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JP6405378B2 - 方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

方向性電磁鋼板およびその製造方法 Download PDF

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Description

方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
方向性電磁鋼板は、変圧器などの電気機器の鉄心材料に用いられ、電気機器の電力損失を低減し、効率を向上させるために、鉄損が低く磁束密度が高い磁気的特性を持つ鋼板が要求される。
一般に、方向性電磁鋼板は、熱延、冷延と焼鈍工程を通して、圧延方向に｛１１０｝＜００１＞方向に配向された集合組織（別名、ゴステクスチャ（「Ｇｏｓｓ Ｔｅｘｔｕｒｅ」）という）を有する材料をいう。
このような方向性電磁鋼板において、｛１１０｝＜００１＞方向は、鉄の磁化容易軸方向に配向された程度が高いほど、磁気的特性に優れている。
一般に、方向性電磁鋼板の製造は、連続鋳造工程によって製造されたスラブ（ｓｌａｂ）を、熱間圧延および熱延板焼鈍、冷間圧延、脱炭焼鈍、高温焼鈍、平坦化焼鈍、絶縁コーティング、およびレーザ処理の順に行われる。
電磁鋼板１０の表面に均一なグルーブ２０を形成するためには、連続発振の高出力レーザを高速の電磁鋼板１０の表面部に照射し、レーザ照射によって基地部の溶融を伴うグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）２０を形成させることが必要である。
方向性電磁鋼板の磁気的特性を向上させるために、磁区を微細化する方法が使用されるが、磁区微細化方法としては、応力除去焼鈍後にも磁区微細化の改善効果が維持されるかの有無により、一時磁区微細化と永久磁区微細化に区分することができる。
一時磁区微細化方法は、熱エネルギーや機械的エネルギーで表面に局所的な圧縮応力を印加することによって発生した磁気弾性エネルギーを最小化させるために、９０°の磁区を形成させることによって磁区を微細化させる磁区微細化技術である。
一時磁区微細化技術は、磁区を微細化させるエネルギー源により、レーザ磁区微細化法、ボールスクラッチ法、プラズマまたは超音波による磁区微細化法がある。
熱処理後にも鉄損改善効果を維持することができる永久磁区微細化方法は、エッチング法、ロール法、およびレーザ法に区分することができる。
エッチング法は、溶液内において、酸容液で電気化学的な腐食反応によって鋼板表面にグルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）を形成させるため、グルーブの形状制御が難しく、鋼板を生産する中間工程（脱炭焼鈍、高温焼鈍前）でグルーブを形成させるため、最終製品の鉄損特性の保証が難しく、酸容液を使用するため、環境にやさしくないという欠点がある。
ロールによる永久磁区微細化方法は、ロールに突起形状を加工して、加圧法によって鋼板の表面に一定の幅と深さを有するグルーブを形成し、グルーブ形成後、鋼板を焼鈍することによって、グルーブの下部の再結晶を発生させることにより磁区微細化させる技術であって、機械加工に対する安定性、厚さに応じた安定した鉄損の確保を得難く、信頼性およびプロセスが複雑であるという欠点がある。
Ｑ−Ｓｗｉｔｃｈあるいはパルスレーザによる永久磁区微細化方法は、照射時、照射部物質の蒸発によるグルーブの形成で、グルーブ形成直後の熱処理前の鉄損改善率を確保しにくく、熱処理後にも単純グルーブによる磁区微細化の効果のみ維持するだけでなく、鋼板の移送速度を高速に処理できないという欠点がある。
連続波レーザによる永久磁区微細化方法は、グルーブ形成時、グルーブ部の再凝固層を側壁にのみ形成させ、または、グルーブの全面部に均一に形成させられないことによって、グルーブの下部の基地部に過度な変形を誘起するため、一次再結晶前の工程に適用しにくく、熱処理を必要とする巻鉄心変圧器の鉄心にのみ適用されるという欠点がある。
図１に、溶融部過剰および不均一再凝固層の形成時におけるグルーブの断面形状を示した。グルーブの下部の溶融部過剰（ａ）および再凝固層の中心部の形成（ｂ）技術は、比較的低速で鋼板にグルーブを形成させるため、０．９ｍ／ｓ以上の高速に進行する方向性電磁鋼板の表面にグルーブを形成することが難しく、一次再結晶前の方向性電磁鋼板素材に適用することができず、再凝固層が焼鈍時にゴス集合組織の成長への妨害となり得るという欠点がある。
本発明の一実施形態は、表面にグルーブを形成して磁区微細化された方向性電磁鋼板を提供する。
本発明の他の実施形態は、表面にグルーブを形成して磁区微細化された方向性電磁鋼板の製造方法を提供する。
本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板は、表面にグルーブを形成して磁区微細化処理を施すが、前記グルーブの飛散合金層は、再結晶焼鈍過程でゴス集合組織に浸食された方向性電磁鋼板であってもよい。
前記グルーブの底面における飛散合金層の厚さをＴＢ、前記グルーブのいずれか一方の終端と前記グルーブの底面とのなす距離の１／２地点における飛散合金層の厚さをＴＬと定義した時、前記ＴＢ／ＴＬは、０．２〜０．８であってもよい。
前記飛散合金層の厚さは、グルーブ深さの４％〜１２％であってもよい。
前記グルーブ深さは、電磁鋼板の厚さの４％〜１１％であってもよい。
前記グルーブは、電磁鋼板の幅方向に対して斜線で形成されてもよい。
前記グルーブは、電磁鋼板の幅方向に対して０°を超え５°以下で形成されてもよい。
前記グルーブは、電磁鋼板の幅方向に断続的に３個〜６個形成されてもよい。
本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法は、一次再結晶形成前または一次再結晶形成後の電磁鋼板を提供する段階と、前記電磁鋼板にレーザを照射すると同時にガスを噴射して、電磁鋼板の表面にグルーブを形成する段階とを含むが、前記照射されるレーザのエネルギー密度（Ｅｄ）およびレーザの走査速度（Ｖｓ）は、下記の条件を満足すればよい。
１．０Ｊ／ｍｍ２≦Ｅｄ≦５．０Ｊ／ｍｍ２、
０．０５１８ｍｍ／μｓｅｃ≦Ｖｓ≦０．２ｍｍ／μｓｅｃ
前記噴射されるガスの圧力は、０．２ｋｇ／ｃｍ２〜５．０ｋｇ／ｃｍ２であってもよい。
前記ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度は、０°〜５０°であってもよい。
前記レーザを照射する段階において、前記電磁鋼板の幅方向に対して０°を超え５°以下の角度でレーザビームを前記電磁鋼板の表面に照射してもよい。
前記レーザを照射する段階において、電磁鋼板の進行速度（ＶＬ）は、少なくとも０．９ｍ／ｓであってもよい。
前記レーザを照射する段階において、前記レーザの集光形状は、電磁鋼板の幅方向のビーム長さをｄｔ、電磁鋼板の圧延方向のビーム長さをＬとした時、下記の条件を満足すればよい。
０．２０≦Ｌ／ｄｔ≦１．０
前記ｄｔは、５０μｍ以下であってもよい。
前記レーザを照射する段階において、前記レーザ照射による電磁鋼板の溶融部が飛散および再凝固する飛散合金層が生成され、前記グルーブの底面における飛散合金層の厚さをＴＢ、前記グルーブのいずれか一方の終端と前記グルーブの底面とのなす距離の１／２地点における飛散合金層の厚さをＴＬと定義した時、前記ＴＢ／ＴＬは、０．２〜０．８であってもよい。
前記飛散合金層の厚さは、グルーブ深さの４％〜１２％であってもよい。
前記レーザを照射する段階において、前記レーザは、電磁鋼板の幅方向に対して斜線で照射されるものであってもよい。
前記レーザを照射する段階において、前記レーザは、電磁鋼板の幅方向に対して０°を超え５°以下で照射してもよい。
前記レーザを照射する段階において、前記グルーブは、前記電磁鋼板の幅方向に断続的に３〜６個形成するものであってもよい。
本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法によれば、高速のレーザビームを照射してグルーブを形成するので、０．９ｍ／ｓｅｃ以上の高速に圧延が進行する鋼板にグルーブを形成することができる。
また、本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法によれば、レーザの照射による溶融再凝固層が均一に形成され、最終材の磁性が向上する。
さらに、本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法によれば、一次再結晶前または一次再結晶後の電磁鋼板ともにレーザ照射による磁区微細化を実施することができる。
また、本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法によれば、一次再結晶前の電磁鋼板にレーザ照射による磁区微細化を実施しても、後続の熱処理工程後にも鉄損改善の効果が維持される。
従来技術による磁区微細化法によって鋼板の表面に形成されたグルーブを示すものである。 鋼板の表面にレーザを照射する時、鋼板表面に形成されるグルーブの形状をＸＹ平面上に示す図である。 図２に示された連続したグルーブの一部３０の断面（ＹＺ平面）を示す図である。
本発明の利点および特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付した図面と共に詳細に後述する実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は、以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現可能であり、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、請求項の範疇によってのみ定義される。明細書全体にわたって同一の参照符号は同一の構成要素を表す。
したがって、いくつかの実施例において、周知の技術は、本発明があいまいに解釈されることを避けるために具体的に説明されない。別の定義がなければ、本明細書で使われる全ての用語（技術および科学的用語を含む）は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に共通に理解できる意味で使用できるはずである。明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは特に反対となる記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。また、単数形は、文章で特に言及しない限り、複数形も含む。
レーザ照射による磁区微細化によって形成されたグルーブには、レーザによって電磁鋼板で溶融した溶融物が鋼板で再凝固した飛散合金層が存在する。
このような飛散合金層は、エネルギーが大きい組織で飛散合金層が不均一に分布する場合、再結晶焼鈍時、ゴス集合組織の成長に妨害要因として作用し得る。また、このような飛散合金層が不均一に分布する場合、再結晶焼鈍時、ゴス集合組織に侵食されず、ゴス集合組織でないランダムテクスチャリングとして残存し、電磁鋼板の磁性に悪影響を及ぼすことがある。
本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法によれば、前記グルーブには、レーザの照射によって電磁鋼板で溶融した溶融物が鋼板で再凝固した層の飛散合金層を均一に分布させることによって、再結晶焼鈍時、飛散合金層がゴス集合組織に侵食されるようにすることでゴス集合組織の分率を向上させ、磁性に優れた方向性電磁鋼板を提供することができる。
一般に、方向性電磁鋼板の製造工程は、スラブ（ｓｌａｂ）を、熱間圧延および熱延板焼鈍、冷間圧延、脱炭焼鈍（一次再結晶焼鈍）、高温焼鈍（二次再結晶焼鈍）、平坦化焼鈍、絶縁コーティングの順に行われる。
従来技術において、磁区微細化処理は絶縁コーティング後に実施していたが、本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法は、冷間圧延後、一次再結晶前または一次再結晶後の電磁鋼板ともにレーザ照射による磁区微細化を実施することができる。
また、一次再結晶前の電磁鋼板にレーザ照射による磁区微細化を実施しても、後続の熱処理工程後にも鉄損改善の効果が維持される。
上記の記載のような方向性電磁鋼板の製造方法を提供するために、下記のような方向性電磁鋼板の製造方法が提供できる。
本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法は、一次再結晶形成前または一次再結晶形成後の電磁鋼板を提供する段階と、前記電磁鋼板にレーザを照射すると同時にガスを噴射して、電磁鋼板の表面にグルーブを形成する段階とを含む。
前記照射されるレーザのエネルギー密度（Ｅｄ）は、１．０Ｊ／ｍｍ２〜５．０Ｊ／ｍｍ２であってもよい。レーザのエネルギー密度が５．０Ｊ／ｍｍ２を超える場合、溶融部が過度に形成され、最終製品において飛散合金層がゴス集合組織に侵食されずにランダムテクスチャリングをなすようになる。１．０Ｊ／ｍｍ２未満のレーザのエネルギー密度値では、十分なグルーブ深さを確保できず、熱処理後の鉄損改善効果を確保することができない。
前記照射されるレーザの走査速度（Ｖｓ）は、０．０５１８ｍｍ／μｓｅｃ〜０．２ｍｍ／μｓｅｃであってもよい。レーザの走査線速度値が０．２ｍｍ／μｓｅｃを超える時には、飛散合金層が形成されないため、鉄損改善効果を確保することができない。また、０．０５１８ｍｍ／μｓｅｃ未満では、溶融部が過度に形成され、最終製品において飛散合金層がゴス集合組織に侵食されずにランダムテクスチャリングをなすようになる。
前記噴射されるガスは、空気不活性ガスまたは電磁鋼板の酸化を起こさない、いかなる種類のガスでも構わない。
前記噴射されるガスの圧力（Ｐａ）は、０．２ｋｇ／ｃｍ２〜５．０ｋｇ／ｃｍ２であってもよい。噴射されるガスの圧力０．２０ｋｇ／ｃｍ２未満では、飛散合金層が形成されないため、鉄損改善効果を確保することができない。また、５．０ｋｇ／ｃｍ２を超える時には、溶融部が過度に形成され、最終製品において飛散合金層がゴス集合組織に侵食されずにランダムテクスチャリングをなすようになる。
前記ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度は、０°〜５０°であってもよい（この時、ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度は０°であるとは、ガスの噴射方向とレーザ照射方向とが平行であることを意味する）。前記ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度は、形成される飛散合金層の形態に影響を与える。前記ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度が小さいほど、グルーブの底面における飛散合金層の厚さが薄く、グルーブの終端における飛散合金層の厚さは厚く形成される。
ここで、グルーブの底面とは、電磁鋼板に形成されたグルーブにおいて深さが最も深い部分を意味する。
また、前記レーザの集光形状は、電磁鋼板の幅方向（ｘ軸）のビーム長さをｄｔ、圧延方向（ｙ軸）のビーム長さをＬとした時、０．２０≦Ｌ／ｄｔ≦１．０であってもよい。さらに、前記ｄｔは、５０μｍ以下であってもよい。
Ｌ／ｄｔ値が１．０を超えれば、圧延方向の熱影響部が増加してゴス集合組織の成長に悪影響を及ぼすことがあり、Ｌ／ｄｔ値が０．２０未満であれば、圧延方向のグルーブ幅が狭くて溶融部の飛散が起こらず、十分なグルーブ深さを確保することができない。
前記条件下、電磁鋼板１０の進行速度（ＶＬ）は、０．９ｍ／ｓ以上であってもよい。
また、前記グルーブの形成時、断続的に３個〜６個に分けて形成してもよい。
さらに、前記電磁鋼板の幅方向（ｘ軸）に対して斜線で照射してもよい。また、幅方向（ｘ軸）に対する角度は、０°を超え５°以下であってもよい。前記のように斜線で照射することによって、反磁場を弱くして磁性を向上させることができる。
このようにして形成された前記グルーブの深さは、鉄損改善率の確保のために、前記電磁鋼板の厚さの４％以上であってもよい。あるいは、４％〜１１％であってもよい。
また、前記飛散合金層の平均厚さは、グルーブ深さの４％〜１２％であってもよい。前記飛散合金層の平均厚さがグルーブ深さの４％未満の場合、鉄損改善のための適正な溝が形成されず、１２％を超える場合、熱影響部が増加してゴス集合組織の成長に悪影響を及ぼすことがある。
さらに、前記グルーブの底面における飛散合金層の厚さをＴＢ、前記グルーブのいずれか一方の終端と前記グルーブの底面とのなす距離の１／２地点における飛散合金層の厚さをＴＬと定義した時、前記ＴＢ／ＴＬは、０．２〜１．５であってもよい。あるいは、０．２〜０．８、または１．０〜１．５であってもよい。ＴＢ／ＴＬの値が０．２未満の場合、または１．５を超える場合には、飛散合金層の不均一性が増加して磁性に悪い影響を及ぼす。
上記の記載の磁区微細化条件によって再結晶焼鈍が完了した電磁鋼板は、飛散合金層が再結晶焼鈍過程でゴス集合組織に侵食されていてよい。一般に、方向性電磁鋼板の磁区微細化処理時、グルーブには熱影響を受けた部分が伴い、このような熱影響部は、高温焼鈍過程でゴス集合組織が成長する時にゴス集合組織に侵食されず、グルーブに沿って再結晶された形態で残存する。このような組織は、磁性に悪影響を及ぼす。
しかし、本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板は、飛散合金層を均一に分布させて熱影響が最小化されるため、グルーブに再結晶された組織が残存しない。
以下、実施例を通して詳細に説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例によって限定されるものではない。
０．２３ｍｍの厚さの方向性電磁鋼板に、表１のような条件で連続波レーザを照射して磁性を測定した。照射線は、図２のように、幅方向に３〜６個の区間の区分された線で示される。レーザ照射間隔は２．５０ｍｍ、レーザ照射時の電磁鋼板の幅方向のビーム長さ（ｄｔ）は５０μｍであり、球状であった。また、この時、電磁鋼板の移動速度は０．９ｍ／ｓであった。
Figure 0006405378
本発明に係るレーザ照射条件の範囲において、高速の鋼板移動速度においても安定した鉄損特性が得られる方向性電磁鋼板とすることができる。
０．２３ｍｍの厚さの方向性電磁鋼板に、エネルギー密度１．２Ｊ／ｍｍ２とし、グルーブの深さを１５μｍとして、連続波レーザを電磁鋼板の幅方向に対する角度を変えながら照射して磁性を測定した。レーザ照射間隔は２．５０ｍｍ、レーザ照射時の電磁鋼板の幅方向のビーム長さ（ｄｔ）は５０μｍであり、球状であった。また、この時、電磁鋼板の移動速度は０．９ｍ／ｓであった。さらに、噴射ガスの圧力は４．５ｋｇ／ｃｍ２、走査線速度は５３ｍ／ｓであった。
Figure 0006405378
表２から明らかなように、電磁鋼板の幅方向に対して０°を超え５°以下で照射する時、磁性により優れていることが分かる。
以上、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明がその技術的な思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施できることを理解するであろう。
そのため、以上に述べた実施例は、全ての面で例示的なものであり限定的ではないと理解しなければならない。本発明の範囲は、上記の詳細な説明よりは、後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出される全ての変更または変更された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。
１０：電磁鋼板
２０：グルーブ（ｇｒｏｏｖｅ）
３０：連続したグルーブの一部
４０：飛散合金層

Claims (11)

  1. 表面にグルーブを形成して磁区微細化処理を施すが、
    前記グルーブの飛散合金層は、ゴス集合組織に浸食され、
    前記グルーブの底面における飛散合金層の厚さをＴＢ、前記グルーブのいずれか一方の終端と前記グルーブの底面とのなす距離の１／２地点における飛散合金層の厚さをＴＬと定義した時、前記ＴＢ／ＴＬは、０．２〜０．８である、方向性電磁鋼板。
  2. 前記飛散合金層の平均厚さは、グルーブ深さの４％〜１２％である、請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
  3. 前記グルーブ深さは、電磁鋼板の厚さの４％〜１１％である、請求項２に記載の方向性電磁鋼板。
  4. 前記グルーブは、電磁鋼板の幅方向に対して斜線で形成された、請求項３に記載の方向性電磁鋼板。
  5. 前記グルーブは、電磁鋼板の幅方向に対して０°を超え５°以下で形成された、請求項４に記載の方向性電磁鋼板。
  6. 前記グルーブは、電磁鋼板の幅方向に断続的に３個〜６個形成された、請求項５に記載の方向性電磁鋼板。
  7. 一次再結晶形成前または一次再結晶形成後、二次再結晶形成前の電磁鋼板を提供する段階と、
    前記電磁鋼板にレーザを照射すると同時にガスを噴射して、電磁鋼板の表面にグルーブを形成する段階と、
    前記グルーブの飛散合金は、ゴス集合組織に浸食される段階を含むが、
    前記レーザを照射する段階において、電磁鋼板の進行速度（ＶＬ）は、少なくとも０．９ｍ／ｓであり、
    前記照射されるレーザのエネルギー密度（Ｅｄ）およびレーザの走査速度（Ｖｓ）は、下記の条件を満足し、
    前記噴射されるガスの圧力は、０．２ｋｇ／ｃｍ２〜５．０ｋｇ／ｃｍ２であり、
    前記ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度は、０°〜５０°であり、
    前記レーザを照射する段階において、前記電磁鋼板の幅方向に対して０°を超え５°以下の角度でレーザビームを前記電磁鋼板の表面に照射し、
    前記レーザの照射による前記電磁鋼板の溶融部が飛散および再凝固する飛散合金層が生成され、前記グルーブの底面における前記飛散合金層の厚さをＴ Ｂ 、前記グルーブのいずれか一方の終端と前記グルーブの底面とのなす距離の１／２地点における前記飛散合金層の厚さをＴ Ｌ と定義した時、前記Ｔ Ｂ ／Ｔ Ｌ は、０．２〜０．８である、方向性電磁鋼板の製造方法。
    １．０Ｊ／ｍｍ２≦Ｅｄ≦５．０Ｊ／ｍｍ２、
    ０．０５１８ｍｍ／μｓｅｃ≦Ｖｓ≦０．２ｍｍ／μｓｅｃ
    （この時、ガスの噴射方向とレーザ照射方向とのなす角度が０°であるとは、ガスの噴射方向とレーザ照射方向とが平行であることを意味する。）
  8. 前記レーザを照射する段階において、
    前記レーザの集光形状は、電磁鋼板の幅方向のビーム長さをｄｔ、電磁鋼板の圧延方向のビーム長さをＬとした時、下記の条件を満足する、請求項７に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
    ０．２０≦Ｌ／ｄｔ≦１．０
  9. 前記ｄｔは、５０μｍ以下である、請求項８に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
  10. 前記飛散合金層の平均厚さは、グルーブ深さの４％〜１２％である、請求項７に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
  11. 前記レーザを照射する段階において、
    前記グルーブは、前記電磁鋼板の幅方向に断続的に３〜６個形成する、請求項１０に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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