(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Si：2.5 〜10.0mass％（但し、3.0mass％以下は除く）、
Al：0.05〜2.2 mass％、
Mn：0.01〜4.5 mass％および
Cr：0.5 〜30.0mass％
を含有し、かつ不純物としての混入をそれぞれ、
Ｃ：0.010 mass％以下、
Ｓ：0.010 mass％以下、
Ｎ：0.0070mass％以下、
Ｏ：0.0040mass％以下、
Ti：0.030 mass％以下、
Zr：0.030 mass％以下、
Ｖ：0.050 mass％以下、
Nb：0.050 mass％以下
に抑制し、残部は実質的にFeの組成になり、板厚が0.05〜0.85mmで、地鉄の表面粗さを中心線平均粗さRaで0.45μm 以下とした鋼板の表面に、クロム酸塩系、リン酸塩系、アルミナ系、シリカ系の無機被膜または有機樹脂被膜あるいはこれら無機物と有機樹脂との混合物からなる半有機被膜のうちから選んだ少なくとも一種の絶縁被膜を被成したことを特徴とする電磁鋼板。
【請求項２】
請求項１において、鋼中成分として、さらに
Ｐ：0.01〜0.30mass％、
Cu：0.01〜1.0 mass％、
Ni：0.01〜1.2 mass％、
Sn：0.005 〜0.30mass％、
Sb：0.005 〜0.30mass％および
Ｂ：0.0005〜0.0100mass％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有させることを特徴とする電磁鋼板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、小型変圧器、電動機、ＥＩコアおよび高周波リアクトル等の鉄芯に利用して好適な電磁鋼板に関し、特にその高周波域における絶縁特性および磁気特性を効果的に改善することにより、高効率用機器への有利な適用を可能ならしめたものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型変圧器、電動機、ＥＩコアおよび高周波リアクトル等については、近年、インバータ制御による機器の高効率化が著しい。
しかしながら、これらの鉄芯に利用される電磁鋼板については、その高周波特性が十分に研究されているとは言い難い。
【０００３】
従来から、高周波特性の良好な電磁鋼板としては、 6.5mass％Si鋼の存在が有名であり、例えば特開昭61−166923号公報には、低温強圧下での熱間圧延を特徴とする 6.5mass％Si鋼板の製造方法が、また特開昭62−227078号公報には、Siの拡散浸透処理を施すことを特徴とする 6.5mass％Si鋼板の製造方法が、それぞれ開示されている。
しかしながら、この鋼板は加工性が悪いという本質的な弱点あり、製品形状に加工した場合、加工面の形状として凹凸やカエリが大きく、これが高周波特性とくに透磁率の著しい低下をもたらしていた。
【０００４】
これに対し、発明者らは先に、高周波特性と加工性を共に改善するものとして、鋼板成分中、Ｓ，Ｏ，Ｎなどの不純物を抑制し、かつCrを多量に含有させた鋼板を開発し、特開平11−343544号公報において開示した。
しかしながら、この鋼板を、実際に上記したような製品に適用してみると、これらの機器を高出力で使用した際に、絶縁破壊に起因した作動不可や極端な効率の低下現象が生じるトラブルが発生した。
【０００５】
そこで、この現象について調査した結果、高周波特性のうちでも特に高周波絶縁特性に劣り、実機で使用している間に鋼板層間の絶縁性が次第に低下していき、鋼板間の渦電流が増大し、絶縁破壊とこれに伴う鉄損の増加が起きることが原因であることが判明した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記した高Cr電磁鋼板は、電気抵抗は十分に高く、また鋼板表面を従来の絶縁被膜で覆う技術でも十分に高い層間抵抗が得られるものではあるが、上記したように、鋼板を積層して高周波かつ高出力で作動させた場合には、絶縁特性の劣化が避けられない。
この発明は、上記の問題を有利に解決するもので、高周波磁気特性の劣化を招くことなしに、高周波絶縁特性を有利に向上させた電磁鋼板を提案することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
さて、発明者らは、上記の問題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、高周波域における絶縁特性の劣化を防止するためには、鋼板の成分組成や絶縁被膜を規制するだけでは不十分で、さらに鋼板の板厚および地鉄の表面粗さを適切に制御する必要があることの知見を得た。
この発明は、上記の知見に立脚するものである。
【０００８】
すなわち、この発明の要旨構成は次のとおりである。
１．Si：2.5 〜10.0mass％（但し、3.0mass％以下は除く）、
Al：0.05〜2.2 mass％、
Mn：0.01〜4.5 mass％および
Cr：0.5 〜30.0mass％
を含有し、かつ不純物としての混入をそれぞれ、
Ｃ：0.010 mass％以下、
Ｓ：0.010 mass％以下、
Ｎ：0.0070mass％以下、
Ｏ：0.0040mass％以下、
Ti：0.030 mass％以下、
Zr：0.030 mass％以下、
Ｖ：0.050 mass％以下、
Nb：0.050 mass％以下
に抑制し、残部は実質的にFeの組成になり、板厚が0.05〜0.85mmで、地鉄の表面粗さを中心線平均粗さRaで0.45μm 以下とした鋼板の表面に、クロム酸塩系、リン酸塩系、アルミナ系、シリカ系の無機被膜または有機樹脂被膜あるいはこれら無機物と有機樹脂との混合物からなる半有機被膜のうちから選んだ少なくとも一種の絶縁被膜を被成したことを特徴とする電磁鋼板。
【０００９】
２．上記１において、鋼中成分として、さらに
Ｐ：0.01〜0.30mass％、
Cu：0.01〜1.0 mass％、
Ni：0.01〜1.2 mass％、
Sn：0.005 〜0.30mass％、
Sb：0.005 〜0.30mass％および
Ｂ：0.0005〜0.0100mass％
のうちから選んだ１種または２種以上を含有させることを特徴とする電磁鋼板。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の基礎となった実験結果について述べる。
表１に鋼記号Ａで示す成分組成になる鋼板９本を、ゼンジマー圧延機で粗度の異なる加工ロールを用いて、板厚：0.10mmに圧延したのち、 950℃で焼鈍した。この時、各鋼板の表面粗さは中心線平均粗さRaでそれぞれ、0.04, 0.08, 0.11,0.15, 0.28, 0.34, 0.42, 0.50, 0.67μm であった。
ついで、各鋼板をそれぞれ二分割し、一方にリン酸マグネシウムを主剤とする絶縁被膜を塗布、焼き付け、残る一方には絶縁被膜を塗布しないままの２種類の鋼板を作製した。
【００１２】
【表１】
0003782273.tif 000002
【００１３】
各鋼板により、40mm×50mmのサイズのＥＩコアの試料を打ち抜き、最大磁束密度：0.1 Ｔ、周波数：10kHz の電力変換を行い、鉄損特性を測定した。なお、この時、従来例として、市販の0.10mm厚の 6.5mass％Si鋼板についても同様の比較試験を行った。
この時、多くの場合に、時間と共に鉄損値が増加する傾向が認められたので、試験は２週間連続して行い、鉄損値が安定した後の値を代表値とした。
得られた結果を、図１に示す。
図１に示したように、鋼板表面にリン酸マグネシウムを主剤とする絶縁被膜を塗布し、かつ表面粗さを中心線平均粗さRaで0.45μm 以下とした場合に低い鉄損値が得られている。
【００１４】
そこで、次に、このような結果が得られた理由について調査を進めたところ、鉄損値が高い値で安定したＥＩコアのうち、鋼板粗さが高い場合と 6.5mass％Si鋼板（図１中、Raが0.86μm のデータ）の場合は、いずれも積層した鋼板の端部が融解し、積層鋼板間の絶縁破壊が発生していたことが判明した。
これが、製品を高周波で作動させた場合の絶縁特性の劣化原因を示唆する現象であると考えられる。
すなわち、 6.5mass％Si鋼板の場合、その劣悪な加工性に起因する端部の形状不良が高周波絶縁特性の劣化をもたらし、一方高Cr鋼では、鋼板表面の微少な凹凸が高周波絶縁特性の劣化をもたらし、いずれも端部での発熱を促す結果、長期の使用によって絶縁破壊がもたらされたものと考えられる。
【００１５】
また、絶縁被膜塗布は、鋼板地鉄表面の間隔を保つ役割を果たすので、適当な厚みがある方が好ましく、特にクロム酸塩系、リン酸塩系、アルミナ系およびシリカ系の無機被膜または無機・有機混合被膜は高温耐熱性を有しているので、より有利に適合することが確認された。
【００１６】
以下、この発明を具体的に説明する。
まず、この発明において、鋼板の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。
Si：2.5 〜10.0mass％（但し、3.0mass％以下は除く）
Siは、電気抵抗を高め鉄損を低減するのに有効な元素であり、特にこの発明で目標とする高周波鉄損の低減に有利に作用する。この目的のためには 2.5mass％以上の含有が必要であるが、10.0mass％を超えると、この発明によっても、製造時の加工および製品の加工が困難になるので、 2.5〜10.0mass％（但し、3.0mass％以下は除く）の範囲に限定した。
Al：0.05〜2.0 mass％
Alは、電気抵抗を高めて、鉄損特性を向上させるだけでなく、鋼板の集合組織を改善する作用がある。この目的のためには、0.05mass％以上含有させる必要があるが、2.2 mass％を超えて含有させると鋼板の加工性が阻害されるので、Al量は0.05〜2.2 mass％の範囲に限定した。
【００１７】
Mn：0.01〜4.5 mass％
Mnは、熱間加工性を改善するのに必要な元素であり、この目的のために少なくとも0.01mass％を含有させる。また、Mnは、Siと同様、高周波鉄損を改善する作用があるが、 4.5mass％を超えると飽和磁束密度の著しい低下を招くので、0.01〜4.5 mass％の範囲で含有させるものとした。
【００１８】
Cr：0.5 〜30.0mass％
Crは、この発明の根幹をなす重要な元素であり、次に述べる不純物の低減効果と相まって、鋼板の加工性改善に有効に寄与する。また、Siと同様、高周波鉄損を改善する作用がある。これらの目的のためには、 0.5mass％以上の含有が必要であるが、30.0mass％を超えると大幅な飽和磁束密度の低下を招くので、Cr量は0.5 〜30.0mass％の範囲に限定した。
【００１９】
以上、必須成分について説明したが、この発明では、鋼中の不純物元素を低減することも重要な要件である。
すなわち、不純物元素の低減は、上記したCrの添加効果と相まって、鋼板の加工性を大幅に改善する作用がある。
そして、この目的のためには、不純物元素について、それぞれ
Ｃ：0.010 mass％以下、
Ｓ：0.010 mass％以下、
Ｎ：0.0070mass％以下、
Ｏ：0.0040mass％以下、
Ti：0.030 mass％以下、
Zr：0.030 mass％以下、
Ｖ：0.050 mass％以下、
Nb：0.050 mass％以下
に抑制する必要がある。
というのは、これらの元素量が、上記の値を超えた場合には、Cr含有による高Si鋼の加工性向上効果が得られなくなるからである。
【００２０】
以上、必須成分および抑制成分について説明したが、この発明では、その他、以下に述べる元素を必要に応じて適宜含有させることができる。
【００２１】
Ｐ：0.01〜0.30mass％
Ｐも、電気抵抗を高めて、鉄損特性を向上させる作用があり、この目的のためには0.01mass％以上の含有が必要であるが、0.30mass％を超えて含有させると、鋼板の硬度が増加し加工性を阻害するので、Ｐ量は0.01〜0.30mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００２２】
Cu：0.01〜1.0 mass％、Ni：0.01〜1.2 mass％
CuおよびNiも、電気抵抗を高めて、鉄損特性を向上させる作用がある。この目的のためには、それぞれ0.01mass％以上含有させる必要があるが、Cuの場合は1.0 mass％を超えて、またNiの場合は1.2 mass％を超えて含有させると飽和磁束密度の低下を招く傾向があるので、Cuは0.01〜1.0 mass％、Niは0.01〜1.2 mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００２３】
Sn：0.005 〜0.30mass％、Sb：0.005 〜0.30mass％
鋼板の集合組織を改善し、磁束密度を向上させるためには、SnやSbの含有が有利に適合する。この目的のためには、SnおよびSbとも 0.005mass％以上含有させる必要があるが、いずれも0.30mass％を超えると鋼板の加工性が劣化するので、SnおよびSbとも 0.005〜0.30mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００２４】
Ｂ：0.0005〜0.0100mass％
Ｂは、鋼板の加工性を向上させる有用元素であるが、含有量が0.0005mass％に満たないとその添加効果に乏しく、一方0.0100mass％を超えると鋼板の鉄損を劣化させるので、Ｂ量は0.0005〜0.0100mass％の範囲で含有させることが好ましい。
【００２５】
以上、好適成分組成範囲について説明したが、この発明では、鋼板の板厚も重要で、この鋼板板厚については0.05〜0.85mmの範囲に制限する必要がある。
すなわち、高周波特性のためには鋼板板厚は小さい方が有利であり、このため板厚を0.85mm以下とするが、0.05mmより小さく圧延することは、現在の技術では著しいコスト増加となるので、0.05〜0.85mmとした。
【００２６】
また、この発明においては、鋼板地鉄表面の表面粗さも極めて重要で，この要件を厳密に規制することが不可欠である。
すなわち、地鉄の表面粗さが大きいと、この発明の加工性改善技術によっても、実機の高周波域での使用時に鋼板間の絶縁性が劣化して所望の特性が得られなくなる。従って、このような高周波実機使用時における磁性の劣化を防止するためには、鋼板表面を各種絶縁被膜で被成すると共に、地鉄の表面粗さを一定値以下に抑制することが肝要である。
この目的のためには、前掲図１に示したとおり、地鉄の表面粗さを中心線平均粗さRaで0.45μm 以下にすることが必要である。
【００２７】
なお、高周波使用時における鋼板の絶縁性に関しては、地鉄の表面粗さの制御が必要なだけで、絶縁被膜の粗さについては大きな影響が認められないので、平滑にした鋼板地鉄表面上に鋼板粗さを高めるいわゆるダル被膜を被成する技術はこの発明に十分に適合する。
【００２８】
次に、鋼板の表面に被成する絶縁被膜について説明する。
絶縁被膜は、鋼板の防錆効果と共に、鋼板粗さと相まって、高周波絶縁特性を向上させるために必要で、この目的のためには、被膜厚として0.05μm 以上の厚みで被成することが好ましい。
また、絶縁被膜としては、クロム酸塩系、リン酸塩系、アルミナ系、シリカ系の無機被膜、または有機樹脂被膜、およびこれら無機物と有機樹脂との混合物からなる半有機被膜のうちから選ばれる絶縁被膜が適合する。これらの被膜は単独で用いても、複合して用いても、上記作用に差異はなく、いずれも有利に適合する。
さらに、これらの被膜のうち、クロム酸塩系、リン酸塩系、アルミナ系およびシリカ系から選ばれる無機被膜または無機・有機混合被膜は、高温の耐熱性を有しているので、この発明の目的にとりわけ有利に適合する。
【００２９】
次に、この発明鋼板の好適製造条件について説明する。
熱延条件は特に規定しないが、省エネルギーのため、スラブ加熱温度は1200℃以下とすることが望ましい。
また、熱延板焼鈍は、800 ℃以上でなければ磁束密度を向上させることが難しいので、800 ℃以上の温度域で行うことが好ましい。
【００３０】
ついで、１回または中間焼鈍を含む２回の冷間圧延を施すが、この冷間圧延では、圧下率を50〜95％程度とすることが好ましい。
また、仕上げ焼鈍については、その温度が 850℃に満たないと粒成長が不十分で良好な鉄損が得られないので、仕上げ焼鈍は 850℃以上の温度で行うことが好ましい。
【００３１】
【実施例】
実施例１
表１に鋼記号Ａ〜Ｑで示した成分組成になる連続鋳造スラブを、常法に従って熱間圧延し 2.0mm厚の熱延鋼板としたのち、 580〜700 ℃の温度で巻き取った。ついで、これらの鋼板を酸洗後、1000℃，１分間の熱延板焼鈍を施したのち、ゼンジマーミルによって 250℃の温間で0.35mmの中間厚とし、さらに直径：80mmの平滑加工ロールを選定し、これをゼンジマーミルに用いて 200℃の温度で第２回目の温間圧延を施し、0.10mmの最終板厚に仕上げた。ついで、各鋼板に対し 950℃, ２分間の仕上げ焼鈍を施した後、各鋼板の中心線平均粗さRaを測定した。
その後、これら鋼板に、20mass％のシリカと40mass％の有機樹脂を含有するクロム酸マグネシウムを主剤とする半有機コートを、 1.3μm の厚みに塗布し、焼き付けた。これらの鋼板について、磁束密度：0.10Ｔ, 周波数：10 kHzにおける鉄損Ｗ1/10k を測定した。
また、各鋼板から20mm×40mmのサイズのＥＩコアを打ち抜き、積層して小型変圧器を製作した。この時、打ち抜き後の鋼板のかえり高さを測定した。さらに、小型変圧器には、10kHz での電力変換を１ヶ月間連続して行い、初期と１ヶ月後の変圧器の鉄損測定を行った。また、１ヶ月後、変圧器を解体し、各鋼板の外観について調査した。
得られた結果を整理して表２に示す。
【００３２】
【表２】
0003782273.tif 000003
【００３３】
表２に示したとおり、成分組成範囲および鋼板地鉄の表面粗さがこの発明の適正範囲を満足する電磁鋼板はいずれも、打ち抜き後のかえりが小さくて加工性がよく、また 10kHzでの鉄損値およびその経時変化も小さく、優れた高周波絶縁特性が得られていることが分かる。
【００３４】
実施例２
表１に鋼記号Ｂで示した成分組成になる鋼板７本を、粗さの異なる種々の加工ロールをそなえるゼンジマー圧延機で、板厚：0.15mmに圧延し、さらに1000℃で焼鈍した。この時、各鋼板の中心線平均粗さRaはそれぞれ、0.09, 0.25, 0.37,0.44, 0.52, 0.69, 0.77μm であった。
ついで、各鋼板をそれぞれ２分割し、一方にリン酸アルミニウムを主剤とする絶縁コートを膜厚：1.2 μm の厚みで塗布、焼き付け、絶縁被膜ありと絶縁被膜なしの２種類の鋼板とした。
各鋼板から40mm×50mmのサイズのＥＩコアの試料を打ち抜き、積層して小型変圧器を製作した。これらの小型変圧器を使用し、磁束密度：0.12Ｔ、周波数：10kHz での電力変換を２週間連続して行い、初期と２週間後の変圧器の鉄損測定を行った。また、２週間後、変圧器を解体し、各鋼板の外観について調査した。
なお、従来例として、市販の0.15mm厚の 6.5mass％Si鋼板（粗さ0.86μm のデータ）を用いた場合についても同様の調査を行った。
得られた結果を材料の鉄損特性と併せて表３に示す。
また、材料の表面粗さと鉄損特性との関係を図２に示す。
【００３５】
【表３】
0003782273.tif 000004
【００３６】
表３に示したように、鋼板地鉄の表面粗さをRaで0.45μm 以下とし、かつ鋼板表面にリン酸アルムニウムを主剤とする絶縁コートを塗布した電磁鋼板で製作した小型変圧器は、長期試験の後も鉄損特性が良好で、しかも鉄損劣化もなく、高周波絶縁特性が良好であることが分かる。
【００３７】
実施例３
表１に鋼記号Ｃで示した成分組成になる鋼板７本を、平滑な加工ロールをそなえるゼンジマー圧延機で、板厚：0.10mmに圧延し、さらに 950℃で焼鈍した。この時、各鋼板の表面粗さは中心線平均粗さRaで0.25〜0.34μm であった。
ついで、各鋼板に対し、それぞれ
ａ）リン酸アルミニウムを主剤とする絶縁コートを、膜厚：1.2 μm の厚みで
ｂ）クロム酸カルシウムを主剤とする絶縁コートを、膜厚：1.5 μm の厚みで
ｃ）コロイダルシリカを主剤とする絶縁被膜を、膜厚：1.0 μm の厚みで
ｄ）有機樹脂：40mass％、クロム酸マグネシウム：40mass％を主剤とする絶縁被膜を、膜厚：1.5 μm の厚みで
ｅ）ポリメタクリル酸メチルを主剤とする絶縁被膜を、膜厚：1.5 μm の厚みでｆ）ポリエチレンを主剤とする絶縁被膜を、膜厚：1.4 μm の厚みで、
塗布、焼き付けた。また、ｇ）として、焼鈍のままで絶縁被膜なしの鋼板を用いた。
各鋼板から、40mm×50mmのサイズのＥＩコアの試料を打ち抜き、積層して小型変圧器を製作した。
これらの小型変圧器を使用し、磁束密度：0.10Ｔ、周波数：10 kHzでの電力変換を１ヶ月間連続して行い、初期と１ヶ月後の変圧器の鉄損測定を行った。また、１ヶ月後、変圧器を解体し、各鋼板の外観調査を行った。
得られた結果を表４に示す。
【００３８】
【表４】
0003782273.tif 000005
【００３９】
表４に示したように、この発明に従い絶縁被膜を被成した電磁鋼板で製作した小型変圧器は、長期試験の後も鉄損特性が良好で、かつ鉄損劣化もなく、優れた高周波絶縁特性が得られている。
【００４０】
実施例４
表１に鋼記号Ｄで示した成分組成になる鋼板４本を、平滑な加工ロールをそなえるゼンジマー圧延機で、それぞれ板厚：0.10，0.20，0.35，0.50mmに圧延し、さらに1000℃に焼鈍した。この時、各鋼板の表面粗さは中心線平均粗さRaで0.22〜0.38μm であった。
ついで、各鋼板に対し、リン酸アルミニウムを主剤とする絶縁被膜を、膜厚：1.8 μm の厚みで塗布、焼き付けた。
その後、各鋼板から、80mm×100mm のサイズのＥＩコアの試料を打ち抜き、積層して小型変圧器を製作した。
これらの小型変圧器を使用し、磁束密度：0.10Ｔ、周波数：10 kHzでの電力変換を１ケ月間連続して行い、初期と１ケ月後の変圧器の鉄損測定を行い、鉄損値の劣化率〔（１ヶ月後鉄損値−初期の鉄損値）÷初期の鉄損値×100 （％）〕を求めた。
得られた結果を表５に示す。
【００４１】
【表５】
0003782273.tif 000006
【００４２】
表５に示したように、この発明に従う電磁鋼板で製作した小型変圧器は、長期試験の後も鉄損特性が良好で、鉄損劣化がなく、優れた高周波絶縁特性が得られている。
【００４３】
【発明の効果】
かくして、この発明によれば、高周波域における絶縁特性および磁気特性に優れた電磁鋼板を得ることができ、ひいては経時劣化がほとんどない優れた高周波特性を有する高効率用機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  長期連続使用後のＥＩコアの高周波鉄損Ｗ1/10k に及ぼす鋼板地鉄の表面粗さと絶縁被膜の影響を示したグラフである。
【図２】  長期連続使用後のＥＩコアの高周波鉄損Ｗ1.2/10k に及ぼす鋼板地鉄の表面粗さと絶縁被膜の影響を示したグラフである。
【図１】
0003782273.tif 000007
【図２】
0003782273.tif 000008