JP2664325B2 - 低鉄損方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶相を含有する被膜
を表面に形成した方向性電磁鋼板に関する。特に本発明
は、密着性が良好で、母材鋼板に大きな張力を付与する
被膜を表面に有することによって著しく鉄損が改善さ
れ、かつ占積率の高い方向性電磁鋼板に関する。

【０００２】

【従来の技術】方向性電磁鋼板は、（０１０），〔００
１〕を主方位とする結晶組織を有し、磁気鉄芯材料とし
て多用されており、エネルギーロスを少なくするために
鉄損を低減することが要求されている。方向性電磁鋼板
の鉄損を低減する手段としては、仕上げ焼鈍後の鋼板表
面にレーザービームを照射して局部的な歪を与え、それ
によって磁区を細分化する方法が特開昭５８−２６４０
５号公報に開示されている。また鉄芯加工後の歪取り焼
鈍（応力除去焼鈍）を施した後もその効果が消失しない
磁区細分化手段が、例えば特開昭６２−８６１７５号公
報に開示されている。

【０００３】一方で、方向性電磁鋼板は外部張力を付与
することによっても磁区の細分化が起こり、鉄損が低下
することが知られている。発明者らの検討によれば、
１．５kgf/mm² 程度までの張力付与は鉄損低減に有効に
作用することがわかっている。現在の方向性電磁鋼板に
は通常、仕上げ焼鈍（二次再結晶焼鈍）中に形成される
フォルステライト質の一次被膜、およびその上のコロイ
ダルシリカ−リン酸塩系の二次被膜が形成されており、
これらの被膜によって板厚０．２３mmの場合、約１kgf/
mm² の張力が付与されている。したがって現行被膜の場
合、より大きな張力付与による鉄損改善の余地は残され
ているものの、被膜を厚くすることによる付与張力の増
加は占積率が低下するため好ましくない。

【０００４】また、方向性電磁鋼板の鉄損を改善するも
う１つの方法として、仕上げ焼鈍後の鋼板表面の凹凸や
表面近傍の内部酸化層を除去して鏡面仕上げを行い、そ
の表面に金属メッキを施す方法が特公昭５２−２４４９
９号公報に、さらにその表面に張力被膜を形成する方法
が例えば特公昭５６−４１５０号公報、特開昭６１−２
０１７３２号公報、特公昭６３−５４７６７号公報、特
開平２−２１３４８３号公報などに記載されている。こ
の場合においても被膜による鋼板への張力付与の大きい
方が鉄損改善効果が大きい。これらのことから、薄くて
も鋼板への張力付与効果の大きな被膜が望まれていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これら従来
技術における問題点を解決し、密着性に優れ、薄くても
鋼板に大きな張力を付与する被膜を表面に有することに
よって鉄損が著しく改善され、かつ占積率の高い方向性
電磁鋼板を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者らは、被膜中に一
定量の結晶相を含有し、その結晶の熱膨張係数、ヤング
率、結晶子サイズ、および粒子レベルでの結晶粒子径を
制御することにより、張力付与による鉄損改善、高占積
率が有効に達成されることを見いだし、本発明を完成さ
せた。

【０００７】すなわち本発明の要旨とするところは以下
の通りである。 （１）１００GPa 以上のヤング率、および／または母材
鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有し、その
平均結晶子サイズが１０nm以上の結晶を重量割合で１０
％以上含有し、かつ結晶粒子の平均粒子径が１０００nm
以下である被膜が、０．２μｍ以上５μｍ以下の厚さで
表面に形成された低鉄損方向性電磁鋼板。 （２）１００GPa 以上のヤング率、および／または母材
鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有し、その
平均結晶子サイズが１０nm以上の結晶を重量割合で１０
％以上９５％未満、および上記結晶と他の被膜構成成分
および／または母材鋼板成分との反応によって生成した
前記要件を満たさない結晶５％以上９０％未満よりな
り、かつ構成する結晶粒子の平均粒子径がいずれも１０
００nm以下である被膜が、０．２μｍ以上５μｍ以下の
厚さで表面に形成された低鉄損方向性電磁鋼板。

【０００８】（３）平均結晶子サイズが１０nm以上の結
晶を重量割合で１０％以上９５％未満、および主として
焼き付け工程での溶融の結果生成した非晶質相５％以上
９０％未満よりなり、かつ結晶質粒子の平均粒子径が１
０００nm以下である被膜が、０．２μｍ以上５μｍ以下
の厚さで表面に形成された（２）に記載の低鉄損方向性
電磁鋼板。 （４）１００GPa 以上のヤング率、または母材鋼板と２
×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有する結晶がＬｉ，
Ｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃ
ｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｂａの少なくとも１種を
成分として含む化合物の１種または２種以上である
（１）に記載の低鉄損方向性電磁鋼板。

【０００９】（５）主として焼き付け工程での溶融の結
果生成した非晶質相がＢ，Ｐを１つの成分とするガラス
相である（３）に記載の低鉄損方向性電磁鋼板。 （６）１００GPa 以上のヤング率、または母材鋼板と２
×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有する結晶がほう酸
アルミニウムであり、非晶質相がＢを１つの成分とする
ガラス相である（３）に記載の低鉄損方向性電磁鋼板。

【００１０】

【作用】本発明の第１の方向性電磁鋼板は、１００GPa
以上のヤング率、または母材鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上
の熱膨張係数差を有し、その平均結晶子サイズが１０nm
以上の結晶を重量割合で１０％以上含有し、かつ結晶粒
子の平均粒子径が１０００nm以下である被膜を表面に有
しており、この被膜によって鋼板に大きな張力が付与さ
れ、低鉄損化が達成されている。従来より、鋼板に大き
な張力を付与するための被膜に要求される特性として、
鋼板との熱膨張係数の差が大きいこと、弾性率が大きい
こと、密着性が良好なことなどが指摘されているが（特
公昭５３−２８３７５号公報）、被膜中に１００GPa 以
上のヤング率、または母材鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の
熱膨張係数差を有する結晶を重量割合で１０％以上含有
することによってこれらが有効に達成される。

【００１１】高い張力を得るために好ましくは１５０GP
a 以上のヤング率または４×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係
数差であり、より好ましくは２００GPa 以上のヤング
率、または６×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差である。
特にヤング率と熱膨張係数差の両者がいずれもこれらの
条件を満たした結晶を含有する被膜では、極めて大きな
張力が付与され低鉄損化が達成される。またこれを平均
結晶子サイズが１０nm以上の結晶に限定した理由として
は、非晶質相の場合、通常、焼き付け工程での溶融、冷
却過程での固化によって生成する場合が多いため融点が
それほど高くなく、その後の歪取り焼鈍工程において一
部再溶融して被膜の特性が変わる可能性があるためであ
り、結晶相を含有することによって歪取り焼鈍において
も変化することがなく、安定した特性の被膜を得ること
ができる。

【００１２】上記の特性を有し、鋼板に大きな張力を付
与できる結晶としては、Ｌｉ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，
Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，
Ｚｒ，Ｓｎ，Ｂａの少なくとも１種を成分として含む酸
化物、窒化物、炭化物、酸窒化物などであり、なかでも
Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＳｉＯ₂ ，ＴｉＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ，ＭｇＯ・
Ａｌ₂ Ｏ₃ ，２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ，ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ，
２ＭｇＯ・ＴｉＯ₂ ，ＭｇＯ・ＴｉＯ₂ ，ＭｇＯ・２Ｔ
ｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ・ＳｉＯ₂ ，３Ａｌ₂ Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ・ＴｉＯ₂ ，ＺｎＯ・ＳｉＯ₂ ，Ｚｒ
Ｏ₂ ・ＳｉＯ₂，ＺｒＯ₂ ・ＴｉＯ₂ ，９Ａｌ₂ Ｏ₃ ・
２Ｂ₂ Ｏ₃ ，２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｂ₂ Ｏ₃ ，２ＭｇＯ・２Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂ ，Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２Ｓｉ
Ｏ₂ ，Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ ，ＢａＯ・Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ・ＳｉＯ₂ が前記の結晶特性を満たしており、
これらのうちの１種類を単独で、あるいは２種類以上を
混合した状態でより好適に用いられる。

【００１３】特に高い張力の付与によって著しい鉄損低
減をもたらす結晶相としては上記化合物のうちＡｌ₂ Ｏ
₃ ，ＳｉＯ₂ ，ＴｉＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ，ＭｇＯ・Ａｌ₂ Ｏ
₃ ，２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ，ＭｇＯ・ＳｉＯ₂ ，２ＭｇＯ
・ＴｉＯ₂ ，ＭｇＯ・ＴｉＯ₂ ，ＭｇＯ・２ＴｉＯ₂ ，
Ａｌ₂ Ｏ₃ ・ＳｉＯ₂ ，３Ａｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ，Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ・ＴｉＯ₂ ，ＺｒＯ₂ ・ＳｉＯ₂ ，９Ａｌ₂ Ｏ
₃ ・２Ｂ₂ Ｏ₃ ，２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｂ₂ Ｏ₃ ，２ＭｇＯ・
２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・５ＳｉＯ₂ ，Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃ ・２
ＳｉＯ₂ ，Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ が好適に
用いられる。

【００１４】これら結晶相の被膜中での含有量は１０％
以上であれば特に支障はなく、鋼板の低鉄損化をもたら
すものの、安定して高い張力を付与するためには３０％
以上が好ましく、より好ましくは５０％以上含有させる
ことである。さらに被膜は通常無機質であるため、その
特性は含有する結晶はもちろんのこと粒子レベルでの微
細構造にも依存する。鋼板に張力を付与することによっ
て被膜には圧縮応力がかかるが、これに耐えて安定して
高い張力を付与するためには被膜を構成する結晶粒子が
大きくない方が好ましく、好ましくは１０００nm以下、
より好ましくは５００nm以下である。被膜の厚さは、効
果的な張力付与の観点から０．２μｍは必要であり、好
ましくは０．５μｍ以上である。また厚すぎると占積率
の低下をもたらすため５μｍ以下が好ましい。特に０．
２３mm未満の薄手鋼板に対しては薄い被膜が必要不可欠
である。

【００１５】本発明の第２の低鉄損方向性電磁鋼板の表
面被膜には、上記要件を満たす結晶（以下結晶相
（Ａ））のほかにそれ以外の結晶（以下結晶相
（Ｂ））、または非晶質相を重量割合で５％以上９０％
未満含有する。このうち結晶相（Ｂ）は、焼き付け工程
において、結晶相（Ａ）と他の成分との反応の結果生成
したものであり、ヤング率、熱膨張係数などの特性が結
晶相（Ａ）の要件を満たさないため鋼板への張力付与へ
の寄与は小さい。しかしながら、焼き付け工程での反応
によって被膜と鋼板との密着性を格段に向上させる機能
を有するため、結果として張力被膜の成分としてはなく
てはならないものである。

【００１６】この場合の被膜構成成分とは張力被膜中の
他の成分はもちろんのこと、張力被膜を形成する以前に
鋼板にすでに形成されている下地被膜中の成分も含まれ
る。特に著しい低鉄損を意図して鏡面化した鋼板表面に
張力付与の被膜を形成する場合、密着性の確保が大きな
問題となるが、本発明の結晶相（Ｂ）を被膜に含有する
ことによって著しい密着性の向上がはかれる。結晶相
（Ｂ）は特に限定されるものではなく、反応の結果生成
したものであればいかなるものも好適に用いられる。

【００１７】一方の非晶質相も張力被膜の中にあって密
着性を向上させる機能を有するものである。この非晶質
相は反応によって生成した前記結晶相（Ｂ）が、あるい
は結晶相（Ａ）以外の被膜構成成分が単独で焼き付け工
程で少なくともその一部が溶融した結果生成するもので
ある。非晶質相も特に限定されないが、Ｂ，Ｐを１つの
成分とするガラス相、例えばほうけい酸ガラス、あるい
はりん酸塩系ガラスなどが被膜の耐熱性、安定性、張力
付与などの点から好適に用いられる。

【００１８】結晶相（Ｂ）、または非晶質相の被膜中の
含有量は重量割合で５％以上９０％未満で特に支障はな
く、結晶相（Ａ）と共存する非晶質相は９０％未満まで
含有することが可能である。しかしながらこれらの成分
が直接の張力付与成分ではないことから、好ましくは５
％以上７０％未満、より好ましくは５％以上５０％未満
の含有が望ましい。

【００１９】これまでに述べてきた被膜は、二次再結晶
焼鈍が完了した鋼板地鉄表面上に直接形成してあるのは
もちろんのこと、密着性を高めるためにその表面に何ら
かの下地処理を施した鋼板の表面に形成してあっても低
鉄損の方向性電磁鋼板が得られる。また通常の二次再結
晶焼鈍で生成するフォルステライト質の一次被膜、ある
いはさらにコロイダルシリカ−りん酸塩系の二次被膜の
表面に形成されている場合でも低鉄損の方向性電磁鋼板
が得られる。

【００２０】以上、表面に被膜を有する低鉄損方向性電
磁鋼板について述べてきたが、特に顕著な張力付与を示
し、低鉄損化に寄与する被膜としては、結晶相Ａとして
ほう酸アルミニウム、非晶質相としてＢを１つの成分と
するガラス相、および不可避的に生成する他の成分から
なるものである。ほう酸アルミニウムには９Ａｌ₂ Ｏ₃
・２Ｂ₂ Ｏ₃ ，２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｂ₂ Ｏ₃ などの組成が存
在するが、これらはいずれも約２００GPa のヤング率を
有し、熱膨張係数が約４×１０^-6／Ｋで鋼板と８×１０
^-6／Ｋ以上の差を有している。Ｂを成分とするガラス相
は、ほうけい酸ガラス、あるいはアルミノほうけい酸ガ
ラスを形成することによって被膜と地鉄鋼板、あるいは
すでに形成されている一次、二次被膜との密着性を格段
に高めている。以下に本発明を実施例を用いて説明する
が、本発明はかかる実施例にのみ限定されるものではな
い。

【００２１】

【実施例】

実施例１ 表１に示したゾルを以下の方法により作製した。Ａｌ₂
Ｏ₃ ゾルは市販のベーマイト粉末（ＣＯＮＤＥＡ ＶＩ
ＳＴＡ社；Ｄｉｓｐａｌ）に蒸留水を加え、撹拌するこ
とによって均一なゾルとした。ＳｉＯ₂ ，ＴｉＯ₂ ，Ｚ
ｒＯ₂ ゾルは、市販のゾル（日産化学など）に必要に応
じてｐＨ調整を行った。複合酸化物ゾルについては、上
記酸化物ゾルを複合酸化物の組成となるように配合し、
均一になるまで撹拌することによって得た。

【００２２】このうち、ＭｇＯ成分はマグネシウムジエ
トキシドを加水分解して得た微粉末を、ＢａＯ成分は金
属バリウムをメタノールに溶解して得たバリウムメトキ
シドを加水分解して作製したゾルを、ＺｎＯ成分は市販
の超微粉末を分散、ｐＨ調整して用いた。Ｌｉ₂ Ｏ・Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ ・２ＳｉＯ₂ ，Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４Ｓｉ
Ｏ₂ は、市販のリチウムシリケートゾルをベースに作製
した。

【００２３】これらのゾルを、Ｓｉを３．３wt％含有す
る板厚０．２mmの仕上げ焼鈍後のフォルステライト質被
膜（一次被膜）が形成された鋼板、その表面にリン酸塩
系被膜（二次被膜）が形成された鋼板に、所定量塗布
し、乾燥させてゲル化した後、１０００℃で６０秒、窒
素中で焼き付けを行い均質な被膜を得た。被膜の性状は
表１中に併記した。

【００２４】結晶子サイズは、結晶性が極めて良好な金
属Ｓｉ粉末を標準とし、ピーク幅の広がりから算出し
た。被膜の外観、密着性は極めて良好であり、片面のす
べての被膜を除去し、その曲がりの程度から算出した張
力、被膜形成前後の飽和磁束密度、鉄損を表１に示し
た。これより、被膜形成により鉄損値が格段に向上した
電磁鋼板が得られていることがわかる。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】実施例２ 実施例１と同様にして作製したゾルに、表２に示した成
分を添加した塗布液を作製し、実施例１の２種類の被膜
付き鋼板、および酸処理法、アルミナ塗布二次再結晶法
で作製した２種類の鏡面化鋼板に、所定量塗布し、乾燥
させてゲル化した後、９００℃で６０秒、水素を体積割
合で４％含有する窒素雰囲気中で焼き付けを行い均質な
被膜を得た。被膜の性状、鋼板の磁気特性を表２に示し
た。これより被膜形成により鉄損値が格段に向上した電
磁鋼板が得られていることがわかる。

【００３０】

【表５】

【００３１】

【表６】

【００３２】

【表７】

【００３３】

【表８】

【００３４】

【発明の効果】本発明は、特定の性状の結晶質相を含有
することで鋼板に十分な張力を付与する被膜を表面に有
することによって鉄損が著しく改善され、かつ高い占積
率を有する方向性電磁鋼板を提供するものである。特
に、本被膜は著しい低鉄損化を意図して鏡面に近い状態
にまで平滑化した鋼板に対しても良好な密着性を示し、
十分な鉄損改善効果をもたらしており、その工業的効果
は甚大である。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １００GPa 以上のヤング率、および／ま
   たは母材鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有
   し、その平均結晶子サイズが１０nm以上の結晶を重量割
   合で１０％以上含有し、かつ結晶粒子の平均粒子径が１
   ０００nm以下である被膜が、０．２μｍ以上５μｍ以下
   の厚さで表面に形成された低鉄損方向性電磁鋼板。
2. 【請求項２】 １００GPa 以上のヤング率、および／ま
   たは母材鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有
   し、その平均結晶子サイズが１０nm以上の結晶を重量割
   合で１０％以上９５％未満、および上記結晶と他の被膜
   構成成分および／または母材鋼板成分との反応によって
   生成した前記要件を満たさない結晶５％以上９０％未満
   よりなり、かつ構成する結晶粒子の平均粒子径がいずれ
   も１０００nm以下である被膜が、０．２μｍ以上５μｍ
   以下の厚さで表面に形成された低鉄損方向性電磁鋼板。
3. 【請求項３】 平均結晶子サイズが１０nm以上の結晶を
   重量割合で１０％以上９５％未満、および主として焼き
   付け工程での溶融の結果生成した非晶質相５％以上９０
   ％未満よりなり、かつ結晶質粒子の平均粒子径が１００
   ０nm以下である被膜が、０．２μｍ以上５μｍ以下の厚
   さで表面に形成された請求項２記載の低鉄損方向性電磁
   鋼板。
4. 【請求項４】 １００GPa 以上のヤング率、または母材
   鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有する結晶
   がＬｉ，Ｂ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｍｎ，
   Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｂａの少なくと
   も１種を成分として含む化合物の１種または２種以上で
   ある請求項１記載の低鉄損方向性電磁鋼板。
5. 【請求項５】 主として焼き付け工程での溶融の結果生
   成した非晶質相がＢ，Ｐを１つの成分とするガラス相で
   ある請求項３記載の低鉄損方向性電磁鋼板。
6. 【請求項６】 １００GPa 以上のヤング率、または母材
   鋼板と２×１０^-6／Ｋ以上の熱膨張係数差を有する結晶
   がほう酸アルミニウムであり、非晶質相がＢを１つの成
   分とするガラス相である請求項３記載の低鉄損方向性電
   磁鋼板。