JP5691886B2 - 方向性電磁鋼板および方向性電磁鋼板の絶縁被膜形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、トランスなどの鉄心材料に供して好適な方向性電磁鋼板に関するものである。
また、本発明は、かような方向性電磁鋼板の表面に被覆する絶縁被膜の形成方法に関するものである。

方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、磁化特性に優れていること、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（ゴス方位）に高度に揃えることや、製品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の低減には限界があることから、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入することにより、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。
たとえば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入することにより、磁区幅を狭くして鉄損を低減する技術が提案されている。

また、レーザー照射を用いる磁区細分化技術は、その後種々の改良が施され鉄損特性が良好な方向性電磁鋼板が得られるようになった（例えば、特許文献２、特許文献３および特許文献４参照）。

特公昭５７−２２５２号公報 特開２００６−１１７９６４号公報 特開平１０−２０４５３３号公報 特開平１１−２７９６４５号公報 特公昭５３−２８３７５号公報 特公昭５６−５２１１７号公報 特開昭５６−１０５４２１号公報 特開平４−１６５０２２号公報

方向性電磁鋼板に対するレーザー照射は、磁区細分化効果により鉄損を低減する効果があるが、一方で鋼板中に歪を導入するため、磁歪が増大して、変圧器の騒音が悪化するという副作用がある。
本発明は、上記の問題を有利に解決するもので、歪を導入して鉄損を低減させた方向性電磁鋼板に絶縁コーティングを施すに際し、この絶縁コーティング処理に工夫を加えることによって、変圧器鉄心等に積層して使用した場合に懸念される騒音を効果的に低減させた方向性電磁鋼板を提案することを目的とする。
また、本発明は、かような方向性電磁鋼板の表面に被覆する絶縁被膜の有利な形成方法を提案することを目的とする。

絶縁コーティング処理剤として、鉄損や磁歪特性の改善を目的としてコロイダルシリカ等の固形物を添加する技術が知られている（例えば、特許文献５、特許文献６）。
また、歪付与処理により機能を消失した絶縁性を補うために再度絶縁コーティングを行う技術が特許文献７に、さらにその際、固形物を添加して鋼板のすべり特性を改善する技術が特許文献８にそれぞれ開示されている。

しかしながら、固形物の添加は、電磁鋼板のすべり性は改善させるものの、積層した場合にいわゆる占積率を低下させるという問題が生じる。
そこで、発明者らは、上記の問題を解決すべく、小型変圧器を多数作製して、添加される固形物の粒子径と二回絶縁コーティングを施すというプロセスにおけるそれぞれのコーティング厚みとの関係について綿密な調査を行った結果、本発明に想到するに到ったのである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．絶縁コーティングが両面に施された仕上げ焼鈍済みの方向性電磁鋼板の片面のみに、光学的手段、機械的手段、化学的手段および熱的手段の少なくともいずれかの手段によって歪が付与され、再度、絶縁コーティングが被歪付与面のみに施された方向性電磁鋼板であって、歪付与前の絶縁コーティング内に固形物を含み、上記被歪付与面においては上記固形物の裸出がなく、上記被歪付与面と反対側の面においては上記固形物が裸出していることを特徴とする方向性電磁鋼板。

２．仕上げ焼鈍済みの方向性電磁鋼板の両面に絶縁コーティングを施したのち、上記方向性電磁鋼板の片面のみに光学的手段、機械的手段、化学的手段および熱的手段の少なくともいずれかの手段によって歪を付与し、再度、絶縁コーティングを被歪付与面のみに施す方向性電磁鋼板の製造方法において、歪付与前の絶縁コーティングの際の処理液にのみ固形物を添加するものとし、該固形物の粒子径が、歪付与前の絶縁コーティングの厚みよりも大きく、かつ歪付与前および歪付与後の絶縁コーティングの厚みの合計よりも小さいことを特徴とする方向性電磁鋼板の絶縁被膜形成方法。

３．歪付与前の絶縁コーティング処理液中における前記固形物の配合量が、コーティング主剤：100質量部に対して0.2〜20質量部であることを特徴とする前記２に記載の方向性電磁鋼板の絶縁被膜形成方法。

本発明によれば、歪付与により鉄損を低減した方向性電磁鋼板を積層して変圧器とした場合に、従来よりも騒音を大幅に低減することができる。

以下、本発明を具体的に説明する。
歪付与は片面のみに施すことで、磁区細分化により、十分な鉄損低減効果を得られる場合が多い。この歪付与が機械的手段によるものであったり、熱的手段によるもので、とりわけレーザーの照射によるものであったりすると、歪が付与された領域の被膜が損傷する場合がある。そのような場合には、歪付与処理面には再度絶縁コーティングを施す必要がある。
上述したとおり、歪付与処理は通常、片面のみに施すことで十分な効果が発揮されるため、その場合、歪付与処理面にのみ、すなわち片面にのみ再度絶縁コーティングが施される。一方、歪付与を行っていない鋼板面には、固形物を含む絶縁コーティングが一度施されるだけである。従って、絶縁コーティング処理液中に含まれる固形物の粒子径が膜厚より大きい場合には固形物が絶縁コーティング表面から裸出し、主としてその裸出した固形物の部分において重なりあう鋼板と接触するため、鋼板のすべり性を著しく向上させることができる。しかしながら、固形物の粒子径が絶縁コーティング膜厚以下であれば、固形物の添加によるすべり性の改善効果は期待できない。

一方、歪付与後に再度絶縁コーティングを行う表面側に関しては、固形物の粒子径が一度目のコーティングと再度のコーティングとの合計の膜厚より小さければ再度のコーティングにより固形物は覆われてコーティング表面上には裸出しない。これに対し、固形物の粒子径が一度目のコーティングと再度のコーティングとの合計膜厚以上であれば絶縁コーティング表面から裸出する。

発明者らは、500 mm 角の単相変圧器のモデル鉄心を作製し、最適な固形物の粒子径について検討した。使用した方向性電磁鋼板の質量はおよそ40 kg である。積層の仕方は、歪付与面が常に同じ側となるように、すなわち歪付与面と非付与面とが接するように行った。実際の変圧器作製においても、薄く大きな鋼板を表裏反転させて積層することは現実的ではないので、歪付与面が常に同じ側となるような積層方法は実際の積層条件と同じと考えて良い。
騒音の測定は、Ｕ脚、Ｗ脚およびそれらを結ぶ両ヨーク部から200 mm 外側の位置に設置したコンデンサマイクロフォンを用いて行い、４点の平均値をとった。同時に周波数解析も行ったが騒音はオーバーオール値で比較した。

その結果、固形物の粒子径が歪付与前の絶縁コーティング厚みより大きく、かつ歪付与前および歪付与後の絶縁コーティング厚みの合計より小さくすることにより、騒音値が最も小さくなることが判明した。この条件では、歪付与処理を行っていない鋼板面側にのみ固形物が裸出していることになる。
これに対し、固形物の粒子径が歪付与前の絶縁コーティング厚み以下である場合、固形物の裸出がないため、すべり性の改善が認められないだけではなく、変圧器騒音値も大きくなることが明らかとなった。この理由は、それぞれの鋼板間は密着してすべりは生じにくい状態と推定されるが、励磁状態で発生する鉄心振動が減衰することがないため、大きな騒音が生じるものと推定される。
この点、本発明では、片面のみに固形物を裸出させることによって鋼板間のすべりが適度なものとなり、それが却って振動エネルギーを吸収し、結果として騒音の低減に有利に作用しているものと考えられる。

一方、固形物の粒子径が歪付与前の絶縁コーティング厚みより大きくかつ歪付与前および歪付与後の絶縁コーティング厚みの合計以上の場合には、歪付与面および非付与面ともに固形物が裸出することになる。この場合は、鋼板の積層して変圧器としたときに占積率が低下するという問題は生じるが、鉄心の積層作業において確かにすべり性は良好となり、定量化はなかなか困難であるが積層作業は容易なものとなった。しかしながら、変圧器による励磁試験では、本発明の条件と比較すると大きな騒音値を呈した。この理由は明らかではないが、鋼板間のすべりが過度に良すぎると鉄心の見かけの弾性率が低下し、鉄心振動の振幅自体が大きくなって、騒音の増大に結びついてしまったのではないかと考えている。

本発明の固形物としては、シリカやアルミナ等の酸化物が一般的であるが、絶縁コーティングの焼付け時に化学変化等を起こし、絶縁コーティング組成に影響を及ぼしたり、粒子径が変化しない物質であれば何でも良い。
固形物の配合量は、リン酸塩、クロム酸塩、コロイダルシリカやコロイダルアルミナ等のコーティング主剤：100質量部に対して、0.2〜20質量部とすることが好ましい。固形物の形状は特に限定されるものではないが、絶縁コーティング処理液中での分散を考慮すると、球形に近い形状であることが好ましい。固形物の粒子径については、微粉が凝集して本来の粒子径と比較して凝集後は粒子径が大きくなっている場合が多いが、塗布前の絶縁コーティング処理液中における平均粒子径を粒度分布計にて計測して求める。

また、固形物の好適粒子径は、歪付与前の絶縁コーティングの厚みに応じて定まるが、かかる固形物の被膜からの裸出量、換言すると固形物の被膜表面からの突出高さは0.3〜６μm 程度とするのが好適である。というのは、固形物の被膜表面からの突出高さが0.3 μm に満たないとすべり性の改善効果に乏しく、一方６μm を超えると鋼板の占積率の低下が顕著になるという問題が生じるからである。

なお、絶縁コーティングの厚みについては、それぞれ目付量で、歪付与前は１〜15 g/m²、歪付与後は３〜20 g/m² 程度とするのが好ましい。
また、歪付与面に、再度形成する絶縁コーティングが張力付与被膜であると、鋼板表裏面での付与張力がアンバランスになるので、再度の絶縁コーティングは張力の付与を抑制した被膜とすることが好ましい。例えば、コロイダルシリカなどの固形物を含まないリン酸マグネシウム被膜やリン酸アルミニウム被膜などが有利に適合する。

次に、歪の付与手段については、特に制限はなく、従来から公知の光学的手段、機械的手段、化学的手段および熱的手段のいずれもが好適に使用できる。
中でも、レーザー照射による歪付与手段は特に好適であるので、以下、この点について詳述する。
本発明で照射するレーザー光としては、YAGレーザー、CO₂レーザーおよびファイバーレーザー等のパルスレーザー、さらには連続波レーザーなど種類を選ばない。また、照射痕は、線状でも、点状でも、破線状でも構わないが、これら照射痕の照射方向は、鋼板の圧延方向と直角する方向に対し±30°以内の角度範囲が好適である。
なお、最近使用されるようになってきたグリーンレーザーマーカーは、照射精度の面で特に好適である。
また、レーザービームによる鋼板に対する歪付与領域は、幅：0.1〜0.5 μm 、塑性歪深さ：10〜40 μm で、圧延方向の繰り返し間隔は１mm 以上、20 mm 以下程度とすることが好ましい。

なお、本発明で対象とする方向性電磁鋼板については、特に制限はなく、従来から公知の方向性電磁鋼板いずれもが好適に使用可能である。

Si：３％を含有し、最終板厚：0.20 mm に仕上げられた冷延板を、脱炭・一次再結晶焼鈍した後、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布してから、二次再結晶過程と純化過程を含む最終仕上げ焼鈍を施し、フォルステライト被膜付きの方向性電磁鋼板を得た。
このフォルステライト被膜付き方向性電磁鋼板の表面に、50％のコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コーティング処理液を塗布し、800℃で焼付けたが、この際、絶縁コーティング処理液中に、固形物として種々の粒子径になるシリカまたはアルミナをコーティング主剤（コロイダルシリカおよびリン酸マグネシウム）：100質量部に対して、５質量部添加した。
ついで、レーザー光の幅：0.1 mm 、塑性歪深さ：10 μm 、間隔：15 mm の条件でパルスレーザーを照射する磁区細分化処理を施した後、この照射面のみに、リン酸マグネシウムからなる（コロイダルシリカおよび固形物を含まない）絶縁コーティング処理液を塗布し、500℃で焼付けた。

得られた試料を、幅：100 mm 、短辺：300 mm 、長辺：500 mm の台形に斜角剪断して積層し、単相変圧器を作製した。ついで、コンデンサマイクロフォンを使用して1.7Ｔ、50 Hz 励磁の場合における騒音を測定した。なお、聴感補正としてＡスケール補正を行った。ここにＡスケール補正（Ａ特性補正）とは、JIS C 1509に記載される補正のことである。
かくして計測された変圧器騒音（dBA）を、絶縁コーティング処理液に添加した固形物の種類と粒子径、およびレーザー照射前後の絶縁コーティングの膜厚と共に、表１に併せて示す。

同表に示したとおり、固形物の粒子径が、歪付与前の絶縁コーティング厚みよりも大きく、かつ歪付与前および歪付与後の絶縁コーティング厚みの合計より小さい、本発明の要件を満足する発明例（No.１，６）は、被歪付与面に固形物の裸出がなく、被歪付与面と反対側の面において、固形物の裸出が認められた。そして、いずれも、変圧器騒音が低減していることが分かる。
これに対し、固形物の粒子径が歪付与前の絶縁コーティング厚みより大きく、かつ歪付与前および歪付与後の絶縁コーティングの合計厚みよりも大きな比較例（No.３，４，８）は両面において固形物が裸出しており、一方、固形物の粒子径が歪付与前の絶縁コーティング厚みよりも小さい比較例（No.２，５，７）は両面において固形物の裸出が認められず、いずれも、大きな騒音値が計測された。

Claims (3)

1. 絶縁コーティングが両面に施された仕上げ焼鈍済みの方向性電磁鋼板の片面のみに、光学的手段、機械的手段、化学的手段および熱的手段の少なくともいずれかの手段によって歪が付与され、再度、絶縁コーティングが被歪付与面のみに施された方向性電磁鋼板であって、歪付与前の絶縁コーティング内に固形物を含み、上記被歪付与面においては上記固形物の裸出がなく、上記被歪付与面と反対側の面においては上記固形物が裸出していることを特徴とする方向性電磁鋼板。
2. 仕上げ焼鈍済みの方向性電磁鋼板の両面に絶縁コーティングを施したのち、上記方向性電磁鋼板の片面のみに光学的手段、機械的手段、化学的手段および熱的手段の少なくともいずれかの手段によって歪を付与し、再度、絶縁コーティングを被歪付与面のみに施す方向性電磁鋼板の製造方法において、歪付与前の絶縁コーティングの際の処理液にのみ固形物を添加するものとし、該固形物の粒子径が、歪付与前の絶縁コーティングの厚みよりも大きく、かつ歪付与前および歪付与後の絶縁コーティングの厚みの合計よりも小さいことを特徴とする方向性電磁鋼板の絶縁被膜形成方法。
3. 歪付与前の絶縁コーティング処理液中における前記固形物の配合量が、コーティング主剤：100質量部に対して0.2〜20質量部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絶縁被膜形成方法。