JP2576621B2

JP2576621B2 - 磁気特性の優れた珪素鋼板

Info

Publication number: JP2576621B2
Application number: JP1031392A
Authority: JP
Inventors: 俊郎富田
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1989-02-10
Publication date: 1997-01-29
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: JPH02209455A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、変圧器、回転機等の磁心材料として好適な
高磁束密度で低損失な珪素鋼板に関する。

〔従来の技術〕

従来より電動機、発電機、変圧器等の磁心には珪素鋼
板が用いられている。この珪素鋼板に要求される磁性
は、交流磁界中で磁気的なエネルギー損失（鉄損）が少
ないこと、実用的な磁界中で磁束密度が高いこと、の２
つである。これらを実現するには、電気抵抗を高め、か
つ磁化容易方向であるbcc格子の＜100＞軸を使用磁界方
向に集積させるのが有効とされている。

磁心材料としての珪素鋼板は、一方向性珪素鋼板と無
方向性珪素鋼板とにも大別され、使用磁界方向が一方向
に限られている場合に最も良好な磁気特性を示すのは、
３％程度のSiを含む一方向性珪素鋼板である。これは第
７図（イ）に示すように｛110｝面が板面に平行し、＜1
00＞軸を圧延方向に集積させていることから、圧延方向
に磁界をかけて使用した場合の磁気特性が著しく優れ
る。しかし、この一方向珪素鋼板は圧延方向以外の方向
に磁化し難い。したがって電動機、発電機等の回転機器
のような、磁界が板面内の様々な方向に作用する場合に
は、さしたる効果は得られない。

磁界が板面内の複数の方向に作用する場合に使用され
るのは、第７図（ロ）〜（ホ）に示されるような集合組
織をもつ無方向性珪素鋼板である。

これらの無方向性珪素鋼板のなかで良好な磁気特性を
示すのは、第２図（ロ）〜（ニ）に示すように｛100｝
面が板面に平行し、＜100＞軸が板面垂直方向に集積し
たものである。このような集合組織を持つと、３つの互
いに直交した＜100＞軸のうち、２つまでが板面に平行
することになる。

板面に平行する２つの＜100＞軸の集積具合は、用途
によって望まれるものが異なり、例えば板面内の互いに
直交する２方向に磁界が加わるEI型鉄心のような場合
は、第７図（ロ）（ハ）に示す｛100｝＜001＞、｛10
0｝＜011＞集合組織のものが好ましく、これらは特に二
方向性珪素鋼板と呼ばれている。また、板面内のあらゆ
る方向に磁界が加わるものの場合は、第７図（ニ）に示
す｛100｝面内無方向集合組織のものを使用するか、も
しくは第７図（ロ）（ハ）に示す｛100｝＜001＞、｛10
0｝＜011＞型集合組織のものを板面内で角度を変えて打
ち抜いて重ねて使用するのが好ましいことになる。

以上のようなことを考慮すると、板面内の全方向もし
くは複数の方向で優れた磁気特性を示す珪素鋼板、すな
わち板面垂直方向に＜100＞軸をもつ珪素鋼板が実用上
は利用価値が最も大きいといえる。

〔発明が解決しようとする課題〕

板面垂直方向に＜100＞軸をもつ珪素鋼板は、凝固組
織を用いる方法、高温焼鈍による方法、およびγ単相温
度域からの冷却による方法で製造できることが知られて
いる。しかし、これらの方法で得られる珪素鋼板は、板
面垂直方向での＜100＞軸の集積度が十分でないものが
多く、また板面垂直方向で＜100＞軸が高密度に集積し
ていても結晶粒が粗大であったりして、いずれも十分な
磁気特性を示すには至っていない。

本発明は、このような状況に鑑みなされもので、板面
内の全方向もしくは複数の方向で優れた磁気特性を示す
珪素鋼板を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

板面内の全方向もしくは複数の方向で優れた磁気特性
を示す珪素鋼板の開発要望に対し、本発明者らは｛10
0｝集合組織を有する柱状結晶組織からなる珪素鋼板を
先に開発した（特願昭62−262997号および特願昭63−80
165号）。

これは、珪素鋼板の脱炭焼鈍が進行する過程でγ→α
変態を発生させると、板面垂直方向に＜100＞軸が高密
度で集積した低鉄損で磁束密度も高い結晶粒組織の珪素
鋼板が、高精度の板厚で板厚等の制限を受けることなく
しかも工業的規模で容易に製造できるとの知見に基づく
ものである。

すなわち、従来の珪素鋼板に対する最終焼鈍はα単相
の温度域で行うのが通例である。これに対しＣを適量添
加しγ相の温度域を拡大した冷間圧延珪素鋼板を、脱炭
が完了したときにα単相となる850〜1100℃程度で、例
えば非酸化性の弱脱炭性雰囲気である真空中で焼鈍する
と、この焼鈍ではＣが十分に含有されていることから、
α＋γ混合相もしくはγ単相の温度域で焼鈍が行われる
ことになる。

その結果、表面から５〜10μｍ深さまでの領域が脱炭
され、この部分のみがα単相となり、内部は微細なα＋
γ混合組織もしくはγ単相組織となる。例えばα＋γ２
相温度域での焼鈍の場合は、第１図の組織略図の（イ）
に示すように、表面のα単相領域の粒は板面垂直方向に
中心軸をもつ柱状粒となる。

このような表面の脱炭層は、弱脱炭性の雰囲気下では
ゆるやかにしか内部へ成長せず、その間に表面のα柱状
粒のうちの板面垂直方向に＜100＞軸を持つ結晶粒のみ
が板面平行方向に成長する。

かくして、表層は板面垂直方向に＜100＞軸が強く集
積したα単相の集合組織を持つようになる。この粒成長
は表面エネルギーを駆動力としたものと推定される。こ
の段階での表層のα粒は板面平行方向に30〜300μｍ程
度の大きさの柱状粒となっている。

続いて例えば強脱炭性雰囲気中で脱炭を進行させる
と、表層のα粒が内部のα＋γ２相域、もしくはγ相域
に向かって成長し、最終的には第１図に（ロ）に示すよ
うに両表面から内部へ向かって延びた柱状粒が板厚中心
部で衝突したα単相の柱状粒組織となる。

以上のように、脱炭の過程でγ→α変態を生じさせれ
ば、表面で成長した｛100｝集合組織が粒成長により内
部にまで受け継がれ板全体を簡単に｛100｝集合組織と
できる。更に粒成長の過程で板面垂直方向の＜100＞軸
の集積度も向上する。

ところで、｛100｝集合組織を有する柱状粒結晶組織
からなる珪素鋼板が優れた磁気特性、すなわち高磁束密
度と低鉄損特性とを示す理由は、次の２点である。

第１は、このような集合組織は板を構成する各結晶粒
の３本の＜100＞軸のうち２本が板面に平行となる組織
であるため、必然的に500〜10000A/mの磁化力における
磁束密度が高くなる点である。第２の点は、結晶粒が50
〜1000μｍ程度と小さく、磁区が細いために渦電流損失
が小さく、低鉄損特性を示すことである。

ところが、このような組織構造の珪素鋼板は、500A/m
以上の磁化力下での磁束密度特性に比較して、それ未満
の磁化力における磁束密度が劣る。すなわち、低磁化力
域での透磁率が低く、これが鉄損中のヒステリシス損失
を大きくし、低鉄損化の障害になっているのである。

本発明は、この低磁化力域での低透磁率の解消を図る
ものであり、本発明者らによるその原因解明を根拠とし
ている。

本発明者らの調査研究によると、低磁化力域での低透
磁率の原因は、｛100｝集合組織を有する柱状結晶粒組
織特有の磁区構造に起因したものであることが明らかと
なった。

すなわち、｛100｝集合組織では、第２図に示すよう
に、板面に対し垂直方向もすきは水平方向に容易磁化軸
が存在するために、この方向にスピンが整列した磁区を
形成する。特に、板面垂直方向に伸びた柱状結晶粒の場
合、板面垂直方向の磁化に対する反磁場係数が小さくな
るため、この向きの磁区が形成されやすい。低磁化力域
での低透磁率は、この垂直に向いた磁区の存在が主な原
因になっているのである。

低磁化力域での低透磁率の原因がこのような点にある
とすれば、板面に平行な方向の張力を加えると、珪素鋼
が正の磁歪を有することとあいまって、垂直方向の磁区
が減少し、低磁化力域での低透磁率は解消されることに
なる。

本発明の要旨は、Siを0.1〜6.5wt％以下含んだ鋼板
で、板面垂直方向から±５°以内に＜100＞軸を持つ結
晶粒の存在確率が、集合組織を持たない場合の５倍以上
である集合組織を有し、板面平行方向に0.1〜5kg/mm²の
張力を有していることを特徴とする磁気特性の優れた珪
素鋼板にある。

〔作用〕

以下に本発明の珪素鋼板を組成、組織、張力等につい
て詳述する。

○組成成分のなかでは磁気特性に特に大きな影響を与えるSi
が重要であり、0.1wt％≦Si≦6.5wt％の含有とする。

すなわち、Siは電気抵抗値を上げ、鉄損中の渦電流損
失を低減するために、0.1wt％以上の含有とし、飽和磁
束密度の低下防止と脆化防止とから6.5wt％以下に制限
する。好ましくは0.8wt％以上、4wt％以下である。

なお、Siはγ−α変態に対しては、後述するMnとは逆
に脱炭完了後実質的にα単相となる上限温度を上昇させ
る。

他の元素については次のとおりである。

C:最終焼鈍において脱炭にともなうγ→α変態を利用
した集合組織制御を行う場合には、最終焼鈍前の段階で
0.02wt％以上、好ましくは0.05wt％以上の含有を必要と
する。上限は脱炭時間を抑えるために1wt％以下、好ま
しくは0.3wt％以下とする。最終焼鈍後の段階では磁気
特性を劣化させないために0.01wt％以下、好ましくは0.
003wt％以下が望まれる。

Mn:電気抵抗を増大させ渦電流損失を低下させるため
と、γ→α変態による集合組織制御を行う場合はγ相温
度域を拡大しγ→α変態利用の集合組織制御を容易にす
るために、添加が望まれる。添加する場合は0.05wt％以
上が好ましく、0.8wt％以上がより好ましいが、いずれ
にしてもαおよびγ２相からなるα単相になる変態温度
が脱炭完了後850℃以上となる量を最大源として添加す
る。これはMnを多量に添加すると、脱炭完了後実質的に
α単相となる上限温度が低下し、焼鈍温度を極端に低く
しなければならないためである。なお、Si量が高い場合
はMnを多量に添加しうるが、磁束密度を低下させるため
5wt％を超えないようにする。実質的にα単相となるに
はMnS,AlN等の微量な第二相が存在しても良いことを意
味する。

Al:電気抵抗を増大させ、渦電流損失を低下させるため
に添加することが望まれる。また、製鋼段階で鋼中の酸
素を低減する脱酸剤として添加してもよい。しかし、多
量に添加すると脆化を生じさせ、磁束密度も低下するの
で3wt％以下、好ましくは1wt％以下とする。γ→α変態
に対しては、Siと同様、脱炭完了後実質的にα単相とな
る上限温度を上昇させる。

Co:飽和磁束密度を増加させるために、所望により添加
する。但し、高価であるために1wt％以下の添加が望ま
れる。

C,Si,Mn,Al,Co以外の成分で本発明を損なわず添加で
きるものは以下のとおりである。なお、ＮはＣと同様の
作用を生じるので、積極的に添加してもよい。

Cr,Ni,Mo≦1wt％ Cu≦0.1wt％Ｎ≦0.01wt％ W,V,Sb≦1.0％Ｓ≦0.1wt％ Se,As≦0.08wt％Ｂ≦0.005wt％Ｐ≦0.1wt％ ○製品板厚本発明では結晶組織的な面から製品板厚に制限を設け
る必要はない。しかし、γ→α変態による集合組織制御
を行なう場合には、製品板厚が厚いと内部まで脱炭する
のに長時間を要し、また渦電流損失が増大するので5mm
以下とし、より好ましくは0.5mm以下である。下限は十
分に集積した｛100｝集合組織とするため0.05mm以上と
するのがよく、より好ましくは0.15mm以上である。

○組織・集合組織十分な磁気特性確保のため、結晶粒の＜100＞方向が
板面垂直方向に強く集積した集合組織とする。具体的に
は、板面垂直方向から±５°以内に＜100＞軸を持つ結
晶粒の存在確率が、集合組織を持たない場合の５倍以上
であり、より好ましくは15倍以上である。

・結晶粒組織板の表面から内部に向かって伸びた柱状粒が板厚中心
付近で衝突した組織が望ましく、粒成長を促進させて板
厚方向に貫通した柱状粒組織であってもよい。ただし、
低鉄損とするため柱状結晶粒の板面平行方向の平均直径
は50μｍ以上、1mm以下、より好ましくは0.35mm以下で
ある。

このような組織をもつ珪素鋼板は、γ→α変態による
集合組織制御により工業的に容易に製造することができ
るが、他の方法で製造されてもよく、要は結晶粒の＜10
0＞方向が板面垂直方向に上記の如く集積された珪素鋼
板であれば、製造法は問わない。

○張力磁気特性、特に低磁化力域での透磁率改善による磁束
密度特性向上のために、板面と平行方向に0.1kg/mm²以
上、5kg/mm²以下の張力を加える。0.1kg/mm²未満では、
磁束密度向上に対する効果がなく、5kg/mm²超では、逆
に磁気特性が劣化する。この張力は板面内の一方向に加
えても、板面内で等方的に付加しても良い。｛100｝＜0
11＞もしくは｛100｝＜011＞集合組織の場合、板面内に
相直交する２方向に容易磁化方向があるが、２方向のう
ち一方の方向に張力を付加することにより、その方向の
磁気特性を特に向上させ得る。

張力の付加方法に特に制限はなく、例えば磁心を組み
立てる最に機械的に張力を加える、もしくは鋼板の製造
過程の絶縁被膜形成時に、鋼板と絶縁被膜の熱膨張係数
の差を利用して張力を加えるなどの方法が適宜採用され
る。

○製造方法張力付加の対象となる珪素鋼板の代表的な製造法は、
γ→α変態による集合組織制御であり、以下のとおりで
ある。下記製造法により、本発明の珪素鋼板として特に
適した板面から内部に向かって成長した柱状結晶粒をも
つ板材が工業的規模で容易に得られる。

・ストリップ製造圧下率10％以上、より好ましくは50％以上の冷間圧延
を施すものであれば製造方法は問わない。通常は連続鋳
造−熱間加工−冷間圧延の工程による。この場合、加工
間に１回または複数回の焼鈍を挟むことを阻げない。連
続鋳造による方法以外には、例えば50mm以下の板厚に直
接凝固させた薄スラブもしくは溶湯超急冷法により極薄
板を直接または熱間加工後に冷間圧延する方法でもよ
い。なお、ここで冷間圧延とは再結晶の生じない500℃
以下の圧延をいう。

・最終焼鈍脱炭完了後α−フェライト単相となる温度域で脱炭焼
鈍を行う。これにより脱炭の行われていない部分につい
てはα＋γ２相域もしくはγ単相域の温度で焼鈍が行わ
れ、脱炭が進行する間に表層より内部に向かってγ→α
変態を生じ、板面垂直方向に＜100＞軸が強く集積した
実質的にα単相の柱状粒組織が得られる。具体的には、
焼鈍効率を高めるため、次のような焼鈍を行うのが好ま
しい。

まず、弱脱炭性の雰囲気中、例えば10^-1Torr以下の真
空中もしくは露点０°以下のH₂,He,Ne,Nr,Kr,Xe,Rn,N₂
の１種または２種以上の雰囲気中で、850℃以上の温度
で焼鈍し、板表面から５〜50μｍの深さの領域にα単相
域を形成する。焼鈍時間は好ましくは１〜48時間程度で
ある。

次いで、強脱炭性の雰囲気、例えば露点０℃以上のH₂
中もしくは露点０℃以上のH₂に不活性ガスまたはCO,CO₂
を添加したガス中で、650〜900℃の温度で焼鈍し、板表
層部に形成したα単相域を板内部に向かって成長させ
る。焼鈍時間は好ましくは５分〜20時間程度である。

なお、強脱炭の工程はＣ添加時にα相とセメンタイト
との混合相となる温度域で行ってもよい。

・表面コーティング表面には絶縁被膜を形成することが好ましいが、この
工程は最終焼鈍後に実施してもよいし、弱脱炭性雰囲気
中での焼鈍の後に実施してもよい。後者の場合は、表面
コーティング後に強脱炭性の雰囲気中での焼鈍を行うこ
とになる。このコーティングで鋼板に板面平行方向の張
力を付加できることは、前述したとおりである。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例について詳述する。

第１表にＡで示すSi3％、Mn0.5％の｛100｝＜001＞型
集合組織を持つ0.35mm厚さの鋼板を次の方法で製造し
た。

まず、表1Aの組成に0.07％のＣを加えた鋼塊を真空溶
製により作製し、その後、1100℃の温度に加熱した後、
熱間圧延して3mm厚の板とした。次に、この板を冷間圧
延により1mm厚の板とした後、850℃で３分間焼鈍し、さ
らに最終板厚まで冷間圧延した。この板に真空中で950
℃×5hの焼鈍を施し、最後にＣを除去するため、水蒸気
を含む水素中にて850℃×30minの焼鈍を行った。この焼
鈍により炭素量は0.001％以下になっていた。

製造された鋼板を形成する結晶粒が板面垂直方向から
±５°以内に＜100＞軸を持つ確率は、集合組織を持た
ないものの50倍であった。結晶粒組織は第３図のように
直径約200μｍの柱状粒組織である。この鋼板から圧延
方向に10cm幅方向に3cmの長方形の試料を切り出し、単
板磁化測定器を用いて圧延方向に張力を付加しながら、
圧延方向の磁化特性を測定した。また、同じ試料を化学
研磨によって薄くし、それについても上記と同様な測定
を行った。結果を第４〜６図に示す。

第４〜６図のW_n/mでｎは測定時の磁束密度を0.1Tesla
単位で表わし、ｍは測定用周波数を表わす。

第４図からわかるように、板面平行方向の張力付加に
より特に低磁力域での磁束密度特性が向上し、その効果
は張力が0.1kg/mm²以上で表れ、0.2kg/mm²以上で顕著に
なる。また、第５図〜第７図からは、張力付加により鉄
損特性も向上することもわかる。張力付加によって鉄損
特性が向上するのは、低磁化力域での磁束密度が大きく
なることによってヒステリシス損失が低減されること、
及び磁区が細分化されて渦電流損失も低減するためであ
る。ただし、前者の効果が大きい。

なお、第６図には6kg/mm²の張力付加時に鉄損特性が
悪化した結果が示されているが、これは、過大な張力付
加により内部に過剰な歪がはいり、これが磁歪の存在と
あいまって磁化をさまたげるためである。

第１表にＢ〜Ｉで示される組成で、種々の集合組織を
有する鋼板を上記と同様の方法で製造し、各鋼板にリン
酸（塩）を主体とするコーティング液を塗布し、800℃
で焼鈍して絶縁被膜を付加し、冷却時の鋼板と絶縁被膜
の熱収縮の差を利用することにより、各鋼板に約1kg/mm
²の板面内等方的な張力を付加した。各鋼板から10cm×3
cmの長方形試料を切り出し、単板磁化測定器を用いて、
長手方向の磁化特性を測定した結果を第２表に示す。こ
の表で＜100＞軸密度と記しているものは、結晶粒が板
面垂直方向から±５°以内に＜100＞軸と持つ確率を、
集合組織を持たないものの確率で割ったものを意味し、
｛100｝集合組織への集積度を示すものである。

第２表からも明らかなように、板面平行方向の張力付
加により、低磁場下での磁束密度が上昇し、且つ鉄損値
が顕著に低下する。

〔発明の効果〕本発明の珪素鋼板は、高磁化力域は勿論のこと、低磁
化力域でも優れた磁束密度特性を示し、しかも鉄損特性
に著しく優れる。したがって、変圧器、回転機等の磁心
材料に使用して、その特性向上、小型化等に大きく貢献
し得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の珪素鋼板の組織略図、第４図
〜第７図は張力と磁気特性との関係を示すグラフ、第８
図は結晶方位の説明図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Siを0.1〜6.5wt％以下含んだ鋼板で、板面
垂直方向から±５°以内に＜100＞軸を持つ結晶粒の存
在確率が、集合組織を持たない場合の５倍以上である集
合組織を有し、板面平行方向に0.1〜5kg/mm²の張力を有
していることを特徴とする磁気特性の優れた珪素鋼板。