JP4344264B2 - 低鉄損一方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、トランスの鉄心などに利用される低鉄損一方向性電磁鋼板に関するものである。

近年、鋼板の圧延方向に磁化容易軸をもつ一方向性電磁鋼板は、主にトランスなどの電気機器などの用途で実用化されており、エネルギー環境の点からエネルギーロスをさらに低減するための磁気特性改善として鉄損の低減が求められている。

一方向性電磁鋼板における鉄損は、一般にヒステリシス損と渦電流損に大きく分けられ、ヒステリシス損は結晶方位、不純物等により、渦電流損は板厚、磁区幅などによりそれぞれ影響を受けることが知られている。ヒステリシス損低減のための結晶方位制御手法には限界があることから、近年、鉄損の大部分を占める渦電流損低減を目的とした磁区幅の減少、つまり磁区細分化技術が多く提案されている。
このような磁区細分化方法の適用により鋼板の断面方向における渦電流及びそれによる熱エネルギーの発生は抑制され、その結果、一方向性電磁鋼板の鉄損は低減できる。

例えば特許文献１などには、鉄損の改善を目的とし、一方向性鋼板表面の圧延方向と直角方向に対して、レーザを、所定のビーム幅、エネルギー密度、照射間隔で照射することにより、鋼板表面に局部的な高転位密度領域、すなわち微小塑性歪を加える（２頁左下欄１５行目参照）ことで、磁区の芽を発生させて磁区の細分化を行ない（２頁右下欄１８〜２０行目参照）、鉄損を低減する一方向性電磁鋼板の製造方法が開示されている。

また特許文献２などには、鉄損の改善を目的とし、一方向性鋼板表面の圧延方向と直角方向から４５°の方向の範囲に、所定荷重を加えて溝を形成した後、所定温度で歪取り燃鈍をすることにより歪導入部に微細結晶粒を生じさせ、この粒と二次再結晶粒との界面から磁区細分化の芽を発生させる（２頁左下欄９〜１９行目参照）方法が開示されている。

上記特許文献１及び特許文献２の方法は、手段が異なるものの、いずれも一方向性電磁鋼板表面に局部的な塑性歪領域（高転位密度領域）を生成させ、磁区の芽を生成して磁区の細分化を行なうことを技術思想とする技術であるが、これらの塑性歪を付与する方法で得られる鋼板の鉄損（Ｗ17/50 ）は０．８０〜０．７８Ｗ／Ｋｇ程度が限界であった。なお、前記Ｗ17/50 は磁束密度１．７Ｔ、周波数５０Ｈｚにおける鉄損を示す。
上記鉄損が不充分となる原因は、本発明者らの検討結果によれば、塑性歪付与により磁区幅を低減（磁区細分化）することで鉄損のうちで、渦電流損は低減するものの、逆にヒステリシス損が増加するためであることが判っている。

一方、従来から非特許文献１などで、一方向性電磁鋼板表面に張力皮膜をコーティングすることにより弾性歪を付与し、鉄損を低下させる方法が提案され、実用化されている。 しかしながら鋼板表面の張力皮膜形成により発生する張力はせいぜい２０ＭＰａ程度が限度であり、この方法によって得られる鉄損Ｗ17/50 は１．０３Ｗ／Ｋｇ程度に過ぎなかった。このような従来技術の現状を踏まえ、さらなる鉄損の改善が望まれている。

前述の通り、近年、電気機器などで使用する際のエネルギーロス低減のために一方向性電磁鋼板の更なる鉄損の低減が求められている現状において、一方向性電磁鋼板の鉄損を従来以上に安定して改善する方法が望まれている。
特開昭５５− １８５６６号公報 特開昭６１−１１７２１８号公報 T.Yamamoto and T.Nozawa:J.Appl.Phys.,57(1970) 2981.

上述の通り、従来技術の一方向性電磁鋼板表面に塑性歪または弾性歪を付与する方法により達成される鉄損値（Ｗ17/50 ）の向上効果には限界があった。
本発明は、このような従来技術の現状に鑑みて、一方向性電磁鋼板の鉄損をヒステリシス損と渦電流損に分けて、それぞれの観点から塑性歪と弾性歪を適正な条件に制御することにより、従来に比べて鉄損に優れた低鉄損一方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１） 鋼板表面に形成された引張残留応力と塑性歪からなる歪領域のうち、圧延方向の前記引張残留応力の最大値が７０〜１５０ＭＰａであり、かつ、前記塑性歪の圧延方向の範囲が０． ６ｍｍ以下であることを特徴とする低鉄損一方向性電磁鋼板。
（２） 前記歪領域間の圧延方向の間隔が７．０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の低鉄損一方向性電磁鋼板。
（３） 前記歪領域は、鋼板の圧延方向に対して６０〜１２０°の方向に連続的または所定間隔で形成されていることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の低鉄損一方向性電磁鋼板。

本発明によれば、一方向性電磁鋼板の鉄損をヒステリシス損と渦電流損に分けてそれぞれの観点から塑性歪と弾性歪を適正な条件に制御することにより、鉄損（Ｗ17/50 ）を０．７Ｗ／Ｋｇ以下に改善でき、従来に比べて鉄損に優れた低鉄損一方向性電磁鋼板を提供することができる。本発明の鉄損に優れた一方向性電磁鋼板を例えばトランスなどの電気機器などに適用することによって、従来に比べてエネルギーロスを大幅に低減することが期待されることから、本発明の産業上の利用価値は非常に高いものである。

以下に、本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、特許文献１などで開示された一方向性電磁鋼板表面にレーザを照射して、鋼板表面に局部的な高転位密度領域、すなわち微小塑性歪を形成する方法の確認試験を実施し、鉄損改善に及ぼす効果を詳細に検討した。その結果、レーザを一方向性電磁鋼板表面に照射した場合、その鋼板表面には局所的に熱履歴に起因する塑性歪が形成されると同時に弾性歪である引張残留応力が形成され、両者が鉄損に影響することを確認した。

また、弾性歪である引張残留応力は、一方向性電磁鋼板における圧延方向に向いた磁化容易軸方向の磁気異方性を高め、磁区細分化を引き起こす作用により、鉄損の一部である渦電流損、特に異常渦電流損を減少させる効果があるものの、塑性歪はピンニングサイトとして磁壁の移動を妨げる作用により、鉄損の一部であるヒステリシス損を逆に増加させることを見出した。

特許文献１及び特許文献２などで提案する従来方法では、一方向性電磁鋼板表面に局部的な塑性歪領域（高転位密度領域）を積極的に生成させることにより、磁区の芽を生成して磁区の細分化を行なうことを技術思想としていた。しかし、以上の検討結果に基づき、本発明者らは、一方向性電磁鋼板の鉄損を低減させるために塑性歪領域の増加は逆効果であり、弾性歪である引張残留応力を形成することが鉄損低減のために効果的であると考えた。

本発明は、一方向性電磁鋼板の鉄損をヒステリシス損と渦電流損に分けて、鋼板表面に形成される塑性歪の領域を制限してヒステリシス損を低減し、鋼板表面に適正な引張残留応力（弾性歪）を形成して渦電流損を低減することにより、従来の一方向性電磁鋼板に比べて大幅に鉄損を低減させることを技術思想とするものである。

本発明の低鉄損一方向性電磁鋼板は、第１に、引張残留応力と塑性歪からなる歪領域のうち、圧延方向の引張残留応力の最大値が７０〜１５０ＭＰａであり、かつ、塑性歪の圧延方向の範囲が０．６ｍｍ以下であること、を特徴とする。

本発明において、一方向性電磁鋼板表面に引張残留応力（弾性歪）または塑性歪を形成する方法は特に限定するものではないが、例えば特許文献１などで示されるようなパルスレーザまたは連続レーザ照射方法を用いて照射条件を調整することにより、鋼板表面の引張残留応力（弾性歪）または塑性歪が上記範囲になるように制御することで実現できる。 鋼板表面に上記歪を導入する他の方法としては、イオン注入法、放電加工法、局部メッキ法等が挙げられいずれの手法でも良い。

図１は、一方向性電磁鋼板にパルスレーザを照射した場合に鋼板表面に形成される歪領域を示した模式図である。
図１に示すように、一方向性電磁鋼板にレーザ照射スポット形状１およびレーザ出力を調整したパルスレーザを照射することにより、鋼板表面に引張残留応力（弾性歪）と塑性歪からなる歪領域２が形成される。

鋼板表面に形成される圧延方向の引張残留応力（弾性歪）の最大値は、例えば集光レンズの焦点距離などの光学条件を変えずにレーザ出力を調整することにより制御でき、レーザ出力の増加により圧延方向の引張残留応力（弾性歪）の最大値は増大する。また、鋼板表面に形成される塑性歪の圧延方向の範囲は、例えばレーザ出力を変えずに光学系を調整してレーザスポット面積を一定の条件でスポット形状を長軸が圧延方向（Ｌ方向）で短軸が幅方向（Ｃ方向）の楕円形状に変化させ、その軸比（Ｌ／Ｃ）を調整することにより塑性歪の圧延方向の範囲を制御できる。

図２は、レーザ照射により一方向性電磁鋼板表面に形成された圧延方向の引張残留応力の最大値および塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）と、鉄損（Ｗ17/50 ）との関係を示す。
ここで、Ｗ17/50 は通常の磁気測定装置を用いて周波数５０Ｈｚで励磁した時の磁束密度（Ｂ）１．７Ｔの条件で測定した鉄損値を示す。また、一方向性電磁鋼板の板厚は０．２３ｍｍ、パルスレーザ照射条件は、鋼板の圧延方向（Ｌ方向）に５．０ｍｍ、鋼板の圧延方向（Ｌ方向）に対して直角方向（Ｃ方向）に０．３ｍｍの照射間隔（ピッチ）で照射した。

前述の通り、従来技術により得られる一方向性電磁鋼板の鉄損値（Ｗ17/50 ）は０．８０〜０．７８Ｗ／Ｋｇ程度が限界であり、本発明ではこれらの鉄損値（Ｗ17/50 ）を下回る低鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板を得ることを目標とする。

図２から明らかなように、鉄損値（Ｗ17/50）が０．７０Ｗ／Ｋｇ以下の低鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板を得るためには、圧延方向の引張残留応力の最大値を７０〜１５０ＭＰａとすると同時に、塑性歪の圧延方向の範囲を０．６ｍｍ以下とする必要がある。
このような理由から、本発明では前記鋼板表面に形成された引張残留応力と塑性歪からなる歪領域のうち、圧延方向の引張残留応力の最大値を７０〜１５０ＭＰａとし、かつ塑性歪の圧延方向の範囲を０．６ｍｍ以下とした。

本発明において前記鋼板表面に形成された圧延方向の引張残留応力の最大値は、例えば単結晶Ｘ線応力解析法（例えば須山、大谷、吉岡：材料、48(1999),P.372参照）を用いて圧延方向の残留応力（弾性歪）を測定し、その最大値から求めることができる。また、本発明において前記鋼板表面に形成された塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）は、例えば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％以上の範囲を塑性歪の範囲と定義し、その塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）から求められる。

本発明は、上記第１実施形態により、従来に比べ鉄損が低い、低鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板を達成することができるが、これらの発明実施形態に加えてさらに以下の条件を規定することにより、安定して低鉄損特性を改善できるので好ましい。

上記発明の第１実施形態において、引張残留応力および塑性歪からなる歪領域の鋼板幅方向（Ｃ方向）の間隔は特に限定する必要はないが、同歪領域の圧延方向（Ｌ方向）の間隔は、それぞれの隣り合う歪領域間の相互作用により磁区細分化に影響を及ぼすため、その間隔が大き過ぎる場合は鉄損を低減する効果が減少する。
本発明者らの実験結果によれば、本発明の圧延方向の引張残留応力の最大値および塑性歪の圧延方向の範囲が最適な条件下であっても、前記引張残留応力および塑性歪からなる歪領域の圧延方向の間隔が７．０ｍｍを超える場合には、鋼板の磁区細分化作用は少なくなり、従来に比べて十分に鉄損値を低減することはできないことを確認した。

このような理由から、本発明では、上記第１ 実施形態で規定する要件に加えて、第２実施形態として、さらに、引張残留応力および塑性歪からなる歪領域の圧延方向の間隔を７．０ｍｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは、引張残留応力および塑性歪からなる歪領域の圧延方向の間隔は０ｍｍ、つまり、前記歪領域を圧延方向に連続に形成するのがより望ましい。

前述した通り、一方向性電磁鋼板は、理想的には鉄損を低減するために、圧延方向（Ｌ方向）に磁化容易軸をもった（１１０）［００１］方位の結晶粒で構成された集合組織鋼板であることが望ましい。しかし、実際に工業的に製造し得る一方向性電磁鋼板における磁化容易軸は圧延方向と完全に平行ではなく、磁化容易軸は圧延方向に対してずれ角度が存在する。また、一方向性電磁鋼板の磁区細分化により鉄損を低減するためには、鋼板の磁化方向、つまり、磁化容易軸に対して直角方向に連続的または所定間隔で鋼板表面に引張残留応力および塑性歪からなる歪領域を形成するのが有効であると考えられる。

本発明者らの実験結果によれば、上記磁化容易軸の圧延方向に対するずれ角度に起因して、圧延方向に対して６０〜１２０°の方向に連続的または所定間隔で鋼板表面に引張残留応力および塑性歪からなる歪領域を形成する場合に、磁区細分化の効果による鉄損の低減が充分に得られることを確認した。上記の角度範囲は、理想とする磁化容易軸方向、つまり、鋼板の圧延方向（Ｌ方向）に対して直角な方向（Ｃ方向）からずれ角度で３０°以内の範囲に相当し、この角度範囲から外れると、本発明の圧延方向の引張残留応力の最大値および塑性歪の圧延方向の範囲が最適な条件下であっても、鋼板の磁区細分化作用は少なくなり、従来に比べて十分に鉄損値を低減することはできない。

したがって本発明は、上記第１ 実施形態または第２実施形態で規定する要件に加えて、第３実施形態として、さらに、前記引張残留応力および前記塑性歪からなる歪領域が、鋼板の圧延方向に対して６０〜１２０°の方向に連続的または所定間隔で形成することがより鉄損を低減するため好ましい。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

板厚が０．２３ｍｍの一方向性電磁鋼板を用いてこの鋼板表面にパルスレーザを照射することにより、表１に示すような引張残留応力（弾性歪）の最大値、塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）、歪領域（引張残留応力および塑性歪からなる歪領域）の方向の圧延方向に対する角度、同歪領域の圧延方向（Ｌ方向）の間隔の各一方向性電磁鋼板を製造後、各一方向性電磁鋼板の鉄損（Ｗ17/50）を測定した（表１参照）。

なお、表１の圧延方向の引張残留応力の最大値は、単結晶Ｘ線応力解析法を用いて圧延方向の残留応力（弾性歪）を測定し、その最大値から求めた。また、塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）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％以上の範囲を塑性歪の範囲とし、その塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）から求めた。

レーザビーム形状は、鋼板表面の照射位置でのスポット形状が直径１５０μｍの円形であり、レーザ出力は、表１に示すように１パルスあたりのエネルギーで１〜１０ｍＪまで変化させた。照射方向は、鋼板の圧延方向に対して７０°〜１３５°、照射間隔は、鋼板幅方向（Ｃ方向）には０．３ｍｍに固定し、鋼板圧延方向（Ｌ方向）には３．０ｍｍ〜９．０ｍｍと変化させた。

表１から明らかなように、試験Ｎｏ．１〜９（本発明例）に示す一方向性電磁鋼板は、何れも圧延方向の引張残留応力の最大値および塑性歪の圧延方向範囲の何れも本発明で規定する範囲内にあるため、低鉄損値（Ｗ17/50 ）を０．７０Ｗ／Ｋｇ以下まで低減でき、これらの条件が外れる試験Ｎｏ．１０〜１３（比較例）に比べて低鉄損特性に優れた一方向性電磁鋼板が得られた。

また、上記試験Ｎｏ．１〜９（本発明例）のうちで、圧延方向の引張残留応力の最大値及び塑性歪の圧延方向範囲に加えて、さらに、鋼板の圧延方向に対する歪領域（引張残留応力および塑性歪からなる歪領域）の方向の角度、同歪領域の圧延方向間隔が好ましい範囲内にある試験Ｎｏ．１〜７（本発明例）は、試験Ｎｏ．８および９（本発明例）に比べてより鉄損を低減することができた。

板厚が０．２３ｍｍの一方向性電磁鋼板を用いてこの鋼板表面にパルスレーザを照射することにより、表２に示すような引張残留応力（弾性歪）の最大値、塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）の各一方向性電磁鋼板を製造後、各一方向性電磁鋼板の鉄損（Ｗ17/50 ）を測定（表２参照）した。
レーザ出力は、１パルスあたりのエネルギーで５ｍＪと一定にし、レーザビーム形状については、鋼板表面の照射位置でのスポット形状を楕円形とし、その軸比（Ｌ／Ｃ、但し、Ｌ：圧延方向の長軸長さ、Ｃ：幅方向の短軸長さとする。）を表２に示すように０．５〜２．０に変化させた。

また、鋼板表面に形成した歪領域（引張残留応力および塑性歪からなる歪領域）の圧延方向（Ｌ方向）の間隔は５．０ｍｍ、同歪領域の圧延方向（Ｌ方向）と直角な鋼板幅方向（Ｃ方向）の間隔は０．３ｍｍ、同歪領域の方向の圧延方向に対する角度は９０°と、それぞれ一定になるようにレーザを照射した。なお、表２ の圧延方向の引張残留応力の最大値、および塑性歪の圧延方向の範囲（最大長さ）の測定は、実施例１と同様な方法で行なった。

試験Ｎｏ．１および２（本発明例）は、鋼板表面に形成された圧延方向の引張残留応力の最大値と、塑性歪の圧延方向範囲の両方の条件が本発明で規定する範囲を満足するため、試験Ｎｏ．３〜５（比較例）に比べてより鉄損を低減できた。

レーザ照射スポット形状と歪の圧延方向範囲の概念図を示す。 圧延方向の引張残留応力最大値および圧延方向の塑性歪範囲と鉄損（Ｗ17/50 ）との関係を示す図。

符号の説明

１：レーザ照射スポット形状
２：歪領域

Claims (3)

1. 鋼板表面に形成された引張残留応力と塑性歪からなる歪領域のうち、圧延方向の前記引張残留応力の最大値が７０〜１５０ＭＰａであり、かつ、前記塑性歪の圧延方向の範囲が０．６ｍｍ以下であることを特徴とする低鉄損一方向性電磁鋼板。
2. 前記歪領域間の圧延方向の間隔が７．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の低鉄損一方向性電磁鋼板。
3. 前記歪領域は、鋼板の圧延方向に対して６０〜１２０°の方向に連続的または所定間隔で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の低鉄損一方向性電磁鋼板。

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