JPWO2016129235A1 - 方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
良好な鉄損と高生産性とを両立させることが可能な方向性電磁鋼板の製造方法を提供する。磁区細分化のための溝形成において、感光性樹脂を含むレジストを塗布し、露光および現像することで線状の地鉄露出部を形成し、ついで行う電解エッチングでは、電極に投入する電流をＩ、電極の面積と同一面積の鋼板表面における地鉄露出部の面積をＳとしたとき、地鉄露出部に対する電流密度ρ＝Ｉ／Ｓを７．５Ａ／ｃｍ２以上とする。
Description
本発明は、磁区細分化処理を施す方向性電磁鋼板の製造方法であって、とりわけ歪取焼鈍に耐える磁区細分化処理を効率よく行い、かつ、処理後の鉄損に優れる方向性電磁鋼板の製造方法に関する。
方向性電磁鋼板は、変圧器等の鉄心として広く用いられる軟磁性材料である。方向性電磁鋼板には、鉄心として用いた時のエネルギーロスを最小とするために、低鉄損であることが求められる。
鋼板の鉄損を下げる方法の一つとして、二次再結晶と呼ばれる現象を利用して、鋼板中の結晶の方位をＧｏｓｓ方位（｛１１０｝＜００１＞方位）に高度に集積させ、透磁率を高めることでヒステリシス損を低減する方法がある。結晶方位の集積度を高める方法については、これまで数多くの検討がなされ、結晶粒の方位のＧｏｓｓ方位からのずれ角がわずか数度程度にまで先鋭化された製品が工業的に製造されている。
それ以外の方法として、結晶中の磁区を細分化し、渦電流損を低減する方法が知られている。例えば、特許文献１には、鋼板表面の板幅方向に、線状にレーザを照射することで鋼板表面近傍に歪を導入し、磁区を細分化することで鉄損を低減する方法が開示されている。しかしながら、このようにレーザによって導入された歪は、歪取り焼鈍時に消失して鉄損の増大をもたらすため、歪取り焼鈍が必要となる巻き鉄心には用いることができないという問題があった。
また、この問題を解決するために、鋼板表面付近に溝を形成することで、歪取り焼鈍による鉄損劣化のない磁区細分化(耐熱型磁区細分化)の方法が知られている。例えば、特許文献２では、ナイフの刃先、レーザ、放電加工、電子ビーム等によって鋼板表面に線状の溝を導入する方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では溝の周辺にカエリが生じ、カエリを除去する工程が必要になるという問題があった。
そこで上記のようなカエリを生じさせない方法として、特許文献３では、鋼板表面にネガ−ポジ型のゴム系有機系感光液を塗布したのち、マスクを通して紫外線光照射を行い、現像液中に鋼板を浸漬して紫外光露光部を除去し、次いで硝酸、塩酸等の酸中に浸漬して露光部の地鉄を化学エッチングするフォトエッチングによる方法が開示されている。
しかしながら、特許文献３に記載の方法では、化学エッチングの速度に限界があるため、生産性を高めることを目的としてライン速度を高速化しようとしたときに、エッチング設備が長大になりすぎるという問題があった。また、エッチングに用いる酸中に溶解したＦｅイオンの濃度が増加すると、エッチング速度が抑制されるため、コイル長手方向に均一な形状の溝を形成することが困難であるという問題もあった。
この問題を解決するために、特許文献４では、最終冷間圧延後の鋼板に、印刷によってレジスト皮膜を、非塗布領域として圧延方向と交わる向きに連続または非連続の線状領域を残存させて、塗布、焼付けたのち、エッチング処理を施して鋼板表面に連続または非連続の線状溝を形成する方法を開示している。また、特許文献４では、レジスト皮膜を印刷する方法として、グラビアオフセット印刷による方法が、エッチングの方法としてエッチング量を制御しやすい電解エッチングを用いる方法が開示されている。
しかしながら、特許文献４に記載の方法では、ロールに残ったインクを除去するドクターブレードが磨耗し、非塗布領域にも部分的にインク（レジスト）が塗布されるという問題があった。そして、非塗布領域に部分的にレジストが存在する状態で電解エッチングの電流密度を高くしていくと、非塗布領域以外のレジストが絶縁破壊されるようになる。このような、レジストの絶縁破壊が発生すると、本来意図しない領域がエッチングされて磁区細分化が上手く行われずに、鉄損改善効果が不十分になってしまう。
そのため、特許文献４に記載の方法では、電解エッチングの電流密度を下げた操業を行わざるを得ないので、磁区細分化のために必要なエッチング量を確保するためにはライン速度を落とさざるを得ず、良好な鉄損と高生産性の両立が困難であるという問題が残っていた。
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、磁区細分化を施す方向性電磁鋼板の製造方法であって、特に、歪取り焼鈍などを行う鋼板向けの耐熱型の磁区細分化処理において、良好な鉄損と高生産性とを両立させることが可能な方向性電磁鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
発明者らは上記の課題を解決するために、鋼板表面上にレジスト皮膜を形成させる方法およびエッチングの方法について鋭意検討を行った。その結果、感光性樹脂を含む皮膜をレジスト皮膜として塗布し、露光によって、所望の部分のレジスト皮膜を変質させることで溝部となる領域のパターニングを行ったのちに、現像によって溝部となる領域のレジストを除去し、さらには、適切なレジスト皮膜と露光条件を用いることで、溝部分のレジスト残留を防ぐことができることが分かった。そして、溝部分のレジスト残留がない鋼板であれば、高い電流密度で電解エッチングを行っても、非溝部の意図しないエッチングを抑制することができ、鋼板の低鉄損化と高生産性の確保とが両立可能であるとの知見を得た。
本発明は上記の知見に立脚するものである。
本発明は上記の知見に立脚するものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．方向性電磁鋼板用素材に熱間圧延を施して熱延鋼板とし、
該熱延鋼板に１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して最終板厚を有する冷延鋼板とし、
前記冷延鋼板の片面または両面に、感光性樹脂を含むレジスト皮膜を塗布し、塗布した面を局所的に露光してパターニングを行い、現像によって板幅方向に連続または不連続な線状の地鉄露出部を形成し、
前記地鉄露出部が形成された鋼板を電解エッチングして、板幅方向に連続または不連続な線状の溝を形成し、
前記電解エッチング後の鋼板に一次再結晶焼鈍を施し、その後最終仕上げ焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、
前記電解エッチングにおいて、電極に投入する電流をＩ、電極の面積と同一面積の鋼板表面における地鉄露出部の面積をＳとしたとき、地鉄露出部に対する電流密度ρ＝Ｉ／Ｓが７．５Ａ／ｃｍ２以上であることを特徴とする、方向性電磁鋼板の製造方法。
１．方向性電磁鋼板用素材に熱間圧延を施して熱延鋼板とし、
該熱延鋼板に１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して最終板厚を有する冷延鋼板とし、
前記冷延鋼板の片面または両面に、感光性樹脂を含むレジスト皮膜を塗布し、塗布した面を局所的に露光してパターニングを行い、現像によって板幅方向に連続または不連続な線状の地鉄露出部を形成し、
前記地鉄露出部が形成された鋼板を電解エッチングして、板幅方向に連続または不連続な線状の溝を形成し、
前記電解エッチング後の鋼板に一次再結晶焼鈍を施し、その後最終仕上げ焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、
前記電解エッチングにおいて、電極に投入する電流をＩ、電極の面積と同一面積の鋼板表面における地鉄露出部の面積をＳとしたとき、地鉄露出部に対する電流密度ρ＝Ｉ／Ｓが７．５Ａ／ｃｍ２以上であることを特徴とする、方向性電磁鋼板の製造方法。
２．前記レジスト皮膜はポジ型レジストであり、前記パターニングは該ポジ型レジスト皮膜を塗布した面の溝形成領域を露光して行うことを特徴とする、前記１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
３．前記レジスト皮膜はネガ型レジストであり、前記パターニングは該ネガ型レジスト皮膜を塗布した面の非溝形成領域を露光して行うことを特徴とする、前記１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
４．前記レジスト皮膜は化学増幅型レジストであることを特徴とする、前記２または３に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
５．前記パターニングの露光は、前記鋼板上で光を走査し、該光の照射により前記レジスト皮膜を変性させて行うことを特徴とする、前記１〜４のいずれか１項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
６．前記パターニングの露光は、前記鋼板と離間して設置したマスクの開口部を通過した光を、前記鋼板に照射することにより行い、かつ、前記マスクと前記鋼板との距離が５０μｍ以上５０００μｍ以下であることを特徴とする、前記１〜４のいずれか１項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
７．前記パターニングの露光は、レンズおよび／またはミラーを介して、前記鋼板と離間して設置したマスクの開口部を通過した光を、前記鋼板に照射することにより行うことを特徴とする、前記１〜４のいずれか１項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、歪取焼鈍を施しても磁区細分化の効果が消失せず、良好な鉄損を維持できる方向性電磁鋼板を高い生産性で製造することができる。
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、発明者らが本発明を着想するに至った実験として、レジスト皮膜の塗布方法について検討を行った実験の説明を行う。
実験に使用した方向性電磁鋼板は、方向性電磁鋼用スラブを熱間圧延し、その後必要に応じて熱延板焼鈍を行った後、１回または中間焼鈍をはさむ２回の冷間圧延により最終製品板厚とし、その後、脱炭焼鈍ついで最終仕上げ焼鈍を施し、その後、上塗りコーティングを施して製造した。
まず、発明者らが本発明を着想するに至った実験として、レジスト皮膜の塗布方法について検討を行った実験の説明を行う。
実験に使用した方向性電磁鋼板は、方向性電磁鋼用スラブを熱間圧延し、その後必要に応じて熱延板焼鈍を行った後、１回または中間焼鈍をはさむ２回の冷間圧延により最終製品板厚とし、その後、脱炭焼鈍ついで最終仕上げ焼鈍を施し、その後、上塗りコーティングを施して製造した。
上記の製造工程中、０．２３ｍｍの最終製品板厚とした最終冷延板の片面に、地鉄露出部が約１００μｍの幅で圧延方向と直角方向に線状に延び、その圧延方向での間隔が５ｍｍとなるパターンを有したレジスト皮膜のパターニングを、異なる方法で行った。
ここで、パターニングの方法の一つは、エポキシ系樹脂を主成分とするレジストをグラビアオフセット印刷により印刷して乾燥するものとした。また、もう一つの方法は、ゴム系樹脂に感光材としてビスアジド化合物を含むレジスト皮膜を鋼板表面に均一に塗布し、溝部のみが遮蔽されたマスクを鋼板面の１００μｍ上に固定して、マスクを介して紫外線を照射したのち、アルカリ現像液に浸漬することで、溝部の皮膜のみ除去するものとした。
後者の方法に用いたレジスト皮膜は、一般に、半導体製造で採用されているフォトリソグラフィ技術に用いられるネガ型レジストであり、露光部が硬化して現像時に不溶性物質となる。
また、両者の方法では、ともに、レジスト皮膜の膜厚を２μｍとした。パターニング工程の後、レジスト皮膜を塗布した鋼板をＮａＣｌ水溶液中に浸漬し、地鉄露出部に対する電流密度ρを変えて、電荷量が一定になる条件で電解エッチングを施した。
なお、本発明における地鉄露出部に対する電流密度ρは、電解エッチングに用いる電極の浸漬部分と同等の面積（本発明では、単に、電極の面積ともいう）を鋼板表面で選択した場合の地鉄露出部の面積をＳ［ｃｍ２］、投入電流をＩ［Ａ］としたとき、ρ＝Ｉ／Ｓ［Ａ／ｃｍ２］で定義される。すなわち、電極の電解溶液に浸漬している部分の面積をＲ［ｃｍ２］とした場合、電解される鋼板の任意の位置の面積Ｒ［ｃｍ２］の部分を選択すると、その部分の地鉄露出部の面積がＳ［ｃｍ２］になるということである。
次いで、電解エッチング後に残留しているレジスト皮膜を有機溶剤に溶かして剥離したのち、接触式の表面粗度計を用いて溝幅と溝深さを調査した。なお、溝幅と溝深さは、下に凸となっている領域の最も深い部分の深さを溝深さ、溝深さに対して半分の深さにある位置での溝の両端となる２点の距離を溝幅とし、サンプルの異なる５本の溝について、それぞれ４ヶ所ずつ測定を行い、計２０点の平均で算出した。
さらに、上記サンプルの脱炭焼鈍を行い、最終仕上げ焼鈍を行った後、上塗りコーティングを施して製品とした。
かくして得られた製品板から試験片を切り出し、歪取り焼鈍を施した後、ＪＩＳ Ｃ２５５０に記載の方法で鉄損Ｗ１７／５０を測定した。
その結果を表１に示す。なお、基本電流密度は、投入電流Ｉを電極の面積Ｒで除したＩ／Ｒ［Ａ/ｃｍ２］で定義される電流密度である。
かくして得られた製品板から試験片を切り出し、歪取り焼鈍を施した後、ＪＩＳ Ｃ２５５０に記載の方法で鉄損Ｗ１７／５０を測定した。
その結果を表１に示す。なお、基本電流密度は、投入電流Ｉを電極の面積Ｒで除したＩ／Ｒ［Ａ/ｃｍ２］で定義される電流密度である。
表１から明らかなように、グラビアオフセット印刷によってレジスト皮膜を塗布した方法では、電流密度ρが７．５Ａ／ｃｍ２を超えると溝幅が広がって溝深さが浅くなり、鉄損が劣化していくのに対し、ネガ型レジストを塗布して露光・現像を行った方法では、電流密度が大きくなっても溝幅および溝深さは大きく変化せず、グラビアオフセット印刷による方法よりも鉄損が良好であった。
このように、感光性レジストを鋼板表面に塗布し、露光、現像によって所望のパターンを持つ地鉄露出部を鋼板表面に形成させた後、高い電流密度の電解エッチングによって地鉄露出部をエッチングすることで、本発明は、高生産性と低鉄損を両立できる耐熱型磁区細分化技術となることが分かった。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明に用いる方向性電磁鋼板用素材は、鋳造によってスラブとして供給する。鋳造の方法は特に限定しない。素材となるスラブの組成は、方向性電磁鋼板用として一般に用いられるものであれば特に限定しないが、例えば、Ｓｉ：２〜５ｍａｓｓ％、Ｃ：０．００２〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０１〜０．８０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００２〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００３〜０．０２ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とすることができる。
本発明に用いる方向性電磁鋼板用素材は、鋳造によってスラブとして供給する。鋳造の方法は特に限定しない。素材となるスラブの組成は、方向性電磁鋼板用として一般に用いられるものであれば特に限定しないが、例えば、Ｓｉ：２〜５ｍａｓｓ％、Ｃ：０．００２〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０１〜０．８０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００２〜０．０５ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００３〜０．０２ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物とすることができる。
次いで、必要に応じてスラブを加熱して、熱間圧延して熱延鋼板（熱延板）としたのち、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。熱延板焼鈍の温度は特に限定しないが、例えば８００〜１２００℃の範囲とすることが磁気特性向上の観点から好ましい。
さらに、１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施し、冷延鋼板（以下、単に鋼板ともいう）とする。これらの方法は公知の方法で行えば良い。
さらに、１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施し、冷延鋼板（以下、単に鋼板ともいう）とする。これらの方法は公知の方法で行えば良い。
以降の工程で冷延鋼板へのレジストの密着性を高めることを目的として、レジスト塗布の直前に水酸化ナトリウム溶液等のアルカリ溶液で鋼板表面の脱脂・乾燥をすることが望ましい。
このようにして得られた冷延鋼板の片面または両面に感光性樹脂を含むレジスト皮膜を塗布する。
このようにして得られた冷延鋼板の片面または両面に感光性樹脂を含むレジスト皮膜を塗布する。
レジストの塗布方法は特に限定しないが、帯状の鋼板（鋼帯ともいう）に均一に塗布する観点から、ロールコータやカーテンコータ、バーコータなどの方法を用いることができる。また、レジストの塗布後に、レジストを固化させ密着性を高めることを目的として、５０〜３００℃で１〜３００秒の範囲の熱処理を加えることが望ましい。
本発明に用いるレジストには、露光部分が現像液に対して溶解性が増すポジ型レジストが好適である。ポジ型レジストでは露光部分が現像により除去されるため、露光部分を小面積とすることができるからである。すなわち、所望の溝幅に絞った光を、直接、鋼板上で走査し、溝位置に相当する露光部分のレジストを変性させればよい。このようにポジ型レジストは、マスクのような複雑な機構を介さずに任意のパターニングを行うことができるので、方向性電磁鋼板の耐熱型磁区細分化に適したレジスト材料である。
ここで、ポジ型レジストはアルカリ可溶性樹脂および光により酸を発生する化合物を主成分とする。本発明において、ポジ型レジストの成分は特に限定されるものではないが、例えば、アルカリ可溶性樹脂として、ノボラック樹脂、ポリアミド系樹脂、アクリル樹脂、環状オレフィン樹脂などを用いることができる。光により酸を発生する化合物はキノンジアジド化合物やオニウム塩などを用いることができる。
本発明に用いるレジストには、露光部分が現像液に対して難溶解性となるネガ型レジストを用いることも好ましい。ネガ型レジストでは露光部分が現像時に残存するため、電解エッチング時に地鉄を露出させたい部分のみを残したマスクを使用し、マスクを介して光を照射することで、光を走査することなくパターニングを行うことができるからである。
また、ネガ型レジストは、鋼板への密着性に優れるため、鋼板を搬送中に振動などでレジストが剥離するのを抑制することができる。ネガ型レジストの成分としては、環化ゴムと感光剤としてビスアジド化合物を含有するものがよく知られている。これら成分を含むレジストは、現像に有機溶媒を必要とする。現像にアルカリ溶液を使用可能なレジストとしては、ポリシロキサンやアクリル樹脂などのアルカリ可溶樹脂と、多官能アクリルモノマーおよびα−アミノアルキルフェノン化合物やオキシムエステル化合物などの光ラジカル重合開始材を含有するものが知られている。
本発明に用いるレジストには、その使い勝手の点で優れている化学増幅型のレジストが好ましい。化学増幅型レジストとは、光酸発生剤を含有し、露光によって光酸発生剤から発生した酸を触媒とする反応を利用するレジストである。
化学増幅型レジストはポジ型とネガ型の２種類がある。化学増幅ポジ型レジストは、光酸発生剤から発生した酸がアルカリ可溶性樹脂のアルカリ可溶基を保護する保護基の脱保護反応を起こすことで、光照射部がアルカリ可溶性となる。一方、化学増幅ネガ型レジストは、光酸発生剤から発生した酸がアルカリ可溶基と架橋剤の架橋反応を起こし、アルカリ不溶となる。化学増幅型レジストは前記のとおり酸を触媒とした反応を利用しているので、露光に対して高感度であり、露光時間の短縮を実現でき、生産性をより高めることが可能となる。
本発明において、化学増幅型レジストの具体的な成分は、特に限定するものではないが、例えば、化学増幅型のポジ型レジストでは、ポリビニルフェノールなどフェノール性水酸基やカルボキシル基をもつアルカリ可溶樹脂にter-ブトキシカルボニルなどを結合してアルカリ不溶化した樹脂が用いられる。化学増幅型のネガ型レジストは、アルカリ可溶樹脂に架橋剤としてテトラメトキシグリコユリルなどを含有している。なお、光酸発生剤としては、オニウム塩、ニトロベンジルエステル、ジアゾメタンなどが知られている。
これらのレジストは、適当な溶剤に溶解し、適切な粘度に調節して用いる。溶剤は樹脂と感光剤に対して不活性であれば特に制限はなく、例えば、アルカリ溶解樹脂に対してはプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、酢酸イソプロピル、ジメチルスルホキシドなどを用いることができる。一方、環化ゴムをベースとして用いる場合は有機溶剤を用いる。
上記のようにしてレジストを塗布された鋼板は、レジスト中の溶媒を蒸発させ、鋼板に密着させることを目的として加熱処理を施す。加熱処理の温度・時間は使用するレジストにあわせて調整するが、おおむね５０〜１５０℃で１〜５００秒程度とするのが望ましい。
次いで、レジストを塗布した面に光を照射して露光する。用いる光源は使用するレジストの感光剤に応じて変更する。例として、ポジ型レジストやネガ型レジストの主な感光帯であるｇ線(４３６ｎｍ）やｉ線（４０５ｎｍ）付近の光源として高圧水銀灯やレーザダイオードを用いることができる。化学増幅型レジストにはＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）などを用いることができる。また、必要に応じてＸ線や電子ビームを用いることもできる。
耐熱型磁区細分化を目的とする本発明において、露光を行う方法としては、光を鋼板上で走査して露光を行う直接描画型が適している。この方法では、光の照射方向と鋼板の移動方向を同期させるだけでよく、マスクと組み合わせた高価な露光装置を用いることなく露光を行うことができる。上記の露光方式に用いるレジストは特に指定されるわけではないが、ポジ型または化学増幅ポジ型レジストと組み合わせて用いることが好ましい。なぜなら、鋼板の表面積に比して面積の小さい溝形成部分のみを適切なスポット系の光で走査すればよいため、光学系の走査負荷を低減し、短時間で露光を行うことができるからである。ネガ型レジストを用いる場合は、溝形成部以外の領域上を光で走査すれば良い。直接描画型による露光装置の一例を図１に示す。なお、図中、１は鋼板、２は光、３は光照射装置（光源）、４はミラーである。
なお、鋼板上を走査する光の光源としては、指向性が高く、走査の制御が容易なレーザーを用いることが望ましい。レーザー光源としては、高出力の得られる個体ＵＶレーザーやＡｒ＋レーザーなどを使用することが望ましい。また、生産性の観点から、レジストの露光量は高すぎないことが望ましく、５００ｍＷ／ｃｍ２以下とすることが望ましい。より好ましくは２００ｍＷ／ｃｍ２以下である。レーザーのスポット径は所望の溝幅と同等であればよく、１０〜２５０μｍの範囲とすることが望ましい。
また、本発明に用いる露光方法としては、マスクを鋼板表面付近に設置する近接マスク型が適している。ポジ型または化学増幅ポジ型レジストを用いる場合は、溝部分が開口したマスクを用いる。ネガ型または化学増幅ネガ型レジストを用いる場合は、溝部分が遮蔽され、非溝形成領域が開口したマスクを用いる。露光は光源と鋼板の間にマスクを設置し、マスクの開口部から鋼板上に光が到達することで行われる。
かかる遮光方法を用いることで、レーザのように指向性が高く、微細なスポット径の光を得ることが困難な安価な光源を用いて露光を施すことが可能となる。
上記露光時に、マスクを鋼板と接触させると、レジストに疵や剥離が生じ、電解エッチング時に意図しない領域がエッチングされることで鉄損の劣化をもたらす。そこで、本発明においては、マスクと鋼板は接触させずに露光を行う。
上記露光時に、マスクを鋼板と接触させると、レジストに疵や剥離が生じ、電解エッチング時に意図しない領域がエッチングされることで鉄損の劣化をもたらす。そこで、本発明においては、マスクと鋼板は接触させずに露光を行う。
このとき、マスクと鋼板の距離は５０μｍ以上５０００μｍ以下とするのが好ましい。ここで、マスクと鋼板の距離とは、図２に示すようにマスクが鋼板と水平方向に設置される場合は、マスクと鋼板の鉛直方向の距離Ｌとする。また、図３に示すようにマスクが湾曲して設置される場合は、マスクと鋼板の最近接距離Ｌとする。なお、図２、３中、５はマスク部材、６はマスクと鋼板との距離：Ｌである。
ここで、マスクの鋼板との距離が大きすぎると光の回折によって照射領域以外にも光が到達するようになり、適切な幅の溝を形成できなくなる。そのため、マスクと鋼板の距離は５０００μｍ以下とするのが好ましい。一方、マスクと鋼板の距離が小さくなりすぎると鋼板の振動によって、鋼板とマスクとが接触する場合があるため、５０μｍ以上とするのが好ましい。マスクの露光部は鋼板と水平に設置し、鋼板の移動に応じてマスクと光源を移動させるタイプであっても良いし、化学増幅型レジストなどで十分短時間で露光が完了する場合は、図４の露光装置のようにマスクの開口部のみを移動させて、位置を固定した光源から周期的に光を照射する方法であっても良い。マスクの溝形成領域の幅は鋼板上に形成する地鉄露出部の幅とほぼ等倍とするのがよいが、マスクと鋼板の距離に応じて縮尺を変更して良い。
また、本発明に用いる露光方法として、マスクを通過して得られた像がレンズおよび／またはミラーによる光学系によってレジスト上に投影する投影型が適している。この方法によれば、マスクを鋼板に近づける必要がなく、鋼板の搬送に伴う振動などでマスクと鋼板が接触することがないため、マスクの欠損を防ぎ、安定した露光を維持することができる。鋼板上に投影される像はマスクと等倍であってもいいし、鋼板上で像が所望のスケールとなるように縮小・拡大して投影してもいい。像を縮小する場合は高精度な露光が可能となり、安定した露光が維持できる。一方、拡大投影した場合は、露光の精度は縮小の場合に比べて劣るものの、マスクのサイズを小さくすることができ、コスト面で優れている。投影型による露光装置の一例を図５に示す。なお、図中、７はレンズである。
図４および５では、露光方法に応じた露光装置の一例を示したが、これらはあくまで一例であり、異なる装置による露光方法の実施をなんら拒むものではない。
ここで、化学増幅型レジストを用いる場合は、露光後に適切な温度と時間で熱処理を行う。これにより、化学増幅ポジ型レジストでは、露光によって光酸発生剤から発生した酸が触媒となりアルカリ可溶性樹脂のアルカリ可溶基の保護基の脱保護反応を促進し、露光部がアルカリ可溶に変化する。ネガ型においてはアルカリ可溶樹脂と架橋剤が酸を触媒として架橋反応を引き起こし、露光部がアルカリ非可溶化する。処理温度および時間は用いるレジストにより異なるが、５０〜２００℃の温度で１〜３００秒程度の時間とするのが良い。
次いで、現像により溝形成部分のレジストを除去し、地鉄を露出させることでパターニングを完了する。現像液はレジストに合わせたものを使用する。アルカリ可溶樹脂をベースとするレジストにあっては、水酸化カリウム水溶液などの無機アルカリや、水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液などの有機アルカリを用いることができる。環化ゴムをベースとするネガ型レジストを用いる場合は、ケトン系溶剤、エステル系溶剤、アルコール系溶剤などの有機溶剤を用いる。現像の工程は特に指定するものではないが、鋼板を現像液で満たした槽に浸漬する方法や、現像液をスプレーで吹き付ける方法などが生産効率の観点から好ましい。現像ののち、必要に応じてリンス剤や純水で洗浄する工程を行うことが好ましい。
この後、必要に応じて乾燥処理を行うことで、溶剤を蒸発させるレジストの密着性を向上させることができる。乾燥処理の条件はレジストや膜厚によって異なるが、５０〜３００℃の温度で１〜３００秒程度の時間とするのが良い。乾燥設備には標準的な熱風乾燥装置などを用いることができる。
続いて、パターニングが完了した鋼板を電解エッチングにより電解し、パターニングによって形成した地鉄露出部に溝を形成する。また、鋼板の電解エッチングの方法は、地鉄露出部に対する電流密度以外は公知の方法で行うことができる。電解エッチングに用いる電解液も公知の方法のものを用いればよく、例えば、ＮａＣｌ水溶液などを用いることができる。
ここで、電流密度は、鋼板表面における電極の面積と同一の面積中の地鉄露出部の面積をＳ［ｃｍ２］としたとき、地鉄露出部に対する電流密度（以下、単に電解電流密度ともいう）ρ＝Ｉ／Ｓが７．５Ａ／ｃｍ２未満であると、単位時間当たりのエッチング速度が低下するため、ライン速度を低下させるか電解設備の大型化が必須となり、生産性が低下する。
そのために、本発明における電解電流密度は７．５Ａ／ｃｍ２以上とする。好ましくは１２Ａ／ｃｍ２以上、より好ましくは２０Ａ／ｃｍ２以上である。電解電流密度の上限は特に指定しないが、鋼板の発熱など避ける観点から１０００Ａ／ｃｍ２以下とするのが好ましい。
そのために、本発明における電解電流密度は７．５Ａ／ｃｍ２以上とする。好ましくは１２Ａ／ｃｍ２以上、より好ましくは２０Ａ／ｃｍ２以上である。電解電流密度の上限は特に指定しないが、鋼板の発熱など避ける観点から１０００Ａ／ｃｍ２以下とするのが好ましい。
本発明で形成する溝の制御は、レジスト塗布後の露光・現像によるパターニングで溝幅を制御し、電解エッチングにおける電流密度と電解時間を調節して溝深さを制御する。磁気特性の観点から、溝幅は１０〜２５０μｍとし、溝の方向は圧延方向と直角方向に対しから３０°以内の範囲とするのが望ましい。溝の深さは１００μｍ以下とするのが望ましい。なお、溝の形成間隔（ピッチ）は、１〜３０ｍｍ程度が良い。
電解エッチングが完了した後、必要に応じて鋼板表面のレジストを除去する工程を行う。剥離の方法は特に指定するものではないが、例として有機溶剤に鋼板を浸漬する方法がある。
上記手順により溝が形成された鋼板に、脱炭焼鈍と一次再結晶焼鈍を施す。一次再結晶焼鈍は脱炭焼鈍を兼ねたものであっても良い。この一次再結晶焼鈍における焼鈍温度は、脱炭焼鈍を伴う場合は、脱炭を速やかに進行させる観点から、水素と窒素などの不活性ガスの湿潤混合雰囲気で８００〜９００℃の範囲とするのが好ましい。また、続く最終仕上げ焼鈍でフォルステライトを主体とする絶縁被膜を形成させる場合には、脱炭の不要なＣ：０．００５ｍａｓｓ％以下の場合であっても上記雰囲気での焼鈍が必要である。
一次再結晶焼鈍を施した鋼板は、鋼板表面にフォルステライト被膜を形成させるため、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布、乾燥した後、最終仕上げ焼鈍を施す。上記最終仕上げ焼鈍は、８００〜１０５０℃付近に２０時間以上保持して二次再結晶を発現・完了させた後、１１００℃以上の温度まで昇温することが好ましく、鉄損特性を重視し、純化処理を施す場合には、さらに１２００℃程度の温度まで昇温するのが好ましい。
最終仕上げ焼鈍後の鋼板は、その後、水洗やブラッシング、酸洗等で、鋼板表面に付着した未反応の焼鈍分離剤を除去した後、平坦化焼鈍を施して形状矯正することが、鉄損の低減には有効である。これは、最終仕上げ焼鈍は、通常、コイル状態で行うため、コイルの巻き癖が付き、これが原因で、鉄損測定時に特性が劣化することがあるためである。
さらに、本発明の鋼板は、上記平坦化焼鈍、あるいは、その前または後において、鋼板表面に絶縁被膜を被成する。上記絶縁被膜は、鉄損を低減するため、鋼板に張力を付与する張力付与被膜とすることが好ましく、例えば、先述したリン酸塩−クロム酸塩−コロイダルシリカからなる絶縁被膜を適用するのが好ましい。
〔実施例１〕
Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．０５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０３ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、１４００℃で加熱した後、熱間圧延して２．２ｍｍの板厚とし、１１００℃×６０秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して板厚１．８ｍｍとし、１１００℃×６０秒の中間焼鈍を施した後、２回目の冷間圧延で０．２３ｍｍの最終板厚とした。
Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ｃ：０．０５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０３ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１ｍａｓｓ％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、１４００℃で加熱した後、熱間圧延して２．２ｍｍの板厚とし、１１００℃×６０秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して板厚１．８ｍｍとし、１１００℃×６０秒の中間焼鈍を施した後、２回目の冷間圧延で０．２３ｍｍの最終板厚とした。
上記のようにして得られた冷延鋼板に、表２に示す種々の方法で磁区細分化処理を施した。
ここで、グラビアオフセット印刷では、版ロールに設けるメッシュを、板幅方向に１００μｍ幅で延びる未塗布部が圧延方向に３ｍｍピッチで並ぶように設定し、このメッシュを用いてエポキシ系樹脂を主成分とするレジストを冷延鋼板に印刷した。
ここで、グラビアオフセット印刷では、版ロールに設けるメッシュを、板幅方向に１００μｍ幅で延びる未塗布部が圧延方向に３ｍｍピッチで並ぶように設定し、このメッシュを用いてエポキシ系樹脂を主成分とするレジストを冷延鋼板に印刷した。
ポジ型レジスト塗布では、ノボラック樹脂とナフトキノンジアジド系感光剤を含有するレジストを冷延鋼板にロールコートし、幅１００μｍの板幅方向に延びるスリットが３ｍｍピッチであるマスクを、冷延鋼板からの距離が１００μｍの位置に配置し、近接マスク型で露光を行った。
また、露光は、超高圧水銀灯を用いて、照度１００ｍＷ／ｃｍ２で１秒間行った。いずれのレジスト塗布方法でも、膜厚は２μｍであった。露光の後、水酸化カリウム溶液に６０秒浸漬して現像を施した後、１２０℃×２０秒の熱風乾燥を施した。
グラビア印刷した鋼板またはポジ型レジスト塗布後に露光・現像を施した鋼板には、その後電解エッチングあるいは化学エッチングを施して溝を形成した。電解エッチングでは、３０℃、３０％のＮａＣｌ溶液中で電解電流密度ρ＝２０Ａ／ｃｍ２として２０秒間にわたり行った。一方、化学エッチングでは、ＦｅＣｌ３中に３０秒間浸漬したのち、純水の洗浄を行った。
グラビアオフセット印刷した鋼板およびポジ型レジストを塗布した鋼板については、上記のエッチングの後、ＮａＯＨ水溶液中に浸漬してレジストを除去した。ナイフによる耐熱磁区細分化処理では、ナイフエッジを一定の応力で鋼板表面に押し付け、板幅方向に引くことで３ｍｍピッチの溝を形成した。
上記のようにして冷延鋼板に形成された溝の幅と深さを、コイル長手方向の３０の位置においてそれぞれ板幅方向に５点ずつ測定した。
その後、磁区細分化処理を施さなかった試験片とともに、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施したのち、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布して最終仕上げ焼鈍を施した。
その後、磁区細分化処理を施さなかった試験片とともに、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施したのち、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布して最終仕上げ焼鈍を施した。
かくして得られた最終仕上げ焼鈍後の試験片について、ＪＩＳ Ｃ２５５０に準拠して磁束密度１．７Ｔ、励磁周波数５０Ｈｚにおける鉄損Ｗ１７／５０を測定した。この測定の結果を表２に併記する。
同表より、ポジ型レジストを塗布し、さらに電解エッチングで溝を形成した方法は、良好な鉄損でかつコイル長手方向の溝形状および鉄損のばらつきが小さいことが分かる。
〔実施例２〕
実施例１で作製したものと同様の冷延鋼板コイルに、表３に示す種々のレジストを塗布した。ここで、オフセットグラビア印刷以外のレジストは、ロールコータにて鋼板表面に均一塗布され、表３に示す光源と幅１００μｍのスリットまたは遮蔽部の形成されたマスクとを用い、ミラーおよびレンズの光学系を介した投影型で露光を施した。投影倍率は等倍とした。
実施例１で作製したものと同様の冷延鋼板コイルに、表３に示す種々のレジストを塗布した。ここで、オフセットグラビア印刷以外のレジストは、ロールコータにて鋼板表面に均一塗布され、表３に示す光源と幅１００μｍのスリットまたは遮蔽部の形成されたマスクとを用い、ミラーおよびレンズの光学系を介した投影型で露光を施した。投影倍率は等倍とした。
その後、化学増幅型レジストを塗布した鋼板については８０℃×３０秒の熱処理を加えた。次いでレジストに適した現像液で現像した。オフセットグラビア印刷については、幅１００μｍの未塗布部が圧延方向に３ｍｍピッチで形成される版ロールを作製し、エポキシ系樹脂を鋼板表面に印刷した。
これらの鋼板を、２５℃、２０ｍａｓｓ％のＮａＣｌ電解溶液中で、電解電流密度ρと電解時間を表３に示したように変えて電解エッチングを施した。その後、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施したのち、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布して最終仕上げ焼鈍を施した。
かくして得られた最終仕上げ焼鈍後の試験片について、ＪＩＳ Ｃ２５５０に準拠して磁束密度１．７Ｔ、励磁周波数５０Ｈｚにおける鉄損Ｗ１７／５０を測定した。それらの結果を表３に併記する。
表３より、ポジ型レジスト、ネガ型レジスト、化学増幅型レジストの塗布と電解エッチングとを組み合わせた本発明を満足する方法ではいずれも、高電流密度の短時間の電解で良好な鉄損がばらつきなく得られていることが分かる。一方、オフセットグラビア印刷と電解エッチングを組み合わせた方法では、電解電流密度を大きくするに従って鉄損が劣化したことが分かる。
〔実施例３〕
実施例１で作製したものと同様の冷延鋼板コイルに、ノボラック樹脂とナフトキノンジアジド系感光剤を主成分とするポジ型レジストを膜厚３μｍでロールコートし、１００℃×３０秒の熱処理を施した。その後、近接マスク型、投影型、直接描画型の３つの露光方法でそれぞれ種々の条件で鋼板片面に露光を施した。
実施例１で作製したものと同様の冷延鋼板コイルに、ノボラック樹脂とナフトキノンジアジド系感光剤を主成分とするポジ型レジストを膜厚３μｍでロールコートし、１００℃×３０秒の熱処理を施した。その後、近接マスク型、投影型、直接描画型の３つの露光方法でそれぞれ種々の条件で鋼板片面に露光を施した。
近接マスク型では、板幅方向に伸びる１００μｍ幅のスリットが圧延方向に５ｍｍピッチで刻まれたマスクを作製し、マスクと鋼板との距離を表４に示す範囲で変えて、照度５０ｍＷ／ｃｍ２の超高圧水銀灯を用いて３秒間露光した。
投影型では、表４に示す倍率で鋼板表面に縮小・拡大投影したときに幅１００μｍで板幅方向に伸びる領域が圧延方向に５ｍｍピッチごとに露光されるよう複数のマスクを作製し、光源を超高圧水銀灯として、マスクを通過した像をレンズとミラーを介して種々の投影倍率で鋼板表面上に投影した。照度は鋼板表面上で５０ｍＷ／ｃｍ２となるように調整し、同一領域に対して３秒間の露光を施した。
直接描画型では、種々の出力で、波長３７５ｎｍの半導体レーザを、ミラーおよびレンズからなる光学系を用い、鋼板表面上でのスポット径が１００μｍとなるように集光して板幅方向に走査し、これを圧延方向に５ｍｍピッチで繰り返した。レーザの出力および板幅方向の走査速度の条件を、表４に示す。
これらの鋼板に、２５℃、２０％のＮａＣｌ電解溶液中で電解電流密度ρが１５Ａ／ｃｍ２、電解時間が１５秒となるようにして電解エッチングを施した。その後、脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施したのち、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布して最終仕上げ焼鈍を施した。
かくして得られた最終仕上げ焼鈍後の試験片について、ＪＩＳ Ｃ２５５０に準拠して磁束密度１．７Ｔ、励磁周波数５０Ｈｚにおける鉄損Ｗ１７／５０を測定し、その結果を表４に併記する。
同表より、近接マスク型で露光した条件で、マスクと鋼板との距離が５０μｍ以下の場合は、走行中の鋼板の振動によるマスクと鋼板の接触によるマスクの損傷が激しく、均一な露光ができないために鉄損の平均値とばらつきがともに大きくなった。また、マスクと鋼板との距離が５０００μｍを超えると、マスクを通過した後の光が回折によって広がり、露光を意図しない部分までもが露光され、地鉄が露出することで、エッチング後の溝幅が広がり良好な鉄損が得られなくなった。一方、マスクと鋼板との距離が５０〜５０００μｍの範囲内では良好な鉄損値をばらつきなく得ることができている。
また、投影型で露光した場合には、いずれの条件でも良好な鉄損値が得られている。特に、縮小投影を行った場合には鉄損のばらつきが抑えられている。また、拡大投影を行った場合でも、良好な鉄損値と小さなばらつきを維持できていることがわかる。
さらに、直接描画型で露光した条件では、ビーム出力と照射条件を変えても良好な鉄損値を小さなばらつきで実現できている。
１ 鋼板
２ 光
３ 光照射装置（光源）
４ ミラー
５ マスク部材
６ マスクと鋼板との距離：Ｌ
７ レンズ
２ 光
３ 光照射装置（光源）
４ ミラー
５ マスク部材
６ マスクと鋼板との距離：Ｌ
７ レンズ
Claims (7)
- 方向性電磁鋼板用素材に熱間圧延を施して熱延鋼板とし、
該熱延鋼板に１回または中間焼鈍を含む２回以上の冷間圧延を施して最終板厚を有する冷延鋼板とし、
前記冷延鋼板の片面または両面に、感光性樹脂を含むレジスト皮膜を塗布し、塗布した面を局所的に露光してパターニングを行い、現像によって板幅方向に連続または不連続な線状の地鉄露出部を形成し、
前記地鉄露出部が形成された鋼板を電解エッチングして、板幅方向に連続または不連続な線状の溝を形成し、
前記電解エッチング後の鋼板に一次再結晶焼鈍を施し、その後最終仕上げ焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、
前記電解エッチングにおいて、電極に投入する電流をＩ、電極の面積と同一面積の鋼板表面における地鉄露出部の面積をＳとしたとき、地鉄露出部に対する電流密度ρ＝Ｉ／Ｓが７．５Ａ／ｃｍ２以上であることを特徴とする、方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記レジスト皮膜はポジ型レジストであり、前記パターニングは該ポジ型レジスト皮膜を塗布した面の溝形成領域を露光して行うことを特徴とする、請求項１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記レジスト皮膜はネガ型レジストであり、前記パターニングは該ネガ型レジスト皮膜を塗布した面の非溝形成領域を露光して行うことを特徴とする、請求項１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記レジスト皮膜は化学増幅型レジストであることを特徴とする、請求項２または３に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記パターニングの露光は、前記鋼板上で光を走査し、該光の照射により前記レジスト皮膜を変性させて行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記パターニングの露光は、前記鋼板と離間して設置したマスクの開口部を通過した光を、前記鋼板に照射することにより行い、かつ、前記マスクと前記鋼板との距離が５０μｍ以上５０００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記パターニングの露光は、レンズおよび／またはミラーを介して、前記鋼板と離間して設置したマスクの開口部を通過した光を、前記鋼板に照射することにより行うことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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