WO2024111639A1 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents

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steel sheet
groove
grain
oriented electrical
electrical steel
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直樹 和田
将嵩 岩城
克 高橋
秀行 濱村
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日本製鉄株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/12—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of articles with special electromagnetic properties
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/60—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing lead, selenium, tellurium, or antimony, or more than 0.04% by weight of sulfur
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition

Definitions

  • the present invention relates to a grain-oriented electrical steel sheet. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2022-186163, filed on November 22, 2022, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • Grain-oriented electrical steel sheets are soft magnetic materials and are primarily used as iron core materials for transformers, and therefore require magnetic properties such as high magnetization characteristics and low core loss.
  • Iron loss is the power loss consumed as heat energy when an iron core is excited by an alternating magnetic field, and from the perspective of energy conservation, it is desirable to have as low iron loss as possible.
  • the level of iron loss is affected by factors such as magnetic susceptibility, sheet thickness, coating tension, amount of impurities, electrical resistivity, crystal grain size, and magnetic domain size. Even now, when various technologies have been developed for grain-oriented electrical steel sheets, research and development into reducing iron loss is ongoing in order to improve energy efficiency. As one method for reducing iron loss, a technique for forming grooves on the surface of a steel sheet has been proposed.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose techniques for forming grooves on the surface of a base steel by pressing, electrolytic etching, or the like. In these techniques, grooves parallel to the width direction of the steel sheet are formed to subdivide the 180° magnetic domain width, thereby reducing eddy current loss, which is a part of iron loss.
  • the grooves formed in the steel sheet by groove formation as in Patent Documents 1 and 2 have larger unevenness than the steel sheet surface, which impedes the movement of the magnetic domain walls.
  • Iron loss consists of eddy current loss and hysteresis loss, and in the cases of Patent Documents 1 and 2, although eddy current loss is reduced by groove formation, hysteresis loss, which is part of iron loss, increases, leaving room for further improvement in iron loss.
  • the grooves formed in the steel sheet by groove formation have a fine magnetic domain width and small unevenness.
  • Patent Document 3 discloses a grain-oriented electrical steel sheet having a steel sheet having a steel sheet surface on which grooves are formed that extend in a direction intersecting the rolling direction and whose groove depth direction is the sheet thickness direction, and in which, when the grooves are viewed in a groove longitudinal cross section including the groove extension direction and the sheet thickness direction, the arithmetic mean height Ra of a roughness curve forming the outline of a groove bottom region of the groove is 1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less.
  • Patent Document 4 discloses a wound core including a grain-oriented electromagnetic steel sheet having a steel sheet surface on which grooves for SRA-resistant magnetic domain control are formed, the grooves extending in a direction intersecting the rolling direction and with the groove depth direction being the sheet thickness direction, and in which, when the grooves are viewed in a groove longitudinal cross section including the groove extension direction and the sheet thickness direction, the arithmetic mean height Ra of a roughness curve forming the outline of a groove bottom region of the groove is 1.1 ⁇ m or more and 2.7 ⁇ m or less.
  • an object of the present invention is to provide a grain-oriented electrical steel sheet having low iron loss by subdividing the 180° magnetic domain width and having grooves that suppress a decrease in hysteresis loss.
  • the inventors investigated the reason why hysteresis loss does not decrease even when Ra is small below a certain range. As a result, they found that hysteresis loss does not decrease when the unevenness is steep, even if Ra is small.
  • a grain-oriented electrical steel sheet according to one embodiment of the present invention is a grain-oriented electrical steel sheet having a plurality of grooves formed on the surface of a base steel sheet at intervals of 2 to 10 mm in the rolling direction, the grooves extending in a direction at an angle of 60 to 120° to the rolling direction, and wherein at the bottom of the grooves, the Ra along the extension direction of the grooves is 5.0 ⁇ m or less, and the absolute value of Rsk is 2.0 or less.
  • the side surface of the groove may have an Ra of 5.0 ⁇ m or less along an extending direction of the groove.
  • the above aspect of the present invention makes it possible to provide a grain-oriented electrical steel sheet with low iron loss.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a state in which grooves are formed in the grain-oriented electrical steel sheet according to the present embodiment.
  • 13 is a view showing a laser irradiation step for forming a groove as viewed from the RD direction.
  • FIG. 13 is a view showing a laser irradiation process for forming a groove as viewed from the ND direction.
  • the grain-oriented electrical steel sheet 1 has grooves 20 formed on the surface of a base steel sheet (grain-oriented electrical steel sheet) 10.
  • a plurality of grooves 20 are formed in the rolling direction RD at intervals PL of 2 to 10 mm.
  • Each groove 20 extends in a direction of 60 to 120° with respect to the rolling direction RD (a direction of ⁇ 30° with respect to TD).
  • Ra along the extension direction of the groove is 5.0 ⁇ m or less, and the absolute value of Rsk is 2.0 or less.
  • the grain-oriented electrical steel sheet to be the base steel sheet is not limited and may be a known grain-oriented electrical steel sheet.
  • a grain-oriented electrical steel sheet manufactured by a known method for example, a grain-oriented electrical steel sheet satisfying JIS C 2553:2019 or a product of a steelmaking company's own standard
  • JIS C 2553:2019 or a product of a steelmaking company's own standard may be used.
  • the chemical composition may be, for example, in mass%, Si: 2.50 to 4.50%, Mn: 0.01 to 0.15%, C: 0.085% or less, acid-soluble Al: 0.065% or less, N: 0.012% or less, and, if necessary, Cr: 0.3% or less, Cu: 0.4% or less, P: 0.5% or less, Sn: 0.3% or less, Sb: 0.3% or less, Ni: 1% or less, S: 0.015% or less, Se: 0.015% or less, and Bi: 0.02% or less.
  • the above may be contained, with the balance being Fe and impurities.
  • the thickness of the target base steel sheet is not limited, but from the viewpoint that a thinner sheet thickness reduces eddy current loss, it is, for example, 0.15 to 0.23 mm.
  • ⁇ Groove> [Spacing, extension direction, shape]
  • a plurality of grooves 20 extending in a direction of 60 to 120° relative to the rolling direction RD are formed substantially parallel to one another at intervals PL of 2 to 10 mm in the rolling direction RD on the surface of the base steel sheet 10.
  • the grooves 20 formed on the surface of the base steel sheet (base steel) under the above conditions provide a magnetic domain refinement effect. If the spacing PL between adjacent grooves 20 is less than 2 mm, the grooves significantly inhibit magnetic flux formation.
  • the spacing PL exceeds 10 mm, the effect of the grooves in improving magnetic properties is greatly reduced.
  • the spacing PL is the distance from the center of a groove to the center of an adjacent groove.
  • the extension direction of the grooves 20 deviates from 60 to 120° with respect to the rolling direction RD (becomes less than ⁇ 60° with respect to the rolling direction, i.e., becomes closer to parallel to the rolling direction RD), the effect of refining the magnetic domains cannot be sufficiently obtained. It is preferable that the extension direction is closer to 90° with respect to the rolling direction RD (parallel to the width direction TD).
  • the length of the groove 20 in the extending direction is not limited, but it is preferable that the groove 20 is formed continuously across the entire width direction of the steel plate from one end in the width direction to the other end.
  • the shape (depth, width, etc.) of the groove 20 is not limited, but from the viewpoint of subdividing the 180° magnetic domain width, the depth is, for example, 10 to 40 ⁇ m and the width is 10 to 200 ⁇ m.
  • the arithmetic mean roughness Ra of the bottom of the groove is made small in order to reduce the unevenness of the groove formed in the base steel sheet 10. Specifically, Ra is made 5.0 ⁇ m or less. If Ra exceeds 5.0 ⁇ m, the movement of the domain walls is significantly hindered. On the other hand, as a result of the study by the present inventors, it was found that even if Ra is 5.0 ⁇ m or less, if the unevenness is steep, the hysteresis loss is not reduced.
  • the absolute value of the skewness Rsk is set to 2.0 or less. If the absolute value of Rsk exceeds 2.0, the effect of reducing hysteresis loss cannot be obtained. It is preferable that Ra and Rsk are small.
  • Ra and Rsk have the same definitions as the arithmetic mean roughness Ra and the skewness Rsk of the roughness curve defined in JIS B0601:2013.
  • the reason why Ra and Rsk of the bottom of the groove are controlled is because the unevenness of the bottom of the groove has the greatest effect on iron loss.
  • the Ra and Rsk of the bottom of the groove can be measured using a laser microscope (a 3D laser microscope using a pinhole confocal optical system). Specifically, the surface roughness is measured at five or more points in a range of 1 mm or more in the extension direction of the groove at the bottom (deepest position) of the groove using a laser microscope. The average values of the measurements at five or more points are defined as Ra and Rsk. Based on the obtained roughness profile, Ra and Rsk are calculated in accordance with the definitions of JIS B0601:2013.
  • the depth D and width W of the groove can be measured using a laser microscope (a 3D laser microscope using a pinhole confocal optical system).
  • a laser microscope is used to measure the maximum depth d at five or more groove cross sections perpendicular to the extension direction of the groove, each at least 1 mm apart. The average value of the measured values d at five or more locations is defined as the groove depth D.
  • a laser microscope is used to measure the width w (groove opening) at a depth that is 0.05 times the groove depth d at five or more groove cross sections perpendicular to the extension direction of the groove, each at five or more locations at least 1 mm apart. The average value of the measured values w at five or more locations is defined as the groove width W.
  • the Ra of the side surface of the groove is not necessarily limited, but in order to further reduce iron loss, it is preferable that the Ra of the side surface of the groove be 5.0 ⁇ m or less while keeping the Ra and Rsk of the bottom of the groove within the above ranges.
  • shot blasting is a common method for reducing the Ra of the groove side surface, but the absolute value of Rsk at the bottom of the groove increases when shot blasting is performed, and may exceed 2.0. Therefore, in order to ensure a predetermined Rsk, the Ra of the groove side surface may be set to a range of more than 5.0 ⁇ m.
  • the Ra of the groove side surface is measured by the following method. Using a laser microscope, the surface roughness is measured at five or more points in a range of 1 mm or more in the extension direction of the groove at a point that is half the maximum depth d of the groove. The average value of the measurements at five or more points is taken as the Ra of the side surface of the groove.
  • a glass coating may be formed on the base steel sheet 10 .
  • the glass coating (also called the primary coating) is an inorganic coating mainly composed of magnesium silicate.
  • the glass coating is formed by the reaction of an annealing separator containing magnesia (MgO) applied to the surface of the base steel sheet with the surface components of the base steel sheet during finish annealing, and has a composition derived from the components of the annealing separator and the base steel sheet, and is composed of a structure containing a main phase (50 area % or more) of Mg 2 SiO 4 phase and a MgAl 2 O 4 phase. In addition to these phases, precipitates may be contained in an amount of about 1% or less.
  • MgO magnesia
  • an insulating coating may be formed directly on the base steel sheet 10 or on the glass coating formed on the base steel sheet 10.
  • the insulating coating imparts electrical insulation to the grain-oriented electrical steel sheet, thereby reducing eddy current loss and improving the iron loss characteristics of the grain-oriented electrical steel sheet.
  • the insulating coating also provides various other properties such as corrosion resistance, heat resistance, and slip resistance.
  • the insulating coating is a tension-imparting insulating coating, it has the function of imparting tension to the grain-oriented electrical steel sheet.
  • the tension-applying insulating coating may be a known coating formed, for example, by applying a coating liquid containing metal phosphate and silica as main components to the surface of the glass coating and baking it.
  • the grain-oriented electrical steel sheet according to this embodiment can obtain its effects as long as it has the above-mentioned characteristics, regardless of the manufacturing method. However, a manufacturing method including the steps described below is preferable because it enables stable manufacturing.
  • a laser beam is irradiated onto the surface of the steel sheet that will become the base steel sheet (grain-oriented electromagnetic steel sheet) to form grooves on the surface.
  • Grain-oriented electrical steel sheets are usually manufactured through a slab heating process, a hot rolling process, a hot-rolled sheet annealing process which is performed as necessary, a cold rolling process, a decarburization annealing process, and a finish annealing process.
  • an insulating coating is formed, the steel sheet is manufactured through an insulating coating formation process, etc.
  • Nitriding treatment may be performed at one or more timings during the decarburization annealing process, after the decarburization annealing process and before the finish annealing process, and during the heating process of the finish annealing process.
  • a laser beam is irradiated onto the surface of the steel sheet at any timing after the cold rolling step to form grooves.
  • the glass coating is formed in a finish annealing process.
  • the insulating coating is formed in an insulating coating forming process. Therefore, when the glass coating and the insulating coating are formed on the surface of the groove, it is preferable to perform the laser beam irradiation (groove forming process) before the finish annealing process.
  • the insulating coating when the insulating coating is formed on the surface of the groove, it is preferable to perform the laser beam irradiation before the insulating coating forming process. However, even if the laser beam irradiation is performed after the insulating coating formation process, by forming an insulating coating again on the groove portion after the laser beam irradiation, it is possible to achieve a state in which an insulating coating is also formed on the surface of the groove portion.
  • the grain-oriented electrical steel sheet that serves as the base steel sheet may be a known grain-oriented electrical steel sheet, and known manufacturing conditions can be applied except for the laser beam irradiation conditions.
  • the laser beam is irradiated by a scanning device that scans a laser beam emitted from a laser device, which is a light source, in a direction of 60 to 120° to the rolling direction RD of the grain-oriented electrical steel sheet.
  • the above scanning is repeated while the grain-oriented electrical steel sheet is transported (passed) in the rolling direction, thereby forming a plurality of grooves that are approximately parallel to the rolling direction RD at predetermined intervals.
  • the laser is irradiated under conditions that melt or evaporate the steel sheet.
  • the laser irradiation conditions are preferably set to a laser output of 200 to 3000 W, a focused spot diameter of the laser beam in the rolling direction (i.e., a diameter including 86% of the laser output, hereinafter abbreviated as 86% diameter) of 10 to 1000 ⁇ m, a focused spot diameter of the laser beam in the sheet width direction (86% diameter) of 10 to 1000 ⁇ m, and a laser scanning speed of 5 to 50 m/s.
  • a CO2 laser can be used as the light source.
  • the reason why Ra and Rsk are large is believed to be that the parts that were melted and resolidified by the irradiation of the laser beam remain. Therefore, in the manufacturing method of the grain-oriented electrical steel sheet according to the present embodiment, in order to reduce Ra and Rsk at the bottom of the groove, the surface of the steel sheet is irradiated with a laser beam while the steel sheet is tilted in the width direction by 5° or more from the horizontal. In addition, an assist gas is sprayed onto the part irradiated with the laser beam.
  • the molten material produced by laser irradiation is easily removed from the irradiated area, and the molten and re-solidified material is less likely to remain at the bottom of the groove. If the inclination is less than 5°, the molten material will not be sufficiently removed even if an assist gas is blown thereon. In the case where the Ra of the side surface of the groove is also reduced, it is preferable that the inclination ( ⁇ 1) is more than 20°.
  • the inclination of the steel plate in the rolling direction ( ⁇ 2: not shown) is set to less than 3°.
  • the type of assist gas is not limited, and examples thereof include air and inert gases. From the viewpoint of suppressing the formation of oxides at the sprayed position, an inert gas is preferable.
  • the angle ( ⁇ 1 shown in FIG. 2) between the direction in which the assist gas is blown (jetting direction) and the normal direction of the steel sheet is preferably 20 to 85°. Also, the angle ( ⁇ 2 shown in FIG. 3) between the direction in which the assist gas is blown and the extension direction of the grooves is preferably 0 to 30°. It is also preferable that the flow rate of the assist gas is 10 to 1000 liters per minute and the ejection speed is 10 m/s or more.
  • the focal position does not deviate from the surface of the steel sheet. For example, it is preferable to scan the laser beam while moving it parallel to the surface of the tilted steel sheet (keeping the distance between the irradiation device and the steel sheet constant), or to operate the laser beam while changing the focal length so that the focal position is on the surface of the steel sheet.
  • the above method produces the grain-oriented electrical steel sheet according to this embodiment.
  • a slab having a Si content of 3.25 mass % was hot-rolled, hot-rolled sheet annealed, and cold-rolled to obtain a cold-rolled steel sheet having a thickness of 0.23 mm or 0.20 mm.
  • a laser beam was irradiated to form grooves on the surface.
  • the conditions for forming the grooves were as shown in Table 1.
  • ⁇ 1 is the inclination of the steel sheet in the width direction relative to the horizontal direction
  • ⁇ 2 is the inclination of the steel sheet in the rolling direction relative to the horizontal direction
  • ⁇ 1 is the angle between the normal direction of the steel sheet and the assist gas blowing direction
  • ⁇ 2 is the angle of the assist gas blowing direction relative to the extension direction of the grooves.
  • the laser beam irradiation conditions were a laser output of 1500 W, a focused spot diameter of the laser light in the rolling direction of 40 ⁇ m, and a focused spot diameter of the laser light in the sheet width direction of 40 ⁇ m.
  • the flow rate of the assist gas was 100 liters per minute, and the injection speed was 50 m/s.
  • Examples 12 to 25, 27, and 28 which are grain-oriented electrical steel sheets having a plurality of grooves formed on the surface of the base steel sheet at intervals of 2 to 10 mm in the rolling direction and extending in a direction of 60 to 120° to the rolling direction, and in which the Ra at the bottom of the groove along the extending direction is 5.0 ⁇ m or less and the absolute value of Rsk is 2.0 or less, excellent iron loss was obtained.
  • the Ra at the bottom of the groove along the extending direction is 5.0 ⁇ m or less and the absolute value of Rsk is 2.0 or less
  • the Ra and/or Rsk of the bottom of the groove was outside the range of the present invention, and the iron loss was large.
  • the core loss was large in Nos. 3, 4, 9, and 10, in which the groove interval and extension direction were outside the range of the present invention.
  • the Ra and/or Rsk of the bottom of the groove were outside the range of the present invention, and the iron loss was large.
  • the present invention provides a grain-oriented electrical steel sheet with low core loss, which has high industrial applicability.
  • Grain-oriented electromagnetic steel sheet 10 Grain-oriented electromagnetic steel sheet (base steel sheet) 20 Groove

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Abstract

この方向性電磁鋼板は、母材鋼板の表面に、圧延方向に２～１０ｍｍの間隔で、前記圧延方向に対して６０～１２０°の方向に延在する溝が複数形成された、方向性電磁鋼板であって、前記溝の底部における、前記溝の延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下であり、Ｒｓｋの絶対値が２．０以下である。

Description

方向性電磁鋼板
　本発明は方向性電磁鋼板に関する。
　本願は、２０２２年１１月２２日に、日本に出願された特願２０２２－１８６１６３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　方向性電磁鋼板は、軟磁性材料であり、主に、変圧器の鉄心材料として用いられる。そのため、方向性電磁鋼板には、高磁化特性および低鉄損という磁気特性が要求される。
　鉄損とは、鉄心を交流磁場で励磁した場合に、熱エネルギーとして消費される電力損失であり、省エネルギーの観点から、鉄損はできるだけ低いことが求められる。鉄損の高低には、磁化率、板厚、被膜張力、不純物量、電気抵抗率、結晶粒径、磁区サイズなどが影響する。方向性電磁鋼板に関し、様々な技術が開発されている現在においても、エネルギー効率を高めるため、鉄損を低減する研究開発が継続されている。
　低鉄損化をする方法の一つとして、鋼板表面に溝を形成する技術が提案されている。例えば、特許文献１、２には、プレス加工や電解エッチング等によって地鉄の表面に溝を形成する技術が開示されている。これらの技術では、鋼板の幅方向と平行な溝を形成することで１８０°磁区幅が細分化され、それに伴い鉄損の一部である渦電流損が低減される。
　しかしながら、特許文献１、２のように溝形成を行うことで鋼板に形成された溝は凹凸が鋼板表面より大きく、磁壁の移動を阻害する。鉄損は、渦電流損とヒステリシス損とからなるが、特許文献１、２の場合、溝形成によって渦電流損が低減されるものの、鉄損の一部であるヒステリシス損が増加するため、鉄損の更なる改善の余地があった。磁壁の移動を阻害しないようにするためには、溝形成によって鋼板に形成される溝は、磁区幅が細分化されなおかつ凹凸が小さいことが好ましいと考えられる。
　溝の凹凸に関して、例えば、特許文献３には、圧延方向と交差する方向に延在し且つ溝深さ方向が板厚方向となる溝が形成された鋼板表面を有する鋼板を備える方向性電磁鋼板において、溝延在方向及び前記板厚方向を含む溝長手断面で前記溝を視た場合に、前記溝の溝底領域の輪郭を成す粗さ曲線の算術平均高さＲａが、１μｍ以上３μｍ以下である、方向性電磁鋼板が開示されている。
　また、特許文献４には、圧延方向と交差する方向に延在し且つ溝深さ方向が板厚方向となる耐ＳＲＡ磁区制御のための溝が形成された鋼板表面を有する方向性電磁鋼板を含む巻鉄心であって、溝延在方向及び前記板厚方向を含む溝長手断面で前記溝を視た場合に、前記溝の溝底領域の輪郭を成す粗さ曲線の算術平均高さＲａが１．１μｍ以上、２．７μｍ以下である巻鉄心が開示されている。
日本国特公昭６２－５３５７９号公報 日本国特公昭６２－５４８７３号公報 国際公開第２０１６－１７１１２４号 日本国特開２０１９－２４０３９号公報
　上述の特許文献３、４では、溝底領域のＲａを所定の範囲に制御している。しかしながら、本発明者らが検討を行った結果、Ｒａを小さくしても、必ずしもヒステリシス損を低減することはできないことが分かった。
　そのため、本発明は、１８０°磁区幅が細分化され、かつヒステリシス損の低下を抑制する溝を有することで、鉄損が低い方向性電磁鋼板を提供することを課題とする。
　本発明者らは、溝が形成された方向性電磁鋼板における磁壁の移動を阻害しない溝の形状を明らかにするため、Ｒａが一定以下の範囲に小さくても、ヒステリシス損が低減しない理由について検討を行った。その結果、Ｒａが小さくても、凹凸が急峻である場合には、ヒステリシス損が低減しないことを見出した。
　本発明は上記の知見に基づいてなされた。本発明の要旨は以下の通りである。
［１］本発明の一態様に係る方向性電磁鋼板は、母材鋼板の表面に、圧延方向に２～１０ｍｍの間隔で、前記圧延方向に対して６０～１２０°の方向に延在する溝が複数形成された、方向性電磁鋼板であって、前記溝の底部における、前記溝の延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下であり、Ｒｓｋの絶対値が２．０以下である。
［２］［１］に記載の方向性電磁鋼板では、前記溝の側面における、前記溝の延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下であってもよい。
　本発明の上記態様によれば、鉄損が低い方向性電磁鋼板を提供することができる。
本実施形態に係る方向性電磁鋼板の溝の形成状態の例を示す図である。 溝形成のためのレーザ照射工程をＲＤ方向から見た図である。 溝形成のためのレーザ照射工程をＮＤ方向から見た図である。
　本発明の一実施形態に係る方向性電磁鋼板（本実施形態に係る方向性電磁鋼板）について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１は、母材鋼板（方向性電磁鋼板）１０の表面に溝２０が形成されている。溝２０は、圧延方向ＲＤに２～１０ｍｍの間隔ＰＬで複数形成されている。また、それぞれの溝２０は、圧延方向ＲＤに対して６０～１２０°の方向（ＴＤに対して±３０°の方向）に延在している。
　また、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、溝２０の底部における、溝の延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下であり、Ｒｓｋの絶対値が２．０以下である。
　以下、それぞれについて説明する。
＜母材鋼板＞
　母材鋼板となる方向性電磁鋼板は、限定されず、公知の方向性電磁鋼板でよい。例えば、公知の方法で製造された方向性電磁鋼板（例えばＪＩＳ　Ｃ　２５５３:２０１９を満足する方向性電磁鋼板や製鉄各社の独自規格品）でよい。化学組成としては、例えば、質量％で、Ｓｉ：２．５０～４．５０％、Ｍｎ：０．０１～０．１５％、Ｃ：０．０８５％以下、酸可溶性Ａｌ：０．０６５％以下、Ｎ：０．０１２％以下、必要に応じて、Ｃｒ：０．３％以下、Ｃｕ：０．４％以下、Ｐ：０．５％以下、Ｓｎ：０．３％以下、Ｓｂ：０．３％以下、Ｎｉ：１％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｓｅ：０．０１５％以下、Ｂｉ：０．０２％以下を含有することができる。また、上記を含有し、残部がＦｅ及び不純物であってもよい。
　また、対象とする母材鋼板（方向性電磁鋼板）の厚さは限定されないが、板厚が薄い方が、渦電流損が低減されるという観点から、例えば０．１５～０．２３ｍｍである。
＜溝＞
［間隔、延在方向、形状］
　上述の通り、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、母材鋼板１０の表面に、圧延方向ＲＤに２～１０ｍｍの間隔ＰＬで、圧延方向に対して６０～１２０°の方向に延在する溝２０が複数、略平行に形成されている。本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、上記の条件で母材鋼板（地鉄）の表面に形成された溝２０によって、磁区細分化効果が得られる。
　溝２０の間隔（隣り合う溝との間隔）ＰＬが２ｍｍ未満であると、溝による磁束形成の阻害が顕著となる。一方、間隔ＰＬが１０ｍｍを超えると、溝による磁気特性改善効果が大きく減少する。間隔ＰＬは、溝の中心から隣り合う溝の中心までの距離である。
　また、溝２０の延在方向が圧延方向ＲＤに対して６０～１２０°を外れる（圧延方向に対して±６０°未満となる、すなわち、圧延方向ＲＤに対して平行に近くなる）と、磁区細分化の効果が十分に得られない。延在方向は、圧延方向ＲＤに対して９０°（幅方向ＴＤに平行）に近い方が好ましい。
　溝２０は、その延在する方向の長さは限定されないが、鋼板の幅方向の端部からもう一方の端部まで、連続的に、幅方向全体に亘って形成されていることが好ましい。
　また、溝２０の形状（深さ、幅等）は限定されないが、１８０°磁区幅の細分化の観点から、例えば、深さが１０～４０μｍであり、幅が１０～２００μｍである。
［底部のＲａ、Ｒｓｋ］
　母材鋼板１０の圧延方向に交差する方向に溝２０を形成することで１８０°磁区幅が細分化され、それに伴い鉄損の一部である渦電流損が低減される。
　しかしながら、母材鋼板に溝を形成する方法は、レーザ照射による方法、機械加工による方法などがあるが、いずれの場合でも、母材鋼板に形成された溝は、その凹凸が鋼板表面より大きい。そのため、形成された溝が磁壁の移動を阻害し、ヒステリシス損が増加する。
　そのため、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、母材鋼板１０に形成される溝の凹凸を小さくするため、溝の底部の算術平均粗さＲａを小さくする。具体的には、Ｒａを５．０μｍ以下にする。Ｒａが５．０μｍ超では、磁壁の移動が著しく阻害される。
　一方、本発明者らが検討した結果、Ｒａが５．０μｍ以下であっても、その凹凸が急峻であれば、ヒステリシス損が低減しないことが分かった。そのため、本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、溝２０の底部において、Ｒａを５．０μｍ以下とした上で、さらに、スキューネスＲｓｋの絶対値を２．０以下とする。Ｒｓｋの絶対値が、２．０超であると、ヒステリシス損の低減効果が得られない。Ｒａ及びＲｓｋは小さい方が好ましい。
　本実施形態におけるＲａ及びＲｓｋは、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３に規定される算術平均粗さＲａ及び、粗さ曲線のスキューネスＲｓｋと同じ定義である。
　また、溝の底部のＲａ、Ｒｓｋを制御するのは、溝の底部の凹凸が鉄損に最も影響するからである。
　溝の底部のＲａ及びＲｓｋは、レーザ顕微鏡（ピンホールによる共焦点光学系を用いた３Ｄレーザ顕微鏡）を用いて、測定することができる。
　具体的には、レーザ顕微鏡を用いて、溝の底部（最も深い位置）において、溝の延在方向に１ｍｍ以上の範囲について５か所以上、表面粗さを測定する。５か所以上の測定値の平均値をもってＲａ、Ｒｓｋとする。
　得られた粗さのプロファイルを基に、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３の定義に沿って、Ｒａ及びＲｓｋを求める。
　溝の深さＤ及び幅Ｗは、レーザ顕微鏡（ピンホールによる共焦点光学系を用いた３Ｄレーザ顕微鏡）を用いて、測定することができる。
　具体的には、レーザ顕微鏡を用いて、各々が１ｍｍ以上離れた５か所以上の、溝の延在方向と直交する溝断面において、最大となる深さｄを測定する。５か所以上の測定値ｄの平均値をもって溝の深さＤとする。また、同様にレーザ顕微鏡を用いて、各々が１ｍｍ以上離れた５か所以上の、溝の延在方向と直交する溝断面において、溝深さｄの０．０５倍となる深さにおける幅ｗ（溝開口部）を測定する。５か所以上の測定値ｗの平均値をもって溝の幅Ｗとする。
　溝の側面のＲａは必ずしも限定されないが、より鉄損を小さくする場合、溝の底部のＲａ及びＲｓｋを上記の範囲とした上で、溝の側面のＲａを５．０μｍ以下にすることが好ましい。
　ただし、溝の側面のＲａを小さくする方法として、一般的な方法としては、ショットブラスト処理が考えられるが、ショットブラスト処理を行うと、溝の底部のＲｓｋの絶対値が大きくなり、２．０超となる場合がある。そのため、所定のＲｓｋを確保するため、溝の側面のＲａを５．０μｍ超の範囲としてもよい。
　溝の側面のＲａは以下の方法で測定する。
　レーザ顕微鏡を用いて、溝の、最大深さｄの１／２の深さになる点において、溝の延在方向に１ｍｍ以上の範囲について５か所以上、表面粗さを測定する。５か所以上の測定値の平均値をもって溝の側面のＲａとする。
＜グラス被膜＞
　本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、母材鋼板１０の上にグラス被膜が形成されていてもよい。
　グラス被膜（一次被膜とも言う）は、ケイ酸マグネシウムを主成分とする無機質の被膜である。グラス被膜は、仕上げ焼鈍において、母材鋼板の表面に塗布されたマグネシア（ＭｇＯ）を含む焼鈍分離剤と母材鋼板の表面の成分とが反応することにより形成され、焼鈍分離剤及び母材鋼板の成分に由来する組成を有し、主相である（５０面積％以上である）Ｍｇ２ＳｉＯ４相と、ＭｇＡｌ２Ｏ４相とを含む組織からなる。これらの相以外には、析出物が１％以下程度含まれる場合がある。
＜絶縁被膜＞
　本実施形態に係る方向性電磁鋼板１では、母材鋼板１０の上に直接、または母材鋼板１０の上に形成されたグラス被膜上に、絶縁被膜が形成されていてもよい。
　絶縁被膜は、方向性電磁鋼板に電気絶縁性を付与することで渦電流損を低減して、方向性電磁鋼板の鉄損特性を向上させる。また、上記のような電気絶縁性以外にも、耐蝕性、耐熱性、すべり性といった種々の特性が得られる。
　更に、絶縁被膜が張力付与絶縁被膜であれば、方向性電磁鋼板に張力を付与するという機能を有する。方向性電磁鋼板に張力を付与して、方向性電磁鋼板における磁壁移動を容易にすることで、方向性電磁鋼板の鉄損特性を向上させることができる。
　張力付与絶縁被膜は、例えば、金属リン酸塩とシリカとを主成分とするコーティング液をグラス被膜の表面に塗布し、焼付けることによって形成される公知の被膜であってもよい。
＜製造方法＞
　次に本実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
　本実施形態に係る方向性電磁鋼板は、製造方法によらず、上記の特徴を有していればその効果が得られるが、以下の示す工程を含む製造方法であれば、安定して製造可能であるため好ましい。
（Ｉ）母材鋼板となる鋼板の表面に、レーザビームを照射し、鋼板の表面に溝を形成する、溝形成工程。
　好ましい条件についてさらに説明する。
　溝形成工程では、母材鋼板（方向性電磁鋼板）となる鋼板の表面に、レーザビームを照射し、表面に溝を形成する。
　方向性電磁鋼板は、通常、スラブの加熱工程、熱間圧延工程、必要に応じて行う熱延板焼鈍工程、冷間圧延工程、脱炭焼鈍工程、仕上げ焼鈍工程を経て製造される。絶縁被膜を形成する場合にはさらに絶縁被膜形成工程、等を経て製造される。また、脱炭焼鈍工程中、脱炭焼鈍工程後であって仕上げ焼鈍工程前、仕上げ焼鈍工程の加熱過程の１以上のタイミングにおいて、窒化処理が行われる場合がある。
　本実施形態に係る方向性電磁鋼板を得る場合、冷間圧延工程より後の任意のタイミングで、鋼板の表面にレーザビームを照射して溝を形成する。
　グラス被膜は、仕上げ焼鈍工程において形成される。また、絶縁被膜は、絶縁被膜形成工程において形成される。そのため、溝の表面にグラス被膜及び絶縁被膜が形成された状態とする場合には、レーザビームの照射（溝形成工程）は、仕上げ焼鈍工程前に行うことが好ましい。また、溝の表面に絶縁被膜が形成された状態とする場合には、レーザビームの照射は、絶縁被膜形成工程前に行うことが好ましい。
　ただし、レーザビームの照射を絶縁被膜形成工程後に行う場合であっても、レーザビームの照射後に、溝部に再度絶縁被膜を形成することで、溝部の表面にも絶縁被膜が形成された状態とすることができる。
　母材鋼板となる方向性電磁鋼板は、公知の方向性電磁鋼板でよいので、レーザビームの照射条件以外は、公知の製造条件を適用できる。
　レーザビームの照射は、光源であるレーザ装置から出射されたレーザビームを、走査装置が、方向性電磁鋼板の圧延方向ＲＤに６０～１２０°の方向に、走査することにより行われる。また、方向性電磁鋼板を圧延方向に搬送（通板）しながら、上記走査を繰り返すことで、圧延方向ＲＤに所定の間隔で、略平行な複数の溝が形成される。
　溝を形成するため、レーザは、鋼板を溶融あるいは蒸発させる条件で照射する。例えば、レーザの照射条件は、レーザ出力が２００～３０００Ｗ、レーザ光の圧延方向における集光スポット径（すなわちレーザ出力の８６％を含む直径、以下８６％径と省略記載）を１０～１０００μｍ、レーザ光の板幅方向における集光スポット径（８６％径）を１０～１０００μｍ、レーザ走査速度を５～５０ｍ／ｓに設定することが好ましい。
　光源であるレーザ装置としては、例えばＣＯ２レーザを用いることができる。ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザ等の一般的に工業用に用いられる高出力レーザを使用してもよい。
　Ｒａ及びＲｓｋが大きくなる原因は、レーザビームの照射によって溶融し再凝固した部分が残存するためであると考えられる。そのため、本実施形態に係る方向性電磁鋼板の製造方法では、溝の底部のＲａ及びＲｓｋを小さくするため、鋼板を幅方向に、水平に対して５°以上傾けた状態で、鋼板の表面にレーザビームを照射する。また、レーザビームが照射される部分に、アシストガスを吹き付ける。
　鋼板を幅方向に、水平方向に対して５°以上傾けた上で（図２において、φ１が５°以上となるように傾けた上で）アシストガスを吹き付けることで、レーザ照射で生じた溶融物が照射部から除去されやすくなり、溶融して再凝固したものが溝の底部に残存しにくくなる。
　傾きが５°未満であると、アシストガスを吹き付けたとしても、溶融物の除去が十分ではない。
　溝の側面のＲａまで小さくする場合には、上記傾き（φ１）を２０°超とすることが好ましい。
　一方、鋼板を圧延方向に、水平に対して３°以上傾けた状態で、表面にレーザビームを照射すると、溝内部の溶融物を十分に取り除くことができず、溝の底部のＲａおよびＲｓｋが大きくなる。そのため、圧延方向には鋼板の傾き（φ２：図示しない）は、３°未満とする。
　アシストガスの種類は限定されず、空気や不活性ガスが挙げられるが、吹き付けた位置での酸化物の形成を抑制する点では、不活性ガスであることが好ましい。
　アシストガスを吹き付ける方向（噴射方向）が鋼板の法線方向となす角（図２に示すθ１）は、２０～８５°であることが好ましい。また、アシストガスを吹き付ける方向が溝の延在方向となす角（図３に示すθ２）は、０～３０°であることが好ましい。
　また、アシストガスの流量は毎分１０～１０００リットル、噴射速度は１０ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
　溝の底部や側面のＲａを小さくするだけであれば、ショットブラスト処理などの方法も考えられるが、ショットブラスト処理を行った場合、鋼板表面に亀裂が生じ、その亀裂が残存した場合、溝の底部での高さ分布は亀裂発生部分にて局所的に大きく変化することになり、溝の底部の急峻度、すなわちＲｓｋが大きくなる。
　本願発明はＲａとＲｓｋとを同時に制御するため、上述の通り、鋼板を傾ける角度とアシストガスの噴射条件とを制御する。
　方向性電磁鋼板を傾けた状態でレーザビームを照射するに際し、焦点位置が鋼板の表面から外れないようにすることが好ましい。例えば、傾けた鋼板の表面に対して平行に移動させながら、走査する（照射装置と鋼板との距離を一定にする）、または、焦点位置が鋼板表面となるように焦点距離を変化させながら操作することが好ましい。
　上記の方法により、本実施形態に係る方向性電磁鋼板が得られる。
　Ｓｉ含有量が：３．２５質量％のスラブに対し、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延によって得られた厚み０．２３ｍｍまたは０．２０ｍｍの冷延鋼板に対し、レーザビームの照射を行って表面に溝を形成した。
　溝形成時の条件として、表１の通りとした。ここで、φ１は、鋼板の、幅方向における、水平方向に対する傾き、φ２は、鋼板の、圧延方向における、水平方向に対する傾き、θ１は鋼板法線方向とアシストガス吹き付け方向のなす角度、θ２は溝の延在方向に対するアシストガス吹き付け方向の角度である。また、表に示す以外の条件として、レーザビームの照射条件は、レーザ出力を１５００Ｗ、レーザ光の圧延方向における集光スポット径を４０μｍ、レーザ光の板幅方向における集光スポット径を４０μｍとした。また、アシストガスの流量は毎分１００リットル、噴射速度は５０ｍ／ｓとした。
　溝形成後、鋼板に対し、脱炭焼鈍、仕上げ焼鈍、及び、絶縁被膜の形成を行って、Ｎｏ．１～６及びＮｏ．１２～１７、Ｎｏ．２１～２４、Ｎｏ．２６～２９の方向性電磁鋼板とした。
　これらの方向性電磁鋼板では、溝部では、それ以外の部分と同様に、母材鋼板上にグラス被膜が形成され、その上に絶縁被膜が形成されていた。
　また、Ｓｉ含有量が：３．２５％のスラブに対し、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、脱炭焼鈍、仕上げ焼鈍、及び、絶縁被膜の形成を経て得られた厚み０．２３ｍｍの鋼板（絶縁被膜付鋼板）に対し、レーザビームの照射を行って表面に溝を形成した。
　溝形成時の条件は表１の通りとし、表に示す以外の条件として、レーザビームの照射条件は、レーザ出力１５００Ｗ、レーザ光の圧延方向における集光スポット径を４０μｍ、レーザ光の板幅方向における集光スポット径を４０μｍとした。また、アシストガスの流量は毎分１００リットル、噴射速度は５０ｍ／ｓとした。
　溝形成後、再度絶縁被膜の形成を実施した。これにより、Ｎｏ．７～１１、Ｎｏ．１８～２０、Ｎｏ．２５の方向性電磁鋼板を得た。
　これらの方向性電磁鋼板では、溝部では、母材鋼板上にグラス被膜は存在せず、絶縁被膜が形成されていた。
　得られた方向性電磁鋼板（Ｎｏ．１～２９）に対し、上述の方法で、溝の深さ及び幅、溝の底部のＲａ及びＲｓｋの絶対値、溝の側面のＲａを測定した。
　結果を表２に示す。
　また、得られた方向性電磁鋼板に対し、以下の方法で、磁気特性を評価した。結果を表２に示す。
［磁気特性評価］
　各試験番号の方向性電磁鋼板の板幅中央位置を含む、幅６０ｍｍ×長さ３００ｍｍのサンプルを採取した。サンプルの長さ方向は、圧延方向に平行であった。このサンプルを用いて、ＪＩＳＣ２５５６:２０１５に準拠して、単板磁気特性試験（ＳＳＴ試験）により、周波数を５０Ｈｚ、最大磁束密度を１．７Ｔとしたときの鉄損Ｗ１７／５０（Ｗ／ｋｇ）を測定した。
　板厚が０．２３ｍｍのサンプルは、鉄損が、０．７５０Ｗ／ｋｇ以下であれば、磁気特性に優れる（鉄損が低い）と判断した。板厚が０．２０ｍｍのサンプルは、鉄損が０．７００Ｗ／ｋｇ以下であれば、磁気特性に優れる（鉄損が低い）と判断した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１、表２から分かるように、母材鋼板の表面に、圧延方向に２～１０ｍｍの間隔で、圧延方向に対して６０～１２０°の方向に延在する溝が複数形成された、方向性電磁鋼板であって、溝の底部における、延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下であり、Ｒｓｋの絶対値が２．０以下である、発明例１２～２５、２７、２８では、優れた鉄損が得られた。
　これに対し、溝形成工程における鋼板の傾き、アシストガスの吹き付け角度、吹き付け方向のいずれかが好ましい条件ではなかった、Ｎｏ．１、２、５、７、８、１１、２６、２９では、溝の底部のＲａ及び／またはＲｓｋが本発明範囲を外れ、鉄損が大きかった。
　また、溝の間隔、延在方向が本発明範囲外のＮｏ．３、４、９、１０でも鉄損が大きかった。
　また、溝形成工程における鋼板の傾きおよび溝の間隔、延在方向が本発明範囲外のＮｏ．６でも溝の底部のＲａ及び／またはＲｓｋが本発明範囲を外れ、鉄損が大きかった。
　本発明によれば、鉄損が低い方向性電磁鋼板を提供することができる。そのため、産業上の利用可能性が高い。
　１　　方向性電磁鋼板
　１０　　方向性電磁鋼板（母材鋼板）
　２０　　溝

Claims (2)

  1. 　母材鋼板の表面に、圧延方向に２～１０ｍｍの間隔で、前記圧延方向に対して６０～１２０°の方向に延在する溝が複数形成された、方向性電磁鋼板であって、
    　前記溝の底部における、前記溝の延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下であり、Ｒｓｋの絶対値が２．０以下である、
    ことを特徴とする方向性電磁鋼板。
  2. 　前記溝の側面における、前記溝の延在方向に沿った、Ｒａが５．０μｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板。
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