JP2762105B2 - 鉄損特性の良い高磁束密度一方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電気機器の鉄心として用いられる鉄損が良
く、かつ高磁束密度である一方向性電磁鋼板の製造方法
に関する。

（従来の技術） 一方向性電磁鋼板は鋼板面が｛110｝面で、圧延方向
に＜100＞軸を有するいわゆるゴス方位（ミラー指数で
｛110｝＜001＞方位と表す）を持つ結晶粒から構成され
ており、軟磁性材料として変圧器および回転機の鉄心に
使用される。この鋼板は磁気特性として磁化特性と鉄損
特性が良好でなければならない。磁化特性の良否は、か
けられた一定の磁場の下で鉄心内に誘起される磁束密度
で決まり、磁束密度の高い製品を用いると鉄心を小型化
出来る。磁束密度の高い製品は結晶粒の方位を｛110｝
＜001＞に高度に揃えることによって得られる。鉄損は
鉄心に所定の交流磁場を与えた時に熱エネルギーとして
消費される電力損失であり、その良否に対して磁束密
度、板厚、鋼中の不純物量、比抵抗、結晶粒度等が影響
する。最近では、一層の低鉄損を達成するために、二次
再結晶完了後の成品表面に磁区細分化を狙って、種々の
処理が行われている。例えば和田らは特開昭61−96036
号公報に侵入元素処理による非磁性体の異物形成の技
術、小林らは特開昭62−67114号公報でロールによる溝
形成の技術を開示した。これらの方法は、いずれも追加
工程が必要であり、製造コストが高くなる。その他、通
常行われる製造工程の中に磁区細分化の作用をもたらす
処理を組み込む事も行われているが、必ずしも鉄損減少
に対し満足出来る方法は確立されていない。

磁束密度の高い製品は、電気機器の鉄心を小さく出来
ると共に、鉄損も低くなるので望ましい。特に磁区細分
化処理を行った場合の鉄損減少効果が磁束密度の高いほ
ど大きいので望ましい。したがって、当該分野では出来
る限り磁束密度の高い製品を、低コストで製造する方法
の開発が課題となっている。ところで、一方向性電磁鋼
板は熱延と冷延により最終板厚になった鋼板を仕上高温
焼鈍することにより、｛110｝＜001＞方位を有する一次
再結晶粒が選択成長するいわゆる二次再結晶によって得
られる。二次再結晶を生じさせるには二次再結晶前の鋼
板中に微細な析出物、例えばMnS,AlN等、を存在させる
ことにより仕上高温焼鈍中の｛110｝＜001＞方位粒以外
の粒成長を抑える（インヒビター効果）必要がある。従
って、当該分野の研究開発の視点は、いかなる種類の析
出物を用いて二次再結晶を生じさせるか、そして正確な
｛110｝＜001＞方位粒の存在割合を高めるために、適切
な析出物の分布状態をいかに達成するかにある。代表製
造技術として、N.F.Littmannは特公昭30−3651号公報
に、又J.E.MayおよびD.TurnbullはTtran.Met.Soc.AIME2
12（1958）P769/781にMnSを、田口らは特公昭33−4710
号公報にAlNとMnSを、今中らは特公昭51−13469号公報
にMnSe（Ｓ）,Sbを、H.F.FiedlerはUSP No.3905843にS,
N,Bの組合せを開示している。一方、菅らは特公昭61−6
0896号公報、小松らは特公昭62−45285号公報で、上記
切技術で採用しているMssの効果が、高Si材、そして薄
手成品では、むしろ線状二次再結晶不良発生原因であ
り、悪影響をおよぼす事を開示し、Ｓの低い成分系の中
で普通鋼並みの低温スラブ加熱で初めて高磁束密度一方
向性電磁鋼板を得るための製造技術を開示した。

このような各種方法で製造されたいずれの製品も、表
面にSiO₂とMgOの反応したフォルステライトを主成分と
する絶縁皮膜を形成させる。フォルステライト絶縁皮膜
形成は所望の最終板厚に冷間圧延した鋼板を湿水素中70
0〜900℃の温度域で脱炭焼鈍し、その鋼板の表面にSiO₂
を含むサブスケールを生成させた後に、MgOを主成分と
する焼鈍分離剤を塗布し、コイル状に巻取り、その後仕
上高温焼鈍することによりMgOとSiO₂を反応させたフォ
ルステライト系絶縁皮膜を形成させる方法が一般に行わ
れている。

この皮膜に望まれる性状として、鉄損向上のために鋼
板に与える張力が大きいこと、さらに代表的にはIEEE T
rans.Mag.Vol.MAGII,No.6,P1655に示されるように磁区
の動きを妨害することなく円滑にするために皮膜と鋼板
地鉄の界面形状が平滑であること、さらに鉄心加工時に
皮膜が剥離しないために密着性が良いこと、がある。最
近、特公昭63−24046号公報で皮膜と地鉄との界面に一
定の粗度を与えることにより鉄損の向上することが開示
された。しかしながら、その具体的実施手段は必ずしも
開示されていない。特に、この一定の粗度を与えること
と、上記の平滑にすることは矛盾しており、明確な対策
・手段が必要である。

（発明が解決しようとする課題） 高Si材、薄手成品において線状二次再結晶不良の発生
が無く、しかも高磁束密度となる一方向性電磁鋼板にお
いて、工程を増やすことなくフォルステライト系皮膜の
改良により磁区細分化処理材に匹敵する鉄損を達成し、
さらに皮膜密着性をも改善しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明者等は、基本的には特公昭61−60896号公報、
特公昭62−45285号公報記載の技術を基盤にする中で、
鋼中Ｓを少ない所定量に制御し、さらにそのＳ量に対応
した適当量のCaを含有するCa化合物をMgOを主成分とす
る焼鈍分離剤中に添加することにより、フォルステライ
ト系絶縁皮膜と地鉄との界面形状を調整し、鉄損を向上
させ、しかも優れた皮膜密着性を達成出来る技術を発明
した。

以下に、本発明の実施態様を例にして、鋼中Ｓ量とCa
化合物との組合せ効果について説明する。C:0.047％,S
i:3.13％,Mn:0.09％，酸可溶性Al:0.032％,T（total）.
N:0.0075％を含有し、さらにＳをそれぞれ0.001％,0.00
5％,0.008％,0.014％,0.022％,0.029％含有するスラブ
について、Ｓが0.001,0.005％,0.008％,0.014％材は120
0℃、0.022％,0.029％材は1320℃に加熱後、熱間圧延し
て2.0mmの熱延板とし、1100℃×2minの焼鈍をし、0.20m
mまで冷延し、850℃×90secだけ湿水素中で脱炭焼鈍
し、焼鈍分離剤として（Ａ）MgO＋３％TiO₂＋５％窒化
フェロマンガン（但し、MgO中には不可避的不純物とし
て0.07％のCaOを含む），（Ｂ）MgO＋３％TiO₂＋５％窒
化フェロマンガン＋２％ CaOの２種類について、鋼板1m
²当りに両面合せて12gを塗布し、乾燥し、1200℃×20hr
の仕上焼鈍を行なった。なお、この（Ｂ）の焼鈍分離剤
の場合の各Ｓ％を含む鋼板のＳ量に対しCa量はそれぞれ
0.001％Ｓ−8.9倍,0.005％Ｓ−1.8倍,0.008％Ｓ−1.1
倍,0.014％Ｓ−0.6倍,0.022％Ｓ−0.4倍,0.029％Ｓ−0.
3倍である。この成品について6cm×30cmの単板を多数切
り出し、B₈＝1.93Teslaのものについて、鉄損を測定し
た。さらに、その単板について、片面のフォルステライ
ト系絶縁皮膜を酸により除去した時の板の曲りから、皮
膜張力を測定した。又、単板を一定の径の丸棒に沿って
曲げ、その時の皮膜剥離の最小曲げ径を求めた。結果を
第１表に示す。

第１表から分るように、鋼中Ｓが0.005％以上の鋼板
で焼鈍分離剤中にCaOを添加したものは皮膜張力が大き
く、さらに皮膜剥離の最小曲げ径が小さい、即ち密着性
が良い。特にCa化合物添加の場合、皮膜張力は鋼中Ｓが
多いほど大になっている。一方、鉄損は鋼中Ｓが0.005
％,0.008％,0.014％の場合、CaO添加により極めて優れ
ているが、0.022％,0.029％材ではむしろ劣化してい
る。

このCaOを添加した焼鈍分離剤の場合のフォルステラ
イト系絶縁皮膜の断面組織を鋼中Ｓが0.001％,0.008％,
0.029％について、それぞれ第１図（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）に示した。鋼中Ｓの少ない（Ａ）では皮膜と地鉄
との界面は平滑であり、鋼中Ｓの多い（Ｃ）では凸凹が
大きく、（Ｂ）ではそれらの中間サイズの粗度となって
いる。この（Ｂ）条件について、走査電子顕微鏡で調査
した。第２図（Ａ）は断面組織の電子像であり、地鉄側
に喰い込んだ突起物が見られる。その部分に対応させ
て、Ca,Sの元素分布をそれぞれ第２図（Ｂ），（Ｃ）に
示した。突起物に対応してCaとＳが集積している。以上
の調査から、鋼中Ｓと焼鈍分離剤中のCaは反応してCaS
となり、界面凸凹を形成すると考えられる。このような
凸凹が皮膜密着性を向上させ、張力増をもたらすと思わ
れる。

そして、鋼中Ｓ量が少ない範囲で適当量の時に鉄損も
向上する。これは、鋼中Ｓ量が少な過ぎる場合は界面形
状として凸凹が無く、皮膜による磁区細分化効果が効か
ない事、そして鋼中Ｓが多すぎると第１図（Ｃ）で見ら
れるように凸凹が大きく、かつその凸部が密になり過
ぎ、磁区の動きを阻害することになり、鉄損が悪くなっ
たものと考えられる。このように鋼中Ｓ量の比較的に少
ない範囲で、Ca添加により皮膜と界面との界面形状が適
切な凸凹になり、鉄損が良好になったものと思われる。
特に、重要なことは、従来のMnSを有効な析出分散相に
利用する技術では、適切鋼中Ｓ量が0.025％前後である
ため本発明のようにCa添加により界面形状制御によって
鉄損は向上しない。即ち、本発明のようにMnSを析出分
散相として利用する事を意図しない技術の中で、初めて
Ca添加による鉄損向上と皮膜密着性向上効果を適用出来
る。

次に本発明における構成要件の限定理由を説明する。
本発明で用いる溶鋼は転炉、電気炉等その溶製方法を問
わないが、成分として次の含有量範囲にある必要があ
る。

Siは1.5％未満では仕上高温焼鈍時にα→γ変態があ
るため、結晶方位が破壊されるので、1.5％以上とし
た。そして4.5％を超えると冷延時の割れが著るしくな
るので4.5％以下とした。

本発明では二次再結晶に必要な析出分散相として（A
l,Si）Ｎを主に用い、必要に応じてAlNを補助とする。
従って、必要析出分散相量を確保するために酸可溶性Al
として0.012％以上を含有させる。これが0.040％を超え
ると二次再結晶の発現が不安定になる。

T.Nについては、0.0095％を超えると鋼板表面にブリ
スターと呼ばれる膨れ状の欠陥が発生するので0.0095％
以下とした。T.Nの下限については、その量が少ない場
合には途中工程処理条件、例えば窒化量を調節する事で
対処可能であるので、特に限定しない。しかし、通常の
溶製法で特別な処理を付加しない場合、不純物として0.
0025％程度含有される。

Ｓの上限値については、本発明での基盤技術が最高鉄
損特性を有する高Si、薄手材の実現を目標としている事
から、これら材料で線状二次再結晶不良を発生させない
上限値、そして、Caと多量に反応して、地鉄と皮膜との
界面を過度に凸凹にさせない上限値、の両限定値とし0.
014％を規定した。そして、Ｓが0.005％未満となると、
本発明で特徴とする焼鈍分離剤中に含有させたCaと反応
して形成する。CaSが過少となり、地鉄と界面との適当
量の凸凹が確保出来ず、鉄損向上、皮膜の密着性向上が
達成出来ない。以上の理由から、鋼中Ｓは0.005〜0.014
％に限定した。

上記限定成分以外は残部Feおよび不可避的不純物であ
るが、本発明の主旨を変えない条件であれば、他目的で
の元素添加は差支えない。

以上の範囲の成分を含む溶鋼は鋳造スラブを経て熱延
による熱延板、あるいは直接に薄く鋳造した鋳造板（薄
帯）にされる。本発明は、従来の主流技術である特公昭
30−3651号、特公昭33−4710号、特公昭51−13469号の
各公報記載の方法とは異なり、後工程での窒化処理によ
り析出分散相を形成させるので、この素材鋼板の作成段
階での析出分散相の調整は重要でない。したがって、特
別の限定条件は付けない。

この鋼板は800〜1200℃での短時間の焼鈍後、あるい
は焼鈍なしで直接に冷延される。この時の冷延圧下率は
高磁束密度材を得るためには80％以上が望ましいが、本
発明では必須構成要件では無い。通常、一回の冷延で最
終板厚にするが、状況によっては、例えば最終仕上板厚
が薄く、一回の冷延では所定板厚に出来ない場合、中間
焼鈍を含む２回以上の冷延法で、最終板厚に仕上げても
良い。このように冷延した板は次いで脱炭焼鈍される。
脱炭焼鈍工程は一次再結晶と脱炭を行わせると同時に、
成品表面のフォルステライト系絶縁皮膜の形成に必要な
SiO₂を含む酸化膜を生成させる役割を持っている。

脱炭焼鈍後の鋼板表面には仕上高温焼鈍時における焼
付防止、及びフォルステライト系絶縁皮膜形成のために
MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布・乾燥する。本発
明の特徴は、鋼中Ｓと反応してCaSを形成させるに必要
なCa源を焼鈍分離剤中にCa化合物として添加する。Ca化
合物としてCaO,Ca（OH）₂,CaCO₃,硫酸基Ca化合物，硝酸
基Ca化合物，有機物Ca化合物があるが、CaO,Ca（OH）₂,
CaCO₃以外の後３者は仕上高温焼鈍時に分解して多量の
C,N,Sを発生し、二次再結晶や皮膜形成に悪影響をもた
らすので使用出来難い。但し、これらCa化合物も、塗布
後の乾燥工程で分解・除去すれば使用出来る。このよう
な付加処理、そしてCa化合物の単価を考慮すれば、実際
に使用するCa源はCaO,Ca（OH）₂,CaCO₃である。なお、C
a（OH）_２の分解温度で580℃、CaCO₃の分解温度は898℃
であるので、焼鈍分離剤の塗布後の乾燥温度によっては
分解し、仕上高温焼鈍まで持ち込むのはCaOとなる。鋼
中Ｓ量とCaがCaSとなるので、計算上は単位鋼板当りの
Ｓ量と同一当量比のCaを含むCa化合物で良いはずである
が、実験によれば鋼中Ｓ量の0.6〜2.2倍の当量Ca添加範
囲で効果が見られ、0.8〜1.6倍が最適である。この範囲
で鋼中Ｓ量が少ないほどCa量を多くする事が望ましい。
引き続いて、仕上高温焼鈍を行う。この工程は二次再結
晶、フォルステライト系皮膜形成および純化を目的とし
ており、通常1100℃以上、5hr以上水素又は水素を含ん
だ混合雰囲気中で行う。

本発明は以上の構成に加え、脱炭焼鈍から仕上高温焼
鈍の二次再結晶開始前迄のいずれかの過程で窒化処理す
る事を必須条件とする。

すなわち、二次再結晶配向度制御のために適切な析出
分散相を確保すべくＳ量を増やすと、Caと反応したCaS
が過剰になったためと思われる原因で、地鉄と皮膜との
界面の凸凹が密でかつ大きくなり、かえってCa添加によ
り鉄損が悪くなる。

このような理由により、本発明ではＳ量を少なく制御
し、必要な析出分散相としては窒化処理によって（Al,S
i）Ｎを形成させる事が必要である。

窒化処理は、（１）冷延後の脱炭焼鈍雰囲気に窒化能
のあるアンモニアを添加する、（２）脱炭焼鈍完了後に
窒化雰囲気で追加焼鈍する、（３）焼鈍分離剤中に窒化
能のある化合物、例えば窒化フェロマンガン、窒化フェ
ロクロムを添加する、（４）さらには仕上高温焼鈍の二
次再結晶発現までの加熱中に窒化を促進する雰囲気条件
を採用する、等いずれも有効である。

以上、詳述したように、本発明は低鉄損である高Si、
薄手材を可能にするべく鋼中Ｓ量を低くして線状二次再
結晶不良を解消する技術を基盤に、その残留鋼中Ｓを活
用する事を狙って焼鈍分離剤中にCaを添加し、鉄損と皮
膜密着性を良好にする事を実現したものであり、工業的
に極めて有用な製品を提供するものである。

（実施例１） 第１表に示した素材鋼中Ｓ量が0.008％の脱炭板につ
いて、焼鈍分離剤としてMgO＋３％TiO₂＋５％窒化フェ
ロマンガン中にCaO,Ca（OH）₂,CaCO₃を第２表に示す量
添加して、鋼板1m²当り12g塗布し、乾燥し、1200℃×20
hrの仕上高温焼鈍を行なった。この成品について6cm×3
0cmの単板を多数切り出し、B₈＝1.93Teslaのものにつて
鉄損を測定した。さらに、その単板について皮膜張力、
及び皮膜剥離の最小曲げ径を求めた。結果を第２表に示
す。

第２表から分るように、本発明範囲のCa添加の場合、
鉄損，皮膜張力，皮膜密着性のいずれも良好である。

これに対し、Ca添加不足の場合には特に皮膜張力，皮
膜密着性が悪く、鉄損も良くない。又、Ca過剰添加の場
合は皮膜張力，皮膜密着性は良いが、鉄損が悪い。

（実施例２） 第１表に示した素材鋼中Ｓ量が0.008％の冷延板につ
いて （Ａ）850℃×90secで、湿水素中で脱炭焼鈍→MgO＋３
％TiO₂＋２％ CaOを鋼板1m²当りに12g塗布 （Ｂ）850℃×90secで、アンモニア含有湿水素中で脱炭
焼鈍（鋼中T.Nが0.0110％増加）→MgO＋３％TiO₂＋２％
CaOを鋼板1m²当りに12g塗布 （Ｃ）850℃×90secで、湿水素中で脱炭焼鈍→MgO＋３
％TiO₂＋２％CaO＋５％窒化フェロマンガンを鋼板1m²当
りに12g塗布、 の３種類の処理後に、1200℃×20hrの仕上焼鈍を行なっ
た。成品の磁性，フォルステライト系皮膜の張力，皮膜
剥離の最小曲げ径を求めた。結果を第３表に示す。

第３表に示すように窒化処理を行なわない（Ａ）条件
は、二次再結晶が不充分で、磁束密度が悪い。本発明例
の（Ｂ），（Ｃ）条件は磁性、皮膜いずれも良好であ
る。

（実施例３） C:0.047％,Si:3.38％,Mn:0.09％，酸可溶性Al:0.030％,
T.N:0.0077％を含有し、さらにＳをそれぞれ0.008％,0.
022％含有するスラブを1320℃に加熱後、2.3mmの熱延板
とし、1100℃×2minの焼鈍をし、0.23mmまで冷延し、85
0℃×120secだけ湿水素中で脱炭焼鈍し、焼鈍分離剤と
してMgO＋３％TiO₂＋2.2％CaO＋５％窒化フェロマンガ
ンを鋼板1m²当りに12gだけ塗布し、1200℃の仕上高温焼
鈍を行なった。成品の磁性、フォルステライト系絶縁皮
膜の張力、皮膜剥離の最小曲げ径を求めた。結果を第４
表に示す。

鋼中Ｓの0.022％のものは、線状二次再結晶不良が発
生し、全体としての磁束密度が低くなり、鉄損が悪い。
本発明例の鋼中S 0.008％のものは良好であった。

（発明の効果） 本発明によれば、高Si材、薄手成品において線状二次
再結晶不良の発生が無く、しかも高磁束密度となる一方
向性電磁鋼板において、工程を増やすことなくフォルス
テライト系皮膜の改良により磁区細分化処理材に匹敵す
る鉄損を達成し、さらに皮膜密着性をも改善することが
できるという産業上有用な効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

第１図はC:0.047％,Si:3.13％,Mn0.09％，酸可溶性Al:
0.032％,T.N:0.0075％を含有し、さらにＳをそれぞれ0.
001％,0.005％,0.008％,0.014％,0.022％,0.029％含有
するスラブについて、Ｓが0.001％,0.005％,0.008％,0.
014％材は1200℃、0.022％,0.029％材は1320℃に加熱
後、2.0mmの熱延板とし、1100℃×2minの焼鈍をし、0.2
0mmまで冷延し、850℃×90secで、湿水素中で脱炭焼鈍
し、焼鈍分離剤として（Ａ）MgO＋３％TiO₂＋５％窒化
フェロマンガン（但し、MgO中には不可避的不純物とし
て0.07％のCaOを含む），（Ｂ）MgO＋３％TiO₂＋５％窒
化フェロマンガン＋２％CaOの２種類について、鋼板1m²
当りに両面合せて12gを塗布し、乾燥し、1200℃×20hr
の仕上高温焼鈍を行なった成品のフォルステライト系絶
縁皮膜の断面組織を示す金属組織顕微鏡写真図で、
（Ａ）は素材のＳが0.001％の場合、（Ｂ）は0.008％の
場合、（Ｃ）は0.029％の場合である。第２図（Ａ）は
第１図（Ｂ）について走査電子顕微鏡で観察した電子像
を示す金属断面組織顕微鏡写真図、第２図（Ｂ）は第２
図（Ａ）に対応した領域のCaの元素分布、第２図（Ｃ）
は同じくＳの元素分布を示す金属組織顕微鏡写真図であ
る。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量比でSi:1.5〜4.5％、酸可溶性Al:0.01
   2〜0.040％、Ｔ（total）.N:0.0095％以下、S:0.005〜
   0.014％、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼板を
   １回または中間焼鈍をはさむ２回以上の冷間圧延工程に
   より最終板厚とし、次いで湿水素中で脱炭焼鈍し、MgO
   を主成分とする焼鈍分離剤を塗布・乾燥し、二次再結晶
   と純化を目的とした仕上高温焼鈍を行う一方向性電磁鋼
   板の製造法にあって、さらに脱炭焼鈍から仕上高温焼鈍
   の二次再結晶開始前迄のいずれかの過程で窒化処理をす
   る製造法において、焼鈍分離剤中に鋼板の一定表面積当
   りに、その対応鋼板体積中に含まれるＳ量の0.6〜2.2倍
   の当量Caを含む化合物を添加する事を特徴とする鉄損特
   性の良い高磁束密度一方向性電磁鋼板の製造方法。