WO2011162086A1 - 一方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

一方向性電磁鋼板の製造方法 Download PDF

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岩田　圭司
安広 菊地
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新日本製鐵株式会社
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    • H01F1/14783—Fe-Si based alloys in the form of sheets with insulating coating

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a unidirectional electrical steel sheet having grooves formed on the surface.
  • a unidirectional electrical steel sheet having an easy magnetization axis in the rolling direction of the steel sheet is used for an iron core of a power converter such as a transformer.
  • the iron core material is strongly required to have low iron loss characteristics in order to reduce the loss generated during energy conversion.
  • Patent Documents 1 to 5 Many methods for processing grooves on the surface of a steel sheet have been proposed so far, and are disclosed in, for example, Patent Documents 1 to 5. However, the techniques disclosed in these Patent Documents 1 to 5 relate to a method of processing a simple continuous linear groove.
  • sub-grooves a groove in which a plurality of sub-segmented fine grooves (hereinafter referred to as sub-grooves) are branched from the main straight groove (hereinafter referred to as main grooves) on the surface of the steel sheet.
  • main grooves main straight groove
  • the present invention solves the above problems, and the gist thereof is as follows.
  • the steel plate exposed portion has a first region in the width direction of the plate and a plurality of second regions starting from the first region, and the first and second regions
  • a method for producing a unidirectional electrical steel sheet wherein a width is 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, and a distance from an end portion of the second region to an end portion of an adjacent second region is 60 ⁇ m to 570 ⁇ m.
  • the etching is controlled so that the groove depth of the steel sheet is 10 ⁇ m to 30 ⁇ m and the erosion width to the lower part of the coating is not less than 2 times and not more than 4.5 times the groove depth.
  • the method for producing a unidirectional electrical steel sheet according to (1) which is characterized in that (3) The etching is electrolytic etching, using a sodium chloride aqueous solution having a concentration of 10% by mass to 20% by mass as an etchant, a liquid temperature of 40 ° C. to 50 ° C., and a current density of 0.1 A / cm.
  • the method for producing a unidirectional electrical steel sheet according to (1) wherein the method is performed under conditions of 2 to 10 A / cm 2 and an electrolysis time of 10 s to 500 s.
  • the etching is electroless etching, using an aqueous ferric chloride solution having a concentration of 30% by mass to 40% by mass as an etching solution, a liquid temperature of 40 ° C. to 50 ° C., and an immersion time.
  • the method for producing a unidirectional electrical steel sheet according to (1) which is performed under conditions of 10 min to 25 min.
  • FIG. 1 is a view showing an aspect of a groove in which a plurality of sub-segmented fine grooves are branched from a main straight groove processed on a steel plate surface.
  • FIG. 2 is a diagram showing a pattern of a resist film formed on the steel plate surface.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the groove depth d of a groove formed by etching and the distance a between adjacent fine grooves when the width p of the unexposed portion of the steel plate before the start of etching is 50 ⁇ m. is there.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating the positions of the erosion lengths x, y, and z.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating the positions of the erosion lengths x, y, and z.
  • FIG. 4B is a view showing the shape of the cold-rolled steel sheet after etching and showing the side surface shape directly under the resist film.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the erosion lengths x, y, z of the steel sheet and the groove depth d.
  • FIG. 6A is a view showing a planar shape immediately below a resist film, which is an embodiment of a cold-rolled steel sheet after etching.
  • FIG. 6B is a view showing the shape of the cold-rolled steel sheet after etching and showing the side surface shape directly under the resist film.
  • FIG. 7 is a view showing another aspect of the steel sheet surface and the resist film after etching.
  • the present inventors performed a groove processing test in which a surface of a cold-rolled steel sheet obtained by cold rolling was processed into a groove in which a plurality of sub-grooves were branched from the main groove by etching.
  • the groove processing test and knowledge obtained from the results will be described.
  • a branched subgroove as shown in FIG. 1 could be formed on the surface of the cold rolled steel sheet.
  • 1 is the distance between the branched fine grooves
  • the groove width b is the groove width of the main groove
  • the groove length c is the depth of the branched sub-groove
  • the groove depth is the depth of the main groove and the sub-groove
  • the groove width e is the groove width of the branched sub-groove.
  • the electrolytic etching solution used for etching a NaCl aqueous solution having a concentration of 10% by mass was used, and the solution temperature was set to 40 ° C.
  • the groove depth d was controlled by changing the current density to 0.3 A / cm 2 and changing the electrolysis time in the range of 10 s to 500 s.
  • the cathode plate was a titanium platinum plate, and a cold-rolled steel plate as a material to be etched was attached to the anode side.
  • the cold-rolled steel sheet coated with the resist film 1 having a shape as shown in FIG. 2 was etched.
  • the width p of the steel sheet non-exposed portion 3 in the resist film 1 formed before starting etching is set to 50 ⁇ m, the groove depth d formed by etching, and the etching between adjacent sub-grooves is not performed.
  • the distance a between the parts was measured. The result is shown in FIG.
  • the width p of the steel sheet non-exposed portion 3 is 50 ⁇ m
  • the groove depth d exceeds 10 ⁇ m
  • the distance a between adjacent sub-grooves after etching becomes zero.
  • the plurality of sub-grooves branched from the main groove disappear.
  • Unidirectional electrical steel sheets have the same crystal orientation of coarse Fe-Si single crystal grains in order to reduce iron loss. For this reason, when the cold rolled steel sheet is etched, anisotropy appears strongly, and in particular, the grooving test has quantitatively revealed that erosion in the side surface direction is larger than expected.
  • the groove depth at which the iron loss of the unidirectional electrical steel sheet is minimized is 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • a groove having a groove depth of 10 ⁇ m to 30 ⁇ m cannot be formed on the surface of the steel sheet simply by etching.
  • the purpose was to form a simple straight groove, so there was no problem even if the shape of the resist film for etching was not specified.
  • the present inventors have found a method of processing a groove in which a plurality of sub-grooves branch from the main groove on the surface of the cold-rolled steel sheet by precisely defining the shape of the resist film.
  • the present inventors performed a groove processing test for examining how much the lower part of the resist film is eroded by etching.
  • the distance to the boundary between the unexposed portion 3 and the steel plate were defined as erosion lengths x, y, and z.
  • the erosion length x indicates the erosion length of the secondary groove in the plate width direction
  • the erosion length y indicates the erosion length of the main groove in the rolling direction
  • the erosion length z indicates the erosion length of the secondary groove in the rolling direction. Is shown.
  • a resist was applied to the surface of the cold-rolled steel sheet, and a required resist film pattern was created using photolithography processing including processes such as exposure, development, rinsing, and washing.
  • etching solution a NaCl aqueous solution having a concentration of 10% by mass was used, and the solution temperature was set to 40 ° C.
  • the cathode plate was a titanium platinum plate, and a cold-rolled steel plate as an etched material was attached to the anode side to perform grooving.
  • the groove depth was controlled by changing the current density to 0.3 A / cm 2 and changing the electrolysis time in the range of 10 s to 500 s.
  • FIG. 5 shows the results of measurement of the erosion lengths x, y, z and the groove depth d on the surface of the steel sheet when etching was performed with the resist film 1 having the shape shown in FIG. 2 formed.
  • the erosion lengths x, y, and z were measured with an optical microscope.
  • 6A and 6B show the state of the steel sheet after etching.
  • 6A shows a planar shape directly under the resist film
  • FIG. 6B shows a side shape directly under the resist film.
  • the inventors Before starting etching, the inventors set the widths w1 and w2 of the steel plate exposed portion 2 of the resist film 1 to 20 ⁇ m, the width p of the steel plate unexposed portion 3 to 150 ⁇ m, and the direction of the sub-groove of the steel plate exposed portion 2 It has been found that good results can be obtained when the depth s is set to 150 ⁇ m.
  • the main groove is based on the quantitative correlation between the groove depth and the erosion length by etching. And found that minor grooves can be formed. Thereby, even if heat treatment such as strain relief annealing is performed on the steel sheet, the grooving effect is not lost, and a unidirectional electrical steel sheet capable of maintaining excellent iron loss characteristics can be provided.
  • a slab is produced by casting a silicon steel material for a unidirectional electrical steel sheet having a predetermined composition.
  • the casting method is not particularly limited.
  • the effect of the present invention can be obtained if the component of the silicon steel material is that of a normal unidirectional electrical steel sheet, but as a representative component, for example, Si: 2.5% by mass to 4.5% by mass, C: 0.03% by mass to 0.10% by mass, acid-soluble Al: 0.01% by mass to 0.04% by mass, N: 0.003% by mass to 0.015% by mass, Mn: 0.02% by mass % To 0.15% by mass, S: 0.003% to 0.05% by mass, with the balance being Fe and inevitable impurities.
  • the slab is heated. Subsequently, a hot-rolled steel sheet is obtained by performing hot rolling of the slab.
  • the thickness of the hot-rolled steel sheet is not particularly limited and is, for example, 1.8 mm to 3.5 mm.
  • an annealed steel sheet is obtained by annealing a hot-rolled steel sheet.
  • the annealing conditions are not particularly limited, and for example, the annealing is performed at a temperature of 750 ° C. to 1200 ° C. for 30 seconds to 10 minutes. This annealing improves the magnetic properties.
  • a cold rolled steel sheet is obtained by cold rolling the annealed steel sheet.
  • Cold rolling may be performed only once, or multiple times of cold rolling may be performed while intermediate annealing is performed therebetween.
  • the intermediate annealing is performed, for example, at a temperature of 750 ° C. to 1200 ° C. for 30 seconds to 10 minutes.
  • a resist film is formed on the cold-rolled steel sheet obtained by the above procedure, and grooves are processed by electrolytic etching or non-electrolytic etching.
  • the resist film 1 having a shape as shown in FIG. 2 on the surface of the steel plate
  • a photolithography technique using a glass mask or a film mask on which a groove pattern is drawn is used.
  • the steel plate exposed portion 2 includes a first region for forming a main groove in the steel plate and a second region for forming a sub-groove, and is formed so as to penetrate in the plate width direction.
  • the steel plate exposed part 2 does not necessarily have to penetrate so as to be parallel to the plate width direction.
  • the angle formed with the plate width direction is within a range of ⁇ 45 °.
  • Widths w1 and w2 of the exposed steel plate portion 2 in the resist film 1 to be formed are at least 20 ⁇ m so that the etchant can easily penetrate.
  • Etching uses electrolytic etching or electroless etching, which is an industrially easy technique, but if the widths w1 and w2 of the steel plate exposed portion 2 are too small, the etching solution may not penetrate into the steel plate exposed portion 2. Although a method of infiltrating the etching solution using ultrasonic waves or the like can be considered, there is a problem that the resist film is peeled off in this case.
  • the etching solution penetrates and etching proceeds, so that branched fine grooves are formed.
  • the ratio of the etched portion increases and the iron loss value of the unidirectional electrical steel sheet increases. According to the grooving test so far, it has been found that if the widths w1 and w2 of the steel plate exposed portion 2 are 100 ⁇ m or less, the iron loss value is not affected.
  • the widths w1 and w2 of the exposed steel plate portion 2 of the resist film 1 before starting the etching are preferably 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, and preferably 40 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the width of the branched sub-groove formed on the surface of the electromagnetic steel sheet is preferably 20 ⁇ m to 300 ⁇ m in order to improve the iron loss value. Further, from the results of the groove processing test so far, the groove depth is preferably 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the erosion lengths x, y, and z are preferably controlled within the range of 2 to 4.5 times the groove depth d. Therefore, the erosion length x, y, z when the groove depth d is 10 ⁇ m is at least 20 ⁇ m, and erosion of at least 40 ⁇ m is considered in total on both sides of the branched sub-groove.
  • the erosion lengths x, y, and z are similarly 135 ⁇ m at the maximum, and erosion of a maximum of 270 ⁇ m is considered in total on both sides of the branched sub-groove.
  • the width p of the steel sheet non-exposed portion 3 by the resist film 1 is preferably 60 ⁇ m to 570 ⁇ m, and preferably 60 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the depth s of the steel plate exposed portion 2 is preferably 100 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the arrangement interval in the rolling direction between a main groove and an adjacent main groove in the cold-rolled steel sheet is 1 mm to 10 mm. If the arrangement interval is smaller than 1 mm, the volume of the cold-rolled steel sheet becomes too small, and the iron loss value increases. Further, when the arrangement interval exceeds 10 mm, the ratio of the sub-groove is reduced, and the magnetic spin is likely to be bypassed. From the above, it is preferable that the arrangement interval in the rolling direction between the center portion of the exposed steel plate portion in the resist film 1 and the center of the adjacent steel plate exposed portion is also 1 mm to 10 mm.
  • the groove depth d of the groove formed by etching is set, and then the etching conditions are determined so that the erosion lengths x, y, and z are 2 to 4.5 times the groove depth d.
  • a groove having branched fine grooves can be processed accurately.
  • the erosion length x, y, z is more preferably 3 to 4 times the groove depth.
  • the width p of the steel sheet non-exposed portion 3 is set by adding twice the erosion length x, y, z to the target distance a of the branched fine grooves,
  • a groove pattern can be drawn on a glass mask or a film mask.
  • FIG. 7 shows another embodiment of the steel sheet surface and the resist film after etching.
  • the shape of the resist film may be a pattern separated by a curve.
  • the etching method may be either electrolytic etching or electroless etching.
  • Electrolytic etching is preferable because the groove depth can be controlled and the etching rate can be adjusted by controlling the current and voltage.
  • Electroless etching is preferable because the groove depth can be adjusted depending on the type and temperature of the solution, such as ferric chloride solution, nitric acid, hydrochloric acid, and a mixed solution in which a combination thereof is changed.
  • a sodium chloride aqueous solution having a liquid temperature of 40 ° C. to 50 ° C. and a concentration of 10% by mass to 20% by mass as an etching solution.
  • the current density is preferably 0.1 A / cm 2 to 10 A / cm 2 and the electrolysis time is preferably 10 s to 500 s.
  • an aqueous ferric chloride solution having a liquid temperature of 40 ° C. to 50 ° C. and a concentration of 30% by mass to 40% by mass as an etching solution.
  • the immersion time is preferably 10 min to 25 min. This is because the dipping time is a time required for setting the groove depth d to 10 ⁇ m to 30 ⁇ m. These conditions are more preferable because they are industrially easy to control.
  • the resist film is peeled off by immersing the cold-rolled steel sheet in an alkaline solution.
  • the cold rolled steel sheet is decarburized and annealed to obtain a decarburized annealed steel sheet.
  • nitriding annealing may be performed simultaneously with decarburization annealing, or nitriding annealing may be performed after decarburization annealing.
  • decarburization and nitridation annealing in which decarburization annealing and nitridation annealing are performed at the same time, decarburization and nitridation annealing is performed in an atmosphere containing nitriding gas such as ammonia in a humid atmosphere containing hydrogen, nitrogen and water vapor. I do. In this atmosphere, decarburization and nitriding are simultaneously performed to obtain a steel sheet structure and composition suitable for secondary recrystallization. In this case, the decarbonizing and annealing is performed at a temperature of 800 ° C. to 950 ° C., for example.
  • nitriding gas such as ammonia in a humid atmosphere containing hydrogen, nitrogen and water vapor.
  • decarburization annealing is performed in a humid atmosphere containing hydrogen, nitrogen, and water vapor.
  • nitridation annealing is performed in an atmosphere in which hydrogen, nitrogen and water vapor are further mixed with a gas having nitriding ability such as ammonia.
  • the decarburization annealing is performed at a temperature of, for example, 800 ° C. to 950 ° C.
  • the subsequent nitriding annealing is performed at a temperature of, for example, 700 ° C. to 850 ° C.
  • an annealing separator mainly composed of MgO is applied to the surface of the decarburized and annealed steel sheet with a water slurry, and the decarburized and annealed steel sheet is wound into a coil shape.
  • a coil-like finish-annealed steel plate is obtained by performing batch type finish annealing to a coil-like decarburized annealed steel plate.
  • powder removal by light pickling, washing with water, brushing, etc. for example, by applying and baking an insulating coating agent mainly composed of phosphate and colloidal silica, the unidirectional electrical steel sheet with insulating coating Get the product.
  • the conditions in the examples are one example of conditions used for confirming the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is based on this one example of conditions. It is not limited.
  • the present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.
  • a cold-rolled steel sheet containing about 3% by mass of Si and the balance being Fe and other impurities is prepared, and the widths w1 and w2 of the steel sheet exposed part 2 and the steel sheet non-exposed part under the conditions shown in Table 1 below.
  • a film for photoresist having a width p of 3 and a depth s of the exposed steel plate portion 2 was applied to the surface of the cold-rolled steel plate.
  • the main grooves are formed at intervals of 4 mm perpendicular to the rolling direction as shown in Table 1.
  • the groove was processed by electrolytic etching or electroless etching according to the conditions.
  • a NaCl aqueous solution having a temperature of 40 ° C. and a concentration of 10% by mass was used as an etching solution, and the current density was set to 0.3 A / cm 2 .
  • the electrolysis time was changed in the range of 10 s to 500 s to adjust the groove depth as shown in Table 1.
  • a titanium platinum plate was used as the cathode plate, and a cold-rolled steel plate as a material to be etched was attached to the anode side.
  • an FeCl 3 solution having a liquid temperature of 50 ° C. and a concentration of 34% by mass was used as an etchant. Further, the dipping time was changed in the range of 10 min to 25 min to adjust the groove depth as shown in Table 1.
  • the cold rolled steel sheet in which the groove was processed by the above procedure was subjected to decarburization annealing and finish annealing, and the insulating film was coated to obtain a unidirectional electrical steel sheet. And in the obtained unidirectional electrical steel plate, the iron loss value W17 / 50 at a frequency of 50 Hz and a magnetic flux density of 1.7 T was measured using a single plate magnetic device.
  • the present invention it is possible to provide a unidirectional electrical steel sheet that does not lose its grooving effect even after strain relief annealing and has excellent iron loss characteristics. Therefore, the present invention has high applicability in the electrical steel sheet manufacturing industry and the electrical steel sheet utilization industry.

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Abstract

　エッチングにより溝を加工する際に、冷間圧延鋼板にレジスト膜を形成する。このとき、レジスト膜には、鋼板の一部を露出する鋼板露出部が形成されており、鋼板露出部は、板幅方向に向かう第１の領域と、前記第１の領域を起点とした複数の第２の領域とを有し、第１及び第２の領域の幅が２０μｍ～１００μｍであり、第２の領域の端部から、隣接する第２の領域の端部までの距離が６０μｍ～５７０μｍとなるようなレジスト膜を形成する。

Description

一方向性電磁鋼板の製造方法
　本発明は、表面に溝が形成された一方向性電磁鋼板の製造方法に関する。
　鋼板の圧延方向に磁化容易軸をもつ一方向性電磁鋼板は、変圧器等の電力変換器の鉄心に用いられる。鉄心の材料には、エネルギー変換時に生じる損失を小さくするために、低い鉄損特性が強く要求されている。
　鉄損を低減する一つの方法として、鋼板の表面に歪みを設けたり直線状の溝を設けたりすることによって１８０度磁区を細分化し、鉄損の大部分を占める渦電流損を低減させる方法が提案されている。
　しかし、鋼板の表面に歪みを設ける方法を用いると、巻き鉄心などのトランス組み立て時に歪取り焼鈍が必要な場合には、熱処理により歪みが抜けてしまう。その結果、磁区細分化による渦電流損低減効果が失われてしまう。
　一方、鋼板の表面に、物理的に直線溝を加工すると、歪取り焼鈍を行っても、磁区細分化による渦電流損低減効果は消えない。
　鋼板表面に溝を加工する方法は、これまで、数多く提案されており、例えば、特許文献１～５に開示されている。ところが、これらの特許文献１～５に開示された技術は、単純な連続した直線状の溝を加工する方法に関するものである。
　一方、主たる直線状の溝（以下、主溝）から複数の副たる線分状の微細溝（以下、副溝）が枝分かれした溝を、鋼板の表面に加工すると、単純な直線状の溝を加工した場合よりも鉄損特性が優れる。
　しかし、特許文献１～５に開示されている加工方法を直接用いても、このような枝分かれした溝を加工することはできない。
　即ち、鋼鈑の表面に、枝分かれした微細溝を、所要の鉄損特性が得られる深さまでエッチング加工すると、枝分かれした微細溝間の間隔が小さくなってしまう。その結果、隣り合う微細溝が互いに繋がり、より幅が大きい主溝になってしまうという問題がある。
特開昭６１－１１７２１８号公報 特開昭６１－２５３３８０号公報 特開昭６３－４２３３２号公報 特開平４－８８１２１号公報 特開２００１－３１６８９６号公報 国際公開第２０１０／１４７００９号
　そこで、本発明は、エッチングにより主たる直線状の溝から副たる線分状の微細溝が枝分かれした溝を適切に形成することができる一方向性電磁鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するものであり、その要旨は、以下の通りである。
　（１）鋼板の片面又は両面に被膜を形成する工程と、前記被膜を形成した鋼板にエッチングを施す工程とを有し、前記被膜には、前記鋼板の一部を露出する鋼板露出部が形成されており、前記鋼板露出部は、板幅方向に向かう第１の領域と、前記第１の領域を起点とした複数の第２の領域とを有し、前記第１及び第２の領域の幅が２０μｍ～１００μｍであり、前記第２の領域の端部から、隣接する第２の領域の端部までの距離が６０μｍ～５７０μｍであることを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
　（２）前記エッチングを、前記鋼板の溝深さが１０μｍ～３０μｍとなり、かつ、前記被膜下部への浸食幅が、溝深さの２倍以上４.５倍以下となるように制御することを特徴とする（１）に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
　（３）前記エッチングは、電解エッチングであって、エッチング液として濃度が１０質量％～２０質量％の塩化ナトリウム水溶液を用いて、液温が４０℃～５０℃、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２～１０Ａ／ｃｍ２、及び電解時間が１０ｓ～５００ｓの条件で行うことを特徴とする（１）に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
　（４）前記エッチングは、無電解エッチングであって、エッチング液として濃度が３０質量％～４０質量％の塩化第二鉄水溶液を用いて、液温が４０℃～５０℃、及び、浸漬時間が１０ｍｉｎ～２５ｍｉｎの条件で行うことを特徴とする（１）に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
　本発明によれば、歪取り焼鈍後にも溝加工効果が消失せず、鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板を提供することができる。
図１は、鋼板表面に加工された、主たる直線状の溝から複数の副たる線分状の微細溝が枝分かれした溝の態様を示す図である。 図２は、鋼板表面上に形成するレジスト膜のパターンを示す図である。 図３は、エッチング開始前の鋼板非露出部の幅ｐが５０μｍである場合の、エッチングにより形成された溝の溝深さｄと、隣接する微細溝間の間隔ａとの関係を示す図である。 図４Ａは、浸食長ｘ、ｙ、ｚそれぞれの位置を説明する図である。 図４Ｂは、エッチング後の冷間圧延鋼板の態様であって、レジスト膜直下の側面形状を示す図である。 図５は、鋼板の浸食長ｘ、ｙ、ｚと溝深さｄとの関係を示す図である。 図６Ａは、エッチング後の冷間圧延鋼板の態様であって、レジスト膜直下の平面形状を示す図である。 図６Ｂは、エッチング後の冷間圧延鋼板の態様であって、レジスト膜直下の側面形状を示す図である。 図７は、エッチング後の鋼板表面及びレジスト膜の別の態様を示す図である。
　以下に、本発明について詳細に説明する。
　本発明者らは、冷間圧延によって得られた冷間圧延鋼板の表面に、エッチングにより、主溝から複数の副溝が枝分かれした溝を加工する溝加工試験を行った。以下、溝加工試験及びその結果から得られた知見について説明する。
　溝加工試験においては、冷間圧延鋼板の表面に、図１に示すような枝分かれした副溝を形成することができるように、フォトレジストを用いて、電解エッチングを行った。なお、図１に示す間隔ａは、枝分かれした微細溝間の間隔であり、溝幅ｂは、主溝の溝幅であり、溝長さｃは、枝分かれした副溝の奥行きであり、溝深さｄは、主溝及び副溝の深さであり、溝幅ｅは、枝分かれした副溝の溝幅である。
　従来の直線溝を加工する方法では、いずれも、レジストパターンに関する寸法が規定されていない。そこで、本試験では、冷間圧延鋼板の表面が露出した部分がエッチングされるように、図２に示すようなレジスト膜１を形成した。図２に示すレジスト膜１には、鋼板が露出している鋼板露出部２が形成されており、鋼板非露出部３においてのみレジスト膜１が形成されている。
　エッチングする際に用いる電解エッチング液は、濃度が１０質量％のＮａＣｌ水溶液を使用し、液温は４０℃とした。また、電流密度は０．３Ａ／ｃｍ2とし、電解時間を１０ｓ～５００ｓの範囲で変化させて、溝深さｄを制御した。陰極板はチタン白金板を用い、陽極側に、被エッチング材である冷間圧延鋼板を取り付けた。
　具体的には、図２に示すような形状のレジスト膜１を被覆した冷間圧延鋼板にエッチングを施した。溝加工試験では、エッチングを開始する前に形成したレジスト膜１における鋼板非露出部３の幅ｐを５０μｍとし、エッチングにより形成された溝深さｄ、及び隣接する副溝間のエッチングされていない部分の間隔aを測定した。その結果を図３に示す。
　図３に示すように、エッチングが進行し、溝深さｄが増加するにつれて、隣接する副溝間の間隔ａは小さくなることが解る。これは、レジスト膜１の下側までエッチングされるからである。
　また、鋼板非露出部３の幅ｐが５０μｍである場合には、エッチングが進行して、溝深さｄが１０μｍを超えると、エッチング後の隣接する副溝間の間隔ａは０になる。その結果、主溝から枝分かれした複数の副溝は消滅する。
　一方向性電磁鋼板は、鉄損を低減させるために、粗大なＦｅ－Ｓｉ単結晶粒の結晶方位が揃っている。このため、冷間圧延鋼板はエッチングされると異方性が強く現れ、特に、側面方向への浸食が予想以上に大きいことがこの溝加工試験により定量的に判明した。
　例えば、一方向性電磁鋼板の鉄損が最小化する溝深さは１０μｍ～３０μｍである。ところが、上記知見によれば、ただ単にエッチングをするだけでは、溝深さが１０μｍ～３０μｍの溝を、鋼板表面に形成することはできない。
　従来は、単純な直線溝を形成することが目的であったので、エッチング用のレジスト膜の形状については特に規定しなくても問題はなかった。ところが、上述したように、従来技術を単に用いるだけでは、主溝から複数の副溝が枝分かれした溝深さが１０μｍ～３０μｍの溝を形成することはできない。
　そこで本発明者らは、レジスト膜の形状を精密に規定することにより、冷間圧延鋼板の表面に、主溝から複数の副溝が枝分かれした溝を加工する方法を見いだした。
　本発明者らは、エッチングによりレジスト膜の下部がどのくらい浸食されるかを調べるための溝加工試験を行った。まず、図２、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、エッチング後の鋼板５の表面の最上部におけるエッチングにより形成された溝６との境界４から、エッチング開始前のレジスト膜における鋼板露出部２と鋼板非露出部３との境界までの距離を浸食長ｘ、ｙ、ｚと定義した。ここで、浸食長ｘは、板幅方向における副溝の浸食長を示し、浸食長ｙは、圧延方向における主溝の浸食長を示し、さらに浸食長ｚは、圧延方向における副溝の浸食長を示している。
　溝加工試験では、冷間圧延鋼板の表面にレジストを塗布し、露光、現像、リンス、洗浄などの工程を含むフォトリソ加工を用いて、所要のレジスト膜のパターンを作成した。エッチング液は、濃度が１０質量％のＮａＣｌ水溶液を用い、液温は４０℃とした。さらに、陰極板はチタン白金板とし、陽極側に、被エッチング材である冷間圧延鋼板を取り付けて、溝加工を行った。
　また、電流密度は０．３Ａ／ｃｍ2とし、電解時間を１０ｓ～５００ｓの範囲で変化させて、溝深さを制御した。
　図５には、図２に示すような形状のレジスト膜１を形成した状態でエッチングした場合の鋼板表面の浸食長ｘ、ｙ、ｚ及び溝深さｄを測定した結果を示す。浸食長ｘ、ｙ、ｚについては、光学顕微鏡で測定した。
　図５に示すように、溝深さが１５μｍに達すると、浸食長ｘ、ｙ、ｚは、およそ、３０μｍ～６７．５μｍの範囲内であり、それぞれ溝深さｄの２倍～４．５倍の範囲内にあることが解る。これは、大型鋼板などにレジスト膜を塗布して電解エッチングする場合、電場の不均一性や、エッチング液の局所的な浸透むらなどにより、浸食長に差が生じたからであると考えられる。
　図６Ａ及び図６Ｂに、エッチング後の鋼板の態様を示す。図６Ａは、レジスト膜直下の平面形状を示し、図６Ｂは、レジスト膜直下の側面形状を示す。
　本発明者らは、エッチングを開始する前において、レジスト膜１の鋼板露出部２の幅ｗ１及びｗ２を２０μｍとし、鋼板非露出部３の幅ｐを１５０μｍとし、鋼板露出部２の副溝方向の奥行ｓを１５０μｍとした場合に良好な結果が得られることを見いだした。そして、このようなレジスト膜を用いて溝深さｄが１５μｍになるようにエッチングを行うと、浸食長ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ５０μｍ近傍となり、溝深さｄが１５μｍに達しても、隣接する副溝間の間隔ａが６０μｍの枝分かれした線分状の副溝を形成することができることを見いだした。
　以上のように、本発明者らは、結晶性に優れ、エッチングの異方性が強く発現する冷間圧延鋼板において、エッチングによる溝深さ及び浸食長の定量的な相関関係に基づいて主溝及び副溝を形成できることを見いだした。これにより、鋼板に歪取り焼鈍等の熱処理を施しても、溝加工効果が消失せず、優れた鉄損特性を保持できる一方向性電磁鋼板を提供することができる。
　以下、本発明の実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
　まず、所定の組成の一方向性電磁鋼板用の珪素鋼素材の鋳造を行ってスラブを作製する。鋳造方法は特に限定されない。珪素鋼素材の成分は、通常の一方向性電磁鋼板のものであれば本発明の効果が得られるが、代表的な成分として、例えば、Ｓｉ：２．５質量％～４．５質量％、Ｃ：０．０３質量％～０．１０質量％、酸可溶性Ａｌ：０．０１質量％～０．０４質量％、Ｎ：０．００３質量％～０．０１５質量％、Ｍｎ：０．０２質量％～０．１５質量％、Ｓ：０．００３質量％～０．０５質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるような成分とする。
　このような組成の珪素鋼素材からスラブを作製した後、スラブを加熱する。次いで、スラブの熱間圧延を行うことにより、熱間圧延鋼板を得る。熱間圧延鋼板の厚さは特に限定されず、例えば、１．８ｍｍ～３．５ｍｍとする。
　その後、熱間圧延鋼板の焼鈍を行うことにより、焼鈍鋼板を得る。焼鈍の条件は特に限定されず、例えば、７５０℃～１２００℃の温度で３０秒間～１０分間行う。この焼鈍により磁気特性が向上する。
　続いて、焼鈍鋼板の冷間圧延を行うことにより、冷間圧延鋼板を得る。冷間圧延は１回のみ行ってもよく、複数回の冷間圧延を、間に中間焼鈍を行いながら行ってもよい。中間焼鈍は、例えば７５０℃～１２００℃の温度で３０秒間～１０分間行う。
　なお、上記のような中間焼鈍を行わずに冷間圧延を行うと、均一な特性を得にくくなることがある。また、中間焼鈍を間に行いつつ複数回の冷間圧延を行うと、均一な特性を得やすくなるが、磁束密度が低くなることがある。従って、冷間圧延の回数及び中間焼鈍の有無は、最終的に得られる一方向性電磁鋼板に要求される特性及びコストに応じて決定することが好ましい。
　次に、以上のような手順によって得られた冷間圧延鋼板に対してレジスト膜を形成し、電解エッチングまたは非電解エッチングにより溝を加工する。
　鋼板表面に、図２に示すような形状のレジスト膜１を形成するには、例えば、溝パターンが描写されたガラスマスクやフィルムマスクなどによるフォトリソグラフィー技術を用いる。この技術を用いることにより、レジスト膜１において、鋼板表面が露出している鋼板露出部２と、鋼板表面が露出していない鋼板非露出部３とを形成することができる。鋼板露出部２は、鋼板に主溝を形成するための第１の領域と、副溝を形成するための第２の領域とからなり、板幅方向に向かって貫通するように形成されている。なお、鋼板露出部２は、必ずしも板幅方向と平行となるように貫通してなくてもよく、例えば、板幅方向とのなす角が±４５°の範囲とする。
　形成するレジスト膜１における鋼板露出部２の幅ｗ１及びｗ２は、エッチング液が浸透しやすくするために少なくとも２０μｍとする。
　エッチングには、工業的に容易な手法の電解エッチングや無電解エッチングを用いるが、鋼板露出部２の幅ｗ１及びｗ２が小さすぎると、エッチング液が鋼板露出部２に浸透しない可能性がある。超音波などを利用して、エッチング液を浸透させる方法も考えられるが、この場合、レジスト膜が剥離してしまう問題がある。
　一方、鋼板露出部２の幅を大きくすると、エッチング液が浸透してエッチングが進行するので、枝分かれした微細溝は形成される。ところが、エッチング部分の割合が多くなり、一方向性電磁鋼板の鉄損値が上がる可能性がある。これまでの溝加工試験によれば、鋼板露出部２の幅ｗ１及びｗ２が１００μｍ以下であれば、鉄損値に影響がないことが判明している。
　以上のことから、エッチングを開始する前のレジスト膜１の鋼板露出部２の幅ｗ１及びｗ２は、２０μｍ～１００μｍとし、４０μｍ～８０μｍとすることが好ましい。
　次に、エッチングを開始する前のレジスト膜１における鋼板非露出部３の幅ｐ、及び溝深さｄの規定範囲に関して説明する。
　電磁鋼板の表面に形成する枝分かれした副溝の幅は、鉄損値を向上させるために、２０μｍ～３００μｍとすることが好ましい。また、これまでの溝加工試験の結果から、溝深さは１０μｍ～３０μｍであることが好ましい。
　前述したように、浸食長ｘ、ｙ、ｚは、それぞれ溝深さｄの２倍～４．５倍の範囲内に制御ことが好ましい。したがって、溝深さｄが１０μｍの場合の浸食長ｘ、ｙ、ｚは、少なくとも２０μｍとなり、枝分かれした副溝の両側の合計で少なくとも４０μｍの浸食が考えられる。
　一方、溝深さｄが３０μｍの場合、浸食長ｘ、ｙ、ｚは、同様に、最大で１３５μｍとなり、枝分かれした副溝の両側の合計で最大２７０μｍの浸食が考えられる。
　したがって、磁気特性が向上する枝分かれした副溝を形成する観点から、レジスト膜１による鋼板非露出部３の幅ｐは、６０μｍ～５７０μｍとし、６０μｍ～４００μｍとすることが好ましい。
　また、鋼板露出部２の奥行ｓは、副溝の奥行が大きすぎるとその分冷間圧延鋼板の体積が小さくなりすぎてしまい、鉄損値が上がってしまう。また、副溝の奥行が小さすぎると、前述したように、副溝を設けることにより鉄損値が下がる効果が得られない。したがって、鋼板露出部２の奥行ｓは、１００μｍ～５００μｍであることが好ましい。
　また、冷間圧延鋼板においてある主溝と隣り合う主溝との圧延方向の配列間隔は、１ｍｍ～１０ｍｍとすることが好ましい。配列間隔が１ｍｍよりも小さいとその分冷間圧延鋼板の体積が小さくなりすぎてしまい、鉄損値が上がってしまう。また、配列間隔が１０ｍｍを超えると、副溝の割合が小さくなり、磁気スピンの迂回が生じやすくなる。以上のことから、レジスト膜１においてある鋼板露出部の中心部と隣り合う鋼板露出部の中心との圧延方向の配列間隔も、１ｍｍ～１０ｍｍとすることが好ましい。
　そして、エッチングにより形成する溝の溝深さｄを設定し、次に、浸食長ｘ、ｙ、ｚを溝深さｄの２倍～４．５倍となるようにエッチングの条件を定めることにより、枝分かれした微細溝を有する溝を適確に加工することができる。また、浸食長ｘ、ｙ、ｚを溝深さの３倍～４倍とすることがさらに好ましい。
　このように、フォトリソグラフィー技術を用いる際に、目標とする枝分かれした微細溝の間隔aに浸食長ｘ、ｙ、ｚの２倍の値を加えて鋼板非露出部３の幅ｐを設定し、ガラスマスクやフィルムマスクに溝パターンを描画することができる。
　図７には、エッチング後の鋼板表面及びレジスト膜の別の態様を示す。図７に示すように、レジスト膜の形状は、曲線で区切ったパターンあってもよい。
　以上、レジスト膜の寸法規定について説明したが、エッチング方法は、電解エッチングまたは無電解エッチングの何れであってもよい。電解エッチングは、電流や電圧を制御することにより、溝深さを制御したりエッチング速度を調整したりすることができるので好ましい。また、無電解エッチングは、塩化第二鉄溶液、硝酸、塩酸、及びそれらの配合を変えた混合溶液など、溶液の種類及び液温によって溝深さを調整できるので好ましい。
　電解エッチングでは、液温が４０℃～５０℃であり、濃度が１０質量％～２０質量％の塩化ナトリウム水溶液をエッチング液として使用することが好ましい。そして、電流密度を０．１Ａ／ｃｍ２～１０Ａ／ｃｍ２とし、電解時間を１０ｓ～５００ｓとすることが好ましい。
　前述した溝加工試験によれば、上記液温のエッチング液を用い、上記電流密度で電解エッチングをすれば、冷間圧延鋼板のエッチングが容易に進行することが解った。なお、上記液温及び電流密度は、工業的に制御が容易な条件である。
　なお、電解時間を１０ｓ～５００ｓの範囲にしたのは、上記電流密度の条件下で、溝深さｄを１０μｍ～３０μｍとするのに必要な時間であるからである。
　また、無電解エッチングでは、液温が４０℃～５０℃であり、濃度が３０質量％～４０質量％の塩化第二鉄水溶液をエッチング液として使用することが好ましい。そして、浸漬時間を１０ｍｉｎ～２５ｍｉｎとすることが好ましい。上記浸漬時間は、溝深さｄを１０μｍ～３０μｍとするのに必要な時間であるからである。これらの条件は、工業的に制御が容易な条件であるので、より好ましい。
　以上のような手順により冷間圧延鋼板に溝が加工されると、冷間圧延鋼板をアルカリ溶液に浸漬してレジスト膜を剥離する。次に、冷間圧延鋼板に含まれるＣを除去して一次再結晶させるために、冷間圧延鋼板の脱炭焼鈍を行い、脱炭焼鈍鋼板を得る。このとき、鋼板中のＮ含有量を増加させるために、脱炭焼鈍と同時に窒化焼鈍を行ってもよく、脱炭焼鈍の後に窒化焼鈍を行ってもよい。
　脱炭焼鈍と窒化焼鈍とを同時に行う脱炭窒化焼鈍の場合には、水素、窒素及び水蒸気を含む湿潤雰囲気中に、さらにアンモニア等の窒化能のあるガスを含有させた雰囲気で脱炭窒化焼鈍を行う。この雰囲気において脱炭と窒化とを同時に実施して、二次再結晶に適した鋼板組織及び組成にする。その際の脱炭窒化焼鈍は例えば８００℃～９５０℃の温度で実施する。
　また、脱炭焼鈍と窒化焼鈍とを連続して実施する場合には、水素、窒素及び水蒸気を含む湿潤雰囲気中でまず脱炭焼鈍を行う。その後、水素、窒素及び水蒸気に、さらにアンモニア等の窒化能のあるガスを含有させた雰囲気下において窒化焼鈍を行う。このとき、脱炭焼鈍は例えば８００℃～９５０℃の温度で実施し、その後の窒化焼鈍は例えば７００℃～８５０℃の温度で実施する。
　次に、脱炭焼鈍鋼板の表面にＭｇＯを主成分とする焼鈍分離剤を水スラリーにて塗布し、脱炭焼鈍鋼板をコイル状に巻き取る。そして、コイル状の脱炭焼鈍鋼板にバッチ式の仕上げ焼鈍を行うことにより、コイル状の仕上げ焼鈍鋼板を得る。この仕上げ焼鈍により二次再結晶が生じ、また、仕上げ焼鈍鋼板の表面にグラス被膜が形成される。
　この後、軽酸洗、水洗及びブラッシング等により除粉を行い、例えばリン酸塩とコロイダルシリカとを主成分とした絶縁被膜剤を塗布して焼き付けることにより、絶縁被膜付き一方向性電磁鋼板の製品を得る。
　以上、エッチング対象物を一方向性電磁鋼板の中間生成物である冷間圧延鋼板として説明したが、エッチングの対象物は、脱炭焼鈍後の脱炭焼鈍鋼板でもよい。また、鉄以外の元素であるＳｉ、Ａｌ、Ｎi、Ｃｏなどを主に含む鉄系磁性合金板であってもよい。さらに、鉄系磁性合金板は、単結晶板でも多結晶板でもよい。
　次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
　Ｓｉを約３質量％含有し、残部がＦｅ及びその他の不純物からなる冷間圧延鋼板を用意し、以下の表１に示すような条件で鋼板露出部２の幅ｗ１及びｗ２、鋼板非露出部３の幅ｐ、及び鋼板露出部２の奥行ｓからなるフォトレジスト用の被膜を冷間圧延鋼板の表面に塗布した。
　次に、図１に示すような主溝から複数の副溝が枝分かれした溝を形成するために、圧延方向に垂直に、４ｍｍピッチの間隔で主溝が形成されるように、表１に示す条件に従って電解エッチング又は無電解エッチングにより溝を加工した。
　電解エッチングでは、エッチング液として液温が４０℃で濃度が１０質量％のＮａＣｌ水溶液を用い、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ2とした。また、電解時間を１０ｓ～５００ｓの範囲で変化させて、表１に示すような溝深さに調整した。このとき、陰極板はチタン白金板を用い、陽極側に、被エッチング材である冷間圧延鋼板を取り付けた。
　また、無電解エッチングでは、エッチング液として、液温が５０℃で濃度が３４質量％のＦｅＣｌ3溶液を用いた。また、浸漬時間を１０ｍｉｎ～２５ｍｉｎの範囲で変化させて、表１に示すような溝深さに調整した。
　以上のような手順により溝を加工した冷間圧延鋼板に対して脱炭焼鈍、仕上げ焼鈍を経て、絶縁膜をコーティングし、一方向性電磁鋼板を得た。そして、得られた一方向性電磁鋼板において、周波数５０Ｈｚ、磁束密度１．７Ｔにおける鉄損値Ｗ１７／５０を、単板磁気装置を用いて測定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、本発明例の試験番号１～３、７は、いずれも、冷間圧延鋼板の表面に枝分かれした微細溝が形成されており、鉄損値Ｗ１７／５０も良好であった。一方、比較例である試験番号４及び５は、レジスト膜の鋼板非露出部の幅ｐが小さかったため、浸食長ｘが幅ｐの半分に達した時点で副溝が消滅した。この結果、浸食長ｙは鋼板露出部の奥行ｓからさらに浸食長ｚだけ浸食された値となり、鉄損値Ｗ１７／５０も大きな値となった。
　さらに、比較例である試験番号６は、レジスト膜の鋼板露出部の幅ｗ１及びｗ２が小さすぎたため、電解エッチングを実行しても、鋼板露出部分にエッチング液が浸透せず、溝が形成されなかった。したがって、鉄損値Ｗ１７／５０も大きな値となった。
　前述したように、本発明によれば、歪取り焼鈍後にも溝加工効果が消失せず、鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板を提供することができる。よって、本発明は、電磁鋼板製造産業及び電磁鋼板利用産業において利用可能性が高いものである。

Claims (4)

  1. 　鋼板の片面又は両面に被膜を形成する工程と、
    　前記被膜を形成した鋼板にエッチングを施す工程とを有し、
    　前記被膜には、前記鋼板の一部を露出する鋼板露出部が形成されており、
    　前記鋼板露出部は、板幅方向に向かう第１の領域と、前記第１の領域を起点とした複数の第２の領域とを有し、前記第１及び第２の領域の幅が２０μｍ～１００μｍであり、前記第２の領域の端部から、隣接する第２の領域の端部までの距離が６０μｍ～５７０μｍであることを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
  2. 　前記エッチングを、前記鋼板の溝深さが１０μｍ～３０μｍとなり、かつ、前記被膜下部への浸食幅が、溝深さの２倍以上４.５倍以下となるように制御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の製造方法。
  3. 　前記エッチングは、電解エッチングであって、エッチング液として濃度が１０質量％～２０質量％の塩化ナトリウム水溶液を用いて、液温が４０℃～５０℃、電流密度が０．１Ａ／ｃｍ２～１０Ａ／ｃｍ２、及び電解時間が１０ｓ～５００ｓの条件で行うことを特徴とする請求項１に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
  4. 　前記エッチングは、無電解エッチングであって、エッチング液として濃度が３０質量％～４０質量％の塩化第二鉄水溶液を用いて、液温が４０℃～５０℃、及び、浸漬時間が１０ｍｉｎ～２５ｍｉｎの条件で行うことを特徴とする請求項１に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
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