(57)【要約】【課題】磁束密度の劣化、占積率の低下がなく、歪み取り焼鈍に耐える低鉄損の一方向性電磁鋼板が提供する。【解決手段】一方向性電磁鋼板の圧延方向と垂直すなわち板幅方向に、表面あるいは両面に対に溶融再凝固層が圧延方向にピッチ２ｍｍ以上５ｍｍ以下で周期的に形成されていて、片面当りの溶融再凝固層のアスペクト比＝深さ／幅が０．２０以上でかつ深さが１５μｍ以上にする。また、レーザを使用して上記溶融再凝固層を形成する。【選択図】　　　図１
2004056090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の片面あるいは両面に、圧延方向にほぼ垂直で、且つ一定周期で線状の溶融再凝固層を形成して鉄損特性を改善した一方向性電磁鋼板において、溶融再凝固層断面の圧延方向幅をＷ、深さをｄ、圧延方向ピッチをＰＬとした時、以下の条件を全て満たすことを特徴とする磁気特性の優れた一方向性電磁鋼板。
ｄ≧１５μｍ
ｄ／Ｗ≧０．２
２ｍｍ≦ＰＬ＜５ｍｍ
【請求項２】
鋼板の両面に、圧延方向にほぼ垂直で、且つ一定周期で線状の溶融再凝固層を形成して鉄損特性を改善した一方向性電磁鋼板において、溶融再凝固層断面の圧延方向幅をＷ、深さをｄ、圧延方向ピッチをＰＬとした時、以下の条件を全て満たすことを特徴とする磁気特性の優れた一方向性電磁鋼板。
３０μｍ≦Ｗ≦２００μｍ
ｄ≧１５μｍ
ｄ／Ｗ≧０．２
２ｍｍ≦ＰＬ＜５ｍｍ
【請求項３】
レーザビームを照射して溶融再凝固層を形成することを特徴とする請求項１または２記載の磁気特性の優れた一方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項４】
レーザ装置が連続発振ファイバーレーザから出力されるレーザビームであることを特徴とする請求項３記載の磁気特性の優れた一方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一方向性電磁鋼板表面にレーザ加工により溶融再凝固層を形成することで、歪み取り焼鈍に耐え得る磁気特性に優れ、巻鉄芯に使用可能な一方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一方向性電磁鋼板は、鉄損を低減することがエネルギー節約の観点から要望されている。その方法として、レーザ照射により磁区を細分化する方法が既に特許文献１に開示されている。この方法による鉄損の低減は、レーザビームを照射することによって生じる熱衝撃波の反力によって方向性電磁鋼板に応力歪みを導入し、磁区を細分化することにより鉄損の低下を図るものである。しかし、この方法では、レーザ照射により導入した歪みが焼鈍時に消失し、磁区細分化効果が失われるという問題がある。したがって、この方法は、歪取り焼鈍を必要としない積鉄芯トランス用としては使用できるが、歪取り焼鈍処理を必要とする巻鉄芯トランス用としては使用できない。
【０００３】
そこで、鉄損値低減効果が歪取り焼鈍後も残るようにした方向性電磁鋼板の鉄損改善方法として、鋼板に応力歪レベルを超える形状変化を与えて透磁率を変化させ、磁区を細分化する方法がさまざまに提案されている。例えば、歯形ロールで鋼板を押圧し、溝状または点状の凹みを鋼板表面に形成する方法（特許文献２参照）、化学的エッチングによる凹みを鋼板表面に形成する方法（特許文献３参照）、あるいはＱスイッチＣＯ２レーザで鋼板表面に点列溝を形成する方法（特許文献４参照）などがある。また、鋼板表面に溝ではなく、溶融再凝固層をレーザによって形成する方法（特許文献５、特許文献６参照）などがある。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭５８−２６４０５号公報
【特許文献２】
特公昭６３−４４８０４号公報
【特許文献３】
米国特許第４７５０９４９号公報
【特許文献４】
特開平７−２２０９１３号公報
【特許文献５】
特開２０００−１０９９６１号公報
【特許文献６】
特開平６−２１２２７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術のうち、歯形ロールを用いる機械的方法は、電磁鋼板の硬度が高いため歯形が短期間で摩耗するためメンテナンス頻度が高いという問題がある。化学的エッチングによる方法は、歯形が磨耗するという問題はないが、マスキング、エッチング処理、マスク除去の工程が必要であり、機械的方法に比べて工程が複雑になる問題がある。ＱスイッチＣＯ２レーザで鋼板に点列溝を形成する方法は、非接触で凹みを形成するため、歯形が磨耗する、工程が複雑になるという問題がないが、市販のレーザ発振装置に特殊なＱスイッチ装置を別途追加する必要があるという問題がある。また、溝形成による方法は、鋼板の一部を除去するために、占積率の低下を招き変圧器の性能に影響し不利である。また、溶融再凝固層を形成する方法は、占積率低下を解消するが、鉄損改善が不十分であった。
【０００６】
本発明は、レーザ加工により溶融再凝固層を形成し、歪取り焼鈍後も優れた磁気特性を有する一方向性電磁鋼板および製造方法において、溝形成と同等の鉄損改善を有すとともに磁束密度の劣化、占積率低下を生じない方向性電磁鋼板および製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一方向性電磁鋼板の板幅方向に、片面あるいは表裏両面に対に溶融再凝固層が圧延方向にピッチ２ｍｍ以上５ｍｍより小さく、一定周期に形成されていて、片面当りの溶融再凝固層のアスペクト比＝深さ／幅が０．２０以上でかつ深さが１５μｍ以上であることを特徴とする一方向性電磁鋼板である。
【０００８】
特に上記溶融再凝固層の幅が３０μｍ以上２００μｍ以下とするのが望ましい。
【０００９】
また、本発明は、一方向性電磁鋼板の表面にレーザビームを照射することによって溶融再凝固層を形成することを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法である。
【００１０】
また、本発明はレーザ装置として連続発振ファイバーレーザから出力されるレーザビームで溶融再凝固層を形成することを特徴とする一方向性電磁鋼板の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、仕上げ焼鈍後あるいは絶縁皮膜付きの方向性電磁鋼板の片面あるいは両面に、圧延方向にほぼ垂直で、一定周期で線状の溶融再凝固層を形成して鉄損を改善する方法において、従来技術では考慮していなかった、断面形状のアスペクト比とピッチ、深さ、幅を限定することで、歪み取り焼鈍処理しても従来の溶融再凝固方式、および溝方式を上回る鉄損の改善が得られることを知見した。
【００１２】
以下に実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
溶融再凝固層形成方法としてレーザビーム照射法を採用し、鉄損改善を詳細に検討した。図８は本発明にかかわるレーザビームの照射方法の説明図である。本実施例では、レーザ装置３から出力されるレーザビームＬＢを図に示すように走査ミラー４とｆθレンズ５を使用し、方向性電磁鋼板１に走査照射した。６は円柱レンズであり、必要に応じてレーザビームの集光径を円形から楕円形にするのに用いる。図７は、一台のみの図示であるが、鋼板の板幅に応じて板幅方向に同様の装置を配置する。また、両面照射するために同様の装置を鋼板を挟んで上下に配置する。
【００１４】
まず、圧延方向ピッチＰＬ５ｍｍにて、溶融再凝固層部断面深さをパラメータに磁区制御効果を調べた。図３に示すように鉄損改善率ηは最大６％程度、これは従来の溝方式および溶融再凝固方式と同等で、また深さに対する相関が殆ど見られない。
【００１５】
ここで、鉄損Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）の改善率（％）は（レーザ照射前の鉄損−レーザ照射後の鉄損）／レーザ照射前の鉄損　×１００　で定義される。レーザ照射後の鉄損はひずみ取り焼鈍８００℃×４時間後の測定値である。なお、Ｗ１７／５０は、周波数５０Ｈｚ、最大磁束密度１．７Ｔのときの鉄損を示す。
【００１６】
溶融再凝固層方式の磁区制御メカニズムは今のところ明確ではないが、本発明者らは溶融再凝固層と非溶融再凝固層の境界で発生する残留歪みにより圧延方向に張力が発生し、磁区が細分化されるという仮説を考えた。この仮説に基づき、溶融再凝固層の深さ方向の境界線が圧延方向に垂直に近いほど、歪みの圧延方向成分がより大きくなると考えた。また、溶融再凝固層部が深いほど、その効果は板厚内部まで浸透し、より高い磁区細分化効果が期待できると考えた。
【００１７】
溶融再凝固層の断面は一般的に表面のレーザ照射点を起点に半円形になる。そこで溶融再凝固層の境界線の圧延方向に対する垂直度を表現するために、本発明者らは溶融再凝固層断面の深さｄと圧延方向の幅Ｗを用いて、図２に示すように断面アスペクト比ｄ／Ｗを定義した。この新たな変数である溶融再凝固層断面アスペクト比を用いて、溶融再凝固層深さｄをパラメータに図３の結果を図４に再整理した。その結果、鉄損改善率ηは溶融再凝固層断面アスペクト比の増加とともに上昇することが明らかとなった。また、ｄ＜１０μｍ以下では、溶融再凝固層断面アスペクト比を増加させても鉄損改善率ηはほとんど増加しない。
【００１８】
さらに、本発明者らは、溶融再凝固層間の張力効果は圧延方向ピッチＰＬを縮小すれば、当該方向の張力効果は相乗的に高まると推測した。投入パワーとビームスキャン速度を固定、ビームフォーカス位置を変えて、すなわち、アスペクト比を変えて、圧延方向ピッチＰＬを変数にして調べたところ、図５に示すように溝方式あるいは従来の溶融再凝固層法式を超える鉄損改善を得るには０．２以上のアスペクト比を持ち、圧延方向ピッチＰＬが２ｍｍ以上５ｍｍ以下である必要がある。これは、２ｍｍ以下の場合、溶融再凝固層の磁区細分化効果による渦電流損の改善と比較して、内部歪によるヒステリシス損が大きくなるため、鉄損の改善が得られない、また５ｍｍ以上の場合は、隣り合う溶融再凝固層の相互作用が弱いために、十分な磁区細分化が生じず、鉄損の改善が得られないと考えられる。
【００１９】
さらに、本発明者らは、必要な溶融再凝固層深さｄを調べるため、圧延方向ピッチＰＬを最適値の３ｍｍ、投入パワーを固定し、ビームスキャン速度とビームフォーカス位置を変えて鉄損改善率ηとアスペクト比、深さｄの関係を調査した。結果を図１に示す。これより磁区細分化効果の源である歪みあるいは張力を効果的に付与するには、所定以上のより大きなアスペクト比および溶融深さを持つ溶融再凝固層を形成する必要があることが分かった。溝方式あるいは従来の溶融再凝固層法式を超える鉄損改善を得るには０．２以上のアスペクト比を持ち、溶融深さｄが１５μｍを超える溶融再凝固層の形成で実現できる。また、比較として図１に従来技術である特許文献５の実施例に記述の条件として、板厚の５％すなわち板厚０．２３ｍｍの５％の深さ１２μｍ、幅１００μｍ、すなわち、アスペクト比０．１２を持つ溶融再凝固層を表裏両面に３ｍｍ周期で形成した結果を●で記載した。実施例によれば、レーザ加工前の鉄損０．８Ｗ／ｋｇが加工により０．７５３Ｗ／ｋｇに改善されるので改善率は６％となり、アスペクト比および溶融深さが小さいために十分な鉄損改善が得られていないことが分かる。
【００２０】
これらの実施例は、鋼板の表裏両面に溶融再凝固層を形成した時の結果であるが、片面に形成した場合について同様の検討を行った結果を図６に示す。これより、両面の場合と比較して、鉄損改善率は低いものの、アスペクト比を０．２以上および深さ１５μｍ以上の溶融再凝固層を形成することにより、従来技術同等ないし同等以上の鉄損改善率が得られる。
【００２１】
このように、磁区細分化効果の源である歪みあるいは張力を効果的に付与し、高い鉄損改善率を得るには、０．２以上より大きなアスペクト比および１５μｍ以上の溶融再凝固層深さを持ち、圧延方向ピッチが２ｍｍから５ｍｍの間で溶融再凝固層を形成する必要があることが分かった。
【００２２】
さらに、本発明者らは、レーザ装置として連続発振ファイバーレーザを用いて必要な溶融再凝固層幅Ｗ、深さｄ、アスペクト比を調べるため、圧延方向ピッチＰＬを最適値の３ｍｍ、投入パワーを固定し、ビームスキャン速度とビームフォーカス位置を変えて鉄損改善率ηと幅Ｗ、深さｄの関係を調査した。その結果を図７に示す。
【００２３】
ファイバレーザは半導体レーザを励起源としてファイバーコア自身が発光するレーザ装置であり、発振ビーム径はファイバーコア径により規制されるので、ビーム品質が高く、したがってＣＯ２レーザ等では、実用的には集光径φ１００μｍ程度が限界であったが、数十μｍという微小集光可能という特徴をもつ。これにより、溶融再凝固層の幅を１０μｍから５００μｍの広範囲にわたり変更することができる。特に実用的に溶融再凝固層の幅を１００μｍ以下に形成するためには、ファイバーレーザが最適である。
【００２４】
図７より磁区細分化効果の源である歪みあるいは張力を効果的に付与するには、ある所定範囲の溶融幅、および所定以上のアスペクト比、および溶融深さを持つ溶融再凝固層を形成する必要があることが分かった。溝方式あるいは従来の溶融再凝固層法式の鉄損改善比６％を超える鉄損改善を得るには、溶融幅が３０μｍ以上２００μｍの範囲で０．２以上のアスペクト比を持ち、溶融深さｄが１５μｍを超える溶融再凝固層の形成で実現できる。溶融幅が３０μｍ以下の場合は、隣り合う溶融再凝固層の相互作用が弱いために、十分な磁区細分化が生じず、鉄損の改善が得られない。また、溶融幅が２００μｍ以上の場合は、溶融深さをアスペクト比０．２以上となるように形成すれば、ある程度の鉄損改善効果は得られると推測されるが、このように非常に断面積の大きい溶融再凝固層を形成するには、非常に大きなエネルギーを要することからコストや高生産性を要求する工業化には問題がある。また、過剰な溶融体積増加のためヒステリシス損が大きくなり、大きな鉄損改善効果は得られない問題もある。
【００２５】
さらに、より大きな鉄損改善効果を得るには、溶融幅が５０μｍ以上１５０μｍの範囲で０．２以上のアスペクト比を持ち、溶融深さｄが１５μｍを超える溶融再凝固層の形成が望ましい。
【００２６】
加えて、鉄損改善条件を最適近傍に限定する視点で鉄損改善率９％を超える非常に高い鉄損改善効果を得るには、溶融幅が６０μｍ以上１００μｍの範囲で０．２以上のアスペクト比を持ち、溶融深さｄが３０μｍを超える溶融再凝固層を鋼板両面に圧延方向にほぼ垂直で、且つ一定ピッチＰＬ＝３ｍｍで形成することが望ましい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融再凝固層の形成において断面形状と圧延方向ピッチを上記範囲に限定することで、従来の溶融再凝固層方式、あるいは機械方式、エッチング方式、レーザ方式による溝形成方式を上回る鉄損改善率が得られるという利点がある。また、レーザ処理工程の付加のみなので高生産性、低コストで上記鋼板を製造することができる。さらに、レーザ装置として連続発振ファイバーレーザを適用すれば、溶融再凝固層の幅が縮小可能であり、したがって、必要なエネルギーも少なく、さら高生産性、低コストで上記鋼板を製造することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の低鉄損一方向性電磁鋼板の加工された溶融再凝固層の断面アスペクト比と鉄損改善率の関係を示す説明図である（鋼板両面形成、圧延方向ピッチ３ｍｍ）。
【図２】加工された溶融再凝固層の断面写真の模式図である。
【図３】加工された溶融再凝固層の深さと鉄損改善率の関係を示す説明図である（圧延方向ピッチ５ｍｍ）。
【図４】溶融再凝固層の断面アスペクト比と鉄損改善率の関係を示す説明図である（圧延方向ピッチ５ｍｍ）。
【図５】鋼板通板方向の加工周期（Ｌ方向ピッチ）と鉄損改善率の関係を示す説明図である。
【図６】本発明の低鉄損一方向性電磁鋼板の加工された溶融再凝固層の断面アスペクト比と鉄損改善率の関係を示す説明図である（鋼板片面形成、圧延方向ピッチ３ｍｍ）。
【図７】本発明の低鉄損一方向性電磁鋼板の加工された溶融再凝固層の幅と鉄損改善率の関係を示す説明図である（圧延方向ピッチ３ｍｍ）。
【図８】本発明のレーザによる低鉄損一方向性電磁鋼板製造方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電磁鋼板
２…加工された溶融再凝固層
３…レーザ装置
４…走査ミラー、ポリゴンミラー
５…集光レンズ、ｆθレンズ
６…円柱レンズ
ｄ…加工された溶融再凝固層の深さ
Ｗ…加工された溶融再凝固層の幅
ＬＢ…レーザビーム
ＰＬ…圧延方向照射ピッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004056090.tif 000009
【図８】
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