JP2002363763A - 絶縁皮膜密着性に優れる一方向性珪素鋼板とその製造方法 - Google Patents
絶縁皮膜密着性に優れる一方向性珪素鋼板とその製造方法Info
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Abstract
済み一方向性珪素鋼板に対し、張力付与性絶縁皮膜の密
着性が良好な一方向性珪素鋼板の開発が望まれていた。 【解決手段】 張力付与性絶縁皮膜と仕上げ焼鈍済みの
一方向性珪素鋼板との間に膜厚2nm以上、断面空洞面
積率30%以下の外部酸化型酸化膜を形成させる。
Description
(Mg2SiO4)等で構成される無機鉱物質皮膜の生成
を意図的に防止して製造したり、あるいは研削や酸洗等
の手段によって除去したり、さらには鏡面光沢を呈する
まで表面を平坦化させたりして調製した仕上げ焼鈍済み
の一方向性珪素鋼板に対し、張力付与性の絶縁性皮膜を
形成させた一方向性珪素鋼板とその製造方法に関するも
のである。
多用されており、特にエネルギ−ロスを少なくするため
に鉄損の少ない材料が求められている。鉄損の低減には
鋼板に張力を付与することが有効であることから、鋼板
に比べ熱膨張係数の小さい材質からなる皮膜を高温で形
成することによって鋼板に張力を付与し、鉄損低減が図
られてきた。仕上げ焼鈍工程で鋼板表面の酸化物と焼鈍
分離剤とが反応して生成するフォルステライト系皮膜
は、鋼板に張力を与えることができ、皮膜密着性も優れ
ている。
示されたコロイド状シリカとリン酸塩を主体とするコ−
ティング液を鋼板表面に塗布し、焼き付けることによっ
て絶縁皮膜を形成する方法は、鋼板に対する張力付与の
効果が大きく、鉄損低減に有効である。そこで、仕上げ
焼鈍工程で生じたフォルステライト系皮膜を残した上で
リン酸塩を主体とする絶縁皮膜を形成することが一般的
な一方向性珪素鋼板の製造方法となっている。
れた界面構造が、皮膜張力による鉄損改善効果をある程
度減少させていることが明らかになってきた。そこで、
例えば、特開昭49−96920号公報に開示されてい
る如く、仕上げ焼鈍工程で生ずるフォルステライト系皮
膜を除去したり、更に鏡面化仕上げを行った後、改めて
張力皮膜を形成させることにより、更なる鉄損低減を試
みる技術が開発された。
ライトを主体とする皮膜の上に形成した場合はかなりの
密着性が得られるものの、フォルステライト系皮膜を除
去したり、あるいは仕上げ焼鈍工程で意図的にフォルス
テライト形成を行わなかったものに対しては皮膜密着性
が十分ではない。フォルステライト系皮膜の除去を行っ
た場合はコ−ティング液を塗布して形成させる張力付与
型絶縁皮膜のみで所要の皮膜張力を確保する必要があ
り、必然的に厚膜化しなければならず、より一層の密着
性が必要である。したがって、従来の皮膜形成法では鏡
面化の効果を十分に引き出すほどの皮膜張力を達成し、
かつ皮膜密着性をも確保する事は困難であり、十分な鉄
損低減が図られていなかった。 そこで、張力付与性絶
縁皮膜の密着性を確保するための技術として、張力付与
性絶縁皮膜の形成に先立ち、仕上げ焼鈍済みの一方向性
珪素鋼板の表面に酸化膜を形成させる方法が、例えば、
特開昭60−131976号公報、特開平6−1847
62号公報、特開平7−278833号公報、特開平8
−191010号公報、特開平9−078252号公
報、において開示された。
した仕上げ焼鈍済みの一方向性珪素鋼板の鋼板表面付近
を内部酸化させる方法で、この内部酸化層によって張力
皮膜の密着性を向上させ、内部酸化、即ち鏡面度減退で
生じる鉄損劣化を皮膜密着性向上によってもたらされる
付与張力の増大で補おうする方法である。特開平6−1
84762号公報は鏡面化ないしはそれに近い状態に調
製した仕上げ焼鈍済みの一方向性珪素鋼板に対し、温度
ごとに特定の雰囲気で焼鈍を施す事により鋼板表面に外
部酸化型の酸化膜を形成し、この酸化膜でもって張力付
与性絶縁皮膜の皮膜と鋼板との皮膜密着性を確保する方
法である。
性の絶縁皮膜が結晶質である場合において、無機鉱物質
皮膜のない仕上げ焼鈍済みの一方向性珪素鋼板の表面に
非晶質の酸化物の下地皮膜を形成させることで、結晶質
の張力付与性絶縁皮膜が形成される際に起こる鋼板酸
化、即ち、鏡面度減退を防止する技術である。特開平8
−191010号公報は非金属物質を除去した仕上げ焼
鈍済みの一方向性珪素鋼板の表面に結晶性のファイヤラ
イトを形成させることでファイヤライト結晶による張力
付与効果と張力付与性の絶縁皮膜との密着性向上効果に
より鉄損低減を図る方法である。
質皮膜のない仕上げ焼鈍済みの一方向性珪素鋼板の表面
に形成させる下地シリカ層の量を100mg/m2以下
にすることで張力皮膜の密着性確保だけでなく、良好な
鉄損値をも実現しようとする方法である。
無機鉱物質のない一方向性珪素鋼板の表面に酸化膜を形
成させることで、皮膜密着性改善や鉄損値低減の効果は
それなりに認められる。しかしながら、張力付与性絶縁
皮膜の皮膜密着性が必ずしも完全ではなかった。
解決し、無機鉱物質皮膜のない仕上げ焼鈍済みの一方向
性珪素鋼板に対し、十分な皮膜密着性を得ることができ
るよう張力付与型の絶縁性皮膜を形成させた一方向性珪
素鋼板およびその製造方法である。本発明の要旨は次の
通りである。
い鋼板表面に、張力付与性の絶縁皮膜を有する一方向性
珪素鋼板であって、張力付与性絶縁皮膜と鋼板との界面
に、膜厚が2nm以上500nm以下、空洞が断面面積
率にして30%以下であるシリカ主体の外部酸化型酸化
膜を有することを特徴とする絶縁皮膜密着性に優れる一
方向性珪素鋼板。
膜を酸洗等の手段により除去したりあるいはその生成を
意図的に防止して製造した仕上げ焼鈍済み一方向性珪素
鋼板に対し、張力付与性絶縁皮膜と鋼板との密着性を確
保するため、張力付与性絶縁皮膜の形成に先立ち、シリ
カを主体とする外部酸化型酸化膜を形成させる方法にお
いて、外部酸化型酸化膜の形成温度から200℃までの
温度域の冷却速度を100℃/秒以下にすることを特徴
とする絶縁皮膜密着性に優れる一方向性珪素鋼板の製造
方法。
とする塗布液を焼き付けて生成させた張力付与性絶縁皮
膜を有する請求項1記載の絶縁皮膜密着性に優れる一方
向性珪素鋼板。 (4)アルミナゾルとホウ酸を主体とする塗布液を焼付
けて生成させた張力付与性絶縁皮膜を有する請求項1記
載の絶縁皮膜密着性に優れる一方向性珪素鋼板。
る。発明者らは、皮膜密着性が必ずしも完全ではない原
因として外部酸化型酸化膜を形成させる条件、特に、冷
却速度に問題があり、冷却速度によって外部酸化型酸化
膜の構造に差異が生じ、そのため張力付与性の絶縁皮膜
の密着性が変動するのではないかと推測した。そこで、
次に述べるような実験を行ない、皮膜密着性に対する冷
却速度と外部酸化型酸化膜構造との関係を調べた。な
お、ここでいう外部酸化膜とは、低酸素分圧下で生成す
る酸化膜であって、合金元素(主にSi)が鋼板表層ま
で拡散した後に皮膜状になる酸化膜である。
脱炭焼鈍板に対し、アルミナを主体とする焼鈍分離剤を
塗布して仕上げ焼鈍を行ない、二次再結晶させ、鏡面光
沢を有する一方向性珪素鋼板を準備した。この鋼板に対
し、窒素25%、水素75%、露点−5℃の雰囲気にお
いて均熱時間10秒で、かつ、種々の温度と冷却速度の
条件で熱処理を施し、外部酸化型酸化膜を形成させた。
ついで、張力付与性の絶縁皮膜を形成するため、リン酸
塩、クロム酸、コロイダルシリカを主体とする塗布液を
塗布し、窒素雰囲気中で835℃で30秒間焼き付け
た。このようにして作製した鋼板の皮膜密着性を調べ
た。
巻き付けた時、鋼板から剥離せず、鋼板と皮膜が密着し
たままであった部分の面積率(以後、皮膜残存面積率と
称する)で評価した。密着性が不良で皮膜が完全に剥離
した場合は0%、皮膜密着性が良好で皮膜が全く剥離し
なかった場合を100%と判定した。評価は皮膜残存面
積率が90%以下の場合を×、95%のものを○、10
0%のものを◎とした。
絶縁皮膜と鋼板との界面構造を調べるため、集束イオン
ビ−ム法(以下、FIB法と称する)によって試料を作
製し、透過型電子顕微鏡(以下、TEMと称する)で断
面構造を観察した。断面観察の結果、外部酸化型酸化膜
の中に部分的に空洞が観察された。TEM写真から断面
の空洞面積率を算出した。
た。なお、図1に、断面観察結果の一例として、試料番
号40の試料の断面TEM観察像を示した。ただし、試
料番号40の試料は、張力付与性絶縁皮膜の密着性が非
常に悪く、張力皮膜を塗布した状態では断面TEM観察
が困難であったため、張力付与性絶縁皮膜を塗布する前
の鋼板断面を観察した。外部酸化型酸化膜中に観察され
た空洞の断面積率は40%であった。
確保できる条件を求めると次のようになる。まず、空洞
面積率に関わらず、外部酸化型酸化膜の膜厚が2nm未
満の試料番号1から試料番号4の熱処理温度(外部酸化
型酸化膜の形成温度)500℃の条件では、皮膜密着性
が確保できない。一方、外部酸化型酸化膜の膜厚が2n
m以上の試料番号5から試料番号40の熱処理温度が6
00℃から1150℃の条件においては、概ね、皮膜密
着性が確保できるようになる。特に、試料番号26から
試料番号40の外部酸化型酸化膜の膜厚が40nm以上
の熱処理温度が1000℃以上の条件では特に皮膜密着
性が良好である。但し、冷却速度が5℃/秒以上100
℃/秒以下の条件で、外部酸化型酸化膜中の空洞面積率
が30%以下の条件では、皮膜密着性が良好であるが、
冷却速度が200℃/秒で空洞面積率が30%よりも大
きい条件では外部酸化型酸化膜の膜厚が厚くとも、皮膜
密着性が必ずしも完全とは言えず、皮膜残存面積率で9
0%となった。
性確保するためには外部酸化型酸化膜の膜厚が2nm以
上で、かつ外部酸化型酸化膜における空洞面積率が30
%以下であることが必須であり、こうした外部酸化型酸
化膜を形成させるためには外部酸化型酸化膜を形成する
ための熱処理を600℃以上、特に好ましくは1000
℃以上の温度で行ない、かつ、その時の冷却速度を5℃
/秒以上100℃/秒以下にする必要があることがわか
る。
型酸化膜の膜厚と空洞面積率が大きく影響していること
について、本発明者らはその機構を次のように考えてい
る。まず、外部酸化型酸化膜の膜厚依存性について述べ
る。鋼板と張力付与性絶縁皮膜との密着性は、両者の界
面に形成させた外部酸化型酸化膜によって決まる。一般
に外部酸化型酸化膜は金属原子が鋼中から表面に拡散
し、表面で酸化性ガスと反応することで成長すると言わ
れている。そのため、酸化膜の成長速度は金属原子の拡
散速度によって決まる。金属中の原子の拡散は熱エネル
ギ−によって高められる。したがって、温度が高いほど
原子の拡散が促進され、外部酸化型酸化膜はより成長す
る。こうした機構のため熱処理温度が500℃と低い条
件では外部酸化型の酸化膜の成長が十分発達せず、皮膜
密着性が劣る。一方、熱処理温度が600℃以上では十
分な外部酸化型酸化膜が成長するので皮膜密着性は良好
で、さらに1000℃以上では更に酸化膜が成長し易く
なるので皮膜密着性が極めて良好となるものと考えられ
る。
子顕微鏡を使った外部酸化型酸化膜の膜厚測定の結果か
らわかる。即ち、膜厚が1nmで、外部酸化型酸化膜の
成長が十分でない、熱処理温度500℃の条件では張力
付与型絶縁皮膜の密着性が不良であるのに対し、膜厚2
nm以上で、外部酸化型酸化膜が成長した、熱処理温度
600℃以上の条件では皮膜密着性は良好である。
化型酸化膜の空洞面積率の関係について述べる。外部酸
化型酸化膜中に空洞が形成される反応機構についてはそ
の詳細は未だ不明であるが、本発明者らは、外部酸化型
酸化膜が形成される時に酸化膜と鋼板との界面付近に蓄
積された格子欠陥などが、外部酸化膜中に集積するた
め、空洞が生成するのではないかと推測している。この
空洞形成と冷却速度との関係については冷却が緩やかに
行なわれた場合、こうした欠陥は系外に取り除かれる
が、急速に冷却が行なわれた場合、欠陥が系外に取り除
かれるのに十分な時間がないため、欠陥が外部酸化型酸
化膜中に集積し、空洞を形成するのではないかと推測し
ている。
熱膨張係数の差によってもたらされる。この時、張力付
与性絶縁皮膜と鋼板との界面には多大な応力が発生す
る。この応力に耐え、鋼板と張力付与性絶縁皮膜の密着
性を確保するのが外部酸化型酸化膜である。本発明者ら
は、こうした応力耐性の必要な外部酸化型酸化膜に空洞
が少ないと応力に耐えうるが、空洞が多い、即ち、空洞
断面面積率が高いと応力に耐えることができず、破壊さ
れてしまうのではないかと考えている。
化膜中にはシリカ(シリコン酸化物)以外に、アルミニ
ウム、マンガン、クロム、鉄などの酸化物が存在した
が、今回の結果では、鋼板と張力付与性絶縁皮膜との密
着性はこれらの酸化物の有無に依らず、外部酸化型酸化
膜中の空洞面積率で一義的に決まっていた。
3.35%の一方向性珪素鋼板製造用の冷延板に脱炭焼
鈍を施し、表面にマグネシアと塩化ビスマスを主体とす
る焼鈍分離剤の水スラリ−を塗布し、乾燥した。ついで
乾燥水素雰囲気中、1200℃、20時間の仕上げ焼鈍
を行ない、表面に無機鉱物質の殆どない二次再結晶の完
了した一方向性珪素鋼板を得た。この鋼板に対し、窒素
25%、水素75%、露点−20℃の雰囲気中、温度1
150℃で熱処理を行なう事でシリカを主体とする外部
酸化型酸化膜を形成させた。この時、冷却速度を10℃
/秒(実施例)と200℃/秒(比較例)の2条件で行
なった。こうして調製した鋼板に対し、濃度50%のリ
ン酸マグネシム水溶液50ml、濃度20%のコロイダ
ルシリカ水分散液100ml、無水クロム酸5gからな
る混合液を塗布し、850℃で30秒間焼き付け、張力
付与性の絶縁皮膜を形成させた。こうして調製した絶縁
皮膜付き一方向性珪素鋼板について、直径20mmの円
筒に試料を巻き付けた時の皮膜残存面積率で絶縁皮膜の
密着性を評価した。その結果を表2に示す。
積率40%で皮膜残存面積率90%である比較例に比
べ、冷却速度10秒/秒、空洞面積率15%で皮膜残存
面積率100%である実施例の方が皮膜密着性が良好で
優れている。 〔実施例2〕板厚0.225mm、Si濃度3.25%
の一方向性珪素鋼板製造用の冷延板に脱炭焼鈍を施し、
表面にアルミナを主体とする焼鈍分離剤の水スラリ−を
塗布し、乾燥した。ついで乾燥水素雰囲気中、1200
℃、20時間の仕上げ焼鈍を行ない、表面に無機鉱物質
が殆どなく、鏡面光沢を有する二次再結晶の完了した一
方向性珪素鋼板を得た。この鋼板に対し、窒素25%、
水素75%、露点−10℃の雰囲気中、温度800℃で
熱処理を行なうことで外部酸化型酸化膜を形成させた。
この時、冷却速度を5℃/秒(実施例)と150℃/秒
(比較例)の2条件で行なった。こうして調製した鋼板
に対し、濃度50%のリン酸アルミニウム水溶液50m
l、濃度20%のコロイダルシリカ水分散液100m
l、無水クロム酸5gからなる混合液を塗布し、850
℃で30秒間焼き付け、張力付与性の絶縁皮膜を形成さ
せた。こうして調製した絶縁皮膜付き一方向性珪素鋼板
について、直径20mmの円筒に試料を巻き付けた時の
皮膜残存面積率で皮膜密着性を評価した。その結果を表
3に示す。
積率35%で皮膜残存面積率90%である比較例に比べ
冷却速度5℃/秒、空洞面積率25%で皮膜残存面積率
100%である実施例の方が皮膜密着性が良好で優れて
いる。 〔実施例3〕板厚0.225mm、Si濃度3.30%
の一方向性珪素鋼板製造用の冷延板に脱炭焼鈍を施した
後、表面酸化層を弗化アンモニムと硫酸の混合溶液中で
酸洗し溶解除去した。ついでアルミナ粉末を静電塗布法
で塗布し、乾燥水素雰囲気中、1200℃、20時間の
仕上げ焼鈍を行なった。こうして調製した二次再結晶の
完了した一方向性珪素鋼板の表面には無機鉱物質がな
く、かつ鏡面光沢を有する。この鋼板に対し、窒素25
%、水素75%、露点−15℃の雰囲気中、温度900
℃で熱処理を行なうことで外部酸化型酸化膜を形成させ
た。この時、冷却速度を50℃/秒(実施例)と200
℃/秒(比較例)の2条件で行なった。こうして調製し
た鋼板に対し、10%濃度のコロイダルアルミナ水分散
液100ml、不定形アルミナ粉末10g、ホウ酸5
g、水200mlからなる混合液を塗布し、850℃で
30秒間焼き付け、張力付与性の絶縁皮膜を形成させ
た。こうして調製した絶縁皮膜付き一方向性珪素鋼板に
ついて、直径20mmの円筒に試料を巻き付けた時の皮
膜残存面積率で皮膜密着性を評価した。その結果を表4
に示す。
積率40%で皮膜残存面積率90%である比較例に比べ
冷却速度50℃/秒、空洞面積率15%で皮膜残存面積
率100%である実施例の方が皮膜密着性が良好で優れ
ている。 〔実施例4〕板厚0.23mm、Si濃度3.30%の
一方向性珪素鋼板製造用の冷延板に脱炭焼鈍を施し、表
面にマグネシアを主体とする焼鈍分離剤の水スラリ−を
塗布し、乾燥した後、乾燥水素雰囲気中、1200℃、
20時間の仕上げ焼鈍を行なった。こうして調製した二
次再結晶の完了した一方向性珪素鋼板の表面にはフォル
ステライトを主体とする皮膜が生成している。ついで、
ふっ化アンモニムと硫酸の混合溶液中で酸洗し、表面皮
膜を溶解除去した後、ふっ酸と過酸化水素水の混合溶液
中で化学研磨し、鋼板表面に無機鉱物質がなく、かつ鏡
面光沢をもつ鋼板を得た。この鋼板に対し、窒素25
%、水素75%、露点0℃の雰囲気中、温度1050℃
で熱処理を行なうことで外部酸化型酸化膜を形成させ
た。この時、冷却速度を100℃/秒(実施例)と20
0℃/秒(比較例)の2条件で行なった。こうして調製
した鋼板に対し、10%濃度のコロイダルアルミナ水分
散液100ml、不定形アルミナ粉末10g、ホウ酸5
g、水200mlからなる混合液を塗布し、850℃で
30秒間焼き付け、張力付与性の絶縁皮膜を形成させ
た。こうして調製した絶縁皮膜付き一方向性珪素鋼板に
ついて、直径20mmの円筒に試料を巻き付けた時の皮
膜残存面積率で皮膜密着性を評価した。その結果を表5
に示す。
積率35%で皮膜残存面積率90%である比較例に比べ
冷却速度100℃/秒、空洞面積率10%で皮膜残存面
積率100%である実施例のほうが皮膜密着性が良好で
優れている。
存在しない鋼板表面に、皮膜密着性の良好な絶縁皮膜を
有する一方向性珪素鋼板を提供することができる。
像。(符号Wは、TEM試料作成時の最表面保護用のW
蒸着膜である。また、Fe−3%Si鋼のマトリックス
中の白い斑点模様はTEM試料作成時に生成した転位ル
ープである。)
Claims (4)
- 【請求項1】 仕上げ焼鈍皮膜が実質的に存在しない鋼
板表面に張力付与性の絶縁皮膜を有する一方向性珪素鋼
板であって、張力付与性絶縁皮膜と鋼板との界面に、膜
厚が2nm以上500nm以下、空洞が断面面積率にし
て30%以下であるシリカ主体の外部酸化型酸化膜を有
することを特徴とする絶縁皮膜密着性に優れる一方向性
珪素鋼板。 - 【請求項2】 フォルステライト等の無機鉱物質皮膜を
酸洗等の手段により除去し、あるいはその生成を意図的
に防止して製造した仕上げ焼鈍済み一方向性珪素鋼板に
対し、張力付与性絶縁皮膜と鋼板との密着性を確保する
ため、張力付与性絶縁皮膜の形成に先立ち、シリカを主
体とする外部酸化型酸化膜を形成させる方法において、
外部酸化型酸化膜の形成温度から200℃までの温度域
の冷却速度を100℃/秒以下にすることを特徴とする
絶縁皮膜密着性に優れる一方向性珪素鋼板の製造方法。 - 【請求項3】 リン酸塩とコロイド状シリカを主体とす
る塗布液を焼き付けて生成させた張力付与性絶縁皮膜を
有する請求項1記載の絶縁皮膜密着性に優れる一方向性
珪素鋼板。 - 【請求項4】 アルミナゾルとホウ酸を主体とする塗布
液を焼き付けて生成させた張力付与性絶縁皮膜を有する
請求項1記載の絶縁皮膜密着性に優れる一方向性珪素鋼
板。
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