JP2009197299A

JP2009197299A - 高珪素鋼板の製造方法

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Publication number: JP2009197299A
Application number: JP2008042489A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takashima; 高島　　稔; Tatsuhiko Hiratani; 多津彦平谷
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP5206017B2

Abstract

【課題】著しいコスト高を招くことなく、高周波数で低鉄損の高珪素鋼板を製造できる方法を提供する。
【解決手段】質量%で、Si:2.0〜5.0%、Mn:2.5%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分を有し、かつFeの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板に、圧下率50〜90%の冷間圧延を施して板厚0.03〜0.20mmの冷間圧延板とした後、該冷間圧延板に、1050〜1300℃の温度で連続浸珪処理を施す高珪素鋼板の製造方法において、該連続浸珪処理における被処理鋼板の張力を0.9〜1.5MPaとすることを特徴とする高珪素鋼板の製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、連続浸珪処理により高周波鉄損の低い高珪素鋼板を製造する方法に関する。

変圧器、モータ、リアクトルなどの鉄心として使用される軟磁性材料には、高い磁束密度、低い鉄損が要求され、このような軟磁性材料としては珪素鋼板が用いられている。特に優れた磁気特性を有する方向性珪素鋼板は、Siを3質量%程度含有させ、二次再結晶により{110}<001>方位いわゆるゴス方位への集積度の高い集合組織を形成させる方法により製造されている。

近年、エネルギー損失を一層低下させる目的で、鉄損、特に高周波鉄損がより低い材料が要求されているが、こうした要求に応えるべく特許文献1には、4.0質量%以下のSiを含有する方向性珪素鋼板にSiCl₄ガスを利用した連続浸珪処理を施し、Si量を4.0〜7.0質量%とした方向性珪素鋼板の製造方法が提案されている。また、特許文献2には、磁束密度B8の高い方向性電磁鋼帯(珪素鋼帯)を冷間圧延して板厚150μm以下とし、一次再結晶焼鈍を施した後、SiCl₄ガスを利用した連続浸珪処理を施し、次いで非酸化性雰囲気下でSiを鋼中に拡散させて、{110}<001>方位への集積度が高く、高周波鉄損の低い極薄厚の電磁鋼帯の製造方法が開示されている。
特開昭63‐26329号公報特開平4‐63230号公報特開平10-219419号公報特開2000-204477号公報特開平8-188831号公報

しかしながら、特許文献1に記載の方法で得られた高珪素鋼板では、50〜60Hzの商用周波数での鉄損の改善は認められるものの、400Hz以上の高周波数での鉄損は十分に低くない。また、特許文献2に記載の方法では、連続浸珪処理に加え、さらにSi濃度を板厚方向に均一化する目的で1000℃×5時間の長時間拡散処理が必要であり、著しいコスト増を招くことになり、工業的に生産することが困難である。

本発明は、著しいコスト高を招くことなく、高周波数で低鉄損の高珪素鋼板を製造できる方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、著しいコスト高を招かないために連続浸珪処理のみを用いて、高周波数で低鉄損の高珪素鋼板の製造方法について種々検討した結果、以下のことを見出した。
(1)質量%で、Si:2.0〜5.0%を含有する{110}<001>方位に集積した方向性珪素鋼板を冷間圧延板とした後、連続浸珪処理を施す際に、被処理鋼板の張力を0.9〜1.5MPaとすることが高周波鉄損の低減に効果的である。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、質量%で、Si:2.0〜5.0%、Mn:2.5%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分を有し、かつFeの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板に、圧下率50〜90%の冷間圧延を施して板厚0.03〜0.20mmの冷間圧延板とした後、該冷間圧延板に、1050〜1300℃の温度で連続浸珪処理を施す高珪素鋼板の製造方法において、該連続浸珪処理における被処理鋼板の張力を0.9〜1.5MPaとすることを特徴とする高珪素鋼板の製造方法を提供する。

本発明の高珪素鋼板の製造方法では、冷間圧延前の鋼板に、さらに、質量%で、C:0.003〜0.02%が含有されることが好ましい。

また、さらに、Sb:0.005〜0.5%、Sn:0.005〜0.5%、Bi:0.001〜0.05%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素や、Cr:0.01〜0.8%、Ni:0.01〜1.0%、Cu:0.01〜0.5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることが好ましい。

本発明により、著しいコスト高を招くことなく、高周波数で低鉄損の高珪素鋼板を製造できるようになった。

以下に、本発明の詳細を説明する。(なお、成分に関する「%」表示は、特に断らない限り質量%を意味するものとする。)
1)素材
本発明の高珪素鋼板の製造方法では、連続浸珪処理前の素材として、Si:2.0〜5.0%、Mn:2.5%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分を有し、かつ{110}<001>方位に集積した方向性珪素鋼板、具体的にはFeの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板を用いる。

1-1)成分
Siは、磁気特性を改善するのに有効な元素であるが、その量が5.0%を超えると冷間圧延が困難になる。一方、その量が2.0%未満では浸珪処理においてオーステナイト相が生成し、Siの拡散速度が遅くなり、高周波数で十分な低鉄損を得ることができない。したがって、Si量は2.0〜5.0%とする。

Mnも、磁気特性を改善するのに有効な元素であるが、その量が2.5%を超えると飽和磁束密度が大きく低下し、鉄損が増大する。したがって、Mn量は2.5%以下とする。

残部はFeおよび不可避的不純物であるが、以下の理由により、さらに、C:0.003〜0.02%、Sb:0.005〜0.5%、Sn:0.005〜0.5%、Bi:0.001〜0.05%、Cr:0.01〜0.8%、Ni:0.01〜1.0%、Cu:0.01〜0.5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有させることが好ましい。

C量が0.003%未満であると連続浸珪処理時に粒界が酸化されやすく、脆くなり、加工性が劣化する。一方、その量が0.02%を超えると微細な炭化物が析出し、高周波鉄損を増大させる。そのため、C量は0.003〜0.02%とする。

Sb量が0.005%以上、Sn量が0.005%以上、Bi量が0.001%以上であると、浸珪処理あるいは需要家での歪取焼鈍時に発生する窒化による高周波鉄損の増大を抑制する効果がある。一方、Sb量が0.5%を超える、Sn量が0.5%を超える、Bi量が0.05%を超えると脆化し、冷間圧延が困難となる。そのため、Sb量は0.005〜0.5%、Sn量は0.005〜0.5%、Bi量は0.001〜0.05%とする。

Cr量が0.01%以上、Ni量が0.01%以上、Cu量が0.01%以上であると比抵抗を高め、高周波鉄損を低減させる効果がある。一方、Cr量が0.8%を超える、Cu量が0.5%を超えると飽和磁束密度が低下する。また、Ni量が1.0%を超えると硬化が著しくなり、冷間圧延が困難となる。そのため、Cr量は0.01〜0.8%、Ni量は0.01〜1.0%、Cu量は0.01〜0.5%とする。

1-2){110}<001>方位の集積度
連続浸珪処理後にも優れた軟磁気性特性が得られるように、素材としては方向性珪素鋼板を用いる必要がある。特に、Feの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板を用いることにより、後述する本発明の連続浸珪処理の条件で十分に低い高周波鉄損を実現できる。なお、α角の平均値＜α＞は30mm×300mmに切り出した試料について、Ｘ線回折によるラウエ法により5mmピッチで格子状に結晶方位を測定し、個々の測定点におけるα角を算出し、それを算術平均して求めた。

このような素材としての鋼板は、公知の方向性珪素鋼板の製造方法、例えば、上記のような組成の熱延鋼板を、冷間圧延後、脱炭焼鈍し、加熱速度を例えば10℃/hr以下に制御して高温でバッチ焼鈍して二次再結晶を起こさせる方法により製造できる。このとき、二次再結晶の駆動力としては、インヒビターや粒界エネルギーの差を利用できる。

2)製造条件
素材の鋼板は、圧下率50〜90%で板厚0.03〜0.2mmに冷間圧延された後、連続浸珪処理される。

冷間圧延における圧下率が50%未満あるいは90%を超えると、浸珪処理後の集合組織が劣化し、高周波数で低い鉄損が得られない。冷間圧延後の板厚は、渦電流損と履歴損からなる鉄損のうち渦電流損失を低減するために0.2mm以下に、また、0.03mm未満では渦電流損失低減の効果が飽和するとともにコスト高を招くので0.03mm以上にする必要がある。

連続浸珪処理は、図1に示すような連続浸珪処理設備で行われる。コイル状に巻かれた素材の鋼板1は、ペイオフリール2から払い出され、加熱帯3で1050〜1300℃の温度域まで加熱され、浸珪処理帯4で該温度域でSiCl₄を含む雰囲気中で浸珪処理が施され、次いで、必要に応じて拡散処理帯5で該温度域に保持後、冷却帯6で室温付近まで冷却され、ブライドル7で張力が調整され、テンションリール8でコイル状に巻き取られて、高珪素鋼板9となる。このとき、処理される鋼板の張力は、常に0.9〜1.5MPaに制御される。

上述したように、浸珪処理やSiの拡散処理に長時間を要すると著しいコスト高を招く。そのため、浸珪処理やSiの拡散処理は各々20分以下で行う必要があるが、それには浸珪処理やSiの拡散処理を1050〜1300℃の温度で行う必要がある。これは、1050℃未満では浸珪処理やSiの拡散処理の効果が不十分で、高周波鉄損の低減が十分に図れず、1300℃を超えると鋼板表面が溶融する危険があるためである。

本発明の高珪素鋼板の製造方法において最も重要な点は、連続浸珪処理中、鋼板に付加される張力を0.9〜1.5MPa(0.09〜0.15kg/mm²)とすることである。従来、無方向性電磁鋼板の素材に対する連続浸珪処理における鋼板張力は板の蛇行と破断を抑止する目的から特許文献3の技術では0.08〜0.23kg/mm²、特許文献4の技術では0.05〜0.25kg/mm²に調整する方法が開示されている。一方、方向性電磁鋼板を素材としている本発明では、良好な高周波鉄損を実現するために、これらの技術より狭い範囲へと高精度に張力制御することが必要となるのである。これは、以下の理由による。すなわち、Feの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板を冷間圧延し、加熱すると700℃付近で一次再結晶した後、粒成長するが、このときはまだ磁気特性に好ましい{110}<001>方位の集積度が維持されている。しかし、1050℃以上に加熱すると、磁気特性に好ましくない結晶方位の粒が{110}<001>方位の粒を蚕食して、異常粒成長して粗大化し、高周波鉄損を増大させる。特に、C量が0.003〜0.02％含有される鋼板の場合に顕著である。しかし、連続浸珪処理中に鋼板の張力を従来の0.05〜0.25kg/mm²(0.5〜2.4MPa)から0.9〜1.5MPaに変更するとこうした異常粒成長が抑止され、高周波鉄損の低減が確実に図れるようになる。このように、鋼板に与える張力が異常粒成長を抑止するメカニズムは必ずしも明らかではないが、以下のように考えられる。すわなち、{110}<001>方位に集積した一次再結晶組織の中では、多くの結晶粒界は、{110}<001>方位に近い方位の粒から構成されているため、小角粒界となり、易動度が小さい。一方、{110}<001>方位から大きく離れた方位を有する粒(磁気特性に好ましくない粒)は、一次再結晶組織の中にわずかしか含まれていないが、{110}<001>方位に近い粒に囲まれているため、易動度の大きな高角粒界で囲まれている。そのため、1050℃以上の高温では、{110}<001>方位から大きく離れた方位を有する粒が優先的に成長し、粗大化、すなわち異常粒成長する。このとき、0.9MPa以上の張力が与えられていると鋼板はクリープによりわずかに変形し、粒界内に転位が蓄積され、高角粒界の易動度が小さくなり、異常粒成長が抑止される。しかし、張力が1.5MPaを超えると変形が大きくなり、いわゆる歪誘起粒成長により、再び異常粒成長が助長される。

なお、鋼板の張力は、ブライドルロールにより制御するが、特に高精度な制御が求められるので、特許文献5に記載のピンチ式ブライドル装置を使用することが好ましい。

図1の拡散処理帯5では、浸珪処理後の鋼板の板厚方向にSi濃度を均一にするためSiの拡散処理が施されるが、これは、板厚方向のSi濃度が均一であるほど磁歪が小さくなり、機器に適用したときの騒音をより小さくできるためである。しかし、この拡散処理より高周波鉄損がやや増大するため、必要とされる特性によってその処理の要否は適宜選択すればよい。

本発明の方法では、連続浸珪処理後の鋼板表面に絶縁皮膜を形成することもできる。

Si:3.2％、Mn:0.05％、C:0.0020％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなり、表1に示すFeの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板を、表1に示す圧下率で冷間圧延後、表1に示す張力を付加しながら、図2に示す雰囲気およびヒートパターンで連続浸珪処理を施して高珪素鋼板No.1〜15を製造した。そして、圧延方向にエプスタイン試験片を採取し、周波数10kHz、最大磁束密度0.10Tの条件で鉄損を測定した。

結果を表1に示す。本発明範囲内の圧下率で冷間圧延され、連続浸珪処理時に本発明範囲内である0.9〜1.5MPaの張力が付加されながら処理された高珪素鋼板では低い高周波鉄損が得られていることがわかる。

Si:3.5％、Mn:0.10％、C:0.0010％を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなり、表2に示すFeの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板を、圧下率70%で板厚0.075mmに冷間圧延後、表2に示す張力を付加しながら、また表2に示す処理温度と処理時間で、図3に示す雰囲気およびヒートパターンで連続浸珪処理を施して高珪素鋼板No.1〜12を製造した。ここで、Siの拡散処理を施したのは高珪素鋼板No.9〜12のみである。したがって、高珪素鋼板No.1〜8は拡散処理帯を通過させただけで処理は施されていない。そして、圧延方向にエプスタイン試験片を採取し、周波数10kHz、最大磁束密度0.10Tの条件で鉄損を測定した。また、このエプスタイン試験片を用いて、周波数400Hz、最大磁束密度1.0Tの条件で光学的磁歪測定装置により磁歪を測定した。なお、浸珪処理温度が1320℃の高珪素鋼板No.8では、鋼板表面が溶融したため磁気特性の測定は行わなかった。

結果を表2に示す。連続浸珪処理時に本発明範囲内の処理温度で、本発明範囲内である0.9〜1.5MPaの張力が付加されながら処理された高珪素鋼板では低い高周波鉄損が得られていることがわかる。また、Siの拡散処理を本発明範囲内の処理温度で行えば、磁歪を大幅に低減できることがわかる。

表3に示す成分を含有し、残部Feおよび不可避的不純物よりなり、Feの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板を、圧下率80%で板厚0.050mmに冷間圧延後、表3に示す張力を付加しながら、図1に示す雰囲気およびヒートパターンで連続浸珪処理を施して高珪素鋼板No.1〜28を製造した。そして、圧延方向にエプスタイン試験片を採取し、周波数10kHz、最大磁束密度0.10Tの条件で鉄損を測定した。また、圧延方向に採取した短冊状の試験片を種々の径の棒に巻きつけて、割れが発生しない最小曲げ径を測定し、加工性を評価した。なお、高珪素鋼板No.6は冷間圧延時に割れ、その後の連続浸珪処理を行えなかった。

表3に結果を示す。本発明範囲内の成分と{110}<001>方位の集積度を有し、連続浸珪処理時に本発明範囲内である0.9〜1.5MPaの張力が付加されながら処理された高珪素鋼板では低い高周波鉄損が得られていることがわかる。また、C量が0.0030〜0.020％であれば、最小曲げ径がより小さくなり、良好な加工性を有していることがわかる。

連続浸珪処理設備の一例を模式的に示す図である。連続浸珪処理の雰囲気およびヒートパターンを示す図である。連続浸珪処理の雰囲気およびヒートパターンを示す図である。

符号の説明

1 素材の鋼板
2 ペイオフリール
3 加熱帯
4 浸珪処理帯
5 拡散処理帯
6 冷却帯
7 ブライドル
8 テンションリール
9 高珪素鋼板

Claims

質量%で、Si:2.0〜5.0%、Mn:2.5%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる成分を有し、かつFeの体心立方格子の[100]結晶軸を圧延面に垂直に射影した方向と圧延方向とのなす角のうち最小となるα角の平均値＜α＞が15°以下の方向性珪素鋼板に、圧下率50〜90%の冷間圧延を施して板厚0.03〜0.20mmの冷間圧延板とした後、該冷間圧延板に、1050〜1300℃の温度で連続浸珪処理を施す高珪素鋼板の製造方法において、該連続浸珪処理における被処理鋼板の張力を0.9〜1.5MPaとすることを特徴とする高珪素鋼板の製造方法。
冷間圧延前の鋼板が、さらに、質量%で、C:0.003〜0.02%を含有することを特徴とする請求項1に記載の高珪素鋼板の製造方法。
冷間圧延前の鋼板が、さらに、質量%で、Sb:0.005〜0.5%、Sn:0.005〜0.5%、Bi:0.001〜0.05%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の高珪素鋼板の製造方法。
冷間圧延前の鋼板が、さらに、質量%で、Cr:0.01〜0.8%、Ni:0.01〜1.0%、Cu:0.01〜0.5%のうちから選ばれた少なくとも1種の元素を含有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の高珪素鋼板の製造方法。