JP2579863B2 - 超高珪素電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気機器の鉄芯用軟磁
性材料として用いられる、磁気特性に優れた超高珪素電
磁鋼板を熱間圧延段階で板破断或は耳割れ（エッジクラ
ック）を生ぜしめることなく、また冷間圧延段階で板破
断が少なく、作業性の良好な操業を可能ならしめる超高
珪素電磁鋼板の製造方法に関するものである。

【０００２】本発明によって、特に高周波数の電気機器
の鉄心に最適な板厚の薄い超高珪素電磁鋼板の製造が可
能となる。

【０００３】

【従来の技術】Ｓｉを含有する鋼板は、優れた軟磁気特
性を有するから電力用変圧器或は回転機の鉄芯として用
いられている。この種磁性材料においては、Ｓｉ含有量
が増加すると鉄損特性が向上する（鉄損値が低下す
る）。特に、Ｓｉ含有量が６．５％或はその近傍である
場合は、鉄損特性が良好であるとともに磁歪が零に近づ
くところから透磁率も一段と高くなり、従来にない新し
い機能をもつ磁性材料となり得る。

【０００４】しかしながら、この超高珪素鋼は熱間圧延
する上で問題があり、工業的規模での生産は実用化に至
っていない。超高珪素鋼、例えば６．５％Ｓｉ鋼を熱間
圧延する上での問題として、この鋼は低温までα単相で
あるために粒が粗大化し、仕上熱間圧延段階で材料側縁
端部に割れ（耳割れ：エッジクラック）を生じ、材料破
断を惹起し易いという問題がある。この問題を解決すべ
く、多くの努力が重ねられ種々提案がなされている。

【０００５】例えば、３％前後のＳｉを含有する方向性
電磁鋼板の製造技術の分野においては、特公昭５４−２
７８２０号公報に、スラブを１０３５℃に加熱し、５〜
５０％の圧下率を適用する圧延を施した後、この材料を
１２００〜１４００℃の温度域に加熱して熱間圧延を施
すプロセスを採ることによって結晶粒サイズの粗大化を
抑え、連続鋳造スラブから均等かつ優れた電磁特性を有
する方向性電磁鋼板を得る製造プロセスが開示されてい
るように、熱間圧延に先立って材料に加工を加えること
がなされてきた。

【０００６】しかしながら、前記特公昭５４−２７８２
０号公報に開示されている技術的手段では、Ｓｉを６．
５％前後含有する超高珪素電磁鋼は低温までα単相であ
るから、材料を再加熱する段階で粒が粗大化し、仕上熱
間圧延段階で発生する耳割れ、延いては材料破断を防止
することができない。通常、スラブにおける過大な粒成
長は１２６０〜１３５０℃の温度域で生じることが知ら
れている。また、中岡らは、特開昭６１−１６６９２３
号公報に、超高珪素鋼の製造に際し、低温領域（１００
０℃）で５０％以上の圧下率を適用する粗圧延を施して
連続仕上熱間圧延前の材料の結晶粒を限定することによ
って、仕上熱間圧延後に得られる熱延板の組織を圧延方
向に延伸した繊維状組織とする方法を開示している。こ
れらの方法は、連続仕上熱間圧延条件を限定することに
よって熱延板組織を制御し、材料破断を防止せんとする
ものである。

【０００７】しかしながら、これらの技術的手段によっ
ては、超高珪素鋼の材料に発生する耳割れ（エッジクラ
ック）、延いては材料破断を完全に防止することができ
なかった。さらに６．５％Ｓｉ含有鉄を冷間圧延する上
での問題として、 １）高珪素鉄の結晶本来のイントリンシックな特性とし
て、伸びが小さく、例えば冷間圧延時に板破断を起こし
易い、 ２）高珪素鉄の伸びが本質的に小さいことに起因して冷
間圧延によって板側縁部に割れを生じる所謂“耳割れ”
を発生し易い、 ３）高珪素鉄は硬度が極めて高いため、最終板厚を薄く
するときに冷間圧延における圧延負荷が過大なものとな
る、 等の問題がある。

【０００８】冷間圧延性を改善する方法として、６．５
％Ｓｉ鉄中に第３元素を合金化する方法が発表されてい
る。例えばＣ．Ａ．ＣｌａｒｋらはＩＥＥ．１１３（１
９６６）ｐ３４５に、Ｎｉを添加することによる効果
を、Ｋ．ＮａｒｉｔａらはＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａ
ｇ．ＭＡＧ−１４（１９７８）ｐ２５８に、Ｍｎを添加
することによる効果を示している。

【０００９】一方、木村は特開平１−２９９７０２号公
報で圧延温度を３５０〜４５０℃として圧延を行う方法
と装置を開示したが、この温度範囲は従来の冷間圧延技
術では対応できない。前記２）項の冷間圧延材の耳割れ
の問題は、１）項の問題を解決するための手段によって
解決され得る。加えて、耳割れ防止のために、一般的に
他の鋼種で実施されている手段をより丁寧に適用するこ
とが、高珪素鋼の冷間圧延に際しても有効である。例え
ば、升田らは特開昭６２−１２７０９７号公報に、ロー
ル端部のヒート・クラウンを制御することによって耳割
れを防止することを提案している。

【００１０】前記３）項の圧延負荷が過大になるという
問題は、Ｓｉ含有量が増大するに伴って鋼の硬さが増
し、例えば６．５％Ｓｉでは硬度（Ｈｖ）が３９０にも
達し、冷間圧延荷重が過大になるという問題である。圧
延ゲージが薄くなると、一層圧延荷重が大きくなる。一
般に圧延ロールの径を小さくするとロールと圧延材の接
触弧長が小さくなるから、低荷重で板材を圧延すること
ができるようになる。従って、従来Ｓｉを約３％含有す
る一方向性電磁鋼板或は無方向性電磁鋼板の冷間圧延に
際しては１００mm以下の径のワークロールをもつセンジ
マーミルが用いられている。まして、３％Ｓｉ材よりも
格段に硬度の高い６．５％Ｓｉ材を薄手まで冷間圧延し
ようとする場合は、小径ワークロールをもつ圧延機での
圧延が必須となる。ところが６．５％Ｓｉ材を小径のワ
ークロールをもつ圧延機で冷間圧延すると、高田らが特
開昭６３−１４５７１６号公報に示しているように、ス
トリップ破断の問題を生じる。

【００１１】従って、小径ロールを使用して圧延するた
めにも、前記１）項の問題解決手段が必要となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、磁気特性、
就中高周波数領域で優れた鉄損特性を有する超高珪素鋼
（６．５％域はその近傍のＳｉを含有する鋼）熱延板お
よび冷延板を、材料に耳割れ（エッジクラック）延いて
は材料破断を惹起することなく製造することができるプ
ロセスを提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは下記のとおりである。 （１） 重量で、Ｃ≦０．００６％、Ｓｉ：５．０〜
７．１％、Ｍｎ：０．０７〜０．３０％、Ｓ≦０．００
７％、酸可溶性Ａｌ：０．００６〜０．０３８％、ｔｏ
ｔａｌ Ｎ：８〜３０ppm 、残部Ｆｅおよび不可避的不
純物からなる材料を、１１００℃を超え１２５０℃以下
の温度域に加熱して１５〜４０％の圧下率を適用する粗
熱間圧延を施して歪を導入し、次いで１１００℃を超え
１２５０℃以下の温度域に再加熱して仕上圧延を施した
後、板温を１２０〜３５０℃の温度域として冷間圧延し
て最終板厚とし、次いで再結晶と粒成長を目的とする焼
鈍を施すことを特徴とする超高珪素電磁鋼板の製造方
法。

【００１４】（２）板温を１２０〜３５０℃の温度域と
してなされる冷間圧延により、最終板厚を０．２３mm以
下とすることを特徴とする前項１記載の超高珪素電磁鋼
板の製造方法。以下、本発明を詳細に説明する。本発明
者等は、６．５％Ｓｉ含有鋼について、材料を破断せし
めることなく熱間圧延板を製造する手段を検討した。
６．５％Ｓｉ含有鋼は高温までα単相であるため粒が粗
大化し、仕上熱間圧延段階で材料両側縁端に耳割れと呼
ばれるエッジクラックを惹起して板破断を生じ易い。そ
こで本発明者等は、粗熱間圧延段階で材料の結晶粒を小
さくすることに着目し、次のプロセスを採ることによっ
て仕上熱間圧延前の材料の結晶粒を小さくし得ることを
見出した。

【００１５】１）材料（スラブ）を１１００℃超１２５
０℃以下の温度域に予備加熱した後、１５〜４０％の圧
下率を適用する粗圧延を施して材料に歪を導入し、次い
で１１００℃超１２５０℃以下の温度域に再加熱して再
結晶させることによって、材料の平均結晶粒径を２０mm
以下にする。こうすることによって、仕上熱間圧延段階
で発生する材料の破断を防止し得る。

【００１６】粗熱間圧延後の材料の再加熱は、誘導加熱
炉によって行う。従来のガス燃焼炎による加熱によると
きは、材料に多量の溶融スケールが発生し、粒界酸化に
よる表面欠陥の発生や材料の耳割れの発生といった問題
を惹起する。図１に示すように、材料（スラブ）を１１
００℃超１２５０℃以下の温度域に予備加熱した後、１
５％以上の圧下率を適用する粗圧延を施すことによっ
て、材料の平均結晶粒径を２０mm以下とすることができ
る。しかし、粗熱間圧延における圧下率が４０％を超え
ると、仕上熱間圧延に先立つ材料の再加熱段階で材料が
薄くなり、誘導加熱炉における加熱効率が低下する。ま
た、４０％を超える圧下率を適用する粗熱間圧延を材料
に施しても結晶粒の微細化は進まない。

【００１７】２）また、図２に示すように、仕上熱間圧
延に先立つ材料の再加熱段階で材料の表面温度が１１０
０℃超〜１２５０℃に達するまでの昇温速度を１０℃／
分以上とすることによって、一層均一な２０mm以下の再
結晶粒径をもつ材料が得られる。さらに本発明者等は、
６．５％Ｓｉ含有鉄において材料を一方向性電磁鋼板製
造技術なみの板温度での圧延により、今迄にない薄板厚
まで冷間圧延可能とする鋼中の含有成分構成を検討し
た。

【００１８】鋼中の一成分、一成分の単独効果を検討す
ることはもちろん、全成分の最適組合せ条件について数
多くの試験圧延を行った結果、本発明の対象鋼素材の成
分範囲を、重量で、Ｃ≦０．００６％、Ｓｉ：５．０〜
７．１％、Ｍｎ：０．０７〜０．３０％、Ｓ≦０．００
７％、酸可溶性Ａｌ：０．００６〜０．０３８％、ｔｏ
ｔａｌ Ｎ：８〜３０ppm 、残部Ｆｅおよび不可避的不
純物からなるように限定した。

【００１９】材料成分と割れの関係については、特開昭
６２−１０３３２１号公報で一般的な傾向としてＭｎ≦
０．５％、Ｐ≦０．１％、Ｓ≦０．０２％、Ａｌ≦２
％、Ｃ≦１％が望ましいとされているが、これは普通鋼
においても一般的な傾向として常識であり、特に６．５
％Ｓｉ鋼に対する新規知見を示すものでなく、またその
範囲も上限を示すだけで６．５％Ｓｉ鋼特有の成分条件
を規定するものではない。 ところで、鋼中Ｎ量が少な
いほど靭性が良くなることは知られている。しかしなが
ら、工業的精錬技術の中でＮを下げることは、最先端精
錬技術分野においても特開昭６２−１０３３２６号公報
に示されるように高々８ppm までである。木村宏が日本
金属学会会報Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１０、Ｐ７５７で解
説しているＮの影響は特殊処理で数ppm 以下に下げた範
囲での技術である。このような意味で、本発明者等の目
標とする技術は、一般的な量産型の精錬技術によるＮが
８ppm 以上残存する素材を用いて、６．５％Ｓｉ鋼の薄
板厚圧延を可能にしようとするものである。

【００２０】本発明者等は、このような現状を認識した
上で、６．５％Ｓｉ鋼の圧延割れに対する鋼中Ｎの影響
に注目し研究した結果、圧延割れを減少させる適切なＡ
ｌ量を見出した。そして、この時の圧延前の鋼板中Ｎ形
態の状況が割れと関係することを認識した。Ｃ：０．０
０５％、Ｓｉ：６．５０％、Ｍｎ：０．１７％、Ｐ：
０．００７％、Ｓ：０．００２％を含み、残部Ｆｅおよ
び不可避的不純物からなり、かつ酸可溶性ＡｌとＮが図
３に示す関係にある５０kgインゴットを作成し、１２０
０℃で加熱し、８パスの熱間加工により仕上温度約９８
０℃で１．７mm厚の鋼板とした。この鋼板から各成分材
について、幅５cm×長１２cm×１０枚を準備し、１８０
℃の板温度で０．２３mm厚まで冷延した。その時の板破
断状況を図３に示した。図３から冷延破断発生割合は
Ｔ．Ｎが少ないほど減少する傾向にあり、酸可溶性Ａｌ
については少なくても多すぎても増加することが分る。
Ｔ．Ｎが８ppm （これ以上の低Ｎ材は一般的溶解条件で
は得られなかった）〜３０ppm 、そして酸可溶性Ａｌが
０．００６〜０．０３８％の範囲で良好な冷間圧延がで
きた。

【００２１】次に、本発明における成分条件およびプロ
セス条件の限定理由を説明する。Ｃは、最終製品に不純
物として残存すると製品の磁気特性を劣化させるから、
その含有量は可及的に少ない方がよい。特に、Ｃ含有量
が０．００６％を超えると、製品の磁気特性を大きく劣
化させる。また、熱間圧延のし易さの点からもＣ含有量
が少ない方がよい。

【００２２】Ｓｉは、本発明の目的が製品の磁歪が最小
となる略６．５％Ｓｉ鋼の薄板厚製品を工業的に製造し
得るプロセスの確立にあることに鑑み、Ｓｉ含有量は
６．５％を中心に若干の上下幅をもつ範囲内であればよ
い。しかして、Ｓｉ含有量の下限は、従来市販されてい
ない珪素鋼板の範囲である５．０％とし、可及的に６．
５％に近い値が好ましい。一方、Ｓｉ含有量が７．１％
を超えると、材料の加工性が急激に劣化するにも拘ら
ず、得られる製品の磁気特性はそれ以上は向上しない。

【００２３】Ｍｎについては０．０７〜０．３０％の範
囲で冷間圧延破断割合が少なく、特に板厚が０．２０mm
以下のように薄い領域で効果が大きい。Ｓについては、
少ないほど冷間加工性が良くなり、また不純物として最
終製品に残存して磁性を劣化させることがなくなるの
で、可及的に少ないことが望ましい。このような理由か
ら０．００７％以下とする。下限については少ないほど
望ましいが、一般的な工業的精錬技術では０．０００８
％程度が限界である。

【００２４】酸可溶性ＡｌとＴ．Ｎについては、その組
合せ範囲として０．００６〜０．０３８％と８〜３０pp
m の領域で冷間加工性が良好である。この範囲にあると
き、鋼中に含有されるＴ．Ｎの存在状態が、鋼の靱性を
劣化させない析出物形態にあるためと考えられる。上記
以外の成分は、特に限定しない。

【００２５】次いで、溶鋼は鋳造され、熱間圧延され
る。鋳造に関して、本発明においては特に限定はなく、
一般的な方法を用いることができる。スラブの予備加熱
温度ならびに粗熱間圧延後の材料の再加熱温度は、１１
００℃超〜１２５０℃の温度域である。加熱温度が１１
００℃以下では、厚み出し圧延および分塊圧延が不可能
となる。一方、加熱温度が１２５０℃を超えると、材料
に過大な粒成長を生じる。

【００２６】熱間圧延板は、板温度１２０〜３５０℃で
冷間圧延される。板温度が３５０℃を超えると、圧延潤
滑油の劣化が激しく、圧延が極めて困難になり、また板
厚制御も難しくなる。圧延に際し、板温度がこの範囲に
あればよく、保定時間は基本的には必要でない。冷間圧
延で狙う板厚は薄いほど鉄損が良くなり望ましいが、圧
延板厚が薄くなると圧延荷重が大きくなるので、圧延作
業が困難になる。そこで圧延ロールの径を小さくして多
段にしたり、また圧延途中で焼鈍して再結晶させること
により軟かくすることが有効な方法となる。

【００２７】冷間圧延における冷延率については特に限
定しない。冷間圧延率は熱間圧延機の能力、または薄板
鋳造技術の程度によって決まる素材板厚と製品板厚の関
係で決まり、５０〜８０％程度の冷延率が採用される。
最終板厚とされた冷延板を８００〜１０２０℃の温度域
で焼鈍し、再結晶と粒成長を行い製品とする。焼鈍時間
は温度が低いときは長く、高いときは短かくなり、３０
秒〜３時間程度が採用される。

【００２８】

【実施例】

実施例１ 重量でＣ≦０．００６％、Ｓｉ：５．０〜７．１％、Ｍ
ｎ：０．０７〜０．３０％、Ｓ≦０．００７％、酸可溶
性Ａｌ：０．００６〜０．０３８％、ｔｏｔａｌ Ｎ：
８〜３０ppm 、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼
板を加熱炉で１２００℃で加熱し、５〜５０％の各圧下
率で粗圧延することにより歪みを導入し、１２００℃に
再加熱後、仕上圧延を行って１．８mm厚とした熱延板の
粗圧延段階の結晶粒径と耳割れ状況を表１に示した。

【００２９】

【表１】

【００３０】粗圧延段階の平均結晶粒径が２０mm以下の
ものは耳割れ状況がよく、仕上圧延時、破断もなく安定
した圧延が可能であった。 実施例２ 重量でＣ≦０．００６％、Ｓｉ：５．０〜７．１％、Ｍ
ｎ：０．０７〜０．３０％、Ｓ≦０．００７％、酸可溶
性Ａｌ：０．００６〜０．０３８％、ｔｏｔａｌ Ｎ：
８〜３０ppm 、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼
板を加熱炉で１２００℃で加熱し、粗圧延で３０％の圧
下を加え、再加熱時１１００℃超〜１２００℃までの昇
温速度を５〜３０℃／ｍｉｎで行い、仕上圧延で１．８
mm厚とした熱延板の粗圧延段階の結晶粒径と耳割れ状況
を表２に示した。

【００３１】

【表２】

【００３２】再加熱時の昇温温度が１０℃／ｍｉｎ以上
であれば粗圧延段階の平均結晶粒径が２０mm以下とな
り、耳割れ状況がよく、破断なく熱延板を製造すること
が可能であった。 実施例３ Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、酸可溶性Ａｌが表３に示すもの
で、残部がＦｅおよび不可避的不純物である５０kgイン
ゴットを作成し、１２００℃に加熱して３５％の各圧下
率で粗圧延することにより歪みを導入し、１２００℃に
再加熱後、仕上圧延を行い１．８mm厚の鋼板とした。

【００３３】この鋼板から各成分材について、幅５cm×
長１２cm×１０枚を準備し、１８０℃の板温度で０．２
３mm厚まで冷間圧延した。この時の冷間圧延破断割合を
表３に示した。

【００３４】

【表３】

【００３５】本発明で限定した成分条件を満たす鋼板に
ついては、０．２３mm厚までほとんど冷間圧延破断を生
じることなく圧延可能であった。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、難加工な略６．５％Ｓ
ｉ含有鋼について、通常の熱間圧延により極めて破断の
少ない熱延板を作成することができる。さらに通常の冷
間圧延により極めて薄い板厚まで加工でき、その鉄損は
低く、特に周波数が高くなると優れた鉄損値を示す薄板
を供給することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】粗圧延の圧下率と平均結晶粒径を示す図であ
る。

【図２】粗圧延３０％後の再加熱時の昇温速度と平均結
晶粒径を示す図である。

【図３】鋼中のＴ．Ｎと酸可溶性Ａｌの異なる鋼板の冷
間圧延破断率を示す図である。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量で、Ｃ≦０．００６％、Ｓｉ：５．
   ０〜７．１％、Ｍｎ：０．０７〜０．３０％、Ｓ≦０．
   ００７％、酸可溶性Ａｌ：０．００６〜０．０３８％、
   ｔｏｔａｌ Ｎ：８〜３０ppm 、残部Ｆｅおよび不可避
   的不純物からなる材料を、１１００℃を超え１２５０℃
   以下の温度域に加熱して１５〜４０％の圧下率を適用す
   る粗熱間圧延を施して歪を導入し、次いで１１００℃を
   超え１２５０℃以下の温度域に再加熱して仕上圧延を施
   した後、板温を１２０〜３５０℃の温度域として冷間圧
   延して最終板厚とし、次いで再結晶と粒成長を目的とす
   る焼鈍を施すことを特徴とする超高珪素電磁鋼板の製造
   方法。
2. 【請求項２】 板温を１２０〜３５０℃の温度域として
   なされる冷間圧延により、最終板厚を０．２３mm以下と
   することを特徴とする請求項１記載の超高珪素電磁鋼板
   の製造方法。