JP2004238734A - 高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 質量%で、Si:2〜7%を必須成分として含有し、一次被膜及び地鉄を含む鋼板表面の断面を観察した際に、表面から10μm深さの範囲内に円相当径で 0.1μm以上のMgを含有する内部酸化物が存在し、かつクサビ率が10%以上であり、かつ地鉄と一次被膜界面にBiが質量で 0.01ppm以上 1000ppm未満存在することにより、W17/50 (1.7T、50Hzの励磁条件下でのエネルギー損失)に対するW19/50 (1.9T、50Hzの励磁条件下でのエネルギー損失) 比率:W19/50 /W17/50 <1.8で、かつ30mm径の曲率曲げに際し被膜剥離の生じる割合(%)が25%未満であることを特徴とする高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
【選択図】 図5
Description
更に磁束密度を向上させる技術として、特許文献2は、溶鋼に100〜5000g/TのBiを添加する方法が開示され、B8 が1.95T以上の製品が得られるようになった。更に特許文献3で、素材の組成成分にBiを0.0005〜0.05%を含有させ、脱炭焼鈍する前に100℃/秒以上の加熱速度で700℃以上の温度域へ急速に加熱する方法が開示され、コイル全長、全幅にわたり二次再結晶を安定化させコイル内全ての個所において工業的に安定してB8 が1.95T以上が得られるようになった。
その製造方法として特許文献7に、脱炭焼鈍する直前に100℃/s以上の加熱速度で800℃以上の温度に加熱処理する方法が開示されている。しかし、得られた高磁場鉄損は最も低いもので、W19/50 =1.13W/kgであり、更なる高磁場低鉄損を有する方向性電磁鋼板が望まれている。
すなわち本発明は、従来の方向性電磁鋼板にも増して高磁場特性と被膜密着性とに優れた方向性電磁鋼板を提供するものである。
(1)質量%でSi:2〜7%を必須成分として含有し、一次被膜及び地鉄を含む鋼板表面の断面を観察した際に、表層部から10μm深さの範囲内に円相当径で0.1μm以上のMgを含有する内部酸化物が存在し、かつクサビ率が10%以上であり、かつ地鉄と一次被膜界面にBiが質量で0.01ppm以上1000ppm未満存在することにより、W17/50 (1.7T、50Hzの励磁条件下でのエネルギー損失)に対するW19/50 (1.9T、50Hzの励磁条件下でのエネルギー損失)比率:W<1.8で、かつ30mm径の曲率曲げに際し被膜剥離の生じる割合(%)が25%未満であることを特徴とする高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
ここでクサビ率とは、ある観察断面における内部酸化物およびその左右(表面と平行な方向)5μmの範囲の長さをlとした場合に、この観察断面内のlの総和Σl(重なりは除く)の総観察断面長Lに対する比率(Σl/L)をいう。
また、地鉄と一次被膜界面のBi濃度とは、二次イオン質量分析法による測定においてバルクのFeの二次イオン強度が50%となるスパッタ時間でのBi+ 二次イオン強度を濃度に換算した値をいう。
(3)磁束密度B8 が1.94T以上の極めて高い値を有する前記(1)または(2)記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
(4)磁区制御後にW19/50 /W17/50 <1.6となる極めて高磁場での劣化率の少ないことを特徴とする前記(1)乃至(3)のいずれか1項に記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
(5)磁区制御後にW19/50 ≦1.2W/kgとなる極めて高磁場での鉄損に優れる前記(1)乃至(4)記載のいずれか1項に記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
すなわち、一次被膜と地鉄の界面においてくさび効果を有すると考えられるMgを含有する内部酸化物が存在し、この内部酸化物の存在率と地鉄と一次被膜界面に微量に存在するBiと高磁場鉄損及び二次被膜密着性との間に密接な関係が存在する。
製品板あるいは仕上焼鈍終了後などの一次被膜が形成後の鋼板から試料を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡などで被膜と地鉄の界面を観察する。この観察面は特に限定しないが、圧延と直角方向の断面を観察することが望ましい。この際、樹脂埋めあるいは金属板などで挟むなどの処置をした後に、#1000より細かい研磨紙などで断面を研磨すると表面被膜が剥離し難く、正確に断面観察可能である。更にGaの収束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)などの方法を用いて、断面観察することも好ましい。
更に詳細調査したところ、これらの内部酸化物は表層部のフォルステライトを主体とする一次被膜に繋がっており、あたかも樹木や草の根のように一次被膜が地鉄中に張り巡らされていることを見出した。従って、観察断面において一見孤立したかのように見える内部酸化物が頻度多く観察される場合は、一次被膜が地鉄にくさび止めや釘付けされたような状態になることによる固着作用(くさび効果)が強く発揮され、極めて密着性に優れたものとなると考えられる。
ここで、5μmの範囲をくさび効果長としたのは、曲げ試験により被膜が剥離した断面を観察したところ内部酸化物の左右5μmが残存していたため、5μm以内はくさび効果があると推定されるからである。ここで図3にこのクサビ率の一例として超高磁束密度一方向性電磁鋼板の一次被膜形成後の鋼板から試料を切りだし樹脂埋めした後に、#1500の研磨紙により断面研磨した後に走査型電子顕微鏡で断面観察した写真及びこの写真から求めたクサビ率を示す。
SIMSにより一次被膜中および地鉄と一次被膜の界面近傍におけるBiを分析する場合、Fe、MgおよびSiなどからなる分子イオンの妨害を除去することが必要である。質量分解能が500以上となる条件で測定することによりBiと妨害イオンの質量分離が可能であり、好ましくは質量分解能を1000以上となる条件で測定する。そのため質量分解能の高い二重集束型質量分析器を有するSIMSが好適に用いられる。
一次イオンビームとして16O2 + イオンビームを用いる場合はBi+ 二次イオンを検出し、Cs+ イオンビームを用いる場合はBi- あるいはCsBi+ 二次イオンを測定することにより、微量なBiを高感度に検出することが可能となる。測定する深さおよびBi濃度から、一次イオンビームの種類、エネルギー、照射面積、および電流量を決定する。
SIMS測定により得られるBi二次イオン強度からBiの濃度を求める方法として、Siウエハ中のBの定量法を規定したISO 14237と同様の手法を用る。標準試料は、Bi無添加材の表面を地鉄と一次被膜の界面から約10μmの厚さほど地鉄を研磨して鏡面仕上げした鋼板に、既知のエネルギーでBiを所定の照射量ほどイオン注入して作製する。また、Biの相対感度係数を算出するためのマトリックス強度は、一次被膜をスパッタリングした後の地鉄中で測定する。28Si2 分子イオンによる妨害を除去するため、16O2 + 一次イオンビームを用いて正の二次イオンを検出する場合は54Fe+ 二次イオン強度をマトリックス強度として用い、Cs+ 一次イオンビームを用いて負の二次イオンを検出する場合は54Fe+ 二次イオン強度を、正の二次イオンを検出する場合は54Fe+ 二次イオン強度を用いる。
一次被膜中と地鉄中ではBiの二次イオン化率、スパッタレートおよび相対感度係数などは異なり、また一次被膜厚さの不均一性および地鉄と一次被膜の界面が平坦でないなどの理由により、一次被膜表面から地鉄内部にわたるBiの濃度分布を厳密に求めることは極めて困難であるが、上記標準試料の地鉄内部におけるBiの相対感度係数を用いて、一次被膜から地鉄内部にわたるBi二次イオン強度分布を見かけのBi濃度分布に換算することが可能である。本発明では、上記見かけのBi濃度をBi濃度として定義する。
図4において、Feの二次イオン強度がバルクより少ない側(鋼板表層側)でBi濃度はピーク値を取る。一次被膜と地鉄は入り組んだ構造をしているため、Feのプロファイルは表層から徐々に立ちあがった後一定値をとる。
本発明では、このバルクのFeの二次イオン強度が50%となるスパッタ時間でのBi+ 二次イオン強度から換算したBi濃度を、一次被膜と地鉄界面のBi濃度と定義する。 尚、図4より明らかなように、地鉄中にはBiが殆ど存在しない。確認のために、一次被膜と内部酸化物を酸洗により10μm除去し、地鉄中のBi濃度を測定したところ1ppm以下であった。
これより、クサビ率が10%以上で20mm径の曲率で被膜剥離のない割合が75%超となり、30mm径の曲率で被膜剥離のない割合が90%超となる。更に、クサビ率が30%以上で20mm径の曲率でも被膜剥離のない割合が90%超と良好になることが判明した。
MgO塗布後に引き続き施される仕上焼鈍工程の役割は、一次被膜形成、二次再結晶発現と鋼中の不純物を除去する純化焼鈍である。
一次被膜は脱炭焼鈍において鋼板表面に形成されたSiO2 が、その後に塗布された焼鈍分離剤と最終仕上焼鈍工程において反応して得られる。一般的に焼鈍分離剤はMgOを主成分としたものが用いられ、SiO2 と反応してMg2 SiO4 となる。
一次被膜形成過程でBiが一次被膜と低融点化合物を形成すると、一次被膜と地鉄界面の構造が平滑化しやすくなり、クサビ効果が失われ最終製品での被膜密着性が劣化すると考えられる。一方で、一次被膜を早期形成させて一次被膜形成終了後にBiを除去すると、低融点化合物による平滑化が進行し難く、内部酸化物が残存したクサビ効果を有する一次被膜構造となり、被膜密着性が良好となると推定される。
一次被膜と地鉄界面の単位面積あたりに存在し得るBi量は一定であると推定され、ある量以上存在すると拡散により一次被膜外に除去される。したがって、クサビ効果を持った内部酸化物などが存在し一次被膜と地鉄界面が入り組んだ構造となると界面面積が増加するため、界面Bi量も増加することになる。
従って、高磁場鉄損を良好とし、密着性を確保するためには、一次被膜と地鉄界面の構造を最適化することが重要である。
本発明者らは、100℃/秒以上の急速に加熱したときに表層部に生じるSiO2 を主体とする初期酸化層は、加熱時あるいは加熱直後の雰囲気条件と加熱直後の均熱時間に大きく依存し、引き続く脱炭焼鈍での内部酸化層構造およびMgO塗布後の仕上焼鈍での一次被膜形成時期に大きく影響することを見出し、1000℃以上の高温から始まるBiによる被膜破壊に影響を及ぼすことを見出した。
Siは鋼の電気抵抗を高めて鉄損の一部を構成する渦電流損失を低減するのに極めて有効な元素であるが、2%未満では製品の渦電流損失を抑制できない。また7.0%を超えた場合では、加工性が著しく劣化するので好ましくない。
なお、本発明の製品においては、以降の製造方法の結果生じる不可避的不純物を含有していても、本発明は何ら差し支えない。
Cは0.03%未満では、熱延に先立つスラブ加熱時において結晶粒が異常粒成長し、製品において線状細粒と呼ばれる二次再結晶不良を起こすので好ましくない。一方、0.15%を超えた場合では、冷延後の脱炭焼鈍において脱炭時間が長時間必要となり経済的でないばかりでなく、脱炭が不完全となりやすく、製品での磁気時効と呼ばれる磁性不良を起こすので好ましくない。
次いで通常の熱間圧延によって熱延コイルに圧延される。
引き続いて、熱延板焼鈍後仕上げ冷延、あるいは中間焼鈍を含む複数回の冷延、あるいは熱延板焼鈍後中間焼鈍を含む複数回の冷延によって製品板厚に仕上げるわけであるが、仕上げ冷延前の焼鈍では結晶組織の均質化と、AlNの析出制御を行う。
最終板厚まで冷延された鋼板を脱炭焼鈍する前に、700℃以上の温度域へ100℃/s以上の加熱速度により加熱したのち、700℃以上の均熱時間を1〜20秒間とし、かつこの温度域の雰囲気構成成分をH2 Oと不活性ガス、もしくはH2 OとH2 、H2 Oと不活性ガスとH2 とし、かつH2 O分圧が10-4〜6×10-1とする。
均熱温度が700℃未満の場合は適性なSiO2 が形成されないため、均熱温度は700℃以上とする。均熱時間が20秒を超える場合やH2 O分圧が6×10-1を超えると、SiO2 量が十分確保されるが、一次地被膜と地鉄の界面構造が複雑となりすぎ、一次被膜が深くなり高磁場鉄損が劣化する。一方で、均熱時間が1秒未満のときや、H2 O分圧が10-4未満の場合は、適性なSiO2 量が確保できないために被膜密着性を劣化させる。また、この雰囲気は昇温とそれに引き続く均熱において上記範囲内であれば、変えても構わない。
上記均熱後に引き続く脱炭焼鈍の雰囲気は通常と同様である。すなわちH2 とH2 OもしくはH2 とH2 Oと不活性ガスの混合雰囲気とし、P H2 O /P H2 を0.15から0.65の範囲とする。尚、脱炭焼鈍後の残留炭素量は、通常の場合と同様に50ppm以下とする必要がある。AlNのみをインヒビターとして用いる場合には、脱炭焼鈍後にアンモニア含有雰囲気中で焼鈍することにより鋼板を窒化し、この段階でインヒビター形成を行ってもよい。
多くの場合、最終仕上焼鈍後、一次被膜の上にさらに絶縁被膜を施す。特に燐酸塩とコロイダルシリカを主体とするコーティング液を焼き付けることによって得られる絶縁被膜は、鋼板に対する付与張力が大きく、更なる鉄損改善に有効である。
さらに、上記一方向性電磁鋼板に、レーザー照射、プラズマ照射、歯型ロールやエッチングによる溝加工等のいわゆる磁区細分化処理を施すことが望ましい。
さらに、得られたストリップをP H2 O :1×10-1のH2 −N2 雰囲気中で表2に示す昇温速度で720℃まで誘導加熱法により昇温してから720℃で5秒間の均熱処理を実施した後、840℃の均一温度、湿潤水素中で脱炭焼鈍し、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布した後、1200℃に20時間、水素ガス雰囲気中で高温焼鈍を行った。
SIMS測定は、CAMECA社製imsを用いた。測定は、加速電圧8kVで照射電流110nAの16O2 + 一次イオンビームを125μm四方の領域に照射し、質量分解能が約2000となる条件で行った。
得られた諸特性を表2に示した。本発明条件を満足するコイルは、被膜特性と磁気特性に優れた方向性電磁鋼板となっている。
さらに、得られたストリップをP H2 O :5×10-1のH2 −N2 雰囲気中で850℃まで300℃/sの通電加熱法により昇温したのち800℃で表4に示す時間の均熱処理を実施したのち急冷した。この後、820℃の均一温度、湿潤水素中で脱炭焼鈍し、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布してから、700℃×20hのMgO中水分除去処理を行った後、1200℃に20時間、水素ガス雰囲気中で高温焼鈍を行った。
クサビ率の評価及びSIMS測定は実施例1と同様に実施した。
得られた諸特性を表4に示した。本発明条件を満足するコイルは、被膜特性と磁気特性に優れた方向性電磁鋼板となっている。
さらに、得られたストリップをH2 −N2 雰囲気中で850℃まで400℃/sの昇温速度で加熱した後、800℃で5秒間の均熱処理を実施する際の雰囲気中のをP H2 O を表6の水準で実験した。
この後、830℃の均一温度、湿潤水素中で脱炭焼鈍し、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布した後、700℃×48hのMgO中水分除去処理をH2 :80%の還元雰囲気で行った後、1200℃に20時間、水素ガス雰囲気中で高温焼鈍を行った。
クサビ率の評価及びSIMS測定は実施例1と同様に実施した。
得られた諸特性を表6に示す。本発明条件を満足するコイルは、被膜特性と磁気特性に優れた方向性電磁鋼板となっている。
更に、得られたストリップをP H2 O :4×10-1のH2 −N2 雰囲気中で表8に示す昇温速度で710℃まで誘導加熱法により昇温してから、720℃で10秒間の均熱処理を実施した後、850℃の均一温度、湿潤水素中で脱炭焼鈍し、MgOを主成分とした焼鈍分離剤を塗布した後、1200℃に20時間、水素ガス雰囲気中で高温焼鈍を行った。
クサビ率の評価及びSIMS測定は実施例1と同様に実施した。
得られた諸特性を表8に示す。本発明条件を満足するコイルは、被膜特性と磁気特性に優れた方向性電磁鋼板となっている。
Claims (5)
- 質量%で、Si:2〜7%を必須成分として含有し、一次被膜及び地鉄を含む鋼板表面の断面を観察した際に、表面から10μm深さの範囲内に円相当径で0.1μm以上のMgを含有する内部酸化物が存在し、かつクサビ率が10%以上であり、かつ地鉄と一次被膜界面にBiが質量で0.01ppm以上1000ppm未満存在することにより、W17/50 (1.7T、50Hzの励磁条件下でのエネルギー損失)に対するW19/50 (1.9T、50Hzの励磁条件下でのエネルギー損失)比率:W19/50 /W17/50 <1.8で、かつ30mm径の曲率曲げに際し被膜剥離の生じる割合(%)が25%未満であることを特徴とする高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
ここでクサビ率とは、ある観察断面における内部酸化物およびその左右(表面と平行な方向)5μmの範囲の長さをlとした場合に、この観察断面内のlの総和Σl(重なりは除く)の総観察断面長Lに対する比率(Σl/L)をいう。
また、地鉄と一次被膜界面のBi濃度とは、二次イオン質量分析法による測定においてバルクのFeの二次イオン強度が50%となるスパッタ時間でのBi+ 二次イオン強度を濃度に換算した値をいう。 - クサビ率が30%以上であり、かつ地鉄と一次被膜界面にBiが質量で0.1ppm以上1000ppm未満存在することを特徴とする請求項1記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
- 磁束密度B8 が1.94T以上の極めて高い値を有する請求項1または2記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
- 磁区制御後にW19/50 /W17/50 <1.6となる極めて高磁場での劣化率の少ないことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
- 磁区制御後にW19/50 ≦1.2W/kgとなる極めて高磁場での鉄損に優れる請求項1乃至4のいずれか1項に記載の高磁場鉄損と被膜特性に優れる超高磁束密度一方向性電磁鋼板。
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