JP2005059014A - 磁気特性の優れた方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い鉄損改善を有すとともに磁束密度の劣化、占積率の低下を最小限に抑えた方向性電磁鋼板および製造方法を提供する。
【解決手段】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溝と溝内部中央部に凸の溶融再凝固層を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板において、溝の深さをｄ_１、溝内部中央部の溶融再凝固層断面の高さをｄ_２、以下の条件を全て満たす。１０≦ｄ_１≦４０μｍ、０．５≦ｄ_２／ｄ_１≦１．０
またレーザビーム投入照射エネルギー密度Ｕｐとビーム通過時間Ｔｃ以下の範囲である。０．２≦Ｕｐ≦１０ Ｊ／ｍｍ^２、１≦Ｔｃ≦４００μｓ
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、方向性電磁鋼板表面にレーザ加工により溝と溶融再凝固層を形成することで、歪み取り焼鈍後にも優れた磁気特性を維持し、巻鉄芯に使用可能な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】
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公昭５８−２６４０５号公報に開示されている。この方法では、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、この方法によって製造された方向性電磁鋼板は、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、鋼板表面に溝を形成し、空隙での透磁率変化を利用して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、特許文献１には歯形ロールで鋼板を押圧して溝を鋼板表面に形成する方法が、また、特許文献２には化学的エッチングにより溝を形成する方法かつ、さらに、特許文献３にはＱスイッチＣＯ_２レーザで鋼板表面に点列溝を形成する方法などが開示されている。また、特許文献４、特許文献５には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が、特許文献４には溝と溝下層部に薄い溶融再凝固層をレーザにより形成する方法などが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭６３−４４８０４号公報
【特許文献２】
米国特許第４７５０９４９号公報
【特許文献３】
特開平７−２２０９１３号公報
【特許文献４】
特願平１０−２８４０３４号明細書
【特許文献５】
特開平６−２１２２７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のうち、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し、その結果、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ＣＯ_２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、単純な溝形成による方法では、空隙部での透磁率減少のため磁束密度の劣化と占積率（積層した鉄芯の中で鋼板が占める割合）の低下を招き、変圧器の性能を低下させる問題がある。溶融再凝固層を形成する方法は、溝による体積減少がないため占積率低下は解消されるが、鉄損改善効果が溝形成法に比べ劣位傾向にある。また、溝と溝下層部に薄い溶融再凝固層をレーザにより形成する方法は、溝と溶融再凝固層の相乗効果が期待できるものの、溶融再凝固層の占める割合が小さいため、溝形成の場合と同様に磁束密度劣化と占積率の低下が生じてしまう問題があった。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、溝形成と同等以上の鉄損改善を有すとともに磁束密度の劣化、占積率の低下を最小限に抑えた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、鋼板の表面に、圧延方向にほぼ垂直で、且つ一定周期で線状の溝と溝内部中央部に凸の溶融再凝固層を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板において、溝の深さをｄ_１、溝内部中央部の溶融再凝固層断面の高さをｄ_２として、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方向性電磁鋼板である。
１０≦ｄ_１≦４０μｍ
０．５≦ｄ_２／ｄ_１≦１．０
また本発明は、方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザビームを走査照射して前記の溝と溶融再凝固層を形成すること、その照射条件として、レーザビームの照射パワーをＰ（Ｗ）、集光ビームのビーム走査方向径をｄｃ（ｍｍ）、集光ビーム面積をＳ（ｍｍ^２）、ビーム走査線速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、ビーム通過時間Ｔｃ（ｓｅｃ）をＴｃ＝ｄｃ／Ｖｃ、照射エネルギー密度Ｕｐ（ｍＪ／ｍｍ^２）をＵｐ＝（Ｐ／Ｓ）×Ｔｃとで定義し、ＴｃとＵｐがそれぞれ以下の範囲であることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法である。
０．２≦Ｕｐ≦１０Ｊ／ｍｍ^２
１≦Ｔｃ≦４００μｓｅｃ
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、レーザビームのスキャン照射加工により溝と溶融層を形成して鉄損を改善する技術において、レーザ照射条件、溝と溶融再凝固層の断面形状、および磁気特性について詳細に研究を行った。その結果、ある特定の断面形状において、鉄損改善率を最大化し、且つ磁束密度劣化と占積率劣化を最小限に抑制することを見出した。更にそれを実現するために、レーザ加工による溶融、再凝固現象を利用した新たな加工方法を考案した。以下に実施例を用いて本発明を説明する。
【０００９】
まず本発明の溝および溶融再凝固層の形状とその効果について説明する。図１は本発明の溝および溶融再凝固層の断面模式図である。また図２、３、４は従来の技術における溝、または溶融再凝固層の断面模式図である。図２の溝のみの形状はエッチング、あるいは歯形ロールにより形成されるものであり、図３、４の溝とその下層に溶融層が存在する形状、また溝を伴わない溶融層は、例えばレーザビームの走査照射により形成される。本発明における断面形状の特徴は溝のほぼ中心に溶融再凝固層の凸部が存在することであり、その形状は溝の深さｄ_１、凸部の高さｄ_２、溝の全幅Ｈで特徴づけられる。一方、従来の技術である図２〜４の形状もｄ_１、Ｈ、あるいは溶融層の厚みｄ_３で特徴づけられる。
【００１０】
本発明者らは上記パラメータと鉄損改善率η、磁束密度劣化量△Ｂ８、占積率γの関係を詳細に調べた。ここでηは鉄損Ｗ_{１７／５０}（Ｗ／ｋｇ）の改善率であり、次式で定義される。
【００１１】
η（％）＝（溝、溶融層形成前の鉄損−溝、溶融層形成後の鉄損）／溝、溶融層形成前の鉄損
溝、溶融層形成後の鉄損は８００℃で４時間の歪み取り焼鈍を行った後の測定値である。なお、Ｗ_{１７／５０}は、周波数５０Ｈｚ、最大磁束密度１．７Ｔのときの鉄損である。
【００１２】
△Ｂ８は溝、溶融層形成前後の磁束密度の減少量であり次式で定義される。
【００１３】
△Ｂ８（ガウス）＝溝、溶融層形成前のＢ８−溝、溶融層形成後のＢ８
ここでＢ８は磁界８００Ａ／ｍにおいて発生しえる磁束密度と定義され、この値が高いほど方向性電磁鋼板の結晶方位性が高く、容易に高い磁束が得られるため優れた鉄芯材料と見なされる。
【００１４】
占積率γは積層した鉄芯の中で鋼板が占める割合であり、鋼板を積層した後に圧力を加えて鉄芯を形成した際の、鉄芯の質量ｍ（ｇ）、鋼板の密度Ｄ（ｇ／ｃｍ^３）、長さＬ（ｃｍ）、幅ｂ（ｃｍ）、鉄芯の厚みｈ（ｃｍ）とすると以下で定義される。
【００１５】
γ（％）＝ｍ／（ｂ×Ｌ×ｈ×Ｄ）
図５は溝、溶融層の深さｄ_１、ｄ_３、あるいはその合計値であるｄと鉄損改善率ηの関係について従来技術と本発明で調べた実験結果である。ここで本発明の製品（図１）と従来製品でエッチングなどにより溝のみを形成した場合（図２）のｄとは溝深さｄ_１に相当する。従来製品で溝と溶融層を形成した場合（図３）におけるｄとはｄ_１とｄ_３の和である。また溶融層のみを形成した場合（図４）のｄとはｄ_３に相当する。溝または溶融層は鋼板の両面に圧延方向にほぼ垂直な方向に平行して形成され、その間隔は３ｍｍである。尚、深さｄは片面当たりの深さである。また本発明の製品の特徴である溝中央の凸部の高さｄ_２は後述するレーザ照射条件の制御によりｄ_２／ｄ_１＝０．５に固定した。溝深さｄ_１は２箇所存在するが、深い方をｄ_１と定義する。
【００１６】
図５の結果より、いずれの場合もηのｄに対する依存性はほぼ一致しており、手法によらず、１０≦ｄ≦４０μｍにおいて高い改善率が得られる。空隙による鉄損改善のメカニズムは、空気と鋼板の透磁率の差により溝壁面に磁極が発生し、磁区が細分化することにあると考えられる。従って、圧延方向に垂直な成分である深さｄは磁極発生量に影響が大きいことが推測され、図５の結果はそれを裏付けるものである。
【００１７】
ここでｄが小さい場合は上記の考察から十分な鉄損改善効果が得られないと考えられる。一方、ｄが大きくなりすぎると磁束が通過する鋼板断面積が減少する。その結果、溝部での単位面積当たりの実効磁束密度は増加してしまう。Ｗ１７／５０は発生する最大磁束を鋼板の平均断面積で割った値、すなわち磁束密度が１．７Ｔになる場合の鉄損に相当するが、溝がある部分は断面積が小さくなるため、磁束密度は１．７Ｔより高くなっていることが推測される。一般に発生した磁束密度が高いほど鉄損は増加するため、溝部近傍の鉄損は相対的に増加する。その結果、溝が深くなりすぎると磁区細分化による鉄損改善効果よりも鋼板断面積の過大な減少に起因する局部的な鉄損増加の影響が大きくなり、図５のｄが大きい領域で見られる様な鉄損改善率の低下につながったものと考えられる。以上説明したように、ｄに関しては最適範囲が存在し、その範囲は１０≦ｄ≦４０μｍであるという基礎的知見を得た。
【００１８】
改善率の絶対値に注目すると、本発明の断面形状の場合、エッチング等で形成された溝の場合に比べ、同じ深さｄにおいて多少高い鉄損改善率が見られた。これは溝中心部の溶融部が再凝固する際に残留応力を発生するため、これが何らかの磁区制御効果を発生させていると推測される。また溶融層のみの場合に比べてより高い鉄損改善率が得られた。溶融層による鉄損改善効果は残留応力と溶融部の透磁率の変化が磁区細分化の根元と考えられるが、本発明では更に溝の効果が付与されるため同等以上の改善効果が得られていると考えられる。
【００１９】
次に磁束密度劣化量△Ｂ８について検討した。Ｂ８は８００Ａ／ｍの磁界でどれだけ磁束を発生し得るかという指標である。ここで鋼板断面積が減少すると、そこを貫く磁束発生抵抗は大きくなると考えられる。すなわち溝深さｄが増加するとＢ８は減少する。更に磁束の発生方向は圧延方向に一致するため、溝の幅Ｈが増加して断面積の小さい部分が圧延方向に長くなると更に磁束の発生抵抗は増加するものと推測される。そこで△Ｂ８について各種法における、△Ｂ８のｄ依存性を調べた。また本発明の製品の特徴である溝中央の凸部の高さｄ_２は後述するレーザ照射条件の制御によりｄ_２／ｄ_１＝０．５に固定した。
【００２０】
図６は幅Ｈを０．２ｍｍに固定して、深さｄと△Ｂ８の関係を調べた結果である。これより従来の溝加工製品ではｄの増加とともに△Ｂ８が大きく増加することがわかる。溶融層による方法では基本的に溝が形成されないため△Ｂ８はほとんど見られない。一方、本発明の製品では溝深さは従来製品と同様に△Ｂ８は増加する傾向が見られるが、溝中心部に溶融層の凸部が存在するため、実効的な幅Ｈは狭いと考えられ、△Ｂ８は従来の溝製品に比べ小さい。
【００２１】
次に占積率γについて本発明と従来製品を比較した。ここではすべての製品においてＨ＝２００μｍ、ｄ＝２０μｍに固定して、占積率を調べた。本発明の溝中央の凸部高さｄ_２はｄ_２／ｄ_１＝０．５に固定した。図７に占積率の比較結果を示す。溶融層のみの場合は鋼板の体積減少がないため最も高い占積率が得られる。従来の溝製品は体積除去の影響により占積率は低下する。本発明の方法では、凸部の効果により実効除去体積は小さく、その結果、相対的に占積率低下は従来溝製品に比べ小さいことが判明した。
【００２２】
次に本発明の溝形状における中央の溶融再凝固層高さｄ_２の最適範囲について占積率γを用いて説明する。本発明の製品では溝中央の凸部が溝深さの中で占める割合が大きな意味を持つ。そこでｄ_２とｄ_１の比率ｄ_２／ｄ_１と占積率γの関係について評価を行った。図８に示すように、ｄ_２／ｄ_１が０．５を超える範囲ではγは比較的高い値を示すが、１．０を超えるとγは大きく低下する。これは溶融の凝縮度が激しく、溝深さを超えて表面に凸が発生した場合である。この場合、積層した鋼板の間に空隙が発生するため、占積率が大きく低下したものである。以上の結果より、ｄ_２／ｄ_１の最適な範囲は０．５＜ｄ_２／ｄ_１＜１．０である。
【００２３】
次に本発明の製品を製造する方法について説明する。本発明の製品の特徴は溝中央部に凸部を持つことである。この凸部の形成方法について本発明者らは連続波レーザ光の高速ビーム走査加工法において溶融部の再凝固過程で発生する凸部形成に着目し、レーザ照射条件を最適制御することで所望の溝深さ、および凸部高さが得られることを見出した。以下に図９、および式（１）〜（３）を用いて本発明に最適なレーザ条件について説明する。図９はレーザビームの照射模式図である。
【００２４】
Ｉｐ＝Ｐ／Ｓ＝Ｐ／（π／４×ｄｌ×ｄｃ）・・・式（１）
Ｔｃ＝ｄｃ／Ｖｃ・・・・・・・・・・・・・・式（２）
Ｕｐ＝Ｉｐ×Ｔｃ・・・・・・・・・・・・・・式（３）
溝形成メカニズムは、鋼板温度が融点を超え、更に沸点を超えて蒸発飛散することにあると考えられる。従って局所的に非常に高いパワー密度が要求される加工現象である。よって溝形成はレーザパワーを照射ビーム面積で除した空間的パワー密度Ｉｐ（Ｗ／ｍｍ^２）に依存すると考えられる。しかしビームが高速で移動する際には移動による加工時間、すなわちビーム通過時間の影響も加味する必要がある。よってレーザパラメータとして局所エネルギー密度Ｕｐ（ｍＪ／ｍｍ^２）を定義し、溝深さに影響するパラメータとした。Ｕｐはパワー密度Ｉｐのビームが、走査方向ビーム径ｄｃ（ｍｍ）と走査速度Ｖｃ（ｍｍ／ｓ）できまる通過時間Ｔｃ（ｓ）の間に照射された総エネルギー密度と定義される。ここでｄｌはビーム走査方向と直交する方向の集光ビーム径である。
【００２５】
次に溝中央部の凸部は、レーザ照射により溶融した金属がビームの通過後に冷却される際の凝縮過程で発生するものである。従って溶融・凝縮の緩急により凸部の形状が決定されると考えられる。すなわちＴｃが凸部への影響が最も大きい。傾向として急速加熱・急冷却では溝もできないか、あるいは周辺部への熱緩和速度より速く溝内部で凝固が起こるため、凸部の凹凸が激しく、部分的に高い凸部が発生する。加熱・冷却速度が遅い場合は、周辺部への熱緩和により比較的ゆっくりした凝固がおこり、その結果、比較的平坦な溶融部ができる傾向がある。
【００２６】
次に実験から得られたＵｐ、Ｔｃの具体的な最適範囲を示す。まずＵｐが０．２Ｊ／ｍｍ^２以下の場合、すなわちＩｐ、およびまたはＴｃが非常に小さい場合は、溝が全く形成されないため鉄損改善率が優れない。一方、Ｕｐが１０Ｊ／ｍｍ^２を超える場合、すなわちＩｐおよびまたはＴｃが非常に大きな場合は、溝が深くなり、特に△Ｂ８や占積率の低下が大きい。従って、Ｕｐの範囲は０．２〜１０Ｊ／ｍｍ^２が最適である。
【００２７】
上記のＵｐの最適範囲は主に溝深さの観点で決定されるものであるが、更に凸部高さを最適化するため、Ｔｃの範囲が決定される。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にＴｃに依存した断面形状の模式図を示す。Ｔｃが１μｓ以下の領域では凝固速度も非常に速いため周辺部への熱緩和がなく、溝内部で凸部の急速凝固が発生し、凸部は溝深さｄ_１を超え鋼板表面以上まで形成される。その結果、ｄ_２／ｄ_１＞１となり、占積率が大幅に低下する。一方、Ｔｃ＞４００μｓの範囲では凝固過程は非常に緩やかであり、周辺部との熱緩和も発生するため、例えば、図４に示されるような平坦な溶融部となり溝も埋まってしまう。
【００２８】
以上の実施例より、本発明の溝・溶融層を形成するのに最適な方法は連続波レーザ光を円形、または楕円状に集光し、図９、式（１）〜（３）で示される照射パラメータＵｐとＴｃが以下の範囲である。
０．２≦Ｕｐ≦１０Ｊ／ｍｍ^２
１≦Ｔｃ≦４００μｓ
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明における溝と溝中央部に溶融再凝固金属の凸部をもつ断面形状によって、高い鉄損改善率が得られ、更に磁束密度と占積率の劣化を最小限に抑えられるという利点がある。なお、本発明における溝と溝中央部に溶融再凝固層鋼板の凸部の形成は鋼板表面の片面あるいは両面どちらでも効果が認められた。また、本発明の製品の製造方法において、本発明の条件範囲にてレーザビームの高速走査加工を行うことで、優れた方向性電磁鋼板を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方向性電磁鋼板の溝および溶融再凝固層の断面模式図である。
【図２】従来技術である溝のみの断面模式図である。
【図３】従来技術である溝と溶融再凝固層の断面模式図である。
【図４】従来技術である溶融再凝固層のみの断面模式図である。
【図５】溝あるいは溶融層深さｄと鉄損改善率ηの関係図である。
【図６】幅Ｈを固定した場合の溝あるいは溶融層深さｄと磁束密度劣化量△Ｂ８の関係図である。
【図７】本発明と従来例の占積率の比較図である。
【図８】本発明におけるｄ_２／ｄ_１と占積率の関係図である。
【図９】本発明のレーザビーム照射パラメータの説明図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも本発明におけるレーザビーム通過時間Ｔｃと形成される溝・溶融層断面の相関模式図である。
【符号の説明】
ｄ_１…溝深さ
ｄ_２…凸部高さ
ｄ_３…溶融部深さ
ｄ…溝深さ、およびまたは溶融部深さの合計
Ｈ…溝または溶融部の圧延方向の幅
ｄｌ…照射ビームの圧延方向の径
ｄｃ…照射ビームの板幅（ビーム走査方向）の径
Ｐ…レーザパワー
Ｓ…照射ビーム面積
Ｉｐ…照射パワー密度
Ｕｐ…照射エネルギー密度
Ｔｃ…ビーム通過時間
η…鉄損改善率
△Ｂ８…磁束密度減少量
γ…占積率

Claims (2)

1. 鋼板の表面に、圧延方向にほぼ垂直で、且つ一定周期で線状の溝と溝内部中央部に凸の溶融再凝固層を形成して鉄損特性を改善した方向性電磁鋼板において、溝の深さをｄ_１、溝内部中央部の溶融再凝固層断面の高さをｄ_２として、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方向性電磁鋼板。
   １０≦ｄ_１≦４０μｍ
   ０．５≦ｄ_２／ｄ_１≦１．０
2. 請求項１記載の方向性電磁鋼板の製造方法において、レーザビームを走査照射して溝と溶融再凝固層を形成する条件として、レーザビームの照射パワーをＰ（Ｗ）、集光ビームのビーム走査方向径をｄｃ（ｍｍ）、集光ビーム面積をＳ（ｍｍ^２）、ビーム走査線速度をＶｃ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、ビーム通過時間Ｔｃ（ｓｅｃ）をＴｃ＝ｄｃ／Ｖｃ、照射エネルギー密度Ｕｐ（ｍＪ／ｍｍ^２）をＵｐ＝（Ｐ／Ｓ）×Ｔｃとで定義し、ＴｃとＵｐがそれぞれ以下の範囲であることを特徴とする磁気特性の優れた方向性電磁鋼板の製造方法。
   ０．２≦Ｕｐ≦１０ Ｊ／ｍｍ^２
   １≦Ｔｃ≦４００μｓｅｃ

Images