JPWO2021132378A1 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

優れた特性を有する変圧器を製造可能な、低鉄損及び良好な磁歪特性を両立した方向性電磁鋼板を提供する。本発明の方向性電磁鋼板は、圧延方向と交差する方向に線状に延びる線状歪み領域を有し、線状歪み領域は圧延方向に圧縮応力を有する領域を有し、該圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接する領域には圧延方向に引張応力を有する領域を有する。

Description

本発明は、変圧器などの鉄心材料として好適な方向性電磁鋼板、および当該方向性電磁鋼板の製造方法に関する。
方向性電磁鋼板は、例えば変圧器鉄心用材料として用いられている。ここで、変圧器においてはエネルギー損失及び騒音を抑える必要があるところ、このような変圧器のエネルギー損失には方向性電磁鋼板の鉄損が、変圧器の騒音には方向性電磁鋼板の磁歪特性がそれぞれ影響している。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、及び、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ため、鉄損及び磁歪特性が良好な方向性電磁鋼板を開発することが非常に重要である。
ここで、方向性電磁鋼板の鉄損は、主としてヒステリシス損と渦電流損とから構成される。ヒステリシス損を改善する手法としては、ＧＯＳＳ方位と呼ばれる（１１０）［００１］方位を鋼板の圧延方向に高度に配向させること、鋼板中の不純物を低減することなどが開発されている。また、渦電流損を改善する手法としては、Ｓｉの添加により鋼板の電気抵抗を増大させること、鋼板の圧延方向に被膜張力を付与することなどが開発されている。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。
そこで、方向性電磁鋼板の更なる低鉄損化を追求する手法として、磁区細分化技術が開発されている。磁区細分化技術とは、仕上げ焼鈍後、又は、絶縁被膜焼き付け後等の鋼板に対し、溝の形成や局所的な歪みの導入といった物理的な手法で磁束の不均一性を導入することにより、圧延方向に沿って形成される１８０°磁区（主磁区）の幅を細分化して、方向性電磁鋼板の鉄損、特に渦電流損を低減させる手法である。
例えば、特許文献１には、巾３００μｍ以下かつ深さ１００μｍ以下の線状溝を鋼板表面に導入することで、０．８０Ｗ／ｋｇ以上であった鉄損を、０．７０Ｗ／ｋｇ以下まで改善する技術が提案されている。
また、特許文献２には、二次再結晶後の鋼板表面の板幅方向にプラズマ炎を照射し、局所的に熱歪みを導入することで、８００Ａ／ｍの磁化力で励磁した際の鋼板の磁束密度（Ｂ８）が１．９３５Ｔにおいて、最大磁束密度１．７Ｔかつ周波数５０Ｈｚで励磁した際の鉄損（Ｗ１７／５０）を０．６８０Ｗ／ｋｇまで低鉄損化する方法が提案されている。
一般に、特許文献１に記載されるような線状溝を形成する手法は、鉄心成形後に歪み取り焼鈍を行っても磁区細分化効果が消失しないため、耐熱型磁区細分化と称される。一方、特許文献２に記載されるような熱歪みを導入する手法では、歪み取り焼鈍によって、熱歪み導入の効果が得られなくなるため、非耐熱型磁区細分化と称される。
特公平６−２２１７９号公報 特開平７−１９２８９１号公報
非耐熱型磁区細分化では、鋼板に局所的な歪みを導入することにより、渦電流損を大きく低下させることができる。その反面、非耐熱型磁区細分化は、歪みの導入に起因するヒステリシス損の劣化、及び磁歪の劣化を招くことが知られている。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における歪み導入パターンの最適化が求められている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた特性を有する変圧器を製造可能な、低鉄損及び良好な磁歪特性を両立した方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。また、本発明は、上記方向性電磁鋼板を製造する方法を提供することを目的とする。
上述のとおり、非耐熱型磁区細分化は、鋼板に歪みを導入し、局所的な応力場を形成することで、磁区を制御する技術である。そこで、本発明者らは、従来よりも低エネルギー損失かつ低騒音特性を有する変圧器を実現可能な、低鉄損と良好な磁歪特性とを両立した方向性電磁鋼板を開発すべく、鋼板に導入される歪み及び応力分布に着目するとともに、これらが磁気特性に与える影響について調査した。
非耐熱型磁区細分化では、例えば、仕上げ焼鈍後、又は、絶縁被膜焼き付け後等の鋼板（以下、単に「鋼板」、又は、総称して「歪み導入前の方向性電磁鋼板」ということがある。）の表面であって圧延方向と交差する方向にエネルギービームを照射して、局所的に熱歪みを導入する。このとき、圧延方向と交差する方向にエネルギービームが照射された箇所には、圧延方向に対して圧縮応力が残留する。そして、磁化容易軸となるＧＯＳＳ方位（１１０）［００１］を持つ結晶粒が圧延方向に集積している方向性電磁鋼板では、熱歪みの導入によって圧延方向に圧縮応力が働くと、磁気弾性効果によって、板幅方向（すなわち、圧延方向と直交する方向）に磁化方向を持つ磁区（還流磁区）が形成される。
ここで、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。
この還流磁区の形成によって、方向性電磁鋼板の渦電流損の改善効果が促される。一方で、磁化に伴う磁壁の移動が、導入された歪みによってピンニングされるため、方向性電磁鋼板のヒステリシス損が劣化すること、加えて、歪みが導入された領域の形成によって、製造された変圧器の騒音が劣化することが知られている。
そこで、本発明者らは、この還流磁区についてより詳細に検討すべく、従来の方法で製造した方向性電磁鋼板における歪み分布を詳細に調査した。その結果、図１に示すように、エネルギービームの照射部Ｉの外側に、ビーム照射部Ｉに生じた歪みよりも広範囲に、すなわち、還流磁区が形成されている領域である照射部Ｉよりも広範囲に、圧延方向に圧縮応力を有する歪みが形成されている、領域ＩＩが存在することを見出した。
従来の技術常識においては、エネルギービームの圧延方向における照射幅と同程度の幅を圧延方向に有する還流磁区が形成されていたことから、エネルギービーム照射により導入された歪みも、このビーム照射部Ｉに相当する領域に形成されているものと考えられていた。
しかしながら、本発明者らは、エネルギービームの圧延方向における照射部Ｉよりも広範囲に、鋼板の圧延方向に圧縮応力を有する歪みが生じていたことを新たに知見した。更に、本発明者らは、この知見から、上記の過剰に導入された歪みが、方向性電磁鋼板の磁気特性に悪影響を及ぼしているのではないかと推察した。
本発明者らは、この過剰に導入された歪みの影響について更に検討すべく、様々なエネルギービーム照射条件で鋼板に線状の歪みを導入した方向性電磁鋼板の鉄損及び磁歪特性を比較した。すると、鉄損及び磁歪特性が改善した方向性電磁鋼板においては、図２の模式図に示すように、ビーム照射部Ｉの近傍から圧延方向の引張応力が形成された応力分布が存在することが見出された。上述のとおり、方向性電磁鋼板の圧延方向に引張応力（張力）が働くと、磁区に働く磁気弾性効果によって、圧延方向に向いた磁区がより安定となる。本発明者らは、鋼板に生じたこの引張応力が、圧延方向に垂直な磁化方向を持つ補助磁区の存在量を減少させ、磁区細分化をより進行させ、そして低鉄損化をもたらすのではないかと推察した。
こうした知見をもとに、本発明者らは、圧延方向と交差する方向に線状に導入された線状歪み領域においては圧延方向に圧縮応力を有し、かつ、当該圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接する領域（以下、単に「隣接領域」と呼ぶことがある。）においては圧延方向に引張応力を有することにより、低エネルギー損失かつ低騒音特性を有する変圧器を実現可能な、低鉄損と良好な磁歪特性とを両立した方向性電磁鋼板が得られることを見出し、本発明を完成させた。
本発明者らはまた、エネルギービームを照射して線状歪み領域を形成する場合に、上記した応力分布を有する方向性電磁鋼板とする条件について、エネルギービームの圧延方向における照射幅に対する、線状歪みが導入される領域の圧延方向における長さの影響を検討した。すなわち、エネルギービームの圧延方向における照射幅（Ａ）と、方向性電磁鋼板に導入された線状歪み領域の圧延方向における長さ（Ｂ）とは、図３の模式図に示すように、照射幅（Ａ）の領域の外側に長さ（Ｂ）の領域が広がる関係にある。そして、様々なＢ／Ａ値を有する方向性電磁鋼板について調査したところ、本発明者らは、Ｂ／Ａ値が２以下、すなわち、長さ（Ｂ）が照射幅（Ａ）の２倍以下である方向性電磁鋼板において、鉄損及び磁歪特性が共に、より改善されることを見出した。
以下、本発明を完成するに至った実験結果について説明する。
（実験１）
まず、既知の方法で製造された板厚０．２３ｍｍの鋼帯（帯状の鋼板）に対して、１５０μｍ、２００μｍ、３００μｍの異なる照射幅（Ａ）を有する電子ビームを圧延方向と交差する方向に照射して、線状歪み領域を有する方向性電磁鋼板の試料を作製した。各照射幅（Ａ）を有する電子ビームを照射する際には、鋼帯を様々な径のロール上に沿わせて上方に凸となるように通板させながら、当該ロールの曲率半径に対応した様々な曲率をもった鋼帯の頂点部に電子ビームを照射して、鋼帯に導入される線状歪み領域の圧延方向における長さ（Ｂ）を調整した。そして、圧延方向の照射幅（Ａ）に対する、線状歪み領域の圧延方向における長さ（Ｂ）が、方向性電磁鋼板の鉄損及び最大応力値、並びに、変圧器の騒音特性に与える影響について調査した。
ここで、鋼帯の磁束密度Ｂ８は１．９２Ｔであり、線状歪み領域が導入された方向性電磁鋼板の磁束密度Ｂ８も１．９２Ｔであった。
また、電子ビームの照射条件は、加速電圧：６０ｋＶ、ビーム電流：１０ｍＡ、ビーム照射領域内真空度：０.３Ｐａ、照射方向：圧延方向に対して約９０°、照射形態：連続線状であり、用いたロールの曲率半径は１００〜３００ｍｍであった。
なお、方向性電磁鋼板の最大応力値は、後述する歪みスキャニング法により測定した。
Ｂ／Ａ値に対する、鉄損変化量を図４に、騒音変化量を図５に、圧延方向における圧縮応力及び引張応力の最大値を図６に、それぞれ示す。ここで、鉄損変化量及び騒音変化量は、電子ビーム照射前に対する電子ビーム照射後の鉄損及び騒音の変化量（照射後の値−照射前の値）であり、鉄損変化量及び騒音変化量ともに、図の下方に位置するほど（変化量の値が小さいほど）、鉄損及び騒音特性が改善されていることを表す。
更には、図４〜５より、Ｂ／Ａ値が小さくなるにつれて鉄損の低減及び騒音の増大量の抑制が見られ、とりわけ、Ｂ／Ａ値が２以下である場合、更にはＢ／Ａ値が１．６以下である場合に、明らかに良好な低鉄損及び低騒音効果を確認することができた。
そこで、Ｂ／Ａ値と圧延方向における圧縮応力及び引張応力の最大値との関係をみると、図６より、Ｂ／Ａ値が小さくなるにつれて圧延方向に引張応力成分が形成され、とりわけ、Ｂ／Ａ値が２以下である場合に圧延方向における引張応力の最大値が著しく増大していることが判明した。
ここで、Ｂ／Ａ値を低減することによって、圧延方向の引張応力が発生する理由は明確にはなっていない。しかし、発明者らは、Ｂ／Ａ値の低減に伴い、エネルギービームの圧延方向における照射幅（Ａ）よりも広い範囲に形成される圧延方向の圧縮応力が減少することによって、ビーム照射部のみに局所的に圧縮応力が働き、これに隣接する周囲の部分が照射部に向かって引っ張られるためであると推察する。
一方、鉄損の改善については、圧延方向における引張応力の発生により、磁壁移動のピンニングの原因となる、圧縮応力を有する歪みが減少したことにより、鉄損、特にはヒステリシス損の劣化が抑制されたためであると考えられる。
また、騒音の改善については、圧延方向における引張応力の発生により、エネルギービーム照射による熱影響を受けて歪みが形成された領域が減少したためであると推察される。
（実験２）
次に、Ｂ／Ａ値を１．５に固定した状態で、既知の方法で製造された板厚０．２３ｍｍの鋼帯に対して、電子ビームの出力を変えて（加速電圧：６０〜３００ｋＶ、ビーム電流：１０〜２０ｍＡ）圧延方向と交差する方向に照射して、線状歪み領域を有する方向性電磁鋼板の試料を作製した。電子ビームを照射する際には、上記実験１と同様に、鋼帯をロール上に沿わせて上方に凸となるように通板させながら、ロールの曲率半径に対応した曲率をもたせた鋼帯の頂点部に電子ビームを照射した。また、電子ビームを照射した方向性電磁鋼板の試料を用いて、後述する実施例と同様に変圧器を作製した。そして、線状歪み領域における圧延方向の最大応力値に関して、方向性電磁鋼板の鉄損及び変圧器の騒音特性に与える効果について調査した。
ここで、鋼帯の磁束密度Ｂ８は１．９２Ｔであり、線状歪み領域が導入された方向性電磁鋼板の磁束密度Ｂ８も１．９２Ｔであった。
また、電子ビームの照射条件は、ビーム照射領域内真空度：０．３Ｐａ、照射方向：圧延方向に対して約９０°、照射形態：連続線状であり、用いたロールの曲率半径は２００ｍｍであった。
なお、方向性電磁鋼板の最大応力値は、後述する歪みスキャニング法により測定した。
線状歪み領域の圧延方向における圧縮応力の最大値に対する、鉄損変化量を図７に、騒音変化量を図８に、それぞれ示す。また、線状歪み領域近傍に位置する隣接領域の圧延方向における引張応力の最大値に対する、鉄損変化量を図９に、騒音変化量を図１０に、それぞれ示す。鉄損変化量及び騒音変化量ともに、図の下方に位置するほど（変化量の値が小さいほど）、鉄損及び騒音特性が改善されていることを表す。
なお、実験に用いた方向性電磁鋼板の降伏応力は、いずれも３５０ＭＰａであった。
図７及び８からは、線状歪み領域の圧延方向における圧縮応力の最大値が６０ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下である場合、更には３００ＭＰａ以下である場合に、明らかに良好な低鉄損及び低騒音効果を確認することができた。
また、図９及び１０からは、隣接領域の圧延方向における引張応力の最大値が５ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下である場合、更には３００ＭＰａ以下である場合に、明らかに良好な低鉄損及び低騒音効果を確認することができた。
鉄損が改善されたメカニズムについては、線状歪み領域の圧延方向における圧縮応力が大きいほど、還流磁区は安定となるため、より高い励磁磁場においても磁区細分化効果が維持されるためであると考えられる。更には、圧縮応力を有する領域近傍に位置する隣接領域の圧延方向における引張応力が大きいほど、圧延方向に向いた磁区がより安定となり、磁区細分化効果が高まるためであると考えられる。
一方、圧延方向における圧縮応力及び引張応力が３５０ＭＰａ超、すなわち、方向性電磁鋼板の降伏応力を超えると、鉄損が急激に上昇して劣化した。これは、降伏応力を超えて歪みを導入された方向性電磁鋼板の塑性変形部が増大したことにより、磁壁の移動がピンニングされ、ヒステリシス損が大きく劣化したためであると考えられる。
また、騒音の劣化が抑制されたメカニズムについては、本発明者らは以下のように考えている。すなわち、照射部近傍に位置する隣接領域の圧延方向における引張応力が増大することにより、非照射部における補助磁区が減少し、騒音の増大を抑制することができたものと考えられる。
一方、照射部を含む線状歪み領域における圧縮応力の増大は、還流磁区の増大を意味し、本来であれば騒音特性の劣化を誘起するものである。ところが、本発明では、実験２のとおり、意外なことに、圧延方向の圧縮応力が、例えば６０ＭＰａ前後にかけて増大するにつれ、騒音が低下している。これは、本発明では、線状歪み領域の圧延方向における圧縮応力の増大に伴って、隣接領域（非照射部）の圧延方向における引張応力も増大し、非照射部における補助磁区が減少することで、騒音が低下したものと考えられる。
すなわち、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）鋼板の圧延方向と交差する方向に線状に延びる線状歪み領域を有する方向性電磁鋼板であって、
前記線状歪み領域は、圧延方向に圧縮応力を有する領域（圧縮応力場）を有し、
前記圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接する領域には、圧延方向に引張応力を有する領域（引張応力場）を有する、方向性電磁鋼板。
なお、上述した本発明において、「圧延方向と交差する方向」とは、鋼板の圧延方向に対して、鋼板の表面に沿って４５°以上１３５°以下の方向を意味する。また、「線状」は、連続線状及び非連続線状のいずれであってもよく、線状の形状も、直線、曲線、波線、破線、点線のいずれであってもよい。
そして、上述した本発明において、「歪み領域」とは、後述する歪みスキャニング法で得られる応力分布において、圧延方向に圧縮応力が残留する領域を指す。
（２）前記線状歪み領域はエネルギービームの照射域を含み、
前記線状歪み領域の圧延方向における長さが、前記エネルギービームの圧延方向における照射幅の２倍以下である、前記（１）に記載の方向性電磁鋼板。
ここで、「照射幅」とは、幅３０μｍのスリットを用いたスリット法で取得した、エネルギービームの空間プロファイルの半値全幅を指す。
（３）前記圧縮応力の最大値が、６０ＭＰａ以上かつ前記方向性電磁鋼板の降伏応力以下であり、
前記引張応力の最大値が、５ＭＰａ以上かつ前記方向性電磁鋼板の降伏応力以下である、前記（１）又は（２）に記載の方向性電磁鋼板。
（４）磁束密度Ｂ８が１．９４Ｔ以上である、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の方向性電磁鋼板。
なお、本明細書において、「磁束密度Ｂ８」とは、８００Ａ／ｍの磁化力で励磁した際の磁束密度を指す。
（５）鋼板の圧延方向と交差する方向にエネルギービームを照射して線状歪み領域を形成して、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
前記線状歪み領域の圧延方向における長さを、前記エネルギービームの圧延方向における照射幅の２倍以下として、前記照射を行う、方向性電磁鋼板の製造方法。
（６）前記鋼板の磁束密度Ｂ８が１．９４Ｔ以上である、前記（５）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、変圧器のエネルギー損失と騒音とを低減させる、方向性電磁鋼板及びその製造方法を得ることができる。
従来の方法に従った、方向性電磁鋼板における歪み分布の模式図である。 本発明の一実施形態に従った、方向性電磁鋼板における歪み分布の模式図である。 線状歪み領域の圧延方向における長さ（Ｂ）と、エネルギービームの圧延方向における照射幅（Ａ）との関係を示す模式図である。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板における、Ｂ／Ａ値と鉄損変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板を用いた変圧器における、Ｂ／Ａ値と騒音変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板における、Ｂ／Ａ値と圧延方向に対する応力の最大値との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板における、圧延方向に対する圧縮応力の最大値と鉄損変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板を用いた変圧器における、圧延方向に対する圧縮応力の最大値と騒音変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板における、圧延方向に対する引張応力の最大値と鉄損変化量との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に従った方向性電磁鋼板を用いた変圧器における、圧延方向に対する引張応力の最大値と騒音変化量との関係を示すグラフである。 ビームをデフォーカスして照射する方法例を示す模式図である。
次に、本発明の実施形態について、具体的に説明する。
以下の実施形態は、本発明の好適な一例を示すものであり、これらの例によって何ら限定されるものではない。
（方向性電磁鋼板）
本発明に従った方向性電磁鋼板は、圧延方向と交差する方向に線状に延び、かつ圧延方向に圧縮応力を有する領域を有する線状歪み領域と、この圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接する隣接領域とを有する。ここで、線状歪み領域は、少なくともその一部に圧延方向に圧縮応力を有し、好適には全域にわたって圧延方向に圧縮応力を有する。これに対し、隣接領域は、圧延方向に引張応力を有する。
そして、本発明の方向性電磁鋼板は、例えば、本発明に従った方向性電磁鋼板の製造方法により好適に得ることができる。
方向性電磁鋼板が、圧延方向に圧縮応力を有する領域を所定方向に有し、かつ、圧延方向に引張応力を有する領域を、当該圧縮応力を有する領域に対して圧延方向に隣接する位置に有すれば、低鉄損と良好な磁歪特性とを両立することができる。また、このような方向性電磁鋼板を用いれば、低エネルギー損失かつ低騒音特性を有する変圧器を製造することができる。
線状歪み領域及び隣接領域
線状歪み領域は、例えば、既知の方法で製造された鋼板に対し、圧延方向と交差する方向にエネルギービームを照射することにより、複数本導入することができる。
圧延方向と交差する方向は、鋼板の圧延方向に対して鋼板表面に沿って６０°以上であることが好ましく、１２０°以下であることが好ましく、６０°〜１２０°の範囲であることがより好ましい。圧延方向と交差する方向は、鋼板の圧延方向に対して８０°以上であることが更に好ましく、１００°以下であることが更に好ましく、９０°、すなわち、板幅方向に沿う方向であることが一層好ましい。線状歪み領域が上記方向に延びていれば、方向性電磁鋼板に導入する線状歪み領域の面積（つまり、歪みの量）が過度に大きくなることを防ぎ、磁歪特性の劣化を更に抑制できるからである。
ここで、線状歪み領域は、鋼板の圧延方向に沿って、歪みスキャニング法（文献：日本機械学会論文集（Ａ編）７１巻７１１号２００５年、ｐｐ.１５３０〜１５３７）で算出される応力分布において、少なくともその一部に、圧延方向に圧縮応力が残留する領域であり、全域にわたって圧延方向に圧縮応力が残留していてもよい。線状歪み領域における圧縮応力が残留する領域以外の領域としては、応力を有しない領域が挙げられる。
一方、隣接領域は、上記圧縮応力が残留する領域の圧延方向に直接的又は間接的に隣接する領域であり、上記の歪みスキャニング法で得られる応力分布において、圧延方向に引張応力が残留する領域である。隣接領域には、圧延方向の圧縮応力は存在しない。
歪みスキャニング法による応力の測定方法について、より具体的に説明する。
高輝度Ｘ線を用いたＸ線回折（ＸＲＤ）測定を行い、無歪み点（参照点）と測定点とにおけるｄ値（格子面間隔）の変化から歪み成分を測定する。これを、圧延方向（ＲＤ）、板幅方向（ＴＤ）、及び板厚方向（ＮＤ）の３方向に対して計測し、得られた歪み測定値と、ヤング率等の材料物性値とを用いて、圧延方向、板幅方向、及び板厚方向それぞれにおける応力値を計算する。
したがって、本発明の方向性電磁鋼板は、上記の圧延方向に沿った残留応力プロファイルにおいて、圧延方向での位置に応じて応力が圧縮から引張に連続的に変化した応力分布を示す。このように、本発明の方向性電磁鋼板が有する線状歪み領域及び隣接領域を確認することができる。
また、上記の残留応力プロファイルにおける、圧縮成分の最大値が「圧延方向における圧縮応力の最大値」であり、引張成分の最大値が「圧延方向における引張応力の最大値」である。
Ｂ／Ａ値
本発明の方向性電磁鋼板が有する線状歪み領域は、エネルギービームの照射域を含み、かつ圧延方向における長さ（Ｂ）が、エネルギービームの圧延方向における照射幅（Ａ）の２倍以下であることが好ましく、１．６倍以下であることがより好ましく、１．５倍以下であることが更に好ましい。換言すれば、Ｂ／Ａ値は、２以下であることが好ましく、１．６以下であることがより好ましく、１．５以下であることが更に好ましい。また、Ｂ／Ａ値の下限は、通常１である。
方向性電磁鋼板における長さ（Ｂ）が照射幅（Ａ）の２倍以下、すなわち、Ｂ／Ａ値が２以下であれば、方向性電磁鋼板の鉄損及び磁歪特性をより良好にできる。また、このような方向性電磁鋼板を用いて変圧器を製造すれば、変圧器のエネルギー損失及び騒音特性をより良好にできる。
応力の最大値
本発明の方向性電磁鋼板は、線状歪み領域の圧延方向における圧縮応力の最大値が６０ＭＰａ以上であることが好ましく、８０ＭＰａ以上であることがより好ましく、降伏応力以下、すなわち本実験及び後述する実施例で用いた方向性電磁鋼板の場合で言えば３５０ＭＰａ以下であることが好ましく、３００ＭＰａ以下であることがより好ましく、２５０ＭＰａ以下であることが更に好ましい。そして、圧縮応力の最大値は、６０ＭＰａ以上かつ降伏応力以下であること、すなわち本実験及び後述する実施例で用いた方向性電磁鋼板の場合で言えば６０ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下であることがより好ましい。
本発明の方向性電磁鋼板は、隣接領域の圧延方向における引張応力の最大値が５ＭＰａ以上であることが好ましく、２０ＭＰａ以上であることがより好ましく、降伏応力以下、すなわち本実験及び後述する実施例で用いた方向性電磁鋼板の場合で言えば３５０ＭＰａ以下であることが好ましく、３００ＭＰａ以下であることがより好ましく、１５０ＭＰａ以下であることが更に好ましい。そして、引張応力の最大値は、５ＭＰａ以上かつ降伏応力以下であること、すなわち本実験及び後述する実施例で用いた方向性電磁鋼板の場合で言えば５ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下であることがより好ましい。
圧縮応力の最大値及び引張応力の最大値が上記範囲内であれば、方向性電磁鋼板の鉄損をより良好にできる。また、このような方向性電磁鋼板を用いて変圧器を製造すれば、変圧器のエネルギー損失をより良好にできる。
磁束密度Ｂ ８
本発明の方向性電磁鋼板は、磁束密度Ｂ８が１．９２Ｔ以上であることが好ましく、１．９４Ｔ以上であることがより好ましい。
方向性電磁鋼板のＢ８が上記以上であれば、方向性電磁鋼板の鉄損及び磁歪特性を更に良好にできる。また、このような方向性電磁鋼板を用いて変圧器を製造すれば、変圧器のエネルギー損失及び騒音特性を更に良好にできる。
（方向性電磁鋼板の製造方法）
本発明に従った方向性電磁鋼板の製造方法は、圧延方向と交差する方向に線状に延び、かつ圧延方向に圧縮応力を有する領域を有する線状歪み領域と、この圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接し、かつ圧延方向に引張応力を有する隣接領域とを有する、方向性電磁鋼板を製造する方法である。本発明の方向性電磁鋼板の製造方法では、鋼板の圧延方向と交差する方向にエネルギービームを照射して線状歪み領域を形成するに際し、線状歪み領域の圧延方向における長さを、エネルギービームの圧延方向における照射幅の２倍以下として、照射を行う。
なお、本発明の製造方法に従って製造される方向性電磁鋼板の種々の特徴は、上述した本発明の方向性電磁鋼板についての特徴と同様である。
鋼板の磁束密度Ｂ ８
本発明の製造方法に用いる鋼板（歪み導入前の方向性電磁鋼板）は、磁束密度Ｂ８が１．９２Ｔ以上であることが好ましく、１．９４Ｔ以上であることがより好ましい。
鋼板が磁束密度Ｂ８の高い素材であるほど、換言すれば、結晶配向性の高い素材であるほど、歪みを導入した際の磁気弾性効果が大きいため、導入した歪みが弱い場合であっても還流磁区が形成され易い。つまり、素材としての鋼板の磁束密度Ｂ８が大きいほど、より良好な低鉄損効果と、より良好な低騒音効果とを実現することができる。
エネルギービームの照射条件
鋼板に線状歪み領域を形成するために照射するエネルギービームとしては、特に制限されることなく、例えば、電子ビーム、レーザ、プラズマ炎など、熱歪みを導入可能なビーム源が挙げられる。これらいずれの種類のエネルギービームを用いても、同様の効果が得られる。
したがって、鋼板に線状歪み領域を形成するに際しては、例えば、既知の電子ビーム照射装置、レーザ照射装置、プラズマ炎放射装置などを好適に用いることができる。
上述した中でも、局所的に歪みを導入しやすい観点からは、エネルギービームとしては電子ビームが好ましく、電子ビーム照射装置を用いることが好ましい。以下、一例としてエネルギービームが電子ビームである場合について説明するが、本発明はこの一例に限定されない。
電子ビームの照射では、例えば、１台以上の電子銃又は電子ビーム照射装置を用いて、鋼板の圧延方向と交差する方向に１回以上ビーム照射しながら、１本以上の線状歪み領域を形成することができる。方向性電磁鋼板に引張応力を十分に付与するためには、複数本の線状歪み領域を導入することが好ましい。
照射方向
ビームを照射する走査方向は、鋼板の圧延方向に対して鋼板表面に沿って６０°以上であることが好ましく、１２０°以下であることが好ましく、６０°〜１２０°の範囲であることがより好ましい。ビームの走査方向は、鋼板の圧延方向に対して８０°以上であることが更に好ましく、１００°以下であることが更に好ましく、９０°、すなわち、板幅方向に沿う方向であることが一層好ましい。ビームの走査方向の、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過度に増大し、磁歪特性の劣化を招く。
照射形態
ビームの照射形態は、走査方向に沿って連続的に照射を行う連続照射でもよく、停留と移動とを繰り返すドット状照射でもよい。いずれの照射形態によっても、鉄損及び磁歪特性の改善効果が得られる。
加速電圧
電子ビームの加速電圧が高いほど電子の直進性が増加し、ビーム照射部外側への熱影響が低下する。したがって、加速電圧は高い方が好ましい。この観点から、加速電圧は６０ｋＶ以上であることが好ましく、９０ｋＶ以上であることがより好ましく、１２０ｋＶ以上であることが更に好ましい。
一方、加速電圧を高くしすぎると、電子ビーム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、実用上の観点から、加速電圧は３００ｋＶ以下であることが好ましく、２００ｋＶ以下であることがより好ましい。
スポット径（照射幅Ａ）
電子ビームを照射する場合、通常、電子ビームの圧延方向におけるスポット径が「エネルギービームの圧延方向における照射幅（Ａ）」に相当する。そして、スポット径が小さいほど局所的に歪みを導入することができるため、スポット径は小さいほど好ましい。この観点から、電子ビームのスポット径は３００μｍ以下であることが好ましく、２８０μｍ以下であることがより好ましく、２６０μｍ以下であることが更に好ましい。
また、実用上の観点から、スポット径は、３０μｍ以上とすることができる。
ここで、「スポット径」とは、幅３０μｍのスリットを用いた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。また、後述の「ハロー径」とは、上記と同様の手法で取得したビームプロファイルにおける、最大強度の１％以上の強度を持つ幅を指す。
ビーム電流
スポット径を小さくする観点からは、ビーム電流も小さい方が好ましい。電流を大きくするとクーロン反発によってスポット径が広がり易く、局所的に歪みを導入することが困難となるからである。この観点から、ビーム電流は４０ｍＡ以下であることが好ましい。
一方、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ため、ビーム電流は０．５ｍＡ以上であることが好ましい。
照射領域内真空度
電子ビームは、気体分子によって散乱を受けると、スポット径及びハロー径が増大し、エネルギーが減少する。したがって、ビーム照射領域における真空度は高い方が好ましく、圧力にして３Ｐａ以下とすることが好ましい。
真空度の下限については特に制限を設けないが、過度に低め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。この観点から、実用上は、真空度を１０-5Ｐａ以上の圧力とすることが好ましい。
長さＢの調整方法
上述のとおり、線状歪み領域の圧延方向における長さ（Ｂ）を低減して、ビーム照射部外側への歪み導入を抑制することが好ましい。ここで、長さ（Ｂ）を調整する方法としては、特に限定されることなく、例えば、照射するビームに対して鋼板の圧延方向に傾斜を設けて（図１１の上図）、又は、照射するビームに対して鋼板の圧延方向に曲率を設けて（図１１の下図）、ビームをデフォーカスして照射する方法が挙げられる。
上記の調整方法では、ビームの中心から鋼板の圧延方向に沿って遠ざかるほどビーム経路を長く又は短く調整することができる。このように、ビームのフォーカスを敢えてズラすことにより、ビームによる入熱の効率を低下させ、所望の部分以外に歪み領域が形成されることを抑制できる。
長さ（Ｂ）を調整する他の方法としては、例えば、ビームの径路上にシャッターやスリット等の物理的障害を設ける方法が挙げられる。この調整方法では、スポット径よりも広範囲に広がったビーム（ハロー）を、スリットなどに通してカットすることにより、歪みの導入領域を制限できる。
上述した中でも、より良好な応力分布、すなわち、より良好な圧縮応力及び引張応力を実現するための好適な調整方法は、鋼板の圧延方向に曲率を設けてビーム照射を行う方法である。より具体的には、図１１の下図に示すように、鋼板を、ある曲率を持つロール（図示せず）の上を沿うように通板させながら、ロールの曲率に応じた凸部が生じた鋼板の頂点部にビームを照射する方法である。
ここで、鋼板に生じる応力分布をより良好に制御する観点から、ロールの曲率半径は、５０ｍｍ以上であることが好ましく、６００ｍｍ以下であることが好ましく、４００ｍｍ以下であることがより好ましく、２００ｍｍ以下であることが更に好ましい。
以下、本発明について実施例に基づき具体的に説明する。なお、以下の実施例は、本発明の好適な一例を示すものであり、本発明を何ら限定するものではない。また、以下の実施例は、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することも可能であり、そのような態様も本発明の技術的範囲に含まれる。
既知の方法で製造された、それぞれ１．９２Ｔ及び１．９４Ｔの磁束密度Ｂ８を有する鋼板の表面における、鋼板の圧延方向と交差する方向に、エネルギービームとしての電子ビームを連続線状に照射した。電子ビームの照射に際しては、表１に記載のとおり、ビーム出力を様々に変えて磁区細分化処理を行い、様々な大きさの応力が導入された方向性電磁鋼板の試料を作製した。
電子ビームの照射条件は、ビーム照射領域内真空度：０．３Ｐａ、照射方向：圧延方向に対して約９０°であり、ビーム出力：０．６〜６ｋＷ（加速電圧：６０〜３００ｋＶ、ビーム電流：１０〜２０ｍＡ）であった。
ここで、ビーム照射時には、鋼板を、表１に記載の曲率半径を有するロール上に沿わせて通板させながら、エネルギービームの圧延方向における照射幅Ａ（電子ビームのスポット径：２００μｍ）に対する、線状歪み領域の圧延方向における長さＢの割合、すなわち、Ｂ／Ａ値を制御して、ビーム照射を行った。
そして、上述のとおり磁区細分化処理した方向性電磁鋼板の試料について、磁束密度Ｂ８、鉄損Ｗ17/50、及び歪み分布を測定し、測定した歪み分布から、圧延方向における圧縮応力の最大値及び引張応力の最大値を含む応力分布を算出した。
ここで、磁束密度Ｂ８としては、８００Ａ／ｍの磁化力で励磁した際の磁束密度（Ｔ）を測定した。
鉄損Ｗ17/50としては、単板磁気測定装置を用いて、周波数５０Ｈｚ、磁束密度１．７Ｔの磁場を印加した時の鉄損値（Ｗ／ｋｇ）を測定した。
応力分布は、上述に従って、ＸＲＤ測定により各方向の歪み成分を求めたのち、弾性率等の物性値を用いて応力値（ＭＰａ）に変換した。そして、この応力分布から、方向性電磁鋼板が、圧延方向と交差する方向に延び、かつ圧延方向に圧縮応力を有する領域を有する線状歪み領域と、この圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接し、かつ圧延方向に引張応力を有する隣接領域とを有することを確認した。
更に、上述のとおり磁区細分化処理した方向性電磁鋼板の試料を用いて、変圧器用３相モデルトランスを作製した。このモデルトランスを、防音室内で、最大磁束密度Ｂｍ＝１．７Ｔ、周波数５０Ｈｚの条件で励磁し、騒音計を用いて騒音レベル（ｄＢＡ）を測定した。
結果を表１に示す。表１より、所定の圧縮応力と引張応力とを兼ね備えていないＮｏ．１及び１５の比較例では、方向性電磁鋼板の鉄損が高く、当該方向性電磁鋼板を用いて作製した変圧器の騒音レベルも高かった。つまり、方向性電磁鋼板が、圧延方向と交差する方向に延び、かつ圧延方向に圧縮応力を有する領域を有する線状歪み領域と、この圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接し、かつ圧延方向に引張応力を有する隣接領域とを有する発明例であれば、低エネルギー損失かつ低騒音特性を有する変圧器の製造に適した、低鉄損と良好な磁歪特性とを両立した方向性電磁鋼板が得られることがわかった。
また、Ｂ／Ａ値が２以下である方向性電磁鋼板では、圧延方向に、より十分な引張応力が生じていることが確認できた。
更に、磁束密度Ｂ８がより高い方向性電磁鋼板を用いれば、変圧器の低騒音効果を、より高められることも確認できた。
Figure 2021132378
本発明によれば、変圧器のエネルギー損失と騒音とを低減させる、方向性電磁鋼板及びその製造方法を得ることができる。

Claims (6)

  1. 鋼板の圧延方向と交差する方向に線状に延びる線状歪み領域を有する方向性電磁鋼板であって、
    前記線状歪み領域は、圧延方向に圧縮応力を有する領域を有し、
    前記圧縮応力を有する領域の圧延方向に隣接する領域には、圧延方向に引張応力を有する領域を有する、方向性電磁鋼板。
  2. 前記線状歪み領域はエネルギービームの照射域を含み、
    前記線状歪み領域の圧延方向における長さが、前記エネルギービームの圧延方向における照射幅の２倍以下である、請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
  3. 前記圧縮応力の最大値が、６０ＭＰａ以上かつ前記方向性電磁鋼板の降伏応力以下であり、
    前記引張応力の最大値が、５ＭＰａ以上かつ前記方向性電磁鋼板の降伏応力以下である、請求項１又は２に記載の方向性電磁鋼板。
  4. 磁束密度Ｂ８が１．９４Ｔ以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方向性電磁鋼板。
  5. 鋼板の圧延方向と交差する方向にエネルギービームを照射して線状歪み領域を形成して、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
    前記線状歪み領域の圧延方向における長さを、前記エネルギービームの圧延方向における照射幅の２倍以下として、前記照射を行う、方向性電磁鋼板の製造方法。
  6. 前記鋼板の磁束密度Ｂ８が１．９４Ｔ以上である、請求項５に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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