方向性電磁鋼板およびその製造方法
【課題】電子ビームの照射により鋼板に歪を付与して鉄損を低下させた方向性電磁鋼板を積層して変圧器を作製した場合に、優れた低鉄損特性を得ることができる方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】電子ビームの照射痕がサイン波状で、かつ該サイン波状の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が以下の式(1)の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
３π≧Ｌ/Ｄ≧π・・・(1)
【解決手段】電子ビームの照射痕がサイン波状で、かつ該サイン波状の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が以下の式(1)の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
３π≧Ｌ/Ｄ≧π・・・(1)
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器などの鉄心材料に用いる方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主に変圧器の鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を、(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位の制御や、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一歪を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザを照射し、鋼板表層に高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることで、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。
また、特許文献２には、電子ビームの照射により磁区幅を制御する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭５７−２２５２号公報
【特許文献２】特公平０６−０７２２６６号公報
【特許文献３】特開平０６−２９９２４４号公報
【特許文献４】特開平０６−１３６４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した電子ビームの照射により磁区細分化処理を施された単板（鉄心の素材である方向性電磁鋼板）では、鉄損が良好であるにもかかわらず、変圧器の鉄心等に組んだ際には、必ずしも鉄損が低減されないという問題が発生していた。
【０００６】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、電子ビームの照射により鋼板に歪を付与して鉄損を低下させた方向性電磁鋼板を積層して変圧器とした場合に、優れた低鉄損特性を得ることができる方向性電磁鋼板を、その有利な製造方法と共に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一般に、電子ビームの照射パターンは直線的であるが、特許文献３には、耐熱型の線状溝を形成する磁区細分化技術において線状溝をジグザグに形成する技術が、また、特許文献４には、電子ビーム照射をジグザグに照射して磁区細分化を行う技術がそれぞれ開示されている。
【０００８】
ここに、発明者らは、電子ビームの照射条件を変更して種々の照射パターンで熱歪みを導入し、鉄損を低減した方向性電磁鋼板を作製した。この方向性電磁鋼板を用いて三相三脚積み変圧器鉄心を作製し、励磁して鉄心の鉄損を測定したところ、単板の磁気損失である鉄損には大きな相違がないにもかかわらず、変圧器に組んだ際の変圧器の鉄損は、電子ビームの照射パターンの違いによって有意な差が生じることが分かった。
【０００９】
ついで、それらを参考に、前記した種々の問題および前記した有意な差を解消するべく、電子ビームの照射パターンについて鋭意検討を行った。その結果、ジグザグ状に電子ビームの照射や、溝の形成を行った場合、線状溝の折れ部において磁区構造が乱れることが分かった。
そこで、照射パターンに折れ部が生じないように、サイン波形を基本とした照射パターンを想起し、このサイン波形で単板の磁区細分化処理を行ったところ、磁区構造の乱れがなくなり、それに伴って変圧器の鉄損も大幅に向上できることを知見した。
本発明は上記知見に立脚するものである。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．表面に絶縁被膜をそなえ、板幅方向への電子ビーム照射による磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、該電子ビームの照射痕が、サイン波状であり、該サイン波状照射痕の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【００１１】
２．表面に絶縁被膜をそなえる方向性電磁鋼板に対し、電子ビーム照射による磁区細分化処理を行うに当たり、該電子ビームをサイン波状に照射するものとし、その際、該サイン波状の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子ビームを用いた磁区細分化による鉄損低減効果が、変圧器を作製した後においても効果的に維持されるため、変圧器において優れた低鉄損特性を発現する方向性電磁鋼板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明におけるサイン波の形状（ＬおよびＤの測定箇所）を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的に説明する。
一般に、変圧器鉄心における磁化状態は、単板をいわゆる交流電流で交流励磁した場合とは異なる磁化状態となることが知られている。積層鉄心の場合、コーナーやＴ接合部等の接合箇所では、方向性電磁鋼板が平面内で90°の向きに突き合わされている。従って、これらの接合箇所では磁化の回転等が起こり、変圧器の鉄損値は単板試験による鉄損値よりも大きくなる傾向にあることも知られている。
なお、変圧器鉄損を単板鉄損で除した値を、一般にビルディングファクタと呼ばれていて、このビルディングファクタを低減化すると、変圧器鉄損も低減化される。
【００１５】
発明者らは、ビルディングファクタの低減を目的として、前述したような、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一歪を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術を種々検討した。特に、本発明では、電子ビームの照射により鋼板に歪を付与して鉄損を低下させた方向性電磁鋼板について検討し、種々作製した方向性電磁鋼板を積層して変圧器を作製し、ビルディングファクタの変動について調査した。
【００１６】
500mm角の三相三脚変圧器のモデル鉄心を作製し、電子ビーム照射パターンと変圧器鉄心に積層した場合の鉄損との関係を詳細に調査した。この時、使用した方向性電磁鋼板の質量はおよそ50kgであり、鉄心全面に面圧で98.1kPaの荷重を加え、鉄損測定を行った。
ところが、前述したように、電子ビームの照射により磁区細分化処理を施された単板（鉄心の素材である方向性電磁鋼板）では、鉄損値が良好であったにもかかわらず、変圧器の鉄心等に組んだ際に、必ずしも変圧器の鉄損が低減されない鋼板が存在していた。
【００１７】
そこで、電子ビームの照射パターンを種々に変更する実験を行った。その結果、電子ビームの照射パターンを所定のサイン波状に変更した場合に、ビルディングファクタが効果的に低下することが究明された。
その理由は明らかではないが、発明者らは、圧延方向にほぼ平行な磁区を直線的かつ直角に細分化するのではなく、斜めにある程度の角度をもって磁区を細分化することによって、鋼板の回転磁化特性が向上し、結果として変圧器の鉄損増加が抑えられたのではないかと推定している。
また、圧延方向に細分化処理を施した場合には、圧延方向と直角方向（以下、圧延直角方向という）の磁気特性が改善する傾向が見られるので、本発明のサイン波状の照射痕は、圧延直角方向と圧延方向に磁区細分化処理を施した両者の効果を、なめらかに組み合わせるかたちで有しているではないかと推定している。
【００１８】
電子ビームを直線的に折れ曲がる、いわゆるジグザグ照射を行った場合にも、それなりのビルディングファクタの低減は確認できたが、本発明ほどの効果は得られなかった。これは、前述したように、ジグザグパターンの折れ部の磁区構造の乱れが不利に作用しているものと考えている。
また、ジグザグ照射では、磁区と照射線との角度が直角以外のある角度に固定されてしまうが、本発明のように磁区と照射線との交差角が連続的になめらかに変化することで、様々な磁化回転の角度に対して、鉄損が抑制されている可能性も考えられる。
【００１９】
本発明におけるサイン波の形状については、図１に示すように、その振幅Ｄ（一周期の間の頂点から他方の頂点）と波長Ｌ（一周期の長さ）との関係が、以下の(1)式
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
を満足する必要がある。というのは、振幅Ｄに対する波長Ｌの比（Ｌ/Ｄ）が３πより大きい場合には、磁区を斜めに細分化する効果が小さく従来の直線照射と同程度の変圧器鉄損となってしまうからである。一方、πより小さい場合には、斜めの角度が大きすぎて、本来の磁区細分化の効果が減じてしまうからである。従って、本発明では、振幅Ｄに対する波長Ｌの比、すなわちＬ/Ｄは、π以上３π以下の範囲に限定した。
【００２０】
また、本発明におけるサイン波状とは、例えば円弧の一部を交互に組み合わせる形状も含まれる。
いずれにしても、本発明における電子ビームの照射パターンは、振幅Ｄおよび波長Ｌが上掲(1)式の関係式を満足し、かつその処理パターンに折れ曲がりがなく、なめらかにつながっていれることが肝要である。なお、本発明において、折れ曲がるとは、曲率半径が0.5mm未満で接続していることを指し、なめらかとは曲率半径が0.5mm以上で接続していることを言う。さらに、上記した円形状は、上記のＬ/Ｄの関係式を満足すれば楕円でも良い。この場合、振幅Ｄは楕円の短径または長径であり、波長Ｌは楕円の長径または短径の２倍とすれば良い。
なお、本発明では、３次以上の多次曲線でも、幅Ｄを任意の一周期の頂点から他方の頂点までと波長Ｌを一周期の長さと考えて、上掲(1)式の関係式を満足すれば、同じ効果がある。
【００２１】
本発明で電子ビームを照射する場合、その照射条件に特段の制約はないが、照射方向を板幅方向（圧延直角方向から30°以内の方向）として行ない、照射位置でのビーム径を0.05〜１mmの範囲に収束させた電子ビームを用い、電子ビームの出力は10〜2000W、走査速度は１〜100m/sの範囲として、さらに単位長さ当たりの出力が１〜50J/mの範囲になるように調整し、曲線状のサイン波形等を圧延方向に１〜20mm間隔で施す。ここで、照射方向とは図１に示す振幅の中心線の方向とし、間隔は中心線の間隔とする。なお、鋼板に付与される塑性歪の深さは、10〜40μm程度とするのが好適である。
【００２２】
なお、本発明に用いる方向性電磁鋼板および電子ビーム器は、共に従来公知のものを何れも使用することができる。
【００２３】
次に、本発明に従う方向性電磁鋼板の製造条件に関して具体的に説明する。
本発明において、方向性電磁鋼板用スラブの成分組成は、二次再結晶が生じる成分組成であればよい。
また、インヒビターを利用する場合、例えばAlＮ系インヒビターを利用する場合であればAlおよびＮを、またMnＳ・MnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび／またはＳを適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl、Ｎ、ＳおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al：0.01〜0.065質量％、Ｎ：0.005〜0.012質量％、Ｓ：0.005〜0.03質量％、Se：0.005〜0.03質量％である。
【００２４】
さらに、本発明は、Al、Ｎ、Ｓ、Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
この場合には、Al、Ｎ、ＳおよびSe量はそれぞれ、Al：100 質量ppm以下、Ｎ：50 質量ppm以下、Ｓ：50 質量ppm以下、Se：50 質量ppm以下に抑制することが好ましい。
【００２５】
本発明の方向性電磁鋼板用スラブの基本成分および任意添加成分について具体的に述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加をするが、0.08質量％を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが困難になるため、0.08質量％以下とすることが好ましい。なお、下限に関しては、Ｃを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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1.5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0.03〜1.5質量％の範囲とするのが好ましい。
【００２９】
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。
【００３０】
次いで、上記した成分組成を有するスラブは、常法に従い加熱して熱間圧延に供するが、鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延しても良いし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進んでもよい。
【００３１】
さらに、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。この時、ゴス組織を製品板において高度に発達させるためには、熱延板焼鈍温度として800〜1100℃の範囲が好適である。熱延板焼鈍温度が800℃未満であると、熱間圧延でのバンド組織が残留し、整粒した一次再結晶組織を実現することが困難になり、二次再結晶の発達が阻害される。一方、熱延板焼鈍温度が1100℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるために、整粒した一次再結晶組織の実現が極めて困難となる。
【００３２】
熱延板焼鈍後は、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施した後、再結晶焼鈍を行い、焼鈍分離剤を塗布する。焼鈍分離剤を塗布した後に、二次再結晶の形成および必要に応じてフォルステライト被膜の形成を目的として最終仕上げ焼鈍を施す。
【００３３】
最終仕上げ焼鈍後には、平坦化焼鈍を行って形状を矯正することが有効である。なお、本発明では、平坦化焼鈍前または後に、鋼板表面に絶縁被膜を施す。ここに、この絶縁被膜は、本発明では、鉄損低減のために、鋼板に張力を付与できる被膜（以下、張力コーティングという）を意味する。なお、張力コーティングとしては、シリカを含有する無機系コーティングや物理蒸着法、化学蒸着法等によるセラミックコーティング等が挙げられる。
【００３４】
本発明では、上述した張力コーティング後の方向性電磁鋼板の表面、板幅方向に電子ビームを照射することにより、磁区細分化を施すものであり、その際、電子ビームの照射を、前述したとおりサイン波状に走査して照射することが必要である。また、サイン波状の振幅Ｄと波長Ｌとの関係を３π≧Ｌ/Ｄ≧πとする形状に制御することで、電子ビーム照射による熱歪付与効果による鉄損の向上が被膜の劣化による鉄損の低減と相殺されることなく、十分な磁区細分化効果を得ることができる。なお、上記したサイン波状は、前述したように、円弧、楕円形、多次曲線状でも同等の効果を有する。
【００３５】
なお、本発明において、上述した工程や製造条件以外については、従来公知の電子ビームを用いた磁区細分化処理を施す方向性電磁鋼板の製造方法を、適用することができる。
【実施例１】
【００３６】
Ｃを0.06質量％、Siを３質量％、およびMnを0.01質量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、最終板厚：0.20mmに圧延された冷延板を、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶過程と純化過程を含む最終焼鈍を施して、フォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板を得た。この方向性電磁鋼板に60質量％のコロイダルシリカと30質量％のリン酸アルミニウムからなる張力コーティングを塗布、800℃にて焼付けた。得られた方向性電磁鋼板の磁束密度を測定した。その結果はＢ８値で約1.94Ｔであった。
【００３７】
1000mm立方の真空槽に、幅：100mmの斜角剪断材を設置して、0.1Paの真空度に保持した後、加速電圧：60kV、ビーム電流：５mAの条件にて電子ビーム照射を行った。圧延方向の照射列は、10mm間隔とし、圧延直角方向への電子ビーム照射を、直線、ジグザグ、サイン波と照射形状を変更して処理を行った。なお、一部の鋼板は上記した電子ビームの磁区細分化処理を行わず、比較材とした。
電子ビーム照射時の圧延直角方向の照射パターンは表１に示すように変化させた。得られた試料を、そのまま単板試験器にて鉄損測定を行い、ついで500mm角の正方三脚鉄心に積層して、三相変圧器を作製した。各脚および窓部の幅はそれぞれ100mmとした。
【００３８】
計測した変圧器の鉄損の測定結果と電子ビームの照射条件とを表１に併記する。なお、表中、ジグザグパターンとは照射パターンがなめらかな波形を描くのではなく、前述したように直線的に折れ曲がったパターンを意味する。
【００３９】
【表１】
【００４０】
同表に示したとおり、電子ビームで磁区細分化処理を行っていない試料No.１は、単板鉄損値、変圧器鉄損値とも大きいのに対し、本発明例の試料No.４〜８は、単板鉄損値、変圧器鉄損値ともに低く、ビルディングファクタも小さい。
また、直線で照射した試料No.２やジグザグパターンの試料No.３では、単板の鉄損値は低減が認められるものの、変圧器の鉄損値が高く、ビルディングファクタが大きい。
さらに、サイン波状または円弧の組合せで照射した場合であっても、試料No.９、１０に示したように、波長振幅比であるＬ/Ｄがπ（3.14）より小さい場合には、単板での鉄損値の低下が不十分であったり、試料No.１１に示したようにＬ/Ｄが３π（9.42）より大きい場合には、変圧器鉄損が大きくビルディングファクタが大きくなっている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変圧器などの鉄心材料に用いる方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主に変圧器の鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を、(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位の制御や、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一歪を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザを照射し、鋼板表層に高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることで、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。
また、特許文献２には、電子ビームの照射により磁区幅を制御する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭５７−２２５２号公報
【特許文献２】特公平０６−０７２２６６号公報
【特許文献３】特開平０６−２９９２４４号公報
【特許文献４】特開平０６−１３６４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した電子ビームの照射により磁区細分化処理を施された単板（鉄心の素材である方向性電磁鋼板）では、鉄損が良好であるにもかかわらず、変圧器の鉄心等に組んだ際には、必ずしも鉄損が低減されないという問題が発生していた。
【０００６】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、電子ビームの照射により鋼板に歪を付与して鉄損を低下させた方向性電磁鋼板を積層して変圧器とした場合に、優れた低鉄損特性を得ることができる方向性電磁鋼板を、その有利な製造方法と共に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一般に、電子ビームの照射パターンは直線的であるが、特許文献３には、耐熱型の線状溝を形成する磁区細分化技術において線状溝をジグザグに形成する技術が、また、特許文献４には、電子ビーム照射をジグザグに照射して磁区細分化を行う技術がそれぞれ開示されている。
【０００８】
ここに、発明者らは、電子ビームの照射条件を変更して種々の照射パターンで熱歪みを導入し、鉄損を低減した方向性電磁鋼板を作製した。この方向性電磁鋼板を用いて三相三脚積み変圧器鉄心を作製し、励磁して鉄心の鉄損を測定したところ、単板の磁気損失である鉄損には大きな相違がないにもかかわらず、変圧器に組んだ際の変圧器の鉄損は、電子ビームの照射パターンの違いによって有意な差が生じることが分かった。
【０００９】
ついで、それらを参考に、前記した種々の問題および前記した有意な差を解消するべく、電子ビームの照射パターンについて鋭意検討を行った。その結果、ジグザグ状に電子ビームの照射や、溝の形成を行った場合、線状溝の折れ部において磁区構造が乱れることが分かった。
そこで、照射パターンに折れ部が生じないように、サイン波形を基本とした照射パターンを想起し、このサイン波形で単板の磁区細分化処理を行ったところ、磁区構造の乱れがなくなり、それに伴って変圧器の鉄損も大幅に向上できることを知見した。
本発明は上記知見に立脚するものである。
【００１０】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．表面に絶縁被膜をそなえ、板幅方向への電子ビーム照射による磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、該電子ビームの照射痕が、サイン波状であり、該サイン波状照射痕の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【００１１】
２．表面に絶縁被膜をそなえる方向性電磁鋼板に対し、電子ビーム照射による磁区細分化処理を行うに当たり、該電子ビームをサイン波状に照射するものとし、その際、該サイン波状の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電子ビームを用いた磁区細分化による鉄損低減効果が、変圧器を作製した後においても効果的に維持されるため、変圧器において優れた低鉄損特性を発現する方向性電磁鋼板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明におけるサイン波の形状（ＬおよびＤの測定箇所）を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明について具体的に説明する。
一般に、変圧器鉄心における磁化状態は、単板をいわゆる交流電流で交流励磁した場合とは異なる磁化状態となることが知られている。積層鉄心の場合、コーナーやＴ接合部等の接合箇所では、方向性電磁鋼板が平面内で90°の向きに突き合わされている。従って、これらの接合箇所では磁化の回転等が起こり、変圧器の鉄損値は単板試験による鉄損値よりも大きくなる傾向にあることも知られている。
なお、変圧器鉄損を単板鉄損で除した値を、一般にビルディングファクタと呼ばれていて、このビルディングファクタを低減化すると、変圧器鉄損も低減化される。
【００１５】
発明者らは、ビルディングファクタの低減を目的として、前述したような、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一歪を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術を種々検討した。特に、本発明では、電子ビームの照射により鋼板に歪を付与して鉄損を低下させた方向性電磁鋼板について検討し、種々作製した方向性電磁鋼板を積層して変圧器を作製し、ビルディングファクタの変動について調査した。
【００１６】
500mm角の三相三脚変圧器のモデル鉄心を作製し、電子ビーム照射パターンと変圧器鉄心に積層した場合の鉄損との関係を詳細に調査した。この時、使用した方向性電磁鋼板の質量はおよそ50kgであり、鉄心全面に面圧で98.1kPaの荷重を加え、鉄損測定を行った。
ところが、前述したように、電子ビームの照射により磁区細分化処理を施された単板（鉄心の素材である方向性電磁鋼板）では、鉄損値が良好であったにもかかわらず、変圧器の鉄心等に組んだ際に、必ずしも変圧器の鉄損が低減されない鋼板が存在していた。
【００１７】
そこで、電子ビームの照射パターンを種々に変更する実験を行った。その結果、電子ビームの照射パターンを所定のサイン波状に変更した場合に、ビルディングファクタが効果的に低下することが究明された。
その理由は明らかではないが、発明者らは、圧延方向にほぼ平行な磁区を直線的かつ直角に細分化するのではなく、斜めにある程度の角度をもって磁区を細分化することによって、鋼板の回転磁化特性が向上し、結果として変圧器の鉄損増加が抑えられたのではないかと推定している。
また、圧延方向に細分化処理を施した場合には、圧延方向と直角方向（以下、圧延直角方向という）の磁気特性が改善する傾向が見られるので、本発明のサイン波状の照射痕は、圧延直角方向と圧延方向に磁区細分化処理を施した両者の効果を、なめらかに組み合わせるかたちで有しているではないかと推定している。
【００１８】
電子ビームを直線的に折れ曲がる、いわゆるジグザグ照射を行った場合にも、それなりのビルディングファクタの低減は確認できたが、本発明ほどの効果は得られなかった。これは、前述したように、ジグザグパターンの折れ部の磁区構造の乱れが不利に作用しているものと考えている。
また、ジグザグ照射では、磁区と照射線との角度が直角以外のある角度に固定されてしまうが、本発明のように磁区と照射線との交差角が連続的になめらかに変化することで、様々な磁化回転の角度に対して、鉄損が抑制されている可能性も考えられる。
【００１９】
本発明におけるサイン波の形状については、図１に示すように、その振幅Ｄ（一周期の間の頂点から他方の頂点）と波長Ｌ（一周期の長さ）との関係が、以下の(1)式
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
を満足する必要がある。というのは、振幅Ｄに対する波長Ｌの比（Ｌ/Ｄ）が３πより大きい場合には、磁区を斜めに細分化する効果が小さく従来の直線照射と同程度の変圧器鉄損となってしまうからである。一方、πより小さい場合には、斜めの角度が大きすぎて、本来の磁区細分化の効果が減じてしまうからである。従って、本発明では、振幅Ｄに対する波長Ｌの比、すなわちＬ/Ｄは、π以上３π以下の範囲に限定した。
【００２０】
また、本発明におけるサイン波状とは、例えば円弧の一部を交互に組み合わせる形状も含まれる。
いずれにしても、本発明における電子ビームの照射パターンは、振幅Ｄおよび波長Ｌが上掲(1)式の関係式を満足し、かつその処理パターンに折れ曲がりがなく、なめらかにつながっていれることが肝要である。なお、本発明において、折れ曲がるとは、曲率半径が0.5mm未満で接続していることを指し、なめらかとは曲率半径が0.5mm以上で接続していることを言う。さらに、上記した円形状は、上記のＬ/Ｄの関係式を満足すれば楕円でも良い。この場合、振幅Ｄは楕円の短径または長径であり、波長Ｌは楕円の長径または短径の２倍とすれば良い。
なお、本発明では、３次以上の多次曲線でも、幅Ｄを任意の一周期の頂点から他方の頂点までと波長Ｌを一周期の長さと考えて、上掲(1)式の関係式を満足すれば、同じ効果がある。
【００２１】
本発明で電子ビームを照射する場合、その照射条件に特段の制約はないが、照射方向を板幅方向（圧延直角方向から30°以内の方向）として行ない、照射位置でのビーム径を0.05〜１mmの範囲に収束させた電子ビームを用い、電子ビームの出力は10〜2000W、走査速度は１〜100m/sの範囲として、さらに単位長さ当たりの出力が１〜50J/mの範囲になるように調整し、曲線状のサイン波形等を圧延方向に１〜20mm間隔で施す。ここで、照射方向とは図１に示す振幅の中心線の方向とし、間隔は中心線の間隔とする。なお、鋼板に付与される塑性歪の深さは、10〜40μm程度とするのが好適である。
【００２２】
なお、本発明に用いる方向性電磁鋼板および電子ビーム器は、共に従来公知のものを何れも使用することができる。
【００２３】
次に、本発明に従う方向性電磁鋼板の製造条件に関して具体的に説明する。
本発明において、方向性電磁鋼板用スラブの成分組成は、二次再結晶が生じる成分組成であればよい。
また、インヒビターを利用する場合、例えばAlＮ系インヒビターを利用する場合であればAlおよびＮを、またMnＳ・MnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび／またはＳを適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl、Ｎ、ＳおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al：0.01〜0.065質量％、Ｎ：0.005〜0.012質量％、Ｓ：0.005〜0.03質量％、Se：0.005〜0.03質量％である。
【００２４】
さらに、本発明は、Al、Ｎ、Ｓ、Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
この場合には、Al、Ｎ、ＳおよびSe量はそれぞれ、Al：100 質量ppm以下、Ｎ：50 質量ppm以下、Ｓ：50 質量ppm以下、Se：50 質量ppm以下に抑制することが好ましい。
【００２５】
本発明の方向性電磁鋼板用スラブの基本成分および任意添加成分について具体的に述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加をするが、0.08質量％を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが困難になるため、0.08質量％以下とすることが好ましい。なお、下限に関しては、Ｃを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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1.5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0.03〜1.5質量％の範囲とするのが好ましい。
【００２９】
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。
【００３０】
次いで、上記した成分組成を有するスラブは、常法に従い加熱して熱間圧延に供するが、鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延しても良いし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進んでもよい。
【００３１】
さらに、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。この時、ゴス組織を製品板において高度に発達させるためには、熱延板焼鈍温度として800〜1100℃の範囲が好適である。熱延板焼鈍温度が800℃未満であると、熱間圧延でのバンド組織が残留し、整粒した一次再結晶組織を実現することが困難になり、二次再結晶の発達が阻害される。一方、熱延板焼鈍温度が1100℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるために、整粒した一次再結晶組織の実現が極めて困難となる。
【００３２】
熱延板焼鈍後は、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施した後、再結晶焼鈍を行い、焼鈍分離剤を塗布する。焼鈍分離剤を塗布した後に、二次再結晶の形成および必要に応じてフォルステライト被膜の形成を目的として最終仕上げ焼鈍を施す。
【００３３】
最終仕上げ焼鈍後には、平坦化焼鈍を行って形状を矯正することが有効である。なお、本発明では、平坦化焼鈍前または後に、鋼板表面に絶縁被膜を施す。ここに、この絶縁被膜は、本発明では、鉄損低減のために、鋼板に張力を付与できる被膜（以下、張力コーティングという）を意味する。なお、張力コーティングとしては、シリカを含有する無機系コーティングや物理蒸着法、化学蒸着法等によるセラミックコーティング等が挙げられる。
【００３４】
本発明では、上述した張力コーティング後の方向性電磁鋼板の表面、板幅方向に電子ビームを照射することにより、磁区細分化を施すものであり、その際、電子ビームの照射を、前述したとおりサイン波状に走査して照射することが必要である。また、サイン波状の振幅Ｄと波長Ｌとの関係を３π≧Ｌ/Ｄ≧πとする形状に制御することで、電子ビーム照射による熱歪付与効果による鉄損の向上が被膜の劣化による鉄損の低減と相殺されることなく、十分な磁区細分化効果を得ることができる。なお、上記したサイン波状は、前述したように、円弧、楕円形、多次曲線状でも同等の効果を有する。
【００３５】
なお、本発明において、上述した工程や製造条件以外については、従来公知の電子ビームを用いた磁区細分化処理を施す方向性電磁鋼板の製造方法を、適用することができる。
【実施例１】
【００３６】
Ｃを0.06質量％、Siを３質量％、およびMnを0.01質量％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなり、最終板厚：0.20mmに圧延された冷延板を、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶過程と純化過程を含む最終焼鈍を施して、フォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板を得た。この方向性電磁鋼板に60質量％のコロイダルシリカと30質量％のリン酸アルミニウムからなる張力コーティングを塗布、800℃にて焼付けた。得られた方向性電磁鋼板の磁束密度を測定した。その結果はＢ８値で約1.94Ｔであった。
【００３７】
1000mm立方の真空槽に、幅：100mmの斜角剪断材を設置して、0.1Paの真空度に保持した後、加速電圧：60kV、ビーム電流：５mAの条件にて電子ビーム照射を行った。圧延方向の照射列は、10mm間隔とし、圧延直角方向への電子ビーム照射を、直線、ジグザグ、サイン波と照射形状を変更して処理を行った。なお、一部の鋼板は上記した電子ビームの磁区細分化処理を行わず、比較材とした。
電子ビーム照射時の圧延直角方向の照射パターンは表１に示すように変化させた。得られた試料を、そのまま単板試験器にて鉄損測定を行い、ついで500mm角の正方三脚鉄心に積層して、三相変圧器を作製した。各脚および窓部の幅はそれぞれ100mmとした。
【００３８】
計測した変圧器の鉄損の測定結果と電子ビームの照射条件とを表１に併記する。なお、表中、ジグザグパターンとは照射パターンがなめらかな波形を描くのではなく、前述したように直線的に折れ曲がったパターンを意味する。
【００３９】
【表１】
【００４０】
同表に示したとおり、電子ビームで磁区細分化処理を行っていない試料No.１は、単板鉄損値、変圧器鉄損値とも大きいのに対し、本発明例の試料No.４〜８は、単板鉄損値、変圧器鉄損値ともに低く、ビルディングファクタも小さい。
また、直線で照射した試料No.２やジグザグパターンの試料No.３では、単板の鉄損値は低減が認められるものの、変圧器の鉄損値が高く、ビルディングファクタが大きい。
さらに、サイン波状または円弧の組合せで照射した場合であっても、試料No.９、１０に示したように、波長振幅比であるＬ/Ｄがπ（3.14）より小さい場合には、単板での鉄損値の低下が不十分であったり、試料No.１１に示したようにＬ/Ｄが３π（9.42）より大きい場合には、変圧器鉄損が大きくビルディングファクタが大きくなっている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に絶縁被膜をそなえ、板幅方向への電子ビーム照射による磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、該電子ビームの照射痕が、サイン波状であり、該サイン波状照射痕の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【請求項２】
表面に絶縁被膜をそなえる方向性電磁鋼板に対し、板幅方向に電子ビーム照射による磁区細分化処理を行うに当たり、該電子ビームをサイン波状に照射するものとし、その際、該サイン波の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【請求項１】
表面に絶縁被膜をそなえ、板幅方向への電子ビーム照射による磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板であって、該電子ビームの照射痕が、サイン波状であり、該サイン波状照射痕の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【請求項２】
表面に絶縁被膜をそなえる方向性電磁鋼板に対し、板幅方向に電子ビーム照射による磁区細分化処理を行うに当たり、該電子ビームをサイン波状に照射するものとし、その際、該サイン波の振幅Ｄと波長Ｌとの関係が、下記(1)式の関係を満たすことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
記
３π≧Ｌ/Ｄ≧π ・・・(1)
【図１】
【公開番号】特開２０１２−５７２３２（Ｐ２０１２−５７２３２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０３４２０（Ｐ２０１０−２０３４２０）
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２２日（２０１２．３．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１０日（２０１０．９．１０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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