JP2013139590A - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変圧器の鉄心などに適用した場合に、鉄損と騒音が極めて低く、エネルギ使用効率が高く、しかも様々な環境で使用できる変圧器の作製を可能ならしめる方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】圧延方向を横切るように線状に形成された還流磁区を、圧延方向に周期的に有する方向性電磁鋼板において、上記還流磁区が形成された領域の圧延方向断面における歪み分布に関し、板厚方向の最大引張歪みを0.45％以下とし、かつ圧延方向の最大引張歪みｔ（％）と最大圧縮歪みｃ（％）について、次式(1)
ｔ＋0.06≦ｔ＋ｃ≦0.35 --- (1)
の関係を満足させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、変圧器の鉄心などの用途に使用される方向性電磁鋼板およびその製造方法に関し、特に鉄損と騒音の改善を同時に達成しようとするものである。

近年、エネルギの効率的使用を背景として、変圧器メーカなどにおいて、磁束密度が高く、鉄損が低い電磁鋼板が求められている。

磁束密度は、鋼板の結晶方位をゴス方位へ集積させることによって向上が可能であり、例えば特許文献１には、1.97Ｔを超える磁束密度Ｂ₈を有する方向性電磁鋼板の製造方法が開示されている。

一方、鉄損は、素材の高純度化、高配向性、板厚低減、Si，Al添加および磁区細分化によって改善が可能である（例えば非特許文献１）が、一般に磁束密度Ｂ₈を高くするほど鉄損は劣化する傾向にある。

例えば、磁束密度Ｂ₈の向上を目的として結晶方位をゴス方位へ集積させると、静磁エネルギが下がるため、磁区幅が広がって、渦電流損が高くなることが知られている。

そこで、渦電流損を低減する方法として、被膜張力の向上（例えば特許文献２）や熱歪みの導入による磁区細分化技術が利用されている。
しかしながら、特許文献２に示されるような被膜張力の向上方法は、付与する歪みが弾性域近傍と小さく、また張力は地鉄の表層のみにかかっているため、十分に鉄損を低減することができない。

一方、熱歪みの導入による磁区細分化は、プラズマ炎やレーザ、電子ビーム照射などによって行われている。
例えば、特許文献３には、電子ビーム照射によってＷ_17/50が0.8W/kgを下回る鉄損を有する電磁鋼板の製造方法が開示されており、電子ビーム照射は極めて有用な低鉄損化手法であることが分かる。
また、特許文献４には、レーザ照射によって、鉄損を低減する方法が開示されている。

ところで、プラズマ炎やレーザ、電子ビームなどの高エネルギビームを照射すると、磁区が細分化して渦電流損が下がる一方で、ヒステリシス損が増大することが知られている。
例えば、特許文献５には、レーザ照射などによって鋼板に生じる硬化領域が、磁壁移動を妨害して、ヒステリシス損を高くすると報告されている。従って、鉄損を最大限低減するためには、渦電流損を下げながらも、ヒステリシス損の増大を抑制することが必要である。

このような問題に対して、ヒステリシス損と渦電流損を別々の観点から適正化し、低鉄損化する技術が示されている。
例えば、特許文献５では、レーザ出力やスポット径比を調整することにより、レーザ走査方向と直角方向の、レーザ照射によって硬化する領域を0.6mm以下に縮小させ、照射によるヒステリシス損の増大を抑制することで、鉄損の一層の低減を図っている。
また、特許文献６には、板幅方向に垂直な断面における圧延方向圧縮残留応力積分値を適正化することによって、渦電流損の低減効果を高め、低鉄損化する技術が開示されている。

さらに、近年の変圧器には、高磁束密度、低鉄損であるだけでなく、良好な生活環境を創出するために、低騒音であることが求められている。変圧器に生じる騒音は、主に鉄心の結晶格子の伸縮運動が成因であると考えられており、抑制手段の一つとして、単板の磁気歪みを低減することが有効であることが数多く示されている（例えば特許文献７等）。

特許第4123679号公報 特公平2-8027号公報 特公平7-65106号公報 特公平3-13293号公報 特許第4344264号公報 特開2008-106288号公報 特許第3500103号公報

「軟磁性材料の最近の進歩」、第１５５・１５６回西山記念技術講座、社団法人日本鉄鋼協会、平成７年２月10日発行

従来技術（特許文献５、特許文献６）に示された低鉄損化の方法によれば、それぞれヒステリシス損、渦電流損を低減させることはできるものの、騒音を同時に低減させることが困難であった。
例えば、特許文献６に示された、残留応力分布は、鋼板のレーザ照射面近傍の強い圧延方向引張応力とその板厚方向内部のやや強い圧延方向圧縮応力とからなるが、このように圧延方向の引張と圧縮の応力が同時に存在すると、これらの応力を解消するように鋼板が変形しやすくなる。そうすると、このような方向性電磁鋼板を組み合わせて作製される変圧器は、励磁時に、結晶格子の伸縮に伴う鉄心の変形に加えて、内部応力を解放するような鉄心の変形モードが付加されるため、騒音が大きくなる。

本発明者らは、上記の問題を解決するために種々検討を重ねた結果、磁区細分化のために高エネルギビームを導入した際に鋼板内に生じる引張と圧縮の歪み分布を適正化することによって、低鉄損と低騒音が両立できるのではないかと考えた。
圧延方向の圧縮歪みは、還流磁区を安定化し、磁区細分化効果を高めるため、より多く存在することが好ましい。しかし、一方で、圧延方向の引張歪みは、還流磁区を逆に不安定化するだけでなく、圧縮歪みに対して過度に大きな歪みであると、鋼板に反りなどの変形を与えやすく、変圧器騒音を著しく劣化させるため、より少ないことが好ましい。

従来より、圧延方向の圧縮歪み（あるいは圧縮応力）は、圧延方向または圧延直角方向の強い引張歪み（あるいは引張応力）と共存していることが示されていた。例えば、特許文献６の図２に示される圧延方向応力分布には、圧縮応力：22kgf/mm²に比較して２倍近くの非常に大きい40kgf/mm²の引張応力が形成されている。この引張応力は、レーザなどを照射した鋼板表層部が高温化し、圧延方向に熱膨張したために生じたものと推定される。図８に示すように、本発明者らの実験と解析によってもレーザや電子ビーム照射した鋼板表面には、引張歪みが存在することが明らかとなっている。このような引張応力分布や引張歪分布の適正化は、鉄損のみを低減することを目的とした特許文献６には示唆されていない新規な観点であり、かつ低騒音化するために重要な点である。

本発明者らは、上記した膨張の方向について、レーザや電子ビームの照射条件を調整することによって、圧延方向の膨張を抑制し、板厚方向により膨張させることができること、ひいては圧延方向の圧縮歪みに対し、引張歪みを小さくさせ、低鉄損と低騒音に有利な歪み分布を形成することができることの知見を得た。
また、本発明者らは、上記した膨張の方向に影響を与える条件として、熱線や光線、粒子線ビームなどの高エネルギビームの走査速度に応じてビーム径を適正範囲内に調整することによって、板厚方向の引張歪みを大きくでき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。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．圧延方向を横切るように線状に形成された還流磁区を、圧延方向に周期的に有する方向性電磁鋼板において、上記還流磁区が形成された領域の圧延方向断面における歪み分布について、板厚方向の最大引張歪みが0.45％以下で、かつ圧延方向の最大引張歪みｔ（％）と最大圧縮歪みｃ（％）とが、次式(1)
ｔ＋0.06≦ｔ＋ｃ≦0.35 --- (1)
の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。

２．鋼板の圧延方向を横切るように高エネルギビームを照射するに際し、圧延直角方向から30°以内の角度の方向に、圧延方向に10mm以下の周期的な間隔で、しかも鋼板上の表面走査速度ｖ（m/s）とビーム径ｄ（μm）とが、次式(2)
200≦ｄ≦−0.04×ｖ²＋6.4×ｖ＋190 --- (2)
の関係を満足する条件で高エネルギビームを照射することを特徴とする、前記１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明に従う方向性電磁鋼板は、鉄損と騒音が極めて低いために、変圧器の鉄心などに適用した場合に、エネルギ使用効率が高く、しかも様々な環境で使用できる変圧器の作製が可能となり、産業上極めて有用である。
そして、本発明鋼板を使用することにより、変圧器鉄損Ｗ_17/50を0.90W/kg以下にすることができるだけでなく、騒音を45dBA未満（暗騒音30dBA）にすることができる。

板厚方向の最大引張歪みと変圧器鉄損Ｗ_17/50 との関係を、圧延方向の最大圧縮歪みｃをパラメータとして示した図である。 圧延方向の最大引張歪みｔと最大圧縮歪みｃとの合計（ｔ＋ｃ）と変圧器騒音との関係を示した図である。 圧延方向の引張歪みと圧縮歪みに起因した鋼板内の応力状態が、鋼板の反りに与える影響を示した図である。 電子ビームの照射要領を示した図である。 ビーム径の大小により、鋼板に導入される歪みの状態が異なる様を模式的に示した図である。 表面走査速度ｖとビーム径ｄが（ｔ＋ｃ）に及ぼす影響を示した図である。 モデルトランス変圧器の鉄心形状を示した図である。 レーザや電子ビーム照射した鋼板表面における引張歪み分布を示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
［方向性電磁鋼板］
本発明は、方向性電磁鋼板に適用され、鋼板としては、地鉄の上に絶縁被膜などのコーティングを備えていても、いなくてもいずれでも良い。ただし、変圧器鉄損、騒音を測定する際には、積層する鋼板の間が絶縁されるようにする。
さらに、本方向性電磁鋼板は、以下に示す製造方法などによって、圧延直角方向に線状に形成された還流磁区を、圧延方向に周期的に有するものである。

また、この還流磁区が形成された領域の圧延方向断面の歪み分布において、板厚方向の最大引張歪みが0.45％以下であり、圧延方向の最大引張歪みｔ（％）と最大圧縮歪みｃ（％）とが、次式(1)
ｔ＋0.06≦ｔ＋ｃ≦0.35 --- (1)
の関係を満足するものである。
なお、圧延方向断面の歪み分布は、例えばＸ線回折や、EBSD-wilkinson法によって測定することができる。

さて、本発明者らは、ビーム照射条件を変更し、さまざまな歪み分布を有する鋼板を作製して、鋼板内の歪と鉄損、騒音との関係について調査した結果、以下のことを突き止めた。
(1) 図１に示すように、変圧器鉄損Ｗ_17/50 は、板厚方向の最大引張歪みが0.45％以下で、かつ圧延方向の最大圧縮歪みｃが0.06％以上の場合に、0.90W/kg以下となった。圧延方向の最大圧縮歪みｃが0.06％よりも小さい場合には、磁区細分化効果が過度に小さく鉄損（渦電流損）の低減効果が小さい。一方、板厚方向の最大引張歪みが0.45％を超えるときは、過度な歪みが生成することにより、転位などが導入されて、ヒステリシス損が劣化するために、鉄損は十分に低減しない。
上記のように、鉄損は、渦電流損低減の観点からは、圧延方向の最大圧縮歪みｃを大きくし、ヒステリシス損増大抑制の観点からは、板厚方向の最大引張歪みを小さくすることによって、適正化が可能である。

(2) 図２に示すように、変圧器騒音は、圧延方向の最大引張歪みｔと最大圧縮歪みｃとの合計が、ｔ＋ｃ≦0.35％であれば、騒音が45dB未満となる。一方、ｔ＋ｃ＞0.35％の場合には、圧延方向の強い引張応力、強い圧縮応力、あるいはその両方が存在するが、この場合、図３に示すように、これらの応力を解消するように鋼板が変形しやすくなるため、変圧器の鉄心としたときには、励磁時に、結晶格子の伸縮に伴う鉄心の変形に加えて、内部応力を解放するような変形モードが付加されるため、騒音が大きくなると考えられる。
なお、前述したとおり、低鉄損を達成する圧延方向の最大圧縮歪みｃの条件は、
0.06≦ｃ、従ってｔ＋0.06≦ｔ＋ｃ
であるため、次式(1)
ｔ＋0.06≦ｔ＋ｃ≦0.35 --- (1)
の関係を満足することが、低鉄損と低騒音を両立させる条件となる。

高エネルギビーム、すなわち熱線や光線、粒子線ビームの照射条件として、以下では、電子ビームについて説明するが、レーザ照射やプラズマ炎照射などその他の照射条件についても基本的な考え方は同じである。

［電子ビーム照射条件］
本発明の方向性電磁鋼板は、鋼板の圧延方向を横切るように、好ましくは圧延直角方向から30°以下の角度方向に、電子ビームを照射することによって製造することができる。この鋼板の一端から他端までのビーム走査は、圧延方向に２〜10mmの間隔をおきながら繰り返し行う。この間隔が過度に短いと、生産性が過度に低下してしまうため、２mm以上とするのが好ましい。一方、過度に長いと、磁区細分化効果が十分発揮されないため、10mm以下とするのが好適である。
なお、照射する材料の幅が広すぎる場合には、複数の照射源を用いて照射しても良い。

特に電子ビーム照射などの場合には、走査線に沿って、照射時間が、図４に示すように、長時間（ｓ₁）、短時間（ｓ₂）を繰り返すようにして行うことが多い。この繰り返しの距離周期（以下、ドットピッチという）は、0.6mm以下とすることが好ましい。通常、ｓ₂はｓ₁に対して十分短く無視できるため、ｓ₁の逆数を照射周波数として良い。ドットピッチが0.6mmより大きい場合には、十分なエネルギが照射される面積が減少し、十分な磁区細分化効果が得られない。

また、照射部の鋼板上での走査速度は、100m/s以下とすることが好ましい。走査が高速化すると、磁区細分化するために必要なエネルギを照射するために、単位時間当たりに照射するエネルギを高くする必要がある。特に、走査を100m/sよりも高速化すると、単位時間当たりの照射エネルギが過度に高くなり、装置の安定性・寿命などに支障をきたす可能性がある。一方、走査が遅い場合は、生産性が過度に低下するため、望ましくは10m/s以上とすることが好ましい。

さらに、電子ビームのビームプロファイルとして、ビーム径ｄ（μm）が次式(2)を満たす必要がある。
200≦ｄ≦−0.04×ｖ²＋6.4×ｖ＋190 --- (2)
ここで、ｖ（m/s）は、鋼板表面上における電子ビームの走査速度である。
ビーム径が200μmより小さいと、ビームのエネルギ密度が過度に高くなり、歪みが大きくなって、ヒステリシス損および騒音が劣化する。一方、ビーム径が（−0.04×ｖ²＋6.4×ｖ＋190）μmより大きいと、ドット状照射の場合には、図５に模式で示すように、長時間ビーム照射されるビームスポットのオーバーラップ領域が増大したり、連続的なビーム照射の場合にはビーム走査線上の点でのビーム照射時間（圧延方向ビーム径／ビーム走査速度）が過度に長くなったりする問題が生じる。
鋼板の表層部は、ビーム照射によって徐々に高温化し、変形抵抗が低くなるため、ビーム照射時間が長いほど、面方向に変形し易い状態になる。従って、ビームが長時間照射されると、面方向への変形が進行し、ビーム照射後は、圧延方向の引張残留歪みも大きくなって、騒音特性が劣化する。

本発明者らは、ビーム径と（ｔ＋ｃ）との関係について調査したところ、図６に示すように、ビーム径が（−0.04×ｖ²＋6.4×ｖ＋190）μm以下であれば、照射後の（ｔ＋ｃ）を抑制できることが判明した。
そこで、本発明では、表面走査速度ｖ（m/s）とビーム径ｄ（μm）について、次式(2)
200≦ｄ≦−0.04×ｖ²＋6.4×ｖ＋190 --- (2)
の関係を満足させることにしたのである。
ここで、電子ビームプロファイルは、公知のスリット法によって測定した。スリット幅は30μmに調整し、得られたビームプロファイルの半値幅をビーム径とした。
また、その他照射エネルギなどは、WD、真空度などの条件によって調整範囲、適正値が異なるため、従来知見に基づき適宜調整を行った。レーザの場合、ビーム径は、ナイフエッジ法により得られたビームプロファイルの半値幅とした。

［鉄損、騒音の評価］
鉄損および騒音は、三相三脚の積み鉄心型の変圧器を模擬した、モデルトランス変圧器を用いて評価を行った。図７に示すように、モデルトランス変圧器の外形は500mm角、幅は100mmの鋼板で構成される。鋼板を、図７に示す形状に斜角切断し、積み厚：約15mm、鉄心重量：約20kgとなるように、0.23mm厚鋼板では70枚、0.27mm厚鋼板では60枚、0.20mm厚鋼板では80枚積層する。本測定では、斜角剪断した試料の長手方向が圧延方向となるようにした。積層方法は２枚重ねの５段ステップラップ積みとした。具体的には、中央の脚部材（形状Ｂ）として、対称の部材（Ｂ−１）１種と、非対称の部材（Ｂ−２，Ｂ−３）２種の計３種（実際には、非対称部材（Ｂ−２，Ｂ−３を裏返すことで都合５種）を用い、実際の積み方は例えば「Ｂ−３」「Ｂ−２」「Ｂ−１」「Ｂ−２反転」「Ｂ−３反転」の順に積む。
鉄心は平面上に平積みし、さらにベークライト製の押さえ板で約0.1MPaの加重で挟み込んで、固定した。三相は120°位相をずらして励磁を行い、磁束密度：1.7Ｔにおいて、鉄損と騒音の測定を行った。騒音は、鉄心表面より20cm離れた位置（２箇所）にてマイクで測定し、Ａスケール補正を行ったdBA単位で表した。

［素材の成分組成］
本発明が適用される方向性電磁鋼板の素材の成分組成としては、例えば以下の元素が挙げられる。
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。

Ｃ：50質量ppm以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加を行うが、最終製品では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1.50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0.03〜1.50質量％の範囲とするのが好ましい。
また、Sn，Sb，Cu，Ｐ，MoおよびCr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。

本実施例で電子ビーム、レーザ照射した試料は、SSTで測定した圧延方向のＢ₈が1.91Ｔから1.95Ｔであり、モデルトランスで測定した鉄損Ｗ_17/50が1.01から1.03W/kgで、被膜付きの方向性電磁鋼板である。被膜付きの鋼板は、地鉄の表面に、Mg₂SiO₄を主成分とするガラス状被膜およびその上に無機物の処理液を焼き付けた被膜（リン酸塩系コーティング）の２層の被膜が存在する構造になっている。
電子ビームおよびレーザ照射に際しては、鋼板の圧延直角方向に、鋼板を横切るように全幅にわたり直線状に、かつ圧延方向に５mmの周期的な間隔をあけて走査した。ここで、レーザ照射は、連続発振のファイバーレーザ装置を用いて行い、レーザ波長は１μm程度の近赤外光とした。また、圧延方向と圧延直角方向のビーム径は同じとした。さらに、電子ビーム照射は、加速電圧：60kV、ドットピッチ：0.01〜0.40mm、収束コイル中心から被照射材までの最短距離：700mm、加工室圧力：0.5Pa以下とした。

圧延方向断面の歪み分布は、CrossCourt Ver.3.0（BLG Productions Bristol製）を用いたEBSD-wilkinson法によって測定した。測定視野は、（圧延方向600μm以上×全厚）の範囲とし、測定視野のほぼ中央部に、レーザ、電子ビーム照射の中心がくるようにした。また、測定ピッチは５μmとし、測定視野の隅から50μm離れた同一粒内の位置を無歪み参照点に選んだ。
鋼板に生成する照射痕が明瞭で無い場合は、照射の前に予め鋼板表面に油性ペンなどで線を記入しておけば、熱照射された部分の線が気化して消失するので、照射部を特定することができる。なお、ペンの影響は小さいと考えられるが、気になる場合には、照射エネルギを少し強めにして照射テストを行い、照射痕位置を予め特定しておけば良い。
得られた結果を表１に示す。

表１に示したように、板厚方向の最大引張歪みが0.45％以下で、圧延方向の最大引張歪みｔと最大圧縮歪みｃの合計（ｔ＋ｃ）が0.35以下を満足する場合には、0.90W/kg以下という低鉄損と45dBA未満という低騒音の両者を満足する方向性電磁鋼板が得られることが分かる。

圧延方向断面の歪み分布は、CrossCourt Ver.3.0（BLG Productions Bristol製）を用いたEBSD-wilkinson法によって測定した。測定視野は、（圧延方向600μm以上×全厚）の範囲とし、測定視野のほぼ中央部に、レーザ、電子ビーム照射の中心がくるようにした。また、測定ピッチは５μmとし、測定視野の隅から50μm離れた同一粒内の位置を無歪み参照点に選んだ。
得られた結果を表１に示す。

Claims (2)

1. 圧延方向を横切るように線状に形成された還流磁区を、圧延方向に周期的に有する方向性電磁鋼板において、上記還流磁区が形成された領域の圧延方向断面における歪み分布について、板厚方向の最大引張歪みが0.45％以下で、かつ圧延方向の最大引張歪みｔ（％）と最大圧縮歪みｃ（％）とが、次式(1)
   ｔ＋0.06≦ｔ＋ｃ≦0.35 --- (1)
   の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
2. 鋼板の圧延方向を横切るように高エネルギビームを照射するに際し、圧延直角方向から30°以内の角度の方向に、圧延方向に10mm以下の周期的な間隔で、しかも鋼板上の表面走査速度ｖ（m/s）とビーム径ｄ（μm）とが、次式(2)
   200≦ｄ≦−0.04×ｖ²＋6.4×ｖ＋190 --- (2)
   の関係を満足する条件で高エネルギビームを照射することを特徴とする、請求項１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。