JP7031752B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)方向性電磁鋼板の圧延方向と交差する向きに延びる線状歪み部を備え、
該線状歪み部は、圧縮応力域と引張応力域とが、該線状歪み部の長手方向へ交互に並ぶ応力分布を有する、方向性電磁鋼板。
前記引張応力域における最大引張応力が20MPa以上降伏応力以下である、
前記(1)に記載の方向性電磁鋼板。
通常、電子ビーム照射においては、鋼板表面にフォーカスが合った条件で照射をすることで、エネルギー密度が最大になり、高い歪み導入効果を得られることが知られている。そのため、通常の方向性電磁鋼板の磁区細分化プロセスにおいては、鋼板表面にフォーカスが合った状態で電子ビームを照射するように制御している。このとき、図2に示す、導入した線状の歪み(ビーム照射領域)の長手方向へ圧縮応力域と引張応力域とが交互に並ぶ応力分布を得る方法として、電子ビームを移動と停留を繰り返して照射する、いわゆるドット状照射(図3参照)を検討したが、単純なドット照射だけでは、斯様な応力分布は得られなかった。これは、ドット状に照射をしても、ビームの停留点だけでなく、ビームの移動域においても鋼板表面にフォーカスが合い続けるため、移動域と停留点との間で、歪み量の差がさほど大きくならなかったためである。
通常は鋼板表面にフォーカスの合った条件でビーム照射を行うため、通板中の鋼板は振動しないように制御されているが、上記知見に基づけば、通板中に鋼板を意図的に板厚方向に振動させることによって、フォーカス位置を鋼板の厚み方向へ周期的に変動させながらの磁区細分化と、鋼板通板による製造とを両立させ得ることを突き止めた。
また、振幅を増加させると引張応力が増加するのは、振幅が大きくなったことで、フォーカスのズレが大きくなり、歪み量の差が増加したためと推定している。
・方向性電磁鋼板
本実施形態では、公知の方法で製造された方向性電磁鋼板に対し、圧延方向に交差する方向に電子ビームを照射して一つ以上の線状歪み部を導入する。
本実施形態では、上記のように鋼板の圧延方向に交差する方向に電子ビームを照射して一つ以上の線状歪み部を導入するが、この線状歪み部のうち、電子ビームの停留により導入された歪みが圧縮応力域を生じさせ、圧縮応力域間に引張応力域が生じる。図3を参照して説明すると、この際、引張応力域の板幅方向の長さ(移動域の長さL)は、ビーム径をΦとしたとき、0.5Φ以上が望ましく、5.5Φ以下が望ましい。これは、移動域の長さLを0.5Φ未満とした場合、隣り合う停留点が近くなり過ぎ、還流磁区が十分に形成されず、鉄損の改善代が低下するためである。一方、長さLが5.5Φを超過する場合、還流磁区が連続的な直線状ではなく、局所的な島状に形成され、磁区細分化効果が低下することになる。
・引張応力域における最大引張応力:20MPa以上降伏応力以下
本発明では線状歪み部において、少なくとも圧縮応力域と引張応力域とが該線状歪みの長手方向へ交互に並ぶ応力分布を有すればよいが、その圧縮応力域における最大圧縮応力を30MPa以上とすることが好ましく、引張応力域における最大引張応力を20MPa以上とすることが好ましい。これは、最大圧縮応力が30MPa以上であれば、還流磁区が確実に形成され、磁区細分化効果が大きくなるからである。また、最大引張応力が20MPa以上であれば、磁気弾性効果による還流磁区の安定化作用が十分なものとなり、低鉄損効果が大きくなる。最大圧縮応力について、より好ましくは60MPa以上、さらに好ましくは80MPa以上とする。また、最大引張応力について、より好ましくは40MPa以上、さらに好ましくは60MPa以上とする。ここで最大圧縮応力および最大引張応力とは、後述の応力測定方法によって得られる圧縮応力域および引張応力域における、最大の応力値とする。
鋼板の応力測定方法に関しては、EBSD-Wilkinson法や高エネルギーX線によるXRD測定によって、鋼板に導入された歪み量を計測し、この歪み量の値と、ヤング率などから、CrossCourt Ver.3.0(BLG Productions Bristol製)等の解析ソフトを使用して計算する。
本実施形態における歪み測定は、鋼板の電子ビーム照射面から圧延方向と板幅方向に各0.6mmの範囲を、測定ピッチ5μmで行った。なお、視野の中心で歪み分布が対称となるようにして、歪み測定に必要となる無歪み参照点は、測定視野端部に設定した。
磁束密度B8:1.94T以上においては、本発明に従う応力分布の付与により、さらに高い低鉄損効果を発現する。これは、B8が高いほど磁気弾性効果が向上するためである。したがって、電子ビーム照射前の方向性電磁鋼板の磁束密度B8は1.94T以上が好ましく、1.95T以上がより好ましい。また、通常、電子ビーム照射によって磁束密度が大きく変わることはないため、電子ビーム照射後の方向性電磁鋼板の好適な磁束密度についても上記と同様の範囲である。
本実施形態では、1台以上の電子銃を用いて、鋼板の圧延方向を横切る向きに電子ビームを照射することによって線状歪み部を形成する。このとき、ビームの走査方向は、圧延方向から60°~120°の範囲とすることが好ましく、圧延方向から90°、すなわち板幅方向(圧延直角方向)に沿うように走査することがより好ましい。これは、板幅方向からの走査線のズレが大きくなると、鋼板に導入される歪みの量が増加し、磁歪の増加を招くためである。また、照射形態は走査方向に沿って移動と停留を繰り返す照射方法(ドット状照射、図3を参照)においてのみ、鉄損・騒音の改善効果が得られる。
ドット状照射の一例として、電子ビーム照射を、停留点において2~20μs停留させ、速度30m/s以上で、移動域の長さLがビーム径Φに対して0.5Φ~5.5Φ程度となるよう移動させ、上記の停留及び移動を繰り返す照射法とすることができる。
停留時間が2μs未満では、エネルギー投入量が不十分となり歪みが導入されにくくなる。一方、停留時間が20μsを超えると電子ビームの処理時間が長大となり生産性が低下する。また、移動速度が30m/s未満では、処理時間の増加により生産性が低下する。移動速度に上限は特に設けないが、実用上300m/s程度である。移動域の長さLがビーム径Φに対して0.5Φ未満となる場合、隣り合う停留点が近くなり過ぎ、還流磁区が十分に形成されず、鉄損の改善代が低下する。一方、移動域の長さLがビーム径Φに対して5.5Φを超過する場合、還流磁区が連続的な直線状ではなく、局所的な島状に形成され、磁区細分化効果が低下する。
鋼板に複数本の線状歪み部(照射部)を形成する場合、照射部相互間の圧延方向における間隔は、7.0mm以上が好ましく、15mm以下が好ましく、7.0~15mmが好ましい。これは、照射部の線間隔が狭いと鋼板全体に導入される歪み量が過大となり、騒音やヒステリシス損の劣化を招くためである。一方で、照射部の線間隔が広すぎる場合は磁区細分化効果が低下し、鉄損改善効果が弱まるためである。
・加速電圧:60kV以上300kV以下
鋼板への電子ビームの透過能を増加させるためには、加速電圧は高いほど好ましい。これは、鋼板への透過能が高いと、フォーカスが鋼板表面に合っていない条件下でも鋼板に歪みを導入できるためである。したがって、加速電圧は60kV以上であることが好ましい。より好ましくは、加速電圧は90kV以上で、120kV以上であればなお良い。
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を300kV以下にすると好ましい。より好ましい加速電圧は200kV以下である。また、本実施形態では、線状歪み部の長手方向に沿って歪み量に差を設けることが重要であるため、ビーム移動域に導入される歪み量を抑制する観点からも、加速電圧の上限を上記のとおりとすることが好ましい。
電子ビーム径は、小さいほどエネルギー密度が増し、ジャストフォーカス点でより強い歪みを導入することができるため、好ましい。そこで、本実施形態では、電子ビームの径を300μm以下とすることが好ましい。ビーム径は280μm以下とすることがより好ましく、更に好ましくは260μm以下である。ここで、ビーム径とは、幅30μmのスリットを用いてスリット法で取得したビームプロファイルの半値幅を指す。
また、ビーム径の下限については特に設けないが、実用上、ビーム径は50μm程度を下限とすることが好ましい。
ビーム電流は、ビーム径縮小の観点からは、小さい方が好ましい。これは、電流を大きくするとクーロン反発によってビーム径が広がりやすいためである。そのため、本実施形態では、ビーム径を40mA以下とするのが好ましい。一方で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、0.5mA以上とすることが好ましい。
電子ビームは気体分子によって散乱を受け、ビーム径の増大や、エネルギーの減少が発生する。そのため、ビーム照射領域の真空度は高い方が良く、圧力にして3Pa以下とすることが望ましい。下限については特に制限を設けないが、過度に低くしすぎると、真空ポンプなどの真空系統にかかるコストが増大する。そのため、実用上は、10-5Pa以上の圧力とすることが望ましい。
鋼板の振幅は、大きすぎると鋼板が破断し製造が困難になるため、一定以下の振幅に収まるように、操業時に制御を行う必要がある。振幅の基準位置は電子ビームがジャストフォーカスとなる位置とし、振幅の計測はレーザー距離計によって行い、計測値に応じて後述の手法にて通板ラインにおける張力を増減させることで振幅を制御する。
好ましい振幅の範囲は、前述の通り、板厚方向に1mm以下であり、これよりも大きな振幅を与えると、鋼板が破断し、操業に悪影響となるおそれがある。振幅の下限は、0mmをわずかでも超えれば本発明の効果が得られるが、より好ましくは0.05mm以上である。なお、振幅は、鋼帯の電子ビーム照射部裏面に、ガイドロールを設置し、ガイドロールの位置を変動させて通板張力を増減させることで与えることができる。
鋼板の振動周波数fvは10kHz以上とすることが好ましく、15kHz以上とすることがより好ましい。振動周波数fvを上記の好適下限以上とすることで、ビーム移動中のフォーカス変動が大きくなり、目的とする応力分布が得やすくなる。一方、振動周波数fvの上限は、ビーム停留点の間隔(移動域の長さ+ビーム径)をdとし、ビームの移動速度をvとし、ビームの停留周波数fをf=v/dとしたときに、fv≦fとすることが好ましく、fv≦f/2とすることがより好ましい。振動周波数fvをf以下とすることで、ビーム停留点でのフォーカス変動が過剰となることがなく、目的とする応力分布が得やすくなる。
鋼板へのビーム照射によって形成される還流磁区の幅が広い場合、歪み量が増加しているため、磁歪が増加する。したがって、還流磁区幅は400μm以下であることが望ましい。
ここで還流磁区幅とは、図9に示すように、還流磁区の圧延方向の領域長を意味する。具体的には、市販のマグネットビューワーをビーム照射面に置いて還流磁区を転写した時の、圧延方向への転写長さで表される。
そして、還流磁区幅は、上述したビーム照射条件を適宜変更することにより調節可能である。
公知の方法で製造された、方向性電磁鋼板に対して、表1に示す通り、該鋼板に0~1.1mmの板幅方向の振幅を与えながら、出力1.5kWのレーザーまたは加速電圧120kV、電子ビーム径200μm、ビーム電流10mA、ビーム照射領域内真空度0.3Pa、電子ビームを圧延直角方向へ照射することを、圧延方向に8.0mmの間隔にて行い、磁区細分化処理を行った。なお、電子ビームを照射した鋼板の一部は、加速電圧120kV、ビーム電流5mAの条件とした(表1のNo.6および17。他の条件は同じ)。照射方式は、連続照射又はドット状照射とし、ドット状照射は、レーザー照射についても電子ビーム照射についても、停留時間8μs、移動速度40m/s、移動域長さ120μmで行った。磁区細分化に用いた鋼板(素材)としては、B8が1.92T、1.94Tのものを用いた。
また、磁区細分化処理を行った試料のB8も、それぞれ1.92T、1.94Tであった。
Claims (4)
- 方向性電磁鋼板の圧延方向と交差する向きに延びる線状歪み部を備え、
該線状歪み部は、圧縮応力域と引張応力域とが、該線状歪み部の長手方向へ交互に並ぶ応力分布を有する、方向性電磁鋼板。 - 前記圧縮応力域における最大圧縮応力が30MPa以上降伏応力以下であり、
前記引張応力域における最大引張応力が20MPa以上降伏応力以下である、
請求項1に記載の方向性電磁鋼板。 - 前記方向性電磁鋼板の磁束密度B8が1.94T以上である、請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板。
- 方向性電磁鋼板に線状歪み部を形成する方向性電磁鋼板の製造方法であって、前記鋼板の表面に、電子ビームの照射を、前記鋼板の圧延方向を横切る向きへの移動及び停留を繰り返して行う際に、前記鋼板に、該鋼板の板厚方向の振動における振幅が0.05mm以上1mm以下となるように板厚方向の振動を与えて前記線状歪み部を形成することにより、
方向性電磁鋼板の圧延方向と交差する向きに延びる線状歪み部を備え、該線状歪み部は、圧縮応力域と引張応力域とが、該線状歪み部の長手方向へ交互に並ぶ応力分布を有する方向性電磁鋼板を得る、方向性電磁鋼板の製造方法。
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