(57)【要約】  表面に複数の溝を有し、前記溝の幅が１０〜６０μｍ、深さが５〜４０μｍであり、隣接する溝同士間の間隔が１〜１０ｍｍである低鉄損の方向性ケイ素鋼。その製造方法としては、低鉄損の方向性ケイ素鋼の表面に前記溝を形成するようにレーザーによるスクライビングを行う。該低鉄損の方向性ケイ素鋼は、応力除去焼鈍の過程で磁区細分化効果が消失せず、多くの残留応力を導入することもない。【選択図】図３
2020516766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の溝を有する低鉄損の方向性ケイ素鋼であって、前記溝の幅が１０〜６０μｍ、深さが５〜４０μｍであり、隣接する溝同士間の間隔が１〜１０ｍｍであることを特徴とする、低鉄損の方向性ケイ素鋼。
【請求項２】
前記溝と鋼板の幅方向との間に３０℃以下の交角を有することを特徴とする、請求項１に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼。
【請求項３】
前記溝がレーザースクライビングにより形成されることを特徴とする、請求項１に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼。
【請求項４】
一方の表面または両方の表面に溝を有することを特徴とする、請求項１に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼。
【請求項５】
応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）が５％以下であり、ここで、
2020516766.tif 000028
（上式中、Ｐ１７／５０は方向性ケイ素鋼板の鉄損値であり、単位はＷ／ｋｇである）
であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼。
【請求項６】
低鉄損の方向性ケイ素鋼の表面に、幅が１０〜６０μｍ、深さが５〜４０μｍであり、隣接する溝同士間の間隔が１〜１０ｍｍである溝を形成するように、レーザーによるスクライビングを行う工程を含むことを特徴とする、低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法。
【請求項７】
前記溝と鋼板の幅方向との間に３０℃以下の交角を有することを特徴とする、請求項６に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法。
【請求項８】
前記レーザーがＣＯ２レーザー発振器、固体レーザー発振器または光ファイバレーザー発振器からなる群より選択される１種または複数種より発せられることを特徴とする、請求項６に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法。
【請求項９】
前記レーザーの１パルスの平均瞬時ピークパワー密度が２．０×１０６Ｗ／ｍｍ２以上であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法。
【請求項１０】
前記レーザーの１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦおよびパルスの幅ｔｐが
関係式
2020516766.tif 000029
（上式中、パルスの幅ｔｐの単位はｎｓ、ＪＦの単位はＪ／ｃｍ２である）
を満たすことを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法。
【請求項１１】
前記レーザーの波長が１０６６ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか１項に記載の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼種およびその製造方法に関し、特に、ケイ素鋼およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、世界のエネルギーおよび環境の問題がますます突出し、省エネルギーおよび消費電力の低減の需要が世界的に増加し、各国は相応する装置のエネルギー消費の規制を普遍的に向上し、様々な装置のエネルギーに対する無効電力を低減している。現在、変圧器は電力伝送システムにおける基本的な構成部品として、その損失は電力伝送システムにおける損失の約４０％程度を占める。これに対して、方向性ケイ素鋼材料で製造された変圧器鉄心の損失は、約全損失の２０％程度を占める。鉄心損失は、一般的に鉄損と略称される。これから分かるように、方向性ケイ素鋼の鉄損を低減することは、巨大な経済的および社会的効果を有する。
【０００３】
方向性ケイ素鋼は強磁性材料であり、その内部結晶粒｛１１０｝＜００１＞方位を鋼板圧延方向にほぼ一致させて名付けられる。この方向に結晶の透磁性が最も良いため、方向性ケイ素鋼板は優れた磁気性能を有し、高導磁性と低鉄損性を示し、電力伝送における入出力配電用変圧器の製造に広く用いられている。方向性ケイ素鋼の透磁性は一般的にＢ８で特徴付けられ、すなわち８００Ａ／ｍの励起磁場でのケイ素鋼板の磁束密度であり、単位がＴである。鉄損は一般的にＰ17/50で特徴付けられ、即ち５０Ｈｚの交流励磁場でケイ素鋼板中の磁束密度が１．７Ｔに達する時磁化に消費される無効電力量であり、単位がＷ／ｋｇである。
【０００４】
方向性ケイ素鋼の鉄損は、ヒステリシス損、渦電流損および異常渦電流損の３部分で構成される。ヒステリシス損は、磁化および逆磁化過程において、材料中の介在物、結晶欠陥、内部応力及び結晶方位などの因子により磁壁移動が阻害され、磁束変化が阻害されることにより、磁気誘導強度が磁界の強さの変化に対して遅れる磁気ヒステリシス現象によるエネルギー損失である。渦電流損は、方向性ケイ素鋼板の交番磁化過程において磁束変化が局所的な起電力を生成して渦電流を引き起こすことによるエネルギー損失であり、ケイ素鋼板の導電率および厚さに関連する。異常渦電流損は、ケイ素鋼板を磁化する時、磁区構造の違いによるエネルギー損失であり、主に磁区幅の影響を受ける。
【０００５】
方向性ケイ素鋼の結晶粒の内部に、自発磁化と反磁界の共同作用により形成される磁区構造が存在し、磁区内部の原子の磁気モーメントが同一方向に配列し、これによりマクロ結晶が強磁性的性質を示すことは周知している。方向性ケイ素鋼の磁区は外部磁場無しの条件下で主に逆方向に平行に配列された１８０℃ドメインであり、単一磁区幅は一般的に数十ミクロンひいては数ミリメートルに達することができる。隣接する磁区間には数十から数百の原子層の遷移層が存在するが、磁壁と呼ばれる。磁化過程において、外場駆動で磁気モーメントが回転し、磁壁移動により隣接する磁区が相互に併合し、これにより磁気誘導機能を実現する。磁区幅は、直接にケイ素鋼板のヒステリシス損及び異常渦電流損に影響を及ぼし、さらにその全体の鉄損性能に影響を及ぼす。磁区を微細化すること、すなわち磁区幅を小さくすることは、異常渦電流損を効果的に低減させることができ、ケイ素鋼板の鉄損を低減させる重要な方法であり、ケイ素鋼技術の進歩の主な方向の一つである。
【０００６】
概していえば、ケイ素鋼板の鉄損を改善するための主な方法は、以下の通りである。
（１）成分系およびプロセスパラメータの最適化により、完全な二次再結晶組織が得られ、配向度が向上する冶金学的方法。
（２）基板表面のコーティングの張力を改善し、磁区を細分化し、鉄損および磁歪を低下させる張力制御。
（３）レーザー、電子線、プラズマ等の手段によりケイ素鋼板表面に圧延方向に一定間隔の連続的または断続的なスクライビング線を施し、応力や歪みを加えて磁区を細分化し、鉄損を低減させる表面スクライビング。
近年、冶金学的方法により配向度を高いレベルに向上させたため、Ｈｉ−Ｂ鋼中の結晶粒の方位ずれ角の平均レベルが５°未満となり、改善の余地が限られている。このため、ケイ素鋼板の電磁性能を向上させる重点は、張力コーティングおよびスクライビングプロセスの改善に集中する。
【０００７】
表面にスクライビングすることによりケイ素鋼の鉄損を低減させる方法のメカニズムは、ケイ素鋼の表面においてスクライビングを施して磁区を細分化させ、これにより鉄損を低減させることである。スクライビング技術は、スクライビングの効果によって２つに分類することができる。１種類は非耐応力除去焼鈍のスクライビングであり、レーザー、プラズマビーム、電子ビームなどによりケイ素鋼板の表面に一定の間隔で線状熱応力領域を形成し、この領域の周囲にサブ磁区を出現させて主磁区幅を小さくし、鉄損を低減させるという目的を達成する。このような方法による磁区細分化の効果は、応力除去焼鈍を経た後に熱応力の除去に伴って消失し、鉄損が元のレベルに戻るため、応力除去焼鈍を行わない積層鉄心変圧器の製造のみに用いることができる。もう１種類は耐応力除去焼鈍スクライビングであり、目前報告されている技術的手段は機械、レーザービーム、電気化学エッチングなどがあり、その基本的な技術的手段としては、方向性ケイ素鋼表面に線状ひずみ領域を形成することにより、結晶内部のエネルギーを再分配させ、主磁区幅を低減し、これにより鉄損を低減させる効果を達成することができるが、このような方法は応力除去焼鈍の後に鉄損が劣化しないため、製造されたケイ素鋼板は応力除去焼鈍の必要がある巻鉄心変圧器の製造分野に適用することができる。
【０００８】
公開番号が２００３／０１６４３０７Ａ１、公開日が２００３年９月４日、名称が「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｉｒｅｃｔ−ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ｔｙｐｅ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ  Ｓｔｒｉｐ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｄｉｒｅｃｔ−ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ｔｙｐｅ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ  Ｅｔｃｈｉｎｇ」である米国特許文献には、金属帯の間接通電式連続電解腐食方法が開示されている。この特許文献に開示された技術案では、電解腐食の方法を利用して耐熱スクライビングケイ素鋼板を形成するが、まず、下地層付きのケイ素鋼板をレーザー等の方法により線状加工し、この領域を金属基体を露出させた後、電解液に浸漬し、ケイ素鋼板と白金電極とを電極対を形成させ、電極電位の正負の変化を交互に制御し、基板を電解腐食することにより、その領域を矩形に近い線状溝に形成させる。
【０００９】
公開番号がＵＳ２００４／００４０６２９Ａ１、公開日が２００４年３月４日、名称が「Ｇｒａｉｎ−ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｓｔｅｅｌ  Ｓｈｅｅｔ  Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ  ｉｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」である米国特許文献には、磁気特性に優れた単方向性電磁鋼板およびその製造方法が開示されている。この特許文献に開示された技術案では、レーザービームを用いて熱延伸平坦化焼鈍前または後のケイ素鋼板表面に線状の局所加熱を行って再溶融領域を形成し、コーティング物質と部分的な金属基体を溶融した後に冷却、固化させて再溶融領域を形成し、再溶融領域の幅および深さを制御することにより、ケイ素鋼板の鉄損を低下させる。また、この特許文献に開示された技術案は、レーザー加工により熱溶融領域を形成する方案を用いるが、金属融点が高く、熱伝導率が高いため、材料が溶融するまでレーザー加工するには極めて高いエネルギーを注入する必要があり、熱拡散により鋼板に広範囲において熱応力が形成され、焼鈍を経てこそ使用することができる。
【００１０】
公開番号がＵＳ２０１３／０１３９９３２Ａ１、公開日が２０１３年６月６日、名称が「ＧＲＡＩＮ−ＯＲＩＥＮＴＥＤ  ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＳＴＥＥＬ  ＳＨＥＥＴ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＴＨＥ  ＳＡＭＥ”」である米国特許文献には、方向性電磁鋼板の製造方法が開示されている。この特許文献に開示された技術案は、連続式レーザーを用いるものであり、レーザービームのエネルギー密度を制御することによりケイ素鋼表面に一定の深さを有する溝を形成する。溝には、二次再結晶焼鈍時にその下方において鋼板厚さ方向に等軸晶領域が形成されるが、等軸晶がGauss方位と異なるため、高温焼鈍中にこの等軸晶領域が二次再結晶のこの箇所でのさらなる成長に阻害作用があり、これにより二次再結晶粒サイズが小さくなり、磁区が細分化される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的の一つは、応力除去焼鈍の過程で磁区細分化効果が消失せず、多くの残留応力を導入することがなく、応力除去焼鈍を経ずにそのまま積層鉄心変圧器の製造に特に適し、巻鉄心変圧器の製造にも適用できる低鉄損の方向性ケイ素鋼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記発明の目的に基づき、本発明は、表面に複数の溝を有する低鉄損の方向性ケイ素鋼であって、前記溝の幅が１０〜６０μｍ、深さが５〜４０μｍであり、隣接する溝同士間の間隔が１〜１０ｍｍであることを特徴とする低鉄損の方向性ケイ素鋼を提供する。
【００１３】
本発明に係る技術案では、ケイ素鋼板表面に一連の溝を形成することにより、磁区を細分化し、且つ焼鈍により磁区の存在が変わることがないため、鉄損低減効果が応力焼鈍過程で消失しないので、巻鉄心に特に適用する。
【００１４】
方向性ケイ素鋼は、一定のケイ素含有量を有し、かつその磁化容易方向が製造工程における圧延方向と略同一である電磁鋼板である。方向性ケイ素鋼の鋼板内部には結晶粒の磁化容易方向と同じ１８０℃の磁区が存在し、鋼板内磁極が交流磁化過程において磁壁移動により速く回転するため、方向性ケイ素鋼に良好な透磁性を持たせ、低い磁化力で高い磁束密度に達することができ、鉄損が低いため、ケイ素鋼で製造された変圧器は磁気効率が高く、鉄損が低い。方向性ケイ素鋼の基本的な製造フローは以下のとおりである。Ｓｉ含有量を有する鋼材は、製鉄、製鋼、連続鋳造を経た後、熱間圧延工程を経て、さらに１回又は中間焼鈍を含む２回の冷間圧延により、鋼材を必要な厚みまで圧延した後、脱炭焼鈍を経て、一定の酸化被膜を有する一次再結晶鋼板となる。そして、鋼板表面にＭｇＯを主とする焼鈍分離剤を塗布した後、２０Ｈｒ以上の高温焼鈍を行い、二次再結晶組織を有するケイ素鋼板を形成し、さらに熱延伸平坦化焼鈍を経て、且つコーティング塗布および焼付け工程を施し、完成品のケイ素鋼板に製造される。得られたケイ素鋼板は、高い磁束密度、低鉄損という特点を有し、変圧器鉄心の製造に適用することができる。
【００１５】
磁区細分化によりケイ素鋼板の異常渦電流損を低下させ、ケイ素鋼板表面に圧延方向にほぼ垂直なミクロ線状熱応力域をレーザーや電子ビーム等によって与え、応力によりその付属領域に圧延方向に垂直な９０℃の磁区が発生し、１８０℃の磁区幅を減少させることで、ケイ素鋼板の鉄損を低減させるため、このようなケイ素鋼板は各種の積層鉄心変圧器の製造に広く応用されている。
【００１６】
省エネルギーで環境に優しいというニーズがますます高くなるにつれて、巻鉄心変圧器は徐々に市場に好まれている。巻鉄心のケイ素鋼板は鋼板に沿って磁気方向に巻き取ったものであるため、積層鉄心に比べて低損失、低騒音、無剪断スクラップ等の利点があり、特に中小型の省エネルギー型変圧器の製造に適用する。しかし、このようなケイ素鋼板は、巻き取り過程に内部応力が発生し、鉄損性能を劣化させるため、鉄心は応力除去焼鈍を経る必要がある。しかし、従来、レーザーや電子ビームより発せられる線状応力領域で磁区を細分化したケイ素鋼板は、応力除去焼鈍後にその磁区細分化効果が応力消滅とともに消失するため、巻鉄心変圧器の製造には適さない。
【００１７】
本願発明者は、方向性ケイ素鋼の鉄損を効果的に低減させるために、大量の実験や検討を行ったところ、溝幅や深さが鉄損に対して影響を及ぼすことを見出した。溝の深さが５μｍ未満では、ケイ素鋼板の鉄損が著しく改善されず、溝の深さが４０μｍを超えると、溝の領域に生じる漏れ磁束が多すぎ、磁束密度が著しく低下し、ケイ素鋼の導磁能に影響を及ぼす。一方、隣接する溝同士間の間隔が１ｍｍ未満であると、溝が密集し過ぎるため、方向性ケイ素鋼の磁束密度が著しく低減し、隣接する溝同士間の間隔が１０ｍｍを超えると、磁区細分化効果に影響される領域が小さくなり過ぎ、方向性ケイ素鋼の鉄損が著しく改善されない。
【００１８】
また、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼板を積層鉄心変圧器や巻鉄心変圧器の製造にそのまま応用することができるようにするためには、溝幅を厳密に制御する必要がある。溝幅が６０μｍを超えると、前述した低鉄損の方向性ケイ素鋼の耐食性が劣化し、変圧器の使用環境において錆びで導通のリスクがある。溝幅が１０μｍ未満であると、溝の磁区細分化に対する効果が限られ、方向性ケイ素鋼の鉄損を低減させることができず、且つ幅が小さすぎるため、生産プロセスの難易度が大きくなる。
【００１９】
そこで、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼では、溝の寸法について、前記溝幅を１０〜６０μｍ、深さを５〜４０μｍ、隣接する溝同士間の間隔を１〜１０ｍｍに限定する。
【００２０】
なお、本発明に係る技術案において、溝は、耐熱スクライビング技術により形成される。耐熱スクライビング技術とは、一定の手段、例えば化学的浸食や機械的圧力によって鋼板表面に溝を形成し、溝に自由磁極を生じさせて静磁気エネルギーが高くなり磁区幅が減少することにより、磁区が細分化され、鉄損が低下することである。焼鈍により溝が変わることがないため、鉄損低減効果が応力除去焼鈍過程で消失することはないので、耐熱スクライビング技術は巻鉄心に特に適している。
【００２１】
さらに、本発明に係る低鉄損性ケイ素鋼においては、前記溝と鋼板の幅方向との間に３０℃以下の交角を有している。これは、方向性ケイ素鋼の内部の主磁区が１８０°方向であるため、前記溝と鋼板の幅方向との間の交角が３０°より大きいと、有効な磁区細分化効果が形成してケイ素鋼板の鉄損を低減させることができないとともに、交角が大きすぎることによって前記溝長が長くなり、生産効率が低くなるためである。
【００２２】
また、本発明に係る低鉄損性ケイ素鋼において、前記溝は、レーザースクライビングにより形成される。電気化学的に形成された溝は、工程が複雑であり、汚染が一定程度存在するが、機械的圧力やレーザー熱溶融によって形成された溝は、スクライビングする際に歯付きロール又は顕著な熱拡散効果により金属基体内に多くの残留応力が生じるため、応力除去焼鈍を施さなければ鉄損の低減が得られる方向性ケイ素鋼が得られず、積層鉄心変圧器の製造に応用するには適さない。
【００２３】
本件発明者は検討したところ、レーザースクライブにより形成された溝が、高エネルギー密度のパルスレーザービームを用いて耐熱スクライビングプロセスを実施し、熱応力現象を効果的に抑制したため、得られた方向性ケイ素鋼は、鉄損が低く、また、応力除去焼鈍前後に磁気性能の差が小さく、応力除去焼鈍を行う必要がないため、当該方向性ケイ素鋼が積層鉄心変圧器の製造にそのまま適用できるとともに、応力除去焼鈍を必要とする巻鉄心変圧器の製造にも好適に適用できることを見出した。
【００２４】
また、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼において、一方の表面または両方の表面に前記溝を有する。
【００２５】
さらに、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼において、応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）が５％以下であり、ここで、
2020516766.tif 000003
上式中、Ｐ17/50が方向性ケイ素鋼板の鉄損値であり、単位はＷ／ｋｇである。
【００２６】
発明者らは、試験と詳細な検討を重ねた結果、耐熱スクライビング技術による材料への焼灼により溝を形成するが、ΔＰ17/50（％）が５％以下であると、焼灼による熱拡散および応力範囲が小さく、エネルギーの有効利用率が高く、得られた低鉄損の方向性ケイ素鋼の鉄損の改善率が所望の溝幅、深さおよび間隔要求に達することができるため、鉄損の改善率は６％以上に達することができ、巻鉄心変圧器の製造に適用するとともに、応力除去焼鈍を経ずに積層鉄心変圧器の製造にそのまま応用することにも適していることを見出した。ΔＰ17/50（％）が５％を超えると、このとき耐熱スクライビング技術による材料への焼灼エネルギーが拡散により損失が大きくなり、材料内部の応力が過大となるため、形成された溝が小さく、方向性ケイ素鋼の鉄損が応力除去焼鈍前に低下したとしても、焼鈍後はもとのレベルまで劣化してしまい、巻鉄心変圧器の製造に適用しない。
【００２７】
従って、本発明の他の目的は、応力除去焼鈍前後で磁性性能の差が小さく、巻鉄心および積層鉄心変圧器の製造に好適に適用できる上記の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法を提供することである。
【００２８】
上記目的に基づいて、本発明はさらに、低鉄損の方向性ケイ素鋼の表面に前記溝を形成するようにレーザーによるスクライビングを行う工程を含む上記の低鉄損の方向性ケイ素鋼の製造方法を提供する。
【００２９】
本発明に係る製造方法では、低鉄損の方向性ケイ素鋼の表面に前記溝を形成するようにレーザーによるスクライビングを行い、溝近傍の応力分布範囲が非常に限られ、影響を受ける領域が大きく減小するため、応力除去焼鈍後の方向性ケイ素鋼に顕著な鉄損増大の現象が生じない。これは、レーザーがケイ素鋼表面にアブレーションして溝を形成する際に、方向性ケイ素鋼の融点が高く、熱伝導率が大きいためである。従って、鋼の材料のマイクロ領域がレーザー照射を受けて溶融温度に達すると、不可避的に熱拡散現象が発生し、これにより格子歪が発生し、大きな範囲の熱応力が生じる。
【００３０】
さらに、本発明に係る製造方法において、前記レーザーは、ＣＯ２レーザー発振器、固体レーザー発振器または光ファイバレーザー発振器からなる群より選択される１種または複数種より発せられる。
【００３１】
さらに、本発明に係る製造方法において、前記レーザーの１パルスの平均瞬時ピークパワー密度は２．０×１０６Ｗ／ｍｍ２以上である。
【００３２】
熱拡散がレーザー焼付きで溝を形成する能力を弱めているため、発明者らは、レーザーで材料をアブレーションする際に発生する熱量の拡散範囲と１パルスの平均瞬時エネルギーとの関係について大量の試験により検討したところ、両者に顕著な正の相関性があることを見出した。つまり、１パルスの平均瞬時エネルギーが高いと、短時間内でレーザーのケイ素鋼板表面のマイクロ領域内に注入するエネルギーが大きいが、熱伝導範囲には限界があるため、レーザーエネルギーは主に材料のアブレーションにより溝を形成するために用いられる。そのため、１パルスの平均瞬時エネルギーを制御することで熱拡散範囲を効果的に制御することができ、さらに熱影響領域および応力域を効果的に制御し、これにより生じたサブ磁区の数量を減少させることができ、焼鈍後の応力除去により本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の鉄損が著しく変化することを防止することができる。
【００３３】
パルスレーザーの材料に対して作用する時間は、パルス幅に依存するが、パルス幅が短くなると、それに伴ってアブレーション時間も短くなり、材料に対するアブレーション量には限界があるため、１パルスの平均瞬時エネルギーを高める必要がある。１パルスの平均瞬時エネルギーは、１パルスの平均ピーク瞬時パワー密度で特徴付けられる。１パルスの平均瞬時ピークパワー密度の表現式は以下のとおりである。
2020516766.tif 000004
ここで、Ｐはレーザー出力であり、単位はＷである。
2020516766.tif 000005
は、レーザー繰り返し周波数であり、単位はＨｚである。Ｓはスポット面積であり、単位はｍｍ２である。
2020516766.tif 000006
はパルス幅であり、単位はｓである。
【００３４】
上記式から分かるように、１パルスの平均瞬時ピークパワー密度
2020516766.tif 000007
が大きいほど、レーザーが短時間内で鋼板へ注入するエネルギーが高く、スクライビング深さが深く、また、熱影響領域が小さくなるため、配向による鉄損低減効果が顕著になると共に、応力除去焼鈍前後の鉄損変化率が小さくなる。発明者らは、実験による検討を重ねた結果、ケイ素鋼板の鉄損とその応力除去焼鈍前後の変化率を効果的に低減させるための１パルスの平均瞬時ピークパワー密度
2020516766.tif 000008
の閾値を特定した。即ち、１パルスの平均瞬時ピークパワー密度
2020516766.tif 000009
が２．０×１０６Ｗ／ｍｍ２を超えると、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の鉄損の改善率が著しく、応力除去焼鈍前後の鉄損差の割合が５％以下となるが、この数値未満では有効な磁区細分化効果を形成することができないことを見出した。
【００３５】
さらに、本発明に係る製造方法において、前記レーザーの１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦおよびパルスの幅ｔｐは以下の関係式を満たす。
2020516766.tif 000010
上式中、パルスの幅ｔｐの単位はｓ、ＪＦの単位はＪ／ｍｍ２である。
【００３６】
方向性ケイ素鋼がレーザースクライビングにより溝を形成する場合、熱応力場はパルス幅とレーザーエネルギーの共通作用の影響を受ける。本発明者は、前記低鉄損のケイ素鋼の鉄損をさらに低減するために、詳細な検討及び実験を重ねた結果、１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦとパルス幅ｔｐが上記関係式を満たす場合、低鉄損の方向性ケイ素鋼の応力除去焼鈍前後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）が５％以下となることを見出した。
なお、レーザーの１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦは以下のとおり示される。
2020516766.tif 000011
ここで、Ｐはレーザー出力であり、単位はＷである。
2020516766.tif 000012
は、レーザー繰り返し周波数であり、単位はＨｚである。Ｓはスポット面積であり、単位はｍｍ２である。
【００３７】
レーザーエネルギー流束密度は、単位面積当たりの１パルス内レーザー光のエネルギーの大きさを表し、レーザー加工時に発生する熱の大きさに直接影響を与える。レーザーエネルギー流束密度ＪＦが大きいほど、レーザー光が発生する熱量が多くなり、熱拡散による応力領域の形成リスクが大きくなるため、材料との作用時間、すなわちパルス幅を短くし、熱拡散を小さくする必要がある。レーザーパルスの幅が大きいほど、スクライビングするとき、材料との作用時間が長く、熱拡散が起こりやすくなるため、レーザーによる表面温度の上昇を効果的に制御する必要がある。即ち、エネルギーフロー密度を低減させる必要があるが、小さすぎるエネルギーフロー密度は、スクライビング効率の低下を招き、スクライビングを複数回繰り返してこそ、鉄損を改善する効果を達成することができる。
【００３８】
また、
2020516766.tif 000013
の場合、レーザー加工効率が低すぎ、複数回の走査をしなければ鉄損改善に要求される溝サイズに達することができず、工業的な実用価値を備えていない。
一方、
2020516766.tif 000014
の場合、レーザー加工による熱応力が顕著になり、応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）が５％を超え、応力除去焼鈍後のケイ素鋼板の鉄損の改善率が不足する。そこで、本発明に係る製造方法では、前記レーザー光の１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦとパルス幅ｔｐが以下の関係式を満たすように制御する。
2020516766.tif 000015
【００３９】
また、本発明に係る製造方法において、前記レーザー光の波長は１０６６ｎｍ以下である。本願発明者は、ケイ素鋼板の応力除去焼鈍前後の鉄損変化率へのレーザー波長の影響について検討したところ、レーザー波長が長いほど、発生する熱効果が大きく、応力除去焼鈍前後にケイ素鋼板の鉄損変化率が大きいことを見出した。このような現象が生じる原因は、異なる波長のレーザー光に対する低鉄損の方向性ケイ素鋼の吸収率が異なるためである。レーザー波長が１０６６ｎｍを超えると、レーザー加工時に多量の熱吸収現象が発生し、材料が溶融して溝付近に凸起が形成され、内部に応力が多く形成され、応力除去焼鈍前後にケイ素鋼板の鉄損変化率が大きくなる。そこで、本発明に係る製造方法では、レーザー光の波長を１０６６ｎｍ以下に制御する。
【００４０】
本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼は、応力除去焼鈍の過程で磁区細分化効果が消失せず、残留応力も多く導入されないため、特に応力除去焼鈍を行わない積層鉄心変圧器の製造にそのまま適用することができ、巻鉄心変圧器の製造にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、従来の技術における機械的スクライビングにより生成された局所応力場を示す。
【図２】図２は、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の溝の応力分布図を示す。
【図３】図３は、異なる鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）において、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の磁束密度と鉄損の改善率の場合を示す。
【図４】図４は、異なる平均単一パルスピークパワー密度ｐ０において、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の焼鈍前後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）および鉄損の改善率の場合を示す。
【図５】図５は、異なるｔｐ√ＪＦ（√ＪＦは、ＪＦの平方根）の数値において、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼が応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率および鉄損の改善率ΔＰ17/50（％）の場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下に、明細書の図面及び具体的な実施例を参照しながら本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼およびその製造方法をさらに解釈・説明するが、該解釈・説明は本発明の技術案を不当に限定するものではない。
【００４３】
実施例Ａ１〜Ａ１９および比較例Ｂ１〜Ｂ１３
実施例Ａ１〜Ａ１９の低鉄損の方向性ケイ素鋼及び比較例Ｂ１〜Ｂ１３の従来のケイ素鋼は以下の工程により製造される。
（１）製鉄、製鋼、連続鋳造、熱間圧延、一次冷間圧延を経て厚さ０．２３〜０．２７ｍｍまで圧延する。ここで、実施例Ａ１〜Ａ１５および比較例Ｂ１〜Ｂ１０の厚みは０．２３ｍｍ、実施例Ａ１６〜Ａ１９および比較例Ｂ１１〜Ｂ１３の厚みは０．２７ｍｍであり、８５０℃の脱炭焼鈍プロセスを経て、表面酸化被膜を形成した後、その表面にＭｇＯ焼鈍分離剤を塗布し、スチールコイルに巻き取った後、１２００℃の高温焼鈍条件で２０時間保持し、次にその表面に絶縁コーティングを塗布し、最終焼鈍を行ってケイ素鋼板を形成する。
（２）レーザーにより各実施例および比較例のケイ素鋼板表面にスクライビングを行い、前記溝を形成する。具体的なプロセスパラメータは表１に示す。
【００４４】
表１は、各実施例の低鉄損配向用鋼の工程（２）における具体的なプロセスパラメータを示す。
【００４５】
【表１−１】
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【００４６】
【表１−２】
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【００４７】
実施例Ａ１−Ａ３の低鉄損の方向性ケイ素鋼と比較例Ｂ１−Ｂ２の従来のケイ素鋼を、容量３１５ｋＶＡの一次エネルギー効率の巻鉄心配電変圧器に製造し、鉄心設計重量をいずれも４３０ｋｇとし、その無負荷損および負荷損を測定した結果を表２に示す。
【００４８】
【表２】
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【００４９】
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【００５０】
表２から明らかなように、本願実施例Ａ１〜Ａ３のΔＰ17/50（％）はいずれも５％以下であり、いずれもスクライビングによる鉄損改善率が６％を超え、作製された配電変圧器の無負荷損が３４０Ｗ未満であり、負荷損が３０６５Ｗ以下である。一方、比較例Ｂ１〜Ｂ２のΔＰ17/50（％）が５％を超え、スクライビングによる鉄損改善率が６％未満となり、配電変圧器に製造された後の無負荷損および負荷損がいずれも本願実施例Ａ１〜Ａ３よりも高くなった。
【００５１】
表３は、実施例Ａ４〜Ａ６の低鉄損の方向性ケイ素鋼および比較例Ｂ３〜Ｂ４の従来のケイ素鋼に用いられたレーザーパラメータ、および５００ｍｍ×５００ｍｍの方法で鉄損Ｐ17/50を測定した結果を示す。
【００５２】
【表３】
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【００５３】
表３から分かるように、比較例Ｂ３およびＢ４では、レーザー光の１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦおよびパルス幅ｔｐが関係式
2020516766.tif 000021
を満たさず、かつ、いずれもΔＰ17/50（％）が５％より大きいが、本願実施例Ａ４〜Ａ６では、いずれも関係式
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を満たし、かつΔＰ17/50（％）が５％未満であった。
【００５４】
表４は、実施例Ａ７〜Ａ１５の低鉄損の方向性ケイ素鋼および比較例Ｂ５〜Ｂ１０の従来のケイ素鋼に用いられたレーザーパラメータ、および５００ｍｍ×５００ｍｍの方法で鉄損Ｐ１７／５０を測定した結果を示す。
【００５５】
【表４】
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【００５６】
表４から分かるように、実施例Ａ７〜Ａ１５の低鉄損の方向性ケイ素鋼は、そのレーザープロセス及び表面スクライビングプロセスを満たすため、いずれも本発明に係る限定された範囲内にあり、すなわち、実施例Ａ７〜Ａ１５の低鉄損の方向性ケイ素鋼は、深さが１０〜６０μｍ、深さが５〜４０μｍであり、隣接する溝同士間の間隔が１〜１０ｍｍであり、溝と鋼板の幅方向との間に３０℃以下の交角を有し、レーザーの1パルスの平均瞬時ピークパワー密度が２．０×１０６Ｗ／ｍｍ２以上であり、レーザーの１パルスの平均瞬時ピークパワーＪＦおよびパルス幅ｔｐが
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の関係式を満たす。従って、各実施例の低鉄損の方向性ケイ素鋼は、性能が良好であり、磁束密度Ｂ８が１．９０Ｔ以上であり、焼鈍前後の鉄損Ｐ１７／５０がいずれも０．８２５Ｗ／ｋｇ以下である。比較例Ｂ５〜Ｂ９の従来のケイ素鋼の表現は、いずれも本願の実施例Ａ７〜Ａ１５より劣っている。
【００５７】
実施例Ａ１６〜Ａ１９の低鉄損性ケイ素鋼および比較例Ｂ１１〜Ｂ１３の従来のケイ素鋼について、５００ｍｍ×５００ｍｍの方法で鉄損Ｐ１７／５０を測定し、且つＩＥＣ６８−２−１１規格で連続的に塩水噴霧試験を７ｈｒ行うことによりケイ素鋼板表面の耐腐食性を評価した。得られた測定結果を表５に示す。
【００５８】
【表５】
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【００５９】
表５から分かるように（必要に応じて表１を参照）、本願実施例Ａ１６〜Ａ１９の溝は、溝幅が６０μｍ以下であるため、塩水噴霧試験によるケイ素鋼板の発錆面積が２％以下であり、本願各実施例の低鉄損性ケイ素鋼が耐食性に優れていることを説明する。また、比較例Ｂ１１〜Ｂ１３の溝幅が６０μｍを超え、その耐食性が大幅に弱まっている。
【００６０】
図１は、従来技術における機械的スクライビングにより生成された局所応力場を示す。図１から分かるように、ケイ素鋼板基材に引張強さより大きい機械的圧力をかけなければ表面に溝を形成することができないため、要する圧力値が２００Ｍｐａを超えることが多く、このとき応力場はケイ素鋼板の厚さ方向全体を貫通しており、鋼板圧延方向における分布もスクライビング歪み領域を大きく超えることになる。加工残留応力域に多量のサブ磁区が発生し、ヒステリシス損が大きくなり、ケイ素鋼板の磁束密度が低下するため、従来技術のケイ素鋼を積層鉄心変圧器の製造にそのまま適用することができない。
【００６１】
図２は、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の溝応力分布図を示す。図２から明らかなように、本願で高エネルギーのパルスレーザーで耐熱スクライビングを施し、応力分布範囲が非常に有限で、影響される領域が大きく低減されるため、応力除去焼鈍後のケイ素鋼板に顕著な鉄損増大現象が発生せず、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼を巻鉄心および積層鉄心変圧器の製造に好適に適用することができる。
【００６２】
図３は、異なる鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）において、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼の磁束密度と鉄損の改善率の場合を示す。図３から明らかなように、Ｉの範囲内にある本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼は、良好な磁束密度Ｂ８改善率および顕著な改善率＞６％のＰ１７／５０鉄損の改善率を有するため、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼は巻鉄心変圧器の製造に適用することができ、応力除去焼鈍を経ずに積層鉄心変圧器の製造にそのまま適用してもよい。図において、Ｉは、ΔＰ17/50（％）値の範囲がΔＰ17/50（％）≦５％であることを示し、ＩＩは、方向性ケイ素鋼の磁束密度の改善率曲線を示し、ＩＩＩは、方向性ケイ素鋼のＰ１７／５０鉄損の改善率曲線を示す。
【００６３】
図４は、異なる１パルスの平均ピークパワー密度Ｐ０において本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼が応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）および鉄損の改善率の場合を示す。図４から明らかなように、ＩＶの範囲内にあると、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼は、応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）≦５％であり、このときの鉄損の改善率が高い。図において、ＩＶは１パルスの平均ピークパワー密度Ｐ０が２．０×１０６Ｗ／ｍｍ２以上であることを示し、Ｖは方向性ケイ素鋼鉄損の改善率、ＶＩは応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）を示す。
【００６４】
図５は、異なる
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の数値において、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼が応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）および鉄損の改善率の場合を示す。図５から明らかなように、ＶＩＩの範囲内にあると、本発明に係る低鉄損の方向性ケイ素鋼は、応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）≦５％であり、このときの鉄損の改善率が高い。図において、ＶＩＩはレーザーの１パルスの平均エネルギー流束密度ＪＦとパルス幅ｔｐが
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を満たすことを示し、ＶＩＩＩは方向性ケイ素鋼鉄損の改善率、ＩＸは応力除去焼鈍を行う前と後の鉄損相対変化率ΔＰ17/50（％）を、Ｘはレーザー加工領域を示す。
【００６５】
なお、以上列挙したのは本発明の具体的な実施例であり、本発明は以上の実施例に限定されるものではなく、それに伴って多くの類似の変化があることは言うまでもない。当業者であれば本発明の開示する内容から直接導出される又は連想される全ての変形は、いずれも本発明の保護範囲に属すべきである。
【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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【国際調査報告】
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