方向性電磁鋼板およびその製造方法
【課題】レーザー照射面での反りの問題および平坦化焼鈍における張力付与膜の部分破壊の問題を同時に解消し、磁区細分化効果並びに張力付与効果を十二分に享受し得る方途について提供する。
【解決手段】コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に前記コイル由来の反りを残存させ、該反りの凸面側にレーザーを照射して該鋼板を平坦に矯正する。
【解決手段】コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に前記コイル由来の反りを残存させ、該反りの凸面側にレーザーを照射して該鋼板を平坦に矯正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性電磁鋼板およびその製造方法、特に方向性電磁鋼板に磁区細分化処理を施すことにより鉄損を改善する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を、(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位を制御することや、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることで、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。レーザー照射を用いる磁区細分化技術は、その後改良され（特許文献２、特許文献３および特許文献４などを参照）鉄損特性が良好な方向性電磁鋼板が得られるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭５７−２２５２号公報
【特許文献２】特開２００６−１１７９６４号公報
【特許文献３】特開平１０−２０４５５３号公報
【特許文献４】特開平１１−２７９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したレーザーによる磁区細分化処理は、仕上げ焼鈍後に、張力被膜の焼付けを兼ねた平坦化焼鈍の後に行われるのが定法であるが、このレーザーを照射した鋼板面が内側になる反りが圧延方向に生じることがある。これは、レーザー加熱された部分が熱膨張した際に周辺の温度上昇されていない部分に拘束されて圧縮変形するためと考えられている。このような変形は、変圧器に加工する際の妨げとなったり、鉄損や磁歪の劣化をもたらす原因となる。
【０００６】
一方、レーザー照射に先立つ平坦化焼鈍では、鋼板を800℃以上の高温下で張力を加えて焼鈍し、仕上焼鈍におけるコイル状態に起因する鋼板の反り（湾曲）を矯正する。しかし、この際の矯正が強すぎる、特に炉内張力が強すぎると、フォルステライト被膜の部分的な破壊が生じ、フォルステライト被膜のヤング率が低下することに伴って、本来フォルステライト被膜が持っている張力付与効果が減少することが問題となる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記した２つの問題、すなわちレーザー照射面での反りの問題および平坦化焼鈍における張力付与膜の部分破壊の問題を同時に解消し、磁区細分化効果並びに張力付与効果を十二分に享受し得る方途について提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記した課題を解決するために、まず、平坦化焼鈍において張力付与膜の部分破壊が生じることのない範囲での矯正を行うこと、次に、レーザー照射後に反りを発生させないこと、の実現を目指して、その方途を鋭意究明したところ、平坦化焼鈍においてコイル起因の反りを若干残して、この残存反りを、次のレーザー照射に伴う鋼板変形と相殺することが極めて有効であることを知見し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．表面側から順に下地被膜および張力被膜が形成された、鋼板の片面にレーザー照射が施されてなる方向性電磁鋼板であって、反り率が１％以下、かつ下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
【００１０】
２．コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に前記コイル由来の反りを残存させ、該反りの凸面側にレーザーを照射して該鋼板を平坦に矯正することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の製造方法によれば、平坦化焼鈍における矯正を弱めて、下地被膜（フォルステライト被膜）に与えるダメージを軽減することにより該下地被膜（フォルステライト被膜）のヤング率が低下することを抑制するとともに、その結果残存させる反りを最終的にレーザー照射による変形を利用して矯正するため、最終製品の形状が平坦であり、しかも鉄損と磁歪特性に優れる方向性電磁鋼板を製造することができる。このように得られた方向性電磁鋼板は、反り率が１％以下、かつレーザー照射後の下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上と、優れた特性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に従うレーザー照射の要領を示す図である。
【図２】鋼板の反りの測定要領を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について、詳しく説明する。
まず、本発明は、表面側から順に下地被膜および張力被膜が形成された、鋼板の片面にレーザー照射が施されてなる方向性電磁鋼板であって、反り率が１％以下、かつ下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上であることを特徴とする。
ここで、反り率（鋼板の平坦度を評価する尺度）とは、図２に示すように、鋼板１を圧延方向に平行に幅30mmで所定の長さＬ0（たとえば500mm）の試料に切断し、長手方向を水平方向に、かつ幅方向を鉛直方向にして、極力フリーな状態で立てた際の、鋼板の両端と中央との差Ｌ（図２における弧の中心から弦の中心までの長さ）の、前記試片の長さＬ0に対する比（Ｌ/Ｌ0×100（％））と規定する。
【００１４】
すなわち、反り率が１％を超えると、トランス等に加工したときに鋼板が弾性変形し、歪が入って騒音や鉄損を劣化させる原因となる。このように平坦にした上で下地被膜のヤング率を9.5×1010 N/m2以上に高めることが、本発明の特徴である。これにより、張力効果が働いて騒音や鉄損を改善することができる。
【００１５】
ここで、レーザー照射後の下地被膜のヤング率を9.5×1010 N/m2以上としたのは、この値以上とすることにより張力効果が有効に働き、鉄損の改善が顕著に認められるようになるためである。
【００１６】
次に、以上の鋼板を得るためには、コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施したのち、平坦化焼鈍にてコイルの巻き癖を取り除いて鋼板を平坦化する際に、この平坦化焼鈍における焼鈍条件の調整などにより、鋼板の圧延方向に発生した反り（湾曲）を、該平坦化焼鈍後のレーザー照射によって矯正できる程度の範囲内の反りとして残す、矯正を行う。すなわち、平坦化焼鈍は鋼板が完全に平坦になるまでは行わず、つまり緩い条件下で反りの矯正を行って被膜のダメージを回避し、残る反りの矯正代を、続くレーザー照射に伴って発生する鋼板の前記反りと逆側の反りによって相殺し、このレーザー照射後に最終的に鋼板の平坦化を完成するところに特徴がある。
なお、本発明において、レーザー照射は、図１（ａ）に示すように、反りが残った鋼板１の外側の面（凸面側）に照射するが、必ずしも反った状態で照射しなくともよく、工業的には、図１（ｂ）に示すように、鋼板１の圧延方向に張力を掛けた状態にて、張力付与前での凸面側に照射することが好ましい。
【００１７】
ここで、平坦化焼鈍において、レーザー照射によって矯正できる程度の範囲内の反りを残すには、焼鈍条件、すなわち、通板張力、焼鈍温度、板厚、下地被膜の厚さ、張力被膜の厚さ、鋼中のSi量及び焼鈍時間等のいずれか１または２以上を調整すればよいが、特に、焼鈍温度を810℃以下にするか、通板張力を4.9MPa（0.5kgf/mm２)以下に低減することが、フォルステライト被膜のダメージを抑制するのに好ましい。
すなわち、焼鈍温度を810℃以下にすることによって、鋼板の伸びが抑制されるため、平坦化焼鈍中に、フォルステライト被膜が鋼板の伸びに追随できずにその粒界において部分的に割れが生じることが抑制され、張力効果が減少するのを防ぐことができる。
なお、下限は、レーザー照射によって矯正できる範囲に反りを低減するため、700℃程度とすることが好ましい。
同様に、通板張力を4.9MPa（0.5kgf/mm２)以下に低減することによって、鋼板の伸びが抑制されるため、やはり、フォルステライト被膜の割れによる張力効果の減少を防ぐことができる。なお、下限は、同様に、レーザーで矯正できる範囲に反りを低減するため、1. 96MPa(0.2kgf/mm２)程度とすることが好ましい。
【００１８】
次いで、上記した適宜の反りを残した鋼板に対して、その反りの凸面側からレーザー照射を行う。該レーザーを照射する凸面側は、コイルに巻き取って仕上げ焼鈍する際にコイル外側となる面に相当する。該レーザー照射にて与える歪は鋼板の圧延方向と交差する向きに連続または断続（点線状）した線状に導入する。この線状の歪み導入領域は圧延方向に１mm以上20mm以下の間隔を置いて反復して形成する。
【００１９】
本発明では、レーザー照射のエネルギーを、従来好適とされていた領域よりも高くすることが可能である。すなわち、従来は、平坦な鋼板にレーザーを照射した場合の、鋼板の反り変形によって生じる、形状不良、鉄損劣化および騒音増大等が、レーザー照射の高エネルギー化の制約となっていたが、この制約が緩和されるからである。
従って、従来は適用が難しかった、例えば、Ｑスイッチパルス型YAGレーザーの出力を１パルス当たり６mJとし、焦点径0.3mmに集光し、圧延方向に直行する方向に点線状に0.4mm間隔で照射したラインを圧延方向に５mm間隔で繰り返す、レーザー照射が可能となり、より低鉄損化に寄与するものである。
【００２０】
かように、このレーザー照射の際に不可避的に生じる鋼板の変形と、先の平坦化焼鈍で残留させた鋼板の反りとを相殺させれば、レーザー照射後の鋼板における前記反り率が１％以下となるように、確実に平坦化できる。
【００２１】
ここに、レーザーの照射は、仕上げ焼鈍と張力被膜の形成後である必要がある。方向性電磁鋼板の特徴であるゴス方位の二次再結晶を成長させるための仕上げ焼鈍、および張力被膜の形成と張力効果の発現のためには、いずれも高温での熱処理が必要である。しかし、このような高温処理は鋼板に導入された歪みを除去または減少させるため、例えばレーザーの照射後に張力被膜の焼付けを行うと、レーザー照射に起因した歪による圧縮応力が解消され、鋼板が平坦化焼鈍直後の湾曲した状態に戻ってしまう。したがって、張力被膜の形成等の高温処理は、本発明のレーザー処理前に実施する必要がある。
【００２２】
そして、本発明で照射するレーザーの光源としては、連続波レーザー、パルスレーザーのいずれでもよく、ＹＡＧレーザーやＣＯ２レーザー等の種類も選ぶ必要はない。ここで、最近使用されるようになってきたグリーンレーザーマーカーは、照射精度の面で特に好適である。その際、グリーンレーザーマーカーにおけるレーザーの出力は、単位長さ当たりの熱量として、５〜100J/m程度の範囲が好ましい。
また、レーザービームのスポット径は0.1〜0.5mm程度の範囲とし、圧延方向の繰返し間隔は１〜20mm程度の範囲とすることが好ましい。
なお、鋼板にレーザー照射にて付与される歪の深さは、５〜30μｍ程度とするのが好適である。
【００２３】
また、磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板の鉄損は、二次再結晶の方位集積が高い方がより小さいことが知られている。方位集積の目安としてＢ８（800A/mで磁化した際の磁束密度）がよく用いられるが、本発明に用いる方向性電磁鋼板はＢ８が1.88Ｔ以上、より好ましくは1.92Ｔ以上のものが好適である。
【００２４】
電磁鋼板の表面に形成された張力被膜は、従来公知の張力絶縁被膜で構わないが、リン酸アルミニウムまたはリン酸マグネシウム等のリン酸塩とシリカを主成分とするガラス質の張力絶縁被膜であることが好ましい。
なお、張力被膜の焼付けと平坦化焼鈍とは同時であっても、別々の焼鈍に分かれていてもかまわない。また、レーザー照射後、被膜に局所的なピンホールが入る場合があるが、これを保護するために低温で焼き付けるコーティングを施すことも出来る。
【００２５】
本発明に係る方向性電磁鋼板は、従来公知の方向性電磁鋼板であればよい。例えば、Si：2.0〜8.0質量％を含む電磁鋼素材を用いればよい。
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。
【００２６】
ここで、Siの他の基本成分および任意添加成分について述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、集合組織の改善のために添加をするが、0.08質量％を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが困難になるため、0.08質量％以下とすることが好ましい。なお、下限に関しては、Ｃを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。
【００２７】
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。
【００２８】
ここで、二次再結晶を生じさせるために、インヒビターを利用する場合、例えばAlＮ系インヒビターを利用する場合であればAlおよびＮを、またMnＳ・MnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび／またはＳを適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl、Ｎ、ＳおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al：0.01〜0.065質量％、Ｎ：0.005〜0.012質量％、Ｓ：0.005〜0.03質量％、Se：0.005〜0.03質量％である。
さらに、本発明は、Al、Ｎ、Ｓ、Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
この場合には、Al、Ｎ、ＳおよびSe量はそれぞれ、Al：100 質量ppm以下、Ｎ：50 質量ppm以下、Ｓ：50 質量ppm以下、Se：50 質量ppm以下に抑制することが好ましい。
【００２９】
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1.5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0.03〜1.5質量％の範囲とするのが好ましい。
【００３０】
また、Sn、Sb、Cu、Ｐ、CrおよびMo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。また、上記のＣ、Ｎ、ＳおよびSeは、最終仕上げ焼鈍の純化過程で除去され、方向性電磁鋼板の製品では、不可避的不純物程度に低減される。
【００３１】
上記した成分組成になる鋼スラブは、やはり方向性電磁鋼板の一般に従う工程を経て、二次再結晶焼鈍後に張力絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板とする。すなわち、スラブ加熱後に熱間圧延を施し、１回又は中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延にて最終板厚とし、その後、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、例えばMgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶過程と純化過程を含む最終仕上げ焼鈍を施し、上述の操作を行った上、例えばコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コートを塗布して焼付ければよい。
【実施例】
【００３２】
方向性電磁鋼板の最終仕上焼鈍後の鋼板コイルに、平坦化焼鈍を行うと同時に張力被膜を塗布そして焼付けした。かくして得られた、板厚0.23mm、幅1.2mおよび重量12トンの方向性電磁鋼板コイルを連続的に送りながら、レーザーを連続的に照射する磁区細分化処理を行った。
【００３３】
ここで、方向性電磁鋼板は、3.4質量％のSiを含有し、800A/mでの磁束密度Ｂ８が1.93Ｔおよび1.7Ｔ、50Hzでの鉄損Ｗ17/50が0.90W/kgと、一般的な高配向性の方向性電磁鋼板であり、張力被膜は下地被膜（フォルステライト被膜）の上に形成されたコロイド状シリカ、リン酸マグネシウム、クロム酸からなる薬液を焼き付けた一般的な張力被膜である。
【００３４】
上記において、平坦化焼鈍の条件を、表１に示すように、平坦化焼鈍後の鋼板の形状を反りが残存する諸条件並びに反りが矯正される諸条件に、種々変動させた。なお、平坦化焼鈍の保持時間は60秒である。
【００３５】
また、コイルに施したレーザー照射処理は、次のとおりである。すなわち、レーザー発信器は、Ｑスイッチパルス型YAGレーザであり、ビーム径は0.3mm、パルス繰り返し周波数25kHzで、幅200mm毎に１台の発振器を並べ、ガルバノスキャナによって圧延方向と直交する方向に照射線を圧延方向へ５mm間隔で描くように照射した。レーザーは、鋼板を拘束しない状態で圧延方向に凸となる面に照射し、この照射時の出力を調整して、照射後の反りが変わるようにした。
【００３６】
なお、鋼板の反り量および反り率は、図２に示すように、鋼板を圧延方向に平行に長さＬ0＝500mmおよび幅30mmに切断し、長手方向を水平方向に、かつ幅方向を鉛直方向にして、極力フリーな状態で立てた際の、鋼板の両端と中央との差Ｌ（図２における弧の中心から弦の中心までの長さ）を反り量とし、反り率は、Ｌ／Ｌ0×100（％）で評価した。ただし、反り量が３mm以下（反り率0.6％以下）では立てることが困難であり、実質的な品質に影響しないため平坦と評価した。ここで、反り量および反り率の評価結果は、平坦化焼鈍前に反っていた側をプラスとし、この逆側への反りをマイナスとして表示した。
【００３７】
被膜張力の評価は、鋼板の磁歪測定で行った。すなわち、1.7Ｔおよび50Hzにおける磁歪をレーザードップラー式振動計にて測定する際、圧延方向の圧縮応力を０MPa（０kgf/mm２）から9.8 MPa（1.0kgf/mm２）まで徐々に増加させた。磁歪の最小値と最大値との差（Peak to Peak値）が応力０MPaでの測定値の３倍以上になったとき、その圧縮応力が拮抗する被膜張力を上回ったものとして、被膜張力の評価値とした。
また、下地皮膜のヤング率は、一旦張力被膜をアルカリ洗浄などによって除去した後、供試材にパルスレーザーを照射して励起された表面弾性波の音速を測定し、これを解析することによって求めた。
【００３８】
以上の評価結果を表１に示すように、平坦化焼鈍を低温、または低張力にして、レーザー照射の後が平坦になるようにした場合に、鉄損の減少と平坦化焼鈍での被膜損傷の抑制効果、すなわち被膜張力の向上の効果が得られた。この効果は、変圧器として方向性電磁鋼板を使用した際に、鉄損および騒音の低減、および加工による品質劣化の抑制に寄与するところ大である。
【００３９】
【表１】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、方向性電磁鋼板およびその製造方法、特に方向性電磁鋼板に磁区細分化処理を施すことにより鉄損を改善する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主にトランスの鉄心として利用され、その磁化特性が優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を、(110)[001]方位（いわゆる、ゴス方位）に高度に揃えることや、製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。しかしながら、結晶方位を制御することや、不純物を低減することは、製造コストとの兼ね合い等で限界がある。そこで、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入し、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、最終製品板にレーザーを照射し、鋼板表層に線状の高転位密度領域を導入し、磁区幅を狭くすることで、鋼板の鉄損を低減する技術が提案されている。レーザー照射を用いる磁区細分化技術は、その後改良され（特許文献２、特許文献３および特許文献４などを参照）鉄損特性が良好な方向性電磁鋼板が得られるようになってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公昭５７−２２５２号公報
【特許文献２】特開２００６−１１７９６４号公報
【特許文献３】特開平１０−２０４５５３号公報
【特許文献４】特開平１１−２７９６４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したレーザーによる磁区細分化処理は、仕上げ焼鈍後に、張力被膜の焼付けを兼ねた平坦化焼鈍の後に行われるのが定法であるが、このレーザーを照射した鋼板面が内側になる反りが圧延方向に生じることがある。これは、レーザー加熱された部分が熱膨張した際に周辺の温度上昇されていない部分に拘束されて圧縮変形するためと考えられている。このような変形は、変圧器に加工する際の妨げとなったり、鉄損や磁歪の劣化をもたらす原因となる。
【０００６】
一方、レーザー照射に先立つ平坦化焼鈍では、鋼板を800℃以上の高温下で張力を加えて焼鈍し、仕上焼鈍におけるコイル状態に起因する鋼板の反り（湾曲）を矯正する。しかし、この際の矯正が強すぎる、特に炉内張力が強すぎると、フォルステライト被膜の部分的な破壊が生じ、フォルステライト被膜のヤング率が低下することに伴って、本来フォルステライト被膜が持っている張力付与効果が減少することが問題となる。
【０００７】
そこで、本発明は、上記した２つの問題、すなわちレーザー照射面での反りの問題および平坦化焼鈍における張力付与膜の部分破壊の問題を同時に解消し、磁区細分化効果並びに張力付与効果を十二分に享受し得る方途について提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、上記した課題を解決するために、まず、平坦化焼鈍において張力付与膜の部分破壊が生じることのない範囲での矯正を行うこと、次に、レーザー照射後に反りを発生させないこと、の実現を目指して、その方途を鋭意究明したところ、平坦化焼鈍においてコイル起因の反りを若干残して、この残存反りを、次のレーザー照射に伴う鋼板変形と相殺することが極めて有効であることを知見し、本発明を完成するに到った。
【０００９】
すなわち、本発明の要旨構成は、次のとおりである。
１．表面側から順に下地被膜および張力被膜が形成された、鋼板の片面にレーザー照射が施されてなる方向性電磁鋼板であって、反り率が１％以下、かつ下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
【００１０】
２．コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に前記コイル由来の反りを残存させ、該反りの凸面側にレーザーを照射して該鋼板を平坦に矯正することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の製造方法によれば、平坦化焼鈍における矯正を弱めて、下地被膜（フォルステライト被膜）に与えるダメージを軽減することにより該下地被膜（フォルステライト被膜）のヤング率が低下することを抑制するとともに、その結果残存させる反りを最終的にレーザー照射による変形を利用して矯正するため、最終製品の形状が平坦であり、しかも鉄損と磁歪特性に優れる方向性電磁鋼板を製造することができる。このように得られた方向性電磁鋼板は、反り率が１％以下、かつレーザー照射後の下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上と、優れた特性を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に従うレーザー照射の要領を示す図である。
【図２】鋼板の反りの測定要領を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明について、詳しく説明する。
まず、本発明は、表面側から順に下地被膜および張力被膜が形成された、鋼板の片面にレーザー照射が施されてなる方向性電磁鋼板であって、反り率が１％以下、かつ下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上であることを特徴とする。
ここで、反り率（鋼板の平坦度を評価する尺度）とは、図２に示すように、鋼板１を圧延方向に平行に幅30mmで所定の長さＬ0（たとえば500mm）の試料に切断し、長手方向を水平方向に、かつ幅方向を鉛直方向にして、極力フリーな状態で立てた際の、鋼板の両端と中央との差Ｌ（図２における弧の中心から弦の中心までの長さ）の、前記試片の長さＬ0に対する比（Ｌ/Ｌ0×100（％））と規定する。
【００１４】
すなわち、反り率が１％を超えると、トランス等に加工したときに鋼板が弾性変形し、歪が入って騒音や鉄損を劣化させる原因となる。このように平坦にした上で下地被膜のヤング率を9.5×1010 N/m2以上に高めることが、本発明の特徴である。これにより、張力効果が働いて騒音や鉄損を改善することができる。
【００１５】
ここで、レーザー照射後の下地被膜のヤング率を9.5×1010 N/m2以上としたのは、この値以上とすることにより張力効果が有効に働き、鉄損の改善が顕著に認められるようになるためである。
【００１６】
次に、以上の鋼板を得るためには、コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施したのち、平坦化焼鈍にてコイルの巻き癖を取り除いて鋼板を平坦化する際に、この平坦化焼鈍における焼鈍条件の調整などにより、鋼板の圧延方向に発生した反り（湾曲）を、該平坦化焼鈍後のレーザー照射によって矯正できる程度の範囲内の反りとして残す、矯正を行う。すなわち、平坦化焼鈍は鋼板が完全に平坦になるまでは行わず、つまり緩い条件下で反りの矯正を行って被膜のダメージを回避し、残る反りの矯正代を、続くレーザー照射に伴って発生する鋼板の前記反りと逆側の反りによって相殺し、このレーザー照射後に最終的に鋼板の平坦化を完成するところに特徴がある。
なお、本発明において、レーザー照射は、図１（ａ）に示すように、反りが残った鋼板１の外側の面（凸面側）に照射するが、必ずしも反った状態で照射しなくともよく、工業的には、図１（ｂ）に示すように、鋼板１の圧延方向に張力を掛けた状態にて、張力付与前での凸面側に照射することが好ましい。
【００１７】
ここで、平坦化焼鈍において、レーザー照射によって矯正できる程度の範囲内の反りを残すには、焼鈍条件、すなわち、通板張力、焼鈍温度、板厚、下地被膜の厚さ、張力被膜の厚さ、鋼中のSi量及び焼鈍時間等のいずれか１または２以上を調整すればよいが、特に、焼鈍温度を810℃以下にするか、通板張力を4.9MPa（0.5kgf/mm２)以下に低減することが、フォルステライト被膜のダメージを抑制するのに好ましい。
すなわち、焼鈍温度を810℃以下にすることによって、鋼板の伸びが抑制されるため、平坦化焼鈍中に、フォルステライト被膜が鋼板の伸びに追随できずにその粒界において部分的に割れが生じることが抑制され、張力効果が減少するのを防ぐことができる。
なお、下限は、レーザー照射によって矯正できる範囲に反りを低減するため、700℃程度とすることが好ましい。
同様に、通板張力を4.9MPa（0.5kgf/mm２)以下に低減することによって、鋼板の伸びが抑制されるため、やはり、フォルステライト被膜の割れによる張力効果の減少を防ぐことができる。なお、下限は、同様に、レーザーで矯正できる範囲に反りを低減するため、1. 96MPa(0.2kgf/mm２)程度とすることが好ましい。
【００１８】
次いで、上記した適宜の反りを残した鋼板に対して、その反りの凸面側からレーザー照射を行う。該レーザーを照射する凸面側は、コイルに巻き取って仕上げ焼鈍する際にコイル外側となる面に相当する。該レーザー照射にて与える歪は鋼板の圧延方向と交差する向きに連続または断続（点線状）した線状に導入する。この線状の歪み導入領域は圧延方向に１mm以上20mm以下の間隔を置いて反復して形成する。
【００１９】
本発明では、レーザー照射のエネルギーを、従来好適とされていた領域よりも高くすることが可能である。すなわち、従来は、平坦な鋼板にレーザーを照射した場合の、鋼板の反り変形によって生じる、形状不良、鉄損劣化および騒音増大等が、レーザー照射の高エネルギー化の制約となっていたが、この制約が緩和されるからである。
従って、従来は適用が難しかった、例えば、Ｑスイッチパルス型YAGレーザーの出力を１パルス当たり６mJとし、焦点径0.3mmに集光し、圧延方向に直行する方向に点線状に0.4mm間隔で照射したラインを圧延方向に５mm間隔で繰り返す、レーザー照射が可能となり、より低鉄損化に寄与するものである。
【００２０】
かように、このレーザー照射の際に不可避的に生じる鋼板の変形と、先の平坦化焼鈍で残留させた鋼板の反りとを相殺させれば、レーザー照射後の鋼板における前記反り率が１％以下となるように、確実に平坦化できる。
【００２１】
ここに、レーザーの照射は、仕上げ焼鈍と張力被膜の形成後である必要がある。方向性電磁鋼板の特徴であるゴス方位の二次再結晶を成長させるための仕上げ焼鈍、および張力被膜の形成と張力効果の発現のためには、いずれも高温での熱処理が必要である。しかし、このような高温処理は鋼板に導入された歪みを除去または減少させるため、例えばレーザーの照射後に張力被膜の焼付けを行うと、レーザー照射に起因した歪による圧縮応力が解消され、鋼板が平坦化焼鈍直後の湾曲した状態に戻ってしまう。したがって、張力被膜の形成等の高温処理は、本発明のレーザー処理前に実施する必要がある。
【００２２】
そして、本発明で照射するレーザーの光源としては、連続波レーザー、パルスレーザーのいずれでもよく、ＹＡＧレーザーやＣＯ２レーザー等の種類も選ぶ必要はない。ここで、最近使用されるようになってきたグリーンレーザーマーカーは、照射精度の面で特に好適である。その際、グリーンレーザーマーカーにおけるレーザーの出力は、単位長さ当たりの熱量として、５〜100J/m程度の範囲が好ましい。
また、レーザービームのスポット径は0.1〜0.5mm程度の範囲とし、圧延方向の繰返し間隔は１〜20mm程度の範囲とすることが好ましい。
なお、鋼板にレーザー照射にて付与される歪の深さは、５〜30μｍ程度とするのが好適である。
【００２３】
また、磁区細分化処理を施した方向性電磁鋼板の鉄損は、二次再結晶の方位集積が高い方がより小さいことが知られている。方位集積の目安としてＢ８（800A/mで磁化した際の磁束密度）がよく用いられるが、本発明に用いる方向性電磁鋼板はＢ８が1.88Ｔ以上、より好ましくは1.92Ｔ以上のものが好適である。
【００２４】
電磁鋼板の表面に形成された張力被膜は、従来公知の張力絶縁被膜で構わないが、リン酸アルミニウムまたはリン酸マグネシウム等のリン酸塩とシリカを主成分とするガラス質の張力絶縁被膜であることが好ましい。
なお、張力被膜の焼付けと平坦化焼鈍とは同時であっても、別々の焼鈍に分かれていてもかまわない。また、レーザー照射後、被膜に局所的なピンホールが入る場合があるが、これを保護するために低温で焼き付けるコーティングを施すことも出来る。
【００２５】
本発明に係る方向性電磁鋼板は、従来公知の方向性電磁鋼板であればよい。例えば、Si：2.0〜8.0質量％を含む電磁鋼素材を用いればよい。
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。
【００２６】
ここで、Siの他の基本成分および任意添加成分について述べると次のとおりである。
Ｃ：0.08質量％以下
Ｃは、集合組織の改善のために添加をするが、0.08質量％を超えると製造工程中に磁気時効の起こらない50質量ppm以下までＣを低減することが困難になるため、0.08質量％以下とすることが好ましい。なお、下限に関しては、Ｃを含まない素材でも二次再結晶が可能であるので特に設ける必要はない。
【００２７】
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。
【００２８】
ここで、二次再結晶を生じさせるために、インヒビターを利用する場合、例えばAlＮ系インヒビターを利用する場合であればAlおよびＮを、またMnＳ・MnSe系インヒビターを利用する場合であればMnとSeおよび／またはＳを適量含有させればよい。勿論、両インヒビターを併用してもよい。この場合におけるAl、Ｎ、ＳおよびSeの好適含有量はそれぞれ、Al：0.01〜0.065質量％、Ｎ：0.005〜0.012質量％、Ｓ：0.005〜0.03質量％、Se：0.005〜0.03質量％である。
さらに、本発明は、Al、Ｎ、Ｓ、Seの含有量を制限した、インヒビターを使用しない方向性電磁鋼板にも適用することができる。
この場合には、Al、Ｎ、ＳおよびSe量はそれぞれ、Al：100 質量ppm以下、Ｎ：50 質量ppm以下、Ｓ：50 質量ppm以下、Se：50 質量ppm以下に抑制することが好ましい。
【００２９】
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1.5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0.03〜1.5質量％の範囲とするのが好ましい。
【００３０】
また、Sn、Sb、Cu、Ｐ、CrおよびMo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。また、上記のＣ、Ｎ、ＳおよびSeは、最終仕上げ焼鈍の純化過程で除去され、方向性電磁鋼板の製品では、不可避的不純物程度に低減される。
【００３１】
上記した成分組成になる鋼スラブは、やはり方向性電磁鋼板の一般に従う工程を経て、二次再結晶焼鈍後に張力絶縁被膜を形成した方向性電磁鋼板とする。すなわち、スラブ加熱後に熱間圧延を施し、１回又は中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延にて最終板厚とし、その後、脱炭、一次再結晶焼鈍した後、例えばMgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布し、二次再結晶過程と純化過程を含む最終仕上げ焼鈍を施し、上述の操作を行った上、例えばコロイダルシリカとリン酸マグネシウムからなる絶縁コートを塗布して焼付ければよい。
【実施例】
【００３２】
方向性電磁鋼板の最終仕上焼鈍後の鋼板コイルに、平坦化焼鈍を行うと同時に張力被膜を塗布そして焼付けした。かくして得られた、板厚0.23mm、幅1.2mおよび重量12トンの方向性電磁鋼板コイルを連続的に送りながら、レーザーを連続的に照射する磁区細分化処理を行った。
【００３３】
ここで、方向性電磁鋼板は、3.4質量％のSiを含有し、800A/mでの磁束密度Ｂ８が1.93Ｔおよび1.7Ｔ、50Hzでの鉄損Ｗ17/50が0.90W/kgと、一般的な高配向性の方向性電磁鋼板であり、張力被膜は下地被膜（フォルステライト被膜）の上に形成されたコロイド状シリカ、リン酸マグネシウム、クロム酸からなる薬液を焼き付けた一般的な張力被膜である。
【００３４】
上記において、平坦化焼鈍の条件を、表１に示すように、平坦化焼鈍後の鋼板の形状を反りが残存する諸条件並びに反りが矯正される諸条件に、種々変動させた。なお、平坦化焼鈍の保持時間は60秒である。
【００３５】
また、コイルに施したレーザー照射処理は、次のとおりである。すなわち、レーザー発信器は、Ｑスイッチパルス型YAGレーザであり、ビーム径は0.3mm、パルス繰り返し周波数25kHzで、幅200mm毎に１台の発振器を並べ、ガルバノスキャナによって圧延方向と直交する方向に照射線を圧延方向へ５mm間隔で描くように照射した。レーザーは、鋼板を拘束しない状態で圧延方向に凸となる面に照射し、この照射時の出力を調整して、照射後の反りが変わるようにした。
【００３６】
なお、鋼板の反り量および反り率は、図２に示すように、鋼板を圧延方向に平行に長さＬ0＝500mmおよび幅30mmに切断し、長手方向を水平方向に、かつ幅方向を鉛直方向にして、極力フリーな状態で立てた際の、鋼板の両端と中央との差Ｌ（図２における弧の中心から弦の中心までの長さ）を反り量とし、反り率は、Ｌ／Ｌ0×100（％）で評価した。ただし、反り量が３mm以下（反り率0.6％以下）では立てることが困難であり、実質的な品質に影響しないため平坦と評価した。ここで、反り量および反り率の評価結果は、平坦化焼鈍前に反っていた側をプラスとし、この逆側への反りをマイナスとして表示した。
【００３７】
被膜張力の評価は、鋼板の磁歪測定で行った。すなわち、1.7Ｔおよび50Hzにおける磁歪をレーザードップラー式振動計にて測定する際、圧延方向の圧縮応力を０MPa（０kgf/mm２）から9.8 MPa（1.0kgf/mm２）まで徐々に増加させた。磁歪の最小値と最大値との差（Peak to Peak値）が応力０MPaでの測定値の３倍以上になったとき、その圧縮応力が拮抗する被膜張力を上回ったものとして、被膜張力の評価値とした。
また、下地皮膜のヤング率は、一旦張力被膜をアルカリ洗浄などによって除去した後、供試材にパルスレーザーを照射して励起された表面弾性波の音速を測定し、これを解析することによって求めた。
【００３８】
以上の評価結果を表１に示すように、平坦化焼鈍を低温、または低張力にして、レーザー照射の後が平坦になるようにした場合に、鉄損の減少と平坦化焼鈍での被膜損傷の抑制効果、すなわち被膜張力の向上の効果が得られた。この効果は、変圧器として方向性電磁鋼板を使用した際に、鉄損および騒音の低減、および加工による品質劣化の抑制に寄与するところ大である。
【００３９】
【表１】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面側から順に下地被膜および張力被膜が形成された、鋼板の片面にレーザー照射が施されてなる方向性電磁鋼板であって、反り率が１％以下、かつ下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
【請求項２】
コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に前記コイル由来の反りを残存させ、該反りの凸面側にレーザーを照射して該鋼板を平坦に矯正することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【請求項１】
表面側から順に下地被膜および張力被膜が形成された、鋼板の片面にレーザー照射が施されてなる方向性電磁鋼板であって、反り率が１％以下、かつ下地被膜におけるヤング率が9.5×1010 N/m2以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
【請求項２】
コイル状に巻き取った方向性電磁鋼板に仕上げ焼鈍を施し、次いで平坦化焼鈍を施してから、該鋼板の圧延方向と交差する向きにレーザーを照射する、磁区細分化処理を施すに当り、前記平坦化焼鈍後の鋼板に前記コイル由来の反りを残存させ、該反りの凸面側にレーザーを照射して該鋼板を平坦に矯正することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−３１５１５（Ｐ２０１２−３１５１５Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４４６９６（Ｐ２０１１−１４４６９６）
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２９日（２０１１．６．２９）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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