JP3482862B2 - 残留磁束密度および鉄損が低い珪素鋼板 - Google Patents

残留磁束密度および鉄損が低い珪素鋼板

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    • H01F1/14766Fe-Si based alloys
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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、偏磁による突入電
流が間題となるトランス、リアクトル、変成器(CT)
やモータなどの鉄心として用いられる残留磁束密度の低
い珪素鋼板に関する。
【0002】
【従来の技術】トランス、モータ等の鉄心に使用される
珪素鋼板は、磁束密度を高め、鉄損を低下させる方向で
研究が行われ、角形比の大きい材料が開発されてきた。
しかし、その結果、残留磁束密度が大きくなり、トラン
ス等の機器とした場合、偏磁によりさまざまな問題が発
生している。
【0003】そこで、本発明者らは、先に、偏磁の原因
である残留磁束密度を低下させるには板厚方向にSiの
濃度勾配を形成することが有効なことを見出し、特許出
願した(特開平9−184051号公報)。また、板厚
方向にSiの濃度勾配を形成すること自体は、特開昭6
2−227033号ないし特開昭62−227036号
公報、および特開平4−246157号公報に開示され
ている。
【0004】しかし、特開平9−184051号公報に
開示された材料は、残留磁束密度は低いが、他の磁気特
性は考慮していないため、実際に使用する場合に問題が
発生することがある。すなわち、低残留磁束密度材料を
使用することにより、偏磁が小さくなり機器の設計磁束
密度を高くしコアの小型化が可能となるが、設計磁束密
度を高くすると鉄損が増大しコアが過熱するため設計磁
束密度を小さくしなければならず、低残留磁束密度材を
使用する効果が失われる。
【0005】一方、上記特開昭62−227033号な
いし特開昭62−227036号公報、および特開平4
−246157号公報において、Si濃度勾配を形成す
る目的は浸珪法(CVD法)で製造する6.5%珪素鋼
板の生産効率の向上、鉄損の低減、そして加工性の向上
であり、低残留磁束密度特性については、全く考慮され
ていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる事情に
鑑みてなされたものであって、残留磁束密度および鉄損
が低い実用的な珪素鋼板を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】珪素鋼板をトランス、リ
アクトル、変成器(CT)やモータなどの鉄心に適用す
ることを考慮した場合、低残留磁束密度の材料を使用す
ることにより、偏磁が小さくなり機器の設計磁束密度を
高くすることができ、鉄心の小型化が可能となる。しか
し、設計磁束密度を高くすると鉄損が増大することによ
り鉄心が過熱する。したがって、設計磁束密度を高くす
るためには、低残留密度の他、低鉄損であることが必要
である。
【0008】低残留磁束密度は、特開平9−18405
1号公報に開示されているように、板厚方向にSiの濃
度勾配を形成すること、具体的にはSi濃度の最大と最
小の差を0.5wt.%以上、好ましくは0.7wt.
%以上とすることで達成することができる。一方、平均
Si濃度が7wt.%を超えると材料が脆くなるため、
平均Si濃度7wt.%以下が前提となる。
【0009】このような低残留磁束密度を得ることがで
きる条件の範囲内で、鉄損を十分に小さくするために
は、極端な低残留磁束密度化を避ける必要がある。すな
わち、低残留磁束密度と鉄損とは相反する特性であり、
鉄損を低くするためには、残留磁束密度をある程度犠牲
にする必要がある。しかし、突入電流規制の厳しいトラ
ンスやモータ等の用途には極めて残留磁束密度が低いこ
とが要求され、残留磁束密度をあまり低下させずに鉄損
特性を満足させる方法では限界がある。
【0010】本発明者らは、残留磁束密度特性を犠牲に
せずに鉄損を低下させる方法を検討した結果、通常の珪
素鋼板で使用されている絶縁皮膜のうち、残留応力の小
さい特定の皮膜が有効であることを見出した。
【0011】 本発明は以上の知見に基づいなされたも
のであり、C≦0.02wt.%、0.05wt.%≦
Mn≦0.5wt.%、P≦0.01wt.%、S≦
0.02wt.%、0.001wt.%≦sol.Al
≦0.06wt.%、N≦0.01wt.%であり、S
iを平均7wt.%以下含有し、残部実質的にFeから
なり、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最
大と最小の差が0.5wt.%以上であり、表面に、ロ
ールコーターで塗布した後、引き続く焼き付け処理で形
成される無機系皮膜または半有機皮膜からなる絶縁皮膜
を有することを特徴とする、残留磁束密度および鉄損が
低い珪素鋼板を提供する。この場合に、Si濃度の最大
と最小の差が0.7wt.%以上であることが好まし
い。
【0012】 また、C≦0.02wt.%、0.05
wt.%≦Mn≦0.5wt.%、P≦0.01wt.
%、S≦0.02wt.%、0.001wt.%≦so
l.Al≦0.06wt.%、N≦0.01wt.%で
あり、Siを平均7wt.%以下含有し、残部実質的に
Feからなり、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si
濃度の最大と最小の差が0.5〜5.5wt.%であ
り、表面に、ロールコーターで塗布した後、引き続く焼
き付け処理で形成される無機系皮膜または半有機皮膜か
らなる絶縁皮膜を有することを特徴とする、残留磁束密
度および鉄損が低い珪素鋼板を提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明について具体的に説
明する。上述したように、低残留磁束密度の材料を使用
することにより、偏磁が小さくなり機器の設計磁束密度
を高くすることができ、鉄心の小型化が可能となるが、
設計磁束密度を高くすると鉄損が増大することにより鉄
心が過熱する。したがって、設計磁束密度を高くするた
めには、低残留密度の他、低鉄損であることが必要であ
る。
【0014】低残留磁束密度は、上述したように板厚方
向にSiの濃度勾配を形成することで達成することがで
き、したがって本発明ではSi濃度の最高と最低の差を
0.5wt.%以上、好ましくは0.7wt.%以上と
する。また、平均Si濃度が7wt.%を超えると材料
が脆くなるため7wt.%を上限とする。なお、本発明
におけるSi分布は板厚にはよらない。
【0015】 低残留磁束密度でかつ低鉄損とするに
は、従来はある程度残留磁束密度を犠牲にする必要があ
ったが、本発明では、表面に、ロールコーターで塗布し
た後、引き続く焼き付け処理で形成される無機系皮膜ま
たは半有機皮膜からなる残留応力が小さい絶縁皮膜を形
成することにより、残留磁束密度を犠牲にすることなく
鉄損を十分に小さくする。
【0016】 これに対し、物理蒸着(PVD)法で形
成されるTiN等の皮膜、あるいは方向性珪素鋼板で用
いられるフォルステライト絶縁膜からなる皮膜では鉄損
は低下するが低残留磁束密度特性が劣化してしまう。
【0017】この原因は濃度勾配による低残留磁束密度
化のメカニズムと関連していると推定される。すなわ
ち、板厚方向に濃度勾配を形成することにより、板厚方
向に磁歪が変化し、この歪みにより残留磁束密度が低下
すると推測される。したがって、PVD法等で形成され
る皮膜あるいはフォルステライトを含む皮膜では大きな
残留応力により残留歪みが発生し、磁歪による歪みと緩
衝して低残留磁束密度特性が劣化するものと推測され
る。
【0018】ロールコータで形成される絶縁皮膜も若干
の残留応力が発生すると考えられるが、実験の結果では
残留磁束密度特性は劣化しなかった。これは上述のロー
ルコーター以外の方法で形成される皮膜の残留応力に比
べて小さいためと推定される。
【0019】以上のような皮膜を形成することにより、
残留磁束密度特性を低く維持したまま鉄損を十分に小さ
くすることが可能であるが、非常に低い鉄損が要求され
る場合には、極端な低残留磁束密化を避けることが必要
であり、そのためにはSi濃度差を0.5〜5.5w
t.%とし、かつ平均のSi含有量を7wt.%以下と
した上で、上述のような残留応力の小さい絶縁皮膜を形
成すればよい。
【0020】次に、Si以外の元素の限定理由について
説明する。Cは多量に含有されると磁気時効を引き起こ
すため、その上限を0.02wt.%とする。その下限
は特に規定されないが、経済的に除去する観点からはそ
の下限を0.001wt.%とすることが好ましい。
【0021】Mnは多量に含有されると鋼板が脆くなる
ため、その上限を0.5wt.%とする。ただし、その
含有量が低く過ぎると、熱延工程で破断や表面キズを誘
発するため、その下限を0.05wt.%とする。
【0022】Pは磁気特性から見ると好ましい元素であ
るが、多量に含有されると鋼板の加工性を劣化させるた
め、その上限を0.01wt.%とする。その下限は特
に規定されないが、経済的に除去する観点からはその下
限を0.001wt.%とすることが好ましい。
【0023】Sは加工性を劣化させるため、その上限を
0.02wt.%とする必要がある。その下限は特に規
定されないが、経済的に除去する観点からはその下限を
0.001wt.%とすることが好ましい。
【0024】sol.A1は同じく加工性を害するた
め、その上限を0.06wt.%とする。一方、脱酸剤
としての必要性からその下限を0.001wt.%とす
る。
【0025】Nは多量に含有されると窒化物を形成して
磁気特性を劣化させるため、その上限を0.01wt.
%とする必要がある。その下限は特に規定されないが、
現在の製鋼技術を考慮すると事実上0.0001wt.
%が下限となる。
【0026】本発明に係るSiの濃度勾配を有する珪素
鋼板は種々の方法で製造することができ、その製造方法
は限定されない。例えば、化字気相蒸着(CVD、浸珪
処理)法、物理気相蒸着(PVD)法、クラッド技術、
めっき技術によって製造することが可能である。
【0027】例としてCVD法での製造方法を説明す
る。まず、例えば3wt.%珪素鋼の冷間圧延コイルを
通常の鋼板製造プロセスで製造する。表面粗さは後工程
のCVD処理における粗さの変化を考慮して冷間圧延で
調整しておく。このコイルをCVD処理してSi濃度勾
配を有する鋼板とする。すなわち、非酸化性雰囲気中で
1100℃以上に加熱してSiCl4ガスと反応させ表
面に高Si濃度のSi層を形成する。引き続き拡散処理
を行い、Siを鋼板内部に必要量拡散させ、目的とする
平均Si量およびSi濃度勾配を有する珪素鋼板を製造
する。
【0028】なお、本発明において平均Siとは全板厚
に対するSi濃度の平均値を意味し、例えば製品厚さの
まま化学分析することにより得ることができる。また、
Si濃度の最大と最小は、全板厚をEPMA分析して得
られるSi濃度プロファイルから決定することができ
る。さらに、Si以外の元素の濃度は製品での濃度とす
る。さらにまた、残留磁束密度は、直流で1.2T励磁
後の値である。
【0029】
【実施例】表1に示す組成(Si以外は商品となった時
点での組成。SiはCVD処理前の組成)の板厚0.3
mmの鋼板を通常の鉄鋼製造プロセスで製造した。これ
をCVD処理して表2に示す種々のSi平均濃度と濃度
分布を持つ鋼板を得た。表2には絶縁皮膜塗布前の残留
磁束密度を併記する。
【0030】
【表1】
【0031】
【表2】
【0032】これらの鋼板にロールコーター(その後の
焼き付け処理を含む)またはPVD(イオンプレーティ
ング)、その他で種々の絶縁皮膜を形成し磁気特性を評
価した。この際の膜厚は、いずれも0.8μm目標とし
た。その評価結果を表3に示す。
【0033】
【表3】
【0034】表3に示すように、本発明に従って、残留
応力が少ないロールコーター+焼き付けで形成した皮膜
(CS−1,CS−2)を用いたものは低残留磁束密度
特性と低鉄損特性とを兼備していることが確認された。
【0035】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
残留磁束密度および鉄損が低い実用的な珪素鋼板を得る
ことができる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−184051(JP,A) 特開 平5−33063(JP,A) 特開 平10−24333(JP,A) 特開 平6−17128(JP,A) 特開 平4−246157(JP,A) 国際公開97/022723(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 303 C22C 38/06 H01F 1/18

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C≦0.02wt.%、0.05wt.
    %≦Mn≦0.5wt.%、P≦0.01wt.%、S
    ≦0.02wt.%、0.001wt.%≦sol.A
    l≦0.06wt.%、N≦0.01wt.%であり、
    Siを平均7wt.%以下含有し、残部実質的にFeか
    らなり、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の
    最大と最小の差が0.5wt.%以上であり、表面に
    ロールコーターで塗布した後、引き続く焼き付け処理で
    形成される無機系皮膜または半有機皮膜からなる絶縁皮
    膜を有することを特徴とする、残留磁束密度および鉄損
    が低い珪素鋼板。
  2. 【請求項2】 Si濃度の最大と最小の差が0.7w
    t.%以上であることを特徴とする請求項1に記載の残
    留磁束密度および鉄損が低い珪素鋼板。
  3. 【請求項3】 C≦0.02wt.%、0.05wt.
    %≦Mn≦0.5wt.%、P≦0.01wt.%、S
    ≦0.02wt.%、0.001wt.%≦sol.A
    l≦0.06wt.%、N≦0.01wt.%であり、
    Siを平均7wt.%以下含有し、残部実質的にFeか
    らなり、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の
    最大と最小の差が0.5〜5.5wt.%であり、表面
    、ロールコーターで塗布した後、引き続く焼き付け処
    理で形成される無機系皮膜または半有機皮膜からなる
    縁皮膜を有することを特徴とする、残留磁束密度および
    鉄損が低い珪素鋼板。
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