JP7459955B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
とりわけ近年では、省エネ・環境規制の観点から、変圧器におけるエネルギー損失、および、変圧器の動作時における騒音の低減が強く求められている。そのため、鉄損および磁歪特性の良好な方向性電磁鋼板を開発することが、極めて重要となっている。
しかしながら、方向性電磁鋼板の更なる低鉄損化を追求する際には、これらの手法では製造上の限界がある。
したがって、従来よりも鉄損・磁歪特性に優れた方向性電磁鋼板の開発のため、ひいては、従来よりもエネルギー損失・騒音特性に優れた変圧器の開発のためには、非耐熱型磁区細分化の際の歪み導入パターンの最適化が要求されている。
この要求に対し、昨今の方向性電磁鋼板は、前述した手法の組み合わせ、特に高配向化および磁区細分化を鋼板に施すことによって大幅な鉄損の改善が実現されている。
したがって、変圧器のビルディングファクター改善のためには、回転鉄損を低減する、すなわち磁化の回転を容易にする必要がある。
なお、磁気弾性効果とは、方向性電磁鋼板に引張応力を加えると当該引張応力の方向がエネルギー的に安定になり、圧縮応力を加えると当該圧縮応力と直交する方向がエネルギー的に安定になるという効果である。
したがって、従来以上にビルディングファクターの改善と低騒音化との両立を実現するには、磁歪の増大およびビルディングファクターの増大が効果的に抑制される新しい歪み導入パターンの開発が必要である。
まず、ビルディングファクター増大の原因となる回転鉄損の改善方法について検討を行った。
その結果、前述した還流磁区の形成の他に、回転磁場を印加した際に、圧延方向とは異なる方向に磁化成分を持つ磁区(以下、補助磁区ともいう)を形成することでも、回転鉄損を改善できることが判明した。また、このような補助磁区は、欠陥および歪みといった局所的に高い静磁エネルギーを持つ領域を起点として形成されやすいことも判明した。
候補としては、還流磁区内部(I)、還流磁区端部(II)、照射線間領域(III)が考えられた。
かかる候補うち、還流磁区内部(I)は、すでに還流磁区が形成されているため、補助磁区の形成による回転鉄損の改善への寄与が小さい。
また、照射線間領域(III)では、回転鉄損は改善するものの、歪み量の増加によって磁歪およびヒステリシス損の劣化を招く懸念がある。その上、圧延方向を横切るようにエネルギービームを照射する工程に加えて新たにエネルギービーム照射を施す工程が必要となるため、製造の観点からも望ましくない。
これに対し、還流磁区端部(II)は、上記(III)の場合のような懸念は解消でき、かつ還流磁区の外側に補助磁区が形成されるため、回転鉄損の改善効果が期待できる。
以下、本発明を完成させるに至らしめた実験結果について説明する。
既知の方法で製造された板厚0.23mmの方向性電磁鋼板の鋼帯に対して、リング形状またはガウシアン形状のビームプロファイルを有する電子ビームを、エネルギービームとして異なる出力で照射し、熱歪み領域を形成した(磁区細分化処理)。このとき、ビーム径300μmの電子ビームを使用した。ここで、リング形状のビームプロファイルを有するビームとは、ビームを走査する2次元平面における、任意の方向に走査しビームプロファイルを取得したときに、2つのピークを有するビームであることを意味する。かかるビームプロファイルの模式図を図2に示す。
加えて、上記鋼帯から3相積み変圧器(鉄心重量500kg)を作製し、周波数50Hzにて、鉄心脚部分の磁束密度が1.7Tとなるときの鉄損(変圧器鉄損:W17/50(WM))を測定した。この、1.7T、50Hzでの変圧器鉄損W17/50(WM)は、ワットメータを用いて測定される無負荷損とした。かかるW17/50(WM)の値と、上記の単板磁気測定法により測定したW17/50の値とから、以下の(1)式を用いてビルディングファクターを算出した。
ビルディングファクター=W17/50(WM)/W17/50・・・(1)
上記図3の歪み量の曲線のグラフに示されるように、熱歪み領域の端部近傍に、2つのピークが形成された歪み分布とした。熱歪み領域の両端の歪み量の平均(平均歪み量)をA、熱歪み領域の中心における歪み量をBとし、これら歪み量の差ΔAB(=A-B)を算出した。また、ΔABに対する、素材鉄損W17/50、変圧器騒音レベル、変圧器ビルディングファクターの関係をそれぞれ調査した。
なお、図3にも示される歪み量は、参照点(無歪み点)のd値をd0、測定対象点のd値をd1としたときに、下式で算出することができる。すなわち、引張歪みは正、圧縮歪みは負となる。
{(d1―d0)/d0}×100(単位:%)
すなわち、圧延方向を横切る方向に線状の熱歪み領域を形成させ、その熱歪み領域内において、圧延方向中心部よりも、圧延方向両端部に大きな引張歪みを形成させた分布が好適であること、特に、熱歪み領域の両端における平均歪み量Aと、熱歪み領域の中心における歪み量Bとの差ΔAB(=A-B)が0.040%以上0.200%以下であるときに、より高い変圧器特性を持つ方向性電磁鋼板となることを見出した。
1.圧延方向を横切る方向に線状に延びる熱歪み領域を有する方向性電磁鋼板であって、
前記熱歪み領域の圧延方向の歪み分布において、前記熱歪み領域の両端における歪みが、前記熱歪み領域の中心における歪みより大きい引張歪みであることを特徴とする、方向性電磁鋼板。
以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
本発明の方向性電磁鋼板またはその素材となる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を適量含有させればよく、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とを適量含有させればよい。もちろん、AlN系インヒビター、およびMnS・MnSe系インヒビターの両方を併用してもよい。
Al:0.010~0.065質量%、
N:0.0050~0.0120質量%、
S:0.005~0.030質量%、および
Se:0.005~0.030質量%
である。
Al:0.010質量%未満、
N:0.0050質量%未満、
S:0.0050質量%未満、および
Se:0.0050質量%未満
に抑制することが好ましい。
Cは、基本成分の一つであり、熱延板組織の改善のために添加をするが、Cの含有量が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脱炭することが難しくなるため、C含有量は0.08質量%以下とすることが望ましい。また、Cを含まない鋼素材でも二次再結晶は生じ得ることから、C含有量の下限については特に設ける必要はない。したがって、C含有量は、0質量%であってもよい。
Siは、基本成分の一つであり、鋼の電気抵抗を増大させ、鉄損を改善するのに有効な元素である。そのためには含有量を2.0質量%以上とすることが好ましい。一方、含有量が8.0質量%を超えると、加工性および通板性が劣化し得ることに加え、磁束密度も低下し得る。そのため、Si含有量は、8.0質量%以下とすることが望ましい。さらに、Si含有量は、2.5質量%以上とすることがより好ましく、また、7.0質量%以下とすることがより好ましい。
Mnは、基本成分の一つであり、熱間加工性を向上させるうえで必要な元素である。そのためには含有量を0.005質量%以上とすることが好ましい。一方、含有量が1.0質量%を超えると、磁束密度が劣化し得るため、Mn含有量は1.0質量%以下とすることが好ましい。さらに、Mn含有量は、0.01質量%以上とすることがより好ましく、また、0.9質量%以下とすることがより好ましい。
すなわち、方向性電磁鋼板またはその素材となるスラブは、
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%のうちから選ばれる1種以上
を好適に含有することができる。
なお、上記成分以外の残部は、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は、熱歪み領域の形成前までは、以下の手順で製造することができる。
すなわち、前記の成分系からなる方向性電磁鋼板の鋼素材(スラブ)に、熱間圧延を施した後、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。次いで、1回の冷間圧延または中間焼鈍をはさむ2回以上の冷間圧延を施して、最終板厚の鋼帯に仕上げる。その後、前記鋼帯に、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、コイル状に巻き取って、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た仕上げ焼鈍を施す。必要に応じ、かかる仕上げ焼鈍後の鋼帯に対し、平坦化焼鈍を施し、さらに絶縁被膜(例えばリン酸マグネシウム系の張力被膜)を形成する。このようにして、熱歪み領域を形成する前の方向性電磁鋼板を得ることができる。
次いで、かかる方向性電磁鋼板に、熱歪み領域を形成する。熱歪み領域は、磁化細分化の一つである非耐熱型磁区細分化により形成することができる。この非耐熱型磁区細分化では、例えば、上記の仕上げ焼鈍後または絶縁被膜の形成後の鋼板の表面にエネルギービームを照射することで、局所的に熱歪みを導入する(熱歪み領域を形成する)ことができる。
熱歪み領域の形成にあたっては、リングモードレーザーシステムに見られるような円形(リング形状)の強度分布を有したエネルギービームを用いることで、より効果的に、本発明に従う歪み分布を形成することができる。
エネルギービームのビーム源としては、レーザー、電子ビームが挙げられ、これらのいずれを用いても、所望の歪み分布を得ることができる。その際、レーザーを用いる場合には、リングモードレーザーシステムを採用すればよく、また、電子ビームを用いる場合には、陰極表面に円形(リング形状)の凸部を形成すればよい。これらにより、本発明に従う歪み分布を形成することができる。
本発明の方向性電磁鋼板の製造にあたっては、熱歪み領域を、上述した電子ビーム等のエネルギービームの照射によって、鋼板に線状に形成することができる。
具体的には、1台以上の電子銃を用いて、ビームを圧延方向と交差するように照射しながら、線状の熱歪みの導入(熱歪み領域の形成)を行う。このとき、ビームの走査方向は、圧延方向に対して60°~120°の範囲内の方向とすることが好ましく、この中でも、圧延方向に対して90°の方向とすること、すなわち板幅方向に沿うように走査することがより好ましい。これは、板幅方向からのズレが大きくなると、鋼板に導入される歪みの量が増加し、磁歪の劣化を招くためである。
また、エネルギービームの照射形式は、本発明の他の要件を満たせば、走査方向に沿って連続的に照射を行うもの(連続線状照射)でも、停留と移動とを繰り返して照射を行うもの(ドット状照射)でもよい。いずれの照射形式であっても、ビルディングファクターおよび磁歪につき、それぞれ本発明の改善効果が得られる。
なお、上記の連続線状およびドット状のいずれも、「線状」の一態様である。
加速電圧は、高い方が、電子の直進性が増加し、電子ビーム照射箇所の外側への熱影響が低下するので好ましい。かかる理由から、加速電圧は60kV以上とすることが好ましい。より好ましくは90kV以上であって、120kV以上であればなお良い。
一方、加速電圧を高くしすぎると、電子ビームの照射に伴って発生するX線の遮蔽が困難になる。そのため、加速電圧は、実用上の観点から300kV以下にすることが好ましい。より好ましくは200kV以下である。
スポット径は、小さいほど、局所的に歪みを導入することができるため好ましい。そこで、電子ビームのスポット径(ビーム径)は、300μm以下とすることが好ましい。また、電子ビームのスポット径(ビーム径)は、280μm以下とすることがより好ましく、さらに好ましくは260μm以下である。なお、スポット径とは、幅30μmのスリットを用いてスリット法で取得したビームプロファイルの半値全幅を指す。
ビーム電流は、ビーム径の観点から小さい方が好ましい。これは、電流を大きくするとクーロン反発によってビーム径が広がりやすいためである。そのため、ビーム電流は、40mA以下とするのが好ましい。一方で、ビーム電流が小さすぎると、歪みを形成するためのエネルギーが不足する。そのため、ビーム電流は、0.5mA以上とすることが好ましい。
電子ビーム出力は、加速電圧とビーム電流との積で算出される。電子ビーム出力は、導入歪み量の観点から小さい方が好ましい。これは、電子ビーム出力を大きくすると歪みの導入量が過剰となり、渦電流損の改善以上にヒステリシス損が劣化、さらに騒音の劣化を招くためである。そのため、加速電圧とビーム電流とが上記好適範囲を満たす条件において、電子ビーム出力は、4000W以下とするのが好ましい。一方で、電子ビーム出力が小さすぎると、歪みを形成するためのエネルギーが不足する。そのため、電子ビーム出力は、300W以上とすることが好ましい。
電子ビームは、気体分子によって散乱を受け、ビーム径やハロー径などの増大、エネルギーの減少等を生じさせる。そのため、ビーム照射環境の真空度は高い方が良く、圧力にして3Pa以下とすることが望ましい。下限については特に制限を設けないが、過度に低下させると、真空ポンプなどの真空系統にかかるコストが増大する。そのため、ビーム照射環境の真空度は、実用上、10-5Pa以上とすることが望ましい。
レーザー出力は、導入歪み量の観点から小さい方が好ましい。これは、レーザー出力を大きくすると歪みの導入量が過剰となり、渦電流損の改善以上にヒステリシス損が劣化、さらに騒音の劣化を招くためである。そのため、レーザー出力は、500W以下とするのが好ましい。一方で、レーザー出力が小さすぎると、歪みを形成するためのエネルギーが不足する。そのため、レーザー出力は、20W以上とすることが好ましい。
・歪み分布
鋼板表面における熱歪み領域の圧延方向の歪み分布は、EBSD-Wilkinson法により測定することができる。このEBSD-Wilkinson法では、例えば、電子線を鋼板表面に照射し、測定点毎に菊池パターンを取得し、無歪み点を参照点として、CrossCourtなどの解析ソフトを使用して、各点における菊池パターンの変形量から歪み量を算出する。
ここで、本発明における熱歪み領域とは、鋼板に線状に照射されたエネルギービームによって形成された線状の還流磁区領域と同一の領域を指すものとする。また、鋼板表面に形成される還流磁区の圧延方向の長さ(熱歪み領域の長さに同じ。)は、市販のドメインビューワーを使用し、鋼板表面の磁区パターンを取得して測定することができる。
上記の測定手法を用いて、鋼板表面における熱歪み領域の圧延方向の歪み分布を測定し、熱歪み領域の圧延方向両端における平均歪み量をAとし、熱歪み領域の圧延方向中心における歪み量をBとする。なお、圧延方向両端における歪み量は、同じであってもよく、異なってもよい。
このとき、上記Aと上記Bとの差ΔAB(A-B)が正(0.000%超)であれば、本発明の効果を得られ、0.040%以上0.200%以下であれば、さらに高い特性を持つ方向性電磁鋼板が得られる。また、ΔABは、より好ましくは0.050%以上0.160%以下の範囲である。
エネルギービームの照射条件は、レーザーおよび電子ビームとも、照射方向:圧延方向に対して約90°の方向、ビーム出力:0.6~6kW(加速電圧:60~150kV、ビーム電流:1~40mA)とし、さらに電子ビームの場合、ビーム照射環境の真空度は0.3Paとした。照射するビームのプロファイルはいずれもリング形状のものを使用し、ビーム径が200μmのビームを使用した。このとき、平均歪み量A、歪み量B、ΔABの値を変えるため、ビーム出力に加え、リング形状プロファイルにおけるエネルギー極大値とプロファイル中心部のエネルギー極小値のエネルギー差、エネルギー極大値間の距離などの条件を調整してビーム照射を行った。
ビルディングファクター=W17/50(WM)/W17/50・・・(1)
Claims (2)
- 圧延方向を横切る方向に線状に延びる熱歪み領域を有する方向性電磁鋼板であって、
前記熱歪み領域の圧延方向の歪み分布において、前記熱歪み領域の両端における歪みが、前記熱歪み領域の中心における歪みより大きい引張歪みであり、かつ前記熱歪み領域の両端における平均歪み量Aと、前記熱歪み領域の中心における歪み量Bとの差であるΔAB(=A-B)が0.040%以上0.200%以下である、方向性電磁鋼板。 - 前記ΔABが0.050%以上0.150%以下である、請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
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