JPWO2018123339A1 - 絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板、変圧器の鉄心および変圧器ならびに変圧器の騒音の低減方法 - Google Patents
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Abstract
変圧器の鉄心として加工され、実際に稼働している条件下で低騒音特性を発揮できる方向性電磁鋼板を提供する。絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板であり、前記絶縁被膜は、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種と、Si、P、Oを含有し、結晶化度が20％以上であり、かつ、100℃から200℃における前記絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上である方向性電磁鋼板である。好ましくは、絶縁被膜の静摩擦係数が0.21以上0.50以下である。好ましくは絶縁被膜はCrを含まない。
Description
本発明は、方向性電磁鋼板、変圧器の鉄心および変圧器ならびに変圧器の騒音の低減方法に関し、特に低騒音性に優れる方向性電磁鋼板に関するものである。
一般に、方向性電磁鋼板においては、絶縁性、加工性および防錆性等を付与するために鋼板表面に被膜をもうける。かかる被膜は、通常、最終仕上焼鈍時に形成されるフォルステライトを主体とする下地被膜とその上に形成されるリン酸塩系の上塗り被膜からなる。
上記被膜は高温で形成され、かつ、低い熱膨張率を持つことから、室温まで下がったときに鋼板と被膜との熱膨張率の差異により鋼板に張力を付与することになる。その結果、鉄損および磁歪を低減させる。特に磁歪が低減すると鉄心の磁歪振幅が小さくなり、変圧器の騒音を低く抑えることができる。近年、低騒音変圧器のニーズが高まってきており、そのため、できるだけ高い張力を鋼板に付与することが望まれている。
このような高付与張力の要望を満たすために、従来から種々の被膜が提案されている。例えば、特許文献１には、リン酸マグネシウム、コロイド状シリカおよび無水クロム酸を主体とする被膜が、また特許文献２には、リン酸アルミニウム、コロイド状シリカおよび無水クロム酸を主体とする被膜がそれぞれ提案されている。
しかしながら、特許文献１または特許文献２に記載のリン酸系ガラスコーティングにより発生する引張応力は十分であるとは言えず、さらなる改善が望まれている。
これに対し、特許文献３には、Ｐ、Ｓｉ、ＣｒおよびＯの元素、ならびに、Ｍｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｆｅ、ＣａおよびＢａからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素を含有し、5質量％以上がリン酸塩の結晶相であるコーティングとすることにより、高い引張応力を発生させ、鉄損を低減する方向性電磁鋼板が開示されている。
また、特許文献４では、表面に、りん酸金属塩とコロイド状シリカを主成分とし、該りん酸金属塩の結晶化度が60％以下とすることでクロムを含有しない高張力絶縁被膜とすることが、特許文献５では、りん酸塩とコロイド状シリカを主成分として含有し、かつ、結晶性のりん酸マグネシウムを、全面に、均一に分散して含有するクロムを含有しない高張力絶縁被膜とすることが、それぞれ開示されている。
確かに、リン酸塩のガラス質の被膜の一部を結晶化することは、耐密着性の向上、鋼板への付与張力の向上に寄与するものである。しかしながら、特許文献３、４、５のいずれの技術も、実際に変圧器にした際に変圧器から生じる騒音が大きいという問題が生じることがわかった。
本発明は、上記課題を解決し、変圧器の鉄心として加工され、実際に稼働している条件下で低騒音特性を発揮できる方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。また、前記方向性電磁鋼板を用いた変圧器の鉄心および変圧器ならびに変圧器の騒音の低減方法を提供することを目的とする。
本発明者らが鋭意検討した結果、以下の知見を得た。
同じ方向性電磁鋼板にそれぞれ異なるコーティングを施し、変圧器騒音が低かった（すなわち低騒音）鋼板と変圧器騒音が高かった鋼板の違いについて鋭意調査研究を行ったところ、変圧器騒音が高かった鋼板では、実際の変圧器の運転中の条件下である100℃から200℃程度の温度において被膜の鋼板への付与張力が大きく低下してしまうことがわかった。
同じ方向性電磁鋼板にそれぞれ異なるコーティングを施し、変圧器騒音が低かった（すなわち低騒音）鋼板と変圧器騒音が高かった鋼板の違いについて鋭意調査研究を行ったところ、変圧器騒音が高かった鋼板では、実際の変圧器の運転中の条件下である100℃から200℃程度の温度において被膜の鋼板への付与張力が大きく低下してしまうことがわかった。
この結果より、騒音発生の原因が、100℃から200℃程度の温度において鋼板への付与張力が大きく低下してしまうことによると考えられる。そして、これまで測定・評価していた室温での鋼板への付与張力ではなく、実際の変圧器の運転中の条件下である100℃から200℃程度の温度における鋼板への付与張力が低騒音の点から重要であることがわかった。さらに検討を進めた結果、絶縁被膜中に結晶相を含有させ、結晶化を利用することで鋼板への付与張力が高くなることも知見した。
本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、以下を要旨とする。
［１］絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板であり、前記絶縁被膜は、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種と、Si、P、Oを含有し、結晶化度が20％以上であり、かつ、100℃から200℃における前記絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上である方向性電磁鋼板。
［２］前記絶縁被膜の静摩擦係数が0.21以上0.50以下である上記［１］に記載の方向性電磁鋼板。
［３］前記絶縁被膜がCrを含まない上記［１］または［２］に記載の方向性電磁鋼板。
［４］前記絶縁被膜の平均膜厚が4.5μm以下である上記［１］〜［３］のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
［５］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いてなる変圧器の鉄心。
［６］上記［５］に記載の変圧器の鉄心を備える変圧器。
［７］変圧器の騒音を低減する方法であって、
該変圧器の鉄心を構成する方向性電磁鋼板として、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いる、変圧器の騒音の低減方法。
［２］前記絶縁被膜の静摩擦係数が0.21以上0.50以下である上記［１］に記載の方向性電磁鋼板。
［３］前記絶縁被膜がCrを含まない上記［１］または［２］に記載の方向性電磁鋼板。
［４］前記絶縁被膜の平均膜厚が4.5μm以下である上記［１］〜［３］のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
［５］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いてなる変圧器の鉄心。
［６］上記［５］に記載の変圧器の鉄心を備える変圧器。
［７］変圧器の騒音を低減する方法であって、
該変圧器の鉄心を構成する方向性電磁鋼板として、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いる、変圧器の騒音の低減方法。
本発明によれば、低騒音性に優れる方向性電磁鋼板が得られる。変圧器騒音を低減することが可能となり、低騒音変圧器の素材として有用である。本発明の方向性電磁鋼板を用いた変圧器の鉄心および変圧器は、低騒音性に優れる。
以下に、詳細に説明する。なお、成分組成の含有量の単位である「％」は特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
本発明の方向性電磁鋼板の表面に形成される絶縁被膜は、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種と、Si、P、Oを含有し、結晶化度は20％以上であり、かつ、100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上である。
なお、本発明において、絶縁被膜とは、リン酸塩系の張力絶縁被膜（上塗り被膜）である。
変圧器の騒音の原因は主に鉄心の磁歪によるものとされている。磁歪とは鉄を磁化した際に伸縮する現象であり、圧縮応力を鉄に加えた場合に磁歪が大きくなることが知られている。変圧器の鉄心は鋼板を積層することで形成され、大きなものでは数十トンもの鋼板が用いられる。そのため鋼板には自重により圧縮応力が働く。そこで、あらかじめ鋼板に張力を与えておけば、圧縮応力の影響を打ち消すことができる。ゆえに、できるだけ高い張力を鋼板に与えることで磁歪の増加を防ぐことができ、変圧器の騒音を低くすることができる。
以上の点から、本発明では、鋼板への付与張力として、100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上とする。実際に変圧器の運転中を想定して100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力を評価することで、低騒音特性を向上させることができる。100℃未満あるいは200℃よりも高い温度での評価は実際の運転中の温度よりも乖離しすぎていて低騒音特性を向上させる点から不適である。また、鋼板への最低付与張力は10MPa以上とする。10MPa未満の絶縁被膜張力であると磁歪の圧縮応力特性の改善が不足し騒音が大きくなってしまう。好ましくは12MPa以上である。上限は特に限定しないが、必要以上に張力を高くすることでコスト増を招くことから経済性の観点で30MPa以下が好ましい。
なお、100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力は、以下のようにして測定する。
鋼板への付与張力は圧延方向の張力とし、鋼板片面の絶縁被膜をアルカリ、酸などを用いて剥離した後の鋼板のそり量から、下記式（１）を用いて算出する。
鋼板への付与張力［ＭＰａ］＝鋼板ヤング率［ＧＰａ］×板厚［ｍｍ］×そり量［ｍｍ］÷（そり測定長さ［ｍｍ］）2×１０3・・・式（１）
ただし、鋼板ヤング率は、１３２ＧＰａとする。
鋼板への付与張力［ＭＰａ］＝鋼板ヤング率［ＧＰａ］×板厚［ｍｍ］×そり量［ｍｍ］÷（そり測定長さ［ｍｍ］）2×１０3・・・式（１）
ただし、鋼板ヤング率は、１３２ＧＰａとする。
そして、測定サンプルを100℃から200℃にかけて20℃/hrの速度で昇温し、もっともそり量が小さくなった時のそり量の値を用いて算出した鋼板への付与張力を、100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力とする。
本発明において、100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上であるとは、100℃から200℃の温度範囲における絶縁被膜の鋼板への付与張力が10MPa以上であることを意味する。
本発明で対象とする絶縁被膜はMg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種と、Si、P、Oを含有する。また、本発明の絶縁被膜はCrを含有してもよいが、環境負荷の観点からはCrを含有しないことが好ましい。
Pはリン酸塩としてP-O-Pのネットワーク構造を形成し、絶縁被膜素地（金属素地や、フォルステライト被膜、その他セラミックス被膜などの下地被膜）と絶縁被膜との密着性を確保するのに必須である。
Siはケイ酸塩としてSi-O-Siのネットワーク構造を形成し、絶縁被膜の耐吸湿性、耐熱性およびその熱膨張係数の小ささから張力付与性の向上に寄与する。
P-O-PやSi-O-Siのネットワーク構造同士を安定的に保つためには、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有させる必要がある。
また、本発明の絶縁被膜は、上記以外の金属元素を有していてもよい。前記金属元素としては、Li、Zr、Na、K、Hf、Ti、Wが挙げられる。
Pはリン酸塩としてP-O-Pのネットワーク構造を形成し、絶縁被膜素地（金属素地や、フォルステライト被膜、その他セラミックス被膜などの下地被膜）と絶縁被膜との密着性を確保するのに必須である。
Siはケイ酸塩としてSi-O-Siのネットワーク構造を形成し、絶縁被膜の耐吸湿性、耐熱性およびその熱膨張係数の小ささから張力付与性の向上に寄与する。
P-O-PやSi-O-Siのネットワーク構造同士を安定的に保つためには、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種の金属元素を含有させる必要がある。
また、本発明の絶縁被膜は、上記以外の金属元素を有していてもよい。前記金属元素としては、Li、Zr、Na、K、Hf、Ti、Wが挙げられる。
なお、絶縁被膜中に上記の元素が含まれているかどうかについては、例えば蛍光X線分析やGD-OES（グロー放電発光分析）によって判別することが出来る。
本発明の絶縁被膜は、例えば、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのリン酸塩のうちから選ばれる少なくとも1種、コロイド状シリカ、及び任意に用いられる添加物を混合した処理液を、例えば、方向性電磁鋼板の表面に塗布し、次いで、焼付け処理を行うことで上記のような構成からなる絶縁被膜を得ることができる。処理液中での相溶性や分散性の向上のためにコロイド状シリカのシリカ表面にAl等の表面処理を行ったり、コロイド溶液中へアルミン酸塩等の分散剤を適宜添加してもよい。また、リン酸塩の種類としては第一リン酸塩（重リン酸塩）が入手容易であり好適に用いることができる。
前記任意に用いられる添加物としては、特に限定されるものではないが、Li2O、NaOH、K2SO4、TiOSO4・nH2O、ZrO2、HfO2、Na2WO4等が挙げられ、Li2O、ZrO2が好ましい。
また、処理液中のリン酸塩とコロイド状シリカとの含有割合は、固形物換算において、リン酸塩１００質量部に対して、コロイド状シリカ５０〜１５０質量部が好ましく、５０〜１２０質量部がより好ましい。また、任意の添加物を用いる場合は、前記添加物の含有量は、固形物換算で、リン酸塩１００質量部に対して、前記添加物１．０〜１５質量部が好ましく、より好ましくは２．０〜１０質量部である。
また、処理液中のリン酸塩とコロイド状シリカとの含有割合は、固形物換算において、リン酸塩１００質量部に対して、コロイド状シリカ５０〜１５０質量部が好ましく、５０〜１２０質量部がより好ましい。また、任意の添加物を用いる場合は、前記添加物の含有量は、固形物換算で、リン酸塩１００質量部に対して、前記添加物１．０〜１５質量部が好ましく、より好ましくは２．０〜１０質量部である。
絶縁被膜は結晶化度が20％以上である。
一般的に、方向性電磁鋼板にはリン酸塩を主体とするガラス質の絶縁被膜が施されている。この絶縁被膜は800℃から1000℃といった高温で形成される。絶縁被膜の熱膨張係数を鋼板よりも小さくすることで絶縁被膜焼付け後において鋼板に引張応力を与えることができる。絶縁被膜はガラス質であることが通常であるが、低熱膨張係数の結晶相をガラス中に分散させることで、より低熱膨張にすることができる。
一般的に、方向性電磁鋼板にはリン酸塩を主体とするガラス質の絶縁被膜が施されている。この絶縁被膜は800℃から1000℃といった高温で形成される。絶縁被膜の熱膨張係数を鋼板よりも小さくすることで絶縁被膜焼付け後において鋼板に引張応力を与えることができる。絶縁被膜はガラス質であることが通常であるが、低熱膨張係数の結晶相をガラス中に分散させることで、より低熱膨張にすることができる。
上記の点より、本発明では、絶縁被膜中には鋼板へ付与する張力の改善のために結晶相をその結晶化度で20％以上含有させる。絶縁被膜の熱膨張係数を十分低下させるためには結晶化度は20％以上必要である。結晶化度の上限は100％、すなわちすべて結晶相であってもよい。しかしながら、耐食性などの点から80％以下にすることが好ましい。さらに好ましくは60％以下である。
なお、結晶化度とは絶縁被膜中の結晶相の割合のことで、結晶化度はX線回折による方法、あるいは絶縁被膜を軽く酸やアルカリまたは温水等でエッチングし、ガラス相と結晶相のエッチングレートの違いを利用して表面の凹凸を観察しその面積率を求める方法等により求めることができる。簡便に測定できる点から、後者の方法が好ましい。
焼付け処理を行う際の焼付け温度までの昇温速度、焼付け温度、焼付け時間等を制御することにより所望の結晶化度を得ることができる。
なお、結晶化度とは絶縁被膜中の結晶相の割合のことで、結晶化度はX線回折による方法、あるいは絶縁被膜を軽く酸やアルカリまたは温水等でエッチングし、ガラス相と結晶相のエッチングレートの違いを利用して表面の凹凸を観察しその面積率を求める方法等により求めることができる。簡便に測定できる点から、後者の方法が好ましい。
焼付け処理を行う際の焼付け温度までの昇温速度、焼付け温度、焼付け時間等を制御することにより所望の結晶化度を得ることができる。
リン酸塩を主体とするガラス質の絶縁被膜で最も簡易に低熱膨張の結晶相を析出させる方法は、熱処理などで結晶化を行う特許文献３や４に開示されている方法である。この方法では主にピロリン酸塩（Mg2P2O7やNi2P2O7等）の結晶が析出する。これらピロリン酸塩は例えばMg2P2O7では25℃から1000℃の平均の熱膨張係数は43×10-7（℃-1）と非常に小さい値を示すため絶縁被膜の熱膨張係数を小さくすることに大きく寄与する。しかしながら、Mg2P2O7は室温から70℃前後の温度で構造相転位を起こして収縮するため、100℃から1000℃の平均の熱膨張係数は70×10-7（℃-1）と大きくなってしまう。この収縮の影響で100℃付近での鋼板への付与張力は大きく減少してしまう。
変圧器の鉄心は絶縁油に浸漬されており、運転中に鉄損、銅損などのエネルギーロスに起因してその絶縁油は150℃前後の温度まで昇温する。そのため実際に使用されている状態での騒音に寄与するのは100℃から200℃の温度での磁歪の圧縮応力特性である。従来のガラス相のみの絶縁被膜でも温度上昇により室温での張力と比べて若干の張力低下が起こるがその程度はおおむね（焼付温度−鉄心温度）÷（焼付温度−室温）程度であり、焼付温度800℃と仮定しても（800-150）/（800-25）＝0.84とおおよそ16％程度の減少である。
この現象はピロリン酸塩では一般的な現象である。ただし、ピロリン酸塩の種類によって構造相転位を起こす温度は異なるため、構造相転位温度が200℃以上であるピロリン酸塩（例えば、Zr2P2O7、(MgCo)2P2O7、Co2P2O7）を析出させることが好ましい。
また、構造相転位自体を避ける目的で、生成する結晶相としてピロリン酸塩ではない別の低熱膨張結晶相を析出させることがさらに好ましく、たとえば、コーディエライト、β-スポンジュメン、石英、ジルコン、リン酸ジルコニウム系、リン酸タングステン系の結晶相があげられる。
この現象はピロリン酸塩では一般的な現象である。ただし、ピロリン酸塩の種類によって構造相転位を起こす温度は異なるため、構造相転位温度が200℃以上であるピロリン酸塩（例えば、Zr2P2O7、(MgCo)2P2O7、Co2P2O7）を析出させることが好ましい。
また、構造相転位自体を避ける目的で、生成する結晶相としてピロリン酸塩ではない別の低熱膨張結晶相を析出させることがさらに好ましく、たとえば、コーディエライト、β-スポンジュメン、石英、ジルコン、リン酸ジルコニウム系、リン酸タングステン系の結晶相があげられる。
絶縁被膜の静摩擦係数は0.21以上0.50以下であることが好ましく、0.25以上0.50以下であることがさらに好ましい。変圧器の鉄心は方向性電磁鋼板を積層して作製されるが、鋼板間の静摩擦係数が高いほど積層体が一体で変形しようとするため鉄心の剛性が高まりより騒音を低く抑えることができる。よって0.21以上が好ましく0.25以上がさらに好ましい。一方、鉄心組立作業においては鋼板を滑らせて形を整える必要があり、あまりに滑らない鋼板では作業性が劣る。よって0.50以下が好ましい。
静摩擦係数の調整方法としては、例えば、焼付温度を上げたり、時間を延長することで、ガラス質の被膜の表面平滑化を促進し、粗度を低下させ、鋼板同士の接触面積を増やして静摩擦係数を上げる方法があげられる。
静摩擦係数は、後述する実施例の方法にて測定することができる。
静摩擦係数の調整方法としては、例えば、焼付温度を上げたり、時間を延長することで、ガラス質の被膜の表面平滑化を促進し、粗度を低下させ、鋼板同士の接触面積を増やして静摩擦係数を上げる方法があげられる。
静摩擦係数は、後述する実施例の方法にて測定することができる。
絶縁被膜にはCrを含まないことが環境負荷の観点から好ましい。本発明では、Crを含有しなくても、本発明の効果は奏する。張力付与不足、耐吸湿性の劣化、歪取焼鈍時の融着等の問題は生じない。
絶縁被膜の平均膜厚は4.5μm以下が好ましく、3.0μm以下がさらに好ましい。絶縁被膜の平均膜厚が厚くなりすぎると鋼板の占積率が低下し、実効励磁磁束密度が高くなってしまい磁歪振動が大きくなってしまう。よって、絶縁被膜の平均膜厚は4.5μm以下が好ましく、3.0μｍ以下であることがさらに好ましい。
本発明の絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板は、絶縁被膜形成前には予め表面にフォルステライトを主体とするセラミックス被膜が形成されていることが通常であるが、その表面に金属窒化物などの他のセラミックス被膜（例えばTiNやSi3N4など）が施されていてもかまわないし、金属素地の上に直接本発明の被膜を施すことも出来る。
本発明における絶縁被膜形成方法の一例について説明する。仕上げ焼鈍後の方向性電磁鋼板に対して、余剰の焼鈍分離剤を水洗除去した後、必要に応じて歪取り焼鈍を行い、酸洗処理、水洗処理等を行う。次いで、絶縁被膜処理液を鋼板表面に塗布し、焼付け、乾燥を行い、鋼板表面に絶縁被膜を形成する。仕上げ焼鈍後の方向性電磁鋼板として、フォルステライト被膜を有する鋼板、フォルステライト被膜を有しない鋼板のいずれも用いることができる。絶縁被膜処理液は、絶縁被膜中に、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種と、Si、P、Oを含有するものであればよい。焼付け条件、乾燥条件は、結晶化度を20％以上とするため、焼付温度は結晶化温度+10℃以上〜1100℃以下とすることが好ましく、1000℃以下とすることがさらに好ましい。焼付時間は、10秒から90秒とすることが好ましい。結晶化のためにはTG-DTA（Thermo Gravimetry-Differential Thermal Analysis）により求めた結晶化温度以上とする必要があることは当然であるが、結晶化度を20％以上とするためには結晶化温度+10℃以上で焼付することが好ましい。また、薄鋼板の通板性を考慮すると1100℃以下が好ましく、1000℃以下がさらに好ましい。結晶化のために焼付時間は10秒以上の保持が好ましく、経済性の観点から90秒以下とすることが好ましい。
公知の方法で製造された板厚：0.23mmの仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板を圧延方向300mm×圧延直角方向100mmの大きさにせん断し、未反応の焼鈍分離剤（MgOを主成分とする焼鈍分離剤）を水洗除去したのち、歪取焼鈍（800℃、２時間、N2雰囲気）を行った。歪取焼鈍後の前記鋼板表面にはフォルステライト被膜が形成していた。次いで、５質量％リン酸で軽酸洗した。以上より得られた方向性電磁鋼板に対して、表１に示す処理液（リン酸塩、コロイド状シリカ、任意の添加物）を鋼板の両面に焼付け処理後の目付量が各々8g/m2 となるように塗布したのち、表1に示す種々の条件で焼付け処理を行った。焼付け処理時の雰囲気は窒素を用いた。
リン酸塩は各々第一リン酸塩水溶液を使用し、その量は固形分換算したものを示した。
コロイド状シリカは株式会社ADEKA製AT-30を用い、その量についてはSiO2として固形分換算で示した。
平均膜厚
絶縁被膜の平均膜厚はSEMによる割断面観察から片面での平均の膜厚を算出した。
絶縁被膜の平均膜厚はSEMによる割断面観察から片面での平均の膜厚を算出した。
結晶相の同定
結晶相の同定にはX線回折法を用いた。
結晶相の同定にはX線回折法を用いた。
結晶化度
結晶化度の測定は、試料の絶縁被膜表面をダイヤモンドスラリー研磨にて鏡面に仕上げ、100℃のイオン交換水に３０分浸漬したのち、表面をSEM観察して、溶出した部分をガラス相（AG）、溶出しなかった部分を結晶相（AC）としてその面積を測定して結晶化度R＝AC/（AC+AG）×100にて算出した。
結晶化度の測定は、試料の絶縁被膜表面をダイヤモンドスラリー研磨にて鏡面に仕上げ、100℃のイオン交換水に３０分浸漬したのち、表面をSEM観察して、溶出した部分をガラス相（AG）、溶出しなかった部分を結晶相（AC）としてその面積を測定して結晶化度R＝AC/（AC+AG）×100にて算出した。
100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力
鋼板への付与張力は圧延方向の張力とし、片面の絶縁被膜をアルカリ、酸などを用いて剥離した後の鋼板のそり量から、下記式（１）を用いて算出した。
鋼板への付与張力［ＭＰａ］＝鋼板ヤング率［ＧＰａ］×板厚［ｍｍ］×そり量［ｍｍ］÷（そり測定長さ［ｍｍ］）2×１０3・・・式（１）
ただし、鋼板ヤング率は、１３２ＧＰａとした。
鋼板への付与張力は圧延方向の張力とし、片面の絶縁被膜をアルカリ、酸などを用いて剥離した後の鋼板のそり量から、下記式（１）を用いて算出した。
鋼板への付与張力［ＭＰａ］＝鋼板ヤング率［ＧＰａ］×板厚［ｍｍ］×そり量［ｍｍ］÷（そり測定長さ［ｍｍ］）2×１０3・・・式（１）
ただし、鋼板ヤング率は、１３２ＧＰａとした。
100℃から200℃間のそり量の測定はサンプルを100℃から200℃にかけて20℃/hrの速度で昇温し、もっともそり量が小さくなった時の値を用いた（すなわち、100℃から200℃間の最低付与張力）。
静摩擦係数
静摩擦係数は新東科学株式会社製静摩擦測定機TYPE10を使用し、測定した。
静摩擦係数は新東科学株式会社製静摩擦測定機TYPE10を使用し、測定した。
変圧器騒音（低騒音特性）
変圧器の騒音は100ｋVAの容量を持つ変圧器を作製し、変圧器本体から１ｍ離れた場所で騒音を測定して評価した。
変圧器の騒音は100ｋVAの容量を持つ変圧器を作製し、変圧器本体から１ｍ離れた場所で騒音を測定して評価した。
以上の結果から、本発明例では、変圧器騒音を40dBA以下にすることができる。
公知の方法で製造された板厚：0.27mmの仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板を圧延方向300mm×圧延直角方向100 mmの大きさにせん断し、未反応の焼鈍分離剤（MgOを主成分とする焼鈍分離剤）を水洗除去したのち、歪取焼鈍（800℃、２時間、N2雰囲気）を行った。歪取焼鈍後の前記鋼板表面にはフォルステライト被膜が形成していた。次いで、５質量％リン酸で軽酸洗した。以上により得られた方向性電磁鋼板に対して、表2に示す処理液（リン酸塩、コロイド状シリカ、任意のCrO3および添加物）を両面に焼付け処理後の目付量が各々12g/m2となるように塗布したのち、表２に示す種々の条件で焼付け処理を行った。焼付け処理時の雰囲気は窒素を用いた。
リン酸塩はおのおの第一リン酸塩水溶液を使用し、その量は固形分換算したものを示した。
コロイド状シリカは日産化学工業株式会社製ST-Cを用い、その量についてはSiO2として固形分換算で示した。
平均膜厚
絶縁被膜の平均膜厚はSEMによる割断面観察から片面での平均の膜厚を算出した。
絶縁被膜の平均膜厚はSEMによる割断面観察から片面での平均の膜厚を算出した。
結晶相の同定
結晶相の同定にはX線回折法を用いた。
結晶相の同定にはX線回折法を用いた。
結晶化度
結晶化度の測定は、試料の絶縁被膜表面をダイヤモンドスラリー研磨にて鏡面に仕上げ、100℃のイオン交換水に３０分浸漬したのち、表面をSEM観察して溶出した部分をガラス相（AG）、溶出しなかった部分を結晶相（AC）としてその面積を測定して結晶化度R＝AC/（AC+AG）×100にて算出した。
結晶化度の測定は、試料の絶縁被膜表面をダイヤモンドスラリー研磨にて鏡面に仕上げ、100℃のイオン交換水に３０分浸漬したのち、表面をSEM観察して溶出した部分をガラス相（AG）、溶出しなかった部分を結晶相（AC）としてその面積を測定して結晶化度R＝AC/（AC+AG）×100にて算出した。
100℃から200℃における前記絶縁被膜の鋼板への最低付与張力
鋼板への付与張力は圧延方向の張力とし、片面の絶縁被膜をアルカリ、酸などを用いて剥離した後の鋼板のそり量から、下記式（１）を用いて算出した。
鋼板への付与張力は圧延方向の張力とし、片面の絶縁被膜をアルカリ、酸などを用いて剥離した後の鋼板のそり量から、下記式（１）を用いて算出した。
鋼板への付与張力［ＭＰａ］＝鋼板ヤング率［ＧＰａ］×板厚［ｍｍ］×そり量［ｍｍ］÷（そり測定長さ［ｍｍ］）2×１０3・・・式（１）
ただし、鋼板ヤング率は、１３２ＧＰａとした。
100℃から200℃間のそり量の測定はサンプルを100℃から200℃にかけて20℃/hrの速度で昇温し、もっともそり量が小さくなった時の値を用いた（つまり100℃から200℃間の最低付与張力）。
ただし、鋼板ヤング率は、１３２ＧＰａとした。
100℃から200℃間のそり量の測定はサンプルを100℃から200℃にかけて20℃/hrの速度で昇温し、もっともそり量が小さくなった時の値を用いた（つまり100℃から200℃間の最低付与張力）。
静摩擦係数
静摩擦係数は新東科学株式会社製静摩擦測定機TYPE10を使用し、測定した。
静摩擦係数は新東科学株式会社製静摩擦測定機TYPE10を使用し、測定した。
変圧器騒音
変圧器の騒音は100ｋVAの容量を持つ変圧器を作製し、変圧器本体から１ｍ離れた場所で騒音を測定して評価した。
変圧器の騒音は100ｋVAの容量を持つ変圧器を作製し、変圧器本体から１ｍ離れた場所で騒音を測定して評価した。
表２に示すとおり、絶縁被膜処理液にCrを含んでも含まなくても絶縁被膜の結晶化度が20％以上かつ100℃から200℃における鋼板への最低付与張力が10MPa以上であると変圧器の騒音を40dBA以下にすることができることがわかる。
絶縁被膜の平均膜厚が変圧器の騒音に及ぼす影響を調べた。実施例２、表２に示すNo.１、No.２、No.３の処理液を用いて塗布量を表３に示すとおりにすることで絶縁被膜の平均膜厚を変更した。絶縁被膜を形成する供試鋼板としては、公知の方法で製造された板厚：0.20mmの仕上焼鈍後の方向性電磁鋼板を圧延方向300mm×圧延直角方向100mmの大きさにせん断し、未反応の焼鈍分離剤（MgOを主成分とする焼鈍分離剤）を除去した後、歪取焼鈍（800℃、２時間、N2雰囲気）を行い、表面にフォルステライト被膜が形成された鋼板を、５質量％リン酸で軽酸洗した鋼板を用いた。
平均膜厚、結晶相の同定、結晶化度、100℃から200℃における前記被膜の鋼板への最低付与張力、静摩擦係数、変圧器騒音は、実施例２と同様の方法にて測定した。
表３に示す通り、絶縁被膜処理液にCrを含んでも含まなくても絶縁被膜の結晶化度が20％以上かつ100℃から200℃における鋼板への最低付与張力が10MPa以上あると変圧器の騒音を40dBA以下にすることができることがわかる。
本発明は、絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板、変圧器の鉄心および変圧器ならびに変圧器の騒音の低減方法に関し、特に低騒音性に優れる絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板に関するものである。
一般に、方向性電磁鋼板（以下、単に「鋼板」ともいう）においては、絶縁性、加工性および防錆性等を付与するために鋼板表面に被膜をもうける。かかる被膜は、通常、最終仕上焼鈍時に形成されるフォルステライトを主体とする下地被膜とその上に形成されるリン酸塩系の上塗り被膜からなる。
本発明は、上記課題を解決し、変圧器の鉄心として加工され、実際に稼働している条件下で低騒音特性を発揮できる絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。また、前記方向性電磁鋼板を用いた変圧器の鉄心および変圧器ならびに変圧器の騒音の低減方法を提供することを目的とする。
なお、以下、本発明の絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板を、単に「方向性電磁鋼板」ともいう。また、本発明の絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板において、100℃から200℃の温度範囲における絶縁被膜の方向性電磁鋼板への付与張力が10MPa以上であることを、「100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上である」ともいう。
なお、以下、本発明の絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板を、単に「方向性電磁鋼板」ともいう。また、本発明の絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板において、100℃から200℃の温度範囲における絶縁被膜の方向性電磁鋼板への付与張力が10MPa以上であることを、「100℃から200℃における絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上である」ともいう。
Claims (7)
- 絶縁被膜を有する方向性電磁鋼板であり、
前記絶縁被膜は、Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Al、Mn、Coのうちから選ばれる少なくとも1種と、Si、P、Oを含有し、結晶化度が20％以上であり、
かつ、100℃から200℃における前記絶縁被膜の鋼板への最低付与張力が10MPa以上である方向性電磁鋼板。 - 前記絶縁被膜の静摩擦係数が0.21以上0.50以下である請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記絶縁被膜がCrを含まない請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記絶縁被膜の平均膜厚が4.5μm以下である請求項１〜３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いてなる変圧器の鉄心。
- 請求項５に記載の変圧器の鉄心を備える変圧器。
- 変圧器の騒音を低減する方法であって、
該変圧器の鉄心を構成する方向性電磁鋼板として、請求項１〜４のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いる、変圧器の騒音の低減方法。
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