(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧延方向と直角の向きの板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みがある一方向性電磁鋼板において、一箇所の歪み導入部近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の、板幅方向に垂直な断面における、二次元分布において、圧延方向の圧縮残留応力σ［kgf/mm2］を該断面の圧縮残留応力が存在する領域Ｓ内で積分した、下記（１）式に示す値σＳが0.030kgf以上0.070kgf以下であり、前記板幅方向に均一な歪みの前記圧延方向に周期的な間隔が２mm以上８mm以下であることを特徴とする一方向性電磁鋼板。
【数１】
0005613972.tif 000011
【請求項２】
レーザビームを照射して、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みを板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、導入して磁区制御を行ったことを特徴とする請求項１に記載の一方向性電磁鋼板。
【請求項３】
圧延方向と直角の向きの板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みを形成する一方向性電磁鋼板の製造方法において、一箇所の歪み導入部近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の、板幅方向に垂直な断面における、二次元分布において、圧延方向の圧縮残留応力σ［kgf/mm2］を該断面の圧縮残留応力が存在する領域Ｓ内で積分した、下記（１）式に示す値σＳが0.030kgf以上0.070kgf以下であり、前記板幅方向に均一な歪みの前記圧延方向に周期的な間隔が２ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法。
【数２】
0005613972.tif 000012
【請求項４】
レーザビームを照射して、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みを板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、導入して磁区制御を行ったことを特徴とする請求項３に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射等で残留応力を導入して磁区制御を施した鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼板の圧延方向に磁化容易軸をもつ一方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心などに用いられているが、近年、エネルギー節約の観点から鉄心の鉄損を低減することが強く要望されている。
【０００３】
電磁鋼板の鉄損は、大別してヒステリシス損と渦電流損とからなる。ヒステリシス損は結晶方位、欠陥、粒界等により、また渦電流損は板厚、電気抵抗、磁区幅等により影響を受けることが知られている。ヒステリシス損低減のために結晶方位を制御、改善する手法には限界があることから、近年、鉄損の多くを占める渦電流損を低減するために磁区幅の細分化すなわち磁区制御技術が数多く提案されている。
【０００４】
その方法として、特許文献1に一方向性電磁鋼板の製造方法として、YAGレーザ照射により、圧延方向に周期的に圧延方向にほぼ垂直な線状の歪みを導入し、鉄損を低減する方法が開示されている。レーザ磁区制御と呼ばれるこの方法の原理は、レーザビームを走査して照射することによる表面歪みに起因して、１８０°磁区幅が細分化され、鉄損が低減されるというものである。
【０００５】
また、特許文献２には、鋼板表面に形成された圧延方向の残留応力の最大値に着目するという新たな提案がされている。
【０００６】
【特許文献１】特公平6-19112号公報
【特許文献２】特開2005-248291号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
鋼板表面に局部的な歪みを導入し、１８０°磁区幅を細分化して、鉄損を低減するというレーザ磁区制御に関し、従来技術である特許文献１を含めこれまでのほとんどの提案は、試行錯誤の結果、レーザの種類、レーザビーム集光スポット形状、レーザエネルギー密度、レーザ照射間隔等多くの照射パラメータをより限定したものであり、提案の内容は非常に断片的であり統一性を欠いている。その原因は、磁区細分化を引き起こし、鉄損を低減する主要因である歪みあるいは残留応力の定量的な議論に言及していない点にある。特許文献２は唯一歪み、残留応力について定量的に言及しているものの、鋼板表面の歪み、引張り残留応力のみを制御するだけでは、鉄損低減には限界があった。
【０００８】
本発明の課題は、一方向性電磁鋼板の鉄損をヒステリシス損と渦電流損に分けて、特に渦電流損の観点から、歪みおよび残留応力の分布を表面だけでなく内部の板厚方向も含めて定量的に適正な条件下で制御することにより、従来に比べて鉄損の優れた一方向性電磁鋼板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、一方向性電磁鋼板にレーザ照射等で歪み、残留応力を導入する磁区制御の実験を行い、得られた低鉄損一方向性電磁鋼板について導入された残留応力の分布を調べる研究を鋭意行ってきた。その結果、残留応力と渦電流損との間の相関性を見出し、圧縮応力値と歪み間隔との制御を行えば、鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を実現できることを知見した。本発明の要旨は以下のとおりである。
【００１０】
（１）圧延方向と直角の向きの板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みがある一方向性電磁鋼板において、一箇所の歪み導入部近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の、板幅方向に垂直な断面における、二次元分布において、圧延方向の圧縮残留応力σ［kgf/mm2］を該断面の圧縮残留応力が存在する領域Ｓ内で積分した、下記（１）式に示す値σＳが0.030kgf以上0.070kgf以下であり、前記板幅方向に均一な歪みの前記圧延方向に周期的な間隔が２ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とする。
【数６】
0005613972.tif 000002
【００１１】
（２）前記（１）記載の一方向性電磁鋼板に於いて、レーザビームを照射して、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みを板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、導入して磁区制御を行ったことを特徴とする。
【００１２】
（３）圧延方向と直角の向きの板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みを形成する一方向性電磁鋼板の製造方法において、一箇所の歪み導入部近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の板幅方向に垂直な断面における、二次元分布において、圧延方向の圧縮残留応力σ［kgf/mm2］を該断面の圧縮残留応力が存在する領域Ｓ内で積分した、下記（１）式に示す値σＳが0.030kgf以上0.070kgf以下であり、前記板幅方向に均一な歪みの前記圧延方向に周期的な間隔が２ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とする。
【数７】
0005613972.tif 000003
（４）前記（３）記載の一方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザビームを照射して、圧延方向とほぼ直角な線状の歪みを板幅方向に均一に、且つ圧延方向に周期的に、導入して磁区制御を行ったことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、一方向性電磁鋼板に導入する残留応力、特に圧縮残留応力を定量的に適正に制御することにより、従来に比べて安定して鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を得ることができる。本発明の一方向性電磁鋼板を鉄心として用いることで、高効率で小型のトランスが製造可能となることから、本発明の産業上の利用価値は非常に高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、一方向性電磁鋼板の表面に、レーザを照射して、圧延方向にほぼ垂直な線状の歪みを圧延方向に一定間隔に導入して鉄損を改善する方法において、種々のレーザ照射条件に対して、板幅方向に垂直な断面における圧延方向の残留応力の二次元分布および圧延方向のレーザ照射間隔（ピッチ）に着目し、鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板が得られる条件を見出した。ここで、板幅方向は圧延方向とは直角の向きにある。一方向性電磁鋼板の表面に、上記のような線状の歪みを導入する方法としては、レーザ照射法の他に、イオン注入法、放電加工法、局部メッキ法、超音波振動法等が挙げられるが、この条件はいずれの手法により歪みを導入した一方向性電磁鋼板についても当てはまるものである。以下、図を用いて、本発明のレーザ照射による一方向性電磁鋼板を説明する。
【００１５】
【数１】
0005613972.tif 000004
【００１６】
本発明者らは、ファイバコア径10μmの連続発振ファイバレーザ装置を用いて、集光スポット形状と平均照射エネルギー密度Ｕａとの種々の組み合わせで照射条件を変えて、一方向性電磁鋼板表面に圧延方向に対しほぼ垂直方向に線状にレーザビームをスキャンしてレーザ照射する実験を実施した。板幅方向に垂直な断面における圧延方向の残留応力の二次元分布と鉄損およびヒステリシス損を測定し、鉄損をヒステリシス損と渦電流損に分離して考察した。板幅方向に垂直な断面における圧延方向の残留応力の二次元分布の測定は、Ｘ線回折法により格子間隔を測定し、弾性率等の物性値を用いて応力に変換した。鉄損はＳＳＴ（Single  Sheet  Tester）測定器でＷ17/50を測定した。Ｗ17/50は周波数50Ｈｚ、最大磁束密度1.7Ｔのときの鉄損である。本実施例で用いた一方向性電磁鋼板サンプルにおいて、板厚が0.23mmの場合には、レーザ照射前のＷ17/50は0.86W／kgであった。ヒステリシス損はヒステリシスループより算出し、渦電流は前述の鉄損からヒステリシス損を引いた値とした。
【００１７】
図２に、レーザ照射位置近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の板幅方向に垂直な断面における二次元分布の代表的な一例を示す。鉄損改善の見られた鋼板については、レーザ照射条件によって残留応力の絶対値に差異はあるものの、鋼板表面近傍に大きな引張り応力が存在し、その板厚方向直下に圧縮応力の存在が見られた。なお、残留応力および塑性歪みが存在する圧延方向の幅は、レーザ集光スポットの圧延方向径dlとほぼ比例する。
【００１８】
本発明者らは、連続発振レーザを用いてレーザ照射した鋼板について、鋼板表面の引張り残留応力と圧縮残留応力の最大値と鉄損の関係について調査した。引張り残留応力最大値と鉄損の関係を図３に、圧縮残留応力の最大値と鉄損の関係を図７に示す。引張り残留応力最大値については、鉄損との相関や最適値というものが見られない。一方、圧縮残留応力の最大値については、一点鎖線で示す10 kgf/mm2以上で鉄損は良好となるが、上限値ははっきりとしない。この結果、レーザ照射による磁区制御における鉄損は、引張り残留応力の最大値では説明できず、圧縮残留応力の最大値でも完全には説明できない。別の特徴量の存在の可能性が考えられる。
【００１９】
そこで、本発明者らは、データを子細に検討した結果、第一の着目点として、引張り残留応力の最大値が圧縮残留応力に比べて大きく、且つ引張り残留応力は狭い領域に集中していること、照射条件によっては降伏応力すなわち塑性歪み領域に達していること、一方、圧縮残留応力の最大値と鉄損には少なからず関係が見られたこと、第二の着目点として、圧縮残留応力の最大値が同じでも圧縮残留応力分布は深さ方向の広がりに違いがあることに着目した。すなわち、鉄損低減および磁区細分化を実現する主要因は、第一の着目点から、引張り応力ではなく圧縮応力が重要な意味を持つこと、第二の着目点から、残留応力の最大値ではなく分布の広がりが重要な意味を持つという考えに至った。
【００２０】
本発明者らは、鉄損低減を実現する圧縮応力の分布を表すのに、特徴量「積分圧縮応力値σＳ］として次式（１）のように定義した。
【００２１】
【数２】
0005613972.tif 000005
【００２２】
すなわち、レーザ照射部近傍、つまり、歪み導入部近傍に生じた圧延方向の圧縮残留応力の、板幅方向に垂直な断面における、二次元分布において、積分圧縮応力値σＳ［kgf］を、圧延方向の圧縮残留応力をσ［kgf/mm2］、該断面の圧縮残留応力が存在する領域をＳ［mm2］、面積素片をｄｓとして、応力σを領域Ｓ内で積分した値とσＳを定義した。つまり、積分圧縮応力値はレーザ照射によって導入された圧縮残留応力の総和である。
【００２３】
【数３】
0005613972.tif 000006
【００２４】
ここで、Ｃは定数、σは残留応力、Ｍは磁気モーメント、θはσとＭのなす角である。この時、圧延方向に圧縮残留応力が存在する場合、Ｅが最小になるのは、θが９０度の時であるから、σが負の値であることに注意すると、磁気モーメントの向きは、圧延方向と垂直となる。したがって、圧縮応力により磁化容易軸が圧延方向だけでなく、垂直方向にもできることとなる。一般的にこれは環流磁区と呼ばれている。環流磁区が存在すると静磁エネルギーが高くなって不安定になるため、磁区を細分化して静磁エネルギーを下げて安定化すると考えられる。よって、環流磁区が多いほど、すなわち圧縮残留応力が強くしかも広く発生するほど磁区細分化効果が高く、渦電流損が低減されると考えられる。
【００２５】
【数４】
0005613972.tif 000007
【００２６】
【数５】
0005613972.tif 000008
【実施例１】
【００２７】
板厚が0.23ｍｍの一方向性電磁鋼板を用いて、この鋼板表面に連続波レーザを用いて表１に示すような照射条件で、残留応力測定後、積分圧縮応力値を算出し、それぞれの鉄損（Ｗ17/50）を測定した。結果を同じ表１にまとめた。本実施例１では、レーザパワーを２００Ｗに、圧延方向のレーザ照射間隔を４ｍｍに固定して行った。積分圧縮応力値の算出は、Ｘ線回折法を用いて圧延方向の残留応力（歪み）を測定し、圧縮応力に対して式（２）より求めた。
【００２８】
表１から明らかなように試験Ｎｏ.１〜Ｎｏ.8（本発明例）に示す電磁鋼板は、いずれも圧延方向の積分圧縮応力値σＳが本発明で規定する範囲0.02 kgf≦σＳ≦0.08 kgfにあるため、鉄損改善率１３％である低鉄損値（Ｗ17/50）0.75W/kg以下まで低減できた。一方、条件範囲0.02［kgf］≦σＳ≦0.08［kgf］から外れる試験Ｎｏ.９〜Ｎｏ.12（比較例）に示す電磁鋼板は低鉄損値（Ｗ17/50）0.75W/kg以下が達成できていない。このように、本発明を用いれば鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を得ることができる。
【００２９】
【表１】
0005613972.tif 000009
【実施例２】
【００３０】
板厚が0.23ｍｍの一方向性電磁鋼板の表面に表２に示すような照射条件で連続波レーザ光を照射し、照射部の残留応力測定後、積分圧縮応力値を算出し、併せて鉄損（Ｗ17/50）を測定し、これらの値を表２にまとめた。本実施例２では、レーザパワーを実施例と同じ２００Ｗに固定して行った。
【００３１】
表２から明らかなように試験Ｎｏ.１〜Ｎｏ.６（本発明例）に示す電磁鋼板は、いずれも圧延方向の積分圧縮応力値σＳと圧延方向のレーザ照射間隔（歪み間隔）ＰＬが本発明で規定する範囲0.02 kgf≦σＳ≦0.08 kgf，2 mm≦ＰＬ≦8 mmにあるため、鉄損改善率１３％である低鉄損値（Ｗ17/50）0.75W/kg以下まで低減できた。一方、積分圧縮応力値σＳは条件を満足するものの照射間隔ＰＬの条件が外れる試験Ｎｏ.７およびＮｏ．８（比較例）に示す電磁鋼板は低鉄損値（Ｗ17/50）0.75W/kg以下が達成できていない。このように、本発明を用いれば鉄損特性の優れた一方向性電磁鋼板を得ることができる。
【００３２】
【表２】
0005613972.tif 000010
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一方向性電磁鋼板製造方法に用いる装置の模式図である。
【図２】レーザ照射位置近傍の圧延方向の残留応力の圧延方向／板厚方向断面における二次元分布。
【図３】圧延方向の引張り残留応力の最大値と鉄損Ｗ17/50の関係図である。
【図４】積分圧縮応力値σＳと渦電流損Ｗeの関係図である（照射間隔４ｍｍ固定）。
【図５】積分圧縮応力値σＳと鉄損Ｗ17/50の関係図である（照射間隔４ｍｍ固定）。
【図６】照射間隔ＰＬと鉄損Ｗ17/50の関係図である（圧延方向照射径ＤＬは0.1ｍｍ、スキャン方向照射径ＤＣは0.5ｍｍ固定）。
【図７】圧延方向の圧縮残留応力の最大値と鉄損Ｗ17/50の関係図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    一方向性電磁鋼板
２    レーザ照射線
３    レーザ装置
４    ポリゴンミラー（走査ミラー）
５    fθレンズ（集光レンズ）
６    円柱レンズまたは円柱組レンズ
ＬＢ    レーザビーム
Ｐ    レーザパワー
Ｖｃ    板幅方向走査速度
ＰＬ    圧延方向のレーザ照射間隔（ピッチ）
ｄｌ    レーザビームの圧延方向集光径
ｄｃ    レーザビームのスキャン方向集光径
【図１】
0005613972.tif 000013
【図３】
0005613972.tif 000014
【図４】
0005613972.tif 000015
【図５】
0005613972.tif 000016
【図６】
0005613972.tif 000017
【図７】
0005613972.tif 000018
【図２】
0005613972.tif 000019