JP4846429B2

JP4846429B2 - 低鉄損方向性電磁鋼板およびその製造方法

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Publication number: JP4846429B2
Application number: JP2006121576A
Authority: JP
Inventors: 聡新井; 秀行濱村; 辰彦坂井; 薫佐藤; 英之小林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JP2007002334A

Description

本発明は変圧器等の静止誘導器に使用される方向性電磁鋼板の鉄損低減技術に関する。

方向性電磁鋼板は、主として変圧器に代表される静止誘導器に使用される。その満たすべき特性としては、(1) 交流で励磁したときのエネルギー損失すなわち鉄損が小さいこと、(2) 機器の使用励磁域での透磁率が高く容易に励磁できること、(3) 騒音の原因となる磁歪が小さいこと等があげられる。特に(1) に関しては、変圧器が据え付けられてから廃棄されるまでの長期間にわたって連続的に励磁されエネルギー損失を発生し続けることから、変圧器の価値を表わす指標であるＴ．Ｏ．Ｃ．(Total Owning Cost) を決定する主要なパラメータとなる。

この方向性電磁鋼板の鉄損を低減するために、今までに多くの開発がなされてきた。すなわち、(1) ゴス方位と呼ばれる（１１０）［００１］方位への集積を高めること、(2) 電気抵抗を高めるＳｉ等固溶元素の含有量を高めること、(3) 鋼板の板厚を薄くすること、(4) 鋼板に面張力を与えるセラミック被膜や絶縁被膜を付与すること、(5) 結晶粒の大きさを小さくすること等である。しかしこれら冶金学的な手法による鉄損改善には限度があり他の手法による鉄損低減が求められていた。

この課題に対して、A. Fiedler, W. Pepperhofは特許文献１で、方向性電磁鋼板の表面にカッター等で溝をつけ磁区構造を変えることによって鉄損を低減する手法を提案している。方向性電磁鋼板は、一般的に、互いに反対方向の磁化成分を持つスラブ状の磁区が交互に並んだ磁区構造を持ち、これら磁区が外部磁場下で拡大／縮小することによって磁化が行われる。従って、方向性電磁鋼板が磁化されるときには、隣接する磁区の境界（磁壁）の部分のみで磁化変化が生じる。この磁化変化に伴って鋼板中には渦電流が流れ、前述した鉄損の原因の６０〜７０％を占める（渦電流損）。
渦電流損は渦電流の２乗に比例し、渦電流は磁壁の移動速度に比例する。磁区幅を狭くすると渦電流の発生する部位は多くなるが、磁壁の移動速度は磁区幅に逆比例して小さくなるから、結果として渦電流損は磁区幅にほぼ比例して小さくなる。

この磁区細分化の手法を工業的に利用可能なものとするため、さらに様々な発明がなされた。例えば特許文献２にあるように、鋼板面に直径０．２〜１０ｍｍの小球を押しつけながら回転させ、表面にキズをつけずに歪みを導入する方法、特許文献３にあるように、圧延方向とほぼ直角方向にレーザビームを照射し微少塑性歪を加える方法、特許文献４にあるような、圧延方向とほぼ直角方向にプラズマ炎を線状に放射する方法等がある。
これらは何れも鋼板に微少な塑性歪を導入し、磁歪の逆効果によって安定化された圧延方向と直角方向の磁化成分を持つ磁区を利用して磁区を細分化する技術である。特にレーザ照射により磁区細分化した方向性電磁鋼板（以下、レーザ磁区制御方向性電磁鋼板と称す）は、低損失を必要とする電力用の積層大型変圧器に工業的に広く使用されており、近年の排出ＣＯ₂削減を目的としたエネルギー消費削減の大きな流れの中で、その需要は大きな高まりを見せている。

しかし、特許文献２では機械的な歪の導入のみであり、大きい鉄損の低減は望めないことに加え、鋼球を圧延直角方向に移動する必要があることから、工業的実現することが困難である。特許文献３では、鉄損低減率は高いものの、磁歪との両立の面で更なる改善が望まれる。特許文献４では、歪量を制御することが難しく、安定して低鉄損を得ることが困難であるという課題がある。

さらに特許文献５において、方向性電磁鋼板の表面にレーザ光束を照射して幅５０〜３００μｍ、深さが鋼板板厚の５〜３５％で通板方向に対し直角から±１５°以内で間隔が５〜３０ｍｍの溶融凝固線部を形成させた後に、張力付与絶縁被膜処理を施すことを特徴とする低鉄損方向性電磁鋼板の製造方法が開示されている。しかし上記技術は、歪取り焼鈍を施す小型の巻鉄心変圧器での鉄損低減を企図したものであり、歪取り焼鈍行わない大型の積鉄心変圧器では、過剰な歪が導入されることにより安定して低鉄損、低磁歪を得難く、むしろ鉄損が大きくなるという課題がある。

一方で変圧器やリアクトル等の静止誘導器は、鉄心を交流励磁すると騒音を発生するが、この騒音は電力需要の増大に伴い多数の変圧器が都市内に設置されていること、また近年の環境重視の風潮から、その低減が強く求められている。騒音の原因としては、励磁コイル間の電磁力による振動、鉄心の継ぎ目および層間の磁気力による振動、電磁鋼板の磁歪による振動等が考えられる。

これらの内、鉄心からの騒音を低減する方法については、例えば鉄心の設計磁束密度を低くすることにより低磁束密度での電磁鋼板の低磁歪性を利用すること、あるいは非特許文献１に示されているように、高配向性の方向性電磁鋼板を用いて磁歪を低減すること、表面皮膜の張力を上げること等が有効であることが知られている。また、特許文献６に開示されるように、鉄心の締め付け方法を限定することによっても騒音を低減することができる。さらに、特許文献７に開示されるように、鉄心を遮音ケースで取り囲むことや、特許文献８に開示されるように、変圧器を防振ゴムの上に設置することによっても騒音を減らすことができる。

しかしこれらの技術では、変圧器に付帯の設備を設置する必要があり、著しいコスト増を招くという課題がある。

上述したレーザ磁区制御方向性電磁鋼板はレーザの照射条件によって磁歪特性が変化することが、非特許文献２に報告されている。具体的には、レーザの照射エネルギー密度Ｕａ値を変化させることにより、磁歪特性が変化し、適正なＵａ値を選択することにより、磁歪を低減できることが報告されている。しかし上記技術では、磁歪低減に関して最大限の効果が得られないという問題がある。
米国特許第３６４７５７５号明細書特公昭５８−５９６８号公報特公昭５７−２２５２号公報特開昭６２−９６６１７号公報特許２６４７３２２号公報特開昭４７−２８４１９号公報特開昭４８−８３３２９号公報特開昭５６−４０１２３号公報ＩＥＥＥ Transactions，MAG-8(1972) ，p.677 日本応用磁気学会誌，Vol.25，No.4-2，2001

このようにして、方向性電磁鋼板の鉄損は著しく改善されてきたが、文明化、工業化によってエネルギー消費は伸びており、また化石エネルギー資源の枯渇に対する懸念、ＣＯ₂による地球温暖化に対する要望から、より一層の鉄損低減が求められている。また変電設備が都市部に作られるようになり、変圧器の発生する騒音をより低減することが求められてきている。

本発明者らは、レーザ照射による磁区制御を施した低鉄損方向性電磁鋼板を鋭意研究の結果、レーザ照射によって導入される凝固層の厚み、およびレーザ照射部の表面粗度及び凹型の断面形状を制御することによって極めて低い鉄損で、かつ低騒音の方向性電磁鋼板及びその製造方法を実現できた。

すなわち、本発明は以下の構成を要旨とする。
（１）レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部の圧延直角方向よりみた断面形状が幅３０〜２００μｍ、深さ１〜１０μｍの凹型形状であって、レーザ照射部の凝固層厚みが０．１〜４μｍであることを特徴とする方向性電磁鋼板。
（２）レーザ照射部を圧延方向に走査して粗度測定を行った際の表面粗度Ｒｚの値が４μｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の方向性電磁鋼板。
（３）鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離が３０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の方向性電磁鋼板。
（４）鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離が３〜５ｍｍであることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の方向性電磁鋼板。

（５）レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板の製造方法において、コア直径５００μｍ以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置を用い、レーザ照射径、レーザパワー、パワー密度、スキャン速度及び照射継続時間のいずれか１種又は２種以上を変更して鋼板上にレーザ照射することにより、レーザ照射部の圧延直角方向よりみた断面形状が幅３０〜２００μｍ、深さ１〜１０μｍの凹型形状にすると共に、レーザ照射部の凝固層厚みを０．１〜４μｍとすることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
（６）前記レーザ照射を、コア直径２００μｍ以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置によりレーザ照射することを特徴とする前記（５）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
（７）鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離を３０ｍｍ以下にすることを特徴とする前記（５）又は（６）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
（８）鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離を３〜５ｍｍにすることを特徴とする前記（５）又は（６）に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。

本発明により、方向性電磁鋼板の鉄損と磁歪を低減することができる。

本発明者等は、質量にして３．３％のＳｉを含む方向性電磁鋼板の成品板（板厚０．２３ｍｍ）に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径１０μｍのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は４ｍｍ、圧延方向の照射部長さは５０μｍ〜２００μｍまで変化させた。また、レーザ照射径、レーザパワー、パワー密度、スキャン速度のレーザ照射条件を変更することにより、圧延直角方向より見た凹型断面形状および凝固層厚み（図１に例示）を変更した。また、比較例としてＣＯ₂レーザ、ＹＡＧレーザについても実施した。各試料の磁気測定結果を表１に示す。鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表１より解るように、（１）、（２）、（４）、（５）の試料が励磁磁束密度１．９Ｔの高磁場における鉄損（高磁場鉄損）Ｗ_19/50、磁歪λ１９_p-pがともに他の試料に較べて優れている。

本発明により、励磁磁束密度１．９Ｔの高磁場（高磁束密度）での低鉄損と低磁歪が同時に満足される理由について、本発明者らは以下のように考察している。
レーザ照射により磁区幅が細分化され、鉄損が低減される機構は、レーザ照射によって導入される残留歪（熱歪ないしはプラズマ反力による衝撃歪）により形成される高エネルギーの還流磁区の総体積を減少させることを駆動力としていると考えられている（例えば非特許文献３）。
日本応用磁気学会誌，vol.25，No12，P.1612

上記のように種々の条件でレーザ照射を行った結果、凝固層厚みを、さらには照射部の凹部断面形状を本発明の範囲に制御することにより、高い鉄損低減効果が得られることが解った。これは、凝固層厚み、さらには照射部の凹部幅、凹部深さの制御により、適正量の残留歪が狭い範囲に導入され、それにより還流磁区の総体積が減少したからであると推定している。この効果は高磁束密度の鉄損において殊に顕著である。なぜなら励磁磁束密度が低い場合には、電磁鋼板の全体積の磁化が変化するわけではなく、還流磁区も部分的に磁壁移動による磁化変化を起こすのみであるが、１．９Ｔといった飽和磁束密度に近い高磁束密度まで励磁された場合には、還流磁区も大部分が圧延方向に平行な磁化成分を持つように変化する。この変化により損失を生じると考えられる。従って、凝固層厚みの制御が特に高磁束密度での鉄損低減に顕著な効果を持つと考える。

なお、本発明でいう凝固層とは、レーザ照射部の圧延方向と平行で鋼板面に直交する鋼板断面をＳＥＭ等で観察した際に見られる、方向性電磁鋼板の単結晶組織とは異なる微細な凝固組織部分をいう。凝固組織の観察には、エッチングを併用するＳＥＭ（走査電子顕微鏡）観察方法、反射電子像を用いたＳＥＭ観察方法、ＦＥ−ＳＥＭ（電界放射型ＳＥＭ）を用いた観察方法、光学顕微鏡を用いた方法等があるが、特に観察方法を限定するものではない。また、凝固層の厚みを変更させるには、レーザ照射条件のレーザ照射径、レーザパワー、パワー密度、スキャン速度を変更することが有効である。
なお、特許文献９の図５には凝固層厚みが２μｍ程度のレーザ照射部が開示されているが、特許文献９の本文中の段落［０００３］にもあるように、当該発明は鉄損低減効果が歪取り焼鈍後も残る方向性電磁鋼板の鉄損低減方法を狙ったもので、特許文献９の図５にあるような溶融層のみでその厚みが２０μｍを超えるような条件では鉄損値はむしろ劣化する。本発明は歪み取り焼鈍を行わない鉄心、例えば大型変圧器用の鉄心に用いる低鉄損の方向性電磁鋼板を供することを目指すものであり、その技術思想は全く異なる。
特開２００５−５９０１４号公報また、特許文献１０のＦｉｇ．６（ｂ）には、ファイバーレーザを用いた再凝固層が開示されているが、これは、レーザ照射部の凝固層厚みが６μｍ程度あり、本発明の条件を満たさないものである。ＷＯ２００４／０８３４６５Ａ１公報

圧延方向の狭い範囲にのみ歪みが導入されることは、鉄損低減と同時に変圧器等の鉄心の騒音の原因となる磁歪変形を抑制する効果も現す。レーザによる残留歪の導入は上述する還流磁区を通じて磁区幅の細分化に効果があるが、この範囲が大きいと、同時に磁歪の発生源ともなりうる。しかるに、できるだけ局所的に効果的に還流磁区を発生させる残留歪を生じさせることが肝要となる。本発明では、レーザ照射部の凝固層厚みの平均値を４μｍ以下とすることにより、高磁場における低鉄損と、磁歪λ１９_p-pの低減を両立することを可能にした。

なお、本発明において、レーザ照射部の凹部底面の表面粗度Rzを減らすことでも、鉄損と磁歪を低減することが可能である。以下、この点について詳細に説明する。
本発明者等は、質量にして３．３％のＳｉを含む方向性電磁鋼板の成品板（板厚０．２７ｍｍ）に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径１０μｍのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は４ｍｍ、圧延方向の照射部の長さは（１）５０μｍ、（２）１００μｍ、（３）２００μｍであった。
また、同じ方向性電磁鋼板にＹＡＧレーザを用いて点列状のレーザ照射を行った。照射線間隔は４ｍｍであり、圧延方向の照射部最大長さ（点の直径に相当する）は（４）１００μｍ、（５）２００μｍであった。

以上、各試料のレーザ照射部分の表面粗度Ｒｚおよび磁気測定結果を表２に示す。
表面粗度ＲｚはＩＳＯ４２８７（1997）に定められた輪郭曲線の最大高さを示す指標である。レーザ照射部分の表面粗度Ｒｚは、表面粗さを測定する通常の表面粗さ計を用い、レーザ照射部中心線を直角（圧延方向）に横切るように触針を走査して測定した。その結果、表面粗度Ｒｚと鉄損、磁歪とが相関が高いことが解った。
尚、表面粗度Ｒｚの測定に際して、表面のゴミは充分に除去し、１０回以上の複数回測定を行い、単発的な異常値は除去した上で平均値を求めた。また、表面粗度の測定に際しては、磁化に関係するのは鋼板部分のみであるので、表面の高張力絶縁被膜、セラミック被膜はアルカリで除去して測定することが理想的であるが、鋼板に対し強い腐食性でない酸を用いて、これらを除去しても表面プロフィールを大きく変えることはなく実用的には問題ない。また、鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を付加しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。

表２より解るように、（１）、（２）、（３）の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。
ＹＡＧレーザを用いた（４）と（５）の場合、レーザ照射部（底部）に表面粗度の大きな先鋭な突起部分が観察され、これが高磁場鉄損、磁歪を劣化されるものと思われる。

本発明により、高磁束密度での低鉄損と低磁歪が同時に満足される理由について、レーザ照射部の底部の突起部からの漏れ磁束の影響による還流磁区への影響から鉄損低減効果に影響を与えることが考えられる。この場合、電磁鋼板が磁気飽和に近づいた高磁束密度での鉄損Ｗ_19/50が特に影響を受ける。レーザ照射部に表面粗度の大きな部分が存在しないことが、高磁束密度での鉄損を低減することに効果がある。

以下、本発明を実施する具体的形態について説明する。
本発明で用いられる方向性電磁鋼板は、一般の製品板でよい。なお、鋼板表面にフォルステライトなどによる一次被膜、及び絶縁被膜を有するのが一般的であるが、鋼板表面に被膜がない製品板についても本発明範囲内である。

レーザ条件について、圧延方向のレーザ照射長さ（幅）は、照射部の熱歪により周囲に
弾性変形を生ぜせしめ磁歪の逆効果により生じる還流型の磁区量に影響する。還流型の磁
区は、磁区細分化の原動力となり鉄損低減に効果があるが、同時に磁歪変形の原因ともな
るため、両特性を満足するための適正な範囲が存在する。
磁歪低減のためには、圧延方向のレーザ照射幅を２００μｍ以下、好ましくは１８０μ
ｍ以下、より好ましくは１４０μｍ以下、１２０μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ
以下とすることがよい。一方、低鉄損を得るために、圧延方向のレーザ照射幅を３０μｍ以上、さらに好ましくは５０μｍ以上とすることがよい。

レーザ照射ビームの単位面積当りのパワー、すなわちパワー密度は効率的に磁区細分化させるためには、できるだけ大きくすることが好ましいが、過度に大きい場合は凝固層厚みが大きくなるので、１５０ｋＷ／ｍｍ²以下、さらに好もしくは１００ｋＷ／ｍｍ²以下にするとよい。また過度に小さい場合は凝固層厚みが小さくなるので、０．５ｋＷ／ｍｍ²以上、さらに好もしくは１ｋＷ／ｍｍ²以上にするとよい。

レーザビームが鋼板上に滞留する時間、すなわち照射継続時間も過度に長いと凝固層厚みが厚くなりすぎるので１ｍsec 以下、さらに好もしくは０．３ｍsec 以下とすると良い。また過度に短いと凝固層厚みが小さくなりすぎるので、１μsec 以上、さらに好ましくは５μsec 以上とするとよい。

パワー密度と照射継続時間の積も凝固層厚みの重要な制御因子となる。５ｍＪ／ｍｍ²以上、５００ｍＪ／ｍｍ²以下とすることが好ましく、１０ｍＪ／ｍｍ²以上、３００ｍＪ／ｍｍ²以下とすることがさらに好ましい。

次に、本発明の方法に好適なレーザについて説明する。
まず、本発明の電磁鋼板の製造においては、高出力のレーザビームを集光形状２００μｍ以下にすることが好ましい。一般のＹＡＧレーザはマルチモードと呼ばれる集光性能の低いビーム品質であり、特に高出力ＹＡＧレーザの２００μｍの集光は非常に困難である。またＣＯ₂レーザも一般にマルチモード発振であり、波長もＹＡＧレーザに比べて長いため、２００μｍ以下の集光は困難である。これらのレーザで集光性の高いシングルモード出力を得るには、レーザ共振器内部に空間フィルターを用いる等の特殊な装置構成が必要となる。ただし、この場合レーザ出力が著しく減少するため、工業的な大量生産にはあまり向いてない。

一方、ファイバーレーザは集光性の高いシングルモード発振が容易に達成可能である。また励起光源の半導体レーザ数を増やし、且つファイバー長を長くすることで、高出力化も容易である。またファイバーコア径の４０〜５０％程度までは比較的簡単なレンズ構成で集光可能であり、２００μｍ以下の微小集光径を容易に達成できる。従って本発明の製造方法にはファイバーコア径５００μｍ以下のファイバーレーザが好ましい。
ファイバーコア径の上限５００μｍは、これ以上では所望の凝固層厚みが得られず、また、所望の断面形状も得にくくなるので限定する。さらにはコア径を２００μｍ以下とすることが好ましい。更に好ましくは、コア径を４０μｍ以下とすることも好ましい。

ＹＡＧレーザ等で用いられるマルチモードビームは、多種の空間強度分布が重ね合わされたビームのことであるが、レーザ出力方向に垂直な断面におけるレーザ媒質の温度分布や励起強度の時間変化により、発振するモードが変化する可能性がある。その場合、本発明の凝固層厚みの制御が不安定化するという問題がある。
一方、ファイバーレーザのモードはファイバーコア径で規制されてたシングルモードであるため、このような不安定要因がなく、常に安定した凝固層を形成することが可能である。この観点でも本発明にファイバーレーザを用いることが好ましい。

以上のレーザ照射条件により、上記方向性電磁鋼板の表面へレーザ照射する。レーザ照
射は、板幅方向に線状あるは点列状に照射すれば良い。板幅方向とは、圧延方向と略直角
であればよいが、圧延直角方向から±３０°内であれば本発明範囲内である。線状とは上
記板幅方向に直線的にレーザ照射する場合をいい、点列状とは上記板幅方向に一定の直線
上にある周期をもって点状にレーザ照射する場合をいう。また、上記線状または点列状の
レーザ照射線の圧延方向の間隔は３０ｍｍ以下の範囲が好適である。この間隔は、より好ましくは３〜５ｍｍである。

また、上記レーザ条件により照射されたレーザ照射部の凝固層厚みが０．１〜４μｍであることが必要である。凝固層厚みは、レーザ照射部の凝固層を断面で観察した際に、凝固層が最も厚い部分における凝固層の板厚方向長さを測定することにより求めるが、このような部分は通常レーザ照射部の中心部（圧延方向幅中心部）に相当する位置であり、レーザ照射中心線（レーザ照射領域、あるいはレーザ照射痕の幅中央線）を代表部位として測定しても良い。なお、測定に際しては、実質的な凝固層厚みが測定できるよう、当該部から一定の範囲（例えば、中心線から±１０μｍの範囲）の凝固厚みを平均した値とすることが好ましい。
なお、凝固層の観察は、エッチングを併用するＳＥＭ観察方法、反射電子像を用いたＳ
ＥＭ観察方法、ＦＥ−ＳＥＭを用いた観察方法、光学顕微鏡を用いた方法などにより測定
可能である。この際、図３のような傾斜研磨を行って測定したＳＥＭ写真を用いることに
より、凝固層厚みをより正確に求めることができる。
凝固層厚の上限値４μｍは、磁歪を劣化させずにかつ高磁場鉄損を向上させる条件なの
で限定した。なお、凝固層厚みの下限値については、磁区細分化のための鋼板の弾性変形
を維持するために必要と考えられる熱変形体積の確保の観点から０．１μｍ以上が望まし
い。さらには０．５μｍ以上、２μｍ以下が更に好ましい。

図２にレーザ照射部における凝固層組織（ (ａ) 本発明例、 (ｂ) 比較例）を示す。（ａ）は圧延方向の照射部長さ（幅）７０μｍ、パワー密度３ｋＷ／ｍｍ²のレーザ照射条件で、（ｂ）は圧延方向照射幅２５０μｍ、パワー密度３０ｋＷ／ｍｍ²のレーザ照射条件でレーザ照射を実施した。照射ビームを圧延直角方向に走査する速度は両者とも同一とした。圧延直角方向の線状の連続レーザ照射で、照射線の間隔は５ｍｍであった。

ここでパワ−密度とは、鋼板上でのレーザ照射パワーを照射部の面積で除したものであり、照射部単位面積あたりのレーザ照射パワーを示す。図２は、鋼板断面を研磨する際に、図３のように傾斜をつけて行っており、上下方向の長さは圧延面に直角で圧延方向を含む断面での長さの５倍に引き伸ばされている。これらの観察結果から、凝固層厚みは、（ａ）は３．３μｍ、（ｂ）は４．７μｍであり、（ａ）は、鉄損Ｗ_19/50（Ｗ／kg）＝１．３４Ｗ／kg、磁歪λ１９_p-p＝０．４５×１０^-6、（ｂ）は鉄損Ｗ_19/50（Ｗ／kg）＝１．６７Ｗ／kg、磁歪λ１９_p-p＝０．７×１０^-6と、本発明例で優れた高磁場鉄損と低磁歪が得られている。尚、これらの鋼板の板厚は０．２７ｍｍであった。

また、上記レーザ条件により照射されたレーザ照射の圧延直角方向よりみた断面形状が幅２００μｍ以下、深さ１０μｍ以下の凹型形状であることが望ましい。幅の上限２００μｍは、大きすぎると占積率が低下するためまた、高磁場での鉄損と低磁歪を両立さるために好ましい。幅は、好ましくは３０〜１８０μｍである。深さの上限１０μｍは、幅と同様に深すぎると占積率を低下させるため、また、高磁場での鉄損と磁束密度の劣化を防止するために好ましい。深さは、好ましくは１〜４μｍである。
なお、図１にレーザ照射部の圧延直角方向よりみた凹型断面形状の模式図を示す。図中のｔｍが凝固層の最大厚み、ｄが凹型形状の深さ、Ｗが凹型形状の幅（圧延方向照射幅）である。

次に、レーザ照射部の表面粗度の小さい場合の本発明を実施する具体的形態について説明する。
本発明では、方向性電磁鋼板に板幅方向に線状あるいは点列状でレーザ照射して磁区制御を行う。板幅方向とは圧延方向と直角方向から０°〜３０°の範囲に線状あるいは点列状でレーザ照射する。線状とは照射痕が連続する直線状に照射すること、点列状とは円あるいは楕円の照射痕の列が直線上に配置するように照射することをいう。ただし、これらの照射痕が完全な直線ではなく、波状であっても本発明の実施を妨げるものではない。波状照射の場合には、上記の板幅方向は波状線の中心線を持って定義する。

なお、上記レーザ照射する際、本発明では照射痕の底部形状を小さくすることが可能であり、高磁場での鉄損を低減できるということからファイバーレーザ装置を用いることが好ましい。なお、ＹＡＧレーザでは照射痕の形状を小さくすることは比較的容易であるが、十分なパワーを持たせるためには設備が大掛かりになるという欠点があり、また一般に用いられるマルチモード発振では底部のレーザ照射部の表面粗度を小さくすることは困難である。ＣＯ₂レーザでは、波長が長いため照射痕の形状を小さくすることが困難であるという欠点があり、またＹＡＧレーザと同様、一般に用いられるマルチモード発振では照射部底部のレーザ照射部の表面粗度を小さくすることは困難である。

また、レーザのビーム品質を向上させ、底部形状を小さくするための光学系を簡便化で
きるという理由から、ファイバーのコア径を５００μｍ以下とすることが望ましい。上限
５００μｍは、これ以上では、所望の底部形状が得られないという問題が起こるので限定
する。さらにはコア径を２００μｍ以下、更に４０μｍ以下とすることが好ましい。

レーザ照射された底部とは、レーザ照射された際に、鋼板表面が一部溶融するまでの影響を受けた部分をいう。方向性電磁鋼板表面のセラミック被膜がある場合にも、セラミック被膜下の鋼板部分が一部溶融している部分をもってレーザ照射部とする。図２に断面写真を示す。本発明で言う鋼板表面が一部溶融するまでの影響を受けた部分とは、地鉄部の均質な部分とは異なる、凝固組織を示す表層部分をいう。
なお、この観点から考えた場合、レーザ照射の圧延直角方向よりみた断面形状が幅が狭すぎると表面粗度が大きくなる場合があるため、３０μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上とするとよい。

本発明では、表面粗度Ｒｚは４μｍ以下とする。本発明で注目しているＲｚを確認するためにはより広い範囲の情報が得られる複数箇所での粗度測定を行い、それらの平均値を求めることが好ましい。例えば、照射中心線より圧延方向に幅を持ったレーザ照射部の凹底部すべてをカバーする範囲（例えばレーザ照射幅の範囲）のＲｚを複数回測定し、これらを平均した値とすることが好ましい。Ｒｚは、好ましくは３．５μｍまたはこれ未満、より好ましくは３．０μｍまたはこれ未満、さらに好ましくは２．５μｍまたはこれ未満である。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに説明する。
本発明者等は、質量にして３．２％のＳｉを含む方向性電磁鋼板の成品板（板厚０．２３ｍｍ）に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径１０μｍのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は３ｍｍ、圧延方向の照射部長さ（幅）は３０μｍであった。照射の際、照射ビームを圧延直角方向に走査する速度を変更して、照射部の凝固層の厚みをレーザパワーを変えることによって変化させた。各試料の磁気測定結果を表３に示す。鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表３より解るように、（１）、（２）の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに比較例に較べて優れている。

本発明者等は、質量にして３．３％のＳｉを含む方向性電磁鋼板の成品板（板厚０．２３ｍｍ）に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径１０μｍのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は４ｍｍ、圧延方向の照射部長さは（１）３０μｍ、（２）８０μｍ、（３）２５０μｍであった。
また、同じ方向性電磁鋼板にＣＯ₂レーザを用いて線状のレーザ照射を行った。照射線間隔は５ｍｍであり、圧延方向の照射部長さは（４）３００μｍ、（５）５００μｍであった。凝固層の厚みはレーザパワーと照射時間を変化させることによって制御した各試料の磁気測定結果を表４に示す。鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表４より解るように、（１）、（２）、（３）の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。

本発明者等は、質量にして３．２％のＳｉを含む方向性電磁鋼板の成品板（板厚０．２７ｍｍ）に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径２０μｍのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は５ｍｍ、圧延方向の照射部長さは５０μｍであった。照射の際、照射ビームを圧延直角方向に走査する速度を変更して、レーザ照射部の突起有無を変化させた。以上、各試料のレーザ照射部分の形状および磁気測定結果を表５に示す。レーザ照射部分の粗度測定はレーザ照射部分を含む圧延方向と平行に触針式表面粗さ計を走査して測定した。また、鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表５より解るように、（１）、（２）の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。

本発明者等は、質量にして３．３％のＳｉを含む方向性電磁鋼板の成品板（板厚０．２３ｍｍ）に、鋼板表面片面のほぼ圧延直角方向にファイバー径１０μｍのファイバーレーザ装置を使って線状のレーザ照射を施した。レーザ照射線の間隔は５ｍｍ、圧延方向の照射部長さは（１）５０μｍ、（２）１００μｍ、（３）２００μｍであった。また、同じ方向性電磁鋼板にＣＯ₂レーザを用いて線状のレーザ照射を行った。照射線間隔は５ｍｍであり、圧延方向の照射部長さは（４）２００μｍ、４００μｍであった。
以上、各試料のレーザ照射部分の形状および磁気測定結果を表６に示す。レーザ照射部分の形状は圧延直角方向よりみた凹型の断面形状である。また、鉄損、磁束密度、磁歪は、それぞれ鋼板に応力を負荷しない状態で磁束正弦波条件で測定した値である。
表６より解るように、（１）、（２）、（３）の試料が高磁場鉄損、磁歪がともに他の試料に較べて優れている。

レーザ照射部の模式図である。レーザ照射部における凝固層組織（ (ａ) 本発明例、 (ｂ) 比較例）である。傾斜をつけて断面研磨をしており、上下方向の長さは圧延面に直角で圧延方向を含む断面での長さの５倍に引き伸ばされている。図２の観察を行う際の断面研磨方法を示す模式図である。レーザ照射部の表面粗度を測定する方法を示す模式図である。表面粗度Ｒｚの定義を示す図である。

符号の説明

１：鋼板
Ｗ：凹部断面幅
ｄ：凹底部深さ
ｔｍ：凝固層厚み

Claims

レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板において、レーザ照射部の圧延直角方向よりみた断面形状が幅３０〜２００μｍ、深さ１〜１０μｍの凹型形状であって、レーザ照射部の凝固層厚みが０．１〜４μｍであることを特徴とする方向性電磁鋼板。
レーザ照射部を圧延方向に走査して粗度測定を行った際の表面粗度Ｒｚの値が４μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離が３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の方向性電磁鋼板。
鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離が３〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方向性電磁鋼板。
レーザ照射して磁区制御を行う方向性電磁鋼板の製造方法において、コア直径５００μｍ以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置を用い、レーザ照射径、レーザパワー、パワー密度、スキャン速度及び照射継続時間のいずれか１種又は２種以上を変更して鋼板上にレーザ照射することにより、レーザ照射部の圧延直角方向よりみた断面形状が幅３０〜２００μｍ、深さ１〜１０μｍの凹型形状にすると共に、レーザ照射部の凝固層厚みを０．１〜４μｍとすることを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
前記レーザ照射を、コア直径２００μｍ以下のファイバーを有するファイバーレーザ装置によりレーザ照射することを特徴とする請求項５に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離を３０ｍｍ以下にすることを特徴とする請求項５又は６に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
鋼板上の圧延方向に隣接する連続あるいは点列状の線の間のレーザ照射距離を３〜５ｍｍにすることを特徴とする請求項５又は６に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。