JP2701443B2

JP2701443B2 - 優れた鉄損特性を有する高珪素鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2701443B2
Application number: JP1086633A
Authority: JP
Inventors: 昭日裏; 靖田中
Original assignee: 日本鋼管株式会社
Priority date: 1989-04-05
Filing date: 1989-04-05
Publication date: 1998-01-21
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: JPH02267246A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、鉄損特性に優れた高珪素鋼板およびその
製造方法に関するものである。

［従来の技術］珪素鋼板は優れた磁気特性を有するため、従来から電
力用の磁心や回転機用の材料として大量に使用されて来
た。近年省エネルギー、省資源の観点から変圧器、回転
機などの電気機器の効率化、小型化が強く要求され、こ
れに伴いその鉄心用材料である珪素鋼板にも、より優れ
た磁気特性が要求されるようになってきた。この珪素鋼
板の磁気特性はSi添加量とともに向上し、特に6.5wt.％
付近で最高の透磁率を示し、さらに固有電気抵抗も高い
ことから、鉄損も小さくなることが知られている。

近年、高珪素鉄合金をベースとした磁心材料に関する
いくつかの提案がなされている。

例えば、特開昭59−78503号公報には、珪素量6.5％近
傍の面内無配向高珪素鉄薄帯において、平均結晶粒径を
0.5〜2.0mmとすることが開示されている。以下、先行技
術１という。

また、特公昭61−15136号公報には、珪素４〜10％を
含有する薄帯において、結晶粒が、１〜100μｍでかつ
結晶粒が、薄帯表面に対し垂直に成長した柱状晶からな
る高珪素鋼薄帯が開示されている。以下、先行技術２と
いう。

上記２つの方法は、いずれも超急冷技術により板厚10
〜200μｍ程度の薄帯とした後、熱処理により結晶粒径
を制御するものである。

さらに、最近の高速回転機の回転子用材料として、例
えば、特開昭62−196358号公報には、Si:2.5〜7.0wt.％
に各種の添加元素を加え、板厚１〜300μｍ、平均結晶
粒径10〜2000μｍの高抗張力軟磁性鋼板が開示されてい
る。以下、先行技術３という。

そして、第６回日本応用磁気学会学術講演概要集
（1982、11）には、6.5wt.％の珪素を含有した高珪素鋼
板が開示されている。以下、先行技術４という。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上述した先行技術は、以下の問題を有
している。

先行技術１は、珪素量および結晶粒径に関して、この
発明と類似するものの、（100）面の極密度および使用
周波数についての記載は全くない。

先行技術２は、成分組成に関して、この発明と類似す
るものの、（100）面の極密度についての記載はない。
しかし、組織を柱状晶化することが必須の要件となって
いる。

先行技術３は、高抗張力を付与するために、各種の添
加元素を加えているため、磁気特性の劣化をまねき、特
に実用上使用可能な板厚0.1〜0.3mmの範囲内の高周波鉄
損特性は、0.1mmでW₁₀/₁₀₀₀が70w/kg,0.3mmでW₁₀/₁₀₀₀
が100w/kgと、かなり大きな値を示している。そのた
め、その用途はかなり限定される。

先行技術４は、この発明と比べると、鉄損特性が悪
い。これは、第１図から明らかである。第１図は、本発
明鋼板および比較鋼板における鉄損と平均結晶粒径との
関係を示すグラフである。第１図から明らかなように、
見かけ上、本発明鋼板の方が鉄損特性が劣るようである
が、本発明鋼板の板厚は、比較鋼板に比べて3.5倍と厚
い。鉄損中の渦電流損失は、板厚の２乗に比例して増加
することから、結局、本発明鋼板の方が比較鋼板に比べ
て鉄損特性が優れていることが明らかである。

従って、この発明の目的は、所定の周波数帯域におい
て、優れた鉄損特性を有する高珪素鋼板およびその製造
方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］本願発明者等は、所定の周波数帯域において、優れた
鉄損特性を有する高珪素鋼板およびその製造方法を得べ
く鋭意研究を重ねた。その結果、次の知見を得た。

（１）板面の結晶粒径が20〜2000μｍに調整された冷間
圧延高珪素鋼板は、優れた鉄損特性を示す。

（２）板厚および使用周波数によって鉄損が最小となる
最適結晶粒径が存在する。

（３）結晶粒径の調整に当たり、鋼板面上の（100）面
極密度が重要であり、その値によって、鉄損最小の最適
結晶粒径が変化する。

この発明は、上述した（１）から（３）の知見に基づ
いてなされたものであって、第１の発明は、Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可
避的不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,So
l.Al,N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,Oお
よびＰについては、0.01％以下、Mnについては、0.5％
以下、Sol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）で
あり、板厚が0.1から0.5mm、板面の（100）面極密度が1
0から25％、そして、板面の平均結晶粒径が100から800
μｍであることに特徴を有する。

第２の発明は、Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可
避的不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,So
l.Al,N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,Oお
よびＰについては、0.01％以下、Mnについては、0.5％
以下、Sol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）で
あり、板厚が0.1から0.5mm、板面の（100）面極密度が1
0から25％、そして、板面の平均結晶粒径が20から700μ
ｍであることに特徴を有する。

第３の発明は、Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可
避的不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,So
l.Al,N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,Oお
よびＰについては、0.01％以下、Mnについては、0.5％
以下、Sol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）の
鋼からスラブを調製し、次いで、前記スラブを700から1
200℃の仕上げ温度で熱間圧延し、次いで、室温から500
℃の温度範囲で冷間または温間圧延して、板厚0.1から
0.5mmの薄板を調製し、次いで、前記薄板を、不活性ま
たは還元性雰囲気中で、700から1300℃の温度の基で焼
成することに特徴を有する。

第４の発明は、Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可
避的不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,So
l.Al,N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,Oお
よびＰについては、0.01％以下、Mnについては、0.5％
以下、Sol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）の
鋼からスラブを調製し、次いで、前記スラブを熱間圧延
し、次いで、冷間圧延して、板厚0.1から0.5mmの薄板を
調製し、次いで、前記薄板を、四塩化珪素を含む雰囲気
中において浸珪処理を施すことに特徴を有する。

次に、この発明において、化学成分組成を上述したよ
うに限定した理由について説明する。

Si: Siは、電気抵抗を高めて渦電流損失を低減させる効果
があるが、4wt.％未満では、その効果が十分に現れな
い。一方、7wt.％を超えると、飽和磁束密度が低下し且
つコスト高となる。従って、Si含有量は、４から7wt.％
の範囲内に限定すべきである。

C: Ｃは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つであり、
少ない程、好ましいが、0.01wt.％を超えると、鉄損が
増大し、磁気時効が生じる。従って、Ｃ含有量は、0.01
wt.％以下に限定すべきである。

Mn: Mnは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つである
が、0.5wt.％を超えると、磁束密度が低くなる。従っ
て、Mn含有量は、0.5wt.％以下に限定すべきである。

Sol.Al: Alは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つである
が、0.1wt.％を超えると、高温度下での焼鈍時にAlNが
析出する。従って、Sol.Al含有量は、0.1wt.％以下に限
定すべきである。

N: Ｎは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つであり、
少ない程、好ましいが、0.01wt.％を超えると、磁気特
性が劣化する。従って、Ｎ含有量は、0.01wt.％以下に
限定すべきである。

S: Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つであり、
少ない程、好ましいが、0.01wt.％を超えると、MnSが生
成されて磁気特性を劣化させる。従って、Ｓ含有量は、
0.01wt.％以下に限定すべきである。

P: Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つである
が、0.01wt.％を超えると、圧延時に粒界割れが生じ
る。従って、Ｐ含有量は、0.01wt.％以下に限定すべき
である。

O: Ｏは、鋼中に不可避的に含まれる元素の１つであり、
少ない程、好ましいが、0.01wt.％を超えると、酸化物
系介在物が生成されて磁気特性を劣化させる。従って、
Ｏ含有量は、0.01wt.％以下に限定すべきである。

次に、この発明において、高珪素鋼板の板厚を0.1か
ら0.5mmの範囲に限定した理由について説明する。

第２図は、第１表に示される化学成分組成を有する鋼
板を、200℃の温度で温間圧延して0.1,0.2,0.3,0.35,0.
5mm厚の薄板とし、Ar雰囲気中にて、800℃の熱処理によ
り、平均粒径を100μｍに調整したときの、鉄損と板厚
との関係を示す。

第２図から明らかなように、板厚0.1〜0.5mmの範囲で
優れた鉄損値を示すことがわかる。なお、板厚0.1mm以
下では、渦電流損失が低下するため、さらに低い鉄損値
を示すことが推定されるが、0.1mm以下に圧延するため
にはコストが上昇する上に使用上においても部品製作時
の積層、巻き回し等での工程が繁雑になる。一方、板厚
が0.5mmを超えると渦電流損失が増大して、鉄損が増大
する。従って、板厚は、0.1から0.5mmの範囲内に限定す
べきである。

次に、上記第１表に示す化学成分組成を有する鋼板の
鉄損と（100）面極密度との関係について調べた。この
結果を第３図に示す。第３図から明らかなように、（10
0）面極密度が10％以上で鉄損値が小さくなることがわ
かる。

この発明においては、（100）面極密度を10から25％
の範囲内に限定するが、これは、次の理由による。即
ち、（100）面極密度は、上述したように、10％以上で
高いほど磁気特性が良好となるが、（100）面極密度を2
5％を超えて高めることはプロセス上、格段の工夫を要
し、コスト高となるからである。

次に、板厚および周波数による鉄損の結晶粒径依存性
について調べるために、第１表に示す化学成分組成を有
する、厚さ0.35mmの鋼板に、Ar雰囲気中において、800
から1200℃の温度で５分間、連続焼鈍を施したときの、
鉄損Ｗ_10/50,W_10/400,W_10/1000と平均結晶粒径との関係
について調べた。この結果を第４図から第６図に示す。

なお、Ｗ_10/50では、0.8W/kg以下、Ｗ_10/400では、14
W/kg以下、Ｗ_10/1000では、58W/kg以下であれば、低鉄
損といえる。従って、これらの値以下の鉄損となる平均
結晶粒径を本願発明の範囲とした。

第４図〜第６図から明らかなように、測定周波数によ
って、鉄損が最小となる最適結晶粒径が存在することが
わかる。また、周波数が高くなると、その最適値は小さ
くなることがわかる。

次に、（100）面極密度が10から25％の場合の、鉄損
値が最小となる使用周波数と平均結晶粒径との関係につ
いて調べた。この結果を第７図に示す。

第７図から明らかなように、（100）面極密度が10か
ら25％の場合の、鉄損値が最小となる平均結晶粒径は、
使用周波数が50Hzから1KHzの範囲では、100から800μｍ
であり、使用周波数が1KHz超から50KHzの範囲では、20
から700μｍである。

なお、平均結晶粒径の定義について以下に述べる。

本発明鋼板は、圧延組織を起点として、熱処理により
再結晶組織として使用に供する。通常、熱処理時には、
板全体が同時に再結晶することはなく、部分再結晶組織
や混粒組織となる。また、再結晶後の粒成長過程で、異
常粒成長を引き起こす場合もある。この場合は、所望の
鉄損特性を発揮しない場合もある。そこで鋼板の板面平
均結晶粒径Ｄを規定するに当たり、その対象組織の粒径
分布は、0.02D〜50Dを目処とする。0.02D〜50Dの範囲内
の粒径分布を有する組織の全組織に占める割合は、99％
以上である。

前述したように、優れた鉄損特性を有する高珪素鋼板
を得るには、10から25％の範囲内の、（100）面極密度
および周波数に応じた最適結晶粒径があるが、特に（10
0）面極密度の割合に着目して、さらに検討を加えたと
ころ新たな知見を得た。第８図および９図は、結晶粒径
を制御するために熱処理雰囲気を真空中（10^-4Torr）に
て行った結果である。図面よりAr中で焼鈍した（100）
面極密度10％以上の組織を有する鋼板に比べて、鉄損値
が、最小となる結晶粒径が変化することがわかる。

次に、この発明の高珪素鋼板の製造方法について説明
する。

Si:4.0〜7.0％，残り、Feおよび不可避的不純物から
なり、不可避的不純物としてのC,Mn,Sol.Al,N.S.O,P
は、C:0.01％以下、Mn:0.5％以下、S:0.01％以下、P:0.
01％以下、Sol.Al:0.1％以下、N:0.01％以下、O:0.01％
以下（以上、重量％）の鋼を、造塊・分塊圧延または連
続鋳造してスラブを調製する。この場合の分塊圧延は、
好ましくは、1000℃以上で行う方が良い。次に、700℃
〜1200℃の温度範囲の仕上げ温度において熱間圧延を行
う。700℃未満でスラブを熱間圧延すると、圧延時の変
形抵抗が増大し、一方、1200℃を超えるとスラブ加熱時
にスケールが溶融する。従って、700℃〜1,200℃の仕上
げ温度範囲で熱間圧延を行う必要がある。

次いで、室温〜500℃の温度範囲で冷間あるいは温間
圧延により0.1から0.5mmの範囲内の板厚に仕上げる。最
終板厚までの圧延方法は、１回あるいは中間焼鈍をはさ
んだ２回以上の圧延で行っても良い。

次に、10^-3Torr以上の真空中あるいは不活性あるいは
還元性雰囲気中にて、700〜1300℃の温度で焼鈍を施
す。この焼鈍により、（100）面極密度と結晶粒径の制
御を行うが、このときの焼鈍雰囲気は非常に重要であ
る。即ち、（100）面極密度を10〜25％の範囲にするに
は、例えば、Ar,N₂,H₂のうちの少なくとも１つの雰囲気
中で焼鈍を行う必要がある。そして、（100）面極密度
を25％超にするには、10^-3Torr以上の真空中で焼鈍を行
う必要がある。10^-3Torr未満では（100）面極密度が25
％に満たない場合があるため、10^-3Torr以上に限定す
る。

焼鈍温度を700〜1300℃の範囲内に限定したのは、次
の理由による。即ち、焼鈍温度が、700℃未満では、粒
径を制御するための再結晶に時間がかかり不経済であ
り、一方、1300℃を超えると、鋼板の結晶粒径が粗大化
し易くなり、粒径が1500μｍを超えるからである。な
お、冷却速度は、200℃/sec〜200℃/hの範囲内で行うの
が好ましい。

ところで、Si含有量が少ない程、加工性が向上するの
で、Si含有量が少ない鋼板を使用し、圧延後、浸珪処理
によって鋼板中のSi含有量を増加させて、最終的にSi含
有量を４から7wt.％に調整することが考えられる。この
場合、浸珪処理によって鋼板の板厚が若干減少するの
で、圧延後の鋼板の板厚は、前述した方法に比べて若干
厚めにし、最終板厚が0.1から0.5mmとなるようにする。
浸珪処理は、SiCl₄を含んだ無酸化性ガス雰囲気中にお
いて、鋼板に1023〜1200℃の温度で連続的に化学気相蒸
着を施して、鋼板の表面にFe₃Si層を形成し、次いで、S
iCl₄を含まない無酸化性ガス雰囲気中で、Siを鋼板内部
に撹拌させるものである。

［実施例１］次に、この発明を実施例によって更に詳細に説明す
る。

第２表に示す化学成分組成を有するスラブを熱間圧延
して、厚さ1.6mmの鋼板を調製した。このときのスラブ
の加熱温度は1150℃、仕上げ温度は800℃であった。次
いで、この鋼板を300℃の温度で温間圧延して、厚さ0.3
5mmの薄板を調製した。次いで、このようにして得られ
た薄板をAr雰囲気中で800から1200℃内の各温度で３分
間連続焼鈍を行って、種々の結晶粒径を有する高珪素鋼
板を製造した。そして、このようにして製造した高珪素
鋼板から、外径20mm、内径10mmのリング状サンプルを切
り出し、50Hz〜500KHzの鉄損を測定した。この結果を第
３表に示す。（100）面極密度は、Ｘ線回折（反射法）
により測定した。この結果、（100）面極密度は、何れ
も10から25％の範囲内であった。

第３表から明らかなように、この発明の高珪素鋼板N
o.2〜５の鉄損は、粒径が本発明範囲外の鋼板No.1の鉄
損に比べて優れていることがわかる。

［実施例２］第４表に示す化学成分組成を有するスラブを熱間圧延
して、厚さ1.8mmの鋼板を調製した。次いで、この鋼板
を冷間圧延して0.35mmの薄板を調製した。次いで、この
ようにして得た薄板に、ArとSiCl₄との混合ガス雰囲気
中で、浸珪処理を施して、Si含有量を6.5wt.％とした。
このようにして調製した高珪素鋼から外径20mm、内径10
mmのリング状サンプルを切り出し、鉄損を測定した。こ
の結果を第５表に示す。

第５表から明らかなように、この発明の高珪素鋼板N
o.3は、比較鋼板No.1、２に比べて優れた鉄損を有して
いることがわかる。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、優れた鉄損
特性を有する高珪素鋼板を製造することができるといっ
た有用な効果がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、異なる板厚の鋼板における、鉄損と平均結晶
粒径との関係を示すグラフ、第２図は、鉄損と板厚との
関係を示すグラフ、第３図は、鉄損と（100）面極密度
との関係を示すグラフ、第４図から第６図は、異なる周
波数における鉄損と平均結晶粒径との関係を示すグラ
フ、第７図は、使用周波数と平均結晶粒径との関係を示
すグラフ、第８図、第９図は、異なる雰囲気中で焼鈍し
たときの鉄損と平均結晶粒径との関係を示すグラフであ
る。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可避的
不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,Sol.Al,
N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,OおよびＰ
については、0.01％以下、Mnについては、0.5％以下、S
ol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）であり、板
厚が0.1から0.5mm、板面の（100）面極密度が10から25
％、そして、板面の平均結晶粒径が100から800μｍであ
ることを特徴とする、50Hzから1KHzの周波数域において
優れた鉄損特性を有する高珪素鋼板。
【請求項２】Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可避的
不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,Sol.Al,
N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,OおよびＰ
については、0.01％以下、Mnについては、0.5％以下、S
ol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）であり、板
厚が0.1から0.5mm、板面の（100）面極密度が10から25
％、そして、板面の平均結晶粒径が20から700μｍであ
ることを特徴とする、1KHz超から50KHzの周波数域にお
いて優れた鉄損特性を有する高珪素鋼板。
【請求項３】Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可避的
不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,Sol.Al,
N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,OおよびＰ
については、0.01％以下、Mnについては、0.5％以下、S
ol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）の鋼からス
ラブを調製し、次いで、前記スラブを700から1200℃の
仕上げの温度で熱間圧延し、次いで、室温から500℃の
温度範囲で冷間または温間圧延して、板厚0.1から0.5mm
の薄板を調製し、次いで、前記薄板を、不活性または還
元性雰囲気中で、700から1300℃の温度の基で焼鈍する
ことを特徴とする、板厚が0.1から0.5mm、板面の（10
0）面極密度が10から25％、そして、板面の平均結晶粒
径が20から800μｍの、優れた鉄損特性を有する高珪素
鋼板の製造方法。
【請求項４】Si:4.0から7.0％、残り:Feおよび不可避的
不純物からなり、不可避的不純物としてのC,Mn,Sol.Al,
N,S,OおよびＰのそれぞれの含有量は、C,N,S,OおよびＰ
については、0.01％以下、Mnについては、0.5％以下、S
ol.Alについては、0.1％以下（以上重量％）の鋼からス
ラブを調製し、次いで、前記スラブを熱間圧延し、次い
で、冷間圧延して、板厚0.1から0.5mmの薄板を調製し、
次いで、前記薄板を、四塩化珪素を含む雰囲気中におい
て浸珪処理を施すことを特徴とする、板厚が0.1から0.5
mmであり、（100）面極密度が10から25％、そして、板
面の平均結晶粒径が20から800μｍの、優れた鉄損特性
を有する高珪素鋼板の製造方法。