JP3218921B2

JP3218921B2 - 低磁歪高珪素電磁鋼板

Info

Publication number: JP3218921B2
Application number: JP13613495A
Authority: JP
Inventors: 靖田中; 健治森田
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1995-05-10
Filing date: 1995-05-10
Publication date: 2001-10-15
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: JPH08302449A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は浸珪処理法により製造
される低磁歪の高珪素電磁鋼板に関する。

【０００２】

【従来の技術】電磁鋼板として広く用いられている珪素
鋼板は、Ｓｉ含有量が増すほど鉄損が低減し、Ｓｉ含有
量が６．５ｗｔ％程度で最大透磁率がピークとなるなど
最も優れた磁気特性を示すことが知られている。従来、
Ｓｉ含有量が４ｗｔ％以上の高珪素鋼板を工業的に製造
する方法として、特開昭６２−２２７０７８号等に示さ
れるような浸珪処理法による製造法が知られている。こ
の製造法はＳｉ含有量が４ｗｔ％未満の薄鋼板をＳｉＣ
ｌ₄を含む雰囲気の浸珪処理炉に連続的に通板させて鋼
板にＳｉを浸透させ、次いでＳｉを板厚方向に拡散させ
る拡散熱処理を施すことにより、コイル状の高珪素鋼帯
を連続的に製造する方法である。この製造法は、従来の
圧延技術で製造可能な薄鋼板を素材としているため、圧
延による形状不良などの問題を生じることなく、原理的
には比較的容易に高珪素鋼板を製造することが可能であ
る。

【０００３】ところで、この種の製造方法により製造さ
れる高珪素鋼板については、Ｓｉ含有量が板厚方向でほ
ぼ一定であれば磁気特性も優れるであろうと推論するこ
とは容易であり、このため従来の製造法では専らＳｉ含
有量が板厚方向でほぼ均一な高珪素鋼板を得ることを目
標としてきた。しかし、Ｓｉを板厚方向で完全に均一に
拡散させるためには長時間（通常、数時間程度）を要
し、特にＳｉの板厚方向への拡散時間は鋼板の板厚の２
乗に比例するため、板厚が厚くなるほど拡散熱処理に長
時間を要するという問題がある。

【０００４】このような問題に対して特開昭６２−２２
７０３３号や特開昭６２−２２７０３４号では、拡散時
間の短縮化を図るために鉄損値がほぼ飽和する段階、す
なわち鋼板表層部のＳｉ含有量が６．５ｗｔ％程度とな
った段階で板厚方向Ｓｉ濃度勾配を残したまま拡散熱処
理を打ち切り、全体の処理時間を短くした高珪素鋼板の
製造法が提案されている。また、特開平４−２４６１５
７号では、板厚方向でＳｉ濃度勾配が残存した高珪素鋼
板において、鉄損だけでなく磁束密度、透磁率、磁歪の
特性を満足させるために、板厚方向におけるＳｉ濃度偏
差（ΔＳｉ）を板厚との関係で規定した高珪素鋼板が提
案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らによる検討によれば、磁歪の低減という面からは特
開平４−２４６１５７号に示されるようなＳｉ濃度偏差
の規定だけでは十分でなく、実際に電機機器に組み込ん
だ場合、騒音の問題が生ずる場合があることが明らかと
なった。このような問題はＳｉ濃度偏差を小さくすれば
ある程度改善することができるが、上述したようにＳｉ
濃度偏差を小さくするには拡散時間を極めて長くとる必
要があるため、設備コストや製造コストが高くなるとい
う欠点がある。

【０００６】本発明はこのような従来の問題に鑑みなさ
れたもので、拡散熱処理を比較的短時間実施することに
より板厚方向でＳｉ濃度勾配が残存した高珪素鋼板にお
いて、優れた低磁歪特性を有する高珪素電磁鋼板を提供
しようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明の高珪素電磁鋼板は、浸珪処理法により
製造される高珪素鋼板であって、板厚方向での平均Ｓｉ
含有量が５．０〜６．８ｗｔ％、板厚中心部におけるＳ
ｉ含有量が５．０ｗｔ％以上、板表層部におけるＳｉ含
有量が８ｗｔ％以下、板厚中心部と板表層部とのＳｉ含
有量の偏差Δ［％Ｓｉ］（ｗｔ％）が板厚ｔ（ｍｍ）に
対して０．２≦Δ［％Ｓｉ］／ｔの関係を満足し、消磁
状態において各結晶粒が有する

【数２】方向の磁区の中で、圧延方向とのなす角度が最も小さい
方向を有する磁区の割合が磁区全体積の５０％以上であ
ることを特徴とする低磁歪高珪素電磁鋼板である。

【０００８】

【作用】本発明の高珪素電磁鋼板の特徴は、浸珪処理法
により製造される板厚方向でＳｉ濃度勾配を有する高珪
素鋼板において、板厚中央部及び板表層部の各Ｓｉ含有
量と両者のＳｉ含有量の偏差を最適な状態にコントロー
ルし、且つ各結晶粒が有する

【数３】方向の磁区の中で、圧延方向とのなす角度が最も小さい
方向を有する磁区の割合をコントロールすることによ
り、極めて低い磁歪を達成した点にある。

【０００９】以下、本発明に到った経緯と本発明の構成
の限定理由を説明する。本発明者らは、浸珪処理法によ
り製造された鋼板について板厚方向でＳｉ濃度勾配を有
する状態での磁歪および鉄損を測定した。図１は、板厚
０．３０ｍｍの３％珪素鋼板に対して、板厚方向で均一
に拡散させた時のＳｉ濃度が６．５ｗｔ％になるように
浸珪処理を施した後、１２００℃で拡散熱処理を施する
ことにより得られた高珪素鋼板について、板厚中心部の
Ｓｉ量と鉄損、磁歪との関係を示している。これによれ
ば、板厚方向でのＳｉの拡散が進み板厚中心部のＳｉ量
が増加するにしたがって鉄損は速やかに減少するが、こ
の鉄損の減少に較べて磁歪の低減は極めて遅いことが判
る。すなわち、図１の結果はＳｉの板厚方向での拡散が
十分でないと、鉄損に関しては十分満足できる値が得ら
れても、磁歪は極めて高い値となることを示している。

【００１０】次に、上記と同じ鋼板を拡散熱処理後の冷
却過程において種々の条件で磁場中冷却し、鋼板の磁歪
の変化を調べた。その結果、板厚中央部のＳｉ量が５．
０ｗｔ％を超えると磁歪が著しく低減する鋼板が見い出
された。この鋼板の磁歪の変化を磁場中冷却前の磁歪と
ともに図２に示す。これによれば、磁場中冷却を実施す
ることにより磁歪は全体的に低下する傾向があるが、板
厚中央部のＳｉ量が５．０ｗｔ％を超えた段階で磁歪が
飛躍的に減少し、板厚中央部のＳｉ量が６．５ｗｔ％の
鋼板（Ｓｉを板厚方向で均一に拡散した鋼板）とほぼ同
等の磁歪が得られている。このように板厚中心部のＳｉ
量が５．０ｗｔ％以上の領域で磁歪が激減した理由は明
らかではないが、一つには規則不規則変態が存在するの
がＳｉ：５．０ｗｔ％以上の領域であることから、板厚
方向で所定のＳｉ濃度勾配を有するという特別なＳｉ濃
度分布下において、特定の条件で行われる磁場中冷却の
効果と上記規則不規則変態とが何らかの形で関連し合っ
ているものと考えられる。

【００１１】このような試験結果に基づき、板厚方向で
Ｓｉ濃度勾配を有する高珪素鋼板において低磁歪が得ら
れる構造を解明し、以下に述べるような理由により発明
の構成を限定した。まず、板厚方向でのＳｉ濃度勾配の
下限については、この種の鋼板を連続処理により工業的
に生産するための処理時間の観点から規定される。浸珪
処理により鋼板表層に浸透したＳｉを板厚方向に拡散さ
せるために行われる拡散熱処理では、その処理時間は温
度依存性が高く、同じ板厚であれば処理温度が高いほど
処理時間は短くて済む。しかし、処理温度が過度に高い
と浸珪反応によって、鋼板表面に生成したＦｅ₃Ｓｉが
溶融してしまうため、一般に拡散熱処理は１２５０℃以
下の温度で行われる。一方、処理時間については、処理
時間が６０分を超えると仮にラインスピードを１ｍｐｍ
としても６０ｍ以上、ラインスピードを１０ｍｐｍとす
れば６００ｍ以上の炉長が必要となるため、工業的な生
産性の面からしてその程度の処理時間が実質的な限界で
あり、したがって、処理時間は一応６０分以内を目安と
することができる。

【００１２】そこで、浸珪処理された板厚０．１ｍｍ、
０．３ｍｍ、０．５ｍｍの各鋼板について、１１５０
℃、１２００℃の２水準で拡散熱処理を施し、板厚中心
部と板表層部とのＳｉ含有量の偏差Δ［％Ｓｉ］と板厚
ｔとの比：Δ［％Ｓｉ］／ｔと処理時間との関係を調べ
た。表１はその結果を示すもので、１２００℃で拡散熱
処理を行えば０．５ｍｍ材についても６０分以内でΔ
［％Ｓｉ］／ｔが０．２以下となることが判った。この
ため、１２００℃での拡散熱処理時に６０分以内で到達
する０．５ｍｍ材のΔ［％Ｓｉ］／ｔ＝０．２を本発明
のＳｉ濃度偏差の下限とした。

【００１３】また、板厚中心部におけるＳｉ含有量が
５．０ｗｔ％未満では、図２の試験結果に示されるよう
に磁歪を十分に低減させることができない。このため板
厚中心部におけるＳｉ含有量は５．０ｗｔ％以上と規定
する。また、板表層部におけるＳｉ含有量が８ｗｔ％を
超えると加工性が劣化するとともに磁気特性も劣化する
ため、板表層部におけるＳｉ含有量は８ｗｔ％以下と規
定する。さらに、板厚方向での平均Ｓｉ含有量が５．０
ｗｔ％未満では、磁歪特性を含む高珪素鋼板としての磁
気特性が十分に得られない。一方、板厚方向での平均Ｓ
ｉ含有量が６．８ｗｔ％を超えると加工性が急激に劣化
し、適正な剪断打ち抜きを行うことができなくなる。こ
のため板厚方向での平均Ｓｉ含有量は５．０〜６．８ｗ
ｔ％と規定する。

【００１４】また、図２に示される優れた磁歪特性を示
した鋼板について、その磁区の構造を調べた結果、各結
晶粒のもつ三方向の磁化容易軸［１００］，［０１
０］，［００１］のうち、圧延方向（圧延方向と反対方
向を含む。以下同様。）とのなす角度が最も小さくなる
磁区の割合が他の磁区の割合よりも多いことが判った。
すなわち、結晶組織が完全無方向の場合には、元来各結
晶粒のもつ三方向の磁化容易軸［１００］，［０１
０］，［００１］方向に向いている磁区はそれぞれ１／
３ずつの割合で存在しているが、圧延方向とのなす角度
が最も小さくなる磁区が磁区全体積の５０％以上の割合
で存在していると、図２に示すように磁歪を著しく低減
できることが判った。このため本発明では、消磁状態に
おいて各結晶粒の有する

【数４】方向の磁区の中で、圧延方向とのなす角度が最も小さい
方向を有する磁区の割合（体積）を磁区全体積の５０％
以上と限定した。また、このような磁区の割合は、磁場
中冷却を実施する場合の印加磁場の大きさや磁場中冷却
温度等に依存することが判った。

【００１５】また、本発明における磁歪特性の顕著な改
善は、板厚方向平均Ｓｉ含有量、板厚中心部及び表層部
のＳｉ含有量及び鋼板の磁区構造を特定範囲に限定する
ことにより達成されるものであるが、このような磁歪特
性の著しい改善効果は板厚方向Ｓｉ濃度勾配を有する高
珪素鋼板に特有のものであることが判った。すなわち、
Ｓｉ含有量が板厚方向で略均一な珪素鋼板においては、
本発明条件を満足するような磁区構造としても、その磁
歪特性の改善効果は本発明に較べて遥かに小さい。

【００１６】次に、本発明の高珪素電磁鋼板の好ましい
成分条件について説明する。Ｃは磁気特性を劣化させる
元素であり、その含有量が０．０１ｗｔ％を超えると固
溶Ｃによる磁気特性の劣化が著しいため、０．０１ｗｔ
％以下とすることが好ましい。なお、Ｃは無添加（０％
ｗｔ％）の場合を含む。Ｍｎの含有量が０．０１ｗｔ％
未満では固溶Ｓによる熱間脆性、冷間脆性の問題を生
じ、一方、０．５ｗｔ％を超えるとＭｎによる固溶強化
により鋼板が硬質化し好ましくない。このためＭｎは
０．０１〜０．５ｗｔ％とすることが好ましい。

【００１７】Ａｌの含有量が１．０ｗｔ％を超えると浸
珪処理前の素材鋼板の冷間圧延性が劣るため、１．０ｗ
ｔ％以下とすることが好ましい。なお、Ａｌは無添加
（０ｗｔ％）の場合を含む。Ｓは加工性及び磁気特性を
劣化させる元素であるが、０．０１ｗｔ％以下であれば
実質的な影響は殆んどないため、０．０１ｗｔ％以下と
することが好ましい。なお、Ｓは無添加（０ｗｔ％）の
場合を含む。Ｎは磁気特性を劣化させる元素であるが、
０．０１ｗｔ％であれば実質的な影響は殆んどないた
め、０．０１ｗｔ％以下とすることが好ましい。なお、
Ｎは無添加（０ｗｔ％）の場合を含む。Ｏは加工性及び
磁気特性を劣化させる元素であるが、０．０１ｗｔ％以
下であれば実質的な影響は殆んどないため、０．０１ｗ
ｔ％以下とすることが好ましい。なお、Ｏは無添加（０
ｗｔ％）の場合を含む。

【００１８】次に、以上述べた高珪素鋼板の製造条件に
ついて説明すると、浸珪処理の素材となる鋼板は、圧延
による製造が容易なＳｉ：４ｗｔ％未満の鋼板である。
通常、この素材鋼板は、熱間圧延、酸洗、冷間圧延を経
た薄鋼板であり、その板厚は０．０３〜０．５ｍｍとす
ることが好ましい。板厚が０．５ｍｍを超えると鉄損が
増大し、一方、板厚が０．０３ｍｍ未満ではモーターや
トランス等の鉄心組立が困難となるためである。

【００１９】このような素材鋼板は、ＳｉＣｌ₄等の反
応ガスと接触することで浸珪処理された後、板表層部に
浸透したＳｉを板厚方向に拡散させるための拡散熱処理
が施される。浸珪処理直後の鋼板は、板表層部が最大で
１４．５ｗｔ％のＳｉ含有量であるのに対し、板厚中心
部では素材鋼板とほぼ同じのＳｉ含有量であるという極
端なＳｉ濃度勾配を有しているが、拡散熱処理によりこ
のＳｉ濃度勾配が徐々に均一な方向に変化する。本発明
では上述した理由により、拡散熱処理を板厚方向での平
均Ｓｉ含有量が５．０〜６．８ｗｔ％、板厚中心部のＳ
ｉ含有量が５．０ｗｔ％以上、板表層部におけるＳｉ含
有量が８ｗｔ％以下、板厚中心部と板表層部とのＳｉ含
有量の偏差Δ［％Ｓｉ］が板厚ｔ（ｍｍ）に対して０．
２≦Δ［％Ｓｉ］／ｔの関係を満足する時点で終了す
る。

【００２０】鋼板には、引き続く冷却過程またはその後
に行われる熱処理後の冷却過程において、板温が少なく
とも５５０〜３００℃の温度範囲において圧延方向と同
一方向の磁界を印加する、所謂磁場中冷却が施される。
すなわち、板温が５５０℃以上から磁場中冷却を開始
し、３００℃以下の温度領域で終了する。また、印加す
べき磁場は４００Ａ／ｍ以上とすることが好ましく、こ
の場合の磁界は直流磁場、交流磁場のいずれでもよい。
このような磁場中冷却は、拡散熱処理後の冷却過程、絶
縁被膜の焼付け乾燥処理後の冷却過程等で１回以上実施
することができる。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【実施例】表２の成分組成を有する鋼を溶製し、鋳造、
粗圧延、熱間圧延、酸洗および冷間圧延を経て板厚０．
３０ｍｍの冷間圧延板を得た。この冷間圧延板を脱脂
後、窒素ガス雰囲気中で１２００℃まで加熱し、次いで
同温度でＳｉＣｌ₄：１０ｖｏｌ％、Ｎ₂：９０ｖｏｌ％
からなるの雰囲気中において５分間浸珪処理し、引き続
き１１５０℃の窒素ガス雰囲気中で処理時間を変えて拡
散熱処理を施した。また、鋼板の一部については、拡散
熱処理後の冷却途中の５５０℃〜３００℃の温度範囲で
圧延方向に８００Ａ／ｍの直流磁界を印加した。拡散熱
処理を経て冷却された鋼板に絶縁被膜を塗布し、３００
℃で焼付処理した後、室温まで冷却した。

【００２３】これらの鋼板から圧延方向に剪断された試
料を採取し、圧延方向での磁歪を測定した。また、試料
表面を研磨し、カー効果磁区観察装置によって磁区構造
を観察し、圧延方向とのなす角度が最も小さい方向を有
する磁区の体積率を測定した。これらの結果を、製造条
件および鋼板のＳｉ濃度とともに表３に示す。同表によ
れば、本発明例の鋼板では、板厚方向でのＳｉ濃度勾配
が存在しているにも拘らず、優れた磁歪特性が得られて
いることが判る。

【００２４】また、実施例Ｎｏ．１１およびＮｏ．１２
は、いずれもＳｉ含有量が板厚方向で略均一な比較例の
高珪素鋼板（Ｓｉ：略６．５ｗｔ％）であり、このうち
Ｎｏ．１１は本発明が規定する特定の磁区体積率を３５
％とした比較例、また、Ｎｏ．１２はこれを８５％まで
高めた比較例である。一方、実施例Ｎｏ．９およびＮ
ｏ．１０は板厚方向Ｓｉ濃度勾配が同じ高珪素鋼板であ
って、このうちＮｏ．９は本発明が規定する特定の磁区
体積率を３５％とした比較例、Ｎｏ．１０はこれを８０
％まで高めた本発明例である。そして、Ｎｏ．１２とＮ
ｏ．１０の磁歪特性の改善効果（それぞれＮｏ．１１と
Ｎｏ．９に対する磁歪特性の改善効果）を較べると、Ｓ
ｉ含有量が板厚方向で均一なＮｏ．１２では磁歪がＮ
ｏ．１１の１／２程度にしか低減していないのに対し、
本発明例であるＮｏ．１０では、本発明が規定する特定
の磁区体積率がＮｏ．１２に較べて低いにも拘らず、Ｎ
ｏ．９の１／２０程度まで磁歪が低減している。このこ
とから、本発明が規定するような磁区構造による磁歪特
性の改善効果は、Ｓｉ含有量が板厚方向で略均一な高珪
素鋼板に較べ、板厚方向Ｓｉ濃度勾配を有する高珪素鋼
板において顕著であることが判る。

【００２５】

【表２】

【００２６】

【表３】

【００２７】

【発明の効果】以上述べた本発明の高珪素電磁鋼板によ
れば、比較的短時間の拡散熱処理を経て製造されるため
に板厚方向でのＳｉ濃度勾配を有しているにも拘らず、
従来材に較べて極めて優れた磁歪特性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】浸珪処理法により製造された高珪素鋼板の板厚
中央部のＳｉ量と鉄損特性および磁歪特性との関係を示
すグラフ

【図２】浸珪処理法により製造された高珪素鋼板であっ
て、磁場中冷却前の鋼板と特定の条件で磁場中冷却され
た鋼板について、板厚中央部のＳｉ量と磁歪特性との関
係を示すグラフ

【数５】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 303 C23C 12/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】浸珪処理法により製造される高珪素鋼板
であって、板厚方向での平均Ｓｉ含有量が５．０〜６．
８ｗｔ％、板厚中心部におけるＳｉ含有量が５．０ｗｔ
％以上、板表層部におけるＳｉ含有量が８ｗｔ％以下、
板厚中心部と板表層部とのＳｉ含有量の偏差Δ［％Ｓ
ｉ］（ｗｔ％）が板厚ｔ（ｍｍ）に対して０．２≦Δ
［％Ｓｉ］／ｔの関係を満足し、消磁状態において各結
晶粒が有する【数１】方向の磁区の中で、圧延方向とのなす角度が最も小さい
方向を有する磁区の割合が磁区全体積の５０％以上であ
ることを特徴とする低磁歪高珪素電磁鋼板。