JP2020164918A - 方向性電磁鋼板の製造方法および方向性電磁鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】表面状態および磁気特性が良好な方向性電磁鋼板を効率良く製造する。【解決手段】表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、かつ、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ２以下である方向性電磁鋼板を製造する方法であって、二次再結晶後の鋼板を被研磨材とし、上記被研磨材に対して、砥粒を含むｐＨ７超の電解液を供給し、電圧を印加することにより電解研磨を行ないつつ、機械研磨を行なう、方向性電磁鋼板の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、方向性電磁鋼板の製造方法および方向性電磁鋼板に関する。

一般的に、方向性電磁鋼板は、次のように製造する。
まず、４．５質量％以下程度のＳｉと、ＭｎＳ、ＭｎＳｅ、ＡｌＮなどのインヒビター成分とを含有する鋼スラブを加熱して、インヒビター成分を一旦固溶させる。加熱した鋼スラブを熱間圧延して熱延鋼板を得る。熱延鋼板には、必要に応じて熱延板焼鈍を施す。次いで、熱延鋼板に、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、最終板厚の冷延鋼板を得る。得られた冷延鋼板に、湿潤水素雰囲気中で、一次再結晶焼鈍を施して、一次再結晶および脱炭を行なう。その後、一次再結晶焼鈍後の冷延鋼板に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分とする焼鈍分離剤を塗布してから、二次再結晶およびインヒビター成分の純化のために、１２００℃で５時間程度の最終仕上焼鈍を行なう。
このような工程を経て、方向性電磁鋼板は製造される（特許文献１を参照）。

焼鈍分離剤として塗布されるＭｇＯは、鋼板（冷延鋼板）表面のＳｉＯ_２と反応し、鋼板表面に、酸化物層であるフォルステライト被膜を形成する。フォルステライト被膜は、鋼板との界面にアンカーと呼ばれる凹凸を形成し、鋼板との良好な密着性を示す。

特公昭５２−２４４９９号公報

特許文献１には、二次再結晶後の鋼板の表面を、フォルステライト被膜などの酸化物層を除去し、平滑化することが開示されている。表面を平滑化した鋼板に更に張力を付与することにより、良好な磁気特性が得られるとされている。

鋼板の表面を平滑化する手法としては、機械的な研磨（機械研磨）および電気化学的な研磨（電解研磨）が挙げられる。
しかし、機械研磨では、良好な磁気特性が得られない場合がある。これは、機械研磨に用いる研磨用工具から鋼板にかかる応力によって、鋼板の結晶組織が塑性変形するためと考えられる。
これに対して、電解液を用いる電解研磨では、鋼板に応力はかからないが、機械研磨と比較して、十分な研磨速度が得られない。これは、電解液中に溶けだした鉄イオンが鋼板の表面近傍に存在し、鋼板の表面近傍では局所的にＦｅ＋２ｅ⁻→Ｆｅ^２＋の右辺の鉄イオン濃度が高まり、電解が進みにくくなるためと考えられる。研磨速度を高めるためには、高電圧の印加などが必要となる場合がある。

そこで、本発明者らは、二次再結晶後の鋼板を被研磨材として、試験的に、砥粒を含む電解液を用いて、電解研磨と機械研磨とを同時に行なうこと（以下、「複合電解研磨」ともいい、単に「研磨」という場合もある）を試みた。
その結果、砥粒を含む電解液（ｐＨ：６）を用いて複合電解研磨を施した場合、研磨後に被研磨材を電解液から取り出して乾燥させるまでの極短時間の間に、被研磨材の表面に、褐色の酸化物層が形成され、良好な表面状態が得られなかった（図１を参照）。具体的には、研磨後の被研磨材は、表面粗さＲａが０．４３μｍ、酸素目付量が０．０８ｇ／ｍ^２であった。
もっとも、本発明者が、この研磨後の被研磨材を更に調査したところ、研磨用工具を用いて機械研磨を施しているにも拘わらず、被研磨材の内部には、ほとんど塑性変形領域がないことが分かった。
このため、良好な表面状態が得られる条件を見出せば、複合電解研磨は、良好な磁気特性が得られる手法となり得ると判断した。

本発明は、以上の点を鑑みてなされたものであり、表面状態および磁気特性が良好な方向性電磁鋼板を効率良く製造する方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記方法により得られる方向性電磁鋼板の提供も目的とする。

本発明者らは、鋭意検討した。具体的には、例えば、砥粒を含む電解液（ｐＨ：９）を用いて複合電解研磨を施したところ、研磨後の被研磨材は、表面粗さＲａが０．０９３μｍ、酸素目付量が０．０１ｇ／ｍ^２であった（図２を参照）。このような結果、砥粒を含む電解液のｐＨを特定の範囲にすることにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［４］を提供する。
［１］表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、かつ、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下である方向性電磁鋼板を製造する方法であって、二次再結晶後の鋼板を被研磨材とし、上記被研磨材に対して、砥粒を含むｐＨ７超の電解液を供給し、電圧を印加することにより電解研磨を行ないつつ、機械研磨を行なう、方向性電磁鋼板の製造方法。
［２］上記被研磨材の表面に３ｍＡ／ｃｍ^２以上１６０ｍＡ／ｃｍ^２以下の電流が流れるように上記電圧を印加する、上記［１］に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
［３］上記被研磨材に上記電解研磨および上記機械研磨を行なう前に、あらかじめ、上記被研磨材の酸素目付量を０．５ｇ／ｍ^２以下にする、上記［１］または［２］に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
［４］表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下であり、かつ、励磁磁束密度１．７Ｔでのヒステリシス損が０．２６Ｗ／ｋｇ以下である方向性電磁鋼板。

本発明によれば、表面状態および磁気特性が良好な方向性電磁鋼板を効率良く製造できる。

砥粒を含む電解液（ｐＨ：６）を用いて複合電解研磨した後の被研磨材の外観を示す写真である。 砥粒を含む電解液（ｐＨ：９）を用いて複合電解研磨した後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ａの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ｂの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ｃの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ｄの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ｅの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ｆの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。 例Ｇの研磨後の被研磨材の外観を示す写真である。

本発明の方向性電磁鋼板の製造方法（以下、「本発明の製造方法」ともいう）では、複合電解研磨を行なう。
より詳細には、本発明の製造方法は、表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、かつ、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下である方向性電磁鋼板を製造する方法であって、二次再結晶後の鋼板を被研磨材とし、上記被研磨材に対して、砥粒を含むｐＨ７超の電解液を供給し、電圧を印加することにより電解研磨を行ないつつ、研磨用工具を用いて機械研磨を行なう、方向性電磁鋼板の製造方法である。

＜被研磨材（二次再結晶後の鋼板）の準備＞
二次再結晶までの工程は、特に限定されず、従来公知の工程どおりに行なえばよい。具体的には、例えば、以下のような工程が多い。
まず、Ｃ：０．０８質量％以下、Ｓｉ：２．０〜５．０質量％、Ｍｎ：０．００５〜０．５質量％、Ａｌ、Ｎ、Ｃｕ、Ｓ、Ｓｅなどのインヒビター形成元素、補助インヒビター等として機能するＮｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｒ、Ｐ、Ｂｉ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔｅなどの成分を含有する鋼スラブを熱間圧延して、熱延鋼板を得る。得られた熱延鋼板に、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延を施して、冷延鋼板を得る。次いで、得られた冷延鋼板（鋼板）に、脱炭を伴う一次再結晶を行ない、その後、ＭｇＯを含有する焼鈍分離剤を塗布してから、二次再結晶のために最終仕上焼鈍を施す。
このようにして、二次再結晶後の鋼板（被研磨材）を得る。

ここで、複合電解研磨を行なう前に、被研磨材の表面に過剰に酸化物層が形成されている場合を考える。この場合、酸化物層で覆われた部分と鋼板（地鉄）部分とでは抵抗が異なるため、電解研磨のために電圧を印加すると、流れる電流密度に不均一が生じ、局部的に電解が進みやすい。その結果、被研磨材の表面凹凸の形成が助長されたり、研磨後の被研磨材の酸化が進みやすくなったりする場合がある。

このため、複合電解研磨を行なう前における、被研磨材の酸素目付量は、０．５ｇ／ｍ^２以下が好ましく、０．４ｇ／ｍ^２以下がより好ましく、０．３ｇ／ｍ^２以下が更に好ましく、０．２ｇ／ｍ^２以下が特に好ましい。なお、この酸素目付量は、低いほど好ましく、０．０ｇ／ｍ^２でもよいのは言うまでもない。

酸素目付量は、被研磨材全体（全厚）の酸素量を化学分析により求め、単位面積あたりの目付量に換算した値である（以下、同様）。

複合電解研磨を行なう前に、あらかじめ被研磨材の酸素目付量を低減する方法としては、特に限定されないが、例えば、焼鈍分離剤の塗布から二次再結晶にかけて、被研磨材となる鋼板の酸素目付量を低減する方法が挙げられ、その具体例としては、特開昭６４−６２４７６号公報に記載された焼鈍分離剤を用いて、フォルステライト被膜を形成しないようにする方法が挙げられる。

このような焼鈍分離剤は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）と、アルカリ金属の塩化物およびアルカリ土類金属の塩化物からなる群から選ばれる少なくとも１種の塩化物とを含有する。
塩化物の含有量は、酸化マグネシウム１００質量部に対して、例えば、０．５〜５０質量部であり、２〜４０質量部が好ましく、３〜２０質量部がより好ましい。
焼鈍分離剤には、更に、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などの添加剤を、酸化マグネシウム１００質量部に対して、０．５〜５質量部配合してもよい。

また、機械研磨によって酸化物層を除去することにより、被研磨材の酸素目付量をあらかじめ低減してもよい。この場合、被研磨材の深部に歪みが導入されないようにするため、スコッチペーパーを用いて機械研磨を行なうことが好ましい。
この機械研磨を行なう場合、機械研磨後における被研磨材の酸素目付量は０．５ｇ／ｍ^２以下に低減されることが好ましい。

＜複合電解研磨＞
次に、準備した被研磨材（二次再結晶後の鋼板）に複合電解研磨を行なう。具体的には、被研磨材に対して、砥粒を含むｐＨ７超の電解液を供給する。そして、被研磨材の表面に所定量の電流が流れるようにして、研磨用工具と被研磨材との間に電圧を付加する。これにより、電気化学的な研磨（電解研磨）を行なう。この電解研磨と同時に、研磨用工具を用いて、被研磨材に対して機械的な研磨（機械研磨）も行なう。複合電解研磨では、機械研磨も行なうため、電解研磨のみを行なう場合と比較して、効率が良い。

このとき、電解液としては、一般的に使用される中性または酸性の電解液を用いるのではなく、ｐＨが７を超えるアルカリ性の電解液を用いる。
これにより、研磨後に被研磨材を電解液から取り出して乾燥させるまでの間に、被研磨材の表面に酸化物層が形成されず、良好な表面状態が得られる。この理由は明らかではないが、被研磨材の表面にヒドロキシ基が付き、表面が保護されるためと考えられる。
電解液から取り出した後の被研磨材は、十分に水洗し、表面に残る電解液および砥粒を除去する。その後、十分に乾燥させる。

こうして得られる複合電解研磨後の被研磨材（すなわち、本発明の製造方法により得られる方向性電磁鋼板）は、表面状態が良好である。具体的には、表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、かつ、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下である。

表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３に準拠して測定される、算術平均粗さ（Ｒａ）である（以下、同様）。

また、本発明の製造方法により得られる方向性電磁鋼板は、その表面に歪がほとんど入っていない。このため、磁気特性が良好である。具体的には、励磁磁束密度１．７Ｔでのヒステリシス損（履歴損）として、０．２６Ｗ／ｋｇ以下を達成できる。

上述した効果がより優れるという理由から、電解液のｐＨは８以上が好ましい。上限は特に限定されないが、電解液のｐＨは１０以下が好ましい。
電解液の種類は、ｐＨが上記範囲内であれば特に限定されないが、硝酸ナトリウムを主な液組成とする電解液が好ましい。
電解液に含ませる砥粒の成分としては、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等が挙げられる。このような砥粒を電解液中に分散させて用いる。

電圧印加のために被研磨材の表面に流す電流量は、少なすぎると、電解研磨の速度が十分に得られず、その結果、所望する表面状態が得られない場合がある。
このため、所望する表面状態が得られやすいという理由から、被研磨材の表面に流す電流量は、３ｍＡ／ｃｍ^２以上が好ましく、４ｍＡ／ｃｍ^２以上がより好ましく、５ｍＡ／ｃｍ^２以上が更に好ましい。
一方、この電流量が多すぎると、被研磨材の表面の鉄イオン濃度が上昇し、効率が低下する場合がある。また、酸化物層が形成されることにより、研磨後に被研磨材を電解液から取り出して乾燥させるまでの間に、表面状態が不十分になる場合がある。
このため、所望する表面状態が得られやすいという理由から、被研磨材の表面に流す電流量は、１６０ｍＡ／ｃｍ^２以下が好ましく、１３０ｍＡ／ｃｍ^２以下がより好ましく、１００ｍＡ／ｃｍ^２以下が更に好ましい。

複合電解研磨におけるその他の条件、装置等については、従来公知の電解研磨および機械研磨における条件、装置等を適宜採用できる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこれらに限定されない。

＜被研磨材（二次再結晶後の鋼板）の準備＞
まず、Ｓｉ：３．２質量％、Ｍｎ：０．０３質量％、Ａｌ：０．０２質量％、Ｎ：０．００６質量％、および、Ｓｅ：０．００５質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを準備した。準備した鋼スラブを、１３５０℃に加熱した後、熱間圧延して、板厚２．０ｍｍの熱延鋼板を得た。
得られた熱延鋼板に、１０００℃で６０秒の熱延板焼鈍を施してから、酸洗を施し、次いで、１回の冷間圧延を施して、板厚０．２３ｍｍの冷延鋼板を得た。
得られた冷延鋼板に、均熱温度８３０℃、均熱時間２分間とする一次再結晶焼鈍を施した。一次再結晶焼鈍は、全工程で、水素５０体積％＋窒素５０体積％、露点５５℃の湿潤雰囲気中で行なった。脱炭も同時に行なった。
一次再結晶焼鈍後の冷延鋼板（鋼板）に、焼鈍分離剤を塗布した。焼鈍分離剤としては、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）１００質量部に、２質量部の酸化チタン（ＴｉＯ_２）と、所定量の塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）とを配合した焼鈍分離剤を用いた。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）１００質量部に対する塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ_２）の量（単位：質量部）を、下記表１に示す。
その後、二次再結晶のために、１１５０℃で５時間の均熱を行なう最終仕上焼鈍を施した。こうして、被研磨材である二次再結晶後の鋼板を得た。
得られた被研磨材の酸素目付量（研磨前の酸素目付量、単位：ｇ／ｍ^２）を上述した方法により測定した。測定結果を下記表１に示す。

＜研磨＞
例Ａでは、得られた被研磨材に対して、スコッチペーパーを用いて、単なる機械研磨を行なった。
一方、例Ｂ〜例Ｇでは、得られた被研磨材に対して、砥粒を含む電解液を用いて、複合電解研磨を行なった。より詳細には、硝酸ナトリウムを含有する電解液中に、Ａｌ_２Ｏ_３砥粒を分散させたものを用いた。更に、下記表１には、電解液のｐＨおよび電流密度（被研磨材の表面に流した電流量、単位：ｍＡ／ｃｍ^２）を記載した。

＜評価＞
研磨後における被研磨材について、外観を観察した。例Ａ〜例Ｇの外観写真を、それぞれ、図３〜図９に示す。外観の状態（「鏡面」など）を下記表１に記載した。
また、研磨後における被研磨材について、表面粗さＲａ（単位：μｍ）および酸素目付量（単位：ｇ／ｍ^２）を上述した方法により測定した。測定結果を下記表１に示す。
更に、ヒステリシスループから、励磁磁束密度１．７Ｔでのヒステリシス損（単位：Ｗ／ｋｇ）を求めた。この結果も下記表１に示す。

＜評価結果のまとめ＞
まず、複合電解研磨を行なった例Ｂ〜例Ｇを対比する。例Ｂ〜例Ｇは、機械研磨を伴う複合電解研磨を行なっているため、単なる電解研磨と比較して、効率は良好である。
もっとも、電解液のｐＨが７である例Ｇにおいては、研磨後の被研磨材は、外観が「再酸化」しており、表面粗さＲａが０．５μｍであり、酸素目付量が０．０８ｇ／ｍ^２であった。ヒステリシス損は０．３０Ｗ／ｋｇであった。すなわち、表面状態および磁気特性が不十分であった。

これに対して、電解液のｐＨが７より高い例Ｂ〜例Ｆにおいては、研磨後の被研磨材は、表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、かつ、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下であった。また、ヒステリシス損は０．２６Ｗ／ｋｇ以下であった。すなわち、表面状態および磁気特性がいずれも良好であった。

例Ｂ〜例Ｆを対比すると、研磨前の酸素目付量が０．５ｇ／ｍ^２以下であり、かつ、電流密度が３ｍＡ／ｃｍ^２以上１６０ｍＡ／ｃｍ^２以下である例Ｃ、例Ｅおよび例Ｆは、これらの条件を満たさない例Ｂおよび例Ｄと比較して、表面粗さＲａの値がより小さく、かつ、酸素目付量がより少なかった。ヒステリシス損の値もより小さかった。

機械研磨を行なった例Ａは、ヒステリシス損が０．３５Ｗ／ｋｇであった。これは、機械研磨の応力によって、結晶組織が塑性変形したためと考えられる。

Claims (4)

1. 表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、かつ、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下である方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
   二次再結晶後の鋼板を被研磨材とし、
   前記被研磨材に対して、砥粒を含むｐＨ７超の電解液を供給し、電圧を印加することにより電解研磨を行ないつつ、機械研磨を行なう、方向性電磁鋼板の製造方法。
2. 前記被研磨材の表面に３ｍＡ／ｃｍ^２以上１６０ｍＡ／ｃｍ^２以下の電流が流れるように前記電圧を印加する、請求項１に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
3. 前記被研磨材に前記電解研磨および前記機械研磨を行なう前に、あらかじめ、前記被研磨材の酸素目付量を０．５ｇ／ｍ^２以下にする、請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
4. 表面粗さＲａが０．３０μｍ以下であり、酸素目付量が０．０５ｇ／ｍ^２以下であり、かつ、励磁磁束密度１．７Ｔでのヒステリシス損が０．２６Ｗ／ｋｇ以下である方向性電磁鋼板。