JPWO2019245044A1 - 磁気特性が優れた方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Abstract
Description
また、従前の知見では、方向性電磁鋼板の粒径が数センチメートル程度の二次再結晶粒の中に比較的小さな粒を混在せしめることは可能であるが、その場合、その小さな粒の方位は所謂Goss方位({110}<001>)から大きくズレて、磁気特性が劣化するので、実用化に至っていない。
本発明の目的は、磁束密度を劣化させることなく、二次再結晶組織の中にGoss方位の微細粒が存在することにより鉄損を著しく改善した方向性電磁鋼板を提供することである。以下、二次再結晶組織の中に存在するこのGoss方位の微細粒を“胡麻粒”と呼ぶ。本発明においては、胡麻粒は長径が5mm以下のものを云う。
最終焼鈍後の金属組織がGOSS方位二次再結晶粒のマトリックス粒を含み、
該マトリックス粒の中に存在する、長径が5mm以下のGoss方位結晶粒の前記金属組織での存在頻度が1.5個/cm2以上、8個/cm2以下であり、磁束密度B8が1.88T以上であること、前記Goss方位結晶粒の[001]方向の圧延方向からのズレ角度が、
α角度およびβ角度の単純平均として、それぞれ7°以下および5°以下であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
ここで、α角度、β角度は下記を示す。
α角度:長手方向(圧延方向)と、Goss方位粒の[001]磁区とその方位を圧延面表面に投影したものとの間のなす角度
β角度:Goss方位粒の[001]軸が圧延面と成す角度
また、本発明の方向性電磁鋼板の表面にはフォルステライトを主とするグラス被膜が存在してもよい。またその上に張力被膜が塗布されてもよい。
<結晶方位>
まず、方向性電磁鋼板の二次再結晶粒の方位について述べる。方向性電磁鋼板は二次再結晶現象を活用して巨大なGoss方位粒を形成せしめる。このGoss方位は{110}<001>なる指数で表される。そして、方向性電磁鋼板のGoss方位集積度は結晶格子の<100>方位の圧延方向からのズレに大きく依存する。具体的には、図1に示す通り、ズレ角度は三次元空間における3つの角で規定され、α、β、γの角は下記で定義される(非特許文献1)。
α:長手方向(圧延方向)と、Goss方位粒の[001]軸とその方位を試料圧延面表面に投影したものとの間の角度(あるいは、[001]方向の圧延面法線軸周りの回転角度。)
β:Goss方位粒の[001]軸が圧延面と成す角度。
γ:試料表面(圧延方向に垂直な断面)での、Goss方位粒の[001]軸のまわりの回転角度
ここで、方向性電磁鋼板の結晶格子は体心立方晶である。[ ]、( )はユニークな方向と面法線方向を、< >、{ }は立方晶の等価な方位と面法線方位を表す。また、図1において、Goss方位に関する右手系座標系でユニークな[100],[010],[001]方向を定義している。更に“向き”について、ユニークな場合を、”方向“、等価な場合を”方位“としている。
以下、成分組成について説明する。以下、%は質量%を意味する。
Si:2.5〜3.5%
Siは、固有抵抗を大きくして、鉄損特性の向上に寄与する元素であり、2.5%未満であると固有抵抗が小さくなり鉄損が劣化する。3.5%より多いと、製造工程において特に圧延において破断が多発して実際上商業生産できない。
本発明に係る方向性電磁鋼板、およびそれを製造するためのスラブ等における各元素の含有量は、元素の種類に応じて、一般的な方法を用いて、一般的な測定条件により測定することができる。
製品厚は、実際の生産では0.18mmまでである。0.18mmより薄い鋼板の生産は可能であるが、圧延機のロール径が大きい場合は、厚さ精度(板厚変動5%以下)を十分に満たしつつ圧延することはできない。厚さの上限は、方向性電磁鋼板の絶対値鉄損が大きくなるので、日本工業規格の上限の0.35mm以下とする。なお、本発明の技術では、微細二次再結晶粒を存在せしめて磁束密度B8が1.88T以上であることが根幹である。
よく知られているように方向性電磁鋼板の鉄損は、履歴損、古典的渦流損、異常渦電流損からなる。
古典的渦電流損は、固有抵抗、板厚に大きく依存するため、たとえ二次再結晶粒径が異なってもSi含有量、板厚が同じ場合は同じと考えられる。
履歴損と異常渦電流損は、二次再結晶粒径(正確には粒界面積)に大きく依存する。履歴損は粒界面積が大きいと大きくなり、胡麻粒(粒界面積が小さい)により履歴損は増大しない。一方で、方向性電磁鋼板の鉄損は、粒径だけではなく、粒内の磁区構造にも依存し、より具体的には、先鋭なGoss方位の胡麻粒の存在により、大きな結晶粒(マトリックス粒または非胡麻粒)の磁区幅を狭くする効果が得られることを、本発明者が見出した。別の言い方をすると、大きな二次再結晶Goss粒のみでは、その粒内の磁区幅が必然的に広くなり、異常渦電流損が増加するが、方位の良い(先鋭なGoss方位の)胡麻粒の存在により、大きな粒内の磁区幅が狭化(磁区細分化)され、異常渦電流損が改善される、と考えられる。このように胡麻粒により磁区細分化効果が得られる一方で、胡麻粒によって履歴損の増加する効果が懸念されるが、現在、両者についての定量的な比較・説明は困難である。しかし、本発明では胡麻粒は方位が良好なため、この劣化は少ないと推定される。また、胡麻粒の磁区細分化効果によって改善される異常渦電流損は、磁壁移動速度の2乗に比例し、近似的には移動速度は移動距離に比例と考えられるため、結晶方位が同じ場合は結晶粒径が小さい(移動距離が短い)ほど小さくなる、すなわち異常渦電流損の低減効果は大きいと考えられる。
胡麻粒の密度は、図3および図5より、下限は1.5個/cm2であり、上限は金属組織全体の半分を胡麻粒が占めて二次再結晶不良となる8個/cm2である。
胡麻粒が長方形であり、その一辺あたりの平均長さを2.5mmとすると、胡麻粒の平均面積は、2.5×2.5=6.25mm2/個となる。また、金属組織100mm2(1cm2)の半分が胡麻粒の占める面積とすると50mm2となる。したがって、金属組織全体の半分を胡麻粒が占める場合の胡麻粒の密度は、50mm2/6.25mm2/個=8個となる。胡麻粒の密度が、8個/cm2以上になると、二次再結晶不良で商業的製品にはならない。胡麻粒の密度は、板厚全厚を含む圧延方向に平行な鋼板断面を目視または拡大鏡観察することにより、測定する。
α角度、β角度は、図6より、それぞれ7°以下、5°以下である場合に鉄損が良好である(好ましくは鉄損が0.93以下である)ことが確認される。この差異は次のように考える。αとβではGoss方位から磁化困難軸への回転角度(距離)はαの方が大きいので非微細粒(マトリックス粒)内での磁区細分化効果が大きく、広い回転角範囲でその効果が有効であると推定する。これら上限を超えるとGoss方位からのズレまたは偏倚が大きくなり磁束密度が1.88T未満になることが頻繁に生じるためである。
なお、結晶方位は、単結晶方位測定Laue法により測定する。Laue法では各粒の中心域にX線を照射して各粒毎に測定する。
本特性を有する方向性電磁鋼板を得るための方法について説明する。
本発明の対象とする電磁鋼板は、日本工業規格JIS C 2553(方向性電磁鋼帯)に規定されたものに関係し、主に変圧器用鉄心として用いられる。当該規格では、その製造方法として、複数の方法が開示、実現されている。その起源は、N.P.Gossの非特許文献2に遡り、その後の特許文献4、特許文献5等多くの発明の明細書に記載されている。本発明の電磁鋼板は、そのうち、AlNを主なインヒビターとする方向性電磁鋼板に関するもので、最終冷間圧延率が80%を超えるものであり、関係する技術例として特許文献6、特許文献7、特許文献8が挙げられる。
さらに、ここで圧延形状比mは下記式で定義される。
表1は、鋼板に含有されるSiを2.45〜3.55%として、上記のプロセス条件に沿って生産された方向性電磁鋼板の結果を示す。なお、一部の比較例では、Si含有率が本発明の範囲外であるか、上記のプロセス条件(特に圧延形状比7以上のパス回数)を満たさない条件で、方向性電磁鋼板を製造した。胡麻粒の存在頻度が本発明範囲である発明例A1〜A7は、鉄損が良好であるのに対し、胡麻粒の存在頻度が本発明範囲外である比較例a1〜a5は、鉄損が劣っているか、または製品とならなかった。尚、鉄損は板厚の増加に伴い劣化する傾向にある。発明例A4の鉄損が劣るように見受けられるのは、板厚が厚いためである。また、発明例A1〜A7では、図4の観察写真が示すように、大きなマトリックス粒の中に、胡麻粒が存在することが確認された。
表2は長径が5mm以下の胡麻粒の存在頻度、方位と磁気特性の関係を示したものであり、特公昭60−48886号公報に基づいて、スラブ加熱温度を1350℃とし、窒化を施さず、最終冷延は上記のプロセス条件で、製造されたものの結果である。圧延形状比7以上のパス回数は、備考欄に記載したとおりである。製品厚みは0.27mmである。この範囲では、胡麻粒の存在頻度が大きいほど、あるいはずれ角度α、βの合計が小さいほど、磁束密度が劣化せず鉄損が良好である。また、発明例B1〜B4でも、図4の観察写真が示すように、大きなマトリックス粒の中に、胡麻粒が存在することが確認された。
Claims (1)
- 質量%でSi:2.5〜3.5%、残部Feおよび不可避的元素からなり、板厚が0.18〜0.35mmの方向性電磁鋼板であって、
最終焼鈍後の金属組織がGOSS方位二次再結晶粒のマトリックス粒を含み、
該マトリックス粒の中に存在する、長径が5mm以下のGoss方位結晶粒の前記金属組織での存在頻度が1.5個/cm2以上、8個/cm2以下、磁束密度B8が1.88T以上であること、
前記Goss方位結晶粒の[001]方向の圧延方向からのずれ角度が、
α角度およびβ角度の単純平均として、それぞれ7°以下および5°以下であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
ここで、α角度、β角度は下記を示す。
α角度:長手方向(圧延方向)と、Goss方位粒の[001]軸とその方位を圧延面表面に投影したものとの間の角度
β角度:Goss方位粒の[001]軸が圧延面と成す角度。
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