JP5047466B2 - 被膜密着性に優れた超低鉄損方向性電磁鋼板 - Google Patents
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方向性電磁鋼板の鉄損を低減するには、板厚を薄くする、Si含有量を増す、結晶方位の配向性を高める等の方法があるが、それに加えて鋼板に張力を付与することも有効な方法である。
例えば、特許文献1には、仕上焼鈍後、酸洗により表面生成物を除去したのち、化学研磨または電解研磨により鋼板表面を鏡面状態に仕上げる方法が開示されている。
また、特許文献2には、フォルステライト被膜を除去後、1000〜1200℃のH2中でサーマルエッチングを行う方法が開示されている。
このような表面処理によって鉄損が減少するのは、磁化過程において、鋼板表面近傍の磁壁移動の妨げとなるピン留め作用のある凹凸が減少するためである。
上記の方法で形成される絶縁被膜は、鋼板に対する張力付与効果が大きく、鉄損低減に有効である。例えば、特許文献4や特許文献5などに、その代表的な形成方法が開示されている。
このために、表面を磁気的に平滑化して鉄損を低減する技術と張力付与型コーティングによる鉄損低減技術とを両立させることは困難であった。
すなわち、金属薄めっきを下地とし、その上にコーティング処理を施す方法は、均一なめっき面の平滑さ故に、被膜の密着性が十分でなく、SiO2薄膜を形成させる方法は張力付与効果に劣るなど、鉄損の改善効果が十分ではなかった。また、窒化物や炭化物あるいはそれらの組合せからなる被膜はいずれも、その熱膨張係数が地鉄と比較してかなり低いため、熱膨張係数差による張力付与効果は大きいものの、それ故に曲げ加工時の地鉄と被膜との密着性に問題が生じることが多かった。
その結果、雰囲気温度、雰囲気ガス混合比および鋼板温度を変化させてTiN被膜を形成した場合、同一膜厚のあっても歪取焼鈍後の絶縁コーティングの密着性に違いが生じることが明らかになった。
すなわち、被膜密着性に関しては、TiN被膜中にある程度の塩素を含有させた方が、むしろ良好な結果が得られることが判明した。
本発明は上記の知見に立脚するものである。
本発明で対象とする方向性電磁鋼板としては従来公知のものいずれもが適合するが、特に好適な成分組成を掲げると次のとおりである。なお、成分に関する「%」表示は特に断らない限り質量%を意味するものとする。
本発明では、Siを1.5〜7.0%の範囲で含有することが望ましい。すなわち、Siは、製品の電気抵抗を高め鉄損を低減するのに有効な成分であるが、含有量が7.0%を超えると硬度が高くなって製造や加工が困難となる。一方、1.5%に満たないと、最終仕上焼鈍中に変態を生じて安定した2次再結晶組織が得られない。
そのための方法としては、従来法により形成されたフォルステライト被膜を酸洗や研磨等により除去する方法、または焼鈍分離剤の組成を調整して、鋼板表面上のフォルステライト被膜の生成を抑制し、もしくは容易に剥落するように形成させた後、洗浄・除去するといった方法により、実質的に金属外観を有する状態とする方法を適用することができる。
さらに、表面に平滑化処理を施すことが、鉄損値の低減により有効である。例えば、酸洗、サーマルエッチングや化学研磨等により表面粗さを極力小さくし、鏡面状態に仕上げた表面や、ハロゲン化物水溶液中での電解による結晶方位強調処理で得られるグレイニング様面等が挙げられる。
なお、フォルステライト被膜がない状態とは、フォルステライトが離散的、もしくは島状等部分的に微量存在しているような、実質的に被膜を形成していない場合も含まれる。
CVD法としては、TiC14等の金属塩化物ガスと、もう一方の原料ガスとして、窒化物ならば N2,NH3,(CH3)3N,(CH3)2NHガスなど、また炭化物ならばCH4, CO, C2H4, C3H6, C3H8, C2H6, i-C5H12などを混合した雰囲気中にて、鋼板を加熱することにより、セラミックス被膜を得る。勿論、両者を混合して炭窒化物としても何ら問題はない。その他、バランスガスとしてArガスなどが使用される。
被膜中に適量の塩素を含有させる方法としては、CVDにおいては被膜原料の一方である塩化物と、もう一方の窒素含有ガスまたは炭素含有ガスとの量のバランスを調整する方法等がある。
なお、このように塩素を含有させることによって歪取焼鈍後の被膜密着性が向上する機構については、まだ明確に解明されたわけではないが、歪取焼鈍中の被膜の変形能が改善されるためではないかと推測している。
張力付与型コーティングとしては、熱膨張係数を低下させるシリカを含むコーティングが推奨される。例えば、従来からフォルステライト被膜を有する方向性電磁鋼板に用いられている、リン酸塩−コロイド状シリカ−クロム酸系のコーティング等が、その効果およびコスト、均一処理性などの点で好適である。
かような絶縁被膜の厚みは、張力付与効果、占積率、被膜密着性等を考慮すると、0.3μm以上 10μm以下程度とするのが好適である。
なお、張力コーティングとしては、上記のもの以外にも、特開平6−65754号公報や特開平6−65755号公報、特開平6−299366号公報などに提案されている、ホウ酸−アルミナ等の酸化物系被膜を適用することも可能である。
3%のSiを含有する厚さ:0.23mmの方向性電磁鋼板を用意し、その表面に形成されたフォルステライト被膜を機械研磨により除去したのち、電解エッチングによる表面平滑化処理を行った。ついで、TiCl4,H2,N4の混合ガスからなる雰囲気中で鋼板を加熱するCVD法により、厚さ:1.2μmのTiN被膜を鋼板両面に形成した。この際、各ガスの混合比と濃度および鋼板温度を種々に変化させることより、形成されたTiN被膜中に残留するCl濃度を変化させた。また、得られた鋼板の一部は、真空中において920℃で熱処理することにより、Clを揮発除去して、ほとんどClを含まない被膜とした。
ついで、得られた鋼板の表面に、コロイド状シリカ、リン酸マグネシウム、クロム酸からなるコーティング液を塗布し、810℃で焼付けることにより、シリカ−リン酸塩系の張力コーティングを形成した。
その後、得られた鋼板を直径:20mmのステンレス鋼製丸棒に巻き付ける90°曲げを行った状態で、窒素雰囲気中において820℃で3時間の歪取焼鈍を行った。
かくして得られたセラミックス被膜付き方向性電磁鋼板の被膜密着性、耐食性および鉄損特性について調べた結果を表1に示す。また、表1には、セラミックス被膜中の塩素量について調べた結果も併せて示す。
被膜密着性
上記のように90°曲げ状態で歪取焼鈍を行ったのち、この鋼板を直径:20mmの丸棒に沿ってさらに180°曲げとした場合および平坦に伸ばした場合ににおける絶縁被膜の剥離状態で評価した。剥離が全く生じない場合は○、180°曲げまたは平坦化のいずれかに片面でも剥離が生じた場合は△、それ以上の剥離が見られた場合は×とした。
耐食性
歪取焼鈍後の鋼板を、温度:40℃、相対湿度:98%雰囲気に10日間曝露して耐食性を評価した。10日曝露の後、錆および変色がない場合を○、錆はないが変色が見られる場合を△、錆が発生したものを×とした。
鉄損特性
周波数:50Hz、励磁力:1.7Tにおける鉄損W17/50 で評価した。
塩素濃度
被膜付きの鋼板を硫酸で溶解し、濾過して得た残滓をアルカリ溶融し、温水抽出したものを吸光光度法で分析して測定した。
実施例1と同様にして、表面平滑化処理を行った3%のSiを含有する厚さ:0.23mmの方向性電磁鋼板の表面に、CVD法により表2に示す各種の窒化物、炭化物からなるセラミックス被膜を鋼板両面に形成した。ついで、実施例1と同様な処理を施してセラミックス被膜付き方向性電磁鋼板を製造した。
かくして得られたセラミックス被膜付き方向性電磁鋼板の被膜密着性、耐食性および鉄損特性ならびにセラミックス被膜中における塩素量について調べた結果を表2に示す。
Claims (1)
- フォルステライト被膜を有しない鋼板表面に、熱CVD法により、金属窒化物、金属炭化物または金属炭窒化物からなるセラミックス被膜を形成した方向性電磁鋼板であって、該セラミックス被膜中に 0.005〜1mass%の塩素を含有することを特徴とする方向性電磁鋼板。
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