JP5942885B2 - 方向性電磁鋼板の窒化処理方法および窒化処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、方向性電磁鋼板に対して窒化処理を施すのに好適な方向性電磁鋼板の窒化処理方法および窒化処理装置に関するものである。

方向性電磁鋼板は、変圧器や発電機の鉄心材料として用いられる軟磁性材料で、その磁化特性に優れていること、特に鉄損が低いことが求められている。この鋼板は、鉄の磁化容易軸である＜００１＞方位が鋼板の圧延方向に高度に揃った結晶集合組織を有しており、方向性電磁鋼板の製造工程中、二次再結晶焼鈍の際にゴス（Goss）方位と称される（１１０）〔００１〕方位の結晶粒を優先的に巨大成長させる、いわゆる二次再結晶を通じて形成される。

従来、このような方向性電磁鋼板は、4.5mass％以下のSiと、MnＳ，MnSe，AlＮなどのインヒビター成分を含有するスラブを、1300℃以上に加熱して、インヒビター成分を一旦固溶させたのち、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍を施したのち、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延によって最終板厚とし、ついで湿潤水素雰囲気中で一次再結晶焼鈍を施して、一次再結晶および脱炭を行い、ついでマグネシア（MgＯ）を主剤とする焼鈍分離剤を塗布してから、二次再結晶およびインヒビター成分の純化のために1200℃で５ｈ程度の最終仕上焼鈍を行うことによって製造されてきた（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３）。

しかしながら、スラブの高温加熱は、加熱を実現する上で設備コストが嵩むだけでなく、熱延時に生成するスケール量も増大するため歩留りが低下し、さらには設備のメンテナンスが煩雑になる等の問題があり、近年の製造コスト低減の要求に応えることができないという問題があった。

このため、スラブにインヒビター成分を含有させずに二次再結晶を発現させる技術について、種々開発が進められてきた。例えば、スラブにインヒビター成分を含有させない場合であっても、一次再結晶焼鈍後、二次再結晶完了前に、地鉄中のＳ量を増加させることによって、安定して二次再結晶を発現させることができる技術（「増硫法」）が提案されている（特許文献４）。

また、脱炭焼鈍の前または後に、ガス窒化を施すことにより、スラブにインヒビター成分を含有させない場合であっても、一次再結晶焼鈍後、二次再結晶完了前にインヒビターを強化し、安定して二次再結晶を発現させることができる技術（特許文献５）や、窒化ゾーンの前に鋼板表面の酸化層に還元作用を与えるための還元帯を設置する技術（特許文献６）が提案されている。
さらに、このようなガス窒化工程においてストリップ全体にわたり均一に窒化するために、ノズルまたはスプレーで供給する窒化ガスを鋼板中央部と鋼板両端部で分割して調整する方法が提案されている（特許文献７）。

米国特許第1965559号明細書 特公昭40−15644号公報 特公昭51−13469号公報 特許4321120号公報 特許2771634号公報 特開平03−122227号公報 特許3940205号公報

しかしながら、上掲した特許文献４に開示された技術では、コイル加熱時の温度や雰囲気ムラにより、コイル内での増硫量が変化して二次再結晶挙動に差が生じる結果、磁気特性にバラツキが生じる場合があった。
また、特許文献５〜７に開示された技術では、窒化性ガスを鋼板に吹付けて窒化する方法であるため、炉内温度の時間的・位置的な不均一や熱による配管中での窒化性ガスの分解量の違いなどにより、窒化増量がストリップの部所によって異なる場合があり、結果的に二次再結晶が不均一となり磁気特性の悪化につながる場合があった。

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、方向性電磁鋼板の製造に際し、スラブにインヒビター成分を含有させない場合であっても、二次再結晶前に適切な窒化処理を施して、インヒビター形成元素をストリップの全長・全幅にわたって均一に分散させることにより、バラツキのない優れた磁気特性を得る上で極めて有用な方向性電磁鋼板の窒化処理方法を、その実施に用いて好適な窒化処理装置と共に提供することを目的とする。

さて、発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。
その結果、ストリップ（鋼板）に対して窒化を行う場合、
(1) 気相からの反応による窒素添加では、処理時の温度や表面の反応性などに大きく影響を受けるため、バラツキの発生が避けられない、
(2) この点、窒化処理自体を液相からの反応とする、具体的には溶融塩中で行うことにより、バラツキを生じさせる原因となる上述した因子の影響を最小限に止めることができ、その結果、優れた磁気特性が全ストリップ内で安定して得られる、
(3) また、溶融塩中で窒化を行う場合には、必要浸漬時間や通板速度の変化に対応可能とすることが重要であるが、この点については、通電よって窒化量を制御することができ、しかもこの通電を利用する場合には、窒化に要する時間の短縮化を図ることができる
との知見を得た。
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１． 方向性電磁鋼板の製造工程中、冷間圧延後、二次再結晶焼鈍前の段階において、ストリップを、電解質の溶融塩浴に配置した半浸漬ロールを介して該溶融塩浴内に導き、この状態で連続通板する該ストリップと、該半浸漬ロールに対向して該溶融塩浴内に設けた対極との間に電圧を印加して電解処理することにより、該ストリップに対し連続的に窒化処理を施すことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理方法。

２．前記電解処理における電流密度を変更することにより、ストリップに対する窒化量を調整することを特徴とする前記１に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理方法。

３．前記ストリップの溶融塩浴浸漬に際し、溶融塩浴の温度を300〜700℃、浸漬時間を３〜300ｓとすることを特徴とする前記１または２に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理方法。

４．前記１乃至３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板の窒化処理方法を実施するための装置であって、溶融塩浴を保持する容器と、溶融塩浴を加熱し所定の温度に保持するための加熱・温度調整装置と、溶融塩浴内を通板するストリップを支持する半浸漬ロールと、溶融塩浴内を通板するストリップに対して電圧を印加するための電極とを有し、該半浸漬ロールは、該ストリップに対して電圧を印加する電極を兼ねた電極ロールとし、該電極は、該半浸漬ロールの円弧に沿う湾曲形状として、該半浸漬ロールに対向させて溶融塩浴内に配置することを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理装置。

本発明によれば、窒化処理のバラツキを抑えて全ストリップ内で均一な窒化量を安定して確保できるので、優れた磁気特性をストリップの全長・全幅にわたり安定して得ることができ、また必要浸漬時間や通板速度の変化に対しても、簡便かつ的確に対応することができ、さらには生産効率に直接影響する窒化時間の短縮も可能であるので、その産業的利用価値は極めて大きい。

本発明の実施に用いて好適な窒化処理装置の一例（シンクロールが半浸漬ロール）を示した図である。 本発明の実施に用いて好適な窒化処理装置の別例（シンクロールが完全浸漬ロール）を示した図である。 本発明の実施に用いて好適な窒化処理装置の別例（溶融塩浴外に電極ロールを配置）を示した図である。

以下、本発明を具体的に説明する。
図１に、本発明の実施に用いて好適な窒化処理装置の一例を示す。図中、符号１は溶融塩浴、２は溶融塩浴１を収容した容器、３はシンクロール、４は加熱・温度調整装置、５はストリップ（鋼板）、そして６が対極である。
この例では、シンクロール３を、図示したとおり、ロールの下半分が溶融塩浴１内に浸漬した半浸漬ロール３ａとしている。また、この半浸漬ロール３ａは、ストリップに対して電圧を印加する電極を兼ねた電極ロールとしても機能させる。

本発明において、電解質の溶融塩浴としては、シアン酸塩を主成分とする塩浴、例えばシアン酸アルカリとシアン化アルカリと炭酸アルカリの混合塩浴や、シアン酸アルカリとシアヌル酸アルカリと炭酸アルカリの混合塩浴などが有利に適合するが、これだけに限るものではなく、ストリップに対して窒化が可能な電解質の塩浴であればいずれもが使用可能である。
また、容器２内の溶融塩浴１は、加熱・温度調整装置４によって所望の温度に加熱・保持することができる。なお、図１では、加熱・温度調整装置を、容器２の外側底部に設置した例を示したが、その設置位置は、この位置に限定されるものではなく、容器２の内外の適切な位置に必要な数だけ配置すれば良い。

そして、かかる溶融塩浴１内に、半浸漬ロール３ａを介してストリップ５を浸漬させ、その間に半浸漬ロール３ａ（電極ロール）とこの半浸漬ロール３ａに対向して設けた対極との間に電圧を印加して電解処理を施すことにより、安定した通板の下でかつ短時間のうちにストリップ５の表面に対して窒化を施すのである。
なお、図１に示した窒化処理装置では、ストリップの片面のみしか窒化処理ができないので、ストリップの両面に窒化を施す場合には、もう一対の窒化処理装置が必要となる。

ここに、溶融塩浴の温度は300〜700℃程度とするのが好ましい。特に好ましくは400〜600℃の範囲である。また、浸漬時間は３〜300ｓ程度とするのが好ましい。特に好ましくは３〜100ｓの範囲である。窒化に際し、浸漬処理だけでなく、電解処理も併用するこの発明では、かような電解処理を行わない場合に比べて窒化時間を１／２程度まで短縮することが可能である。

また、上記の窒化処理による窒化量は、50ppm以上3000ppm以下とすることが好ましい。というのは、窒化量が50ppm未満では、その効果は十分に得られず、一方3000ppmを超えると窒化珪素などの析出量が過多となって二次再結晶が生じ難くなるからである。好ましい窒化量は150ppm以上1000ppm以下の範囲である。

さらに、本発明では、通板中に通板速度の変更が必要となった場合やストリップ毎に窒化量を変更することが必要となった場合には、印加電圧、すなわち電流密度を変更することにより、簡便かつ迅速な対応が可能である。
ここに、上記した必要窒化量を得るには、通電時における電流密度は１〜20A/dm²程度とすることが好ましく、この範囲内で電極寿命や窒化効率などを勘案して適宜電流密度を調整すれば良い。

図１は、シンクロール３を半浸漬ロール３ａとした場合であるが、図２は、このシンクロール３を完全浸漬ロール３ｂとし、この完全浸漬ロール３ｂを介して溶融塩内に導入・排出されるストリップ５に対し、その両側に電圧を印加する対極６を設けて、ストリップ５の両面に電解処理による窒化を施す場合である。なお、この例でも、完全浸漬ロール３ｂが電極ロールを兼ねている。
この場合は、ストリップ５の両側に対極６が配置されていて、ストリップの両面を一度に均一に処理できるので、より短時間での窒化が可能となる。

また、図３は、ストリップ５への給電を溶融塩浴外に設置した電極ロール７から行うようにしたものである。この通電方式によれば、溶融塩浴１内での電極ロール７−ストリップ５間の通電状態安定化などを考慮する必要がなくなるため、浸漬した電極ロールを用いる場合と比べて管理が容易になり、かつコストの低減も可能となる。

なお、本発明の装置は、窒化処理などを連続的に行う独立した設備としてもよいが、他の処理を施す工程ラインに取り付けても良く、連続ラインであれば効率面を含めて最適な箇所に取り付けていればよい。

また、本発明において、被処理材であるストリップについては特に制限はなく、方向性電磁鋼ストリップであれば、従来から公知のストリップいずれもが適合する。
さらに、本発明では、方向性電磁鋼ストリップの製造工程中、溶融塩浴を用いた窒化処理工程以外の工程については特に制限はなく、従来から公知の製造工程をいずれも適用することができる。

Siを3.3質量％含有する方向性電磁鋼板用の連鋳スラブを、スラブ加熱後、熱間圧延により板厚：2.5mmの熱延板とし、ついで熱延板焼鈍後、冷間圧延により板厚：0.22mmの最終板厚とし、ついで一次再結晶焼鈍を施したストリップに対して、表１に示す条件で、溶融塩浴を用いた電解処理による窒化を施した。
かくして得られた窒化処理後のストリップの表裏面それぞれについて窒化量を測定し、表裏面における窒化量の差を調査した。なお、窒化量の測定は、50mm×30mmの窒化量測定用サンプルを切出し、測定面の反対側を板厚中央部まで研削・研磨したのち、化学分析により行った。
得られた結果を表１に併記する。

同表に示したとおり、本発明に従い、溶融塩浴を用いて窒化処理を施した場合は、表裏面での窒化量の差が７％未満と極めて小さく、これにより窒化量のバラツキの小さなストリップが安定して得られることが分かる。

１ 溶融塩浴
２ 容器
３ シンクロール
３ａ 半浸漬ロール
３ｂ 完全浸漬ロール
４ 加熱・温度調整装置
５ ストリップ（鋼板）
６ 対極
７ 電極ロール

Claims (4)

1. 方向性電磁鋼板の製造工程中、冷間圧延後、二次再結晶焼鈍前の段階において、ストリップを、電解質の溶融塩浴に配置した半浸漬ロールを介して該溶融塩浴内に導き、この状態で連続通板する該ストリップと、該半浸漬ロールに対向して該溶融塩浴内に設けた対極との間に電圧を印加して電解処理することにより、該ストリップに対し連続的に窒化処理を施すことを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理方法。
2. 前記電解処理における電流密度を変更することにより、ストリップに対する窒化量を調整することを特徴とする請求項１に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理方法。
3. 前記ストリップの溶融塩浴浸漬に際し、溶融塩浴の温度を300〜700℃、浸漬時間を３〜300ｓとすることを特徴とする請求項１または２に記載の方向性電磁鋼板の窒化処理方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方向性電磁鋼板の窒化処理方法を実施するための装置であって、溶融塩浴を保持する容器と、溶融塩浴を加熱し所定の温度に保持するための加熱・温度調整装置と、溶融塩浴内を通板するストリップを支持する半浸漬ロールと、溶融塩浴内を通板するストリップに対して電圧を印加するための電極とを有し、該半浸漬ロールは、該ストリップに対して電圧を印加する電極を兼ねた電極ロールとし、該電極は、該半浸漬ロールの円弧に沿う湾曲形状として、該半浸漬ロールに対向させて溶融塩浴内に配置することを特徴とする方向性電磁鋼板の窒化処理装置。

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