(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延方向と直角から３０°以内に線状の溝を有し、その溝下部の長さにして１５％以上９０％以下の部分に二次再結晶粒界が存在することを特徴とする方向性電磁鋼板。
【請求項２】
方向性電磁鋼板の製造方法において、最終冷延後、再結晶温度まで加熱し、断面の金属組織で観察した再結晶比率で９０％以上完了させた後、圧延方向と直角から３０°以内に線状の溝を機械加工によって形成した後、湿水素中の焼鈍により脱炭を行い、その後、二次再結晶焼鈍を行うことにより、線状溝下部の長さにして１５％以上９０％以下の部分に二次再結晶粒界を存在せしめることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項３】
再結晶温度までの加熱方法が通電加熱あるいは誘導加熱であることを特徴とする請求項２に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項４】
方向性電磁鋼板製造工程において、最終冷延後に冷延板を再結晶温度まで加熱する加熱装置と、圧延方向と直角から３０°以内に線状あるいは不連続な線状の溝を機械加工によって形成する溝形成装置を組み込んだことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造装置。
【請求項５】
加熱装置による加熱が通電加熱または誘導加熱であることを特徴とする請求項４記載の方向性電磁鋼板の製造装置。
【請求項６】
再結晶温度までの加熱が通電加熱あるいは誘導加熱であることを特徴とする請求項４記載の方向性電磁鋼板の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変圧器等の静止誘導器に使用される方向性電磁鋼板おいて、鉄損を低減した鋼板、及びその製造方法並びに製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
方向性電磁鋼板は、主として変圧器に代表される静止誘導器に使用される。その満たすべき特性としては、▲１▼交流で励磁したときのエネルギー損失すなわち鉄損が小さいこと、▲２▼機器の使用励磁域での透磁率が高く容易に励磁できること、▲３▼騒音の原因となる磁歪が小さいこと等があげられる。特に▲１▼に関しては、変圧器が据え付けられてから廃棄されるまでの長期間にわたって連続的に励磁され、エネルギー損失を発生し続けることから、変圧器の価値を表わす指標であるＴ．Ｏ．Ｃ．(Total Owning Cost) を決定する主要なパラメータとなる。
【０００３】
この方向性電磁鋼板の鉄損を低減するために、今までに多くの開発がなされてきた。すなわち、▲１▼ゴス方位と呼ばれる（１１０）［００１］方位への集積を高めること、▲２▼電気抵抗を高めるＳｉ等固溶元素の含有量を高めること、▲３▼鋼板の板厚を薄くすること、▲４▼鋼板に面張力を与えるセラミック被膜や絶縁被膜を付与すること、▲５▼結晶粒の大きさを小さくすること等である。
しかし、これら冶金学的な手法による鉄損改善には限度があり、他の手法による鉄損低減が求められていた。
【０００４】
この課題に対して、A.Fiedler,W.Pepperhof は、方向性電磁鋼板の表面にカッター等で溝をつけ磁区構造を変えることによって鉄損を低減する手法を提案している（ＵＳＰ３，６４６，５７５号）。方向性電磁鋼板は一般的に、互いに反対方向の磁化成分を持つスラブ状の磁区が交互に並んだ磁区構造を持ち、これら磁区が外部磁場下で拡大／縮小することによって磁化が行われる。従って、方向性電磁鋼板が磁化されるときには、隣接する磁区の境界（磁壁）の部分のみで磁化変化が生じる。この磁化変化に伴って鋼板中には渦電流が流れ、前述した鉄損の原因の６０〜７０％をしめる（渦電流損）。渦電流損は渦電流の２乗に比例し、渦電流は磁壁の移動速度に比例する。磁区幅を狭くすると、渦電流の発生する部位は多くなるが、磁壁の移動速度は磁区幅に逆比例して小さくなるから、結果として渦電流損は磁区幅にほぼ比例して小さくなる。
【０００５】
この磁区細分化の手法を工業的に利用可能にするため、さらに様々な提案がなされた。例えば特公昭５８−５９６８号公報にあるように、鋼板面に直径０．２〜１０mmの小球を押しつけながら回転させ、表面にキズをつけずに歪みを導入する方法、特公昭５７−２２５２号公報にあるように、圧延方向とほぼ直角方向にレーザービームを照射し微少塑性歪を加える方法、特開昭６２−９６６１７号公報にあるような、圧延方向とほぼ直角方向にプラズマ炎を線状に放射する方法等がある。
これらは何れも鋼板に微少な塑性歪を導入し、磁歪の逆効果によって安定化された圧延方向と直角方向の磁化成分を持つ磁区を利用して、磁区を細分化する技術であり、巻鉄心を作製した際の歪取り焼鈍によってその効果が失われてしまうものであった。
【０００６】
さらにこれらの磁区細分化手法に対し、歪取り焼鈍によっても効果の失われない耐熱型の磁区細分化手法が検討され、例えば特公昭６３−４４８０４号公報にあるような、仕上げ焼鈍後の鋼板に歯車型ロールで線状、点状または破線状等の凹部と、その後に行う７５０℃以上の熱処理よって微細結晶粒を生じさせる方法、あるいは特公平５−６９２８４号公報にあるような、フォトエッチングによって鋼板表面に溝部を形成する方法、特公平８−６１４０号公報にあるような、グラビア印刷でレジスト膜を焼き付け電解腐食により溝を形成する方法等が提案されている。
これらの方法は、溝部／微細結晶粒に生じる磁極による静磁エネルギーの増大を、スラブ状の磁区の幅を狭めることにより補償することを基本的な原理としており、歪取り焼鈍によってその効果が失われることはない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして、方向性電磁鋼板の鉄損は著しく改善されてきたが、文明化、工業化によってエネルギー消費は伸びており、また化石エネルギー資源の枯渇に対する懸念、ＣＯ２ による地球温暖化に対する要望から、より一層の鉄損低減が求められている。また変電設備が都市部に作られるようになり変圧器の発生する騒音を低減することが求められてきている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、鋼板表面での溝形成を用いた低鉄損方向性電磁鋼板を鋭意研究した結果、溝下に選択的に二次再結晶粒界を形成することによって、極めて低い鉄損で、かつ低騒音の方向性電磁鋼板を製造することを知見した。
すなわち、本発明の要旨は以下の構成からなる。
【０００９】
（１）圧延方向と直角から３０°以内に線状の溝を有し、その溝下部の長さにして１５％以上９０％以下の部分に二次再結晶粒界が存在することを特徴とする方向性電磁鋼板。
（２）方向性電磁鋼板の製造方法において、最終冷延後、再結晶温度まで加熱し、断面の金属組織で観察した再結晶比率で９０％以上完了させた後、圧延方向と直角から３０°以内に線状の溝を機械加工によって形成した後、湿水素中の焼鈍により脱炭を行い、その後、二次再結晶焼鈍を行うことにより、線状溝下部の長さにして１５％以上９０％以下の部分に二次再結晶粒界を存在せしめることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
（３）再結晶温度までの加熱方法が通電加熱あるいは誘導加熱であることを特徴とする前記（２）記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
（４）方向性電磁鋼板製造工程において、最終冷延後に冷延板を再結晶温度まで加熱する加熱装置と、圧延方向と直角から３０°以内に線状あるいは不連続な線状の溝を機械加工によって形成する溝形成装置を組み込んだことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造装置。
（５）加熱装置による加熱が通電加熱または誘導加熱であることを特徴とする前記（４）に記載の方向性電磁鋼板の製造装置。
（６）再結晶温度までの加熱が通電加熱あるいは誘導加熱であることを特徴とする前記（４）記載の方向性電磁鋼板の製造装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、質量にして３．２％のＳｉと、インヒビター成分としてＭｎＳ，ＡｌＮを含む方向性電磁鋼板の冷延板（板厚０．２３mm）から、▲１▼鋼板表面の片面にほぼ圧延方向とほぼ直角方向に機械的に線状の溝を加工した後に、６５０℃まで加熱し鋼板の９０％以上を再結晶させた試料、▲２▼６５０℃まで加熱し鋼板の９０％以上を再結晶させた後に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向に機械的に線状の溝を加工した試料、▲３▼機械加工を行わずに６５０℃まで加熱し、鋼板の９０％以上を再結晶させた試料を作製した。
【００１１】
これらの試料に湿水素中で均熱温度８５０℃で２分間の脱炭を目的とした焼鈍を行い、鋼板表面にＭｇＯの焼鈍分離剤を塗布した後、１２００℃で２０時間の二次再結晶を目的とする焼鈍を施した。前記▲３▼の鋼板には二次再結晶焼鈍後に、▲１▼、▲２▼と同様に鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向に機械的に線状の溝を加工した。それぞれの線状溝の間隔は５mm、溝深さは１６μｍであった。
これら試料から単板の磁気測定試料を切り出し、８００℃で３時間の歪取り焼鈍を施した。各試料の磁気測定結果を表１に示す。鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
【００１２】
【表１】
0004331900.tif 000002
【００１３】
表１から解るように、前記▲２▼の試料の鉄損、磁歪が、他の試料に較べて優れていることが解る。これら試料の二次再結晶組織を図１に示す。図１のａ）は本発明例▲２▼の二次再結晶組織の模式図、ｂ）は比較例▲１▼の二次再結晶組織の模式図、ｃ）は本発明例▲２▼の二次再結晶組織写真である。
このように、▲１▼、▲３▼の試料の結晶粒界が溝の位置となんら関係がないのに対し、▲２▼の試料ではかなりの部分で溝の下部と二次再結晶粒界の位置が一致していることが解る。また、本発明例では溝を横切る二次再結晶粒界が溝により分断されていることが解る。
【００１４】
本発明者等はさらに詳細な実験を施し、以下の関係を見いだした。
すなわち図２に示すように、導入した溝の全長に対して、溝下部に二次再結晶粒界の存在する溝の長さの比率が１５％以上で９０％以下の時に優れた鉄損を持つ。この一連の実験では、３．１％ＳｉとＡｌＮとＭｎＳを含む方向性電磁鋼板の冷延板を、通電加熱により３００℃／sec の加熱速度で８００℃まで加熱した後、歯車で圧延直角方向から１０゜の方向に機械的に溝を加工し、その後上記の実験と同じ処理を施して二次再結晶させた。
【００１５】
以上に述べた優れた鉄損値が得られる理由としては、線状の溝による磁区制御効果と、規則的に導入した二次再結晶粒界による磁区制御効果の複合効果であると推定される。この複合効果による鉄損向上は、導入される粒界が少なすぎると小さく、また多すぎてもかえって小さくなると考えられる。
【００１６】
また、線状の溝部と二次再結晶粒界を適当量導入することにより磁歪が小さくなる理由としては、二次再結晶粒の結晶方位が理想的なゴス方位よりずれることにより生ずる、
ランセットと呼ばれる表面補助磁区（例えば Alex Hubertet.al.Z.Angew.Phys.,19,521-529,(1965)）により励磁されたときに方向性電磁鋼板が縮む効果と、溝部あるいは二次再結晶粒界に生ずる補助磁区により励磁されたときに方向性電磁鋼板が伸びる効果が補償し合って生じていると推定される。
また、本発明では溝を横切る二次再結晶粒界が溝により分断されていることも、上記の理由の一つとして推定される。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の方向性電磁鋼板の成分としては、従来公知のいずれの成分組成も適合するが、代表組成をあげると以下の様になる。
Ｓｉは、添加量を多くすると電気抵抗が高くなり、鉄損特性が改善される。しかし４．８％を超えると、圧延時に割れやすくなってしまう。また０．８％より少ないと、仕上げ焼鈍時にγ変態が生じ結晶方位が損なわれてしまう。
【００１８】
Ｃは、一次再結晶組織を制御するうえで有効な元素であるが、磁気特性に悪影響を及ぼすので、仕上げ焼鈍前に脱炭する必要がある。Ｃが０．０８５％より多いと、脱炭焼鈍時間が長くなり生産性が損なわれてしまう。
【００１９】
二次再結晶を生じさせるために必要ないわゆるインヒビターとしては、ＡｌＮ系、ＭｎＳ系、ＭｎＳｅ系いずれでも本発明の意図を損なうものではないが、より低鉄損を得るためにはＡｌＮ系が最も好適である。その場合、酸可溶性Ａｌは二次再結晶が安定する０．０１〜０．０６５％が好ましい。
【００２０】
Ｎは、０．０１２％を超えると冷延時にブリスターとよばれる鋼板中の空孔を生じるので、それ以下に抑えることが望ましい。
この他、微量のＣｕ，Ｓｂ，Ｍｏ，Ｂｉ，Ｔｉ等を鋼中に含有することは、本発明の主旨を損なうものではない。
【００２１】
こうして得られた鋼スラブを加熱後、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後に、１回ないし中間焼鈍を挟んだ２回の冷間圧延を行い最終板厚とした後、必要に応じて湿水素中で脱炭焼鈍を行い、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を表面に塗布して、二次再結晶を目的とする最終仕上げ焼鈍を行う。
【００２２】
以上の工程において、冷間圧延後、一次再結晶させた鋼板に機械的に線状あるいは不連続な溝加工を施した後に二次再結晶させることが本発明の特徴である。このプロセスにより溝下部の大部分に二次再結晶粒界が形成され、優れた鉄損特性および磁歪特性を示すこととなる。
【００２３】
機械的に溝加工を形成する方法については、特公昭６２−５３５７９号公報に開示された歯車型ロールによる方法、特公平０６−６３０３７号公報に開示されたプレスによる方法等いずれを用いてもよい。
形成する溝の形状は、ほぼ圧延方向に直角な連続ないし不連続な直線状の溝、特に連続的な直線状の溝が望ましい。圧延直角方向の場合に最も効果が大きいが、直角方向より３０゜以内であればその効果は大きくは変わらない。また直線状が工具の加工上望ましいが、曲線の溝にしてもその効果を失うものではない。曲線の場合には、中心線の方向が圧延直角方向より３０゜以内になるようにすればよい。
【００２４】
線状溝の幅は１０〜３００μｍ、深さは５〜５０μｍ、溝間隔は圧延方向に１〜２０mmが好ましいが、この範囲を外れても本発明の効果が発現しないわけではない。また溝加工は片面のみで十分に効果があるが、両面に施しても本発明の思想に反するものではない。
【００２５】
一次再結晶は、断面の金属組織で観察した再結晶比率で５０％以上を、より望ましくは９０％以上を完了させることが好ましいが、必ずしも本発明の条件を限定するものではない。再結晶温度としては、再結晶比率５０％では６００℃以上、９０％では６５０℃以上が望ましい。
一次再結晶させる方法としては、一般的な焼鈍炉による方法、通電加熱による方法、誘導加熱による方法と何れの方法を用いても本発明の思想を損なうものではないが、設備のコンパクト化の観点から通電加熱あるいは誘導加熱による方法が好ましい。
【００２６】
こうして得られた表面に溝加工を施した鋼板に、必要に応じて湿水素中で脱炭と一次再結晶粒成長を目的とする焼鈍を施すが、磁気時効を起こさない程度にしか鋼成分にＣを含まない場合には、以下に記述する二次再結晶焼鈍の前半部分で該焼鈍の効果を兼用しても構わない。
【００２７】
この後、鋼板表面にＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、高温の二次再結晶焼鈍に供する。この際、Ａｌ2 Ｏ3 を主体とした焼鈍分離剤を用いて、Ｍｇ2 ＳｉＯ4 からなるセラミック被膜を形成させない工程をとることも可能である。この二次再結晶焼鈍に際して、必要に応じて特開平２−７７５２５号公報にあるようなＮＨ3 ガス等を用いて上記の湿水素焼鈍後、二次再結晶焼鈍前にＮＨ3 等の雰囲気ガスからの窒化によるＡｌＮのインヒビターの補強を行うこと、または二次再結晶焼鈍の前段で、Ｎ2 雰囲気より窒化によるＡｌＮ系のインヒビターの補強を行うことも、本発明の効果を損なうものではない。
また、磁気時効を起こさない程度にしかＣを含まない場合には、二次再結晶焼鈍の前半で一次再結晶粒成長を行わせ、前述の湿水素中での脱炭と一次再結晶粒成長を目的とする焼鈍を省略することも可能である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに説明する。
（実施例１）
質量で３．３％ＳｉとＭｎＳｅとＡｌＮ、Ｓｂのインヒビター成分（質量にしてＭｎ：０．０７％、Ｓｅ：０．０２％、酸可溶Ａｌ：０．０２５％、Ｎ：０．００８％、Ｓｂ：０．０４％）を含む０．２３mm厚の冷延板を、焼鈍炉で７００℃まで３０℃／sec で加熱し１００％再結晶させた後、（Ａ）歯車型ロールを用いて線状溝を形成した試料Ａ、（Ｂ）グラビア印刷で溝パターンを転写後、電解エッチングで溝加工をした試料Ｂに、それぞれ８５０℃で１００sec の湿水素中焼鈍を行い、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布後、１２００℃で１７hrの二次再結晶焼鈍を施した。Ａ，Ｂともに溝形状は直線状で、角度は圧延直角方向から１２゜、溝間隔３mm、溝幅１００μｍ、溝深さ２０μｍであった。それぞれの鉄損値を表２に示す。
溝下部粒界比率が本発明範囲である材料Ａの鉄損が、材料Ｂに較べ低い鉄損を持つことがわかる。
【００２９】
【表２】
0004331900.tif 000003
【００３０】
（実施例２）
本発明の方向性電磁鋼板の製造において、線状の溝を形成する場合の好適な装置例を図３に示す。すなわち、方向性電磁鋼板のコイルに巻かれた冷延板１は、巻きほぐされて加熱装置２に通り、再結晶温度もしくはそれ以上の温度に加熱されて鋼板を再結晶させる。加熱手段は通電加熱或いは誘導加熱のいずれでもよい。次いで溝形成装置３に導入し、機械加工して鋼板表面に線状もしくは不連続線状の溝を形成した後に、脱炭を目的とした焼鈍を焼鈍装置４で施し、ＭｇＯを主体とする焼鈍分離剤をコーター５で鋼板表面に塗布し、コイラー６に巻取るまでの工程を示す。
図３では、加熱装置２、溝形成装置３、焼鈍装置４の一連の工程を示したが、加熱装置と溝形成装置を脱炭を目的とする焼鈍装置に組み込んでもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によって、鉄損と磁歪を低減した方向性電磁鋼板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溝と二次再結晶粒界の位置関係を示す鋼板表面の図。点線で溝の位置、実線で二次再結晶粒界の位置を示す。太い実線は二次再結晶粒界が溝の下にある部分を示す。ａ）は本発明例、ｂ）は比較例。ｃ）は本発明例での鋼板表面での金属組織写真である。
【図２】線状溝の溝下部分の板厚を貫通する二次再結晶粒界の、溝総延長に対する存在比率と鉄損Ｗ17/50 との関係を表す図。
【図３】方向性電磁鋼板の冷延板を加熱後、圧延方向とほぼ直角方向にほぼ線状の溝を機械加工によって形成し、さらに焼鈍する装置に一例を示す図。
【符号の説明】
１：冷延板
２：加熱装置
３：溝形成装置
４：焼鈍装置
５：コータ
６：コイラー
【図１】
0004331900.tif 000004
【図２】
0004331900.tif 000005
【図３】
0004331900.tif 000006