JP3172439B2 - 高い体積抵抗率を有する粒子方向性珪素鋼およびその製造法 - Google Patents

高い体積抵抗率を有する粒子方向性珪素鋼およびその製造法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高い体積抵抗率を有
する粒子方向性珪素鋼およびその製造法に関するもので
ある。粒子方向性珪素鋼の製造は安定且つ再現性のある
方法で所望の磁気特性を達成するために、化学及び加工
についてに臨界的制御を必要とする。本発明の方法は高
い体積抵抗率を有する(110)[001]方向性珪素
鋼に優れた磁気特性を与えるものである。
【0002】方向性珪素鋼の品質の評価に用いられる特
定の磁気特性は、鋼から製造される装置により変わる。
しかしながら、最高の品質は、常に特定の周波数及び振
度、例えば60ヘルツ、1.5テスラの交番磁場におい
て最小の鉄損を意味する。鉄損は次ぎの方法の1つ又は
それ以上により低下させることができる。 (1)可溶性元素(主として珪素)の添加により体積抵
抗率を増加させる; (2)合金及びプロセス変更により(110)[00
1]方向性の度合いを改良する: (3)鋼の最終厚さを減少させる; (4)原材料の選択及び/又はプロセス変更により合金
の純度を改良する; (5)1又はそれ以上のプロセス変更により磁気ドメイ
ン構造を改良し、(第2粒子サイズが減少し及び/又は
粒子境界粗さが増加した)第2粒子境界領域を増加さ
せ、けがき技術を使用し、ストレスを引き起こす被覆を
適用する。
【0003】最近、鉄損の改良は、体積抵抗率47〜4
9μ-Ω-cm(ミクロ・オーム・センチメートル)から
50〜51μ-Ω-cmへ増加した粒子方向性珪素鋼につ
いて成された。この体積抵抗率の増加は鋼の珪素含有量
を2.9〜3.15重量%のレベルから3.25〜3.
5重量%のレベルへ上げることにより得られたものであ
る。この小さな珪素の増加は強い開発努力を必要とし、
調整に珪素以外の元素の合金化を必要とし、プロセス変
更に焼きなまし及び圧延処理が必要であり、ストリップ
の破損の増加傾向を調節するために材料の扱い方の改良
が必要であった。電力及び電力分配変圧器に使用される
粒子方向性珪素鋼の実用限界は、鉄−珪素合金の体積抵
抗率が63μ-Ω-cmのレベルに達する4.5重量%で
ある。4.5重量%を超える珪素では、延性の損失が粒
子方向性珪素鋼の製造に関連する取り扱い方及び冷間圧
延への高価な変更を必要とする。
【0004】高度の(110)[001]方向性は、
(110)[001]方向性から逸脱する全ての粒子を
実際に消費するに十分に精力的な選択的第2粒子成長を
得るために加工することにより、粒子方向性珪素鋼中に
達成される。選択的及び精力的な第2粒子成長について
は、材料が方向性が調節された分布を有する再結晶粒子
構造を有し且つ第2粒子成長が起こるまで、典型的には
760〜1050℃(1400〜1922°F)の温度
で、最終焼きなましにおいて第1粒子成長を抑制するた
めの粒子成長抑制剤を含有していなければならない。粒
子方向性珪素鋼の製造は、粒子成長抑制剤として働くM
nS、Mn(S,Se)、AlN又はこれらの組み合わせ
のような沈殿物の使用に依存し、沈殿物の挙動を変更し
及び/又は第2粒子成長の前に粒子方向性の分布を調節
することができるSb、Cu、Sn、その他の元素等の
少量の添加物を使用することもできる。粒子方向性珪素
鋼に適した第1粒子成長抑制剤沈殿物のサイズ及び立体
分布は、典型的には熱間圧延の直前にスラブ又はインゴ
ット溶液処理により与えられる。ついで、第1粒子成長
抑制剤沈殿物は熱間圧延操作中に及び/又は続く熱処理
中に形成される。
【0005】方向性珪素鋼の典型的な加工法では、冷却
されたスラブ又はインゴットを熱間圧延の前に1300
℃(2370°F)を越える温度に再加熱して通常3m
m未満の厚さにする。この高温再加熱の実施により、M
nS、Mn(S,Se)及び/又はAlNは、熱間圧延
及びその他の続いて行われる加工中に制御された手法で
沈殿前に溶解される。しかしながら、この高温再加熱操
作は、装置の破壊及びスラブ又はインゴット表面の過剰
な酸化のための珪素鋼の損失の二つのことから高価であ
る。製品ロスの減少及び装置の保護の努力は、特定の加
熱装置の開発を含む。鋼は非酸化雰囲気中で1300℃
(2370°F)を超える温度に加熱されるか、または
インゴット又はスラブの内部が、表面は1300℃(2
370°F)以下に維持されるが、1300℃(237
0°F)を超える温度に誘導加熱される。1300℃以
下の再加熱温度が使用可能なこれらの合金についての変
更された合金組成及び加工も開発されている。以下、変
更合金及び加工を「低再加熱技術」(low reheat techn
ology)という。
【0006】低再加熱技術の多くは、1100〜125
0℃の温度から熱間圧延されるスラブ中の第1粒子成長
を抑制する主たる薬剤として,MnS沈殿物と共に又は
これなしで、AlN沈殿物を使用するものである。注目
すべき例外は、慣用の粒子方向性製品がMnSのみから
なる粒子成長抑制剤を使用して製造される米国特許第3,
986,902号明細書の実際的な教示である。該明細書は1
250〜1300℃の温度から熱間圧延されたスラブ又
はインゴットから方向性珪素鋼を成功裏に製造するため
に、全酸素を低くすると共に、マンガン及び硫黄(%M
n)(%S)の少ない製品を使用することを教示してい
る。
【0007】粒子方向性珪素鋼技術の大部分はトランス
クリティカル(transcritical)な挙動を示す初期合金
組成を用いるものである。合金はフェライト(bcc鉄)
として凝固し、次いで冷却し、フェライトとオーステナ
イト(fcc鉄)の混合物に成り、さらに700℃未満に
冷却されてオーステナイトが分解し、そして合金は本質
的に再びフェライトに成る。一時的合金化剤である炭素
がストリップ脱炭素処理で除去される場合に、合金が熱
間圧延及び/又は焼きなまし処理中にトランスクリティ
カル挙動を示し、次いで完全にいフェライト性に成るよ
うに、伝統的な且つ低再加熱技術の多くは、2.8〜
3.5%のSiを含有するFe-Si合金中に一時的合
金化剤として炭素を使用している。合金は1100〜1
200℃の温度で、0.05〜0.50のピークオース
テナイト容量画区に達する。第2粒子成長焼きなましの
前に完全にフェライト性(ferritic)である合金は第2
成長が700〜1100℃の範囲の温度で起こるように
設計且つ処理することができる。
【0008】全ての製造操作を通してトランスクリティ
カルな挙動を保持する合金は950℃以下の温度で完全
な第2成長が起こらねばならないか、またはオーステナ
イト(fcc鉄)の形成が第2粒子の成長を妨害するであ
ろう。この温度範囲は通常(110)[001]粒子方
向性の最高度を与える第2粒子成長に関連する温度以下
である。このように、これらの合金はより典型的な粒子
方向性珪素鋼についての置換技術としてのポテンシャル
は低いものと思われる。この低い第2成長温度範囲は、
第2成長法により(100)[001]又は(100)
[hkl]方向性を有す立方組織の製造のためにこれら
の合金の使用を排除し、立方組織についての第2成長の
オンセットは通常1000℃以上で起こる。炭素除去後
にトランスクリティカルな挙動を保持する低再加熱技術
の例としては、2%未満のSiを含有するFe-Si合
金又は2%未満の(Si-0.5Mn)を含有するFe-
Si-Mn合金が挙げられる(米国特許第5,250,123号明
細書参照)。
【0009】粒子成長抑制剤としてAlN沈殿物を使用
する低再加熱技術の特徴は、第2粒子成長の前に窒化処
理を使用することであると言うこと又は推論することが
できる。種々の技術は実際に、第2成長前に鋼中で到達
しているに違いない窒素レベルを特定する。これらの技
術全ては、加熱及び第2成長中に、第2成長焼きなまし
において窒素含有化合物を含む分離被覆(separator co
ating)又は窒素含有雰囲気の使用を教示している。
【0010】粒子成長抑制剤としてAlN及び(Al,
Si)N沈殿物を使用して合金中に優れた磁気特性を与
えるために、脱炭素中又は後に採用することができる連
続ストリップ窒化処理を開示する低再加熱技術に関する
幾つかの特許がある。米国特許第4,979,996号明細書
は、0.025〜0.075%のC;0.5〜4.5%
のSi;最大0.012%のS;0.01〜0.06の
Al;最大0.01%のN;0.08〜0.45%のM
n;0.015〜0.045%のP;および残部が本質
的にFeを含有する珪素鋼組成物を開示している。この
特許は脱炭素焼きなまし後にストリップを窒化させるた
めに連続炉の使用を開示している。窒化のために、スト
リップはNH3及び水素含有雰囲気中で、少なくとも1
0秒間、好ましくは60秒間以下、800〜850℃の
温度に保持された。ストリップの窒化処理の完結後、鋼
の厚さ平均で少なくとも180ppmの窒素が存在してい
た。しっかり巻き付けられたコイルの重なりの間に窒素
が拡散されるためには、窒化には長い時間が予め必要で
あった。巻のあまいコイルを窒化することも試みられた
が、不均一な窒化状態が生じる不均一な温度分布となる
ことが分かった。
【0011】典型的な粒子方向珪素鋼においては、Mn
がS又はS+Seと組み合わされて、粒子成長抑制剤の
全部又は重要分として機能するMnS又はMn(S,S
e)沈殿物を形成する。マンガンは0.15%以下のレ
ベルに維持されるので、(%Mn)(%S)又は(%M
n)(%S+a%Se)[aは経験的に定められた定数で
ある]の生成物は、抑制剤沈殿物が熱間圧延前にスラブ
又はインゴット中に完全に溶解されるのに十分に低い。
多くの低再加熱技術は粒子成長抑制剤として完全に又は
実質的にAlN沈殿物に依存する。マンガンは0.45
%以下、典型的には0.15%以下のレベルに制御され
る。その他の添加剤はこれらの沈殿物の挙動を変更さ
せ、該添加剤として、例えば銅、アンチモン、砒素、ビ
スマス、錫、ニッケル等が挙げられる。
【0012】高マンガンを用いる低再加熱技術の例は米
国特許第5,250,123号である。この特許は一時的合金元
素として炭素を使用せずに、トランスクリティカルであ
る合金を生ずる(%Si)−0.5(%Mn)<2.0
のようなMn及びSiのバランスの使用を開示してい
る。この特許の鋼は、粒子方向性珪素鋼中に1.5〜3
%の珪素、1〜3%のマンガン、最大合計0.002%
の炭素及び窒素、および0.003〜0.015%の可
溶性アルミニウムを含有していた。可溶性アルミニウム
は、分散の悪い過剰の抑制剤を避けるために0.015
%以下でなけらばならなかった。3%を超える珪素は不
安定な第2再結晶化及び悪い加工性を引き起こすと述べ
られている。最終精製焼きなまし後、炭素と窒素の合計
が0.002%を超えると、ドメイン壁移動が妨げられ
且つ鉄損が増加した炭化物及び窒化物が形成されると述
べられている。マンガンが3%を超えると、不安定な第
2再結晶化及び悪い加工性を生ずると述べられている。
【0013】粒子方向性珪素鋼は、トランスクリティカ
ルであり且つ低スラブ再加熱技術により加工できる材料
を提供するために、Si、C、Mn及びAlのレベルを
制限する組成を使用してバランスされている。安定な第
2粒子成長、良好な加工性及び高い体積抵抗率を有する
トランスクリティカルな材料において高いMn及びSi
のレベルを可能とする製品は開発されていない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、少な
くとも50μ-Ω-cmの体積抵抗率を与えるようにバラ
ンスした組成物を使用して、優れた磁気特性を有する粒
子方向性珪素鋼を提供することにある。本発明の他の目
的は、精製後に優れた磁気特性を与えるために脱炭素さ
れた粒子方向性珪素鋼を窒化することにある。また、本
発明の目的は、0.26mmの厚さで、高いスラブ再加
熱温度、拡散合金化又は磁気ドメイン精製のためのけが
き技術を必要とせずに、1.5T及び60Hzにおいて
少なくとも0.88W/kg程度の鉄損を有する粒子方
向性珪素鋼を製造することにある。さらに本発明の目的
は、第1粒子成長抑制剤としてMnSを用いずに、第2
成長プロセスにより製造された高い体積抵抗率の珪素鋼
においてキューブオンエッジ(110)[001]、キ
ューブオンフェイス(100)[001]、イクアペル
ム(Equa Perm)(100)[hkl]又はその他の方
向性である方向性を形成する珪素鋼組成物及びその製造
法を提供することにある。また、本発明の目的は、スト
リップ脱炭素処理後に実質的にフェライト性である置換
性固溶体基合金の脱炭素前に、トランスクリティカルな
同素体的挙動を制御するための一時的合金化剤として、
炭素を用いる高体積抵抗率粒子方向性珪素鋼を製造する
ことにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は高い、好ましく
は少なくとも55μ-Ω-cmの体積抵抗率を有する粒子
方向性珪素鋼についての組成物および製造法を提供する
ものである。該鋼の溶融組成物は約0.01〜0.08
重量%の炭素;0.015〜約0.05重量%のアルミ
ニウム;少なくとも2.75重量%の珪素;約0.5重
量%を超えるマンガン;約0.001〜約0.011重
量%の窒素;最大約0.01重量%の硫黄;最大約3重
量%のクロム;最大約1重量%の銅;最大約2重量%の
ニッケル;最大約0.1重量%の錫;および残部が鉄か
ら本質的になるものである。圧延及び焼きなまし中にオ
ーステナイトの所望のレベルを与えるまで炭素を調整す
ることができるように、珪素のレベルはマンガンとの平
衡関係とバランスさせる。低スラブ再加熱温度を加工中
に使用することができる。加工は第2粒子成長の完結及
び窒素を除去するための精製処理の前に、窒化処理する
ことを包含する。
【0016】本発明の特徴は、窒化処理及び精製処理を
使用した場合、0.015%以上のアルミニウムレベル
を有する粒子方向性珪素鋼において安定な第2粒子成長
を与えることである。本発明の他の特徴は、溶融段階で
炭素添加を行い、処理中にオーステナイトの存在量を調
節し、次いで脱炭素焼きなまし中に炭素を除去すること
である。さらに本発明の特徴は、マンガン当量とバラン
スした珪素を使用して、磁気特性と少なくとも50μ-
Ω-cmの体積抵抗率の優れた組み合わせが提供される
ことである。
【0017】本発明の利点は、高い体積抵抗率のために
置換性溶質の拡散合金化を必要としないことである。さ
らに本発明の利点は、1300℃以下のスラブ再加熱温
度で、高い体積抵抗率を有する粒子方向性珪素鋼を製造
することができることである。さらに本発明の利点は、
珪素レベルを3.5重量%超過に増加することなく、体
積抵抗率を少なくとも50μ-Ω-cmに増加させること
ができることである。また、本発明の利点は、実質的な
費用増加なしに、顕著な体積抵抗率特性を有する粒子方
向性珪素鋼を製造することができることである。これら
の目的、特徴及び利点等は後記する本発明技術の詳細な
説明から明らかとなろう。
【0018】
【発明の実施の形態】本発明は粒子方向性珪素鋼中に高
度のゴス(Goss)組織を提供し、低いスラブ再加熱温度の
使用を可能とするものである。本発明の方法は、第2粒
子成長温度において過剰の窒素を与える、脱炭素後の窒
化工程の使用を包含する。過剰の窒素は[(%N)−
0.52(%Al)]>0で定義される。本発明の珪素
鋼は第2粒子成長の完結前は実質的に完全にフェライト
性である。本発明の利益は体積抵抗率が50μ-Ω-cm
以上、好ましくは55μ-Ω-cm以上の合金が得られる
ことである。請求項に規定の組成範囲における体積抵抗
率(μ-Ω-cm)は次式(1)に示す関係により溶質元
素の重量%により概算することができる: (1) 体積抵抗率=9.2+12.2%Si+4.6
(%Mn+%Cr)+2(%Cu)+%Ni
【0019】最適鉄損特性は、10オルステッドの印加
磁場において、鋼中の磁場が約89%の飽和度、好まし
くは少なくとも92%の飽和度、より好ましくは95%
の飽和度に達したとき与えられる。飽和%は次式(2)
により概算される: (2)飽和度%=B(H=10オルステッドにおけるテ
レサ)/[Fe原子%/0.0002115]
【0020】ニッケルを含有するこれらの合金において
は、ニッケル原子%は式(2)の鉄原子%に加算される
べきである。式(2)から、測定は絶縁被覆を有する材
料で行われるものと推察される。以後の記載における化
学量は全て重量%である。珪素、マンガン、炭素及びそ
の他の元素のレベルは、熱間圧延中に及び/又は鋳造物
又は最終冷間圧下工程前の熱間圧延されたバンドの焼き
なまし中に必要量のオーステナイトを与えるために、調
節されねばならない。「熱間圧延されたバンド」には、
ストリップに熱間圧延されるインゴット、ストリップ及
び鋳造ストリップに熱間圧延されるスラブを包含する。
オーステナイトのレベルは少なくとも5%、好ましくは
少なくとも10%でなければならない。川崎製鉄(株)
技報第21巻第3号93〜98頁(1989年)には、3.
0〜3.6%の珪素及び0.030〜0.065%の炭
素を含有するFe-C-Si合金について、1150℃
(γ1150℃)におけるオーステナイトの容量%を概算す
るために、次式(3)が開示されている: (3)γ1150℃=694(%C)−23(%Si)+6
4.8
【0021】式(3)におけるγ1150℃の表示は、マン
ガン及びその他の置換性溶質が本願請求項記載のレベル
で存在する場合は適当でないことがわかった。回帰分析
により、0.03〜0.06%のC、0.1〜4.0%
のMn及び3.0〜5.0%のSiを含有するFe-C-
Si-Mn合金の一族からγ1150℃データが得られ、F
e-C-3.5Si-0.8Mn-X合金(Xは0.1〜
0.6%のNi、0.1〜0.6%のCu及び0.1〜
4.0%のCrの範囲でCr、Ni及びCuの1種以上
を含む)からの補助的情報は好ましい範囲のSi及びM
eqにおけるより適したγ1150℃の近似値を与えた。 (4)γ1150℃=15.1(%Mneq)+784(%
C)−33.7(%Si)+88.7 (5)(%Mnep)=(%Mn)+1.5(%Ni)+
0.5(%Cu)+0.1(%Cr)
【0022】珪素、炭素及びMnep成分は関係する主要
な元素であるが、窒素、錫、燐、モリブデン、アンチモ
ン等(これらは鋼製造工程で不純物として存在又は混入
されるものである)のその他の元素もオーステナイトの
量に影響を与え、考慮されねばならない。本発明の展開
には、安定な第2粒子成長及び所望の(110)[00
1]方向性を達成するために、オーステナイトの量は臨
界的であることがわかった。最終冷間圧下の前のバンド
の組成は、式(2)で定義したH=10オルステッドに
おける好ましい飽和度%を達成するために、5%、好ま
しくは10%超過であるが、40%未満である、115
0℃(γ1150℃として定義されるもの)で測定されたオ
ーステナイト体積抵抗率を与えなければならない。オー
ステナイト体積抵抗率は1150℃より高い又は低い温
度において減少すると理解すべきである。オーステナイ
ト体積抵抗率は約1150℃で最高値に達するので、1
150℃でオーステナイト体積%の測定を行うことによ
り合金が示すトランスクリティカルな挙動を表すことが
便利である。
【0023】本発明の粒子方向性珪素鋼はMnepのレベ
ルに基づいて少なくとも2.25%の珪素を含有する。
珪素は通常2.725%以上、好ましくは3.1%以上
である。珪素の上限は7%、好ましくは約5%である。
珪素含量はより好ましくは約3.1〜約4.75%であ
る。珪素レベルは、加工性を良好にするには出来るだけ
高い方が好ましい。珪素はマンガン又はその等価物(M
ep)と、2.0≦[(%Si)−0.45(%M
ep)]≦4.4となるように、バランスさせる。(%
Si)−0.45(%Mnep)が2未満である場合は、
合金は炭素の不存在においてトランスクリティカル性が
残り、通常所望の方向性を与えない低い第2粒子成長温
度を採用しなければならない。本発明の珪素鋼は、脱炭
素後及び第2粒子成長前では、実質的にフフェライト性
でなければならない。(%Si)−0.45(%M
ep)が約4.4を越える場合は十分なオーステナイト
形成を得るのに必要な炭素が、次の炭素除去のための実
際的なレベルを越える。珪素鋼の好ましい合金含量は次
式(6)の関係により定義される: (6)2.5≦[(%Si)−0.45(%Mnep)]
≦3.9
【0024】珪素は主に高い体積抵抗率を与えることに
より鉄損を改良するために添加される。典型的には、体
積抵抗率は珪素各重量%について約10〜13μ-Ω-c
m増加する。なお、珪素はフェライトの形成及び/又は
安定化を促進し、オーステナイトの体積区分に影響を与
える主たる元素の一つである。本発明の珪素鋼は脱炭素
後は実質的にフェライト性でなければならず、オーステ
ナイト(γ1150℃)の量は2%未満に調節される。磁気
品質の改良のために高いSiを所望ならば、所望のγ
1150℃を維持するために処理の際その効果を考慮しなけ
らばならない。
【0025】マンガン、及びマンガン等価物として表さ
れる元素は、所望のγ1150℃レベルへの到達及び所望の
体積抵抗率を与えるために、珪素と組み合わせて使用さ
れ、極少量の炭素が必要である基合金を与える。マンガ
ンはマンガン各重量%について体積抵抗率が4〜6μ-
Ω-cm増加する。マンガンは0.5〜11%の範囲で
あることができる。典型的には、マンガンは約3.1〜
約4.75%の珪素と共に、約0.5〜約3%である。
マンガンのレベルは上記したMneq及びSiの量に依存
して変えられる。Mnepは少なくとも0.5%であり、
11%のまでの範囲であり、所望の組成バランスを与え
る。マンガンの好ましい上限は4.5%である。
【0026】ニッケルは、通常合金添加物として使用さ
れるか、本発明の鋼を製造するために使用される原材料
中に見いだされる強力なオーステナイト安定剤であるの
で、Mnepの表示に包含される。Niの範囲は、珪素の
好ましい範囲について(%Si)−0.45(%M
ep)の所望の限界内に維持するために、2%未満に制
限される。意図的なニッケル添加は高価となり、ニッケ
ルは体積抵抗率の増加には殆ど効果がない。
【0027】銅は適度なオーステナイト安定剤であり、
しばしば原材料中に存在するので、Mnepの表示に包含
される。銅の範囲は、熱間圧延及び焼きなまし中に表面
酸化物が形成され、その除去がより困難となる高価な添
加物であるために、1%未満に制限される。Cuは体積
抵抗率の増加には殆ど効果がない。
【0028】クロムは、体積抵抗率を増加させる強力な
添加物であり、1150℃におけるオーステナイト体積
区分へ少し影響を与え、本発明の鋼の製造に使用される
原材料中に見いだされる通常の合金添加物であるので、
Mnepの表示に包含される。クロムは3%までの量、好
ましくは2%までの量で添加することができる。%Si
−0.45%Mnepが請求項に記載の範囲に維持される
限り、%Mnepが0.5%未満である場合は、クロムの
0.5%を越える添加は合金中でさえも体積抵抗率を顕
著に増加させる。クロムの範囲は3%未満に制限される
が、これはこのレベル以上では、特にSiが3.5%超
過である合金においては、脱炭素が困難となるからであ
る。
【0029】典型的には、炭素、及び/又はオーステナ
イトを促進及び/又は安定化する銅、ニッケル等の添加
物は、処理中に所望のγ1150℃を維持するために使用さ
れる。溶融物中に存在する炭素の量は、少なくとも0.
01%、好ましくは少なくとも約0.025%である。
炭素が0.025%未満であると、第2溶融金属精製が
必要となり、製造コストが増加する。0.08%を越え
る炭素含有量は脱炭素焼きなまし時間を長くし、生産性
を低下させる。好ましくは、炭素含有量は約0.025
〜0.050%である。
【0030】溶融組成物中に存在する窒素は0.001
〜0.011%のレベルに調節すべきである。窒素はA
lNの形成、γ1150℃及び製造されたストリップの物理
的品質に影響を与える。0.002%以下の窒素では、
窒素含有量の調節が非常に困難であり、0.011を越
える窒素では、ストリップ中の物理的欠陥の発生機会が
許容できないレベルへ増加する。脱炭素後、窒素の量は
窒素処理により増加する。典型的には、添加される窒素
は約0.01〜0.02%である。
【0031】酸可溶性アルミニウムは少なくとも0.0
15%、好ましくは0.020%以上であり、十分なレ
ベルのAlNが形成される。酸可溶性アルミニウムレベ
ルが0.050%以上のときは、第2粒子成長の制御が
困難となる。酸可溶性アルミニウムの好ましい範囲は
0.02〜0.04%である。
【0032】硫黄及びセレンは各々、最終高温精製焼き
なましでこれらを除去するのに必要な時間を短くする
か、無くすために、0.01%以下、好ましくは0.0
05%以下のレベルに制御される。
【0033】鋼は、オーステナイト体積画分及び/又は
第2粒子成長の安定化に影響を与える、鋼製造プロセス
からの不純物として、又は供給添加物としてのアンチモ
ン、砒素、ビスマス、モリブデン、リン、錫等の他の元
素を含むことができる。
【0034】本発明の組成を有する溶融物は、鋳造法か
ら保留熱を用いて鋳造スラブから熱間圧延された、また
は熱間圧延前の1000〜1400℃の範囲の温度に加
熱することによりインゴットから圧延されたスラブ又は
鋳造スラブから熱間圧延された、冷間圧延に適したスト
リップ厚さに直接鋳造することができる。優れた磁気特
性は、鋳造スラブが1300℃以下、好ましくは125
0℃以下の温度から熱間圧延された場合に得られる。
【0035】最終冷間圧下の前のストリップの焼きなま
しは、典型的には、粒子方向性珪素鋼バンドが熱間圧延
により製造された場合に、最終製品の性質及びその均一
性を改良するために行われる。焼きなましは冷間圧延の
前のバンド、または次の一以上の冷間圧下のストリップ
に対して実施される。焼きなましは通常900〜115
0℃(1650〜2100°F)、好ましくは980〜
1125℃(1800〜2050°F)で、10分間ま
で(好ましくは2分間未満)の時間行われる。ストリッ
プは次いで制御された手法で冷却されて、最終冷間圧下
工程に適したミクロ構造を与える。
【0036】最終厚さへの冷間圧下が完了した後、慣用
のストリップ脱炭素により、炭素レベルを磁気老化を避
ける量(0.005%未満、典型的には0.003%未
満)に減少する必要がある。なお、脱炭素焼きなまし
は、表面酸化物スキンと焼きなまし分離被覆の反応によ
る高温最終焼きなましで被覆する、フォルステライト、
又はミルガラス(mill glass)の形成用の鋼を生成す
る。米国特許第4,898,626号明細書に記載の、脱炭素法
の一部としての超高速焼きなましは生産性を増大させ、
磁気特性を改良するために採用することができることが
わかった。
【0037】本発明の鋼は、典型的には、過剰のアルミ
ニウムによる脱炭素処理で第1再結晶化を経た凝固物か
ら加工される。過剰のアルミニウムの量は関係式:
[(%N)−0.52(%Al)]<0、好ましくは<
−0.005重量%により定義される。しかしながら、
本発明の鋼は第2成長開始前に、過剰の窒素、即ち、
[(%N)−0.52(%Al)]>0、好ましくは>
0.004重量%、を含有すべきである。本発明の典型
的な鋼は、次いで第1再結晶化段階の間および第2粒子
成長の完結前に窒化しなければならない。窒化は、プラ
ズマ窒化、イオン窒化、塩浴窒化、焼きなまし分離機中
の窒素含有化合物、または焼きなまし雰囲気中の窒素、
窒素含有化合物及び/又はアンモニアによる処理、ある
いはこれらの組み合わせ処理を使用して行うことができ
る。基金属は窒化工程前には0.001〜0.011%
の窒素を含有する。窒化処理で、典型的には、少なくと
も約50ppm(0.005%)の窒素がストリップに加
えられ、過剰の窒素は好ましくは少なくとも約0.00
4%の量に上げられる。典型的には、窒化で少なくとも
70ppm(0.007%)の窒素が加えられる。窒化は
平坦状又はコイル状で行うことができる。典型的には、
連続ストリップ窒化処理は、水素、窒素及びアンモニア
を含有する雰囲気が使用され、650〜900℃の範囲
の温度で行われる。連続ストリップ窒化工程に続いて、
タンデム操作での脱炭素工程が約750〜900℃の温
度で行われる。窒素含有雰囲気及び/又は焼きなまし分
離機への窒素含有添加物の採用により、コイルストリッ
プの窒化の大部分が実施される場合は、700℃から第
2粒子成長が実質的に完結する温度の範囲の温度に加熱
すると、雰囲気は少なくとも10容量%の窒素を含有す
る。
【0038】最終高温焼きなましは(110)[00
1]粒子方向性又はゴス(Goss)組織の発達のために必
要である。典型的には、鋼は水素及び5〜75%の窒素
を含有する雰囲気中で、少なくとも約1100℃(20
10°F)の均熱温度に加熱される。本発明の実施に採
用される典型的な焼きなまし条件は、815℃(150
0°F)までは時間当たり10〜50℃(18〜90°
F)の加熱速度で、ついで約1050℃(1920°
F)で第2粒子成長が完結するまでは時間当たり約50
℃(90°F)、好ましくは時間当たり25℃(45°
F)又はそれ以下の加熱速度である。第2粒子成長が完
結したら、加熱速度は臨界的でなく、所望の均熱温度が
達成されるまで増大するが、その際窒素及びその他の不
純物、特に硫黄の除去のために、実質的に純粋な水素中
で材料は少なくとも5時間(好ましくは少なくとも15
時間)維持される。
【0039】(100)[001]又は(100)[h
kl]方向性を有する立方組織材料を公知の方法で本発
明により製造することもできる。例えば、上記の方法に
より製造された(110)[001]粒子方向性材料
は、米国特許第3,130,092号明細書記載の方法によりさ
らに加工することができる。本発明の範囲の組成を有す
る鋳造又は熱間圧延されたシートを使用して、米国特許
第3.130,093号明細書に教示の、最近では米国特許第5,3
46,559号明細書の低再加熱技術に適応したクロス圧延法
により立方組織材料を製造することができる。
【0040】
【実施例】
実施例1 鉄損の減少における高い体積抵抗率の有益な効果の説明
のために、実験室で一連の加熱物を熔融し、加工した。
加熱物の熔融物組成を表1に示す。
【0041】
【表1】
【0042】合金を真空熔融し、幅100mm、厚さ2
5mmのインゴットに鋳造し、室温に冷却した。組成物
A及びBからのインゴットを各々1200℃および12
60℃に設定された炉中で1時間加熱した後、熱間圧延
した。インゴットを炉から取り出し、20〜30秒間逆
転ホットミルに2回通して10mmに熱間圧延した。つ
いで、10mmのストリップを950〜960℃に空気
冷却し、960℃で43秒間前と同じ逆転ホットミルに
さらに3回通して2.5mmに仕上げ圧延した。最終圧
下前に保温炉に出し入れして直接圧延することにより、
2つのインゴットを815〜845℃の仕上げ温度し
た。圧延後、ストリップを20秒間水スプレー冷却して
室温にした。熱間圧延されたシートを1095℃(20
00°F)の温度で炉の中で3分間焼きなましを行い、
870℃(1600°F)に空気冷却し、沸騰水でクエ
ンチした。表面酸化物を除去し、焼きなましされたシー
トを0.28mm(0.011インチ)の厚さに冷間圧
延した。冷間圧延されたシートを880℃のピーク温度
で湿った水素−窒素雰囲気中で脱炭素した。組成物A及
びBに用いたPH2O/PH2は、それぞれ0.40及び
0.20であった。サンプルを主としてMgOを含有す
る分離被覆で被覆し、ボックス焼きなましを行った。用
いた分離被覆は8重量%のMn4Nと共に珪素鋼品質の
MgOを含有していた。72%H2−25%N2雰囲気を
使用して、1205℃までの温度でボックス焼きなまし
を行い、ついで純粋な水素中で1205℃に24時間保
持した。採用した加熱速度は、590℃の温度へは16
7℃/時間;590〜1010℃の温度へは28℃/時
間;1010〜1090℃の温度へは4℃/時間;10
90〜1200℃の温度へは28℃/時間であった。ボ
ックス焼きなましに続いて、サンプルは未反応マグネシ
アを含有し、5%H2−95%N2中、780℃で1時間
応力除去焼きなましを行った。応力除去焼きなまし後の
磁気特性を表2に示す。
【0043】
【表2】
【0044】796A/mで透磁性を測定し、鉄損を6
0ヘルツ、1.5テスラ及び1.7テスラで測定した。
加熱物AのようにMneqが少なすぎる場合は、体積抵抗
率は必要とする最小値(50μ-Ω-cm)とならない。
Mnep約1.27の加熱物Bは優れた体積抵抗率(58
μ-Ω-cm)を有する。
【0045】実施例2 実施例1の加熱物A及びBに加えて、さらに一連の加熱
物を溶融し、厚さ0.26mm及び0.30mmに加工
した。加熱物の溶融組成をG〜Tとして表3に示す。表
示コード(ID)C〜Fは1300℃を越える再加熱温
度を使用して加工された商業的材料の通常の組成を示す
ものである。材料C及びDは最後の冷間圧下で80%超
過に圧下し、材料E及びFは最後の冷間圧下で80%未
満に圧下した。さらに、材料D及びFは使用された製法
について劣悪な磁気品質を示しているが、材料C及びE
は良好な磁気品質を示している。加熱物C〜Fの全ては
0.5%未満のMnepを有し、加熱物E及びFは0.0
1%未満の酸可溶性アルミニウムを有している。
【0046】加熱物G〜Tを真空溶融し、25×100
mmのインゴットに鋳造した。材料を実施例1に記載の
圧下及び冷却法を採用して1150〜1175℃の再加
熱温度から熱間圧延により加工した。熱間加工されたス
トリップを実施例1記載の方法により焼きなましした。
ストリップを、湿った水素−窒素雰囲気中での脱炭素前
に冷間圧延して0.26mm又は0.30mmの厚さに
した。約60秒間815〜860℃の範囲の温度に加熱
し、この温度に60〜120秒間保持することからなる
脱炭素焼きなましを行った。PH2O/PH2を0.15〜
0.25の範囲に維持した。全てのサンプルを、主とし
て珪素鋼グレードのMgOからなる分離被覆を使用して
ボックス焼きなましを行った。分離被覆においては窒素
含有化合物を使用しなかった。サンプルGを除き、全て
窒化は28℃/時間の加熱速度で3:1(水素:窒素)
雰囲気中で加熱によりボックス焼きなましがなされた。
サンプルGは、脱炭素後で且つMgO被覆前に実施され
た操作において、0.015〜0.02の窒素レベルに
窒化されたストリップであった。ストリップの窒化条件
はNH3 4000ppm及びH2O 7500ppmを含有する
3:1(水素:窒素)雰囲気中で、約650℃以上で1
20秒間、約760℃で20〜30秒間であった。
【0047】表4は本発明の鋼が低スラブ再加熱温度に
再加熱でき、796A/mにおいて高い飽和度を与える
ことを示している。加熱物H及びPは本発明の最小Mn
ep(>0.5%)を有していなかった。
【0048】鋼U〜Xは米国特許第5,250,123号明細書
の実施例のものである。これらのサンプル全て本発明の
最小アルミニウムレベル(0.015%)未満であり、
本発明の最小炭素レベル(0.01%)未満であり、
(%Si)−0.45(Mnep)が0.2未満であっ
た。
【0049】
【表3】
【0050】
【表4】
【0051】実施例3 160トンの加熱物を加工し、本発明の機械的性質及び
加工特性を評価した。加熱物Yはアーク炉で溶融し、と
りべ中で脱気真空下脱炭素した。加熱物を、表5に示し
た組成を有する厚さ200mmのスラブに連続的に鋳造
した。鋼組成物は0.005%のTi、0.01%のS
i、0.005%のP及び残部は本質的に鉄を含有して
いた。この組成物の体積抵抗率は61.4μ-Ω-cmと
測定された。2.3mm(0.090インチ)に熱間圧
延する前に、4つのスラブは1160℃(2120°
F)に再加熱し、4つのスラブは1254℃(2290
°F)に再加熱した。ついで、60〜200℃の範囲の
温度で、熱間圧延されたストリップのコイルを溶接し、
端をスリットして、材料の加工性を評価した。無傷の溶
接物が製造され、コイルの分離や末端のクラックはなか
った。
【0052】熱間圧延されたストリップのサンプルを実
験室で、約1065℃に加熱された炉で180秒間焼き
なましし、590〜600℃に空気冷却し、沸騰水でク
エンチした。サンプルは除去された酸化物を有し、0.
26mmの厚さに冷間圧延した。冷間圧延されたストリ
ップをPH2O/PH2=0.25の湿った水素−窒素雰囲
気中で120秒間脱炭素した。ストリップを730〜7
50℃の温度で400〜450℃/秒で誘導加熱し、つ
いで860℃のピーク温度で約100秒間加熱した。脱
炭素されたストリップは主としてMgOからなる分離被
覆を有し、3:1(水素:窒素)雰囲気中、15℃/時
間で1200℃の温度に加熱され、乾燥水素中で24時
間1200℃に保持した。2つのスラブ温度からのサン
プルは796A/mの適用磁場において90〜95%の
飽和度に達した。
【0053】
【表5】
【0054】実施例4 実施例3のスラブ加熱条件からの1つの熱間圧延サンプ
ルを実験室で、約1010℃に加熱された炉で180秒
間焼きなましし、590〜600℃に空気冷却し、沸騰
水でクエンチした。サンプルは除去された酸化物を有
し、0.28mmの厚さに冷間圧延した。冷間圧延され
たストリップを60秒間830℃に加熱し、ついでP
H2O/PH2=0.30の湿った水素−窒素雰囲気中で、
約0.2℃/秒で、860℃のピーク温度加熱すること
により、合計240秒間脱炭素した。脱炭素されたスト
リップは主としてMgOからなる分離被覆を有し、3:
1(水素:窒素)雰囲気中、15℃/時間で1200℃
の温度に加熱され、乾燥水素中で24時間1200℃に
保持した。磁気特性を表6に示す。
【0055】
【表6】
【0056】実施例5 クロム添加の効果を評価するために、実験室で一連の加
熱物を溶接、加工した。6つのインゴット組成を表7に
示す。
【0057】
【表7】
【0058】合金を真空溶融し、幅100mm、厚さ2
5mmのインゴットに鋳造し、室温に冷却した。インゴ
ットを1150℃の温度に再加熱し、厚さ2.5mmに
熱間圧延した。熱間圧延されたシートを1093℃の温
度に加熱された炉で3分間焼きなましし、870℃に空
気冷却し、沸騰水でクエンチした。表面酸化物を除去
し、焼きなましされたシートを厚さ0.28mmに冷間
圧延した。合金ABを除き、全ての合金について冷間圧
延されたストリップを60秒間830℃に加熱し、つい
でPH2O/PH2=0.30の湿った水素−窒素雰囲気中
で、約0.2℃/秒で、860℃のピーク温度に急速で
ない加熱を行うことにより、合計240秒間脱炭素し
た。合金ABは焼きなまし時間を300秒間に延長した
こと以外は同様の方法で脱炭素した。脱炭素されたスト
リップは主としてMgOからなる分離被覆を有し、3:
1(水素:窒素)雰囲気中、15℃/時間で1200℃
の温度に加熱され、乾燥水素中で24時間1200℃に
保持した。磁気特性を表8に示す。
【0059】
【表8】
【0060】上記した好ましい態様は、従来慣用の二段
階冷間圧下法と比較して、本発明の他の処理工程を組み
合わせにおいて、少なくとも50μ-Ω-cmの体積抵抗
率を有する粒子方向性珪素鋼が矛盾のない且つ優れた磁
気品質を与えることを証明している。また、本発明は、
薄いスラブ鋳造、ストリップ鋳造のような方法又は簡潔
なストリップ製造の他の方法を採用して製造される原材
料バンドを使用することができる。
【0061】好ましい態様として上記した発明はその与
えられた詳細に限定されるものではなく、本発明の精神
及び範囲を逸脱せずにその変更及び改変をすることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 Mn及びSiの重量%と体積抵抗率との関係
を示すグラフである。
【図2】 Mn等価物(Mnep)及びSiの重量%とFe
-C-Mn-Si-X合金(XはCr、Cu及びNiの1種
以上を示す)との関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−184639(JP,A) 特開 平5−295447(JP,A) 特開 平1−108345(JP,A) 特開 昭61−104025(JP,A) 特開 昭59−232227(JP,A) 特開 昭59−185725(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 303 C21D 8/12 C22C 38/06 H01F 1/147

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 下記の工程を包含する、アルミニウム窒
    化物を含有する粒子方向性珪素鋼の製造法: (a)少なくとも50μ-Ω-cmの体積抵抗率を与える
    ために、2.25重量%を超え7重量%までのSi;
    0.01〜0.08重量%のC;0.015〜0.05
    重量%のAl;0.01重量%までのS;0.5重量%
    を超えるMnep;0.001〜0.011重量%のN;
    2重量%未満のNi;1重量%未満のCu;3重量%以
    下のCr;および残部は本質的に鉄である熱間圧延され
    たバンドを用意し、但し、該鋼の組成は2≦[(%S
    i)−0.45(%Mnep)]≦4.4を満足するもの
    である; (b)前記バンド中に少なくとも5%のγ1150℃を与
    え; (c)前記バンドを950〜1150℃の温度に180
    秒間以下の均熱時間加熱し、775〜950℃の第2均
    熱温度に0〜300秒間の均熱時間加熱し、そして冷却
    することにより、前記バンドを初期焼きなましし; (d)前記焼きなましされたバンドを最終ストリップ厚
    さに冷間圧延し; (e)前記ストリップを0.005%未満の炭素レベル
    へ脱炭素し; (f)第1再結晶化の後且つ第2粒子成長の前に、前記
    バンドを窒化して過剰の窒素を与え、但し、前記過剰の
    窒素とは[(%N)−0.52(%Al)]>0で定義
    される; (g)窒化の前、後又は窒化処理間の段階で、前記スト
    リップに焼きなまし分離被覆を与え; (h)前記被覆されたストリップを少なくとも1100
    ℃(2010°F)の温度で、少なくとも5時間最終焼
    きなましして、第2粒子成長を行わせる。
  2. 【請求項2】 前記体積抵抗率のレベルが少なくとも5
    5μ-Ω-cmである請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記窒化の少なくとも一部が、窒素含有
    化合物を含有する焼きなまし雰囲気、窒素を含有する焼
    きなまし分離被覆、及びこれらの組み合わせからなるプ
    ロセス群から、コイルストリップ形態で行われる請求項
    1記載の方法。
  4. 【請求項4】 下記の工程を包含する、10オルステッ
    ドにおいて少なくとも89%の飽和度を有する規則性粒
    子方向性珪素鋼の製造法: (a)少なくとも50μ-Ω-cmの体積抵抗率を与える
    ために、2.25重量%を超え7重量%までのSi;
    0.01〜0.08重量%のC;0.015〜0.05
    重量%の可溶性Al;0.01重量%までのS;0.5
    重量%を超えるMnep;0.001〜0.011重量%
    のN;2重量%未満のNi;1重量%未満のCu;3重
    量%以下のCr;および残部が本質的に鉄である熱間圧
    延されたバンドを用意し、但し、該鋼の組成は2.5≦
    [(%Si)−0.45(%Mnep)]≦4.4を満足
    するものである; (b)前記バンドを10分間までの時間、900〜11
    25℃(1650〜2050°F)の温度で焼きなま
    し、焼きなましされたバンドが少なくとも10%のγ
    1150℃を有し; (c)一段階で、75%を超え93%までの最終圧下
    で、前記焼きなましされたバンドを冷間圧延して最終ゲ
    ージストリップとなし; (d)前記ストリップを0.005%未満の炭素レベル
    へ脱炭素し; (e)前記ストリップを窒化して少なくとも150ppm
    の最小窒素レベルを与え; (f)前記ストリップに焼きなまし分離被覆を与え; (g)前記被覆されたストリップを、第2再結晶化が十
    分に進行し且つH=10オルステッドにおいて少なくと
    も89%の飽和度を与えるのに十分な温度及び時間最終
    焼きなましを行う。
  5. 【請求項5】 前記珪素が2.725重量%を超え5重
    量%まで、前記マンガンが0.5〜3重量%、前記アル
    ミニウムが0.02〜0.04重量%及び前記炭素が少
    なくとも0.025重量%である請求項4記載の方法。
  6. 【請求項6】 2.25重量%を超え7重量%までのS
    i;0.01〜0.08重量%のC;0.015〜0.
    05重量%のAl;0.01重量%までのS;少なくと
    も0.5重量%のMnep;0.002〜0.011重量
    %のN;2重量%未満のNi;1重量%未満のCu;3
    重量%以下のCr;および残部が鉄である、但し、該鋼
    の組成は2.0≦[(%Si)−0.45(%M
    ep)]≦4.4を満足するものである粒子方向性珪素
    鋼溶融物。
  7. 【請求項7】 該鋼組成物は2.0≦[(%Si)−
    0.45(%Mnep)]≦3.9を満足するものである
    請求項6記載の粒子方向性珪素鋼溶融物。
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