JP7435486B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、変圧器の鉄心として用いられ、歪取り焼鈍により磁区細分化効果が消失しない、優れた方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
Siを含有し、かつ結晶方位が(110)〔001〕方位や(100)〔001〕方位に配向した方向性電磁鋼板は、優れた軟磁気特性を有することから商用周波数領域での各種鉄心材料として広く用いられている。このとき、電磁鋼板に要求される特性のうち、一般に50Hzの周波数で1.7Tに磁化させた場合の損失であるW17/50 (W/kg)で表されるところの鉄損が重要である。すなわち、W17/50の値が低い材料を用いることにより、発電機や変圧器の主要な商用周波数領域である50Hzの交流電流での鉄損が大幅に低減できるからである。
そして、かかる鉄損低減効果を有する材料の開発が年々強く求められてきている。
方向性電磁鋼板の鉄損を低減する方法としては、磁区を細分化する方法が一般的であるが、その中でも、鋼板表面に圧延方向と交差する方向に延長した溝を形成することで、溝の側壁部に生じた自由磁極による静磁エネルギーの磁区細分化効果を利用する、耐熱型磁区細分化方法が知られている。
上記鋼板表面に溝を形成する方法としては、突起ロール圧刻、電解エッチング、レーザ加工などがあり、溝の深さや幅、溝同士の間隔、溝壁部と鋼板表面とのなす角度などを最適にすることが提案されている。
例えば、特許文献1では電解エッチングで鋼板表面に形成する溝の形状を工夫したものが開示され、特許文献2ではレーザ加工により線状溝を形成し、その溝の底部にさらに凹部を形成することが開示されている。また、特許文献3では機械加工により溝を形成する際の加工歪を抑制する方法が開示されている。
特許第４７１９３１９号公報 特開２０１８－１３１６８０号公報 特開２０１０－１６８６１５号公報
また、最近では、前述したような最大磁束密度1.7Tといった鋼板グレードを決める磁化領域での鉄損W17/50が小さいだけではなく、1.0～1.5Tといった低い磁束密度となるように低い磁化力で磁化した領域での鉄損に優れ、かつ磁化力800A/mといった高い磁化力で磁化した領域における磁束密度B8といった磁気特性にも優れる方向性電磁鋼板が求められている。
溝形成による耐熱型磁区細分化技術では、磁区細分化効果を高めるために溝を深くすることが効果的であることが知られている。しかしながら、かかる手段では、溝の容積分だけ地鉄の体積が減少するため、磁束密度が低下することが問題である。この問題は、特許文献1でも未だ残っている。さらに、特許文献2や特許文献3のように加工方法を工夫する場合は、生産性が低下する点、あるいは製造コストが増加する点等に、課題が残る。
本発明は、上記の実情に鑑み開発されたものであり、鋼板に溝を形成する際の電解エッチングの方法を工夫することにより、生産性を低下させることなく、磁束密度の低下を抑えて鉄損をより一層改善した方向性電磁鋼板を提供しようとするものである。
また、かかる方向性電磁鋼板の製造方法を併せて提供することを目的とする。
上記の課題を解決すべく、本発明者らは、種々の方法により最終冷間圧延後の鋼板に線状溝を形成し、二次再結晶後の磁気特性を評価する実験を繰り返す中で、かかる線状溝の溝底面の形状が平坦、かつ、わずかに荒れているものの中に、磁束密度劣化量に比し鉄損改善量が多いものを発見し、これを詳しく調べることによって溝底面の適正形状を見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は上記の知見に基づき得られたものであり、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．圧延方向に交差する方向に延長し形成された線状溝を鋼板表面の片側に有する方向性電磁鋼板において、各線状溝は、かかる線状溝の平均深さをDとし、前記平均深さを基準としたときの線状溝の深さdの変動（ｄ－D）が以下の(1)式を満足する平坦部をそなえ、前記平坦部は、線状溝の全長の30％以上90％以下存在するとともに、残部は前記平坦部以外の凹凸部とし、前記平坦部の連続する区間の長さLが表面積100cm2の中に10箇所以上で以下の(2)式を満足し、さらに前記線状溝の幅中央位置での粗さ曲線における十点平均粗さRzjisが、前記平均深さDとの関係で以下の(3)式を満足することを特徴とする方向性電磁鋼板。
-0.10D≦（ｄ－D）<0.10D ・・・(1)式
1.3W≦L ・・・(2)式
0.1≦Rzjis/D≦1・・・・・・・(3)式
ここで、W：線状溝の平均幅
２．前記線状溝の幅中央位置の粗さ曲線における最も高い山頂から5番目に高い山頂までの5つの山頂の標高の絶対値の平均をPaとし、最も低い谷底から5番目に低い谷底までの5つの谷底の標高の絶対値の平均をVaとしたとき、前記Paと前記Vaとが以下の(4)式を満足することを特徴とする前記１に記載の方向性電磁鋼板。
Va≦Pa≦15μm・・・・・・(4)式
３．方向性電磁鋼素材に対し、少なくとも、最終冷間圧延を施し、さらに2次再結晶焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、前記最終冷間圧延後であって前記2次再結晶焼鈍前に、絶縁性のあるマスキング剤を鋼板表面に塗布し、不活性雰囲気中でレーザ照射により圧延方向に交差する向きにマスキング剤を線状に除去した後、電解エッチングを施して線状溝を形成することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
４．前記電解エッチングは、前記マスキング剤を線状に除去した後１０ｓ以内に電解エッチングを行う電解漕に入れて施すことを特徴とする前記３に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、鋼板表面に形成した溝を介した磁区細分化効果により鉄損を効果的に改善することができるので、本発明に従う方向性電磁鋼板は、溝形成による鉄損改善効果を享受しつつ磁束密度の低下を抑制することができる。
電解エッチングにより形成した溝底部の形状を説明する図である。 図１に示した溝底部の平坦部を示した図である。 図１に示した溝底部のRzjisを示した図である。
以下、本発明の詳細を説明する。
本発明のような、線状溝（以下、単に溝といった場合は、特に断らない限り線状溝を意味する。）の形成による耐熱型の磁区細分化は、溝の側面に生じた磁極により静磁エネルギーが高くなることで、これを解消するための新たな180°磁壁が生成して磁区幅が狭くなることにより生じる。そして、このように磁区幅が狭くなる（磁区細分化が生じる）と、鋼板が磁化された際の磁壁の移動距離が短くなるので、磁壁移動時のエネルギー損失、すなわち鉄損が低減する。
上記のメカニズムの発現には、磁極の生成が必要であり、透磁率の異なる物質の界面をつくりだすことが重要であるが、上述のような溝を利用する技術では、鉄と空気の透磁率の違いを利用している。そのため、溝を形成すると、溝の体積分だけ鋼板の実効透磁率が低下し、磁気特性の他の指標である800A/mで磁化したときの磁束密度Ｂ8値が低下するという問題を併せ持つ。
従って、磁区細分化効果を高くしようと、磁極を沢山生成すると、実効透磁率が低下し磁束密度が低下してしまうという不利が生じる。また、磁極は溝の側面でしか生じないため、鋼板表面（一方平面）に溝を形成する場合、鋼板の厚み方向中心部あるいは裏面（他方平面）では、溝形成による磁区細分化効果が波及し難い、という問題があった。
そこで、本発明者らは、かかる問題を解決するために、上記した溝形成による効果を最大限に生かしつつ不利が生じない溝の形状、特に溝底面の形状について検討した。
これは、従来の溝形成技術により作られた溝形状を観察する中で、溝の深さが変動していること、およびその変動が鉄損に影響していることに気づき、磁区細分化の効果を十分に引き出しつつ、鋼板の実効透磁率の低下を最小限にとどめる理想的な溝形状に近づけることで更なる鉄損低減が可能であると考えたからである。
その結果、線状溝の底面を平滑にしつつ、所定の条件を満足する凹凸部を設けることが有効であるとの知見を得た。
すなわち、本発明者らは、溝の底面に深さ変動の小さい平坦部を一定の長さ以上そなえることおよび、かかる平坦部以外に溝の深さの10％超に相当する高さあるいは深さとなる凹凸部をそなえること、の両要件を満たすことが、前記した問題を解決し、溝形成による磁区細分化の効果を有効に発揮するのに適正であることを見出した。
次に、本発明の各構成要件の限定理由について述べる。
まず、本発明の線状溝は、鋼板の片面に形成する。本発明の溝は、片面に形成するだけで、鋼板の厚み方向中心部あるいは裏面（他方平面）にも、溝形成による磁区細分化効果が波及するからである。
また、上記線状溝の間隔は、特に限定されないが、2.0mmから5.0mmの範囲とするのが好ましい。
本発明の線状溝の底面は基本的に平坦であることが望ましい。線状溝の平均深さD（以下単に平均深さDという）に対して溝深さの実測値d（本発明において単に溝深さdという）の変動（ｄ－D）が平均深さD の±10％を超えると、溝深さを深くしても鉄損が低下しない傾向にあるからである。なお、平均深さDは、溝幅方向の中央部で測定した溝深さdの平均値であり、溝深さdの変動とは、溝幅方向の中央において測定した溝深さdの、平均深さDに対する変動である。
この変動（ｄ－D）にかかる上記現象（変動が大きいと溝深さを深くしても鉄損が低下しない傾向）のメカニズムは明らかではないが、同じ溝の中で溝深さの変動が大きい場合、磁区細分化が不十分となる溝の浅い部分と、地鉄体積の減少によるヒステリシス損が増加する溝の深い部分とが同時に存在するために、最適と考えられる平均溝深さとした場合でも鉄損が下がりきらないからと推定している。
本発明では、変動（ｄ－D）が平均深さD の±10％以内、すなわち-0.10 D≦（ｄ－D）≦0.10D（(1)式）を満足する部分を「平坦部」と定義したとき、線状溝の底面のかかる平坦部が線状溝の延びる方向に連続する区間の長さLが線状溝の平均幅Wの1.3倍以上の長さの箇所が、任意の鋼板の表面積100cm2の中に少なくとも10箇所存在する必要がある。
すなわち、1.3W ≦ L（(2)式）を満足する箇所が任意の鋼板の表面積100cm2の中に少なくとも10箇所存在する必要がある。
かかる箇所の個数が10箇所に満たないと、溝底面の平坦な部分が短く、磁区細分化の効果を十分に引き出しつつ、鋼板の実効透磁率の低下を最小限にとどめることができないからである。なお、上記任意の鋼板の表面積100cm2は、鋼板１m2当たり20箇所サンプリングすれば、全体を代表しているといえる。
さらに、各溝の溝全長に対してかかる平坦部の占める割合は30％以上90％以下であることが必要である。望ましくは40％以上90％以下である。
なお、本発明の上記溝にかかる要件は、溝各々で規定されるが、全溝のうち90％の溝がかかる要件を満足していれば良い。すなわち、溝数が100本とすれば、90本以上が上記要件を満足していれば良い。
線状溝の延びる方向に溝深さを測定した一例を図１～３に示す。図１は溝深さの測定結果であり、これについて前記「平坦部」を追記したものが図２である。なお、図２に「L」と示した部分は「平坦部」が連続する区間である。
本発明では、前述したとおり、前記Wと、上記Lが以下の(2)式を満足する必要がある。というのは、前記Wが広いほど地鉄体積が減少するため、溝底面の変動が大きい部分を減らして、地鉄体積の減少あるいは磁区細分化に必要な深さに足りない区間を減らす必要があるからである。
1.3W ≦ L ・・・(2)式
一方で、本発明の線状溝の底面は完全な平坦ではなく、平坦部と平坦部以外に所定の高さあるいは深さとなる凹凸部とを備える。前述したように溝が平坦であれば、鋼板表面に形成した溝の深さが最適な深さとなった時の効果は大きくなると考えられるが、許容範囲が狭まり、生産管理にかかるコストが増加する。そこで、平坦な溝の中にあえて粗い部分を残すことで、溝形成による磁区細分化効果と特性の安定化の両立が可能になる。
なお、本発明における凹凸部とは、変動（ｄ－D）が平均深さD の±10％超であって、JIS B 0601-2001に従う十点平均粗さRzjisが平均深さDに対して100％以下である。
具体的には、図３に示すように、溝中央の断面曲線から2mmの長さ分の範囲を任意に選択し、かかる範囲内においてJIS B 0601-2001に従う十点平均粗さRzjisが平均深さDに対して10％以上、100％以下（0.1≦Rzjis/D≦1・・・・・・・(3)式）となることが必要である。理由は明らかではないが、前記(3)式の範囲を外れた場合、鉄損が増加するからである。なお、Rzjisは平均深さDに対して望ましくは20％以上、50％以下である。
また、線状溝の幅中央位置の粗さ曲線において、平均深さを基準としたときの最も高い山頂から5番目に高い山頂までの5つの山頂の標高の絶対値の平均をPaとし、最も低い谷底から5番目に低い谷底までの5つの谷底の標高の絶対値の平均をVaとしたとき、以下の(4)式を満足することが望ましい。これはPaとVaが15μｍ以上であると目標の溝深さからのバラつきが大きくなり、局所的に期待していた磁区細分化効果が得られ難くなるからであり、また、谷となる部分はさらに鋼板中の鉄の割合を低下させるため、Va≦Paであることが望ましいからである。なお、本発明において、上記山頂とは、粗さ曲線の上に凸の頂点の箇所を指し、上記谷底とは、粗さ曲線の下に凹の最下点の箇所を指す。また、上記標高の絶対値とは、平均深さDからの頂点または最下点の距離の絶対値を意味する。また、本規定は、各溝における溝中央の断面曲線で測定するが、溝１０本当たり１本以上が、以下の(4)式を満足することが望ましい。
Va≦Pa≦15μm・・・・・・(4)式
本発明に用いる鋼板の成分は、従来公知の方向性電磁鋼板に用いられるものであれば特に限定されないが、代表的なものを以下に述べる。
［成分組成］
Si：2.0質量％以上、5.0質量％以下
Siは、鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減するのに必要な元素である。上記効果は、2.0質量％未満では十分ではなく、一方、5.0質量％を超えると、加工性が低下し、圧延して製造することが困難となる。よって、本発明に用いる鋼板のSi量は2.0～5.0質量％の範囲が好ましい。より好ましくは2.5～4.5質量％の範囲である。
なお、鋼板中に含有するSi以外の元素は特に限定されず、従来公知の方向性電磁鋼板の成分であって、方向性電磁鋼板の通常の製造工程において、二次再結晶を生じさせる成分を通常量含めばよい。また、かかる通常量の成分組成以外の残部は、Feおよび不可避的不純物である。
本発明の方向性電磁鋼板を製造する方法を以下説明する。
本発明は、方向性電磁鋼板用の鋼素材（方向性電磁鋼素材）に対し、熱間圧延等従来公知の工程を経て最終冷間圧延を施し、さらに2次再結晶焼鈍とかかる2次再結晶焼鈍の後に続き絶縁張力被膜の処理を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、前記最終冷間圧延後であって前記2次再結晶焼鈍前に、絶縁性のあるマスキング剤を鋼板表面に塗布し、不活性雰囲気中でレーザ照射により圧延方向に交差する向きにマスキング剤を線状に除去した後、電解エッチングすることで線状溝を形成する方法を採る。
なお、上記交差する向きとは、圧延方向と直角な方向（直交する向き）に±30度以内の角度を有する向きのことである。
ここで、本発明では、絶縁性のマスキング材を塗布して乾燥させた後に、レーザ照射によりマスキング剤を線状に除去する工程において、不活性雰囲気中でレーザ照射を行う。これは、レーザ照射してから電解エッチングを施すまでに鋼板表面に酸化膜が形成されるのを抑制し、電解エッチングにより形成される溝形状が不均一になるのを防止し、溝底部をより平坦化するためである。
レーザ照射を行う区域と電解エッチングを施す電解漕は近接していることが望ましい。
また、レーザが鋼板に照射され、マスキング剤が線状に除去されてから10s以内に、かかる鋼板を上記電解漕に入れることが、溝底部を平坦化するために望ましい。
なお、粗さに関するRzjisやPa、Vaは、エッチングの際の電解電流と時間を調整することで適正化することができる。
以下、本発明の実施例について述べる。
本実施例では、以下の表１に示す成分を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物である鋼スラブを常法に従い熱間圧延して熱延鋼板とし、さらに、中間焼鈍を含む2回の冷間圧延によって板厚：0.23ｍｍの冷延鋼板とした。この後、鋼板の幅方向両エッジから100ｍｍ以上を除いた中央部分からサンプルを切り出し、幅30ｍｍ、長さ280ｍｍの冷延鋼板を採取した。
Figure 0007435486000001
この後、以下の３条件で溝形成処理を施した。
I 絶縁性のあるマスキング剤を鋼板表面に塗布し、不活性雰囲気中でレーザ照射により圧延方向と直交する向きにマスキング剤を線状に除去した後、電解エッチングにより溝を形成
II 線状の突起ロールを押し付けて溝を形成
III 溝形成処理を行わない
線状溝の目標幅は40～80μｍとし、圧延方向に2.0～5.0ｍｍ間隔で鋼板の幅方向に対して直交する方向に形成した。電解エッチング処理は、ＮａＣｌ浴中で実施した。また、電解エッチングで溝を形成する際は、電解電流と電解時間を調整することで、線状溝のPaとVa、Rzjisを調整し、さらに目標溝深さを20、28μｍの間で調整した。また、レーザの出力とレーザ照射してから電解エッチングするまでに大気にさらす時間を調整することで、平坦部の割合を変更した。各処理条件と溝深さで１０枚ずつ試験片を作製した。
これらの試験片に脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍処理を施し、ＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を塗布して、最終仕上げ焼鈍を施した後、絶縁被膜をコーティングし、磁気特性評価試験片とした。かかる試験片に、800℃で2時間の歪取り焼鈍を施した後、単板磁気測定試験によりかかる試験片の鉄損Ｗ１７／５０を測定し、溝形成処理を行わなかった場合（上記III）の鉄損との差を鉄損改善量ΔＷ１７/５０として評価した。溝の形状はレーザ顕微鏡により計測した。
上記溝の形状測定をし、変動（ｄ－D）が平均深さDの±10％以内の箇所を平坦部とし、かかる平坦部の長さをかかる箇所の存在する溝毎に積算し、該積算した溝の長さで除したものを平坦部の割合（％）とした。
また、上記平坦部の中で前記(2)式を満足する箇所の個数を、鋼板の表面積100cm2当たりに換算するため、上記試験片で確認された10枚の平坦部の個数の平均値を119倍（＝100／（0.3×2.8））した。
表２に示す溝形状と鉄損との関係から、線状溝底部の平坦部の割合と粗度Rzjisを適正に管理することで、溝形成による磁区細分化効果を安定化し、鉄損をさらに改善できることがわかる。
Figure 0007435486000002

Claims (4)

  1. 圧延方向に交差する方向に延長し形成された線状溝を鋼板表面の片側に有する方向性電磁鋼板において、各線状溝は、かかる線状溝の平均深さをDとし、前記平均深さを基準としたときの線状溝の深さdの変動（ｄ－D）が以下の(1)式を満足する平坦部をそなえ、前記平坦部は、線状溝の全長の30％以上90％以下存在するとともに、残部は前記平坦部以外の凹凸部とし、前記平坦部の連続する区間の長さLが表面積100cm2の中に10箇所以上で以下の(2)式を満足し、さらに前記線状溝の幅中央位置での粗さ曲線における十点平均粗さRzjisが、前記平均深さDとの関係で以下の(3)式を満足することを特徴とする方向性電磁鋼板。
    -0.10D≦（ｄ－D）<0.10D ・・・(1)式
    1.3W≦L ・・・(2)式
    0.1≦Rzjis/D≦1・・・・・・・(3)式
    ここで、W：線状溝の平均幅
  2. 前記線状溝の幅中央位置の粗さ曲線における最も高い山頂から5番目に高い山頂までの5つの山頂の標高の絶対値の平均をPaとし、最も低い谷底から5番目に低い谷底までの5つの谷底の標高の絶対値の平均をVaとしたとき、前記Paと前記Vaとが以下の(4)式を満足することを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
    Va≦Pa≦15μm・・・・・・(4)式
  3. 請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板を製造するに際して、方向性電磁鋼素材に対し、少なくとも、最終冷間圧延を施し、さらに2次再結晶焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、前記最終冷間圧延後であって前記2次再結晶焼鈍前に、絶縁性のあるマスキング剤を鋼板表面に塗布し、不活性雰囲気中でレーザ照射により圧延方向に交差する向きにマスキング剤を線状に除去した後、電解エッチングを施して線状溝を形成することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
  4. 前記電解エッチングは、前記マスキング剤を線状に除去した後１０ｓ以内に電解エッチングを行う電解漕に入れて施すことを特徴とする請求項３に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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