JP2001254166A - 高周波磁気特性に優れた高けい素鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高周波鉄損特性に優れた高けい素鋼板の製造
方法を提供する。 【解決手段】 wt％で、Si：4％未満の鋼板を母材鋼板
として、加熱処理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却処
理を順次行い、Si：4％超の高けい素鋼板を製造する方
法において、浸珪処理する際の鋼板へのけい素の添加速
度を0.1wt％／min以上とし、またはさらに下式を満足す
る範囲とし、鋼板に亜結晶粒界を形成させる。 S≦4.58×10⁵×t^1.56／（W^2.64） t：鋼帯板厚（m）、w：鋼帯板幅（m）、S：けい素添加
速度（wt％/min）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トランスやモ−タ
の鉄心材料等に使用される高けい素鋼板の製造方法に関
し、特に高周波磁気特性に優れた高けい素鋼板の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】トランスやモ−タ等の電気機器用鉄心材
料として広く用いられるけい素鋼板には、通常、集合組
織制御および固有抵抗増大のためにSiが添加される。こ
のけい素鋼板の軟磁気特性はSiの添加量と共に向上し、
特に6.5％付近で最高の透磁率を示すことが知られてい
る。また、高けい素鋼と呼ばれるSi含有量が約4％超の
けい素鋼板は、電気抵抗が高いため特に高周波領域での
磁気特性が優れる。しかしSi含有量が4％を越えると加
工性が急激に劣化するため、従来は圧延により工業的規
模で高けい素鋼板を製造することは不可能とされてい
た。しかし近年、浸珪法（例えば、特公平5-49745号公
報等に示される製造技術）による薄板製造技術が開発さ
れ、板厚0.03mm〜0.5mm程度の高けい素鋼板の製造が可
能となった。浸珪法とは、工業的プロセスで圧延が可能
なSi:4％未満の薄鋼板と四塩化けい素とを高温で反応さ
せることによりSiを浸透させ、浸透したSiを板厚方向に
拡散させることにより高けい素鋼板を得る方法であり、
例えば特公平5-49745号公報では、鋼板を四塩化けい素
が5〜35vol％含まれる無酸化性ガス雰囲気中において10
23〜1200℃の温度で連続的に浸珪処理し、コイル状の高
けい素鋼板を得ている。通常、この浸珪処理ではSi供給
用の原料ガスとして四塩化けい素が使用され、この四塩
化けい素は以下に示す浸珪反応式により鋼板と反応して
Si富化層がけい素鋼板表層に成長する。 SiCl₄ + 5Fe → Fe₃Si + 2FeCl₂

【０００３】このようにして鋼板表層に成長したSi富化
層中のSiは、四塩化けい素を含まない無酸化性雰囲気中
で鋼板を均熱処理することにより板厚方向に拡散され
る。

【０００４】一方、高周波磁気特性に優れる高けい素鋼
板においても、高周波での更なる低鉄損化が要望されて
いるのが現状である。一般に、けい素鋼板の鉄損は履歴
損失と渦電流損失の和であり、高周波領域で使用された
場合には渦電流損失が全鉄損の大半を占める。渦電流損
失は、磁区構造に依存しており、渦電流低減のための最
も簡便な方法としては、結晶粒を小径化し、粒界を多く
することによる磁区の細分化が挙げられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、高けい素鋼板の製造方法である浸珪法では、高温長
時間焼鈍が必須であるため、この焼鈍中に板厚の1.5倍
程度の粒径まで粒成長してしまい、結晶粒の小径化は不
可能である。

【０００６】また、Si含有量が比較的低く、磁区が高け
い素鋼板よりも粗大な方向性けい素鋼板においては、磁
区の細分化技術（例えば、特開平11-124629号公報）に
よる渦電流低減が提案されているが、同様の技術を高け
い素鋼板に適用することは、製造コストや製造安定性に
問題があり実用的ではない。

【０００７】本発明はかかる事情に鑑みなされたもの
で、高周波鉄損特性に優れた高けい素鋼板の製造方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明者らは高けい素鋼板の磁区構造について詳細
な検討を行った。その結果、高けい素鋼板の結晶粒内に
亜結晶粒界が存在すると、磁区が細分化され高周波での
鉄損が低減することを見いだした。

【０００９】また、亜結晶粒界生成は浸珪処理する際の
けい素添加速度に依存し、このけい素の添加速度を規定
することにより、高周波磁気特性の向上に有用な亜結晶
粒界が形成されることも見出した。

【００１０】本発明はかかる知見に基づきなされたもの
で、以下のような構成を有する。 [1]wt％で、Si：4％未満の鋼板を母材鋼板として、加熱
処理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却処理を順次行
い、Si：4％超の高けい素鋼板を製造する方法におい
て、浸珪処理する際の鋼板へのけい素の添加速度を0.1w
t％／min以上とし、鋼板に亜結晶粒界を形成させること
を特徴とする高周波磁気特性に優れた高けい素鋼板の製
造方法である。

【００１１】[2] wt％で、Si：4％未満の鋼板を母材鋼
板として、加熱処理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却
処理を順次行い、Si：4％超の高けい素鋼板を高けい素
鋼板を製造する方法において、浸珪処理する際の鋼板へ
のけい素の添加速度を0.1wt％／min以上、かつ、下式を
満足する範囲とし、鋼板に亜結晶粒界を形成させること
を特徴とする高周波磁気特性に優れた高けい素鋼板の製
造方法である。 S≦4.58×10⁵×t^1.56／（W^2.64） t：鋼帯板厚（m） w：鋼帯板幅（m） S：けい素添加速度（wt％/min） なお、本明細書において、鋼の成分を示す％はすべてwt
％である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細をその限定理
由とともに説明する。本発明による高けい素鋼板の製造
方法は、圧延による製造が容易なSi：4％未満の鋼板を
母材鋼板とし、この母材鋼板に対して加熱処理、浸珪処
理、拡散均熱処理及び冷却処理を順次実施することによ
り高けい素鋼板を製造する。

【００１３】以下、その一実施形態について説明する
と、まず、Si：4％未満の鋼を熱間圧延、冷間圧延し、
薄板（母材鋼板）とする。母材鋼板を無酸化性ガス雰囲
気中で浸珪処理温度またはその近傍まで加熱し、次い
で、四塩化けい素が5〜35vol%含まれる無酸化性ガス雰
囲気中において1023〜1200℃の温度で連続的に母材鋼板
に浸珪処理を施す。

【００１４】次いで、この浸珪処理を施された鋼板に四
塩化けい素を含まない無酸化性ガス雰囲気中で拡散均熱
処理を施し、板表層に生成したSi富化層を板厚方向に拡
散させた後、常温ないし300℃まで冷却し、しかる後巻
き取り、高けい素鋼板を得る。

【００１５】得られた高けい素鋼板は、焼鈍を施し、必
要に応じて絶縁を目的とする皮膜が塗布される。対象と
なる絶縁皮膜の種類としては、酸素もしくは酸化物を含
む有機タイプ、有機−無機混合タイプ、無機タイプがあ
げられる。また、必要に応じて絶縁・コア形状成形の目
的でワニスが含浸される。

【００１６】このようにして製造される高けい素鋼板の
Siは4％超〜7％とするのが好ましい。Siは軟磁性を発現
させるための元素であり、含有量が6.5％で最も優れた
軟磁性を示す。Siが4％以下では高けい素鋼板として所
望の軟磁気特性が得られない。一方、Siが7％を越える
と飽和磁束密度が著しく減少する。従ってSi含有量は4
％超7％以下とするのが好ましい。

【００１７】本発明では、このようにして得られる高け
い素鋼板の製造方法において、浸珪処理する際の鋼板へ
のけい素の添加速度を0.1wt％／min以上、さらにまた
は、下式を満足する範囲とする。 S≦4.58×10⁵×t^1.56／（W^2.64） t：鋼帯板厚（m） w：鋼帯板幅（m） S：限界けい素添加速度（wt％/min）

【００１８】高周波磁気特性を向上させるのに十分な亜
結晶粒界を鋼板に形成させるために、浸珪処理する際の
四塩化けい素が5〜35vol％含まれる無酸化性ガス雰囲気
中のけい素に着目し、1minあたりのけい素添加量と亜結
晶粒界形成の関係を調べた。その結果、けい素添加速度
が0.1wt％／min以上であれば、鋼板に亜結晶粒界が形成
され、高周波磁気特性が向上することがわかった。以上
より、けい素添加速度は0.1wt％／min以上、望ましく0.
5wt％／min以上とする。

【００１９】また、さらに、1minあたりのけい素添加量
と鋼帯板厚及び鋼帯板との関係を調べた。通常、浸珪処
理を行うことで材料長手方向に珪素濃度の勾配が生じる
ため鋼板長手方向の格子定数が変化し、鋼板板幅方向に
圧縮応力が発生する。そこで、この圧縮応力・鋼板の座
屈耐力の関係式と得られた実験結果を基に下式を導き、
下式に規定されるけい素添加速度で行うことにより、高
周波磁気特性が向上する上に鋼板形状も良好となること
がわかった。 S≦4.58×10⁵×t^1.56／（W^2.64） t：鋼帯板厚（m） w：鋼帯板幅（m） S：限界けい素添加速度（wt％/min）

【００２０】なお、他の成分の好ましい範囲は以下の通
りである。Cは軟磁気特性に有害な元素である。特に0.0
1％を越えると時効現象により軟磁性が劣化する。従っ
てC含有量は0.01％以下とするのが好ましい。

【００２１】MnはSと結合してMnSとなり、熱間加工性を
改善する。しかしMn含有量が0.5％を越えると飽和磁束
密度の減少が大きくなる。従ってMn含有量は0.5％以下
とするのが好ましい。

【００２２】Pは鋼板を脆化させる元素であり、その含
有量はできるだけ低いほうが好ましい。経済性及びPが
0.01％以下であれば実質的にその影響は無視できること
から、P含有量は0.01％以下とするのが好ましい。

【００２３】sol.Alは、軟磁気特性を向上させる元素で
あるが、本発明のようにSiを4％超含有する鋼では、Si
により良好な軟磁気特性を発現させるためAlを含有する
必要は無い。従って経済性の面からsol.Al含有量は0.2
％以下とするのが好ましい。

【００２４】Sは熱間加工性を低下させる元素であると
ともに軟磁気特性も劣化させるため、その含有量はでき
るだけ低いほうが好ましい。経済性及びSが0.01％以下
であれば実質的にその影響は無視できることから、S含
有量は0.01％以下とするのが好ましい。

【００２５】なお、本発明において、上記の鋼板成分以
外に、本発明の作用効果を無くさない限り、不可避不純
物をはじめ、他の微量元素を含有するものも本発明の対
象とする鋼板の範囲に含まれる。

【００２６】ここで、本発明の対象は方向性けい素鋼板
であるか無方向性けい素鋼板であるかは問わない。ま
た、通常電磁鋼板の表面には絶縁を目的とした皮膜が形
成されたり、ワニスが含浸されたりするが、本発明の効
果はこのような皮膜、ワニスの種類に影響されない。

【００２７】

【実施例】（実施例1）図1に示す入側から順に加熱帯
1、浸珪処理帯2、均熱帯3、冷却帯4を備えた連続浸珪処
理設備において、Si：3.0％の母材鋼板として加熱処
理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却処理を施し、Si：
6.5％の高けい素鋼板を製造した。この時、けい素添加
速度を変化させ、高周波磁気特性（鉄損）と亜結晶粒径
を測定した。鋼板の板厚は0.3mmである。ここで、けい
素添加速度(wt％/min)は、浸珪用原料ガス供給ノズルの
吹き出し量の調整や浸珪用原料ガス供給ノズルの供給箇
所数を変更することにより調整した。

【００２８】また、鉄損、結晶粒径は下記方法により測
定した。 鉄損測定：各サンプルを外径45mm、内径33mmのリングサ
ンプルに加工し、積み厚1mmでの高周波鉄損を測定。

【００２９】亜結晶粒径：板面をOIM（Orientation Ima
ge Microscopy：電子線後方散乱回折型結晶方位測定装
置）によって方位差0.5度以上7度以下の結晶粒界を検出
することによって測定。

【００３０】図2にけい素添加速度と鉄損の関係を示
す。図2より、けい素添加速度が0.1wt％/min以上の本発
明例においては、鉄損の改善が認められ、高周波磁気特
性に優れた高けい素鋼板が得られている。一方、けい素
添加速度が0.1wt％/min未満の比較例では鉄損値が高く
なっている。また、図3にけい素添加速度と亜結晶粒径
の関係を示す。

【００３１】図3より、けい素添加速度が0.1wt％/min以
上の本発明例においては、亜結晶粒径が250μm以下にな
っており、高周波磁気特性に有用な亜結晶粒が形成され
ていることがわかる。

【００３２】（実施例2）図1に示す入側から順に加熱帯
1、浸珪処理帯2、均熱帯3、冷却帯4を備えた連続浸珪処
理設備において、Si：3.0％の母材鋼板として加熱処
理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却処理を施し、Si：
6.5％の高けい素鋼板を製造した。この時、けい素添加
速度を0.1wt％/min以上の条件下で板幅を変化させ、け
い素添加速度(wt％/min)と板幅の鋼帯の形状への影響を
評価した。鋼板の板厚は0.1mmである。図4にけい素添加
速度、板幅と形状の関係を示す。ここで、けい素添加速
度の調整は実施例１と同様である。また、形状評価は浸
珪処理材を検査員の目視によりある一定長さを検査し、
形状不良の有無を測定した。図４において、○は形状良
好、△は一部形状不良あり、×は形状不良ありである。

【００３３】図4より、t＝0.1mmにおいて、S式以下即ち
下式を満たす領域においては鋼板の形状は良好であるこ
とがわかる。 S≦4.58×10⁵×t^1.56／（W^2.64） t：鋼帯板厚（m） w：鋼帯板幅（m） S：限界けい素添加速度（wt％/min）

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば高周
波鉄損特性に優れた高けい素鋼板を得ることができる。
また、鋼帯板厚及び鋼帯板幅との関係からけい素添加速
度のさらなる管理を行うことにより、鋼板の形状が良好
でかつ高周波鉄損特性に優れた高けい素鋼板を得ること
ができる。

【００３５】さらに本発明の高けい素鋼板は安価にかつ
安定して加工することができるので、トランスやモ−タ
等に使用される鉄心材料として最適である。

【図面の簡単な説明】

【図1】連続浸珪処理ラインを示す図である。

【図2】けい素添加速度と鉄損の関係を示す図である。

【図3】けい素添加速度と結晶粒径の関係を示す図であ
る。

【図4】けい素添加速度、板幅と形状の関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

1 加熱帯 2 浸珪処理帯 3 均熱帯 4 冷却帯

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山路 常弘 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 浪川 操 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 Ｆターム(参考） 5E041 AA02 BC01 CA02 CA04 HB11 NN01 NN06 NN17

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】 wt％で、Si：4％未満の鋼板を母材鋼板と
   して、加熱処理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却処理
   を順次行い、Si：4％超の高けい素鋼板を製造する方法
   において、浸珪処理する際の鋼板へのけい素の添加速度
   を0.1wt％／min以上とし、鋼板に亜結晶粒界を形成させ
   ることを特徴とする高周波磁気特性に優れた高けい素鋼
   板の製造方法。
2. 【請求項2】 wt％で、Si：4％未満の鋼板を母材鋼板と
   して、加熱処理、浸珪処理、拡散均熱処理及び冷却処理
   を順次行い、Si：4％超の高けい素鋼板を製造する方法
   において、浸珪処理する際の鋼板へのけい素の添加速度
   を0.1wt％／min以上、かつ、下式を満足する範囲とし、
   鋼板に亜結晶粒界を形成させることを特徴とする高周波
   磁気特性に優れた高けい素鋼板の製造方法。 S≦4.58×10⁵×t^1.56／（W^2.64） t：鋼帯板厚（m） w：鋼帯板幅（m） S：けい素添加速度（wt％/min）