JPH07220913A

JPH07220913A - 磁気特性の優れた電磁鋼板

Info

Publication number: JPH07220913A
Application number: JP6012937A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Minamida; 勝宏南田; Naoya Hamada; 直也浜田; Atsushi Sugibashi; 敦史杉橋; Takamichi Kobayashi; 尊道小林
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-02-04
Filing date: 1994-02-04
Publication date: 1995-08-18
Anticipated expiration: 2016-04-03
Also published as: JP3152554B2

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の歯形ロールの加圧法による方法あるい
は化学的エッチングによる方法で形成される凹部溝の形
状的な問題を解決し、実用的に使用できる応力緩和焼鈍
後も鉄損値低減効果の残る方向性電磁鋼板の製品を提供
する。【構成】方向性電磁鋼板の表面に、ＱスイッチＣＯ₂
レーザビームを照射してできた鋼板表面のクレータの平
均径が１００〜２００μｍで、深さが１０〜３０μｍ
で、圧延方向に３〜１０mm、鋼板幅方向に穴径と穴間隔
で規定される穴加工比（穴間隔／穴径）が１．０以下に
なるように均一に配列された連続パターンの痕跡を有
し、かつ鋼板裏面は平坦であることを特徴とする、応力
緩和焼鈍によっても鉄損値低減効果が失われない磁気特
性に優れた方向性電磁鋼板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は方向性電磁鋼板の応力緩
和焼鈍(Stress Relief Annealing :ＳＲＡ）に耐え得る
鉄損特性改善の優れた方向性電磁鋼板に関し、特にパル
スＣＯ₂レーザビーム照射にて形成する地金のクレータ
形状とその配列の連続パターンにより、その磁気特性を
大幅に改善した低鉄損の方向性電磁鋼板に係わる。

【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。該方法
による鉄損の低減はレーザビームを照射することによっ
て生ずる熱衝撃波の反力によって方向性電磁鋼板に応力
歪を導入し、磁区を細分化することによりヒステリシス
損失の増加を抑えたまま渦電流損失の低下を図るもので
ある。従って前記方法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、応力緩和焼鈍処理
を必要とする巻鉄芯トランス用としては焼鈍時にレーザ
により導入した歪が消失し、磁区細分化効果が失われる
ため使用できない問題があった。

【０００３】これに対し、鉄損値低減効果が応力緩和焼
鈍後も残るようにした方向性電磁鋼板の磁気特性改善方
法としては、鋼板に応力歪レベルを超えた応力緩和焼鈍
後も残留する組織的あるいは形状的な変化を与えること
により、透磁率の変化を導入し磁区を細分化する方法が
考案され様々に提案されている。

【０００４】形状的な変化により応力緩和焼鈍後に効果
のある鉄損値の低減例としては、溝状あるいは点状、線
状の凹部を鋼板に導入するものとして以下のようなもの
が開示されている。

【０００５】特公昭６３−４４８０４号公報には機械的
な押圧方式が提案されている。仕上げ焼鈍済または絶縁
被膜処理済の鋼板に、歯車型ロールにより平均荷重７０
〜２２０kg／mm²で線状または点状、破線状等の凹部を
形成する際、鋼板の温度を５０〜５００℃にして加工し
その後、７５０℃以上の温度で熱処理することにより結
晶粒内に微細再結晶粒を生じさせて磁区の細分化を図ろ
うとするものである。本方法には機械加工での安定性、
信頼性そしてプロセスの複雑化等の製造方法上の問題が
あるが、磁気特性だけの観点からみれば実用レベルに充
分な鉄損値低減効果が期待できる。

【０００６】同様な方法として８００℃を超える応力緩
和焼鈍を行っても鉄損改善効果が消滅しない方向性電磁
鋼板の処理方法として、Physica Scripta.誌, Vol. T2
4, p.36-41, 1988 には歯形ロールを用いて圧延方向に
直角に深さ１０〜２５μｍの溝を形成する方法が提示さ
れている。この方法によれば、８５０℃、４時間の応力
緩和焼鈍を行っても、改善された鉄損値が劣化しないこ
とが実験的に確認されている。本方法にも面接触式加工
方法であること、ならびに電磁鋼板は多量のＳｉを含有
することから素材硬度がかなり高いことから、歯形ロー
ルの寿命が短く、生産コストが大幅に高くなるという製
造方法上の問題点があるが、製品としては実用レベルに
充分な鉄損値低減効果が得られている。さらに化学的エ
ッチングによる方法による凹部の導入についても米国特
許第４７５０９４９号明細書で開示され、生産性が低い
という問題があるものの、ここでも充分な鉄損値低減効
果が得られている。

【０００７】また、組織的な変化を導入して応力緩和焼
鈍後も鉄損値低減効果が残るようにしたものとしては、
特開昭５９−１００２２２号公報において二次再結晶焼
鈍済の鋼板に局所的な熱処理を加えて８００℃以上の温
度で焼なましを行い、人工的粒界を導入する方法が開示
されている。該方法は鉄損値の低減が、鋼板に導入され
た人工粒界により磁区細分化を図ることによって達成さ
れる。８００℃以上の温度で焼なましするため、歪取り
焼鈍により効果が消失することはないが、実施例からみ
て形状変化を導入する鉄損値低減方法なみの実用レベル
の鉄損値低減効果を得ることはできない。

【０００８】このように方法的な欠点はあるものの、鋼
板表面に凹部の溝状あるいは点状、線状の形状変化を導
入することで鉄損値を低減した方向性電磁鋼板は、鉄損
値の低減幅の大きさ、低減状況の安定性の観点から、製
品としては実用レベルにあることは公知の事実である。

【０００９】しかし上記に示した機械的あるいは化学的
エッチングによる方法で製造した凹部溝を持つ電磁鋼板
には製造方法が工業的な生産性の観点から問題である以
上に製品としての鋼板に以下のような問題点がある。

【００１０】機械的に形成した凹部形状を詳細に観察す
ると、鋭い刃型状の工具より、硬度の高い鋼板に凹部の
傷を導入するため、凹部断面は図３（Ａ）に示すように
凹部の各コーナー部においてかなり鋭角的になってい
る。あるいは鋼板に強引に弾性領域を超える応力を与え
凹部溝を導入するため、凹部の近傍に余分な歪が入り、
大きな残留応力が存在してしまうとともに、鋼板裏面に
通常４μｍを超える凸部が発生する。この凸部は弾性領
域の変形を受けて形成されたものであるので、その後の
平坦化昇温処理を行っても消失することなく残存する。
応力緩和焼鈍後にも鉄損値低減効果がある電磁鋼板は巻
鉄芯に使用するのが主目的である。鉄損値低減処理を済
ませた鋼板は巻鉄芯の形状に加工され、しかる後応力緩
和焼鈍を施され巻加工時に導入された余分な歪を取り去
られる。従って凹部溝導入時に入った歪あるいは凹部溝
形状に起因する鋼板の機械的加工特性は、巻成形加工時
にはそのままの形で現れる。

【００１１】電磁鋼板は成分中にＳｉを多く含むため加
工性が低く、僅かの原因で割れが発生する材料である。
仮に曲率の小さな巻鉄芯を成形しようとする場合には前
記のように機械的に導入された凹部の形状は各コーナー
部が鋭角的であり、加工性が低い電磁鋼板に対して凹部
がクラックの起点になり巻加工中に割れが発生する問題
があった。さらに前述のように機械式で形成した凹部の
裏面には凸部が発生するため、図５に示すように巻鉄芯
を製作する際、凸部が障害となって積層した鋼板の間に
空隙が発生する。これは、鋼板の占積率の低下をもたら
し、鉄芯の性能の著しい低下をもたらすという問題があ
った（図４）。

【００１２】凹部溝を導入する他の方法である化学的エ
ッチングにおいても、凹部導入時の裏面の凸部について
は機械式と違い存在しないものの（図３（Ｂ））、凹部
の断面形状については機械式より一層鋭角的であり、巻
加工時の割れの発生は機械式よりも大きいという問題が
あった。

【００１３】以上のように従来法による応力緩和焼鈍後
も鉄損値低減効果の残る、鋼板表面に凹部を持った方向
性電磁鋼板は、その加工形状自体の特性から、実用的に
使用する上で問題があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の歯形
ロールの加圧法による方法あるいは化学的エッチングに
よる方法で形成される凹部溝の形状的な問題を解決し、
実用的に使用できる応力緩和焼鈍後も鉄損値低減効果の
残る方向性電磁鋼板の製品を提供するものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＱスイッチＣ
Ｏ₂レーザを照射することにより、方向性電磁鋼板の表
面に形成したクレータの平均径が１００〜２００μｍ
で、そして深さが１０〜３０μｍで圧延方向に３〜１０
mm、鋼板幅方向にクレータの穴加工比１．０以下になる
ように均一に配列された連続パターンの痕跡を有し、か
つ鋼板表面は平坦であり、応力緩和焼鈍後も鉄損値低減
効果が残ることを特徴とした磁気特性に優れた方向性電
磁鋼板を要旨するものである。

【００１６】

【作用】以下に本発明を詳細に説明する。図１は、本発
明の応力緩和焼鈍後も鉄損値低減効果が残ることを特徴
とした磁気特性に優れた方向性電磁鋼板を製造する方法
の主たる構成要素であるＱスイッチＣＯ₂レーザ共振器
の構成と、その出力パルスの電磁鋼板への照射光学系の
構成を示したものである。

【００１７】レーザ放電部２は、ＣＯ₂レーザ媒質であ
るレーザガスに連続的もしくはパルス的に放電励起によ
ってエネルギーを供給する部分であり、レーザ共振器を
構成する全反射鏡３と全透過窓４によって大気と遮断さ
れている。大気中に設置された出力鏡７と全透過窓４と
の間には、共焦点テレスコープ５と回転チョッパ６によ
って構成されるＱスイッチング装置が設置される。Ｑス
イッチＣＯ₂レーザ共振器から取り出されたパルスレー
ザビーム１は、ポリゴンミラー８による回転スキャナー
によって電磁鋼板１０の板幅方向に走査され、平面全反
射鏡１１で反射して放物面鏡９によって集光された後、
電磁鋼板１０に照射される。

【００１８】図２は、パルス繰り返し周波数１２kHz で
Ｑスイッチ発振した場合の、ＱスイッチＣＯ₂レーザパ
ルス波形を示したものである。初期スパイク部はＱスイ
ッチレーザ特有のジャイアントパルス発振部であり、そ
の半値幅の範囲は１０nsec以上、１μsec 以下である。
このＱスイッチＣＯ₂レーザパルスは初期スパイク後に
長いテイル部分を伴っている。このテイル部の最大長さ
はおよそ１０μsec である。これはＱスイッチＹＡＧレ
ーザにはないＱスイッチＣＯ₂レーザに特有のパルステ
イルである。なお回転チョッパを用いたＱスイッチング
においては、レーザ光透過スリットの幅を適宜変更する
ことによりパルステイル長を短くすることが可能であ
る。Ｑスイッチ発振時のパルス繰り返し周波数の最大値
は、一般の連続波発振ＣＯ₂レーザを用いてＱスイッチ
発振させる場合、１００kHz 程度までの周波数が実現可
能である。なおこれより周波数を下げてゆく場合、２０
kHz程度のパルス繰り返し周波数までの領域では、パル
スエネルギーとパルス繰り返し周波数はおよそ反比例の
関係、すなわち一定のレーザ平均出力が得られる。

【００１９】以上に示したようなＱスイッチパルスＣＯ
₂レーザを方向性電磁鋼板に照射した場合の、鉄損特性
改善に関して以下に詳細に説明する。まず穴径に対して
穴深さを変化させ、鉄損低減効果について調べた。穴径
１００μｍ未満では穴深さを変化させたが、磁区の細分
化効果が不充分で鉄損値の低減効果が得られず、出発鉄
損値に対する改善鉄損値の割合で定義される鉄損改善率
も平均で５％以下であった。

【００２０】次に穴径を１００〜２００μｍとした場合
に、穴深さ１０〜３０μｍの場合に応力緩和焼鈍後も鉄
損値低減効果が消失せずに残る特性を有する結果が得ら
れ、鉄損改善率で７％以上の値が安定して得られた。こ
の時の加工条件としてはレーザビーム径０．２mm、ピー
クパワー密度２×１０⁷W/cm²〜２×１０⁸W/cm²であ
った。穴深さについてはこれ以上深い凹部を鋼板表面に
導入すると磁束密度の劣化をきたし、鉄損低減効果が不
安定になる傾向がみられ、鉄損改善率も５％以下になっ
た。これはレーザ加工によって形成される歪領域が広く
なり過ぎると、磁区細分化が起こりにくくなるためと考
えられる。また穴径２００μｍを超える場合についても
穴深さを変化させた凹部を形成したが、やはり磁束密度
の劣化をきたし、鉄損低減効果が不安定になる傾向がみ
られ、鉄損改善率が５％以下になった。これもレーザ加
工によって形成される歪領域が広くなり過ぎると、磁区
細分化が起こりにくくなるためと考えられる。従って効
果的な鉄損低減を得るには、穴径で１００〜２００μ
ｍ、穴深さで１０〜３０μｍの凹部を導入することがよ
い。

【００２１】図３（Ｃ）はこの時に得られた加工穴ある
いは溝の断面形状を示した模式図である。加工穴形状は
加工穴径Ｄと加工穴深さｈにより決定されるお椀状の形
状に近い形になっている。これは加工点でのレーザエネ
ルギー密度が中心部の方が高く、中心部から鋼板の蒸発
除去現象が開始されたためと考えられる。さらに、本実
験においては鋼板の除去を促進するためにアシストガス
として乾燥空気をレーザビームと同軸に鋼板に吹き付け
たが、ガスの流れが穴の中心部から外周部同心円状に形
成されるため、穴中心部が深いお椀の加工を促進する。
このようにレーザ加工により鋼板に凹部の加工を施す場
合はその加工プロセスから加工された穴はお椀状に形成
され、機械式あるいは光学エッチングにより形成される
鋭角的なものとは異なった形状を持つ。さらにこの時の
鋼板裏面の凹凸の状況を調べたところ、表面加工の影響
による凹凸部は殆どみられなかった。

【００２２】このようにレーザ照射により凹部を形成す
る方法では、形成された凹部は基本的に球状であるた
め、前述したように処理後の電磁鋼板を巻成形する際の
クラックの起点になる可能性が少ない。またレーザ照射
による凹部の形成は高々μsecオーダの瞬間的な除去加
工であるため、加工部近傍に余分な応力が残留する恐れ
もなく、しかも機械式による凹部形成と異なり、裏面へ
の影響もなく、鋼板の占積率を低下させることがない。

【００２３】さらに本発明の鋼板加工に使用したパルス
レーザの波形は図２に示したように初期スパイクの後方
にテイル部を有している。このテイル部の効果を調べる
ため、パルステイル部分の長さを逐次変化させながらそ
の加工特性への影響を調べた。その結果、パルステイル
部分がない場合も高品質の穴加工が実現できるが、さら
に１００nsec以上のパルステイルを付加すると穴加工部
位の周囲への異物の付着状況が改善され、より加工品質
が改善されることがわかった。このパルステイルによる
効果は、テイル部分による鋼板の再熱効果によって初期
スパイク部の照射で発生したスパッタ等を加熱、蒸発さ
せ滑らかな穴加工を実現しているものと思われる。

【００２４】次に凹部のピッチを変化させ鉄損値低減効
果を調べた。レーザ照射による穴の大きさとその位置関
係はレーザの繰り返し周波数とレーザビームの走査速度
にて決まる。図５に穴の径（ｄ）と穴の間隔（ｐ）そし
てそれらの比である穴加工比（Ｒ_dp）を示している。Ｒ
_dp＝ｐ／ｄであり、穴径と間隔が等しい場合、穴加工比
Ｒ_dpは１になる。また間隔が穴径の半分の場合、穴加工
比Ｒ_dpは０．５となる。前述した穴径１００〜２００μ
ｍ、穴深さ１０〜３０μｍの穴について穴加工比を変化
させたところ以下のような結果を得た。穴加工比１．０
以下になるように均一に配列された連続パターンの痕跡
が磁気特性に優れ鉄損改善効果が明確であり穴加工比が
１を超えるものは充分な鉄損改善効果が得られなかっ
た。これは穴加工比が１を超えると歪が導入されない部
分の影響が大きくなり鉄損改善効果が明確でなくなるか
らである。板幅方向のピッチ下限に関しては、従来技術
の歯形ロールで連続的な溝加工を行っていることからも
わかるように、特に下限値はない。そして圧延方向のピ
ッチは３〜１０mm照射間隔が鉄損値低減効果を得るのに
必要であり、この間隔が広くなり過ぎると歪が導入され
ない部分の影響が大きくなり鉄損改善効果が明確でなく
なり、狭過ぎると磁束密度の劣化をきたし、鉄損低減効
果が不安定になる傾向がみられた。これは、レーザ加工
によって形成される歪領域が密になり過ぎると、磁区細
分化が起こりにくくなるためと考えられる。

【００２５】

【実施例】以下に本発明を詳細に説明する。本発明の応
力緩和焼鈍によって鉄損値が低下せずに向上する特性を
有していることを特徴とした磁気特性に優れた方向性電
磁鋼板を製造する方法について図１に示す構成図を用い
て実施した。レーザ放電部２は連続波発振ＣＯ₂レーザ
の放電励起部分であり、フリーランニングモードで連続
波発振させた場合、ほぼＴＥＭ00モードで３kWのレーザ
出力を得る能力を有する。全反射鏡３は波長１０．５９
μｍにおいて反射率９９．８％を有する多層膜蒸着を施
したＺｎＳｅ反射鏡である。全透過窓４は波長１０．５
９μｍでの無反射コーティングが施されたＺｎＳｅ窓で
ある。共焦点テレスコープ５は同様なコーティングが施
された焦点距離１００mmのＺｎＳｅレンズ２枚によって
構成される。回転チョッパ６は６０，０００rpm で回転
する金属ブレードで、チョッパブレード上には１０〜１
００個のスリットが導入されている。従って、パルス繰
り返し周波数は１０〜１００kHzである。以上の条件で
レーザをフリーランニングモードで発振させた場合の平
均出力はおよそ１２００Ｗ強である。レーザ共振器から
取り出されたレーザビーム１はポリゴンミラー８によっ
て鋼板幅方向に１００mmに亘って走査される。レーザビ
ーム１は点集光の場合は、放物面鏡９によって鋼板１０
の表面上で０．２mm直径のビームに集光される。

【００２６】パルス繰り返し周波数５０kHz 、波長１
０．５９μｍのレーザビームを集光し、初期スパイク部
のパルス半値幅２５０nsec、パルステイル２μsec のＱ
スイッチＣＯ₂レーザパルスを初期スパイク部のピーク
パワー密度を５×１０⁷W/cm²として、平均穴径を２０
０μｍ、穴深さを２０μｍとして、鋼板幅方向のレーザ
光走査速度を３５０ｍ/minに設定して、穴加工比を０．
５として、鋼板圧延方向に６．５mm間隔で照射した。そ
の結果、未照射材に対する全鉄損改善率として９％の値
を得、この値は応力緩和焼鈍を施しても変化しなかっ
た。さらにこうして製作したサンプルを図６に示すよう
な巻鉄芯に成形したところ成形時の割れや積層時の空隙
もない良好な成形が行えた。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明した如く本発明による応力緩
和焼鈍によって鉄損値が低下せずに向上する特性（耐Ｓ
ＲＡ性）を有する方向性電磁鋼板をパルスＣＯ₂レーザ
を用いた鉄損改善方法によって製造できる。このように
本方向性電磁鋼板は耐応力緩和焼鈍性を有することから
従来のレーザ照射による製品では適用できなかった巻鉄
芯用素材への適用も可能となり、その用途を大幅に広げ
得る。さらに従来からあった耐応力緩和焼鈍性を有する
鉄損改善方法である歯形ロール等を用いる方法で製造し
た鋼板に比べても鉄損低減率で同等以上、巻鉄芯への加
工性で上回る良好な結果を実現した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の応力緩和焼鈍によって鉄損値が低下せ
ずに向上する特性（耐ＳＲＡ性）を有する方向性電磁鋼
板を製造する、パルスＣＯ₂レーザを用いた方向性電磁
鋼板の鉄損改善方法の構成を示す模式図である。

【図２】ＱスイッチＣＯ₂レーザの発振波形の典型的な
測定結果例である。

【図３】本発明の鋼板表面の凹部と従来法の凹部の断面
形状の概念図である。

【図４】従来の機械式で形成した凹部を持つ鋼板を積層
した場合の概念図である。

【図５】本発明の方向性電磁鋼板のパルスＣＯ₂レーザ
による穴加工のパターンと穴加工比を示す模式図であ
る。

【図６】実施例で製作した巻鉄芯の概念図である。

【符号の説明】

１パルスレーザビーム１′ ポリゴンミラーへ投入されるレーザビーム２レーザ放電部３全反射鏡４ＺｎＳｅ全透過窓５共焦点テレスコープ６回転チョッパ７出力鏡８ポリゴンミラー９放物面鏡１０電磁鋼板１１平面全反射鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林尊道神奈川県相模原市淵野辺５−10−１新日本製鐵株式会社エレクトロニクス研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】方向性電磁鋼板の表面にＱスイッチＣＯ
₂レーザビームを照射してできた鋼板表面のクレータの
平均径が１００〜２００μｍで、深さが１０〜３０μｍ
で、圧延方向に３〜１０mm、鋼板幅方向に穴径と穴間隔
で規定される穴加工比（穴間隔／穴径）が１．０以下に
なるように均一に配列された連続パターンの痕跡を有
し、かつ鋼板裏面は平坦であることを特徴とする、応力
緩和焼鈍によっても鉄損値低減効果が失われない磁気特
性に優れた方向性電磁鋼板。