JPWO2019156220A1 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年2月8日に日本に出願された特願2018−021104号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
この方向性電磁鋼板は、圧延方向に磁化が向いた磁区(縞状磁区)が、磁壁を挟んで複数配列した構造を有し、これら磁壁のうちの多くは、180°磁壁であり、方向性電磁鋼板は、圧延方向に磁化し易い。そのため、比較的小さな一定の磁化力において、磁束密度が高く、鉄損が低い。
したがって、方向性電磁鋼板は、トランスの鉄心材料として非常に優れている。
鉄損の指標には、一般にW17/50[W/kg]が用いられる。W17/50は、周波数50Hzにおいて最大磁束密度が1.7Tになるように交流励磁したときに、方向性電磁鋼板に発生する鉄損の値である。このW17/50を小さくすると、より効率の高いトランスが製造できる。
方向性電磁鋼板は、圧延方向(搬送方向)に略垂直、且つ一定周期(一定間隔)の歪みを付与すると、更に鉄損が低下する。この場合、局所的な歪みによって圧延方向と磁化が直交する還流型の磁区が形成され、そこでのエネルギー増分を源にして略長方形の縞状磁区の磁壁間隔が狭くなる(縞状磁区の幅が小さくなる)。鉄損(W17/50)は、180°磁壁の間隔に正の相関を有するため、この原理によって鉄損が低下する。ところで、この局所的な歪を利用する方向性電磁鋼板の鉄損の低下方法は、巻鉄心の加工歪による鉄損の悪化を解消するために実施する歪取り焼鈍(800℃で2時間程度の焼鈍)によって、その効果が失われてしまう。歪取り焼鈍を行った時でも、低鉄損化の効果が失われない方法としては、圧延方向と交差する方向に、周期的な溝を導入する方法が一般的に用いられる。
また、特許文献2には、波長を限定した連続波レーザビームを照射することにより、高パワー効率で電磁鋼板表面に溝を形成して鉄損を低減する旨開示されている。
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、鉄心の鉄損を低減することができる方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
すなわち、本発明の一態様に係る方向性電磁鋼板は、溝が設けられた鋼板表面を有する方向性電磁鋼板であって、前記溝の溝幅方向端部から溝幅方向外側に向かって広がる領域において、前記鋼板表面から***する表面突起が前記溝の溝長手方向に沿って延在し、前記表面突起の平均突起高さが5μm超10μm以下であり、前記溝長手方向及び前記鋼板表面の法線方向を含む断面で前記表面突起をみた場合に、前記表面突起の輪郭線に現れるピーク点の高さの50%以上の高さを有する部分の前記溝長手方向の合計長さが、前記表面突起の前記溝長手方向の全長に対して30%以上の長さである。
本実施形態に係る方向性電磁鋼板(以下、本電磁鋼板と略称する)は、溝が設けられた鋼板表面を有する方向性電磁鋼板である。本電磁鋼板では、溝の溝幅方向端部から溝幅方向外側に向かって広がる領域において、鋼板表面から***する表面突起が溝の溝長手方向に沿って延在する。表面突起の平均突起高さは5μm超10μm以下である。
また、本電磁鋼板において、溝長手方向及び鋼板表面の法線方向を含む断面で表面突起をみた場合に、表面突起の輪郭線に現れるピーク点の高さの50%以上の高さを有する部分の溝長手方向の合計長さが、表面突起の溝長手方向の全長に対して30%以上の長さである。
CO2パルスレーザ(照射径大)を使用したレーザ溝形成試験では、溝の溝幅方向端部から溝幅方向外側に向かって広がる領域(溝の周辺部)に、鋼板表面から***する20μm以上の高さを有する表面突起(突起、溶融突起等)が発生し、鋼板表面に圧縮力をかけた磁気測定(加圧エプスタイン測定)では40%程度の鉄損劣化が見られ、実用化に至らなかった。
連続照射のレーザ(照射径小)を使用したレーザ溝形成技術では、鋼板表面に形成される溝の溝幅が小さいため、焦点位置での突起の発生は、ほぼ抑制することができるが、鋼板表面とレーザ照射装置との距離が変動して、デフォーカス状態になると、鋼板表面での突起の発生が顕著となる。
レーザでの溝導入型耐SRA磁区制御技術において、レーザのフォーカスがずれた場合、溝の周辺部において鋼板表面から***する形で発生する突起が大きくなる。この突起は、層間短絡、積層鉄心形成時に働く応力によるコア損失の増加、及び積層占積率の低下などを引き起こす原因となる可能性がある。
また、レーザ溝形成による耐SRA磁区制御においては、レーザ溝形成による溝の周辺部の突起が大き過ぎると鉄心積層時の鋼板表面圧縮力により電磁鋼板内の局部的な弾性変形によって鉄損劣化が生じると考えられる。
一方、本発明者らは、溝の周辺部に形成される表面突起の形態が以下の2つの条件を満たす場合に、積層鉄心形成時に方向性電磁鋼板内に歪導入型のレーザ磁区制御と同様な線状の弾性歪が導入され、より低鉄損化が図れることを見出した。
(条件1)表面突起の平均突起高さが5μm超10μm以下である。
(条件2)溝長手方向及び鋼板表面の法線方向を含む断面で表面突起をみた場合に、表面突起の輪郭線に現れるピーク点の高さの50%以上の高さを有する部分の溝長手方向の合計長さが、表面突起の溝長手方向の全長に対して30%以上の長さである。
以下、本電磁鋼板の各構成について説明する。
本電磁鋼板は、母鋼板を有し、必要に応じ、母鋼板の表面に被膜を有していてもよい。被膜としては、例えば、グラス被膜及び張力絶縁被膜などが挙げられる。
母鋼板の化学組成は、特に限定されず、方向性電磁鋼板として公知の化学組成の中から、適宜選択して用いることができる。以下、好ましい母鋼板の化学組成の一例について説明するが、母鋼板の化学組成はこれに限定されない。
なお、本実施形態において、「不純物」とは、母鋼板を工業的に製造する際に、原料としての鉱石、スクラップ、または製造環境等から不可避的に混入する元素を意味する。
また、方向性電磁鋼板では二次再結晶時に純化焼鈍を経ることが一般的である。純化焼鈍においてはインヒビター形成元素の系外への排出が起きる。特にN、Sについては濃度の低下が顕著で、50ppm以下になる。通常の純化焼鈍条件であれば、9ppm以下、さらには6ppm以下、純化焼鈍を十分に行えば、一般的な分析では検出できない程度(1ppm以下)にまで達する。
母鋼板の化学成分は、鋼の一般的な分析方法によって測定すればよい。例えば、母鋼板の化学成分は、ICP−AES(Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometry)を用いて測定すればよい。具体的には、例えば、被膜除去後の母鋼板の中央の位置から35mm角の試験片を取得し、島津製作所製ICPS−8100等(測定装置)により、予め作成した検量線に基づいた条件で測定することにより特定できる。なお、CおよびSは燃焼−赤外線吸収法を用い、Nは不活性ガス融解−熱伝導度法を用いて測定すればよい。なお、母鋼板の化学成分は、方向性電磁鋼板から後述の方法により後述のグラス被膜およびリンを含有する被膜等を除去した鋼板を母鋼板としてその成分を分析した成分である。
母鋼板の板厚は特に限定されないが、0.10mm以上0.50mm以下であってもよく、0.15mm以上0.35mm以下であってもよい。
グラス被膜の膜厚は特に限定されないが、0.5μm以上3μm以下であってもよい。
図1は、本電磁鋼板の鋼板表面に設けられた溝のパターン例を模式的に示す平面図である。
図2は、溝長手方向に直交する断面で溝(例えば溝11)とその周辺部に存在する表面突起をみた模式図である。
図3は、溝長手方向及び鋼板表面の法線方向を含む断面で溝(例えば溝11)の周辺部に存在する表面突起をみた模式図である。
なお、図1〜図3において、本電磁鋼板1の圧延方向をX軸方向、本電磁鋼板1の板幅方向(同一平面内で圧延方向に直交する方向)をY軸方向、本電磁鋼板1の板厚方向(XY平面に直交する方向、すなわち鋼板表面の法線方向)をZ軸方向と定義する。
図1に示すように、線状の溝10及び、断続線状の溝11が、板幅方向Yに沿って延びるように鋼板表面(母鋼板の表面)に設けられている。言い換えれば、本実施形態において、溝10及び溝11の溝長手方向は、板幅方向Yと一致する。溝10及び溝11の周辺部12には、表面突起が存在する。
なお、溝10及び11は、圧延方向Xと交差するように設けられていればよく、必ずしも、溝長手方向と圧延方向Xとが直交している必要はない。すなわち、溝長手方向と板幅方向Yとが一致している必要はない。
ここで、溝11の溝幅方向一端部aから溝幅方向外側に向かって広がる領域(図2中のa−b間の領域)を周辺部100と定義する。また、溝11の溝幅方向他端部a’から溝幅方向外側に向かって広がる領域(図2中のa’−b’間の領域)を周辺部110と定義する。図2に示すように、溝11の溝幅方向一端部aと、溝11の溝幅方向他端部a’は、それぞれ、溝11の輪郭線(断面曲線)と基準面BLとの交点である。点bは、表面突起12の輪郭線(断面曲線)と基準面BLとの交点であって且つ溝幅方向一端部aから溝幅方向外側へ離れている点である。点b’は、表面突起13の輪郭線(断面曲線)と基準面BLとの交点であって且つ溝幅方向他端部a’から溝幅方向外側へ離れている点である。
また、図2においては、方向性電磁鋼板1の非溝形成領域(非溝形成処理面)を板厚方向における基準面BL(基準高さ、溝形成前の鋼板の表面を含む)に設定している。
図2に示すように、溝11は、溝幅方向一端部aから溝幅方向他端部a’までの区間において、基準面BLから溝形成処理により本電磁鋼板1の母鋼板の一部が除去されることで形成された領域である。
また、溝11の溝幅Wは、溝幅方向一端部aと溝幅方向他端部a’との間の直線距離である。そして、溝11の溝深さDは、基準面BLから溝底までの深さ(板厚方向Zの距離)である。溝11の輪郭線上の点であって且つ板厚方向Zの最も深い位置に存在する点を溝底とする。
また、表面突起12の突起高さT12は、基準面BLから表面突起12の先端までの高さ(板厚方向Zの距離)である。表面突起13の突起高さT13は、基準面BLから表面突起13の先端までの高さ(板厚方向Zの距離)である。
表面突起12の突起幅は、溝幅方向一端部aと点bとの間の直線距離である。表面突起13の突起幅は、溝幅方向他端部a’と点b’との間の直線距離である。
なお、各種の寸法については、統計的に十分な回数の測定(例えば、50回の測定)を行う。
本実施形態において、圧延方向Xと交差する方向とは、XY平面内において圧延方向Xに直交する方向(つまり板幅方向Y)を含んでおり、この板幅方向Yと溝長手方向との間の角度が±45°の範囲内であってもよく、または±30°の範囲内であってもよい。
溝の形状が断続線状である場合、板幅方向Yにおいて隣り合う溝の間隔は、1μm〜1000μmであってもよい。
一方、圧延方向Xにおいて隣り合う溝の間隔は、1〜10mmであってもよく、3〜6mmであってもよく、または4〜5mmであってもよい。
なお、本実施形態において溝の間隔とは、所定の方向(板幅方向Y、圧延方向X等)における1つ目の溝の端部(周辺部)から、最も近い距離にある2つ目の溝の端部(周辺部)までの最短距離である。
平均溝深さは、鋼板表面に形成された溝について、50か所の溝の溝深さDの測定値の平均値である。
溝深さDの測定方法は、以下の通りである。まず、被測定鋼板から、溝長手方向に直交する断面が露出するようにサンプルを採取する。そのサンプル断面を研磨することにより、図2に示すような溝とその周辺部を含む断面を現出させた後、その断面を光学顕微鏡または走査型顕微鏡で観察することにより、溝深さD(例えば図2中の基準面BLから溝底までの直線距離)を測定する。このような溝深さDを、被測定鋼板の50か所のそれぞれについて測定する。平均溝深さは、これら50個の溝深さDの測定結果を平均して得られる値である。
平均溝幅は、鋼板表面に形成された溝について、50か所の溝の溝幅Wの測定値の平均値である。
溝幅Wの測定方法は、以下の通りである。まず、被測定鋼板から、溝長手方向に直交する断面が露出するようにサンプルを採取する。そのサンプル断面を研磨することにより、図2に示すような溝とその周辺部を含む断面を現出させた後、その断面を光学顕微鏡または走査型顕微鏡で観察することにより、溝幅W(例えば図2中のa−a’間の直線距離)を測定する。このような溝幅Wを、被測定鋼板の50か所のそれぞれについて測定する。平均溝幅は、これら50個の溝幅Wの測定結果を平均して得られる値である。
表面突起の平均突起高さが10μmを超えると、積層された鋼板間の絶縁性が劣化する傾向が強まるので好ましくない。従って、表面突起の平均突起高さの上限は10μmである。表面突起の平均突起高さは7.3μm以下であることが好ましい。
表面突起の平均突起高さとは、鋼板表面に形成された表面突起について、50か所の突起高さ(例えば図2中のT12及びT13など)の測定値の平均値である。
突起高さの測定方法は、以下の通りである。まず、被測定鋼板から、溝長手方向に直交する断面が露出するようにサンプルを採取する。そのサンプル断面を研磨することにより、図2に示すような溝とその周辺部を含む断面を現出させた後、その断面を光学顕微鏡または走査型顕微鏡で観察することにより、溝の周辺部に存在する表面突起の突起高さ(例えば図2中のT12及びT13など)を測定する。このような突起高さを、被測定鋼板の50か所のそれぞれについて測定する。平均突起高さは、これら50個の突起高さの測定結果を平均して得られる値である。
表面突起の形状は特に限定されず、方向性電磁鋼板を鋼板面に垂直に所定の方向(板幅方向、圧延方向等)に沿って切断した断面を正面視した時に、先端が尖った突起状であってもよく、先端が平坦な土手状であってもよい。
上記のように、(Lsum×100)/Lで表される比率を突起連続性指標と定義する。すなわち、本電磁鋼板1において、突起連続性指標が30%以上となるように表面突起の形態が制御されている。
レーザ顕微鏡等、被測定鋼板面の三次元形状を測定できる装置を用いて、溝部を含む鋼板面画像を測定して、溝周辺部で基準面BLより高い位置の突起部分を同定する。この突起部分の内、連続する部分のピーク位置での高さ値の50%以上の値を示す等高線位置の溝部に延伸する長さから突起連続性指標を求める。
レーザ照射法の場合の照射条件としては、一般的には、レーザ出力を200〜3000Wに、レーザの圧延方向における集光スポット径(レーザ出力の86%を含む直径)を10〜100μmに、レーザの板幅方向における集光スポット径を10〜1000μmに、レーザ走査速度を5〜100m/sに、レーザ走査ピッチ(間隔)を2〜10mmに設定することが好ましい。所望の溝形状は、これらのレーザ照射条件を上記範囲で適宜調整することで得ることが出来る。
例えば、このようなレーザとして、ファイバレーザ、YAGを含む薄ディスク型固体レーザ等が挙げられる。上記1.0〜2.1μmの波長域のレーザ光は、加工点で発生する金属イオンのプラズマや金属蒸気に吸収されにくい。さらに、連続波レーザを用いることにより、パルス発振レーザで生じる、点列溝の穴間のギャップによる鉄損改善劣化もない。
また、同様の波長域の高出力レーザであるYAGレーザでは、発振波長が1.06μmである。これらのファイバレーザ及びYAGレーザを使用する方法では、加工点でのプラズマ或いは金属蒸気へのレーザの吸収の影響が少ない。
ファイバレーザは、コア直径と同程度まで集光可能であり、より高い集光性を確保するためには、100μm以下のコア径を有するファイバレーザが適する。
また、YAGレーザ等の固体レーザにおいて、発振媒体が薄ディスク型の結晶である薄ディスクレーザでは、結晶の表面積が大きく冷却が容易であるため、高出力動作においても結晶の熱歪みによる集光性の劣化が生じにくく、100μm以下の微小集光も容易に行える。
なお、この集光スポットの径と溝幅とは、必ずしも一致しない。例えば、パワー密度が大きく、ビーム走査速度Vが小さいと、溝幅が、集光スポットの径よりも大きくなる。
また、上記のような精度の高いレーザを用いる場合、所望の高さの表面突起形成のために、レーザビームの焦点位置をずらして(デフォーカスして)、鋼板表面にレーザを照射してもよい。デフォーカスは、焦点位置から±1.2mmの範囲で設定してもよい。
以上のことから、集光ビーム径等を制御して、溝断面積、すなわち、溶融物の除去量を制御すること等により、突起を発生させる成分量を制御でき、突起高さを制御することができる。
本発明者らは、アシストガスの流量を0〜100(リットル/分)間の流量で0.02〜0.2msecの時間間隔で変動させることにより、表面突起の平均突起高さが5μm超10μm以下であり、且つ突起連続性指標が30%以上であるという本電磁鋼板1の特徴的な突起形態が得られることを見出した。例えば国際出願公報(WO2016/171130)に開示されているように、アシストガスを10〜1000(リットル/分)の範囲内で設定された一定の流量で吹き付ける方法は知られているが、上記のように、アシストガスの流量を特定の時間間隔で増減させる方法は全く知られていない新規の方法である。
本発明者らは、特定の条件を満たす表面突起を鋼板表面に形成することにより、積層鉄心形成時に電磁鋼板内に歪導入型のレーザ磁区制御と同様な線状の弾性歪が導入され、その結果、鉄心の低鉄損化を実現できることを見出した。この知見を基に、本発明者らは、溝の安定的な形成と鉄心の低鉄損化を両立できる方法を鋭意研究した結果、アシストガスの流量を特定の時間間隔で増減させる方法を見出したのである。
なお、アシストガスの流量は、0〜100(リットル/分)の範囲内に含まれる最小値A1と最大値A2との間で変動させればよい。
図4は、本実施形態で用いるレーザ光源及びレーザビーム照射装置を備える製造装置の一例を示す模式図である。なお、この図4には、方向性電磁鋼板(鋼板)1に照射されるレーザ光の照射位置についても示されている。レーザ媒質としてYbがドープされたファイバレーザをレーザ光源として用いた例を説明する。
図4において、鋼板1は、二次再結晶後の板幅1000mmの方向性電磁鋼板であり、地鉄表面にグラス被膜が形成されている。鋼板1は、ライン速度VLでライン方向(圧延方向、搬送方向)Lに一定速度で通板される。
コアの直径は、約15μmであり、出力ビームのレーザ発振モードは、略基本ガウスモードである。
レーザ装置2から出力された連続波(CW)のレーザ光は、光ファイバ3を伝送され、レーザ照射装置4に到達する。
このレーザ照射装置4は、コリメータ5と、20面体の回転ポリゴンミラー6と、焦点距離200mmのfθレンズ7とを備える。
コリメータ5は、伝送ファイバ3から出力したレーザビームLBの直径を調整する。
また、回転ポリゴンミラー6は、レーザビームLBを偏向させて鋼板1上を高速で略板幅方向Cに走査し、fθレンズ7は、このレーザビームLBを集光する。
鋼板1上における集光ビームの板幅方向の走査幅は、約150mmである。
集光ビーム径(エネルギーの86%が含まれる直径)dを、コリメータ5による出力ビーム径の変更によって10〜100μmに調整できる。
なお、図示されないフォーカス機構を、回転ポリゴンミラー6と焦点距離200mmのfθレンズ7との間に配置しており、このフォーカス機構によってfθレンズ7と鋼板との距離が調整できる。回転する回転ポリゴンミラー6の1面によりレーザビームが鋼板1上に走査されて、鋼板1上に所定の長さ(例えば、板幅方向の全長)の1本の溝が略幅方向に形成される。L方向に隣接する溝の間隔、すなわち圧延方向(搬送方向)の照射ピッチPLは、ライン速度VL及びポリゴン回転速度の調整により変更可能である。
また、上述したように、レーザ照射時のアシストガスの流量は、0〜100(リットル/分)間の流量で0.02〜0.2msecの時間間隔で変動するように制御される。
レーザビーム照射後の鋼板1には、図示されないコーティング装置により表面に電気的絶縁及び張力を付与する絶縁被膜コーティングを施す。
800A/mでの磁束密度B8の値が1.94Tである高磁束密度の方向性電磁鋼板(板厚0.23mm)に対して、鋼板の圧延方向に40μm、板幅方向に100μmの楕円形状のビーム形状で3kWのファイバレーザを用いて20m/sの走査速度で圧延方向に5mm間隔で幅約50μm、深さ約20μmの線状の溝を形成した。
その際、レーザビームが鋼板面で、実施例1は焦点位置から0.8mm近い位置(−0.8mm)、実施例2は焦点位置から0.9mm遠い位置(+0.9mm)、比較例1は焦点位置(±0mm)、比較例2は焦点位置から0.4mm近い位置(−0.4mm)、比較例3は焦点位置から0.5mm遠い位置(+0.5mm)、比較例4は焦点位置から1.1mm遠い位置(+1.1mm)、比較例5は焦点位置から1.2mm近い位置(−1.2mm)、比較例6は焦点位置から0.8mm遠い位置(+0.8mm)、比較例7は焦点位置から1.1mm近い位置(−1.1mm)での照射を行った。
さらに、表1に示す条件(アシストガス流量の最小値A1及び最大値A2、アシストガス流量の変動時間間隔)で、アシストガスの流量を特定の時間間隔で増減させた。なお、比較例1〜5は、アシストガス流量の最小値A1と最大値A2が等しく、且つアシストガス流量を時間的に変動させない例、すなわち、アシストガスの流量を一定に制御する例を示している。
得られた方向性電磁鋼板の平均溝幅、平均溝深さ、平均突起高さ、突起連続性指標、磁束密度、及び、鉄損の測定結果を表1に示す。
なお、方向性電磁鋼板の鉄損は、単板(W100mm×L500mm)を採取して、800℃で2時間の歪取焼鈍を施した後に、単板測定法により評価した。また、W17/50は、1.7T/50Hzのときの鉄損値である。
さらに、磁束密度B8は、磁化力Hが800A/mにおいて発生する磁束密度[T]で定義される。特に、方向性電磁鋼板の場合、B8は、鋼板が圧延方向に磁化したときの磁束密度である。B8が高いほど鋼板の結晶方位性が高く(結晶配向性が大きく)、一般に鉄損も低い。
突起連続性指標については、レーザ顕微鏡等、被測定鋼板面の三次元形状を測定できる装置を用いて、溝部を含む鋼板面画像を測定して、溝周辺部で基準面BLより高い位置の突起部分を同定した後、この突起部分の内、連続する部分のピーク位置での高さ値の50%以上の値を示す等高線位置の溝部に延伸する長さから突起連続性指標を測定した。
これらの巻鉄心に一次巻線(励磁巻線)と二次巻線(サーチコイル)を巻き、それぞれのコア鉄損を電力計で測定した。測定結果を表2に示す。
ただし、表1に示すように、電磁鋼板単体でみたときに、実施例と比較例とで、磁束密度及び鉄損に大差がないことがわかる。つまり、平均突起高さと突起連続性指標は、電磁鋼板単体の磁束密度及び鉄損に大きく影響しない。
2 レーザ装置
3 光ファイバ(伝送ファイバ)
4 レーザ照射装置
5 コリメータ
6 ポリゴンミラー(回転ポリゴンミラー)
7 fθレンズ
10 溝(線状)
11 溝(断続線状)
12 表面突起
13 表面突起
100 周辺部
110 周辺部
Claims (1)
- 溝が設けられた鋼板表面を有する方向性電磁鋼板であって、
前記溝の溝幅方向端部から溝幅方向外側に向かって広がる領域において、前記鋼板表面から***する表面突起が前記溝の溝長手方向に沿って延在し、
前記表面突起の平均突起高さが5μm超10μm以下であり、
前記溝長手方向及び前記鋼板表面の法線方向を含む断面で前記表面突起をみた場合に、前記表面突起の輪郭線に現れるピーク点の高さの50%以上の高さを有する部分の前記溝長手方向の合計長さが、前記表面突起の前記溝長手方向の全長に対して30%以上の長さである
ことを特徴とする方向性電磁鋼板。
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