JP2012158773A

JP2012158773A - 高珪素鋼板の製造方法

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Publication number: JP2012158773A
Application number: JP2011017009A
Authority: JP
Inventors: Katsuji Kasai; 勝司笠井; Takashi Doi; 崇土居; Hidemasa Umeoka; 秀征梅岡
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: JP5664287B2

Abstract

【課題】浸珪処理法により、磁気時効による鉄損の経時劣化を生じない高珪素鋼板を安定して製造する。
【解決手段】素材鋼板を浸珪処理することにより、板厚方向の平均Ｓｉ濃度が４．０〜７．０mass％であって、板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉ（mass％）が板厚ｔ（ｍｍ）との関係で、２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板を製造する方法において、素材鋼板として、Ｃ濃度［Ｃ］（mass ppm）とＳ濃度［Ｓ］（mass ppm）が、次の（a）〜（c）のいずれかを満足する鋼板を用いる。（a）［Ｓ］≦３０、［Ｃ］≦１１０、（b）３０＜［Ｓ］＜１００、［Ｃ］≦−０．８５７［Ｓ］＋１３５．７１、（c）１００≦［Ｓ］、［Ｃ］≦５０。
【選択図】図２

Description

本発明は、浸珪処理法による高珪素鋼板の製造方法に関する。

トランスやモーター等の鉄心には、鉄損が低く透磁率が高い等の優れた高周波磁気特性を有することから、高珪素鋼板が多用されている。特にＳｉ濃度が６．５mass％では磁歪が０となり、最大透磁率のピークとなる等のより優れた高周波磁気特性を示すことが知られている。従来、このような高珪素鋼板の製造方法として、低珪素鋼を圧延により薄板とした後、鋼板表面からＳｉを浸透拡散させる、いわゆる浸珪処理法が知られている（例えば、特許文献１）。
一般に、鋼板の浸珪処理ではＳｉ供給用の原料ガスとしてＳｉＣｌ_４が使用され、このＳｉＣｌ_４は鋼板と反応（ＳｉＣｌ_４＋５Ｆｅ→Ｆｅ_３Ｓｉ＋２ＦｅＣｌ_２）してＳｉが鋼板表層に浸透する。このようにして鋼板表層に浸透したＳｉは、ＳｉＣｌ_４を含まない無酸化性ガス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。

ＳｉＣｌ_４を原料ガスとして鋼板を連続的に浸珪処理する場合、浸珪処理雰囲気中に含まれる酸素分（水分及び酸素）がＳｉＣｌ_４ガスと反応してシリカが生成され、このシリカが炉内ハースロール等の鋼板に接触する部分に付着し、鋼板に押し疵を発生させるという問題がある。また、浸珪処理により製造される高珪素鋼板は、浸珪処理雰囲気中の水分や酸素によって鋼板表面や粒界が酸化され、この酸化により鋼板の加工性が著しく劣化するという問題もある。
このような浸珪処理雰囲気中に含まれる水分や酸素による問題を回避するため、素材鋼板に予め適量のＣを添加しておき、このＣを雰囲気中の酸素分と反応させること（すなわち、鋼板の脱炭反応を利用すること）により、浸珪反応が起こる鋼板表面付近に存在する水分及び酸素濃度を極限まで下げるという方法が考えられ、この方法を利用した高珪素鋼板の製造方法が特許文献２で提案されている。

特開昭６２−２２７０７８号公報特開平０８−２０９３２５号公報

しかし、特許文献２の方法のように、適量のＣを添加した素材鋼板に浸珪処理を施した場合、鋼板の脱炭反応が予想どおりには進行せず、浸珪処理後の鋼板（製品）にＣが高濃度に残留し、この高濃度のＣが鋼板（製品）の磁気特性に悪影響を及ぼすという問題があることが判った。具体的には、浸珪処理後の鋼板のＣ濃度が高いと磁気時効が発生し、経時的に鉄損が劣化してしまう。特に高珪素鋼板は、高周波用途に使用されるため、経時的な磁気特性の劣化は高周波機器の破損や異常温度上昇などの弊害を発生させ、実用上大きな問題となる。

このような高珪素鋼板の磁気時効の問題は、本質的には、特許文献２の方法を実施するかどうかに関わりなく、浸珪処理後の鋼板（製品）のＣ濃度が或るレベルを超えると生じる恐れがある。
したがって本発明の目的は、浸珪処理法により、磁気時効による鉄損の経時劣化を生じない高珪素鋼板を安定して製造することができる製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するため、浸珪処理における鋼板中のＣと雰囲気中の酸素分との反応（鋼板の脱炭反応）が阻害される要因とその対策について検討を重ねた結果、（i）浸珪処理時に鋼板中のＳ（硫黄）がＣの移動を妨げ、鋼板の脱炭反応を阻害しており（すなわち、鋼板からＣがうまく抜けない）、鋼板中のＳ濃度が高いほど脱炭反応を阻害する度合いが大きくなること、（ii）したがって、素材鋼板のＳ濃度とＣ濃度との関係を最適化することにより、浸珪処理後の鋼板のＣ濃度を問題ないレベルにすることができ、磁気時効による鉄損の経時劣化を生じない高珪素鋼板を安定的に製造できること、を見出した。

本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］素材鋼板を浸珪処理することにより、板厚方向の平均Ｓｉ濃度が４．０〜７．０mass％であって、板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉ（mass％）が板厚ｔ（ｍｍ）との関係で、２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板を製造する方法において、
素材鋼板として、Ｃ濃度［Ｃ］（mass ppm）とＳ濃度［Ｓ］（mass ppm）が下記（a）〜（c）のいずれかを満足する鋼板を用いることを特徴とする高珪素鋼板の製造方法。
（a）［Ｓ］≦３０、［Ｃ］≦１１０
（b）３０＜［Ｓ］＜１００、［Ｃ］≦−０．８５７［Ｓ］＋１３５．７１
（c）１００≦［Ｓ］、［Ｃ］≦５０
［2］上記［1］の製造方法において、浸珪処理後の高珪素鋼板のＣ濃度が５０mass ppm以下であることを特徴とする高珪素鋼板の製造方法。

本発明の製造方法によれば、浸珪処理法により、磁気時効による鉄損の経時劣化を生じない高珪素鋼板を安定して製造することができる。

鋼板の連続浸珪処理ラインを示す説明図実施例１で製造された高珪素鋼板の磁気特性（鉄損の経時劣化の度合い）を、素材鋼板のＣ濃度とＳ濃度との関係で整理して示したグラフ実施例２で製造された高珪素鋼板の磁気特性（鉄損の経時劣化の度合い）を、素材鋼板のＣ濃度とＳ濃度との関係で整理して示したグラフ

本発明は、素材鋼板を浸珪処理することにより、板厚方向の平均Ｓｉ濃度が４．０〜７．０mass％であって、板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉ（mass％）が鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）との関係で、２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板を製造する方法である。
ここで、製造される鋼板の板厚方向の平均Ｓｉ濃度が４．０mass％未満では、高珪素鋼板としての十分な高周波磁気特性が得られず、一方、７．０mass％を超えると、脆化傾向が認められ、加工性が低下し、切板加工等の加工が困難となる場合がある。

鋼板を連続的に浸珪処理して高珪素鋼板を製造するために、通常、図１に示されるような、入側から加熱帯、浸珪処理帯、拡散均熱処理帯および冷却帯を備えた連続浸珪処理ラインが用いられる。
素材鋼板のＳｉ濃度は４mass％未満（通常２．８〜３．８mass％程度）であり、この素材鋼板を加熱帯において処理温度まで連続的に加熱した後、浸珪処理帯でＳｉＣｌ₄と反応させることによりＳｉを鋼板表層部に浸透させ、次いで、拡散均熱処理帯でＳｉを板厚方向に拡散させるための熱処理を連続的に施した後、冷却帯で冷却することでコイル状の高珪素鋼板が製造される。通常、浸珪処理帯では、ＳｉＣｌ_４濃度が約５〜３５ｍｏｌ％程度の処理ガスが供給され、鋼板は概ね露点−３０℃以下、酸素濃度１０ppm以下の雰囲気中で、１０２３〜１２００℃程度の処理温度で浸珪処理される。また、拡散均熱処理帯では、ＳｉＣｌ₄を含まない無酸化性ガス雰囲気中で７００〜１２５０℃程度で熱処理される。浸珪処理直後の鋼板は、鋼板表層部が最大で１４．５mass％のＳｉ濃度であるのに対し、板厚中心部では素材鋼板とほぼ同じＳｉ濃度であるという極端なＳｉ濃度勾配を有しているが、拡散熱処理によりこのＳｉ濃度勾配が徐々に均一な方向に変化する。

上記のように拡散均熱処理帯では、浸珪処理帯での浸珪処理により鋼板表層部に浸透させたＳｉを板厚方向に拡散させるが、この拡散熱処理の時間により、Ｓｉの拡散の度合い、すなわち板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉ（mass％）が違ってくる。拡散熱処理によって鋼板表層部のＳｉを板厚方向で略均一に拡散させるには比較的長い時間を要するが、本発明が製造の対象とする２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板は、拡散熱処理時間を概ね０．１〜５．０分程度と比較的短くし、板厚方向でのＳｉ濃度勾配を大きくした高珪素鋼板である。本発明は、このような２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板に関する知見に基づきなされたものである。

本発明では、素材鋼板として、Ｃ濃度［Ｃ］（mass ppm）とＳ濃度［Ｓ］（mass ppm）が下記（a）〜（c）のいずれかを満足する鋼板を用いる。
（a）［Ｓ］≦３０、［Ｃ］≦１１０
（b）３０＜［Ｓ］＜１００、［Ｃ］≦−０．８５７［Ｓ］＋１３５．７１
（c）１００≦［Ｓ］、［Ｃ］≦５０
鋼板中のＳ（硫黄）は、鋼板の浸珪処理時におけるＣの移動を妨げることで鋼板の脱炭反応を阻害し、鋼板中のＳ濃度が高いほど脱炭反応を阻害する度合いが大きくなる。ここで、本発明が製造の対象とする２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板の場合には、浸珪処理後の鋼板（製品）のＣ濃度が５０mass ppmを超えると、磁気時効による鉄損の劣化が生じる恐れがある。後述する実施例（図２、図３）の結果が示すように、素材鋼板のＣ濃度とＳ濃度を、上記（a）〜（c）のいずれかを満足する関係に最適化することにより、浸珪処理後の鋼板（製品）のＣ濃度が５０mass ppm以下となり、磁気時効による鉄損の劣化を抑えることができる。すなわち、磁気時効による鉄損の経時劣化を生じない高珪素鋼板を製造することができる。
ここで、素材鋼板のＣ濃度が１１０mass ppmを超えると、通常の浸珪処理において、鋼板のＣ濃度を５０mass ppm以下とすることが困難となるので、素材鋼板のＣ濃度は１１０mass ppm以下であることが好ましい。また、上述したように本発明の方法は、素材鋼板中のＣの脱炭反応を利用するものであるため、素材鋼板中のＣ濃度１０mass ppm以上、さらに望ましくは４０mass ppm超であることが好ましい。

素材鋼板の他の成分について、好ましい条件は以下のとおりである。
Ｍｎの含有量が０．０１mass％未満では固溶Ｓによる熱間脆性、冷間脆性の問題を生じるおそれがあり、一方、０．５mass％を超えるとＭｎによる固溶強化により鋼板が硬質化するおそれがあるので、Ｍｎの含有量は０．０１〜０．５mass％が好ましい。
Ａｌの含有量が１．０mass％を超えると冷間圧延性が劣化するおそれがあるので、１．０mass％以下とすることが好ましい。
Ｎは磁気特性を劣化させる元素であるが、０．０１mass％であれば実質的な影響は殆んどないため、０．０１mass％以下とすることが好ましい。
Ｏは加工性と磁気特性を劣化させる元素であるが、０．０１mass％以下であれば実質的な影響は殆んどないため、０．０１mass％以下とすることが好ましい。
通常、素材鋼板は、熱間圧延、酸洗、冷間圧延を経て得られる薄鋼板であり、磁気特性と加工組み立ての観点から、一般に板厚０．０３〜０．５ｍｍ程度のものが用いられる。

本発明の製造方法は、素材鋼板のＣ濃度を浸珪処理後の鋼板（高珪素鋼板）の目標Ｃ濃度よりも高くしておき、浸珪処理雰囲気中に含まれる酸素分によって素材鋼板の脱炭反応を生じさせつつ、素材鋼板の浸珪処理を行う方法に限定されるものではないが、この方法を用いる場合に特に有用である。この方法によれば、浸珪反応が起こる鋼板表面付近に存在する水分及び酸素濃度を極限まで下げることができ、その酸素分（水分及び酸素）がＳｉＣｌ_４ガスと反応してシリカが生成されることを防止し、且つ水分や酸素によって鋼板表面や粒界が酸化されることも防止でき、これによって表面性状と加工性がともに優れた高珪素鋼板を得ることができる。

［実施例１］
図１に示すような連続浸珪処理ラインにおいて、板厚が０．１０ｍｍ、Ｓｉ濃度が３mass％の素材鋼板を連続浸珪処理し、板厚方向の表層Ｓｉ濃度が６．５mass％であって、板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉが０．５mass％（△Ｓｉ／ｔ＝５．０）の高珪素鋼板を製造した。なお、素材鋼板中のＣ濃度（Ｃ含有量）とＳ濃度（Ｓ含有量）は図２に示す値であり、他の成分（Ｍｎ，Ａｌ，Ｎ，Ｏ）の含有量は、さきに述べた好ましい範囲内であった。連続浸珪処理ラインでは、浸珪処理帯において、Ｎ_２＋ＳｉＣｌ_４雰囲気（露点：−３０℃以下、酸素濃度：１０ppm以下）中で１２００℃で浸珪処理を行い、引き続き拡散均熱処理帯において、Ｎ_２雰囲気中で１２３０℃で拡散均熱処理を行った。

製造後の高珪素鋼板を２００℃の雰囲気に１００ｈｒ放置し、その前後の鉄損の増加率を測定することで鉄損の経時変化を調べ、下記の基準で評価した。なお、本実施例での鉄損は、Ｗ10/400（１Ｔ，４００Ｈｚ）の条件とした。この試験結果を、素材鋼板のＣ濃度とＳ濃度との関係で整理したものを図２に示す。
○（良好）：鉄損の経時増加率が８％以下
△（許容）：鉄損の経時増加率が８％超１０％以下
×（不良）：鉄損の経時増加率が１０％超
浸珪処理後の鋼板のＣ濃度は、“○”の結果となったものは全て５０mass ppm以下となっており、また、“△”の結果となったものは全て５０mass
ppm超５５mass ppm以下、“×”の結果となったものは全て５５mass ppm超となっていた。

［実施例２］
図１に示すような連続浸珪処理ラインにおいて、板厚が０．２ｍｍ、Ｓｉ濃度が３mass％の素材鋼板を連続浸珪処理し、板厚方向の表層Ｓｉ濃度が６．５mass％であって、板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉが２．０mass％（△Ｓｉ／ｔ＝４０）の高珪素鋼板を製造した。なお、素材鋼板中のＣ濃度（Ｃ含有量）とＳ濃度（Ｓ含有量）は図３に示す値であり、他の成分（Ｍｎ，Ａｌ，Ｎ，Ｏ）の含有量は、さきに述べた好ましい範囲内であった。連続浸珪処理ラインでは、浸珪処理帯において実施例１と同様のＮ_２＋ＳｉＣｌ_４雰囲気中で１２００℃で浸珪処理を行い、引き続き拡散均熱処理帯において、Ｎ_２雰囲気中で１２００℃で拡散均熱処理を行った。

製造後の高珪素鋼板を２００℃の雰囲気に１００ｈｒ放置し、その前後の鉄損の増加率を測定することで鉄損の経時変化を調べ、下記の基準で評価した。なお、本実施例での鉄損は、Ｗ10/400（１Ｔ，４００Ｈｚ）の条件とした。この試験結果を、素材鋼板のＣ濃度とＳ濃度との関係で整理したものを図３に示す。
○（良好）：鉄損の経時増加率が８％以下
△（許容）：鉄損の経時増加率が８％超１０％以下
×（不良）：鉄損の経時増加率が１０％超
浸珪処理後の鋼板のＣ濃度は、“○”の結果となったものは全て５０mass ppm以下となっており、また、“△”の結果となったものは全て５０mass
ppm超５５mass ppm以下、“×”の結果となったものは全て５５mass ppm超となっていた。

Claims

素材鋼板を浸珪処理することにより、板厚方向の平均Ｓｉ濃度が４．０〜７．０mass％であって、板表層部のＳｉ濃度（mass％）と板厚中心部のＳｉ濃度（mass％）との偏差△Ｓｉ（mass％）が板厚ｔ（ｍｍ）との関係で、２．０≦△Ｓｉ／ｔ≦４０．０を満足する高珪素鋼板を製造する方法において、
素材鋼板として、Ｃ濃度［Ｃ］（mass ppm）とＳ濃度［Ｓ］（mass ppm）が下記（a）〜（c）のいずれかを満足する鋼板を用いることを特徴とする高珪素鋼板の製造方法。
（a）［Ｓ］≦３０、［Ｃ］≦１１０
（b）３０＜［Ｓ］＜１００、［Ｃ］≦−０．８５７［Ｓ］＋１３５．７１
（c）１００≦［Ｓ］、［Ｃ］≦５０
浸珪処理後の高珪素鋼板のＣ濃度が５０mass ppm以下であ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。