JP4276618B2 - 低鉄損一方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
電磁鋼板の鉄損には、大別してヒステリシス損と渦電流損からなっている。ヒステリシス損は結晶方位、欠陥、粒界等により影響を受け、渦電流損は材料の板厚、電気抵抗および180°磁区幅等により決まる。
また近年、鉄損を飛躍的に減少させるために、鉄損の大部分を占める渦電流損低減の観点から、上記の鋼板表面への張力付与以外の手段を用いて、人為的に鋼板に磁極を発生させ、180°磁区を細分化させる方法が提案されている。
また特許文献2には、一方向性電磁鋼板表面の所定方向及び所定荷重で溝を形成した後、歪取り燃鈍により歪導入部に微細結晶粒を生じさせ、二次再結晶粒との界面から磁区細分化の芽を発生させる方法が開示されている。
また特許文献3には、焼鈍済みの一方向性電磁鋼板の所定方向に溝付きロールなどにより機械的に所定深さの溝を形成した後、エッチングにより機械的歪により生じた微細粒を除去し溝を深めることで、一方向性電磁鋼板の鉄損を低減する方法が開示されている。
(1)鋼板表裏層の何れか一方又は両方における1箇所又は複数箇所に溝を有し、該溝側面の片側面または両側面から4μm以上の幅方向範囲で、かつ鋼板表面から溝深さの0.75倍以上の厚み方向範囲に、磁気異方性定数がFeの磁気異方性定数の2倍以上であり、前記溝側面の法線方向に対して±12°以内(0°を含む)の角度をなす向きに少なくとも1つの磁化容易軸を有するCo系金属またはFeNiO系化合物を含有することを特徴とする一方向性電磁鋼板。
(2)前記Co系金属またはFeNiO系化合物が前記溝側面の片側面または両側面から12μm以上の幅方向範囲に含有することを特徴とする上記(1)に記載の一方向性電磁鋼板。
本発明者らは、一方向性電磁鋼板の表面に溝または歪形成による従来の鉄損低減方法について確認試験を行い、以下の問題点を確認した。
図1は、表面に溝及び歪を形成し低鉄損化した一方向性電磁鋼板における表面張力と鉄損との関係を示す。
従って、実際の製品においては、表面に溝を形成した一方向性電磁鋼板ではW17/50 で0.69(W/kg)、表面に歪を形成した一方向性電磁鋼板ではW17/50 で0.66(W/kg)までの低鉄損化が図れるが、それ以上の低鉄損化は困難である。
しかし、本発明者らの確認試験結果から、レーザ照射により弾性歪の増加により磁区細分化は進むが、同時に塑性歪も増加し、塑性歪による磁壁移動が妨げられるためヒステリシス損が増加することを確認している。
また、この方法で低損失化した鋼板は、歪取り焼鈍処理を行なう場合には歪による磁区細分化効果は消失してしまう。そのため、約800℃の歪取り焼鈍処理が必要とする巻きトランスに使用する鋼板にはこの方法を適用できず、焼鈍処理が不要な積みトランスの用途に制限されるという問題があった。
本発明は、上記のような従来方法とは全く異なる技術思想及び全く新たな構成により、大幅な低鉄損化を図った一方向性電磁鋼板を提案するものである。
図2の概念図に示すように、一般に一方向性電磁鋼板の磁化容易軸は圧延方向に向いているため、磁区は圧延方向に平行および反平行な磁化(矢印)で構成され、180°磁区幅を形成する。この状態でさらに鋼板表面の圧延方向に対して直角方向に溝を形成すると、鋼板の180°磁区幅は狭くなる。つまり磁区の細分化が行なわれることは上述した通りである。
上述した鋼板表面に形成する溝深さを増加すると共に磁区の細分化が促進する理由は、溝深さの増加により溝断面積が増大するため、溝断面に発生する磁極も増加し、さらに磁区の再構成が促進するからであると考えられる。しかしこの方法は、上述したように溝深さの増加と共にヒステリシス損を増加し鉄損低減を阻害するため、溝だけを深めることによる鉄損特性の低減には限界がある。
そのために本発明は、図5に示すように、鋼板表裏層の何れか一方又は両方に1箇所または複数箇所に溝を形成し、この溝側面の片側面または両側面から所定幅方向範囲で、かつ鋼板表面から所定厚み範囲に、溝側面の法線方向にほぼ平行な容易軸を有し、かつFeに比べて磁気異方性定数が高い物質を付与することにより、この磁気異方性定数が高い物質を付与した部分の溝側面において、180°磁区を構成する磁化の向きを、図3に示す溝側面に平行に向う還流状態の磁化方向から、図4に示す溝側面に垂直になる磁化方向に誘導することにより、溝側面に発生する単位面積当たり磁極量を増加させ、鋼板の磁区の再構成、細分化の促進を実現するものである。
また本発明は、歪を形成した一方向性電磁鋼板の問題点であったトランス等の製品を作成する際に生ずる加工歪を除去するための焼鈍処理の影響がなく、熱処理後も鉄損特性が優れる一方向性電磁鋼板を提供することができる。
例えば、電磁鋼板の母材元素であるFeは、図6に示すように磁化容易軸が三つあり、その磁化容易軸の一つは圧延方向に向いている。また鉄の磁気異方性定数は、結晶の対称性から3方向が同等の正の磁気異方性定数:約4.8×104 (J/m3 )を持つことが知られている。
従って本発明では、鋼板の磁区の再編成、細分化による鉄損特性の向上のために、電磁鋼板の各180°磁区を構成する磁化の向き(鉄の容易軸方向である圧延方向)が溝側面で還流する状態にある溝側面に平行な磁化の向きを溝側面の法線方向に誘導し、溝側面での単位面積当たりの磁極量を増やすために、溝近傍に溝側面の法線方向に少なくとも1つの磁化容易軸を有し、かつFeに比べて磁気異方性定数が十分に高い物質を含有させる必要がある。
そのため、本発明において、鋼板表裏面の何れか一方又は両方における1箇所又は複数箇所に形成した溝側面の近傍に付与する上記金属または金属化合物のFeに対する磁気異方性定数の大きさ、及び、磁化容易軸方向(溝側面の法線方向に対する角度)、並びに、上記金属または金属化合物を付与する幅方向範囲(溝側面から略圧延方向への範囲)、及び、厚み方向範囲(溝深さに対する厚みの比率)を適正に規定することが重要である。
なお、以下での説明の便宜上、「磁気異方性定数がFeの磁気異方性定数より大きい金属または金属化合物」を「高磁気異方性物質」という。
なお高磁気異方性物質は、図5に示すように、鋼板の圧延方向に対してほぼ直角方向に、鋼板表面からの深さが約20μm、幅が約100μmの溝を形成し、この溝の両側面からそれぞれ約50μmの幅方向範囲で、鋼板表面から約15μm(溝深さの0.75倍)の厚み方向範囲に帯状に存在するものである。
また磁気異方性定数は、Feの磁気異方性定数(約4.8×104 (J/m3 ) )に対する相対比率として示す。また、磁化容易軸方向は、高磁気異方性物質の少なくとも1つの磁化容易軸と溝側面の法線方向とのなす角度(°)を示す。
また、一方向性電磁鋼板の鉄損値をより低減させるためには、高磁気異方性物質の容易軸方向が溝側面の法線方向に対して0°、つまり溝側面の法線方向と平行とすることが好ましい(図9「高磁気異方性物質の容易軸方向と鉄損W17/50 との関係」参照)。
なお、上記容易軸方向の溝側面の法線方向に対する角度において、「+」は時計周り方向、「−」は反時計周り方向を示す。
また本発明では、一方向性電磁鋼板の鉄損値をより安定して充分に低減させるために、高磁気異方性物質の容易軸方向を溝断面の法線方向と平行とするのが好ましい。
また本発明において、上記金属または金属化合物(高磁気異方性物質)の形態は、金属系、合金系、化合物系、酸化物系のいずれでも良い。
図8は、板厚が0.23mmの一方向性電磁鋼板における溝側面近傍に付与した高磁気異方性物質の厚み(溝深さに対する厚みの比率)と、鉄損W17/50 との関係を示す。
また、高磁気異方性物質の磁気異方性定数は、約4.53×105 (J/m3 )(Feの磁気異方性定数(約4.8×104 (J/m3 )の約9.4倍)であり、高磁気異方性物質の少なくとも1つの磁化容易軸方向は、溝断面の法線方向に対して±12°以内であった。
一方向性電磁鋼板の表面に形成した溝深さの増加(溝側面の表面積の増加)に伴い、図3に示すように、溝側面の近傍において180°磁区を構成する磁化の向きの還流による磁化の向きの乱れが顕著となり、溝側面で発生する磁極量は減少するが、溝側面の近傍に付与する高磁気異方性物質の溝深さに対する厚みを増加させることで、図4に示すように、溝側面近傍の磁化の向きの乱れは抑制され、磁区の再構成、細分化により鉄損特性は向上する。
図8から、従来の一方向性電磁鋼板に比べて鉄損値を充分に低減させるためには、高磁気異方性物質の厚みは、溝深さに対する厚みの比率で0.75以上とする必要がある。
なお高磁気異方性物質は、図5に示すように、鋼板の圧延方向に対してほぼ直角方向に、鋼板表面からの深さが約20μm、幅が約100μmの溝を形成し、この溝の両側面にそれぞれ約15μm(比率0.75)の厚みで帯状に存在するものである。
また、高磁気異方性物質の磁気異方性定数は、約4.53×105 (J/m3 )(Feの磁気異方性定数(約4.8×104 (J/m3 )の約9.4倍)であり、高磁気異方性物質の少なくとも1つの容易軸方向(溝側面の法線方向に対する角度)は0°と12°の2条件で行った。
一方向性電磁鋼板の表面に形成した溝深さの増加(溝側面の表面積の増加)に伴い、図3に示すように、溝側面の近傍において180°磁区を構成する磁化の向きの還流による磁化の向きの乱れが顕著となり、溝側面で発生する磁極量は減少するが、溝側面の近傍に付与する高磁気異方性物質の溝深さに対する厚みに加え、付与する幅を増加させることで、図4に示すように、溝側面近傍の磁化の向きの乱れは抑制され、磁区の再構成、細分化により鉄損特性は向上する。
また、一方向性電磁鋼板の鉄損値をより安定に低減させるためには、鋼板に付与する上記高磁気異方性物質の幅は、12μm以上とするのが好ましい。
また、一方向性電磁鋼板の鉄損値をより安定に低減させるために、上記高磁気異方性物質の幅方向範囲は、上記溝の片側面または両側面から12μm以上とするのが好ましい。
例えばその具体的な方法として、通常の方法で得られる一方向性電磁鋼板に対して、さらにエッチングや歯形ロール等の加工方法を用いて、その鋼板表面に積層するための溝を形成した後、上記高磁気異方性物質を積層し、再びエッチングや歯形ロール等で積層した高磁気異方性物質部分を加工し、本発明の指定する構造を作成する方法が用いられる。
また、鋼板に溝を形成せずに、母材鋼板を圧延で製造する過程に形成した窪み等を利用して上記高磁気異方性物質を積層しても良い。また積層方法としては、上記高磁気異方性物質を冷間または熱間圧延し埋め込んででも良い。
また、上記高磁気異方性物質を積層ではなく、鋼板表面へのイオン注入やドーピング等の方法により付与する方法を利用しても良い。
その後この鋼板の表層に、図5に示すように表1の条件で高磁気異方性物質を積層し、表層に高磁気異方性物質を付与した鋼板を製造した(表1の試料No.1〜10)。
また、高磁気異方性物質を付与した本発明の一方向性電磁鋼板に対する比較鋼板として、上記一方向性電磁鋼板の表層に溝のみを形成した鋼板(表1の試料No.11)、及び上記一方向性電磁鋼板の表層に歪を形成した鋼板(表1の試料No.12)を製造した。
また、一方向性電磁鋼板の表層に歪を形成した鋼板(表1の試料No.12)は、鋼板表面に1パルスあたり約3mJのエネルギーを持つパルスレーザーを圧延方向に約5mmピッチの間隔で照射し作成した。このときレーザ照射領域は、圧延方向にほぼ直角方向になるようにした。
また、試料No.11,12の比較例は、従来の鋼板表層に溝を形成した鋼板または鋼板表層に歪を形成した鋼板であるが、それぞれの鋼板の鉄損値(W17/50 )が0.69、0.66(W/kg)と高くなり、一方向電磁鋼板の鉄損特性が劣る結果であった。
表2から、本発明例の一方向性電磁鋼板は、歪取り焼鈍後でも良好な鉄損値をほぼ維持できた。
これに対して、比較例の鋼板表面に歪を形成した一方向性電磁鋼板は、歪取り焼鈍後に歪による磁区細分化効果は消失し、鉄損値W17/50 が0.65から0.9に大幅に増加した。
Claims (2)
- 鋼板表裏層の何れか一方又は両方における1箇所又は複数箇所に溝を有し、該溝側面の片側面または両側面から4μm以上の幅方向範囲で、かつ鋼板表面から溝深さの0.75倍以上の厚み方向範囲に、磁気異方性定数がFeの磁気異方性定数の2倍以上であり、前記溝側面の法線方向に対して±12°以内(0°を含む)の角度をなす向きに少なくとも1つの磁化容易軸を有するCo系金属またはFeNiO系化合物を含有することを特徴とする一方向性電磁鋼板。
- 前記Co系金属またはFeNiO系化合物が前記溝側面の片側面または両側面から12μm以上の幅方向範囲に含有することを特徴とする請求項1に記載の一方向性電磁鋼板。
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