JP2012012639A

JP2012012639A - 方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP2012012639A
Application number: JP2010148301A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Omura; 大村　　健; Kunihiro Senda; 邦浩千田; Hiroshi Yamaguchi; 山口　　広; Seiji Okabe; 誠司岡部
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP5740854B2

Abstract

【課題】磁区細分化技術を効果的に活用することにより、一層の低鉄損化を達成した方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】鋼板の片面に、圧延方向と交わる向きに伸びる線状溝を形成すると共に、鋼板の反対面には、該線状溝と対応する位置に線状の高転位密度領域を形成し、しかも該線状溝の幅と該線状の高転位密度領域の幅について、いずれか狭い方の幅に対して50％以上を重複させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスなどの鉄心材料に供して好適な方向性電磁鋼板に関し、特に鉄損の一層の低減を図ろうとするものである。

方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、磁化特性に優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を(110)[001]方位（ゴス方位）に高度に揃えることや、製品中の不純物を低減することが重要である。

しかしながら、結晶方位の制御や不純物の低減には限界があることから、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入することにより、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。
たとえば、特許文献１には、最終製品板にレーザを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入することにより、磁区幅を狭くして鉄損を低減する技術が提案されている。
また、特許文献２には、仕上げ焼鈍済みの鋼板に882〜2156 MPa（90〜220 kgf/mm²）の荷重で地鉄部分に深さ５μm 超の溝を形成したのち、750℃以上の温度で加熱処理することにより、磁区を細分化する技術が提案されている。

上述したような磁区細分化技術の開発により、鉄損特性が良好な方向性電磁鋼板が得られるようになった。
しかしながら、近年の省エネルギーや環境保護に対する意識の高まりから、鉄損特性の更なる改善が要求されている。

特公昭57-2252号公報特公昭62-53579号公報特開平7-201550号公報特開平7-320922号公報

一層の低鉄損化を実現するためには、磁区をさらに細分化させればよい。しかしながら、上述した高転位密度領域を導入する方法および溝を形成する方法のいずれにも、次に述べるような問題があり、これ以上の磁区細分化は望めなかった。

すなわち、高転位密度領域を導入する方法では、転位を入れれば入れるほど、磁区が細分化され、渦電流損は低減する。しかしながら、転位を導入した領域の周辺部分は磁区が細分化されるものの、転位を導入した領域そのものは磁区構造が乱れてヒステリシス損が増加するため、転位を導入しすぎると、磁区細分化による渦電流損の改善以上にヒステリシス損が劣化するという問題があった。

また、溝を形成する方法では、転位が導入されるわけではないので、溝を形成しすぎてもヒステリシス損の劣化を招くことはないが、鋼板が部分的に除去されるために、その量が多くなると磁束密度が大幅に劣化するという問題があった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、磁区細分化技術を効果的に活用することにより、一層の低鉄損化を達成した方向性電磁鋼板を提案することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。
その結果、高転位密度導入法と溝形成法を適切に組み合わせることによって、具体的には、方向性電磁鋼板の片面に、圧延方向と交わる向きに伸びる線状溝を形成し、さらに鋼板の反対面に線状の高転位密度領域を線状溝とほぼ同じ位置に形成することによって、より効果的な磁区の細分化が達成されることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。

なお、特許文献３や特許文献４に、高転位密度導入法と溝形成法を組み合わせる方法が開示されているが、これらはいずれも、鋼板片面に両手法を施すという内容であり、高転位密度導入法と溝形成法の処理面を別にすることで、これまで以上の磁区細分化効果が得られるという、本発明の技術内容を何ら示唆するものではない。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鋼板の片面に、圧延方向と交わる向きに伸びる線状溝を形成し、一方鋼板の反対面には、該線状溝と対応する位置に線状の高転位密度領域を形成した方向性電磁鋼板であって、
該線状溝の幅と該線状の高転位密度領域の幅が、いずれか狭い方の幅に対して50％以上重複していることを特徴とする方向性電磁鋼板。

２．前記線状溝が、幅：50〜300μm、深さ：10〜50μm で、前記線状の高転位密度領域が、幅：50〜500μm であり、該線状溝および該線状の高転位密度領域の圧延方向と直角する方向に対する交差角が±30°以内であることを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板。

本発明に従い、線状溝の形成および線状の高転位密度領域の導入という２つの磁区細分化技術を効果的に組み合わせることによって、鉄損低減効果が格段に向上し、より低鉄損の方向性電磁鋼板を得ることが可能になった。

本発明に従い、鋼板の片面に線状溝を形成し、鋼板の反対面には線状の高転位密度領域を導入した状態を示す断面図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の特徴は、以下に述べる３項目に集約される。
(1) 溝形成法と高転位密度領域導入法を組み合わせる。
各方法を単独で使用して磁区をより細分化する場合、溝形成法では、深さや数を増やすと磁束密度が劣化するという問題が、一方高転位密度領域導入法では、転位を入れすぎるとヒステリシス損が劣化するという問題があった。しかしながら、溝形成後、高転位密度を導入した場合、溝形成領域にはもともと高転位密度領域がないので、追加で高転位密度を導入しても大幅なヒステリシス損の劣化はない。また、追加の高転位密度導入では磁束密度の劣化はないので、単独では不可能な更なる磁区細分化が可能になる。

(2) 線状溝の形成と高転位密度領域の導入を異なる面で実施し、形成位置と導入位置を各面でほぼ同じ位置とする。
鋼板の同じ面に線状溝の形成と高転位密度領域の導入を行った場合や、異なる面でも形成位置と導入位置をずらした場合に比べて、より磁区細分化効果が得られる理由は、明確に解明されたわけではないが、発明者らは、転位の分布状態の差に起因しているのではないかと考えている。たとえば、溝形成部分では、他の部分に比べて板厚が減少しているため、導入された転位がその位置に集中する等で、転位導入により弊害となるヒステリシス損の増加が抑制されることが考えられる。
具体的には、方向性電磁鋼板の片面に、圧延方向と交わる向きに伸びる線状溝を形成し、さらに鋼板の反対面に線状の高転位密度領域を線状溝とほぼ同じ位置に形成する。
しかも、線状溝と線状高転位密度領域については、それらの幅のいずれか狭い方の幅に対して50％以上重複するように形成する。

図１に、本発明に従い、鋼板の片面に圧延方向と交わる向きに線状溝を形成する一方、鋼板の反対面には線状の高転位密度領域を導入した場合を、鋼板の断面で示す。
図１(a)は、線状溝の形成幅と高転位密度領域の導入幅とが全く一致している場合である。また、同図(b)は、両者の幅Ｗは同じで、線状溝と高転位密度領域の重複部分の幅ｒが、線状溝および高転位密度領域の幅Ｗに対して、50％以上重複している場合である。さらに、同図(c)は、両者の幅が異なる場合であるが、かような場合でも、いずれか狭い方の幅（この場合は高転位密度領域幅）Ｗ'に対する重複部分の幅ｒが、高転位密度領域幅Ｗ'に対して50％以上重複している場合である。
ここで、線状溝および高転位密度領域の幅は、図１に示すように鋼板板面における溝および領域自身の幅とする。

(3) 線状溝は、幅：50〜300μm、深さ：10〜50μm および間隔：1.5〜10.0mm程度、一方高転位密度領域は幅：50〜500μm、塑性歪深さ：10〜50μm および間隔：1.5〜10.0mm程度とし、線状溝および線状の高転位密度領域の圧延方向と直角する向きに対するずれは±30°以内とすることが好ましい。
この規定は、各手法単独で磁区を細分化させるときに最も効果的に細分化する条件であるが、本発明のように両手法を組み合わせた場合でも、最も磁区細分化効果が高くなる条件である。
なお、本発明において、「線状」とは、実線だけでなく、点線や破線なども含むものとする。

次に、本発明の方向性電磁鋼板の好適成分組成について説明する。
本発明において、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、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を適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl，Ｎ，ＳおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al：0.01〜0.065質量％、Ｎ：0.005〜0.012質量％、Ｓ：0.005〜0.03質量％、Se：0.005〜0.03質量％である。
また、本発明は、Al，Ｎ，Ｓ，Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
この場合には、Al，Ｎ，ＳおよびSe量はそれぞれ、Al：100 質量ppm以下、Ｎ：50 質量ppm以下、Ｓ：50 質量ppm以下、Se：50 質量ppm以下に抑制することが好ましい。

その他の基本成分および任意添加成分について述べると、次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃ量が0.08質量％を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが困難になるため、0.08質量％以下とすることが好ましい。なお、下限に関しては、Ｃを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。

Si：2.0〜8.0質量％
Siは、鋼の電気抵抗を高め、鉄損を改善するのに有効な元素であるが、含有量が2.0質量％に満たないと十分な鉄損低減効果が達成できず、一方、8.0質量％を超えると加工性が著しく低下し、また磁束密度も低下するため、Si量は2.0〜8.0質量％の範囲とすることが好ましい。

Mn：0.005〜1.0質量％
Mnは、熱間加工性を良好にする上で必要な元素であるが、含有量が0.005質量％未満ではその添加効果に乏しく、一方1.0質量％を超えると製品板の磁束密度が低下するため、 Mn量は0.005〜1.0質量％の範囲とすることが好ましい。

上記の基本成分以外に、磁気特性改善成分として、次に述べる元素を適宜含有させることができる。
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％のうちから選んだ少なくとも１種
Niは、熱延板組織を改善して磁気特性を向上させるために有用な元素である。しかしながら、含有量が0.03質量％未満では磁気特性の向上効果が小さく、一方1.5質量％を超えると二次再結晶が不安定になり磁気特性が劣化する。そのため、Ni量は0.03〜1.5質量％の範囲とするのが好ましい。
また、Sn、Sb、Cu、Ｐ、CrおよびMoはそれぞれ磁気特性の向上に有用な元素であるが、いずれも上記した各成分の下限に満たないと、磁気特性の向上効果が小さく、一方、上記した各成分の上限量を超えると、二次再結晶粒の発達が阻害されるため、それぞれ上記の範囲で含有させることが好ましい。
なお、上記成分以外の残部は、製造工程において混入する不可避的不純物およびFeである。

本発明の方向性電磁鋼板を製造する方法については、特に限定されないが、以下に示す製造方法が推奨される。
上記の好適成分組成に調整した鋼素材を、通常の造塊法、連続鋳造法でスラブとしてもよいし、100mm以下の厚さの薄鋳片を直接連続鋳造法で製造してもよい。スラブは、通常の方法で加熱して熱間圧延に供するが、鋳造後加熱せずに直ちに熱間圧延に供してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延しても良いし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進めてもよい。ついで、必要に応じて熱延板焼鈍を行ったのち、一回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終板厚とし、その後脱炭焼鈍ついで最終仕上げ焼鈍を施したのち、通常絶縁張力コーティングを塗布して製品とする。

本発明では、上記した最終仕上げ焼鈍の前後いずれかの工程において、線状溝を形成すると共に、線状の高転位密度領域を導入する。
線状溝の形成は、局所的にエッチング処理する方法、刃物などでけがく方法、突起つきロールで圧延する方法などが挙げられるが、最も好ましいのは最終冷延後の鋼板に印刷等によりエッチングレジストを付着させたのち、非付着域に電解エッチング等の処理により線状溝を形成する方法である。
また、高転位密度領域を導入する方法も特には限定はされないが、工業化の容易性から特開昭60-236271号公報に開示されたプラズマ炎を照射したり、特公昭57-2252号公報に開示されたレーザーを照射したりする方法が好ましい。とくに最近使用されるようになってきたグリーンレーザーマーカーは、照***度の面で特に有利である。

Ｃ：0.06質量％、Si：3.4質量％、Mn：0.07質量％、Ni：0.01質量％、Al：250質量ppm、Ｎ：80質量ppm、Se：180質量ppm、Ｓ：15質量ppmおよびＯ：18質量ppmを含有し、残部は実質的にFeの組成になる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1400℃に加熱後、熱間圧延により板厚：2.0 mmの熱延板としたのち、1000℃で180秒の熱延板焼鈍を施した。ついで、冷間圧延により中間板厚：0.75mmとし、雰囲気酸化度Ｐ(H₂O)/Ｐ(H₂)＝0.30、830℃、300秒の条件で中間焼鈍を施したのち、塩酸酸洗により表面のサブスケールを除去してから、再度冷間圧延を施して最終板厚：0.23mmの冷延板に仕上げた。その後、グラビアオフセット印刷によるエッチングレジストを塗布し、引き続く電解エッチングおよびアルカリ液中でのレジスト剥離により、幅：150μm（一部は幅：250μm）、深さ：20μm の線状溝を、圧延方向と直交する向きに対し10°の傾斜角度にて３mm間隔で形成した。ついで、雰囲気酸化度Ｐ(H₂O)/Ｐ(H₂)＝0.45、均熱温度：840℃で200秒保持する脱炭焼鈍を施したのち、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布してから、二次再結晶とフォルステライト被膜形成および純化を目的とした最終仕上げ焼鈍を、N₂：H₂＝50：50の混合雰囲気中にて1230℃，５ｈの条件で実施した。その後、50％のコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁張力コート処理を施した。

さらに、得られた鋼板に対し、表１に示す条件に従って、レーザー照射を行い、線状の高転位密度領域（幅：200μm，深さ：150μm）を導入した。
かくして得られた製品板の磁気特性（鉄損Ｗ_17/50、磁束密度Ｂ₈）について調べた結果を表１に併記する。

表１に示したとおり、本発明に従い、鋼板の片面に線状溝を形成すると共に、反対面には線状の高転位密度領域を形成し、これら線状溝と線状領域の重複幅をいずれか狭い方の幅の50％以上とした場合は、鉄損Ｗ_17/50が0.70 W/kg未満という優れた鉄損値を得ることができた。
これに対し、鋼板の片面に線状溝を形成しただけの比較例１および同じく片面に線状の高転位密度領域を導入しただけの比較例２はそれぞれ、Ｗ_17/50：0.74 W/kg、0.73 W/kg程度の鉄損値しか得られなかった。
また、鋼板の片面の同一位置で線状溝の形成と線状の高転位密度領域の導入を行った比較例３は、比較例１，２に比べると鉄損値は低下したとはいえ、Ｗ_17/50＝0.70 W/kgにすぎなかった。
さらに、線状溝の中央部に線状の高転位密度領域を導入した場合は、鋼板の同一面に導入した場合（比較例５）および異なる面に導入した場合（比較例６）のいずれの場合も、得られたＷ_17/50は0.70 W/kgであり、本発明には及ばなかった。

Claims

鋼板の片面に、圧延方向と交わる向きに伸びる線状溝を形成し、一方鋼板の反対面には、該線状溝と対応する位置に線状の高転位密度領域を形成した方向性電磁鋼板であって、
該線状溝の幅と該線状の高転位密度領域の幅が、いずれか狭い方の幅に対して50％以上重複していることを特徴とする方向性電磁鋼板。
前記線状溝が、幅：50〜300μm、深さ：10〜50μm で、前記線状の高転位密度領域が、幅：50〜500μm であり、該線状溝および該線状の高転位密度領域の圧延方向と直角する方向に対する交差角が±30°以内であることを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板。