方向性电磁钢板及其制造方法与流程

本发明涉及方向性电磁钢板及其制造方法，其能够抑制加工为变压器时的磁特性的劣化。

背景技术：

通常，对于方向性电磁钢板，为了赋予绝缘性、加工性、防锈性等，实施表面被膜(以下，也称为涂层)。作为上述涂层，例如可举出在基底被膜上成膜的磷酸盐系的上涂层被膜，其中，基底被膜以在方向性电磁钢板的制造过程中的最终成品退火时形成的镁橄榄石作为主体。

这样的涂层在高温下成膜，并且热膨胀率低，因此成膜后，将温度降低至室温时，因钢板(钢板坯)和涂层的热膨胀率的不同，具有对钢板赋予张力而使铁损减少的效果。

另外，对于方向性电磁钢板，除此以外，还需要满足耐腐蚀性、耐电压性等涉及多方面的要求特性。为了满足这样的涉及多方面的要求特性，以往提出了各种涂层。

例如，专利文献1公开了通过将以磷酸镁、胶体状二氧化硅和铬酸酐为主体的涂层处理液涂布于钢板表面并将其烧结而形成的涂层。另外，专利文献2公开了通过将以磷酸铝、胶体状二氧化硅和铬酸酐为主体的涂层处理液涂布于钢板表面并将其烧结而形成的涂层。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本特公昭56-52117号公报

专利文献2:日本特公昭53-28375号公报

专利文献3:日本专利第3324633号公报

专利文献4:日本特开平9-184017号公报

专利文献5:日本专利第5104128号公报。

技术实现要素：

但是，专利文献1和2所记载的设有涂层的方向性电磁钢板存在将其加工成变压器的铁芯时铁损劣化的问题。

这里，作为改善铁损的方法，例如公开了如专利文献3所述利用钢板施加大的被膜张力而改善铁损的方法、如专利文献4所述极力减少钢板中的析出物而防止由去应力退火引起的铁损劣化的方法等。

但是，专利文献3和4所记载的方法还是并非抑制如上所述的将钢板加工为变压器的铁芯时的铁损劣化的方法。因此，现状是期望有效地抑制将方向性电磁钢板加工为变压器的铁芯时的铁损劣化。

本发明是鉴于上述现状而开发的发明，其目的在于提供能够抑制将方向性电磁钢板加工为变压器的铁芯时的磁特性，特别是铁损的劣化的方向性电磁钢板及其有利的制造方法。

这样，本发明人等为了实现上述目的，进行深入研究。

首先，本发明人等对于方向性电磁钢板的铁损在加工为变压器的铁芯时大幅劣化的原因，进行了调查·研究。

其结果发现，因利用测量将方向性电磁钢板压下而生成的加工应力成为上述铁损劣化的主要原因。

即，在将方向性电磁钢板加工为变压器的铁芯的情况下，使带状线圈(钢板)通过被称为测量辊的长度测定用辊，其后，利用剪刀切断为一定的长度，将切断的钢板重叠而组装变压器的铁芯。这里，测量辊在压力下直径变化时测定长度不正常，因此可使用金属制的硬材质的辊。另外，测量辊在与钢板之间产生滑动时测定长度不正常。为了防止该测定长度的不正常，带状线圈由测量辊以强的加压力被压下。其结果，利用测量辊进行带状线圈的长度测定时，存在向带状线圈导入加工应力的情形，因该加工应力，导致磁特性、特别是铁损劣化。

因此，本发明人等为了抑制这样的加工应力的导入引起的铁损劣化，进一步反复研究。

其结果获得以下见解，即，通过适当控制在方向性电磁钢板的表面烧结而形成的涂层的特性，特别是涂层的复合弹性模量、膜厚、对钢板施加的张力，即使被测量辊等强力地压下，也能够抑制向钢板导入加工应力，能够有效地抑制铁损劣化。

本发明是基于上述见解进一步加以研究之后完成的发明。

即，本发明的主旨构成如下所述。

1.一种方向性电磁钢板，在表面具有涂层，

该涂层满足复合弹性模量：60～95gpa、膜厚：1.0μm以上、以及对该方向性电磁钢板施加的张力：6.0mpa以上，且

将方向性电磁钢板在线压：68.6n/cm下进行辊压下时的辊压下前后的铁损的劣化量以w17/50计为0.010w/kg以下。

2.一种方向性电磁钢板的制造方法，是用于制造上述1记载的方向性电磁钢板的方法，具有以下工序：

将涂层处理液涂布于完成成品退火的方向性电磁钢板上的工序，以及

对涂布有该涂层处理液的该完成成品退火的方向性电磁钢板，实施兼顾涂层的烧结的平坦化退火的工序；

上述涂层处理液含有mg、al、ca和sr的磷酸盐中的至少1种磷酸盐，并相对于该磷酸盐100质量份，含有换算为固体成分时50～150质量份的胶体状二氧化硅，

上述平坦化退火中，使均热温度为750℃～900℃，另外使750℃以上的温度区域的滞留时间为1～30秒，进而使在该温度区域的气氛为露点：0℃以下的非活性气氛。

3.根据上述2记载的方向性电磁钢板的制造方法，其中，上述涂层处理液相对于上述磷酸盐100质量份，还含有换算为固体成分时合计10～50质量份的钛化合物、硫酸锰和氧化物胶体中的至少1种添加剂。

4.根据上述2记载的方向性电磁钢板的制造方法，其中，上述涂层处理液相对于上述磷酸盐100质量份，还含有换算为固体成分时10～50质量份的铬酸酐，或换算为固体成分时合计10～50质量份的mg、ca、al和sr中的至少1种的重铬酸盐。

根据本发明，能够有效地抑制将方向性电磁钢板加工为变压器的铁芯时的铁损劣化，因此即使在实机变压器中，也会能够取得发挥加工前的方向性电磁钢板的特性的优异的铁损特性。

附图说明

图1是表示平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间和辊压下前后的铁损的劣化量的关系的图。

图2：图2(a)是表示在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间与涂层的复合弹性模量的关系的图。另外，图2(b)是表示在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间与涂层的施加张力的关系的图。

具体实施方式

以下，对本发明进行具体说明。

如上所述，本发明基于如下见解：通过适当地控制在方向性电磁钢板的表面设置的涂层的特性，特别是复合弹性模量、膜厚以及对钢板施加的张力，即使在钢板被测量辊等强力地压下的情况下，也能够抑制向钢板导入加工应力而有效地抑制铁损劣化。

首先，对于达到获得该见解的实验进行说明。

将完成成品退火的方向性电磁钢板剪断为长度300mm×宽度100mm的尺寸的样品，进行磷酸酸洗。其后，在样品两面以干燥后的每两面的单位面积质量成为6～14g/m²的方式涂布涂层处理液，上述涂层处理液为相对于磷酸镁：100质量份，配合换算为固体成分时100质量份的胶体状二氧化硅、50质量份的作为钛化合物的乳酸钛而成的。接着，对这些样品，进行兼顾涂层的烧结的平坦化退火。对于该平坦化退火，在干n2气氛，均热温度为800℃，在750℃以上的温度区域的滞留时间为0.5～35秒的范围内进行各种变化。应予说明，利用光学显微镜观察烧结后的涂层截面，结果其膜厚分别为0.8μm、1.2μm、2.3μm。

对于这样得到的样品，利用单板磁特性试验机(singlesheettester、以下也称为sst法)进行磁性测定。其后，利用宽度：100mm的测量辊，在线压：68.6n/cm(7kgf/cm)下将样品总宽进行辊压下后，再次利用sst法进行样品的磁性测定，算出辊压下前后的铁损差(铁损的劣化量)δw17/50。

图1示出在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间与辊压下前后的铁损的劣化量的关系。

如图1所示，无论是哪个涂层膜厚，在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间过长或过短时，辊压下前后的铁损的劣化量都增大。另一方面，如果在750℃以上的温度区域的滞留时间为1～30秒的范围，则辊压下前后的铁损的劣化量小，有效地抑制铁损的劣化。

因此，本发明人等为了调查得到图1的结果的原因，对各种样品，进行了各种物性的测定。首先，利用纳米压痕法测定涂层的复合弹性模量。另外，对于另行制作的样品，通过除去单面的涂层并测定钢板的翘曲量，求出由涂层对钢板施加的张力(以下，也简称为涂层的施加张力)。

图2(a)示出在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间与涂层的复合弹性模量的关系。另外，图2(b)示出在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间与涂层的施加张力的关系。

如图2(a)所示，可知随着在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间变长，涂层的复合弹性模量增大。另外，如图2(b)所示，可知随着在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间变长，涂层的施加张力也增大。

根据上述结果，本发明人等通过将在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间控制在规定的范围，研究辊压下前后的铁损的劣化量得到抑制的原因。

首先，在通常的方向性电磁钢板的制造工序中，平坦化退火兼顾涂层的烧结而进行，平坦化退火温度相当于涂层的烧结温度。以往，认为如果涂层的烧结在该涂层的玻璃化转变点以上、结晶点以下的温度区域(应予说明，用于方向性电磁钢板的大部分绝缘涂层的玻璃化转变点为750℃以上，并且结晶温度为900℃以上)进行，则会得到作为涂层没有问题的品质的产品。即，认为如果在该温度区域进行涂层的烧结，则涂层的品质不依赖于烧结时间。但是，如上所述，可清楚地看出，即使在相同的均热温度下进行涂层的烧结的情况下，涂层的特性也因其烧结时间、特别是在750℃以上的温度区域的滞留时间而改变。认为这是因为在涂层的烧结中，涂层的微细结合结构被强化。

即，如果为玻璃，例如sio2，则以-si-o-si-的形式，形成si和氧具有不规则的三维骨架的网络结构。但是，部分地例如，与h键合而以如下方式：

…-si-o-h、h-o-si-…

，或者与杂质na键合而以如下方式：

…-si-o-na、na-o-si-…

的方式，存在键被切断的部分。通过存在这样的非交联氧，玻璃的弹性模量降低。

但是，通过延长烧结时间，特别是在750℃以上的温度区域的滞留时间，这些非交联部分消失而形成牢固的玻璃结构，涂层的复合弹性模量增大。特别是，在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间变长，涂层的复合弹性模量超过95gpa的情况下，如果利用测量辊等通过辊压下对涂层施加强的应力，则该应力在涂层内未被完全吸收，或者对基底铁部也施加强的应力。其结果，钢板发生塑性变形，在辊压下前后铁损大幅劣化。

另一方面，即使涂层的复合弹性模量变得过低，涂层也容易变形，其结果，无法充分吸收由辊压下产生的应力，在辊压下前后铁损还是劣化。

另外，如图1所示，通过将涂层膜厚设为1.0μm以上，能够有效地防止钢板的塑性变形，抑制铁损的劣化。

根据以上的实验结果和研究结果，对于本发明的方向性电磁钢板，在其表面形成复合弹性模量：60～95gpa、膜厚：1.0μm以上、施加张力：6.0mpa以上的涂层。

接着，对本发明的方向性电磁钢板的涂层进行说明。

应予说明，这里所谓的涂层，通常由在以镁橄榄石作为主体的基底被膜上成膜的磷酸盐系的上涂层被膜构成。但是，在除去以镁橄榄石作为主体的基底被膜的情形、未形成该基底被膜的情况下，在钢板的基底铁上将磷酸盐系的上涂层被膜进行成膜。

涂层的复合弹性模量：60～95gpa

如果涂层的复合弹性模量低于60gpa，则不仅涂层的施加张力降低，辊压下前的方向性电磁钢板的铁损降低，而且辊压下后的铁损的劣化也变大。另一方面，如果涂层的复合弹性模量超过95gpa，则钢板的应力敏感性提高，在辊压下前后铁损大幅劣化。因此，涂层的复合弹性模量为60～95gpa的范围。优选为65gpa～90gpa，更优选为70gpa～90gpa。

另外，这里所谓的复合弹性模量是，利用纳米压痕法，使用金刚石制的三角锥压头(berkovich型、顶角：60°)，对钢板表面的涂层，在任意的3个位置以负荷时间：5秒，卸载时间：2秒，最大载重：1000μn的方式压入压头，室温下以施加线性载重的方式测定的复合弹性模量的平均值。

应予说明，纳米压痕法是连续测定压头的压入、载重和深度，由压入深度和载重的关系算出复合弹性模量的方法。另外，由于纳米压痕法与显微维氏法(microvickers)相比压头的压入深度小，所以在进行薄膜的物性试验时通常被使用。

涂层的膜厚：1.0μm以上

通过使涂层的膜厚为1.0μm以上，即使在对钢板施加强的应力的情况下，也可有效地防止钢板的塑性変形，抑制辊压下前后的铁损的劣化。因此，涂层的膜厚为1.0μm以上。优选为1.5μm以上。另外，对于涂层的膜厚的上限没有特别限定，但是通常为3.5μm左右。应予说明，这里所谓的涂层的膜厚为每单面的涂层的膜厚。

涂层的施加张力：6.0mpa以上

如果涂层的施加张力小于6.0mpa，则不仅原本的铁损劣化，而且同时容易带来复合弹性模量的过度降低，因此在辊压下前后铁损劣化。因此，涂层的施加张力为6.0mpa以上。优选为8.0mpa以上。另外，对于涂层的施加张力的上限没有特别限定，但是通常为18.0mpa左右。

应予说明，涂层的施加张力可由钢板的翘曲量求出。这里，钢板的翘曲量可通过以下方式作为位移量求出，即，从在两面形成有涂层的钢板除去任意一面的涂层，与轧制方向平行地切取长度280mm且宽度30mm的试样，将长轴方向作为水平方向，且将宽度方向作为垂直方向，将该试样与地面垂直地载置，将轧制方向一端30mm夹持固定时的相对于固定端的相反端的位移量(mm)。

应予说明，涂层的施加张力可利用下式由按照上述进行而求出的钢板的翘曲量(位移量)求出。

[涂层的施加张力]＝(eta)/l²

这里，e为钢板(试样)的杨氏模量，t为钢板(试样)的板厚(mm)，a为位移量(mm)，l为未被固定的部分的钢板(试样)的长度(mm)(上述的情形中，l为250mm)。

通过在钢板表面形成上述涂层，能够将利用测量辊等进行辊压下时的辊压下前后的铁损的劣化量以w17/50计抑制为0.010w/kg以下。应予说明，涂层基本上在钢板表面的两侧形成。

另外，对于在表面形成涂层的完成成品退火的方向性电磁钢板，不特别地限制钢种，能够使用按照常规方法制造的完成成品退火的方向性电磁钢板。此外，方向性电磁钢板的板厚(不包括涂层的厚度)通常为0.15～0.50mm左右。

接着，对本发明的方向性电磁钢板的制造方法进行说明。

本发明的方向性电磁钢板的制造方法具有以下工序：将磷酸盐系的涂层处理液涂布于完成成品退火的方向性电磁钢板上的工序，以及对上述完成成品退火的方向性电磁钢板实施兼顾涂层的烧结的平坦化退火的工序。

应予说明，完成成品退火的方向性电磁钢板的制造条件等没有特别限制，例如，利用公知的方法将钢坯材热轧而制成热轧板，对该热轧板实施1次或多次的退火和冷轧而制成最终板厚的冷轧板后，对该冷轧板实施一次再结晶退火，接着涂布退火分离剂而进行成品退火，由此能够制造。

然后，根据需要，将未反应的退火分离剂利用水洗、轻酸洗等从完成成品退火的方向性电磁钢板除去，接着，将涂层处理液涂布于该钢板。

这里，作为涂层处理液，只要在烧结后能够形成具有上述特性的涂层，就能够使用以往公知的涂层处理液(例如，专利文献1、2和5等的涂层处理液)。例如，优选使用含有选自mg、al、ca和sr的磷酸盐中的至少1种磷酸盐的涂层处理液。但是，在使用这样的涂层处理液的情况下，如果相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时胶体状二氧化硅小于50质量份，则对钢板的施加张力降低，并且有可能导致复合弹性模量降低，铁损、特别是在辊压下前后铁损劣化。另一方面，如果相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时胶体状二氧化硅超过150质量份，则在涂层的表面产生微细的裂纹，耐腐蚀性劣化。另外，对钢板的施加张力降低，并且有可能导致复合弹性模量降低，铁损、特别是在辊压下前后铁损劣化。因此，在使用含有选自mg、al、ca和sr的磷酸盐中的至少1种磷酸盐的涂层处理液的情况下，相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时胶体状二氧化硅为50～150质量份。优选为70质量份～120质量份。

另外，上述涂层处理液中，除了上述成分以外，还可以含有钛化合物、硫酸锰和氧化物胶体中的至少1种添加剂。由此，减轻对环境的负担，同时能够提高耐腐蚀性。这种情况下，如果相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时上述添加剂小于10质量份，则耐腐蚀性改善効果小，另外，对钢板的施加张力降低，并且有可能导致复合弹性模量降低，导致铁损的劣化、特别是辊压下前后的铁损劣化。另一方面，如果相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时上述添加剂超过50质量份，则存在成膜变得困难，吸湿性劣化的情形。另外，对钢板的施加张力降低，并且有可能导致复合弹性模量降低，导致铁损的劣化、特别是辊压下前后的铁损的劣化。因此，在涂层处理液中含有钛化合物、硫酸锰和氧化物胶体中的至少1种添加剂的情况下，相对于磷酸盐：100质量份，配合换算为固体成分时10～50质量份这样的添加剂。

应予说明，作为钛化合物，可举出乳酸钛、四乙酰丙酮钛、硫酸钛、四乙酸钛等，另外，作为氧化物胶体，可举出锑溶胶、氧化锆溶胶、氧化铁溶胶等。

此外，上述涂层处理液中，也可以代替上述添加剂而含有铬酸酐或mg、ca、al和sr中的至少1种的重铬酸盐。由此，能够更有效地提高耐腐蚀性。对于此点，如果相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时铬酸酐或重铬酸盐小于10质量份，则对钢板的施加张力降低，并且有可能导致复合弹性模量的降低，导致铁损的劣化、特别是辊压下前后的铁损的劣化。另外，也不能充分地得到耐腐蚀性的改善効果。另一方面，如果相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时铬酸酐或重铬酸盐超过50质量份，则向钢板的施加张力还是降低，并且有可能导致复合弹性模量的降低，导致铁损的劣化、特别是辊压下前后的铁损的劣化。另外，也存在成膜变得困难，吸湿性劣化的情形。因此，在涂层处理液中含有铬酸酐或mg、ca、al和sr中的至少1种的重铬酸盐的情况下，相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时铬酸酐或重铬酸盐为10～50质量份。

另外，上述涂层处理液中也可进一步添加二氧化硅、氧化铝等无机矿物粒子而改善耐热性。在这种情况下，二氧化硅、氧化铝等无机矿物粒子相对于磷酸盐：100质量份，换算为固体成分时优选为0.2～5.0质量份。

应予说明，涂层的单位面积质量(每两面的单位面积质量)优选使干燥后变为7～16g/m²。如果涂层的单位面积质量小于7g/m²，则变得难以确保规定的涂层的膜厚，有可能降低防止涂层吸收在辊压下时被施加的应力而对钢板加入加工应力的效果。另一方面，如果涂层的单位面积质量超过16g/m²，则占空系数有可能降低。

接着，将涂布的涂层处理液干燥后，对方向性电磁钢板实施兼顾涂层的烧结的平坦化退火。以下，对该平坦化退火的条件进行说明。

均热温度：750℃～900℃

如果均热温度变为小于750℃，则涂层不充分地形成，耐腐蚀性和磁特性劣化。另一方面，如果均热温度超过900℃，则涂层的复合弹性模量变得过高，钢板的应力敏感性变高而有可能导致在辊压下前后铁损的劣化。因此，均热温度设为750℃～900℃的范围。

在750℃以上的温度区域的滞留时间：1～30秒

在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间(以下，也简称为滞留时间)需要设为1～30秒。由此能够减少钢板的应力敏感性，即使在钢板因测量辊而承受强的辊压下的情况下，也能够在加工后保持优异的磁特性。这里，如果滞留时间小于1秒，则涂层不充分地形成，不仅耐腐蚀性劣化，而且在辊压下前后铁损劣化。另一方面，如果滞留时间超过30秒，则涂层的复合弹性模量变得过高，钢板的应力敏感性提高，辊压下前后铁损劣化。因此，在平坦化退火的750℃以上的温度区域的滞留时间设为1～30秒。优选为2秒～25秒，更优选为3秒～20秒。

在750℃以上的温度区域的气氛：露点为0℃以下的非活性气氛

在750℃以上的温度区域的气氛如果为非活性气氛，则也能够使用n2气、ar气等中的任一种。但是，从成本方面、安全方面考虑，优选为n2气主体的气氛。这里，n2气为主体的气氛是指含有50体积％以上的n2气的气氛。应予说明，对于上述非活性气氛，如果为10％体积％以下，则可以含有h2气。

另外，对于露点，设为0℃以下。如果露点超过0℃，则涂层的复合弹性模量变得过高，钢板的应力敏感性提高，辊压下前后铁损劣化。应予说明，露点的下限没有特别限定，通常为-60℃。

应予说明，对于上述以外的条件没有特别限定，可以按照常规方法。

实施例

实施例1

准备按照常规方法制造的完成成品退火的方向性电磁钢板(板厚：0.23mm)，由该钢板除去未反应退火分离剂，进行基于磷酸的酸洗处理。其后，对于该钢板，在钢板两面以干燥后的每两面的单位面积质量成为10g/m²的方式涂布表1示出的各种涂层处理液，干燥后，实施兼顾烧结的平坦化退火。此时，均热温度为800℃，在750℃以上的温度区域的气氛为n2气主体的非活性气氛(n2气为95体积％)，且露点为-1℃。另外，对于在750℃以上的温度区域的滞留时间，如表2所示，在0.5～40秒的范围内进行各种变化。

对于这样得到的方向性电磁钢板，利用sst法，进行磁性测定。另外，对于在钢板表面形成的涂层，测定复合弹性模量、膜厚以及施加张力。应予说明，对于涂层的复合弹性模量和施加张力，利用上述的方法，进行测定。

接着，对这些钢板以线压：68.6n/cm(7kgf/cm)进行辊压下，再次利用sst法对辊压下后的钢板进行磁性测定，调查铁损的变化量。

将这些结果一同记载于表2。

[表1]

[表1]

*相对于磷酸盐：100质量份的换算为固体成分时的配合量

[表2]

[表２]

由表2可知，发明例均为，辊压下前后的铁损的劣化量以w17/50计为0.010w/kg以下，有效地抑制由辊压下引起的磁特性的劣化。

实施例2

与实施例1同样准备完成成品退火的方向性电磁钢板，从该钢板除去未反应退火分离剂，进行利用磷酸的酸洗处理。其后，对该钢板，在钢板两面以干燥后的每两面的单位面积质量成为15g/m²的方式涂布表1的no.12的涂层处理液，干燥后，使在750℃以上的温度区域的气氛为n2气主体的非活性气氛(n2气为99体积％)，在表3示出的条件下实施兼顾烧结的平坦化退火。

对于这样得到的方向性电磁钢板，利用sst法，进行磁性测定。另外，对于在钢板表面形成的涂层，测定复合弹性模量、膜厚和施加张力。应予说明，对于涂层的复合弹性模量和施加张力是利用上述方法测定而得的。

接着，将这些钢板在线压：68.6n/cm(7kgf/cm)下进行辊压下，再次利用sst法对辊压下后的钢板进行磁性测定，调查铁损的变化量。

将这些结果一同记载于表3。

[表3]

[表３]

由表3可知，发明例均为，辊压下前后的铁损的劣化量以w17/50计为0.010w/kg以下，由辊压下引起的磁特性的劣化得到抑制。