(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行する方向性電磁鋼板の幅方向に、連続して電子ビームを照射するにあたり、該電子ビームの鋼板表面に対する入射角度に応じ、該電子ビームの収束電流を調整して、鋼板上でのビームスポットの面積を最も外側での面積で一定にすることにより、幅方向にわたる該ビームスポットのエネルギー密度を一定に制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。
【請求項２】
走行する方向性電磁鋼板の幅方向に、連続して電子ビームを照射するにあたり、該電子ビームの鋼板表面に対する入射角度に応じ、該電子ビームの出力を調整することにより、幅方向にわたるビームスポットのエネルギー密度を一定に制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性電磁鋼板に電子ビームを連続的に照射して、方向性電磁鋼板の鉄損を改善する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主にトランス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性（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ーを照射し、鋼板表層に高転位密度領域を導入することにより、磁区幅を狭くし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。
電子ビーム照射による鉄損低減方法は、電磁鋼板表面での絶縁被膜の損傷が極めて小さいため、照射後に絶縁被膜を再度形成する必要がなく、工業生産に有利である。さらに、電子ビームは、磁場によってその照射位置が制御されるために、機械的稼動部品を必要とせず、レーザ照射よりも高速に照射点（ビームスポット）を走査することができる。そのため、１台のビーム発生装置で、鋼板に対してより広い幅に照射することが可能となる。
【０００４】
しかし、近年、需要が高まりつつある幅広鋼板に対して、上記のような電子ビームを照射した場合、走査領域が鋼板の端部に行くほど、ビームが鋼板に対して小さい入射角度で当たるため、ビームスポットの面積が大きくなり、鋼板に導入されるビームのエネルギーの面密度が小さくなって、走査領域の到達温度が低下し、熱歪みの導入効果が低下する。その結果、ビームが鋼板に対してほぼ垂直に当たる走査領域の中央付近と、端部とでは、磁区細分化の効果が異なるため、幅広の鋼板にはそのまま適用できないという問題があった。                                                                          
【０００５】
この問題に対して、鋼板と電子銃との距離を大きく取り、ビームを偏向させる角度を小さくすることで幅方向のビームスポット面積変化を小さくすることができる。
しかしながら、鋼板と電子銃との距離を大きく取ると、電子ビーム照射のための真空装置が大きくなり、設備コストが増大するばかりでなく、真空装置内をビームが通過する距離が大きくなるために、残留した気体分子によるビームの散乱量が増えたり、真空度の変動によって、鉄損の改善効果にばらつきが生じてしまう。
この問題に対しては、特許文献３に開示されるように、鋼板を幅方向に湾曲させて、常に同じ角度でビームを当てることで、常に同じ条件でビームを照射する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３２５１７号公報
【特許文献２】特公平６−７２２６６号公報
【特許文献３】特開平１−２９８１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３に開示の手法では、鋼板に歪を残さないように湾曲させるのが極めて困難であるという問題があった。
また、幅広な鋼板でなくても、省資源等の問題で電子ビームの照射装置を小型化しようとした場合には、鋼板と電子銃との距離が短くなり、上記と同じ、鉄損の改善効果にばらつきが生じるという問題が起る。
【０００８】
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、特に、幅広な方向性電磁鋼板に対して電子ビームを照射する場合や、電子ビームの照射装置を小型化する場合などに、鋼板の幅方向に対し、磁区細分化の効果を均一にする方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明者らは、電子ビームのビームエネルギーの面密度が磁区細分化効果に及ぼす影響を詳細に調査し、ビームの収束状態もしくはビームの出力を幅方向の中央から端部にかけて変化させることで、走査領域の幅方向の磁気特性を一定に制御できるとの知見を得た。
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．走行する方向性電磁鋼板の幅方向に、連続して電子ビームを照射するにあたり、該電子ビームの鋼板表面に対する入射角度に応じ、該電子ビームの収束電流を調整して、鋼板上でのビームスポットの面積を最も外側での面積で一定にすることにより、幅方向にわたる該ビームスポットのエネルギー密度を一定に制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。
【００１１】
２．走行する方向性電磁鋼板の幅方向に、連続して電子ビームを照射するにあたり、該電子ビームの鋼板表面に対する入射角度に応じ、該電子ビームの出力を調整することにより、幅方向にわたるビームスポットのエネルギー密度を一定に制御することを特徴とする方向性電磁鋼板の鉄損改善方法。 
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、幅広な方向性電磁鋼板に対して電子ビームを照射する場合や、電子ビームの照射装置を小型化する場合などに、鋼板の幅方向に対する磁区細分化処理を、極めて均一に施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電子ビームの照射装置を示す断面図である。
【図２】電子ビームの走査領域と照射点（ビームスポット）形状を示す図である。
【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。
本発明に従う方法は、方向性電磁鋼板（金属ストリップ）に対して連続的に電子ビームを照射する場合において有利に適合するものである。
例えば、図１に示す装置を用いる際に、好適に用いることができる。すなわち、図１に示した装置は、大気圧中の金属ストリップＳを導入する真空槽１を備える。そして、この真空槽１の金属ストリップＳの入側および出側には、それぞれ差圧室２ａおよび２ｂを有し、これら差圧室２ａおよび２ｂを介在して真空槽１内を低圧に保持する機構になっている。また、真空槽１には、図中に１台の電子銃３とした電子銃を複数台、金属ストリップＳの搬送経路に向けて設置し、電子銃３から金属ストリップＳに向けて電子ビームを照射する構造になっている。
【００１５】
この電子ビーム照射装置を用いて、例えば方向性電磁鋼板に対して磁区細分化処理を施す際には、方向性電磁鋼板（金属ストリップ）に対して、図１に示したように、電子銃３で電子ビームを照射する。すなわち、方向性電磁鋼板の鉄損低減のためには、照射位置でのビーム径を0.5mm以下（好適には、0.05〜0.3mm程度の範囲）に収束させた電子ビームを、鋼板の幅方向（圧延方向と交差する方向）に走査して、線状に熱歪みを導入する。
その際の電子ビームの出力は、10〜2000Ｗ、走査速度は１〜100m/s、さらに単位長さ当たりの出力は１〜50J/m、走査線の繰り返し間隔は１〜20mmとして、鉄損改善効果が所望の大きさになる条件で照射することが好ましい。
【００１６】
また、電子ビーム照射時に真空槽１外部へのＸ線漏洩を抑制することが安全上重要であり、そのために、真空槽１の内側（または外側）にＸ線吸収能を持つ鉛板をシールド層４として設けることが通例である。
【００１７】
ここに、本発明では、鋼板に照射される電子ビームのエネルギー密度を一定に制御するために、電子銃の収束電流の調整を行なう。まず、ビームの走査領域内の各位置で、スポットが最小に収束（ジャストフォーカス）されるための収束コイルの電流（収束電流）条件を予め調査する。そして、鋼板に電子ビームを照射する際は、ビームの偏向制御にあわせて、このジャストフォーカスとなるように収束電流を変動させる、いわゆるダイナミックフォーカス制御を適用する。
【００１８】
しかし、前述したとおり、ビームが鋼板に入射する角度によって、図２に示すように、角度θだけずれると、そのずれに応じて鋼板上のビームスポット形状が変化する。図中、３は電子銃、５は収束コイル、Ｓは金属ストリップ、Ｄはビーム径、ｄは電子銃と金属ストリップの距離である。
そのため、ビームスポットにおけるエネルギー密度が変化して、磁区細分化の効果がばらつくことになる。すなわち、偏向角度が小さく、ビームの入射角度が90度に近い場合は、エネルギー密度が大きいため、ここで鉄損改善効果が最大になるようにビーム電流を調整してしまうと、偏向角度が大きく、ビームの入射角度が小さくなった場合に、エネルギー密度が小さくなり鉄損改善効果が小さくなることになる。
【００１９】
そこで、本発明では、ビームの入射角度が小さい場合に、電子ビームの入射エネルギーが最適となるようにビーム電流（出力）の大きさを定め、偏向角度が小さくなるに伴い、収束電流を適宜調整することで、ビームスポットの面積を変更し、エネルギー密度が一定となるように制御し、鉄損改善効果が最適となるようにする。
【００２０】
上記のビームスポットの面積は、鋼板の幅方向の端部と中央部で同じことが最も好ましいが、25％程度の変動は許容される。なお、面積は、0.002〜0.07mm２程度が好ましい。
さらに、収束電流の制御は、ビームの走査とシンクロナイズさせるいわゆるダイナミックフォーカス制御を用いることが好適である。
【００２１】
本発明では、鋼板に対して照射される電子ビームのエネルギー密度を一定とする他の方法として、電子ビームの出力（電流）の制御を行うことができる。
前述したとおり、ビームの入射角度が小さい場合にはエネルギー密度が小さくなるため、その場合に入射エネルギーが最適となるようにビームの最大出力を定める。そして、入射角度が大きくなるほどビームの出力を低下させ、ビームスポットにおけるエネルギー密度を一定となるように制御することで、鉄損改善効果が、鋼板の幅方向において均一化する。
なお、電子ビームの最大出力（電流）は、電子ビーム照射装置やビームの走査速度によって適宜変更可能であるが、0.5〜20mＡ程度の範囲が好ましい。また、上記のエネルギー密度は、鋼板の幅方向において同じであることが最も好ましいが、10％程度の変動は許容される。
【００２２】
本発明では、前述した鋼板の幅方向（圧延方向と交差する方向）、すなわち鋼板に照射される電子ビームの走査方向と鋼板の圧延直角方向とのなす角度は、45°程度以下とすることが望ましい。
また、ストリップの幅は500〜1400mm程度のものが、本発明を用いるのに好適であり、電子銃の位置は、ストリップ中央の上方、300〜1000mm程度が好ましい。
なお、本発明に用いる電子ビーム装置は、図１に示した装置のみならず従来公知のものいずれもが使用できる。
【００２３】
次に、本発明に従う方向性電磁鋼板（金属ストリップ）に関して具体的に説明する。
本発明において、方向性電磁鋼板には、特段の限定はなく、従来公知のものを使用することができ、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】
なお、本発明において、方向性電磁鋼板を製造するに際しては、前述した電子ビームの照射条件を除き、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】
【００３１】
図１に示した装置で、電磁鋼板ストリップに連続的に電子ビームを照射する実験を行った。
ストリップの幅は500mmで、電子銃はストリップ中央の上方、800mm（電子銃位置Ｉ）および 400mm（電子銃位置ＩＩ）にそれぞれ１台を配し、偏向により両側に250mmずつ走査することで、鋼板の全幅にビームを照射した。
用いた電磁鋼板ストリップは、Si :3.4％を含有する厚さ:0.23mmの方向性電磁鋼板である。電子銃は、加速電圧：60kVで、電子銃直下ではジャストフォーカスでビーム径を直径：0.2mmに収束することができる。ビーム電流：10mA、走査速度：20m/sで鋼板に対して幅方向に６mm間隔で線状に照射した。
【００３２】
電子銃位置ＩＩにおいて、予めビームの変更領域全域でジャストフォーカスになる収束電流を調査し、ダイナミックフォーカスにより常にジャストフォーカスにする制御と、ビームスポットの面積を最も外側での面積で一定に保つ制御との二つの制御条件で電子ビームを照射した。なお、その際のスポット面積の変動幅は５％以内であった。
また、常にジャストフォーカスにする制御を行なうとともに、ビームの出力（ビーム電流）を入射角度に応じて変更し、幅方向におけるビームスポットのエネルギー密度が一定となるような制御条件で電子ビームを照射した。なお、その際のエネルギー密度の変動幅は５％以内であった。
さらに、電子銃位置Ｉにおいて、フォーカスの制御無しに電子ビーム照射を行った。なお、加速電圧：60kVで、ビーム径：0.2mm、ビーム電流：10mAおよび走査速度：20m/sで鋼板に対して幅方向に６mm間隔で線状に照射した。
【００３３】
このようにして得られた製品から単板磁気試験片をそれぞれ採取し、幅方向に100mmずつ５分割して、100mm×300mmの単板試料とした。この単板試料を、幅方向のそれぞれの位置（鋼板の中央部および端部）から10枚ずつ採取し、単板磁気測定装置で鉄損Ｗ17/50を測定して、試験片の部位ごとに平均した。なお、端部は両側から試験片をそれぞれ採取したので、20枚の平均値である。
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。
【００３４】
【表１】
0005754172.tif 000002
【００３５】
表１に示すように、幅方向の全域で常にジャストフォーカスになるように収束条件を制御した場合は中央とエッジ部とで0.06W/kgの鉄損差が生じたが、本発明の収束条件で制御した場合は、いずれも鉄損差が0.01W/kgになり、鉄損のばらつきが抑制できることが分かる。なお、電子銃の距離を離した従来例は、鉄損のばらつきはほぼ抑制できるものの、鉄損自身があまり改善できなかった。
【符号の説明】
【００３６】
１  真空槽
２ａ，２ｂ  差圧室
３  電子銃
４  シールド層
５  収束コイル
Ｓ  金属ストリップ（方向性電磁鋼板）
Ｄ  ビーム径
ｄ  電子銃と金属ストリップの距離
【図１】
0005754172.tif 000003
【図２】
0005754172.tif 000004