JP7287506B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
本発明は、変圧器の損失と騒音を同時に改善することが可能な方向性電磁鋼板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、さらには鋼板に歪や溝を形成することによる磁区細分化、などが提案されている。
この中で、歪を形成して磁区細分化を行い、鉄損を低減する方法としては、鋼板表面に、プラズマ炎、レーザおよび電子ビームなどを照射して歪を形成する方法が知られている。
例えば、特許文献１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。
例えば、特許文献１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、かように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、その結果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は、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。
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は、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。
ここで、素材鋼板自体と、その素材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は、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。このＢＦが１超であるということは、変圧器の鉄損が素材鋼板の鉄損よりも大きいということを意味する。
また、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。そのため、圧延方向以外にも磁化されるような変圧器に組み込まれた場合、その鉄損が増大する。そして、その結果としてＢＦは１よりも大きくなってしまう。
すなわち、変圧器のエネルギ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は足りずに、このＢＦを可能な限り１に近づける、すなわち変圧器の鉄損値を素材鋼板の鉄損値に近づけることが肝要になる。
すなわち、変圧器のエネルギ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は足りずに、このＢＦを可能な限り１に近づける、すなわち変圧器の鉄損値を素材鋼板の鉄損値に近づけることが肝要になる。
このＢＦの問題に関し、例えば、特許文献２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。
一方、レーザ照射を用いた磁区細分化の際に生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３）。
以上取り上げた非耐熱型磁区細分化技術では、180°磁壁の間隔（以降、これを180°磁区幅と称する）を極力狭くすることによって方向性電磁鋼板素材自体の鉄損を低減することに注力した開発が行われてきた。
他方、方向性電磁鋼板が使用される機器である変圧器の特性に着目すると、変圧器鉄損の低減と騒音の低減が鉄心素材に関連した主要な開発課題といえる。鉄心素材としての方向性電磁鋼板の鉄損低減が図られれば、変圧器鉄損が低減されることは言うまでもないが、一般的に使用されることが多い三相三脚（五脚)変圧器では、変圧器鉄損は素材鉄損よりも増加する、すなわち上述したＢＦが１より大きくなることが知られている。
したがって、方向性電磁鋼板素材そのものの鉄損低減のみを追求するのは、最終製品である変圧器特性に改善のためには適当ではなく、素材鉄損とともに変圧器におけるＢＦの低減に寄与する材料を追求することが求められる。
したがって、方向性電磁鋼板素材そのものの鉄損低減のみを追求するのは、最終製品である変圧器特性に改善のためには適当ではなく、素材鉄損とともに変圧器におけるＢＦの低減に寄与する材料を追求することが求められる。
加えて、変圧器は、その使用環境によっては低騒音であることが求められる。変圧器の騒音は、無負荷時に鉄心から発する無負荷騒音および、負荷時における鉄心の騒音とコイルからの騒音との合計からなる負荷騒音の２種類があるが、無負荷時、負荷時のいずれにおいても、変圧器騒音の要因となる鉄心騒音は、鉄心材料の影響が強く、中でも鉄心材料の磁歪振動が鉄心騒音の主原因と言われている。
このため、方向性電磁鋼板には、かかる変圧器の素材として、低鉄損、低ＢＦと同時に低磁歪であることが望まれている。
このため、方向性電磁鋼板には、かかる変圧器の素材として、低鉄損、低ＢＦと同時に低磁歪であることが望まれている。
なお、高い鉄損低減効果が得られる製造手法として多用されている方向性電磁鋼板の非耐熱型磁区細分化法は、前述したように鋼板に局所的な線状の歪を何らかの手法で導入して線状の還流磁区領域を生成させ、この領域で生成する磁極の効果によって180°磁区幅を低減させる手法（以下、非耐熱型磁区細分化処理ともいう）である。
ところが、交流磁化条件において鋼板全体が磁化する際には、この還流磁区の生成や消滅が起こるため、必然的に磁歪振幅が大きくなり、鉄心騒音が増加しやすくなる。
したがって、非耐熱型磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板においては、かかる点からも、騒音特性の劣化を極力防止することが重要となる。
したがって、非耐熱型磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板においては、かかる点からも、騒音特性の劣化を極力防止することが重要となる。
しかしながら、従来の技術は、これら素材鉄損の低減、ＢＦの低減および騒音特性の劣化の防止、のすべてに対応することはできていなかった。
たとえば、特許文献１に記載された技術は、前述したような鋼板自体の低鉄損化だけでなく、騒音特性を改善しつつＢＦの劣化を防止する技術が開示されている。ところが、この技術でのＢＦの劣化防止策は電子ビームの照射による板の反りの抑制を通じたものである。
すなわち、かかる技術は、磁区細分化処理によって鋼板が反って鉄心鉄損の劣化するような極端な状況での劣化を防止するための方策であり、板の反りが顕著でない状況において、ＢＦを積極的に改善するための方策とはなっていない。
すなわち、かかる技術は、磁区細分化処理によって鋼板が反って鉄心鉄損の劣化するような極端な状況での劣化を防止するための方策であり、板の反りが顕著でない状況において、ＢＦを積極的に改善するための方策とはなっていない。
また、特許文献２に記載の方法は、非耐熱型磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板における変圧器ＢＦを改善しようとするものである。すなわちこの技術では、点列状の歪領域を導入し、この大きさと間隔を適正化することで圧延直角方向の鉄損を低減しＢＦの改善につなげている。
しかしながら、この技術は熱歪によって生成する還流磁区のみに着眼しているため、ＢＦの改善効果としては十分とは言えない。また、騒音特性の改善は追求されていない。
しかしながら、この技術は熱歪によって生成する還流磁区のみに着眼しているため、ＢＦの改善効果としては十分とは言えない。また、騒音特性の改善は追求されていない。
特許文献３に記載された技術は、レーザ照射による磁区細分化材において騒音特性を改善しようとするものであるが、従来的なレーザ照射法によるため、還流磁区の生成条件は十分でないとともに、変圧器のＢＦ低減の観点は考慮されていない。
加えて、特許文献４に記載された技術は、磁区制御された電磁鋼板において騒音特性を改善しようとするものであるが、主として還流磁区の体積分率が制御されているのみであり、変圧器のＢＦに対する効果は示されていない。その結果、鉄損と騒音を組み合わせた改善効果は十分でない。
特許文献５に記載された技術は、ＢＦ改善を目的として、還流磁区の板厚方向および圧延方向の長さを規定しているが、変圧器の騒音については考慮されていない。
特許文献６に記載された技術は、素材の板厚に応じて磁区細分化処理による鉄損の低減効果を最大化することを目的として還流磁区の幅、深さ、間隔を適正に制御する技術が開示されているが、騒音やＢＦについては考慮されていない。
特許文献７に記載された技術は、より低鉄損を得るために、還流磁区部分から延びたスパイク状磁区やヒステリシス損の増加防止の観点から還流磁区の導入量の適正値が述べられているが、同じく騒音やＢＦについて、従来よりも優れた条件を提示するには至っていない。
以上述べたように、従来の技術において、非耐熱型の磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板では、変圧器の損失（素材鉄損とＢＦ）と騒音とを同時に改善しようとする試みはみられなかった。
本発明は、かかる現状に鑑み、十分に低い変圧器鉄損と低騒音とを同時に実現できる方向性電磁鋼板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、還流磁区の体積率と鋼板表面の面積率を適正に制御することによって、変圧器の素材となる方向性電磁鋼板の鉄損として十分に低い鉄損値が得られ、さらにかかる鋼板を用いた場合、ＢＦも十分に低くなるので変圧器鉄損に優れ、かつ低騒音特性をも実現可能になる、との知見を得た。
本発明者らは、かかる知見に基づき本発明を完成させた。
本発明者らは、かかる知見に基づき本発明を完成させた。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。なお、以下、本明細書において以下の１項に記載の発明から、以下の２項に記載の発明と以下の３項に記載の発明を除いた発明は発明１と、以下の２項に記載の発明から、以下の３項に記載の発明を除いた発明は発明２と、以下の３項に記載の発明は発明３と記載する。
１．表面に張力被膜を備え、圧延直角方向と30°以内の方向に延びた線状の還流磁区を生成させることによる磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、
板厚をT[mm]とし、前記磁区細分化処理を施した面を基準にした前記還流磁区の深さをd[mm]とし、前記面での隣接する還流磁区の平均間隔をL[mm]とし、直線状の歪領域と直交する断面における前記還流磁区の断面積をSR[mm2]とし、前記還流磁区の幅をw[mm]とするとき、
前記平均間隔Lが、15mm以下であり、
(d/T)×100で算出される板厚に対する前記還流磁区の深さ比率rdが、35％以上であり、
{SR/(LT)}×100で算出される前記還流磁区の体積率rvが、0.30％以上、3.0％以下であり、
(w/L)×100で算出される前記還流磁区の面積率rsが、0.50％以上、4.0％以下である、方向性電磁鋼板。
１．表面に張力被膜を備え、圧延直角方向と30°以内の方向に延びた線状の還流磁区を生成させることによる磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、
板厚をT[mm]とし、前記磁区細分化処理を施した面を基準にした前記還流磁区の深さをd[mm]とし、前記面での隣接する還流磁区の平均間隔をL[mm]とし、直線状の歪領域と直交する断面における前記還流磁区の断面積をSR[mm2]とし、前記還流磁区の幅をw[mm]とするとき、
前記平均間隔Lが、15mm以下であり、
(d/T)×100で算出される板厚に対する前記還流磁区の深さ比率rdが、35％以上であり、
{SR/(LT)}×100で算出される前記還流磁区の体積率rvが、0.30％以上、3.0％以下であり、
(w/L)×100で算出される前記還流磁区の面積率rsが、0.50％以上、4.0％以下である、方向性電磁鋼板。
２．前記深さ比率rdが39％以上であって、前記体積率rv[％]と前記面積率rs[％]とが、下式(1)：
rs≦2.6rv・・・(1)
の関係を満たす前記１に記載の方向性電磁鋼板。
rs≦2.6rv・・・(1)
の関係を満たす前記１に記載の方向性電磁鋼板。
３．前記体積率rvが0.75％以上であって、前記体積率rv[％]と前記面積率rs[％]とが、下式(2)：
rs≦1.2rv+0.9・・・(2)
の関係を満たす前記２に記載の方向性電磁鋼板。
rs≦1.2rv+0.9・・・(2)
の関係を満たす前記２に記載の方向性電磁鋼板。
４．線状の還流磁区を生成させるための直線状の歪が、複数の歪導入部が点列状に配置されることで形成され、前記歪導入部の直径をD[mm]とし、隣接する歪導入部の中心間の間隔をA[mm]とするとき、下式(d)：
1.2D≦A≦3D・・・(d)
の関係を満たす前記１～３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
1.2D≦A≦3D・・・(d)
の関係を満たす前記１～３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
本発明によれば、方向性電磁鋼板の磁気特性改善による変圧器鉄損の改善のみならず三相変圧器のＢＦを改善し、より低鉄損な変圧器の製造に寄与するとともに、非耐熱磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板で不利となりやすい変圧器騒音の劣化を防止することが可能となる。また、本発明によれば、非耐熱型磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板として、変圧器の鉄損および騒音並びにこれらのバランスに優れた材料を得ることが可能である。
以下、本発明を具体的に説明する。
［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、高エネルギービームを、圧延直角方向と30°以内の方向に連続的または間欠的に照射することによって複数の連続線状または点列状の歪を形成する。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。
［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、高エネルギービームを、圧延直角方向と30°以内の方向に連続的または間欠的に照射することによって複数の連続線状または点列状の歪を形成する。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、最終仕上げ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。
なお、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場合は、ビーム照射後に補修のための再コートを行う必要は無いが、被膜損傷が起こるような場合には300℃以下の低温で形成可能な絶縁と防食とを兼ねたコーティングで再コートを行うのが好ましい。
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、最終仕上げ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。
なお、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場合は、ビーム照射後に補修のための再コートを行う必要は無いが、被膜損傷が起こるような場合には300℃以下の低温で形成可能な絶縁と防食とを兼ねたコーティングで再コートを行うのが好ましい。
［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直線的に延びる連続線状または点列状の歪（以下、「直線状の歪」と総称することがある。）が複数形成される。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。
なお、上記歪により還流磁区が生成されるが、かかる歪と還流磁区は、所定条件下では、同じ部位で同じ大きさであり、還流磁区は、後述する手段により特定される。
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直線的に延びる連続線状または点列状の歪（以下、「直線状の歪」と総称することがある。）が複数形成される。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。
なお、上記歪により還流磁区が生成されるが、かかる歪と還流磁区は、所定条件下では、同じ部位で同じ大きさであり、還流磁区は、後述する手段により特定される。
［複数の直線状の歪の方向］
非耐熱型磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板においては、直線状の歪の方向は圧延直角方向とするか、圧延直角方向からの傾斜を所定の範囲内とするのがよいことが知られている。本発明においても、直線状の歪領域の方向は圧延直角方向から30°以内とする。
非耐熱型磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板においては、直線状の歪の方向は圧延直角方向とするか、圧延直角方向からの傾斜を所定の範囲内とするのがよいことが知られている。本発明においても、直線状の歪領域の方向は圧延直角方向から30°以内とする。
［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、中でも、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。そのため、本発明では電子ビームを用いることが好ましい。
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、中でも、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。そのため、本発明では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、圧延方向と直交する方向（圧延直角方向）とするか、もしくは圧延直角方向との角度が30°以内の方向とする。圧延直角方向からのずれが大きくなると、磁区細分化効果が減じて鉄損が増加する。
［隣接する還流磁区の平均間隔L：15mm以下］
本発明において線状に生成される還流磁区は、隣接する還流磁区との間隔（隣接する還流磁区が延びる方向と直交する方向での中心間の距離）の平均値、即ち平均間隔L（図１参照）を、15mm以下とする。この平均間隔Lが15mmを超えると十分な磁区細分化効果が得られず、磁区細分化後の鋼板の鉄損が増加する。一方、かかる平均間隔Lは3mm以上とすることが好ましい。該平均間隔Lを3mm以上とすることによって、処理時間を短縮して生産効率を高めることができ、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することができる。
なお、還流磁区の間隔は、図１に示すように、鋼板表面で観察した還流磁区の幅中央間の間隔である。また、平均間隔Lは、線状の還流磁区の10本以上について平均した間隔とする。例えば還流磁区10本分を考慮し、その合計の間隔をL10とすると、平均間隔Lは、L10/9で算出される。
本発明において線状に生成される還流磁区は、隣接する還流磁区との間隔（隣接する還流磁区が延びる方向と直交する方向での中心間の距離）の平均値、即ち平均間隔L（図１参照）を、15mm以下とする。この平均間隔Lが15mmを超えると十分な磁区細分化効果が得られず、磁区細分化後の鋼板の鉄損が増加する。一方、かかる平均間隔Lは3mm以上とすることが好ましい。該平均間隔Lを3mm以上とすることによって、処理時間を短縮して生産効率を高めることができ、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することができる。
なお、還流磁区の間隔は、図１に示すように、鋼板表面で観察した還流磁区の幅中央間の間隔である。また、平均間隔Lは、線状の還流磁区の10本以上について平均した間隔とする。例えば還流磁区10本分を考慮し、その合計の間隔をL10とすると、平均間隔Lは、L10/9で算出される。
［板厚に対する還流磁区の深さ比率rd：35％以上（発明１）、39％以上（発明２）］
方向性電磁鋼板素材の鉄損を十分に改善するためには、板厚方向にできるだけ均一に磁極を導入するのが理想的であり、還流磁区の深さとしては、非耐熱磁区細分化処理を施した面から板厚を基準にして十分に深いのがよい。
本発明では、板厚に対する還流磁区の深さの比率、即ち深さ比率rdを35％以上とすることで、十分に低い鉄損値が得られる。さらにかかる深さ比率rdを39％以上とすることで、より低い鉄損値に到達することが可能である。
また、還流磁区をより深くすることにより、還流磁区の体積率rvおよび還流磁区の面積率rsを、後述にて規定する範囲に制御することが可能となる。なお、深さ比率rdの上限は特に限定されず、100％であっても良い。
方向性電磁鋼板素材の鉄損を十分に改善するためには、板厚方向にできるだけ均一に磁極を導入するのが理想的であり、還流磁区の深さとしては、非耐熱磁区細分化処理を施した面から板厚を基準にして十分に深いのがよい。
本発明では、板厚に対する還流磁区の深さの比率、即ち深さ比率rdを35％以上とすることで、十分に低い鉄損値が得られる。さらにかかる深さ比率rdを39％以上とすることで、より低い鉄損値に到達することが可能である。
また、還流磁区をより深くすることにより、還流磁区の体積率rvおよび還流磁区の面積率rsを、後述にて規定する範囲に制御することが可能となる。なお、深さ比率rdの上限は特に限定されず、100％であっても良い。
［還流磁区の体積率rv：0.30％以上3.0％以下（発明１）、0.75％以上3.0％以下（発明３）］
還流磁区の体積率rvが大きいと、還流磁区部分を起点とした圧延直角方向への磁束の流れが容易となるため、鉄心内の磁束が圧延方向以外にも流れる必要がある三脚鉄心においてＢＦが改善される。体積率rvは、十分なＢＦ改善効果を得るために0.30％以上とすることが必要である。また、体積率rvは、3.0％を超えるとヒステリシス損の増加による鉄損の劣化を招くため、3.0％以下とする必要がある。また、変圧器鉄損をさらに理想的に低減するには、体積率rvを0.75％以上とすればよい。
なお、還流磁区の体積率rvは、直線状の歪領域と直交する断面を磁区観察することによって求めることができる。すなわち、図１を参照する通り、磁区観察によって確定された直線状の歪領域と直交する断面における還流磁区の断面積をSR[mm2]とし、板厚をT[mm]とし、また、上述した還流磁区の平均間隔L[mm]を用いて、還流磁区の体積率rvは、｛SR/(LT)｝×100で算出することができる。
図１に模式的に示した還流磁区は、直線状の歪領域と直交する断面を観察面とした試料を作製し、加工の影響が認められなくなるまで長時間のバフ研磨を施してから、カー効果による磁区観察を行うことで画像から得られる。このようにして得られた画像から、周囲の非処理部とのパターンの違いによって還流磁区部分を確定して、その面積を断面積SRとして求めることができる。
なお、磁区観察の方法は特に限定しないが、カー効果を用いる方法が適している。また、以下、上記断面の、表面近傍（板厚の1/4）を鋼板の表層部、かかる表層部より板厚中心方向（残りの板厚の1/2の部分）を鋼板の内層部という。
還流磁区の体積率rvが大きいと、還流磁区部分を起点とした圧延直角方向への磁束の流れが容易となるため、鉄心内の磁束が圧延方向以外にも流れる必要がある三脚鉄心においてＢＦが改善される。体積率rvは、十分なＢＦ改善効果を得るために0.30％以上とすることが必要である。また、体積率rvは、3.0％を超えるとヒステリシス損の増加による鉄損の劣化を招くため、3.0％以下とする必要がある。また、変圧器鉄損をさらに理想的に低減するには、体積率rvを0.75％以上とすればよい。
なお、還流磁区の体積率rvは、直線状の歪領域と直交する断面を磁区観察することによって求めることができる。すなわち、図１を参照する通り、磁区観察によって確定された直線状の歪領域と直交する断面における還流磁区の断面積をSR[mm2]とし、板厚をT[mm]とし、また、上述した還流磁区の平均間隔L[mm]を用いて、還流磁区の体積率rvは、｛SR/(LT)｝×100で算出することができる。
図１に模式的に示した還流磁区は、直線状の歪領域と直交する断面を観察面とした試料を作製し、加工の影響が認められなくなるまで長時間のバフ研磨を施してから、カー効果による磁区観察を行うことで画像から得られる。このようにして得られた画像から、周囲の非処理部とのパターンの違いによって還流磁区部分を確定して、その面積を断面積SRとして求めることができる。
なお、磁区観察の方法は特に限定しないが、カー効果を用いる方法が適している。また、以下、上記断面の、表面近傍（板厚の1/4）を鋼板の表層部、かかる表層部より板厚中心方向（残りの板厚の1/2の部分）を鋼板の内層部という。
［還流磁区の面積率rs：0.50％以上4.0％以下（発明１）、rs≦2.6rv（発明２）、rs≦1.2rv+0.9（発明３）］
本発明の最も重要なポイントは、還流磁区の面積率rsを所定範囲とする点、さらに好ましくは体積率rvに対して一定の関係をもって面積率rsを低減する点にある。なお、還流磁区の面積率rsは、ビーム照射面において評価することとし、かかる面での還流磁区の幅w[mm]と前記平均間隔L[mm)とを用いて、(w/L)×100で算定することができる。
本発明の最も重要なポイントは、還流磁区の面積率rsを所定範囲とする点、さらに好ましくは体積率rvに対して一定の関係をもって面積率rsを低減する点にある。なお、還流磁区の面積率rsは、ビーム照射面において評価することとし、かかる面での還流磁区の幅w[mm]と前記平均間隔L[mm)とを用いて、(w/L)×100で算定することができる。
本発明においては、まず素材の鉄損を十分に低減する目的で、板厚に対する還流磁区の深さ比率rdを一定値以上とし、さらに、変圧器鉄損増加の因子となるＢＦを低減する目的で、還流磁区の体積率rvを一定量確保する必要がある。そして、その上で、表面の還流磁区の存在比率、即ち還流磁区の面積率rsを一定値以下とすることで、変圧器のＢＦをさらに低減することが可能になる。
本発明に従うことで、変圧器の鉄損低減のために還流磁区の深さや、体積を十分に高くした条件において、変圧器の騒音増加を抑制することが可能である。この理由は、次のように考えられる。
還流磁区は、鋼板の圧延直角方向に磁化成分を生じやすいため、一次的には還流磁区の体積が増加するに従ってＢＦが改善する。というのは、圧延直角方向の磁化成分の生成が最も大きいのは三相積鉄心変圧器のT接合部あるいはL接合部であり、これら部分での磁化挙動がＢＦに強く影響しているからと考えられている。すなわち、T接合部あるいはL接合部の回転磁束は、180°磁壁の移動による圧延方向の磁化成分と、磁区構造変化による圧延直角方向の磁化成分により担われており、非耐熱磁区細分化処理材の還流磁区部分の内部では圧延直角方向の磁化の進行が容易になってＢＦに優れる。したがって、一次的には、還流磁区の体積が大きい方が、ＢＦが改善する傾向となる。
還流磁区は、鋼板の圧延直角方向に磁化成分を生じやすいため、一次的には還流磁区の体積が増加するに従ってＢＦが改善する。というのは、圧延直角方向の磁化成分の生成が最も大きいのは三相積鉄心変圧器のT接合部あるいはL接合部であり、これら部分での磁化挙動がＢＦに強く影響しているからと考えられている。すなわち、T接合部あるいはL接合部の回転磁束は、180°磁壁の移動による圧延方向の磁化成分と、磁区構造変化による圧延直角方向の磁化成分により担われており、非耐熱磁区細分化処理材の還流磁区部分の内部では圧延直角方向の磁化の進行が容易になってＢＦに優れる。したがって、一次的には、還流磁区の体積が大きい方が、ＢＦが改善する傾向となる。
また、回転磁束が生じる部分において、還流磁区部分の内部では圧延直角方向の磁化を生じさせるだけでなく、180°磁区構造部分の磁区構造変化の起点となるため、180°磁区構造部分での圧延直角方向の磁化の進行をより容易にするからと推定される。
なお、表層部でのみ還流磁区の体積を増加させ、内層部での還流磁区の分布が不均一な状態になると、回転磁束が生じる部分において、表層部では180°磁区構造部分の圧延方向の磁化変化と還流磁区の内部での圧延直角方向の磁化変化とが互いに阻害し合うため、鋼板の鉄損が増加すると予想される。また、ビーム照射を片面からしか行わず還流磁区が存在しないような板厚方向の下部（還流磁区が導入された面と反対側の面付近）では、還流磁区を起点とした180°磁区構造部分の磁区構造変化は起きにくいと推定される。
これに対し、還流磁区の体積率rvに対して還流磁区の面積率rsを一定以下とし、板厚方向の還流磁区分布をより均一にすると、鋼板の表層部と内層部とにおける還流磁区の体積率rvの差が低下するため、回転磁束が生じる部分の鉄損が改善され、変圧器損失(ＢＦ)が改善すると考えられる。
なお、上記回転磁束とは、磁化ベクトルの時間変化を追ったとき、磁化ベクトルの原点に対しベクトル先端の軌跡が2次元的であり、円や楕円、菱形やこれらに近い形状となった状態を意味する。
なお、表層部でのみ還流磁区の体積を増加させ、内層部での還流磁区の分布が不均一な状態になると、回転磁束が生じる部分において、表層部では180°磁区構造部分の圧延方向の磁化変化と還流磁区の内部での圧延直角方向の磁化変化とが互いに阻害し合うため、鋼板の鉄損が増加すると予想される。また、ビーム照射を片面からしか行わず還流磁区が存在しないような板厚方向の下部（還流磁区が導入された面と反対側の面付近）では、還流磁区を起点とした180°磁区構造部分の磁区構造変化は起きにくいと推定される。
これに対し、還流磁区の体積率rvに対して還流磁区の面積率rsを一定以下とし、板厚方向の還流磁区分布をより均一にすると、鋼板の表層部と内層部とにおける還流磁区の体積率rvの差が低下するため、回転磁束が生じる部分の鉄損が改善され、変圧器損失(ＢＦ)が改善すると考えられる。
なお、上記回転磁束とは、磁化ベクトルの時間変化を追ったとき、磁化ベクトルの原点に対しベクトル先端の軌跡が2次元的であり、円や楕円、菱形やこれらに近い形状となった状態を意味する。
また、鋼板の表層部と内層部とにおける磁化の進行状況の差が大きい場合には、圧延直角方向の磁化成分が主に表層部でのみで担われる傾向となるため、磁歪波形が歪んで高調波を含みやすくなる。その結果、変圧器の騒音が増加すると考えられる。
よって、発明１の通り、還流磁区の面積率rsを0.50％以上4.0％以下の範囲とするのが、ＢＦの低減を通じた騒音低減に有効であり、さらに高い効果を得るためには、発明２の通り、式(1)：rs≦2.6rvの関係を満たすようにする。また、この効果をより一層高めるには、発明３の通り、式(2)：rs≦1.2rv+0.9の関係を満たすようにすればよい。
よって、発明１の通り、還流磁区の面積率rsを0.50％以上4.0％以下の範囲とするのが、ＢＦの低減を通じた騒音低減に有効であり、さらに高い効果を得るためには、発明２の通り、式(1)：rs≦2.6rvの関係を満たすようにする。また、この効果をより一層高めるには、発明３の通り、式(2)：rs≦1.2rv+0.9の関係を満たすようにすればよい。
以下、還流磁区の面積率rs、板厚に対する還流磁区の深さ比率rd、および還流磁区の体積率rvの導出方法について、より詳細に述べる。
［還流磁区の面積率rs］
評価する電磁鋼板を消磁後、鋼板表面における還流磁区の幅を求め、還流磁区の面積率rsを算出する。具体的に、還流磁区の面積率rs[％]は、還流磁区の平均間隔L[mm]、還流磁区の幅w[mm]（平均幅）を用いて、下式(a)：
rs=(w/L)×100・・・(a)
により算出することができる。
上記面積率rsの値の精度を確保するため、上記幅wは、鋼板の板面内の場所を変えて5か所以上の幅を測定し、その平均値として求める。板面から還流磁区の幅を確定するための磁区観察の方法としては、磁性粉体を用いた磁区観察やファラデー効果による磁区観察、高電圧SEM用いた方法が適している。また、板面の絶縁張力被膜を除去し鏡面化してからカー効果による磁区観察を行い、還流磁区の幅を確定してもよい。
更に具体的に、還流磁区の幅w（平均値）は、1本の線状の還流磁区領域について、0.2～5mm間隔の任意の異なる位置での10か所以上の幅wiを測定してその平均値<wi>を求め、このような測定を線状の還流磁区領域10本以上に対して行い、それらの平均値として算出することができる。
また、還流磁区の平均間隔Lは、N本（N≧10）の線状の還流磁区の間隔LNを測定し、LN/(N-1)により算出する。
［還流磁区の面積率rs］
評価する電磁鋼板を消磁後、鋼板表面における還流磁区の幅を求め、還流磁区の面積率rsを算出する。具体的に、還流磁区の面積率rs[％]は、還流磁区の平均間隔L[mm]、還流磁区の幅w[mm]（平均幅）を用いて、下式(a)：
rs=(w/L)×100・・・(a)
により算出することができる。
上記面積率rsの値の精度を確保するため、上記幅wは、鋼板の板面内の場所を変えて5か所以上の幅を測定し、その平均値として求める。板面から還流磁区の幅を確定するための磁区観察の方法としては、磁性粉体を用いた磁区観察やファラデー効果による磁区観察、高電圧SEM用いた方法が適している。また、板面の絶縁張力被膜を除去し鏡面化してからカー効果による磁区観察を行い、還流磁区の幅を確定してもよい。
更に具体的に、還流磁区の幅w（平均値）は、1本の線状の還流磁区領域について、0.2～5mm間隔の任意の異なる位置での10か所以上の幅wiを測定してその平均値<wi>を求め、このような測定を線状の還流磁区領域10本以上に対して行い、それらの平均値として算出することができる。
また、還流磁区の平均間隔Lは、N本（N≧10）の線状の還流磁区の間隔LNを測定し、LN/(N-1)により算出する。
［板厚に対する還流磁区の深さ比率rd、還流磁区の体積率rv］
直線状の歪領域が延びる方向と直交する断面において、カー効果による磁区観察を行い、板厚方向の還流磁区の生成状況を調査し、還流磁区の深さd[mm)および断面積SR[mm2]を求める。そして、板厚に対する還流磁区の深さ比率rd[％]、還流磁区の体積率rv[％]は、板厚T[mm]も用いて、それぞれ下式(b)及び下式(c)：
rd=(d/T)×100・・・(b)
rv={SR/(LT)}×100・・・(c)
により算出することができる。
ここで、還流磁区の深さdは、鋼板内の任意の場所で図１に示したように観察されるように、還流磁区部で、最も深い点と鋼板表面との距離を言う。また、断面積SRは、周囲の非処理部と磁区のパターンが異なる還流磁区部分の面積を画像処理により求めれば良い。また、還流磁区の深さdおよび断面積SRは、測定精度確保の観点から、鋼板内で場所を変えて5箇所以上の深さおよび断面積を測定し、それぞれその平均値として求める。
直線状の歪領域が延びる方向と直交する断面において、カー効果による磁区観察を行い、板厚方向の還流磁区の生成状況を調査し、還流磁区の深さd[mm)および断面積SR[mm2]を求める。そして、板厚に対する還流磁区の深さ比率rd[％]、還流磁区の体積率rv[％]は、板厚T[mm]も用いて、それぞれ下式(b)及び下式(c)：
rd=(d/T)×100・・・(b)
rv={SR/(LT)}×100・・・(c)
により算出することができる。
ここで、還流磁区の深さdは、鋼板内の任意の場所で図１に示したように観察されるように、還流磁区部で、最も深い点と鋼板表面との距離を言う。また、断面積SRは、周囲の非処理部と磁区のパターンが異なる還流磁区部分の面積を画像処理により求めれば良い。また、還流磁区の深さdおよび断面積SRは、測定精度確保の観点から、鋼板内で場所を変えて5箇所以上の深さおよび断面積を測定し、それぞれその平均値として求める。
［歪導入部の径と間隔］
還流磁区を生成させるための直線状の歪を、複数の歪導入部を離散的（点列状）に配置させて形成することにより、より有効に鉄損を低減することが可能となる。この理由の詳細は、明らかではないが、歪導入部を起点として還流磁区が生成し、照射線方向に連結して線状の磁区細分化効果を発揮するとき、点列状の配置であれば、ヒステリシスを劣化させる原因となる歪の導入量（導入体積）を低下させることが可能となるためと考えられる。ここで、エネルギービーム径が歪導入部の領域に対応するため、歪導入部の直径は、エネルギービーム径としてよい。そして、このような歪導入部の直径（すなわちエネルギービーム径）をD[mm]とし、隣接する歪導入部の中心間の距離をA[mm]とするとき、下式(d)：
1.2D≦A≦3.0D・・・(d)
の関係を満たせば、材料の鉄損を有効に低減し、同時に本発明のＢＦや変圧器騒音の改善効果を保つことができる。
1.2D≦A のとき、材料の鉄損低減が図られる理由は、上記のように、最低限の歪導入量で還流磁区を有効に生成させつつ、ヒステリシス損の増加を防止できるからであり、一方、A＞3.0Dであると、還流磁区の生成が不十分となり、磁区細分化効果が損なわれる。そのため、式(d)の関係を満たすことが好ましい。
還流磁区を生成させるための直線状の歪を、複数の歪導入部を離散的（点列状）に配置させて形成することにより、より有効に鉄損を低減することが可能となる。この理由の詳細は、明らかではないが、歪導入部を起点として還流磁区が生成し、照射線方向に連結して線状の磁区細分化効果を発揮するとき、点列状の配置であれば、ヒステリシスを劣化させる原因となる歪の導入量（導入体積）を低下させることが可能となるためと考えられる。ここで、エネルギービーム径が歪導入部の領域に対応するため、歪導入部の直径は、エネルギービーム径としてよい。そして、このような歪導入部の直径（すなわちエネルギービーム径）をD[mm]とし、隣接する歪導入部の中心間の距離をA[mm]とするとき、下式(d)：
1.2D≦A≦3.0D・・・(d)
の関係を満たせば、材料の鉄損を有効に低減し、同時に本発明のＢＦや変圧器騒音の改善効果を保つことができる。
1.2D≦A のとき、材料の鉄損低減が図られる理由は、上記のように、最低限の歪導入量で還流磁区を有効に生成させつつ、ヒステリシス損の増加を防止できるからであり、一方、A＞3.0Dであると、還流磁区の生成が不十分となり、磁区細分化効果が損なわれる。そのため、式(d)の関係を満たすことが好ましい。
［歪導入部を点列状に配置したときの体積率rv、深さ比率rdの導出方法］
ここで、還流磁区生成のために複数の歪導入部を点列状に配置した場合には、照射線内の位置により還流磁区の生成面積が異なっているため、図１に示したような圧延直角方向と直交する断面での磁区観察による断面積SRの決定が困難となる。
歪導入部は、エネルギービームの中心から半径D/2の領域で広がるところ、隣接する歪導入部が重なるか、または十分に近接している場合（A＜1.2Dである場合）には、連続的とみなすことができる。一方、A≧1.2Dである場合には、還流磁区の生成が不均一となるか、もしくは図１のような鋼板面内の照射方向と直交する断面で観察したとき、還流磁区の深さを観察することができなくなる。
このような場合には、磁歪を用いて還流磁区の体積率rv、ひいては深さ比率rdを導出することができる。還流磁区の体積と磁歪λ0-Pは密接な関係を持つことから、磁歪λ0-Pによって、体積率rvを導出することが可能である。これは、磁化の進行によって、板厚方向および圧延垂直方向の磁化成分を有する還流磁区が消失し、圧延方向の磁化成分を持つようになると、鋼板は圧延方向に伸長することになり、材料の磁束密度が最大となった瞬間で最も材料の伸びが大きくなるからである。
ここで、還流磁区生成のために複数の歪導入部を点列状に配置した場合には、照射線内の位置により還流磁区の生成面積が異なっているため、図１に示したような圧延直角方向と直交する断面での磁区観察による断面積SRの決定が困難となる。
歪導入部は、エネルギービームの中心から半径D/2の領域で広がるところ、隣接する歪導入部が重なるか、または十分に近接している場合（A＜1.2Dである場合）には、連続的とみなすことができる。一方、A≧1.2Dである場合には、還流磁区の生成が不均一となるか、もしくは図１のような鋼板面内の照射方向と直交する断面で観察したとき、還流磁区の深さを観察することができなくなる。
このような場合には、磁歪を用いて還流磁区の体積率rv、ひいては深さ比率rdを導出することができる。還流磁区の体積と磁歪λ0-Pは密接な関係を持つことから、磁歪λ0-Pによって、体積率rvを導出することが可能である。これは、磁化の進行によって、板厚方向および圧延垂直方向の磁化成分を有する還流磁区が消失し、圧延方向の磁化成分を持つようになると、鋼板は圧延方向に伸長することになり、材料の磁束密度が最大となった瞬間で最も材料の伸びが大きくなるからである。
本発明者らの研究によれば、非耐熱磁区細分化材においてλ0-Pは還流磁区の体積に密接な関係を持つが、還流磁区がない状態の素材が有するランセット磁区量にも強く影響される。
そこで、還流磁区を有する状態でのλ0-P Dと歪取り焼鈍によって還流磁区を消失させた状態のλ0-P Pとの差分であるΔλ0-P ＝λ0-P D - λ0-P Pにより、還流磁区の体積を評価することが可能である。ここでは、最大磁束密度Bm=1.7T、50Hzの磁束正弦波交流磁化条件において磁化させたときの磁歪波形から上記を算出することとした。また、歪取り焼鈍は、700～760℃程度で行うこととする。歪取り焼鈍温度が低すぎると、エネルギービームにより導入した歪を十分に除去することができない。また、歪取り焼鈍温度が高すぎると、コーティング品質の変化などが生じて磁歪特性の変化の評価精度が低下する。
本発明者らの研究によれば、還流磁区の体積率が1.0%のとき、Δλ0-Pが2.6×10-7程度であったので、下記式(e)にて、任意の材料の還流磁区の体積率rv[％]を求めることができる。
rv ＝ {1.0/(2.6×10-7)}×Δλ0-P
＝ 3.85×106×Δλ0-P ・・・(e)
そこで、還流磁区を有する状態でのλ0-P Dと歪取り焼鈍によって還流磁区を消失させた状態のλ0-P Pとの差分であるΔλ0-P ＝λ0-P D - λ0-P Pにより、還流磁区の体積を評価することが可能である。ここでは、最大磁束密度Bm=1.7T、50Hzの磁束正弦波交流磁化条件において磁化させたときの磁歪波形から上記を算出することとした。また、歪取り焼鈍は、700～760℃程度で行うこととする。歪取り焼鈍温度が低すぎると、エネルギービームにより導入した歪を十分に除去することができない。また、歪取り焼鈍温度が高すぎると、コーティング品質の変化などが生じて磁歪特性の変化の評価精度が低下する。
本発明者らの研究によれば、還流磁区の体積率が1.0%のとき、Δλ0-Pが2.6×10-7程度であったので、下記式(e)にて、任意の材料の還流磁区の体積率rv[％]を求めることができる。
rv ＝ {1.0/(2.6×10-7)}×Δλ0-P
＝ 3.85×106×Δλ0-P ・・・(e)
また、還流磁区深さは、還流磁区の断面形状が矩形であるとすると、還流磁区の体積率rvと幅wとから求めることができるが、実際には、図１に示した模式図のように、矩形からのずれがある。また、断面形状を矩形としたときには、還流磁区の断面積SRはwdとなるが、本発明者らの研究によれば、実際の断面積SRは、wdの80％程度となっている。以上を踏まえ、下記の式(f)にて、板厚に対する還流磁区の深さ比率rdを求めることができる。
rv ＝ {SR/(LT)}×100 = {0.80wd/(LT)}×100
rd ＝ (d/T)×100 ＝ {L/(0.80w)}×rv
＝ {L/(0.80w)}×(3.85×106×Δλ0-P)
＝ 4.81×(L/w)×Δλ0-P×106 ・・・(f)
rv ＝ {SR/(LT)}×100 = {0.80wd/(LT)}×100
rd ＝ (d/T)×100 ＝ {L/(0.80w)}×rv
＝ {L/(0.80w)}×(3.85×106×Δλ0-P)
＝ 4.81×(L/w)×Δλ0-P×106 ・・・(f)
上記による体積率rv、深さ比率rdの導出は、A≧1.2Dとなり、磁区観察による還流磁区の体積の決定が困難な場合に適用することができる。
次に、本発明の製品の製造条件について述べる。本発明における非耐熱型磁区細分化処理は、電子ビームやレーザ光、プラズマ炎、端子の機械的接触など、鋼板に局所的に直線状の歪を導入することができる手法を単一または組み合わせて用いることができるが、本発明の要件を達成するためには、鋼板の深い位置まで還流磁区を生成することが可能な電子ビームを用いた方法が特に適している。
以下では、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。
また、板厚方向に深い還流磁区を生じさせるにはビーム電流を大きくするとよいが、この場合は鋼板の表層部の還流磁区幅が大きくなり、本発明の条件を満たすことができなくなる。従って、本発明の磁区細分化方向性電磁鋼板では、細い電子ビームを板厚深くまで到達させることが必要であり、以下に述べる既存の製造手法を適正に組み合わせることが好ましい。
また、板厚方向に深い還流磁区を生じさせるにはビーム電流を大きくするとよいが、この場合は鋼板の表層部の還流磁区幅が大きくなり、本発明の条件を満たすことができなくなる。従って、本発明の磁区細分化方向性電磁鋼板では、細い電子ビームを板厚深くまで到達させることが必要であり、以下に述べる既存の製造手法を適正に組み合わせることが好ましい。
［電子ビーム加速電圧Va］
電子ビームを用いる場合、そ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るが、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の深さ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という利点がある。このような効果を得るために、加速電圧を80kV以上とするのがよく、100kV以上とすることがより好ましい。一方、加速電圧400kV超えでは鋼板の照射反対側まで電子ビームが達して効果が飽和するので、400kV超えとする利点は小さく、400kV以下とすることが好ましい。
電子ビームを用いる場合、そ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るが、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の深さ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という利点がある。このような効果を得るために、加速電圧を80kV以上とするのがよく、100kV以上とすることがより好ましい。一方、加速電圧400kV超えでは鋼板の照射反対側まで電子ビームが達して効果が飽和するので、400kV超えとする利点は小さく、400kV以下とすることが好ましい。
［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、小さいほど素材鉄損の向上に有利であるが、本発明の効果を得るためには加速電圧に応じて電子ビーム径を小さくすることが有効である。具体的には、加速電圧をVa[kV]としたとき、80kV≦Va≦200kVでビーム径[μm]≦-0.85 Va +270とし、Va＞200kVではビーム径100μm以下とするのがよい。
ビームの走査方向と直交する方向におけるビーム径は、小さいほど素材鉄損の向上に有利であるが、本発明の効果を得るためには加速電圧に応じて電子ビーム径を小さくすることが有効である。具体的には、加速電圧をVa[kV]としたとき、80kV≦Va≦200kVでビーム径[μm]≦-0.85 Va +270とし、Va＞200kVではビーム径100μm以下とするのがよい。
これらビーム径の限定理由は、加速電圧が増加するに従って、深い還流磁区が生成されるため、還流磁区の体積を本発明で規定する範囲内とするにはビーム径を絞る必要があるからである。ただし、加速電圧が200kVを超えると本発明で対象としている板厚0.23mm以下の電磁鋼板では、還流磁区の生成深さがほぼ板厚と同等以上となるため、ビーム径を絞る効果が飽和するのでビーム径を100μm以下とすることで十分である。
ここで、本発明におけるビーム径とは、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し、鋼板表面で楕円状のビーム形状とする場合は、走査方向と直交する方向の長さをビーム径とする。
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、8μｍ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8μｍ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。
一方、走査方向と直交する方向におけるビーム径が8μｍ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て照射を行うことが可能だからである。なお、走査方向と直交する方向におけるビーム径は、30μｍ以上とすることがより好ましい。
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、8μｍ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8μｍ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。
一方、走査方向と直交する方向におけるビーム径が8μｍ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て照射を行うことが可能だからである。なお、走査方向と直交する方向におけるビーム径は、30μｍ以上とすることがより好ましい。
［ビーム電流：0.5～30mA］
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。
次に、実施例に基づいて本発明を説明する。
（実施例１）
方向性電磁鋼板の母材となる熱延板を熱延板焼鈍した後、冷間圧延により最終板厚（0.23mmまたは0.18mm）としてから脱炭焼鈍を施し、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布した後、最終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絶縁張力被膜を前記フォルステライト被膜の表面に形成した。その後、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延びる複数の直線状の歪領域を形成した。電子ビームの平均走査速度は100m/s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。ビーム径Dと歪導入部の間隔Aの関係は、A＝0.8Dとした。その他の処理条件は、表１に示した通りである。
かくして得られた鋼板の磁気特性を、単板磁気試験法により最大磁束密度1.7T、周波数50Hzの磁束正弦波条件で評価した。
続いて、上記鋼板から試験用の三相三脚変圧器の鉄心（外寸500mm×500mm、脚および継鉄の幅100mm（矩形断面）、積層厚50mm、接合方法：ステップラップ式（ラップ長3mm））を作製し、変圧器鉄損を測定した。ここでの変圧器鉄損は、変圧器の無負荷鉄損とし、鉄心脚部の最大磁束密度1.7T、周波数50Hzの損失を測定し、鉄心の質量で除した値（単位W/kg）とした。以上の過程で得られた変圧器鉄損を単板での測定による素材鉄損で除した値をＢＦとした。
上記鋼板に対して消磁（到達最大磁束密度1.95T、周波数50Hz）を施してから、かかる鋼板の表面に対して磁性粉体を用いた磁区観察により還流磁区の幅wを求め、表１に記載のLを用い、還流磁区の面積率rsを式(a)により算出した。なお、wについては鋼板内部の場所を変化させwを測定し、10か所の平均値を求めた。また、LはN本（N≧10）の線状還流磁区の間隔LNを測定し、LN /(N-1)で求めている。
さらに、鋼板の線状の歪領域が延びる方向と直交する断面において、カー効果による磁区観察を行い、板厚方向の還流磁区の生成状況を調査し、還流磁区の深さd、断面積SRを求めた。ここでは、鋼板内で場所を変えて10箇所の深さおよび断面積を測定し、それぞれの平均値としてd及びSRを求め、式(b)、式(c)により、深さ比率rd、体積率rvをそれぞれ算出した。
方向性電磁鋼板の母材となる熱延板を熱延板焼鈍した後、冷間圧延により最終板厚（0.23mmまたは0.18mm）としてから脱炭焼鈍を施し、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布した後、最終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絶縁張力被膜を前記フォルステライト被膜の表面に形成した。その後、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延びる複数の直線状の歪領域を形成した。電子ビームの平均走査速度は100m/s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。ビーム径Dと歪導入部の間隔Aの関係は、A＝0.8Dとした。その他の処理条件は、表１に示した通りである。
かくして得られた鋼板の磁気特性を、単板磁気試験法により最大磁束密度1.7T、周波数50Hzの磁束正弦波条件で評価した。
続いて、上記鋼板から試験用の三相三脚変圧器の鉄心（外寸500mm×500mm、脚および継鉄の幅100mm（矩形断面）、積層厚50mm、接合方法：ステップラップ式（ラップ長3mm））を作製し、変圧器鉄損を測定した。ここでの変圧器鉄損は、変圧器の無負荷鉄損とし、鉄心脚部の最大磁束密度1.7T、周波数50Hzの損失を測定し、鉄心の質量で除した値（単位W/kg）とした。以上の過程で得られた変圧器鉄損を単板での測定による素材鉄損で除した値をＢＦとした。
上記鋼板に対して消磁（到達最大磁束密度1.95T、周波数50Hz）を施してから、かかる鋼板の表面に対して磁性粉体を用いた磁区観察により還流磁区の幅wを求め、表１に記載のLを用い、還流磁区の面積率rsを式(a)により算出した。なお、wについては鋼板内部の場所を変化させwを測定し、10か所の平均値を求めた。また、LはN本（N≧10）の線状還流磁区の間隔LNを測定し、LN /(N-1)で求めている。
さらに、鋼板の線状の歪領域が延びる方向と直交する断面において、カー効果による磁区観察を行い、板厚方向の還流磁区の生成状況を調査し、還流磁区の深さd、断面積SRを求めた。ここでは、鋼板内で場所を変えて10箇所の深さおよび断面積を測定し、それぞれの平均値としてd及びSRを求め、式(b)、式(c)により、深さ比率rd、体積率rvをそれぞれ算出した。
表１に示されるように、本発明に適合する条件において、低い変圧器鉄損およびＢＦが得られており、同時に励磁条件で発生する騒音も抑制されている。
図２には、板厚0.23mmの電磁鋼板について、還流磁区の深さ比率rdと変圧器鉄損の関係を示す。
概略の関係としては従来から知られているように、還流磁区の深さが深くなるに従って、素材損失が改善し、これにより変圧器鉄損も改善される傾向にあるが、中でも本発明に該当する条件では、還流磁区の深さから考えられる効果以上に変圧器鉄損が改善していることがわかる。
また、発明３に適合する条件、発明２に適合する条件、発明１に適合する条件の順に変圧器鉄損の改善効果が大きいことも併せて示されている。
概略の関係としては従来から知られているように、還流磁区の深さが深くなるに従って、素材損失が改善し、これにより変圧器鉄損も改善される傾向にあるが、中でも本発明に該当する条件では、還流磁区の深さから考えられる効果以上に変圧器鉄損が改善していることがわかる。
また、発明３に適合する条件、発明２に適合する条件、発明１に適合する条件の順に変圧器鉄損の改善効果が大きいことも併せて示されている。
このような、素材の鉄損改善の効果を上回る変圧器鉄損の改善効果は、ＢＦで評価することができるが、図３に、還流磁区の体積率rvとＢＦの関係を示す。
ここでは、それぞれの条件ごとにみると、従来から知られているように、還流磁区の体積率rvが増加するに従いＢＦが低下する傾向にあるが、本発明の条件では還流磁区の体積率rvの効果以上にＢＦが改善しており、発明３に適合する条件、発明２に適合する条件、発明１に適合する条件の順にその効果が高いことがわかる。
ここでは、それぞれの条件ごとにみると、従来から知られているように、還流磁区の体積率rvが増加するに従いＢＦが低下する傾向にあるが、本発明の条件では還流磁区の体積率rvの効果以上にＢＦが改善しており、発明３に適合する条件、発明２に適合する条件、発明１に適合する条件の順にその効果が高いことがわかる。
図４には、変圧器鉄損と変圧器騒音のバランスを示す。
一般に、非耐熱型の磁区細分化材では、還流磁区の導入量が多いほど鉄損改善効果が高い反面、交流励磁に伴う還流磁区の生成消滅の変化量が大きくなるため、磁歪振幅の増加が発生し変圧器騒音が増加する。このように、変圧器鉄損と変圧器騒音は背反する関係にあるが、図４に示すように、本発明に適合する条件では変圧器鉄損と変圧器騒音のバランスが優れた材料が得られており、発明３に適合する条件、発明２に適合する条件、発明１に適合する条件の順にその効果が高い。
一般に、非耐熱型の磁区細分化材では、還流磁区の導入量が多いほど鉄損改善効果が高い反面、交流励磁に伴う還流磁区の生成消滅の変化量が大きくなるため、磁歪振幅の増加が発生し変圧器騒音が増加する。このように、変圧器鉄損と変圧器騒音は背反する関係にあるが、図４に示すように、本発明に適合する条件では変圧器鉄損と変圧器騒音のバランスが優れた材料が得られており、発明３に適合する条件、発明２に適合する条件、発明１に適合する条件の順にその効果が高い。
（実施例２）
実施例１と同様の方法で、板厚0.23mmの方向性電磁鋼板に対し電子ビームによる磁区細分化処理を施し、鋼板に対して点列状に連なる歪部を導入して非耐熱型の磁区細分化を行った。このとき、ほぼ円形の電子ビーム径Dおよび隣接する歪導入部の中心間の間隔Aを、表２に示した条件とした。
得られた方向性電磁鋼板を用いて、実施例１と同様の変圧器評価を行い、変圧器鉄損と騒音を評価した。この結果を表２に示す。
実施例１と同様の方法で、板厚0.23mmの方向性電磁鋼板に対し電子ビームによる磁区細分化処理を施し、鋼板に対して点列状に連なる歪部を導入して非耐熱型の磁区細分化を行った。このとき、ほぼ円形の電子ビーム径Dおよび隣接する歪導入部の中心間の間隔Aを、表２に示した条件とした。
得られた方向性電磁鋼板を用いて、実施例１と同様の変圧器評価を行い、変圧器鉄損と騒音を評価した。この結果を表２に示す。
図５に、表２のNo.１～９についてのA/Dの変化に対する変圧器鉄損の変化を示す。図５および表２の結果に示されているように、発明１、２、３の条件に対し、1.2D≦A≦3Dの関係（すなわち、1.2≦A/D≦3）をさらに満たすことで、電磁鋼板の鉄損がさらに改善されており、ＢＦおよび変圧器騒音の劣化も生じていないことから、変圧器としてさらに優れた性能を達成している。
以上、本発明により、変圧器特性（鉄損、騒音）に優れた非耐熱型磁区細分化材を得ることが可能といえる。
Claims (3)
- 表面に張力被膜を備え、圧延直角方向と30°以内の方向に延びた線状の還流磁区を生成させることによる磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、
板厚をT[mm]とし、前記磁区細分化処理を施した面を基準にした前記還流磁区の深さをd[mm]とし、前記面での隣接する還流磁区の圧延方向の平均間隔をL[mm]とし、直線状の歪領域と直交する断面における前記還流磁区の断面積をSR[mm2]とし、前記還流磁区の幅をw[mm]とするとき、
前記平均間隔Lが、15mm以下であり、
(d/T)×100で算出される板厚に対する前記還流磁区の深さ比率rdが、35％以上であり、
{SR/(LT)}×100で算出される前記還流磁区の体積率rvが、0.30％以上、3.0％以下であり、
(w/L)×100で算出される前記還流磁区の面積率rsが、0.50％以上、4.0％以下であり、
線状の還流磁区を生成させるための直線状の歪が、複数の歪導入部が点列状に配置されることで形成され、前記歪導入部の直径をD[mm]とし、隣接する歪導入部の中心間の間隔をA[mm]とするとき、下式(d)：
1.2D≦A≦3D・・・(d)
の関係を満たす、方向性電磁鋼板。 - 前記深さ比率rdが39％以上であって、前記体積率rv[％]と前記面積率rs[％]とが、下式(1)：
rs≦2.6rv・・・(1)
の関係を満たす請求項１に記載の方向性電磁鋼板。 - 前記体積率rvが0.75％以上であって、前記体積率rv[％]と前記面積率rs[％]とが、下式(2)：
rs≦1.2rv+0.9・・・(2)
の関係を満たす請求項２に記載の方向性電磁鋼板。
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