JP2013136824A - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鉄損と騒音の両者が共に低減した方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】鋼板の表面または内部に、局所的に格子欠陥密度が高い領域を形成して、磁区を細分化させた電磁鋼板について、マイクロビッカース硬度計で測定した上記高格子欠陥密度領域の硬度を、他の領域の硬度と同等またはそれ以下とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、変圧器の鉄心などの用途に使用される方向性電磁鋼板およびその製造方法に関するものである。

近年、エネルギの効率的使用を背景として、変圧器メーカなどにおいて、磁束密度が高く、鉄損が低い電磁鋼板が求められている。

磁束密度は、鋼板の結晶方位をゴス方位へ集積させることによって向上が可能であり、例えば特許文献１には、1.97Ｔを超える磁束密度Ｂ₈を有する方向性電磁鋼板の製造方法が開示されている。

一方、鉄損は、素材の高純度化、高配向性、板厚低減、Si，Al添加および磁区細分化によって改善が可能である（例えば非特許文献１）が、一般に磁束密度Ｂ₈を高くするほど鉄損は劣化する傾向にある。

例えば、磁束密度Ｂ₈の向上を目的として結晶方位をゴス方位へ集積させると、静磁エネルギが下がるため、磁区幅が広がって、渦電流損が高くなることが知られている。

そこで、渦電流損を低減する方法として、被膜張力の向上（例えば特許文献２）や熱歪みの導入による磁区細分化技術が利用されている。
しかしながら、特許文献２に示されるような被膜張力の向上方法は、付与する歪みが弾性域近傍と小さく、また張力は地鉄の表層のみにかかっているため、十分に鉄損を低減することができない。

一方、熱歪みの導入による磁区細分化は、プラズマ炎やレーザ、電子ビーム照射などによって行われている。
例えば、特許文献３には、電子ビーム照射によってＷ_17/50が0.8W/kgを下回る鉄損を有する電磁鋼板の製造方法が開示されており、電子ビーム照射は極めて有用な低鉄損化手法であることが分かる。
また、特許文献４には、レーザ照射によって、鉄損を低減する方法が開示されている。

ところで、プラズマ炎やレーザ、電子ビームなどを照射すると、磁区が細分化して渦電流損が下がる一方で、ヒステリシス損が増大することが知られている。
例えば、特許文献５には、レーザ照射などによって鋼板に生じる硬化領域が、磁壁移動を妨害して、ヒステリシス損を高くすると報告されている。

この問題に対し、特許文献５では、レーザ出力やスポット径比を調整することにより、レーザ走査方向と直角方向のレーザ照射によって硬化する領域を0.6mm以下に縮小させ、照射によるヒステリシス損の増大を抑制することで、鉄損の一層の低減を図っている。

さらに、近年の変圧器には、良好な生活環境を創出するために、高磁束密度、低鉄損であるだけでなく、低騒音であることが求められている。変圧器に生じる騒音は、主に鉄心の結晶格子の伸縮運動が原因であると考えられており、抑制手段の一つとして、単板の磁気歪みを低減することが有効であることが数多く示されている（例えば特許文献６等）。

特許第4123679号公報 特公平2-8027号公報 特公平7-65106号公報 特公平3-13293号公報 特許第4344264号公報 特許第3500103号公報

「軟磁性材料の最近の進歩」、第１５５・１５６回西山記念技術講座、社団法人日本鉄鋼協会、平成７年２月10日発行 「J.appl.phys. 91(2002), p.7854」 「日本応用磁気学会誌、25(2001)、p.895」 「JFE技報、No.18(2007)、p.23」

前掲特許文献５に示された低鉄損化の方法は、鋼板の硬化領域を縮小させるものの、縮小させた上記0.6mm以内には、「マイクロビッカース硬度計を用いて鋼板表面の硬さを測定し、 加工硬化による硬度上昇量が５％以上」と記される、硬化量が過度に大きな領域の形成を余儀なくされる。

一般に、熱線・光線・粒子線の照射によって磁区細分化を行う場合、照射部近傍における鋼板の急激な熱変形や、被膜の急激な蒸発に伴う鋼板への反力が大きいほど、照射部近傍の鋼板に、より高密度な転位領域が形成され、鋼板の硬度が上昇すると考えられる。このような転位密度が高くなるほど、ヒステリシス損が増加することが言われており、例えば非特許文献２には鋼板を引張変形させるとヒステリシス損が増加することが示されている。
また、照射部の硬化量が大きいほど、被照射材に照射面側が凹形状となる反りが顕著になる傾向がある。これは、硬化量が大きいほど、より大きな残留応力が生じるためと考えられる。

熱線・光線・粒子線の照射によって磁区細分化させた電磁鋼板は、変圧器の鉄心に使用される際、主に平坦な形状で積み重ねられて使用されるが、反りが大きいものほど平坦に矯正されたときの鋼板の内部応力が高くなる。その結果、励磁時に、結晶格子の伸縮に伴う鉄心の変形に加えて、内部応力を解放するような鉄心の変形モードが付加されるため、騒音が大きくなる。

本発明者らは、特許文献５に示されたような、従来の低鉄損化の方法は、鋼板の硬化領域を縮小させるものの、縮小させた上記0.6mm以内には、「マイクロビッカース硬度計を用いて鋼板表面の硬さを測定し、加工硬化による硬度上昇量が５％以上」と記される、硬化量が過度に大きな領域が形成されている点に着目し、かかる硬化量を低減させることができれば、さらなるヒステリシス損と騒音の低減が可能になるのではないかと考えた。

なお、一般には、鋼板に照射するエネルギを低減することによって、硬度増加をより小さくすることができれば、ヒステリシス損、さらには騒音の増大を抑制することができるが、照射エネルギを低減した場合、磁区細分化による渦電流損の低減効果が小さくなって、到達全鉄損（ヒステリシス損と渦電流損の和）が高くなるという問題がある（非特許文献３）。

さて、本発明者らは、上記の問題を解決するために、多くの実験を行って、熱線・光線・粒子線の照射による磁区細分化後の鉄損に及ぼす、磁区細分化前の素材特性の影響について調査を行い、低鉄損化に有利な素材特性を突き詰めた。
その結果、被照射材を選別することによって、従来よりも低い照射エネルギで、十分な低鉄損化を達成することが可能になることの知見を得た。
また、照射エネルギを低くできるので、照射による鋼板の硬化量が格段に小さくなり、変圧器騒音も低減することが判明した。
さらに、本発明者らは、照射時間の長時間化や、熱線・光線・粒子線照射の手法としてFeよりも質量の小さい荷電粒子を照射すること、あるいは、鋼板上の熱線・光線・粒子線照射部の平均走査速度を30m/s以下とするによって、鉄損および騒音をさらに低減できることの知見を得た 。

以下、上記した各手段について具体的に説明する。
［低鉄損化に有利な素材特性の選別］
本発明者らは、磁区細分化処理後の磁気特性（渦電流損およびヒステリシス損）が、処理前の鉄損に影響されることを見出した。
すなわち、図１に示すように、照射後の渦電流損Ｗe_17/50は、照射前の渦電流損Ｗe_17/50が低いほど低くなり、また図２に示すように、照射後のヒステリシス損Ｗh_17/50は、照射前のヒステリシス損Ｗh_17/50が低いほど低くなる。ここで、渦電流損Ｗe_17/50は、全鉄損Ｗ_17/50からヒステリシス損Ｗh_17/50を引いた値であり、各データの試料の化学組成、被膜張力は同等である。また、ここでの磁区細分化手法は、Arプラズマ炎照射によるもので、照射条件は同じである。
上記の結果から、照射後の鉄損を低減するためには、照射前の渦電流損およびヒステリシス損の両者を低減することが重要であることが分かる。

一般的な方向性電磁鋼板において、これらは、被膜張力の増大などによって達成可能であるものの、被膜張力や鋼板の化学組成などが同等である場合には、図３に示すように、ヒステリシス損が低い鋼板ほど渦電流損が高くなる傾向がある。これは、ヒステリシス損は、結晶粒がゴス方位からずれた場合に生成するランセットなどの補助磁区がより多く形成されている場合、換言すると磁束密度が低い場合、に高くなる一方で、結晶粒がゴス方位からずれると、磁区幅が狭くなって、渦電流損が低くなるためである。
したがって、照射後の鉄損を低減するために、照射前にヒステリシス損が低く、渦電流損が高い方が有利なのか、逆にヒステリシス損が高く、渦電流損が低い方が有利なのかは、これまで不明であった。

本発明者らの実験結果によれば、照射後の鉄損は、以下のように照射前のヒステリシス損と良い相関があることが判明した。
照射後鉄損＝照射後ヒステリシス損＋照射後渦電流損
≒0.71×照射前ヒステリシス損＋0.11＋0.15×照射前渦電流損＋0.31
≒0.71×照射前ヒステリシス損＋0.11＋0.15（−0.56×照射前ヒステリシス損＋0.71)＋0.31
≒0.62×照射前ヒステリシス損＋0.57

上記式は、いくつかの仮定を含むものであるが、図４に示される照射後の全鉄損におよぼす照射前ヒステリシス損の影響から近似的に得られる回帰式とほぼ同等の結果になっており、照射後の全鉄損を低減するためには、照射前のヒステリシス損を低減することが重要であることを示している。
また、上記の結果は、プラズマ炎照射法を用いた場合の結果であるが、レーザ照射や電子ビーム照射においても同様に、照射前ヒステリシス損が低いほど、照射後の全鉄損が低くなる傾向が認められた。

すなわち、本発明者らは、実験により、
(1) 照射前の鉄損が同等な場合、全鉄損に対するヒステリシス損比が小さい方が、同一のエネルギを照射した場合に、鉄損を低くすることができる、
(2) 照射前後の鉄損が同じであっても、照射前の全鉄損に対するヒステリシス損比が小さい方が、少ない照射エネルギで渦電流損を低減させることができるため、照射によって鋼板に導入する格子欠陥の量を少なく、さらに照射部の硬化を抑制することができるため、照射後のヒステリシス損と騒音を低くすることができる
ことを明らかにした。

［Feよりも質量の小さい荷電粒子照射による低鉄損化、低騒音化］
また、本発明者らは、表１に示すとおり、熱線・光線・粒子線照射方法として、Feよりも質量の小さい荷電粒子を使用することによって、照射後のヒステリシス損をさらに低減できることを見出した。

表１に示したとおり、レーザに比較して、Arプラズマ炎、電子ビームを照射した場合にヒステリシス損がより低くなっている。
この詳細な理由は不明であるが、荷電粒子は鋼板内部への侵入深さが、レーザに比較して大きいために、鋼板内部の影響領域は板厚方向に広く分散するようになる結果、局所的な、過度に格子欠陥密度の高い領域が少なくなるためと考えられる。例えば、加速電圧：150kVの場合、電子侵入深さは、Archard, Kanaya and Okayama のモデルによれば、41μmと見積もられるが、これは板厚が0.23mmの場合、板厚の18％と大きい。また、プラズマ炎、電子ビーム照射は、レーザ照射に比較して、照射部の被膜・地鉄溶融が少ないことが発明者らの実験で明らかになっており、凝固時に生成する格子欠陥の導入や、被膜からの不純物元素の混入が少なくなることが影響している可能性も考えられる。

［鋼板上の照射部平均走査速度を30m/s以下とすることによる低鉄損化、低騒音化］
鋼板内部の局所的な、過度に格子欠陥密度の高い領域を減少させる方法として、単位時間当たりの照射エネルギが低い熱線・光線・粒子線を長時間照射する方法が考えられる。この場合、照射する熱線・光線・粒子線のエネルギは、照射中に、照射表面から鋼中に拡散するため、より照射面から板厚方向に離れた領域まで鋼が高温化し、磁区細分化効果が高まる。また、単位時間あたりの照射エネルギが過度に高く、照射時間が短い場合に確認できるような、照射部の局所的な高温化による過大な変形も抑制される。

本発明者らは、以上の方法により、熱線・光線・粒子線照射部の硬化を限りなく小さくすることを試みた結果、照射部の硬度を、非照射部の硬度と同等以下にできること、そして硬度測定における硬度増加が認められない場合には、磁気特性が飛躍的に増加することを突き止めた。
なお、ここでいう同等とは、非照射部の硬度測定データ10点平均値と、照射部の硬度測定データ10点平均値の差（≧０）、すなわち照射による硬度上昇分が非照射部の硬度測定データ10点の標準偏差の１／２に比較して小さいことを言う。

照射部の硬度が非照射部の硬度と同等以下になる詳細なメカニズムは不明であるが、以下のように推定できる。
従来技術に見られるように、硬度増加が認められる場合には、熱線・光線・粒子線を照射することによって生じる格子欠陥として、ヒステリシス損を増大させるような欠陥（例えば、高密度転位など）が多いため、鉄損の劣化作用がある一方で、本発明に示す格子欠陥の導入手法では、わずかに導入された可動転位が、照射部の変形抵抗を減少させることなどの理由によって、硬度が低減したものと考えられる。なお、可動転位の導入が母材の強度を下げるという報告が非特許文献４になされている。
本発明は、上記の知見に立脚して完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．鋼板の表面または内部に、局所的に格子欠陥密度が高い領域を形成して、磁区を細分化させた電磁鋼板において、マイクロビッカース硬度計で測定した上記高格子欠陥密度領域の硬度が、他の領域の硬度と同等またはそれ以下であることを特徴とする方向性電磁鋼板。

２．全鉄損に対するヒステリシス損の比率が45％未満である鋼板に対して、圧延直角方向から30°以内の角度の方向に、圧延方向に10mm以下の周期的な間隔をもって、熱線、光線または粒子線を照射することを特徴とする、前記１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

３．粒子線の照射が、Feよりも質量の小さい電荷粒子の照射であることを特徴とする前記２に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

４．熱線、光線または粒子線の照射を、鋼板上における照射部平均走査速度が30m/s以下の条件で行うことを特徴とする前記２または３に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明に従い、熱線・光線・粒子線を照射することによって、照射部の硬度上昇が認められない方向性電磁鋼板を製造することが可能となり、また鉄損Ｗ_17/50を0.80W/kg未満にすることができるだけでなく、騒音を45dBA以下とすることができる。なお、騒音は暗騒音により変動するため、本測定においては、常に暗騒音が25dBAとなるよう調整した。
従って、本発明によれば、鉄損の低減により、変圧器におけるエネルギ使用効率の向上のみならず、騒音の抑制も併せて達成できるので、産業上極めて有用である。

Arプラズマ炎の照射前の渦電流損Ｗe_17/50と照射後の渦電流損Ｗe_17/50との関係を示した図である。 Arプラズマ炎の照射前のヒステリシス損Ｗh_17/50と照射後のヒステリシス損Ｗh_17/50との関係を示した図である。 Arプラズマ炎の照射前のヒステリシス損Ｗh_17/50と照射前の渦電流損Ｗe_17/50との関係を示した図である。 Arプラズマ炎の照射前のヒステリシス損Ｗh_17/50と照射後の全鉄損Ｗ_17/50との関係を示した図である。 電子ビーム照射前における鋼板の全鉄損に対するヒステリシス損の割合と照射後の全鉄損Ｗ_17/50との関係を示した図である。 電子ビーム照射前における鋼板の全鉄損に対するヒステリシス損の割合と照射後のヒステリシス損Ｗh_17/50との関係を示した図である。 電子ビームの照射要領を示した図である。 モデルトランス変圧器の鉄心形状を示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
［被照射材］
本発明は、方向性電磁鋼板に適用され、鋼板としては、地鉄の上に絶縁被膜などのコーティングを備えていても、いなくてもいずれでも良い。

また、本発明において、熱線・光線・粒子線照射後の全鉄損を0.80W/kg未満とするためには、図５に示すとおり、照射前において、鋼板の全鉄損に対するヒステリシス損の割合を45％未満とすることが重要である。そして、さらに鉄損を低減するためには、ヒステリシス損の割合を一層下げることが好ましい。なお、ヒステリシス損の割合が45％未満であった試料の照射後の硬度は、全て本発明で規定した条件を満たしている。
ここで、図５のデータは、照射前全鉄損Ｗ_17/50が0.75〜0.96W/kg、照射前Ｂ₈が1.880〜1.950Ｔ、被膜張力が15〜16MPaの範囲であり、照射は電子ビームで行った。

また、図５および６に示すように、鋼板の全鉄損に対するヒステリシス損の割合が45％以上の場合には、照射後の全鉄損、特にヒステリシス損が増大することが分かる。

次に、表２に、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が45％未満である試料と、45％以上の試料について、パルスレーザを照射した後の鉄損、照射部の硬度上昇量、反りおよび騒音について調べた結果を示す。なお、硬度、反りおよび騒音については、実施例で示す条件で測定を行った。また、騒音測定用に使用した試料は、同一コイルから長手方向に連続的に切出した試料であり、コイル幅端部：100mmの部分からの切出しは行っていない。

表２にから明らかなように、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が45％未満である場合には、照射エネルギをわずかに低減することによって、0.80W/kg以下の低鉄損と45dBA以下の低騒音を両立させることが可能となる。
特に、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が35％未満である場合には、照射エネルギをわずかに低減することによって、0.70W/kg以下の低鉄損と40dBA以下の低騒音を両立することが可能となる。
一方、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が35％より大きい場合、鉄損が0.70W/kg以下となる照射条件はあるものの、照射部の硬度が高くなって、騒音が40dBAよりも大きくなってしまう。また、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が45％以上の場合には、鉄損が0.80W/kg超になってしまう。

なお、ヒステリシス損の割合が45％未満とするためには、結晶粒の＜１００＞の先鋭性を高めるか、鋼板に張力被膜を塗布するなどの方法によって、還流磁区を低減すれば良く、かような技術については従来技術を適用することができる。また、新しい技術でもってさらにヒステリシス損を低減しても支障はない。

［熱線・光線・粒子線照射手法］
本発明は、熱線・光線・粒子線照射によって、鋼板に局所的な格子欠陥領域を形成し、磁区を細分化させることによって、低鉄損化を図るものであるが、その方法は、主にプラズマ炎照射、レーザ照射、電子ビーム照射など、鋼板に局所的に、熱線・光線・粒子線を照射できるものであれば良い。
格子欠陥領域の形成に際しては、熱線・光線・粒子線照射部を、鋼板の幅端部からもう一方の幅端部まで、その方向が鋼板の圧延直角方向から30°以内の角度になるように、鋼板表面を走査させる。この走査は、直線状であっても良いし、波形などの規則的なパタンを有する曲線状であっても良い。
また、照射を要する材料の幅が広すぎる場合には、複数の照射源を用いて照射しても良い。

さらに、鋼板への熱線・光線・粒子線の照射は、上記直線あるいは曲線走査線上で、連続的であっても良いし、断続的であっても良い。
特に電子ビーム照射などの場合には、走査線に沿って、照射時間が、図７に示すように、長時間（ｓ₁）、短時間（ｓ₂）を繰り返すようにして行うことが多い。この繰り返しの距離周期（以下、ドットピッチという）は、0.5mm以下とすることが好ましい。通常、ｓ₂はｓ₁に対して十分短く無視できる（パルスレーザ照射の場合は、ｓ₂＝０である）ため、ｓ₁の逆数を照射周波数として良い。ドットピッチが0.5mmより大きい場合には、十分なエネルギが照射される面積が減少し、十分な磁区細分化効果が得られない。

また、照射部の鋼板上走査速度は、100m/s以下とすることが好ましい。走査が高速化すると、生産能力増強などの利点がある一方で、磁区細分化するために必要なエネルギを照射するために、単位時間当たりに照射するエネルギを高くする必要がある。特に、走査を100m/sよりも高速化すると、単位時間当たりの照射エネルギが過度に高くなり、装置の安定性・寿命などに支障をきたす可能性がある。
一方、走査が遅い場合、鋼板上で熱線・光線・粒子線が照射されている時間が長くなるため、照射中に、照射した熱線・光線・粒子線のエネルギが照射表面から鋼中に拡散し、より照射面から板厚方向に離れた領域まで鋼が高温化する。この場合、走査が速く、短時間で急激に高温化する条件で照射した場合にしばしば見られる照射部の地鉄溶融と、それに伴う照射部の過度の高転位密度領域の形成も抑制される。したがって、走査は遅い方が良く、特に30m/s以下にすると、上記効果が得られやすい。

また、上記の鋼板の端部から端部までの走査は、圧延方向に２〜10mmの間隔をおきながら繰り返し行う。この間隔が過度に短いと、生産能力が過度に減少してしまうため、２mm以上とするのが好ましい。また、過度に長いと、磁区細分化効果が十分発揮されないため、10mm以下とすることが好ましい。
なお、その他、照射エネルギ、ビーム径、またプラズマ炎照射の場合にはノズル径などは、ＷＤ、トーチ先端と鋼板間の距離、真空度などの条件によって調整範囲、適正値が異なるため、従来知見に基づき適宜調整をすれば良い。

［熱線・光線・粒子線照射部の硬化の定量化］
熱線・光線・粒子線照射部の硬化の定量化は、例えば、ビッカース硬度を測定することによって行う。本発明でいう硬度とは、地鉄の硬度を指す。
一般に、レーザやプラズマ炎などは、張力コートや酸化物被膜が表面に付いている鋼板表面に照射するが、照射によって、被膜に応力がかかったり、一部の被膜が蒸発・溶融したりすることがある。そのため、被膜の硬度が、照射部近傍と、それ以外で異なる可能性があり、各点の硬度比較により、地鉄の硬度を直接比較することができない。さらに、被膜は多くの場合、脆性を有することから、通常延性材料の硬度を測定するビッカース硬度試験に適さない。JIS Z 2244においても、測定試料表面に酸化物などの異物がないことを規定している。

したがって、被膜付きの試料の硬度測定をするにあたり、事前に被膜を除去した。被膜除去処理後、被膜が残存しないことは、EPMA測定などにより簡易に確認することができる。除去の方法は、従来知見に基づき行えば良いが、被膜除去の際、地鉄を削ることが無いように注意する必要がある。例えば、硝酸水を用いて酸化物被膜を除去する場合には、５％以下の濃度に希釈して使用することが好ましい。ただし、被膜と地鉄の界面の凹凸が大きい場合には、被膜の除去の際に、若干の地鉄溶出が認められるが、過度に溶出させると、格子欠陥導入領域が消失すると考えられるため、地鉄の板厚減少量としては３μm以下、望ましくは１μm以下にする必要がある。

被膜を除去した試料表面硬度は、マイクロビッカース硬度計を用いて測定した。試験力は0.49Ｎ（50gf）、保持時間は15ｓとした。試料は、測定中動かないように、マグネットチャックなどを用いて固定した。
硬度は、測定データのばらつきを考慮して十分なデータを平均して求める。また、圧痕の２方向の対角線長さの比（≧１）が1.5以上のときや、対角線長さが不明瞭な場合には、再測定を行った。
また、硬度測定に使用する試料のサイズは、結晶粒径よりも十分大きいサイズであることが望ましいと考えられ、少なくとも照射後の硬度測定部近傍に、剪断などによる歪の影響がないようにした。

［鉄損の評価］
圧延方向：280mm、圧延直角方向：100mmの試料を用い、JIS C 2556に準拠した単板磁気試験装置による磁気測定（磁束密度Ｂ_８、全鉄損Ｗ_17/50の測定）を行った。なお、測定値はエプスタイン測定換算値で示した。また、同じ試料について、直流磁化（0.01Hz以下）で、磁束最大値：1.7Ｔ、最小値：−1.7ＴのヒステリシスＢ−Ｈループの測定を行い、このＢ−Ｈループ１周期から求めた鉄損をヒステリシス損とした。渦電流損は、直流磁化測定により得られたヒステリシス損を全鉄損から差し引くことで、算出した。

［反りの評価］
圧延方向：280mm、圧延直角方向：100mmの試料を水平面に置き、水平面からの試料位置をレーザ変位計で測定し、熱線・光線・粒子線照射後の最大反りを、処理前の最大反りで引いた値を反りとした。

［騒音の評価］
騒音は、三相三脚の積み鉄心型の変圧器を模擬した、モデルトランス変圧器を用いて評価を行った。図８に示すように、モデルトランス変圧器の外形：500mm角、幅：100mmの鋼板で構成される。鋼板を、図８に示す形状に斜角切断し、積み厚：約15mm、鉄心重量：約20kgとなるように、0.23mm厚鋼板では70枚、0.27mm厚鋼板では60枚、0.20mm厚鋼板では80枚積層する。本測定では、斜角剪断した試料の長手方向が圧延方向となるようにした。積層方法は２枚重ねの５段ステップラップ積みとした。具体的には、中央の脚部材（形状Ｂ）として、対称の部材（Ｂ−１）１種と、非対称の部材（Ｂ−２，Ｂ−３）２種の計３種（実際には、非対称部材（Ｂ−２，Ｂ−３を裏返すことで都合５種）を用い、実際の積み方は例えば「Ｂ−３」「Ｂ−２」「Ｂ−１」「Ｂ−２反転」「Ｂ−３反転」の順に積む。
鉄心は平面上に平積みし、さらにベークライト製の押さえ板で約0.1MPaの加重で挟み込いで、固定した。三相は120°位相をずらして励磁を行い、磁束密度：1.7Ｔにおいて、騒音測定を行った。騒音は、鉄心表面より20cm離れた位置（２箇所）にてマイクで測定し、Ａスケール補正を行ったdBA単位で表す。

［素材の成分組成］
本発明の方向性電磁鋼板の素材は、被照射材として上述したとおりであるが、素材の成分組成としては以下の元素が挙げられる。
Si：2.0〜8.0質量％
Siは、鋼の電気抵抗を高め、鉄損を改善するのに有効な元素であるが、含有量が2.0質量％に満たないと十分な鉄損低減効果が達成できず、一方8.0質量％を超えると加工性が著しく低下し、また磁束密度も低下するため、Si量は2.0〜8.0質量％の範囲とすることが好ましい。

Ｃ：50質量％以下
Ｃは、熱延板組織の改善のために添加を行うが、最終製品では磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが好ましい。

Mn：0.005〜1.0質量％
Mnは、熱間加工性を良好にする上で必要な元素であるが、含有量が0.005質量％未満ではその添加効果に乏しく、一方1.0質量％を超えると製品板の磁束密度が低下するため、Mn量は0.005〜1.0質量％の範囲とすることが好ましい。

上記の基本成分以外に、磁気特性改善成分として、次に述べる元素を適宜含有させることができる。
Ni：0.03〜1.50質量％、Sn：0.01〜1.50質量％、Sb：0.005〜1.50質量％、Cu：0.03〜3.0質量％、Ｐ：0.03〜0.50質量％、Mo：0.005〜0.10質量％およびCr：0.03〜1.50質量％のうちから選んだ少なくとも１種
Niは、熱延板組織を改善して磁気特性を向上させるために有用な元素である。しかしながら、含有量が0.03質量％未満では磁気特性の向上効果が小さく、一方1.50質量％を超えると二次再結晶が不安定になり磁気特性が劣化する。そのため、Ni量は0.03〜1.50質量％の範囲とするのが好ましい。
また、Sn，Sb，Cu，Ｐ，MoおよびCrはそれぞれ、磁気特性の向上に有用な元素であるが、いずれも上記した各成分の下限に満たないと磁気特性の向上効果が小さく、一方上記した各成分の上限量を超えると二次再結晶粒の発達が阻害されるため、それぞれ上記の範囲で含有させることが好ましい。
なお、上記成分以外の残部は、製造工程において混入する不可避的不純物およびFeである。

本実施例で熱線・光線・粒子線を照射した試料は、圧延方向のＢ₈が1.89Ｔから1.95Ｔであり、被膜付きの方向性電磁鋼板および被膜なしの方向性電磁鋼板である。被膜付きの鋼板は、地鉄の表面に、Mg₂SiO₄を主成分とするガラス状被膜およびその上に無機物の処理液を焼き付けた被膜（リン酸塩系コーティング）の２層の被膜が存在する構造になっている。鉄損については表３に示すとおりである。
熱線・光線・粒子線により格子欠陥を導入する手法として、レーザ照射、電子ビーム照射、また比較としてボールペン、ナイフによる罫書きを用いた。各照射および罫書きに際しては、レーザ照射部、電子ビーム照射部、ボールペン先端部、ナイフ先端部を鋼板の圧延直角方向に、全幅にわたって直線状に走査させた。ここで、レーザでは、連続照射（ドットピッチ：０）またはパルス照射（パルス間隔：0.3mm）、走査速度：10m/s、圧延方向の繰返し間隔は５mmあるいは3.5mmとした。また電子ビームでは、ドットピッチが0.3mm、照射周波数は100kHz、走査速度は30m/sまたは４m/s、圧延方向の繰返し間隔は５mmあるいは3.5mmとした。また、ボールペン罫書きは、ゼブラ株式会社製のN5000に50ｇの分銅を載せて行い、ナイフ罫書きは、手力にて適当な荷重で行った。レーザは、連続照射の場合はファイバーレーザ、パルス照射の場合はYAGレーザを用い、前者は波長：1070nm、後者は波長：1064nmとした。電子ビームは、加速電圧40kV以上、収束コイル中心から被照射材までの最短距離（ＷＤ）が700mm、加工室の圧力は２Pa以下とした。

上記方法により格子欠陥を導入した後、被膜付き試料については、硬度測定の前に、次の要領で被膜を除去した。はじめに、水酸化ナトリウム1200ｇを４Ｌの水に混ぜ、110℃に加熱した溶液に７分間浸漬させ、リン酸塩系コーティングを除去した。続いて、67.5％硝酸50mLを１Ｌの水で希釈して、4.4％の硝酸水溶液（常温）とし、この硝酸水溶液に試料を２〜４分間浸漬させ、ガラス状被膜を除去した。各処理の後には、当然のことながら、処理液が鋼板表面に残存しないように処理した。
硬度は、熱線、光線、粒子線照射による照射痕、罫書き痕近傍の領域で測定した。照射痕が明瞭で無い場合は、照射の前に予め鋼板表面に油性ペンなどで線を記入しておけば、熱照射された部分の線が気化して消失するので、照射部を特定することができる。ペンの影響は小さいと考えられるが、気になる場合には、照射エネルギを少し強めにして照射テストを行い、照射痕位置を予め特定しておけば良い。また、硬度測定は、照射痕、罫書き痕中心からの圧延方向距離Ｘが0.50mm以下の領域で行い、各Ｘ（0，0.05，0.07，0.13，0.25，0.50mm）で、10点の測定を行い、その平均値を硬度測定値とした。以下、この10点平均硬度を単に「硬度」と称する。なお、磁区細分化手法、熱線・光線・粒子線の照射条件によっては、照射部、罫書き部に大きな凹凸が生じることがあるが、その部分の硬度測定は行っていない。また、熱線・光線・粒子線非照射部の硬度は、照射痕、罫書き痕から２mm離れた位置の硬度とした。

表３，４に、実験結果を示す。
なお、表中照射痕近傍の最大硬度とは、照射痕、罫書き痕中心からの圧延方向距離Ｘが0.50mm以内の領域で測定した硬度の最大値である。

表３，４から明らかなように、照射前に、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が35％以下である鋼板に対して熱線・光線・粒子線を照射することにより、全鉄損Ｗ_17/50を0.70W/kg以下、騒音を40dBAを以下とすることができる。ただし、適切な条件で照射を行わない場合には、No.15のように、上記の範囲を逸脱する。No.15は、従来技術に示されるよりも出力が過度に高い条件で照射した場合である。
また、0.70W/kg、40dBAを下回った上記鋼板の多くは、熱線・光線・粒子線非照射部の硬度に対する照射部の硬度増加が、10点測定の標準偏差に比較して十分小さいため、熱線・光線・粒子線非照射部硬度と照射部の硬度に有意差があるとは認められない。すなわち、照射部に硬度増加が認められない。なお、その他一部の試料については、照射によって硬度の減少が認められた。
一方、パルスレーザ照射の場合は、特にNo.15、16の試料に見られるように、照射によるヒステリシス損の増大が高く、照射部の硬度上昇が非常に大きいことが分かる。
また、No.16に示されるように、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が35％より大きい鋼板であっても、鉄損が0.70W/kgを切ることが可能である。しかし、十分な磁区細分化をするために、高いエネルギを鋼板に照射するため、照射部の硬度、試料の反り、騒音が大きくなってしまう。
No.７，８，13の比較およびNo.３，14の比較に見られるように、電子ビーム照射材は、レーザ照射材に比較して、鉄損−騒音のバランスに優れている。
No.22と23の比較に見られるように、低速走査の方が、鉄損−騒音バランスが良い。
これに対し、ボールペンや、ナイフによって鋼板表面に罫書き線を入れて、磁区細分化する手法では、十分な鉄損低減効果がないばかりか、ナイフ罫書きの場合には、罫書き部の硬度上昇量が大きく、ヒステリシス損が高くなる。
また、No.26，27に見られるように、照射前に、全鉄損に対するヒステリシス損の割合が45％以下である鋼板に、照射部に硬度増加を生じないよう熱線・光線・粒子線を照射することによって、0.80W/kg、45dBAを下回らせることができる。
なお、No.28〜30は板厚が0.20mmの鋼板、その他は板厚が0.23mmの鋼板である。

Claims (4)

1. 鋼板の表面または内部に、局所的に格子欠陥密度が高い領域を形成して、磁区を細分化させた電磁鋼板において、マイクロビッカース硬度計で測定した上記高格子欠陥密度領域の硬度が、他の領域の硬度と同等またはそれ以下であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
2. 全鉄損に対するヒステリシス損の比率が45％未満である鋼板に対して、圧延直角方向から30°以内の角度の方向に、圧延方向に10mm以下の周期的な間隔をもって、熱線、光線または粒子線を照射することを特徴とする、請求項１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
3. 粒子線の照射が、Feよりも質量の小さい電荷粒子の照射であることを特徴とする請求項２に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
4. 熱線、光線または粒子線の照射を、鋼板上における照射部平均走査速度が30m/s以下の条件で行うことを特徴とする請求項２または３に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

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