(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪み取り焼鈍後も残る、圧延方向にほぼ垂直な方向に線状または点列状の溝および熱影響層、または熱影響層のみが、片面の溝深さを板厚の５％以下として鋼板の表裏両面に形成され、
該表裏面の溝および熱影響層、または熱影響層のみの形成された位置が対になっており、その位置ズレが溝および熱影響層、または熱影響層のみの圧延方向幅以下であること、
を特徴とする一方向性電磁鋼板。
【請求項２】
高密度エネルギービームを照射して前記溝および熱影響層、または熱影響層のみを形成することを特徴とする請求項１に記載の一方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項３】
前記高密度エネルギービームとしてレーザを用いることを特徴とする請求項２記載の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】
本発明は磁気特性を改善した一方向性電磁鋼板において、歪み取り焼鈍後も低鉄損と高磁束密度を維持し、且つ積・巻両鉄芯に使用可能な製品とその製造方法に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
一方向性電磁鋼板の製造方法として鋼板表面へのレーザを照射により180 ゜磁壁を形成し、磁区を細分化して、鉄損を低減する方法が特開昭58-26405号公報に開示されている。この方法ではレーザ照射により鋼板の皮膜を蒸発させ、蒸発反力により鋼板表層に歪みを付与し、その近傍に環流磁区を形成する。この新たに発生した環流磁区により増大する静磁エネルギーを最小化するように磁区が細分化し、その結果、鉄損が低減される。ここで得られる鉄損値は素材の結晶方位集積度で決まる最低の値近くまで低減され、また磁束を大きく阻害するような物理的変形を伴わないため、レーザ照射後の磁束密度の低下もほとんどない。従って、この手法により製造される一方向性電磁鋼板は磁気特性として最も理想的なものである。しかし、磁区細分化の源である歪みは約500 ℃以上の熱処理で消滅するため、その場合は鉄損低減効果も消える。従って、巻き鉄芯の製造工程で行われる約800 ℃での歪み取り焼鈍には耐えることができないため、この方法で製造された一方向性電磁鋼板は巻き鉄芯には利用できず、積み鉄芯専用材である。
【０００３】
そこで歪み取り焼鈍にも耐えられる磁区細分化技術として、透磁率が異なる部分を磁界印加方向に形成する方法が考案されている。具体的には圧延方向にほぼ垂直な方向に、線状あるいは点列状の透磁率の異なる領域を鋼板表面に形成する方法と製品が種々提案されてきた。中でも鋼板表層に溝を形成して、母材と空気の透磁率の違いを利用する磁区細分化技術は優れた技術であり、既に工業化されている。溝を形成する方法としては、歯型を機械的に鋼板に押圧する方法（特公昭63-44804号公報）、化学的エッチングによる方法（米国特許第4750949 号）、あるいはパルスレーザによる加工法（特開平7-220913号公報）などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これら従来の方法によって製造された耐焼鈍性のある鉄損が低減された一方向性電磁鋼板は、いずれも鋼板の一方の面から溝が形成されたものであり、手法にもよるが、実用上十分な鉄損低減効果を得るためには板厚0.23mmの場合で15〜30μm 程度の深さの溝が必要である。すなわち、板厚に対しては5%を越える深い溝が必要であった。また溝深さの変化に比較的敏感に連動して鉄損低減効果が変化するため、慎重に溝深さが制御されていた。このような従来製品においては以下に挙げる製品特性、製造方法上の問題があった。
【０００５】
まず製品特性として15μm 以上、あるいは板厚に対して5%を越えるような物理的に深い溝を形成するため、磁束の阻害が大きく、溝形成後は任意の外部磁界中で発生する磁束密度が溝形成前に比べ低下する問題がある。更に溝深さの変化に比較的敏感に連動して鉄損低減効果が変化するため、十分に溝深さが制御されていないと製品の鉄損のバラツキが大きくなるという問題があった。
【０００６】
次に製造方法上の問題について説明する。前述したように溝による鉄損改善には15〜30μm の溝が要求される。このような深い溝を1m以上の鋼板全幅にわたり、且つ深さを制御して形成するには、製造方法に負荷が大きく、設備・操業コスト、製造速度等の点で実用上種々の問題があった。歯型機械方式では深い溝加工には押圧力を高めることが必要であり、設備が大型化する。また歯の摩耗に従い、溝深さが浅くなるため、歯型の頻繁な交換が必要である。化学エッチングの場合は長時間エッチングが必要になるため処理速度が制限され、また大型のエッチング漕も必要になるという問題がある。レーザ法の場合も深い溝加工には要求パワーが増大し、やはり設備が大型化し、複数の大型レーザが必要になるという問題がある。
【０００７】
またレーザ法の場合、照射レーザパワーが増大すると周辺への過大な熱影響与えるため、鋼板全体にうねり変形が発生する。そのような鋼板を積層して鉄芯を製造すると、鉄損が増加したり、占積率が劣化する。そのため、積み鉄芯には使用できなくなるという問題があった。レーザ法は非接触で高速加工に適しており、工程も簡単であり、更に溝深さ制御性、溝形成位置精度にも優れる製造技術であるが、このように深い溝加工が要求される場合、磁性を劣化させるような変形を生じさせてしまうことが問題であった。
【０００８】
本発明の課題は、巻き鉄芯の製造工程での歪み取り焼鈍にも耐えられる磁区細分化効果を持ち、巻き両鉄芯に使用可能で、安定して鉄損が低減され、磁束密度の劣化もなく、鋼板変形が抑制され積み鉄芯にも適用可能で、更に製造設備の負荷を低減する磁気特性の優れた一方向方向性電磁鋼板とその製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、歪み取り焼鈍後も残る圧延方向にほぼ垂直な方向に線状または点列状の溝および熱影響層、または熱影響層のみが鋼板の表裏両面に形成されていることで鉄損が極力低減され、また鉄損低減量が溝深さにほとんど依存しないため特性のバラツキが少ない一方向性電磁鋼板であり、更に鉄損低減に必要な溝深さが極小化されており、且つ厳密な溝深さ制御が必要ないため製造設備の負荷が極力少ない一方向性電磁鋼板である。また本発明は、特に表裏面それぞれの溝深さを板厚の5%以下とすることで磁束密度の低下がほとんどない一方向性電磁鋼板である。また本発明は表裏面の溝および熱影響層、または熱影響層のみの形成された位置が対になっており、その位置ズレが溝および熱影響層、または熱影響層のみの圧延方向幅以下であることで、高い鉄損低減が得られると同時に、積み鉄芯の製造で問題となる鋼板の不必要なうねり変形がなく、積み・巻き両用可能な一方向性電磁鋼板である。また本発明は、高エネルギービーム、特に連続波またはパルスレーザを使用することで簡単に、且つ高い位置精度で鋼板表裏面に溝、あるいは熱影響層を形成する一方向性電磁鋼板の製造方法である。
【００１０】
熱影響層の定義は、レーザ、電子ビーム等の高エネルギービームを照射して形成される転位およびまたは溶融・再凝固層であり、鋼板母材と透磁率が異なる層であり、且つ近傍の磁界を変化させ鋼板に磁区細分化効果を与える程の層体積を持つものである。この熱影響層は鋼板断面の顕微鏡観察で容易に確認することができる。
【００１１】
以下にエネルギービームとしてレーザを用いた場合について具体例を挙げて説明する。
レーザを鋼板に照射する際、そのパワー密度が極めて高く、且つ短時間の照射の場合、鋼板母材が瞬時に溶融し、そのほとんどが蒸発して溝が形成される。この場合、生成された溝の側面と底面には熱影響層は僅かに存在するが、その体積は極めて少なく、透磁率は母材と異なるものの、それ自体だけでは磁区細分化効果を発生させることはできない。従って、この層は本発明で定義する熱影響層には含まれない。換言するならば、ここで形成される溝は、例えばエッチング法などで全く熱を介さずに形成された溝と本質的に同じである。
【００１２】
次にレーザの照射時間が長くなり、あるいはパワー密度が低下すると蒸発まで至らずに溶融状態から再凝固する成分が増加し、溝が形成されると同時に溝深さと同程度の厚みを持つ転位およびまたは溶融・再凝固層から成る熱影響層が発生する。この熱影響層の透磁率は母材のそれとは異なるため、溝と同様に磁界を変化させ、すなわち磁区細分化効果を持つ。従って、この層は本発明の熱影響層の定義に含まれる。
【００１３】
更にレーザのパワー密度が小さくなると、被照射部の金属は蒸発には至らず、溝形成の伴わない転位およびまたは溶融・再凝固層が発生する。このような場合でもレーザ被照射部はある一定の加熱・冷却履歴を持っており、その結果、その層は母材と透磁率が異なり磁区細分化効果を発揮する。従って、この層は本発明の熱影響層の定義に含まれる。
【００１４】
【実施例】
以下に本発明を実施例を用いて説明する。
本発明者らはレーザ加工法を用いて一方向性電磁鋼板に各種の溝、あるいは熱影響層を形成し、歪み取り焼鈍を行った後の磁気特性を詳細に調べた。その結果、鋼板両面にこれらを形成することで、従来に比べ非常に優れた磁気特性が得られることを発見した。
【００１５】
図３は本発明の一方向性電磁鋼板と製造方法の説明図である。一方向性電磁鋼板鋼板１の表面には図示されていないレーザ装置から出力され、レンズ５で集光されたパルスレーザビーム４によりＬ方向間隔PL＝6.5mm で点列状の溝、または熱影響層が形成される。図１（ａ）はこのようにして得られた一方向性電磁鋼板の断面形状である。この図１（ａ）に示す鋼板ＡからＧまではレーザ集光ビーム径はＬ方向径が0.1mm 、Ｃ方向径が0.3mm であり、それによって形成される点列溝のＬ、Ｃ方向の幅ＷL 、Ｗc はそれぞれ0.13mm、0.31mmであった。Ｃ方向の点列間隔Pcは0.30mmであり、従って、図３に示すようにＣ方向の点列溝は接している。ここで溝深さは図１（ｂ）に示す深さの最大値ｄで定義する。また両面溝形成時の表裏面の溝の位置のズレは図２（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す値ｇで定義する。
【００１６】
表１は各鋼板の磁気特性評価結果である。ここで鉄損値は最大磁束密度1.7 Ｔ、50Hz時の鉄損値Ｗ17/50 であり、磁束密度は磁化力0.8A/mにおける値Ｂ8 である。鋼板は厚み0.23mmで、表面に絶縁皮膜が施された一方向性電磁鋼板である。また比較のため、積み鉄芯専用材であるレーザ歪みにより鉄損を低減した鋼板の磁気特性も併せて示してある。各鋼板のレーザ照射条件、溝、熱影響層等の条件は以下である。なお、溝と熱影響層は鋼板断面の顕微鏡観察にて確認した。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
鋼板Ａ：ＱスイッチパルスCO2 レーザにより鋼板両面からそれぞれ深さ30μm の溝加工を施した鋼板である。ここでＱスイッチCO2 パルスレーザのピークパワー密度は約10〜30MW/mm2であり、パルス時間全幅は20μs である。高ピークパルス加工によりレーザ被照射部はほとんどが蒸発しており、溝の状態は本発明の定義する熱影響層はなく、溝のみである。また表裏面の溝のズレｇは約1.5mm で溝のＬ方向幅WL以上である。
【００１９】
鋼板Ｂ：ＱスイッチパルスCO2 レーザにより鋼板両面からそれぞれ深さ30μm の溝加工を施した鋼板である。ここでＱスイッチCO2 パルスレーザのピークパワー密度は約10〜30MW/mm2であり、パルス時間全幅は20μs である。高ピークパルス加工によりレーザ被照射部はほとんどが蒸発しており、溝の状態は本発明の定義する熱影響層はなく、溝のみである。また表裏面の溝のズレｇは0.10mmで溝のＬ方向幅WL以下である。
【００２０】
鋼板Ｃ：パルス変調CO2 レーザにより鋼板両面からそれぞれ深さ10μm の溝加工を施した鋼板である。ここでパルスレーザのピークパワー密度は0.4 〜0.8 MW/mm2であり、パルス時間全幅は20μs である。パルスピークパワーの減少により溝の状態は溝と本発明の定義する熱影響層の混在である。また表裏面の溝のズレｇは0.10mmで溝のＬ方向幅WL以下である。
【００２１】
鋼板Ｄ：ＱスイッチパルスCO2 レーザにより鋼板両面からそれぞれ深さ5 μm の溝加工を施した鋼板である。ここでＱスイッチCO2 パルスレーザのピークパワー密度は約10〜30MW/mm2であり、パルス時間全幅は12μs である。高ピークパルス加工によりレーザ被照射部はほとんどが蒸発しており、溝の状態は本発明の定義する熱影響層はなく、溝のみである。また表裏面の溝のズレｇは0.10mmで溝のＬ方向幅WL以下である。
【００２２】
鋼板Ｅ：パルス変調CO2 レーザにより鋼板両面からそれぞれ深さ5 μm の溝加工を施した鋼板である。ここでパルスレーザのピークパワー密度は0.4 〜0.8 MW/mm2であり、パルス時間全幅は12μs である。パルスピークパワーの減少により溝の状態は溝と本発明の定義する熱影響層の混在である。また表裏面の溝のズレｇは0.10mmで溝のＬ方向幅WL以下である。
【００２３】
鋼板Ｆ：パルス変調CO2 レーザにより鋼板両面から熱影響層のみを施した鋼板である。ここでパルスレーザのピークパワー密度は0.2 MW/mm2であり、パルス時間全幅は7 μs である。パルスピークパワーの更なる減少により表面の状態は本発明の定義する熱影響層のみである。また表裏面の熱影響層のズレｇは0.10mmで熱影響層のＬ方向幅WL以下である。
【００２４】
鋼板Ｇ：ＱスイッチパルスCO2 レーザにより鋼板片面のみ深さ30μm の溝加工を施した従来の製品の鋼板である。ここでＱスイッチCO2 パルスレーザのピークパワー密度は約10〜30MW/mm2であり、パルス時間全幅は20μs である。高ピークパルス加工によりレーザ被照射部はほとんどが蒸発しており、溝の状態は本発明の定義する熱影響層はなく、溝のみである。
【００２５】
鋼板Ｈ：ＱスイッチパルスCO2 レーザにより鋼板片面から皮膜のみを蒸発させた鋼板である。レーザ歪みにより鉄損を低減した鋼板でピークパワーは0.1 MW/mm2、パルス時間幅は4 μs である。この鋼板のみＣ方向点列間隔はPc＝0.5mm で、集光ビーム径は円形で直径0.40mmである。なお、この鋼板は歪み取り焼鈍を行っていない。
【００２６】
鋼板Ａ〜Ｇの磁気特性比較を行った結果、両面に溝、または熱影響層を持つ本発明の電磁鋼板は片面のみに同様の溝を持つ従来の鋼板に比べ、鉄損低下量は同等か、またはそれ以上である。つまり表裏面の溝深さを加算した深さで比較しても、片面溝材の溝深さよりも浅い溝で同等以上の鉄損低減効果があり、極端な場合は溝をほとんど形成しなくてもよいことが発見された。従って、本発明の両面に溝、あるいは熱影響層を持つ一方向性電磁鋼板は、従来の片面に溝を形成して鉄損を改善する方法、あるいはレーザで表面に歪みを付与する耐焼鈍性のない鉄損低減方法の単純な延長技術による製品ではないことは明らかである。
【００２７】
またレーザ照射による皮膜の蒸発反力で歪みを付与して鉄損が低減された鋼板Ｈの鉄損は、素材の持つ結晶方位集積度で決まる極限に近い値まで低減されているが、両面に溝、または熱影響層を持つ電磁鋼板は、その鉄損値と同等の鉄損が得られている。更に鋼板Ａ〜Ｆの鉄損低下量を比較すると、溝のほとんどない状態から溝深さ30μm の溝まで、溝深さに依存せず鉄損低下量はほとんど一定であることがわかる。
【００２８】
磁束密度Ｂ8 の低下量を比較すると、本発明において板厚の5%以下に相当する溝深さ10μm 以下の溝を形成した電磁鋼板はＢ8 低下量が30ガウス以下で、ほとんど低下しないことがわかった。これは磁束を阻害する溝が非常に浅いためである。
従って、本発明では、表層に形成される溝深さに依存せず、安定して鉄損値が低減され、且つ溝深さを板厚の5%以下にすることで磁束密度の低下がほとんどない一方向性電磁鋼板が得られる。
【００２９】
次に溝、または熱影響層の形成位置を鋼板の表裏両面で対にすることの効果を説明する。図２（ａ）はレーザ法によって形成した鋼板表裏の溝位置のズレｇ、溝の圧延方向幅ＷL の説明図であり、また図２（ｂ）および（ｃ）は、歪み取り焼鈍後の鋼板の表面粗度、すなわち変形量ｈの測定結果である。この結果から位置ズレｇを溝幅ＷL 以下とすることで鋼板のうねり変形量ｈはほとんど発生しないことがわかった。これは溶融・再凝固過程での母材の凝縮による変形が表裏で均衡する結果、変形が抑制されるものである。この鋼板を積層し、積み鉄芯を製作したところ、溝加工等を施していない鋼板の場合と同じく、変形歪みに起因する鉄損、磁束密度の劣化はなかった。
【００３０】
また、この発明では鋼板表裏の加工で表面上の変形が矯正されることで、鋼板内部に局所的な応力歪みが付与されている可能性がある。この歪みもまた磁区細分化効果を発現させ得るものと考察される。
なお、この実施例ではパルスレーザによる点列溝を形成した場合を説明したが、当然、連続溝でも同じ効果を持つ。
【００３１】
次に本発明の製造方法の最適な形態を示す。
本発明の一方向性電磁鋼板の製造方法としては、溝、溝と熱影響層、または熱影響層のみをそれぞれ形成可能なレーザ、電子ビーム、イオンビーム、プラズマ等を用いた高エネルギー加工技術が適する。中でもレーザは他のエネルギービームに比べ、ビーム照射位置の精度、溝・熱影響層形成の制御性、または大気中で使用可能であるという観点で本発明の一方向性電磁鋼板の製造方法として最適である。
【００３２】
製造方法としてはレーザ法が最適であるが、熱影響層のない溝のみでも両面に溝を形成する一方向性電磁鋼板は本発明に含まれるため、熱を介さないエッチング法、あるいは歯型機械加工法を用いてもよい。また耐焼鈍性のある溝、あるいは熱影響層が最終製品の表層に形成されるのであれば、通常の電磁鋼板の製造プロセスのどの工程で、これらを形成してもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高磁束密度と低鉄損が同時に得られ、且つその特性が極めて安定している、積み・巻き両鉄芯に使用可能な一方向性電磁鋼板が得られる。また形成すべき溝が浅く、厳密な溝深さ制御が不要なため製造設備の負荷がすくない。その製造方法としては高エネルギービーム、特にレーザを用いることで本発明に最適な溝、あるいは熱影響層を簡単に、且つ精度良く形成できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、一方向性電磁鋼板の断面形状を示したもので、鋼板Ａ〜Ｆは、本発明の一方向性電磁鋼板の断面形状であり、鋼板Ｇは、片面から溝形成した従来の耐焼鈍性のある一方向性電磁鋼板の断面形状であり、鋼板Ｈは、レーザ照射による鋼板皮膜の蒸発反力のみで磁区を細分化した、耐焼鈍性のない一方向性電磁鋼板の断面形状である。（ｂ）は、（ａ）における溝・熱影響層の拡大図である。
【図２】（ａ）は、本発明の一方向性電磁鋼板の表裏溝形成位置のズレの説明図であり、（ｂ）および（ｃ）は表面粗度の測定結果を示す図である。
【図３】本発明の一方向性電磁鋼板とその製造方法の説明図である。
【符号の説明】
１…一方向性電磁鋼板
２…溝
３…熱影響層
４…レーザビーム
５…レンズ
Ｌ…圧延方向
Ｃ…板幅方向
PL…溝、または熱影響層のＬ方向間隔
Pc…点列溝のＣ方向間隔
dL…照射ビームのＬ方向径
dc…照射ビームのＣ方向径
ＷL …溝、あるいは熱影響層の圧延方向の幅
Ｗc …溝、あるいは熱影響層の板幅方向の幅
ｄ…溝の最大深さ
ｇ…溝、あるいは熱影響層の表裏面の位置ズレ
ｈ…鋼板のうねり量
【図１】
0004319715.tif 000003
【図２】
0004319715.tif 000004
【図３】
0004319715.tif 000005