.92Ｔ以上である必要がある。なお、かかる鉄損測定は、JIS C 2566に記載のＨコイル法を用いた単板磁気測定試験によって行うことができる。
本発明の歪み導入処理としては、レーザビーム照射を用いることが好適である。
好適な照射条件は、照射方向（レーザの走査方向）を、鋼板表面に沿って、圧延方向を横切る方向、より好適には圧延方向に対して60°～90°の方向として線状（点列状）に照射する。レーザビームの照射間隔（線間隔）は3～15mm程度とすることが好ましい。さらに、レーザはパルス状とし、パルス幅はピコ秒、フェムト秒とし、さらに出力を100Ｗ以上とすることで衝撃波を発生させることが可能になるので好適である。
但し、本発明の鋼板を得る手段は上記手段に限定されるものではなく、本発明における方向性電磁鋼板の要件を満足すればその他の方法を用いることも可能である。
本明細書で、ピコ秒レーザとはパルス幅が1ps以上1000ps未満、フェムト秒レーザとはパルス幅が1fs以上1000fs未満のレーザである。
次に、本発明に従う方向性電磁鋼板の製造条件に関して具体的に説明する。
本発明において、方向性電磁鋼板用スラブの成分組成は、二次再結晶が生じる成分組成であればよい。
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質量％以上、0.065質量％以下、より好適には0.01～0.065質量％、Ｎ：0.005質量％以上、0.012質量％以下、より好適には0.005～0.012質量％、Ｓ：0.005質量％以上、0.03質量％以下、より好適には0.005～0.03質量％、Se：0.005質量％以上、0.03質量％以下、より好適には0.005～0.03質量％である。
さらに、本発明は、Al、Ｎ、Ｓ、Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
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。
上述した元素以外の、本発明の方向性電磁鋼板用スラブの好適な基本成分および任意添加成分について具体的に述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加するが、0.08質量％を超えると、磁気時効の起こらない50質量ppm以下まで製造工程中に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く、0%超であってもよく、0.001%以上であってもよいが、通常は100質量ppm以上である。
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ない。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質量％以上が好ましく、8.0質量％以下が好ましく、2.0～8.0質量％の範囲とすることがより好ましい。
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ため、Mn量は0.005質量％以上が好ましく、1.0質量％以下が好ましく、0.005～1.0質量％の範囲とすることがより好ましい。
本発明では、上記の好適な基本成分以外に、磁気特性改善成分として、次に述べる元素を適宜好適に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い。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質量％以上が好ましく、1.50質量％以下が好ましく、0.03～1.50質量％の範囲とするのがより好ましい。
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い。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。
次いで、上記した成分組成を有するスラブは、常法に従い加熱して熱間圧延に供するが、鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延してもよいし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進んでもよい。一般的な方法の一例として、以下を挙げることができる。
熱間圧延入側で適切な温度（1150～1450℃）に加熱し、粗圧延、仕上げ圧延を行うことによって、目的の厚み（1.6～2.6mm）にし、コイル状に巻き取る。
さらに、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。この時、ゴス組織を製品板において高度に発達させるためには、熱延板焼鈍温度として800℃以上が好ましく、1100℃以下が好ましく、800～1100℃の範囲がより好適である。熱延板焼鈍温度が800℃未満であると、熱間圧延でのバンド組織が残留し、整粒した一次再結晶組織を実現することが困難になり、二次再結晶の発達が阻害されるおそれがある。一方、熱延板焼鈍温度が1100℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるために、整粒した一次再結晶組織の実現が極めて困難となるおそれがある。
熱延板焼鈍後は、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して、最終板厚に仕上げる。その後、脱炭焼鈍を行い、鋼板表面にＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を塗布する。焼鈍分離剤を塗布した後に、二次再結晶およびフォルステライト被膜の形成を目的として最終仕上げ焼鈍を施す。一般的な方法の一例として、以下を挙げることができる。
冷間圧延は、最終圧下率80～95%、冷間圧延温度100℃～250℃で行うことが、ゴス組織を発達させる点で有効である。最終板厚は、0.15～0.35mmとするのが好適で、板厚が厚くなると鉄損が大きくなるおそれがある。一方、板厚が薄くなりすぎると二次再結晶現象が不安定になり、結晶方位の良好な組織が得られなくなるおそれがある。
脱炭焼鈍工程では、焼鈍温度700～900℃、均熱時間30～180secとするのが好適である。30sec未満、700℃未満の場合、一次再結晶粒が小さすぎて二次粒の結晶方位が劣化するおそれがある。一方、900℃超、180sec超では、逆に一次再結晶粒が大きくなりすぎて、やはり二次粒の結晶方位が劣化するおそれがある。脱炭焼鈍の雰囲気におけるP(H2O)/P(H2)は0.1～0.6が好適である。0.1よりも低いと残留C量が高くなりすぎ、0.6より高いと酸素目付量が高くなりすぎ、良好なフォルステライト被膜が形成されないおそれがある。さらに、好ましくは昇温速度を20℃/sec以上、より好ましくは100℃/sec以上とすることが、一次再結晶集合組織中のゴス組織を発達させる点で有効である。
焼鈍分離剤は、50質量%以上をMgOとし、スラリー状にして塗布することができる。更に、Ti酸化物をTiO2換算で焼鈍分離剤100重量部に対して1質量部以上15重量部以下含ませることが、被膜外観を向上させるために好ましい。MgO塗布量は、鋼板表面1m2あたり、両面で、乾燥後重量で10g以上30g以下とすることが好ましい。10g未満では焼鈍分離効果が十分に得られないおそれがあり、30g超えではフォルステライト被膜が過度に厚くなって被膜密着性の低下を招くおそれがある。
最終仕上げ焼鈍は、公知の条件で行えばよく、例えば1200℃程度の高温において3時間以上保持することができる。
最終仕上げ焼鈍後には、平坦化焼鈍を行って形状を矯正することが有効である。なお、平坦化焼鈍前または後に、鋼板表面に絶縁コーティングを施す。ここに、この絶縁コーティングは、本発明では、鉄損低減のために、鋼板に張力を付与できるコーティング（以下、張力コーティングという）を意味する。張力コーティングとしては、シリカを含有する無機系コーティング、物理蒸着法および化学蒸着法等によるセラミックコーティング等が挙げられる。
［平坦化焼鈍時における鋼板への付与張力を5～15MPaに制御］
本発明では、（第５のポイントとして）平坦化焼鈍時における鋼板への付与張力を5～15MPaに制御することが肝要である。
かかる付与張力が、弱すぎると平坦化の効果が得られない。一方で、付与張力が強すぎるとフォルステライト被膜にクラックなどの欠陥が導入されることで、磁区細分化処理としての局所歪導入時にフォルステライト被膜の剥離が促進されてしまう。その結果、フォルステライト被膜の表裏面の膜厚差を本発明の範囲に制御することが困難になるからである。
［レーザビーム照射の条件］
本発明は、上述した張力コーティング処理後の鋼板に対して、鋼板表面の好適には片面に、レーザビームを照射することにより、磁区細分化処理を施す。レーザビーム照射は、（第６のポイントとして）衝撃波を効果的に利用し、フォルステライト被膜損傷を抑制しつつ鉄損及び騒音の改善効果を得るために、前述のパルス幅を有するピコ秒レーザまたはフェムト秒レーザを使用し、かつ、レーザ出力を100Ｗ以上に制御することが肝要である。また、照射時の鋼板表面状態などのその他の条件も、前述のとおり制御することが好ましい。こうして、レーザビーム照射による鋼板内部への歪付与効果を十分に発揮させるとともに、被膜の損傷を極力低減することができる。
本発明において、上述した工程や磁区細分化処理の条件および製造条件以外の条件等については、従来公知のレーザビームを用いた磁区細分化処理を施す方向性電磁鋼板の製造方法を適用することができる。
Ｃ：0.08質量％、Si：3.4質量％、Mn：0.01質量％、Ni：0.05質量％、Al：260質量ppm、Ｎ：90質量ppm、Se：150質量ppm、Ｓ：10質量ppmおよびＯ：18質量ppmを含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物の成分組成になる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1420℃に加熱後、熱間圧延により板厚：2.6 mmの熱延板としたのち、1100℃で120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：0.80mmとし、酸化度PH2O/PH2=0.32、温度：1000℃、時間：60秒の条件で中間焼鈍を施した。さらに、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、冷間圧延を実施して、最終板厚：0.23mmの冷延板とした。
ついで、かかる冷延板に、酸化度PH2O/PH2=0.50、均熱温度：830℃で60秒保持する脱炭焼鈍を施したのち、ＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶・フォルステライト被膜形成および純化を目的とした最終仕上げ焼鈍を1250℃、100ｈの条件で実施した。そして、60質量％のコロイダルシリカとリン酸アルミニウムからなる絶縁コートを塗布したのち、900℃にて焼付け、試験鋼板とした。この張力コーティング塗布処理は、平坦化焼鈍も兼ねている。なお、平坦化焼鈍時における鋼板への付与張力は、8.5MPaとした。
その後、圧延方向と直角方向にレーザビームあるいは電子ビームを照射する磁区細分化処理を鋼板の片面に施した。レーザビーム照射における照射の間隔（線間隔）は5.0mmとし、その他の照射条件は表１に示すように変更した。なお、一次再結晶焼鈍温度を変更して磁束密度Ｂ8値（表中の「素材磁束密度」）で1.93～1.94Ｔの材料（鋼板）とした。得られた、歪導入面と非歪導入面とのフォルステライト被膜の膜厚比（表中の「膜厚比Wa/Wb」）、鋼板表層における応力分布（表中の「表面から深さ2μmまでの全範囲（表層）が圧縮応力か？」であり、○は圧縮応力である場合、×は圧縮応力ではない場合を示す）、鋼板表層における圧延方向の応力最大値、表面から深さ10μmまでの全範囲が圧縮応力か否か（表中、○は圧縮応力である場合、×は圧縮応力ではない場合を示す）、歪導入面および非歪導入面の磁区不連続部の平均幅、磁区不連続部幅の比、磁気特性（素材磁束密度、素材鉄損）を評価した。
次いで、各試験鋼板を斜角せん断した後、500kVAの三相トランスの変圧器に組み立て、50Hz、1.7Ｔで励磁した状態での鉄損および騒音を測定した。変圧器の騒音、ビルディングファクターを表１に併記する。ビルディングファクターとは、素材鉄損に対する変圧器の鉄損の増加比（変圧器の鉄損／素材鉄損）である。
なお、鋼板表層における圧延方向応力最大値（MPa）は、前記単結晶X線応力解析法に準拠して求めた。
また、本実施例での鋼板表面の圧延方向の応力最大値は、鋼板表面から板厚方向に2μmまでの範囲（深さ：0～2μm、つまり、表層）における応力を求めた。表１において、＋（プラス）は引張の応力、－（マイナス）は圧縮の応力を示す。
Figure 0007099648000001
試験No.1,3は、従来用いられていたパルス幅でレーザを照射し、変圧器騒音を抑制した条件である。この条件では、磁区不連続部幅の比が本発明範囲外であるため、素材鉄損も十分改善してない上に、ビルディングファクター改善代も不十分である。
試験No.2,4については、さらにエネルギー投入量（出力）をアップさせて、磁区不連続部幅の比を本発明範囲内にしたものである。しかしながら、かかる試験No.2,4は、騒音が大きくなっており、本発明の効果が得られていない。また、ビルディングファクターはNo.1,3よりも低下しているものの、不十分である。
試験No.5,9は、出力が本発明の範囲内を外れているため、衝撃波が発生せず、鋼板表層に圧縮応力が発生しなかった。そのため、素材鉄損、ビルディングファクターが不十分であった。
一方、試験No.6,7,8,10,11,12は、全条件が本発明の範囲内であるため、素材鉄損、騒音、ビルディングファクターの全てにおいて良好な結果が得られていた。本発明の範囲内で好適としたNo.7,11、より好適としたNo.8,12はより良好な結果が得られている。
試験No.13,14,15は、電子ビーム照射による磁区不連続部幅の比が本発明範囲内を満足するように照射することで、素材鉄損、騒音、ビルディングファクターが一定程度の特性を示している。しかしながら、衝撃波を利用した本発明No. 6,7,8,10,11,12と比べると、鋼板表層に圧縮応力が発生しなかったため、素材鉄損、ビルディングファクターの改善代が不十分であった。

Claims (2)

  1. 鋼板表面の両方の面にフォルステライト被膜を備え、該表面の片方の面に歪導入面を備える、磁束密度Ｂ8が1.92Ｔ以上の方向性電磁鋼板であって、上記歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Waと非歪導入面のフォルステライト被膜の膜厚Wbとの比（Wa/Wb）が0.5以上で、かつ上記非歪導入面における磁区不連続部の平均幅が、上記歪導入面における磁区不連続部の平均幅の1.00倍以上であって、上記非歪導入面の磁区不連続部の平均幅が400μm以下であり、歪導入面である鋼板表面から少なくとも板厚方向2μmの範囲において圧延方向に圧縮応力が存在することを特徴とする方向性電磁鋼板。
  2. 方向性電磁鋼板用スラブを、熱間圧延し、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して、最終板厚に仕上げたのち、脱炭焼鈍を施し、ついで鋼板表面にＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を塗布してから、最終仕上げ焼鈍さらに平坦化焼鈍を兼ねた張力コーティング処理を行うに際し、該張力コーティング処理後に、レーザビーム照射による磁区細分化処理を行う一連の工程になる方向性電磁鋼板の製造方法であって、
    上記レーザビーム照射は、
    （１）ピコ秒レーザあるいはフェムト秒レーザを使用する
    （２）レーザ出力を100Ｗ以上とする
    の条件に従い、
    上記張力コーティング処理は、
    （３）平坦化焼鈍時における鋼板への付与張力を5～15MPaに制御する
    の条件に従うことにより、
    請求項１に記載の方向性電磁鋼板を得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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