JP2013122081A - 極薄電磁鋼板 - Google Patents

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Abstract

【課題】板厚が0.10mm以下の電磁鋼板に浸珪処理を施して鋼中Si量を増加させた場合であっても、磁気特性の劣化がなく、また占積率の劣化も回避した鉄損特性に優れた極薄電磁鋼板を提案する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：0.007％以下、Si：４〜10％およびMn：0.005〜1.0％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成にすると共に、板厚を0.01mm以上0.10mm以下とし、かつ断面粗度Paを1.0μm 以下とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、リアクトル等に使用して好適な極薄電磁鋼板に関するものである。
一般的に、電磁鋼板の鉄損は、励磁周波数が高くなると急激に上昇することが知られている。ところが、トランスやリアクトルの駆動周波数は、鉄心の小型化や高効率化のために、高周波化しているのが実状である。
このために、電磁鋼板の鉄損増大による発熱が問題となる場合が増加してきた。
電磁鋼板の鉄損を低減するには、Siの含有量を増加させて固有抵抗を高める方法が有効であることが知られている。しかしながら、鋼板中のSi量が3.5質量％を超えると、加工性が著しく劣化することから、従来の電磁鋼板の製造方法である圧延を利用した方法では製造が困難であった。
このため、高Si鋼板を得るために種々の方法が開発された。
例えば、特許文献１には、1023〜1200℃の高温でSiCl4を含む雰囲気ガスを鋼板に吹き付けることによって、Si含有量の高い電磁鋼板を得る方法が開示されている。
また、特許文献２には、Si含有量が4.5〜７質量％の加工性の悪い高Si鋼板を熱間圧延により製造する方法が開示されている。
ここで、鉄損を低減するためには、板厚を低減することが有効である。上述した方法のうち、熱間圧延を利用する方法は板厚低減に限界があるため、SiCl4を利用した方法が工業化されており、これは浸珪処理と呼ばれている。
特公平5-49745号公報 特公平6-57853号公報
しかしながら、板厚の薄い鋼板を浸珪処理によって鋼中のSi量を増加させた場合には、磁気特性が劣化する場合があることが明らかとなった。
さらに、鋼板は積層して使用されることが大半であるが、その場合に占積率が大幅に低下する場合があることも明らかとなった。
本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、板厚が0.10mm（100μm）以下の電磁鋼板に浸珪処理を施して鋼中Si量を増加させた場合であっても、磁気特性の劣化がなく、また占積率の低下も回避した鉄損特性に優れた極薄電磁鋼板を提案することを目的とする。
以下、本発明を成功に至らしめた実験について説明する。
＜実験1＞
質量％で、Ｃ：0.0045％、Si：3.40％およびMn：0.10％を含有する鋼スラブに、熱間圧延を施して板厚：2.0mmの熱延板とした。ついで、酸洗によりスケールを除去したのち、冷間圧延により板厚：0.05mmの最終板厚に仕上げた。その後、1000℃から1200℃までの種々の温度および100秒から1400秒まで種々の時間、（10％SiCl4＋90％N2）雰囲気中にて浸珪処理を行なった。上記の浸珪処理はどの条件でもSi量が板厚方向に均一に6.5質量％となるように事前に計算により検討して実施した。従って、得られたサンプルは全てSi量がほぼ6.5質量％と一定であった。
これらサンプルの磁気特性をJIS C 2550に記載の方法で測定した。
図１に、浸珪時間と鉄損Ｗ5/1k（磁束密度：0.5Ｔ、周波数：1000Hzの時の鉄損）との関係を示す。
この結果から、浸珪時間を一定時間以上長くすることによって鉄損は低減することが分かる。
また、鋼板の占積率をJIS C 2550に記載の方法で測定した。
その結果、処理時間（浸珪時間）が長いほど占積率が高くなり、良好となることが明らかとなった。
占積率は、鋼板の表面粗度が大きく影響を与えることから、それぞれのサンプルの表面粗度について調査した。表面粗度はJIS B 0633 '01に規定の方法で測定した。測定装置の触針先端半径は２μmとした。得られた結果を鉄損特性との関係で図２に示す。
同図に示したとおり、断面粗度Paが小さいほど鉄損が低く、良好であることが分かる。
ここに、断面粗度Paとは、JIS B 0601 '01に規定される輪郭曲線（断面曲線）の算術平均高さを意味する。
表面粗度の増加に伴って鉄損が劣化する理由は、一般的には表面の凹凸が磁壁の移動を妨げるためだと考えられている。そこで、表層だけの影響かどうかを調査するために、レーザー方式の形状測定機により鋼板断面の形状を詳細に調査した。
その結果、表面の凹凸は裏面の凹凸とほぼ一致していることが明らかとなった。すなわち、表面粗度が大きいサンプルは、表面だけに凹凸があるのではなく、板が細かく波打っていると言える。これは、浸珪処理されかつ板厚が薄い鋼板に特有の現象であると考えられる。
本実験で得られたサンプルの表面粗度を調査した結果の一部を図３(a)〜(d)に示す。なお、図３には、表面粗度を、断面粗度Paと算術平均粗さRaとでそれぞれ測定し、これらの値と鉄損Ｗ5/1kの値も併せて示している。
断面粗度Paと鉄損Ｗ5/1kとの関係に注目すると、図３の場合も、図２の場合と同様、PaとＷ5/1kとの間には良い相関があり、Paが小さくなるに従ってＷ5/1kは低くなっている。これに対し、算術平均粗さRaと鉄損Ｗ5/1kとの関係は、図３の(a)，(c)を比較すれば明らかなように、図３(c)のRa：0.61μmに対し、図３(a)のRaは0.58μmと小さいにもかかわらず、図３(a)のＷ5/1kは7.8W/kgと、図３(c)のＷ5/1k：5.3W/kgに比べて高い値となっている。
従って、板厚が薄い鋼板でうねりが認められるような場合、表面性状を標記するパラメータとしては、一般的な算術平均粗さRaではなく断面曲線を考慮した断面粗度Paが適切であると考えられる。
図１に示したとおり、浸珪時間を長くすると、断面粗度Paが小さくなる、すなわちうねりが小さくなる理由は、必ずしも明らかではないが、発明者らは次のように考えている。
四塩化珪素を用いた浸珪処理においては、次の反応が起こると考えられる。
SiCl4 ＋ 5Fe → Fe3Si ＋ 2FeCl2
すなわち、Feの一部はSiに置換され、塩化物の気体となって系外に排出される。このとき、体積の小さいSiの置換により反応が進行している鋼板表面では、体積収縮が起こると考えられる。この体積収縮の全体量は、最終的な浸珪量が同じであれば同じであるが、単位時間当たりの変化は焼鈍が短時間であるほど大きくなる。この単位時間当たりの変化が急激であると、板のうねりが発生する要因になるものと考えられる。
ただし、本発明において重要なのは、鋼板のうねりが磁性を劣化させる原因であることであり、焼鈍時間の長短ではない。すなわち、焼鈍時間が短くとも鋼板のうねりがなければ磁性は劣化しないと考えられる。
ここに、うねりをなくして断面粗度Paを小さくする手法としては、浸珪処理時に鋼板をたわまずに通板させるために付与しているライン張力を低減する方法や、浸珪処理を間欠的に実施する方法、および浸珪処理時にサポートロールに鋼板を沿わせるなどの方法が考えられる。
ところで、電磁鋼板を工業的に生産する場合、本実験で行なったような焼鈍時間を長くすることは生産性を阻害するために好ましくない。
そこで、上述の手法のうち、ライン張力を低減する方法を適用したところ、算術平均粗さRaは低減する傾向が認められたが、断面粗度Paは必ずしも低減するわけではないことが新たに明らかとなった。おそらく、ライン張力低減により、板幅方向の引張力も低減したためうねりを改善することができなかったものと推測される。
なお、後述する実施例に示しているが、実用上、焼鈍時間を長く採ることが難しい場合には、ライン張力の低減を含めて、浸珪処理のための雰囲気を鋼板に間欠的に適用するなど、複数の手段を採用することが望ましい。
また、電磁鋼板を工業的に製造する場合には、浸珪処理時に付与されるライン張力の影響で、鋼板のうねりは圧延方向に平行に発生することがほとんどである。よって、断面粗度Paを線状に測定する際は、圧延方向と直角方向に測定する必要がある。本明細書での当該測定は、圧延方向と直角方向に測定したものである。
上述したように、本発明者らは、板厚が薄い電磁鋼板に、SiCl4を用いた浸珪処理により鋼中のSi量を増大させる際に懸念された磁気特性の劣化および占積率の低下の原因をつきとめ、それを断面粗度Paに置き換えて規制することによって、この問題を回避することに成功した。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ：0.007％以下、
Si：４〜10％および
Mn：0.005〜1.0％
を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる電磁鋼板であって、
板厚が0.01mm以上0.10mm以下で、かつ
断面粗度Paが1.0μm 以下
を満足することを特徴とする極薄電磁鋼板。
２．質量％で、さらに、Ni：0.010〜1.50％、Cr：0.01〜0.50％、Cu：0.01〜0.50％、Ｐ：0.005〜0.50％、Sn：0.005〜0.50％、Sb：0.005〜0.50％、Bi：0.005〜0.50％，Mo：0.005〜0.100％およびAl：0.02〜6.0％のうちから選んだ少なくとも一種を含有することを特徴とする前記１に記載の極薄電磁鋼板。
本発明によれば、従来、板厚が薄い電磁鋼板に、SiCl4を用いた浸珪処理により鋼中のSi量を増大させる際に懸念された磁気特性の劣化および占積率の低下を有利に回避して、磁気特性に優れた極薄電磁鋼板を安定して得ることができる。
浸珪処理時間と鉄損Ｗ5/1kとの関係を示した図である。 鋼板の断面粗度Paと鉄損Ｗ5/1kとの関係を示した図である。 粗度測定で得られた断面曲線を、断面粗度Pa、算術平均粗さRaおよび鉄損Ｗ5/1kと共に示した図である。 連続ラインにおいて間欠的または連続的に浸珪処理を行なう場合における吹き付けノズルと遮蔽板の配置状態を示した図である。
以下、本発明を具体的に説明する。
まず、本発明において、鋼板の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、以下の成分組成を表す％は、特に断らない限り質量％を意味するものとする。
Ｃ：0.007％以下
Ｃは、磁気時効による磁気特性の劣化を招くので極力低減することが望ましい。しかしながら、Ｃを完全に除去することは難しく、これを達成するには多大の製造コストを必要とする。このため、Ｃ量は0.007％以下とした。なお、この範囲であれば残存していても磁気特性上問題はない。
Si：４〜10％
最終製品板において、Siは鋼の比抵抗を高め、鉄損を改善するために必要な元素である。浸珪処理を前提とした本発明においては、Si量は４％以上が必要である。一方、10％を超えると飽和磁束密度が顕著に低下することから、Si量は４〜10％の範囲に限定した。
Mn：0.005〜1.0％
Mnは、熱間圧延時における加工性の改善成分として有効に寄与する。しかしながら、含有量が0.005％に満たないと加工性の改善効果が小さく、一方1.0％を超えると飽和磁束密度が低下して磁気特性が劣化するので、Mn量は0.005〜1.0％の範囲に限定した。
以上、基本成分について説明したが、本発明では、その他にも、Ni：0.010〜1.50％、Cr：0.01〜0.50％、Cu：0.01〜0.50％、Ｐ：0.005〜0.50％、Sn：0.005〜0.50％、Sb：0.005〜0.50％、Bi：0.005〜0.50％，Mo：0.005〜0.100％およびAl：0.02〜6.0％のうちから選んだ少なくとも一種を必要に応じて適宜含有させることができる。
すなわち、磁気特性を向上させるためにNiを添加することができる。しかしながら、含有量が0.010％未満では磁気特性の向上量が小さく、一方1.50％を超えると飽和磁束密度が低下して磁気特性が劣化するので、Ni量は0.010〜1.50％とする。
また、鉄損を低減させる目的で、Cr：0.01〜0.50％、Cu：0.01〜0.50％、Ｐ：0.005〜0.50％およびAl：0.02〜6.0％を単独または複合して含有させることができる。
さらに、磁束密度を向上させる目的で、Sn：0.005〜0.50％、Sb：0.005〜0.50％、Bi：0.005〜0.50％およびMo：0.005〜0.100％を単独または複合して含有させることができる。それぞれの添加量が下限量より少ない場合には磁気特性の向上効果がなく、一方上限量を超えると飽和磁束密度が低下して磁気特性が劣化する。
次に、本発明において、電磁鋼板の板厚および断面粗度Paを限定した理由について説明する。
板厚：0.01mm以上0.10mm以下
本発明で問題とする、鋼板の表面粗度に起因した磁気特性の劣化は、板厚が薄い場合に顕著に発生することから、本発明では、対象とする電磁鋼板の板厚は0.10mm以下に限定した。しかしながら、板厚が0.01mmを下回ると、浸珪処理設備を通板させることが困難となることから、板厚は0.01mm以上とする。
断面粗度Pa：1.0μm 以下
前述したとおり、本発明で対象とする極薄電磁鋼板の磁気特性は断面粗度Paと強い相関があり、Paを1.0μm 以下に低減することによって、優れた磁気特性が得られるようになる。従って、鋼板の表面粗度は、断面粗度Paで1.0μm以下に限定した。好ましくは0.4μm以下、より好ましくは0.3μm以下である。
次に、本発明鋼板の好適製造方法について述べる。
本発明では、一般的な電磁鋼板の製造方法を利用することができる。
すなわち、所定の成分調整がなされた溶鋼を用いて製造したスラブを、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍を施したのち、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して最終板厚とし、ついで得られた冷延鋼板に必要に応じて焼鈍を施した後、浸珪処理を施し、その後コーティングを付与する方法である。
本発明では、上記の工程中、SiCl4を用いた浸珪処理が必須である。また、冷間圧延後、さらに一次再結晶焼鈍、二次再結晶焼鈍を施し、表面の硬質被膜を除去した鋼板に対して浸珪処理を施すことは、高磁束密度特性が得られることから特に望ましい。この場合、硬質被膜を除去した後に再度圧延して所定の板厚とした後に浸珪処理を施しても、高磁束密度は保たれる。
以下、製造工程を具体的に説明する。
上記成分を有する溶鋼は、通常の造塊法や連続鋳造法でスラブとすることができる。また、100mm以下の厚さの薄鋳片を直接鋳造法で製造してもよい。スラブは、通常の方法で加熱して熱間圧延するが、鋳造後加熱せずに直ちに熱間圧延に供してもよい。薄鋳片の場合には、熱間圧延してもよいし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進めてもよい。熱間圧延前のスラブ加熱温度は、1250℃以下の低温とすることがコストの面で望ましいが、二次再結晶を利用する場合は1400℃程度まで加熱することが好ましい。
ついで、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。良好な磁性を得るためには、熱延板焼鈍温度は800℃以上1150℃以下が好適である。熱延板焼鈍温度が800℃に満たないと熱延でのバンド組織が残留し、整粒の一次再結晶組織を実現することが困難になり、磁気特性が劣化する。一方、熱延板焼鈍温度が1150℃を超えると、熱延板焼鈍後の粒径が粗大化しすぎるため、整粒の一次再結晶組織を実現する上で極めて不利となる。
上記の熱延板焼鈍後、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施し、ついで必要に応じて焼鈍を施した後、浸珪処理を行う。冷間圧延の温度を100〜300℃に上昇させて行うこと、および冷間圧延途中で100〜300℃の範囲での時効処理を１回または複数回行うことは、磁気特性を向上させる上で有効である。
浸珪処理は、1200℃程度の高温で行うことが望ましいが、前述したとおり、鋼板のうねりが生じる場合には温度を低下させても差し支えない。また、うねりを低減し、断面粗度Paを下げる手段としては、焼鈍時間を長くすることの他、間欠的な浸珪処理や、サポートロールの適用、ライン張力の低減等が挙げられるが、これらの手段に関しては本発明では限定されるものではない。
ただし、本発明で行なった実験においては、Paを下げるのは容易ではないことが明確になったことから、少なくとも雰囲気を制御して間欠的に浸珪処理を行ないつつ、ライン張力を低減することが必要と考えられる。
なお、間欠的に浸珪処理を行なうとは、浸珪処理中に、浸珪が行なわれる雰囲気と浸珪が行なわれない雰囲気とを交互に繰り返すことをいう。具体的には、連続ラインでの浸珪であれば、図４(a)に示すように、浸珪の原料ガスを吹き付けるノズル１を、鋼板２の通板方向に複数個設けると共に、これらのノズル間に、ノズル１による原料ガスを遮蔽する一対の遮蔽板３を設けることにより、これらの遮蔽板対の間では浸珪が行なわれないようにする方法が挙げられる。
また、浸珪処理の時間を短時間化すると板厚表層と中心層でSi量が異なる鋼板が得られ、高周波励磁における磁気特性が良好になるため望ましい。この場合も、成分組成は全板厚の平均で考慮する。浸珪処理後には、鋼板の絶縁性を確保するため絶縁コーティングを付与することが、積層して使用する場合には有効である。
Ｃ：0.0031％、Si:3.05％およびMn:0.15％を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1150℃でスラブ加熱後、熱間圧延により2.0mm厚の熱延板とした。ついで、1000℃で30秒の熱延板焼鈍後、冷間圧延により0.075mmの板厚に仕上げたのち、（10％SiCl4＋90％Ar）雰囲気中にて、1100℃で600秒の浸珪処理を施した。その際、焼鈍炉内においては、図４(a)に示したように、鋼板２の両面近傍に原料ガスを噴射するノズル１を複数配置すると共に、ノズル間には原料ガスを遮蔽する一対の遮蔽板３を設け、噴射ノズル１の近傍では原料ガスにより浸珪処理ができる一方、遮蔽板３の間では浸珪されないような、間欠的な浸珪処理が行なえるようにした。なお、一部のサンプルについては、図4（ｂ）に示すように、遮蔽板を設けず、複数配置したノズル1により連続的な浸珪処理を行なった。また、これらの浸珪処理の際に、通板時のライン張力を表１に示すように種々変更した。
得られたサンプルのSi量は5.54％であり、板厚方向にほぼ均一に分布していた。
また、サンプルの磁気特性および占積率をJIS C 2550に記載の方法で測定すると共に、断面粗度PaをJIS B 0633 '01の規定に準拠して測定した。
得られた結果を表１に併記する。
Figure 2013122081
同表から明らかなように、ライン張力を低減し、かつ間欠的な浸珪処理を行なって断面粗度Paを本発明の適正範囲内に調整した場合には、磁気特性が良好であり、かつ占積率が高いことが分かる。
表２に示す種々の成分組成になる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1200℃でスラブ加熱後、熱間圧延により2.7mmの熱延板とした。ついで、900℃で30秒の熱延板焼鈍後、冷間圧延により0.050mmの板厚に仕上げたのち、（15％SiCl4＋85％N2）雰囲気中にて、1200℃で100秒の浸珪処理を施した。その際、焼鈍炉内においては、図４(a)に示したように、鋼板２の両面近傍に原料ガスを噴射するノズル１を複数配置すると共に、ノズル間には原料ガスを遮蔽する一対の遮蔽板３を設け、噴射ノズル１の近傍では原料ガスにより浸珪処理ができる一方、遮蔽板３の間では浸珪されないような、間欠的な浸珪処理が行なえるようにした。また、この際の通板時におけるライン張力は1.0MPaとし、両方の対策をもって鋼板のうねりを減少させる条件とした。
得られたサンプルの断面粗度PaをJIS B 0633 '01の規定に準拠して測定した結果、0.25〜0.36μmと本発明の適正範囲を満足していた。また、サンプルの磁気特性をJIS C 2550に記載の方法で測定すると共に、最終的な鋼中成分を分析した。
得られた結果を表２に併記する。
Figure 2013122081
同表から明らかなように、本発明の成分範囲を満足する発明例はいずれも、優れた磁気特性が得られることが分かる。
本発明の板厚が薄く高いSi含有量を有する電磁鋼板は、特に高周波鉄損に優れる。このため、小型の変圧器、モーター、リアクトル等の鉄心材料に供して好適である。
１ ノズル
２ 鋼板
３ 遮蔽板

Claims (2)

  1. 質量％で、
    Ｃ：0.007％以下、
    Si：４〜10％および
    Mn：0.005〜1.0％
    を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物の組成からなる電磁鋼板であって、
    板厚が0.01mm以上0.10mm以下で、かつ
    断面粗度Paが1.0μm 以下
    を満足することを特徴とする極薄電磁鋼板。
  2. 質量％で、さらに、Ni：0.010〜1.50％、Cr：0.01〜0.50％、Cu：0.01〜0.50％、Ｐ：0.005〜0.50％、Sn：0.005〜0.50％、Sb：0.005〜0.50％、Bi：0.005〜0.50％，Mo：0.005〜0.100％およびAl：0.02〜6.0％のうちから選んだ少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項１に記載の極薄電磁鋼板。
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