JP6410002B1 - 方向性電磁鋼板および方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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- C23C22/73—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
- C23C22/74—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process for obtaining burned-in conversion coatings
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Abstract
Description
すなわち、鋼板と比べて低い熱膨張率を有する珪リン酸塩被膜を高温で形成し、それを室温まで低下させ、鋼板と珪リン酸塩被膜との熱膨張率の差によって、鋼板に引張応力を印加する。
この珪リン酸塩被膜は、方向性電磁鋼板に必須の絶縁被膜としても機能する。すなわち、絶縁によって、鋼板中の局部的な渦電流の発生が防止される。
しかし、鋼板と珪リン酸塩被膜との間にあるフォルステライト被膜は、アンカー効果により鋼板に密着する。そのため、必然的に鋼板表面の平滑度は劣化する。また、珪リン酸塩と金属との密着性は低く、表面を鏡面化した鋼板に直接珪リン酸塩被膜を成膜できない。このように、従来の方向性電磁鋼板の被膜構造(鋼板/フォルステライト被膜/珪リン酸塩被膜)においては、鋼板の表面を平滑化することはできない。
しかし、CVD法およびPVD法は、製造コストが高いために極力の薄膜化が望まれており、その場合、鋼板に印加される引張応力が低下する。
[1]鋼板と、上記鋼板上に配置された、金属元素を含有する金属被膜と、上記金属被膜上に配置された、酸化物の含有量が30質量%未満であるセラミックス被膜である被膜層Aと、上記被膜層A上に配置された、酸化物を含有する絶縁張力被膜である被膜層Bと、を有し、上記金属被膜の厚さが、1.0〜10.0nmであり、上記金属元素は、鉄の原子半径をRFe、上記金属元素の原子半径をRAとしたとき、下記式(1)で表される原子半径比が10%以上の元素である、方向性電磁鋼板。
(|RFe−RA|/RFe)×100・・・(1)
[2]上記金属元素が、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、WおよびCからなる群から選ばれる少なくとも1種である、上記[1]に記載の方向性電磁鋼板。
[3]上記金属元素が、TaまたはWである、上記[1]または[2]に記載の方向性電磁鋼板。
[4]上記被膜層Aの厚さが、0.01μm以上である、上記[1]〜[3]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
[5]上記被膜層Aの厚さが、0.40μm以下である、上記[1]〜[4]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
[6]上記被膜層Bの厚さが、1.0μm以上である、上記[1]〜[5]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
[7]上記被膜層Bの厚さが、10.0μm以下である、上記[1]〜[6]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
[8]上記被膜層Aが、窒化物または炭窒化物を含有する、上記[1]〜[7]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板。
[9]上記[1]〜[8]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を製造する、方向性電磁鋼板の製造方法であって、上記鋼板に金属イオンを照射して付着させることにより上記金属被膜を成膜する、または、上記鋼板への不活性ガスイオンの照射中にフィラメントから放出される金属元素を上記鋼板に付着させることにより上記金属被膜を成膜する、方向性電磁鋼板の製造方法。
[10]上記フィラメントの素材が、WまたはTaである、上記[9]に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
[11]上記被膜層Aを、CVD法またはPVD法によって成膜する、上記[9]または[10]に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
[12]上記被膜層A上に、塗布型ロールを用いてコーティング薬液を塗布し、窒素雰囲気中で焼付けを行なうことにより、上記被膜層Bを成膜する、上記[9]〜[11]のいずれかに記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
鋼板上に、厚さ1.00μm以下(例えば0.30μm)のセラミックス被膜を成膜し、その上に、珪リン酸塩からなる絶縁張力被膜を成膜して歪取焼鈍した場合、セラミックス被膜と鋼板とが剥離する(被膜密着性が劣化する)ことがあった。その原因について、本発明者らは、数多くの実験を重ねた結果、以下のように考える。
次いで、800℃で3時間の歪取焼鈍中に、この反応生成物が、絶縁張力被膜とセラミックス被膜との界面から、セラミックス被膜中を、鋼板の方向に拡散し、セラミックス被膜と鋼板との界面まで拡散した際に、鋼板のFeと反応して、析出物を形成する。
その結果、歪取焼鈍の冷却のとき、つまり熱膨張率差により鋼板とセラミックス被膜との界面にかかる応力が印加され始めるときに、析出物がその応力に耐え切れず鋼板から剥離する。このようにして、セラミックス被膜と鋼板とが剥離する。すなわち、被膜密着性が劣化する。
そのためには、反応性の低い金属被膜を成膜することが有効であると考えられる。しかし、この金属被膜が鋼板に固溶しては、析出物の生成を十分に抑制できない。高コスト化を避けるためには、当然この金属被膜は極薄である必要があり、メッキ等の追加プロセスを用いることも忌避される。
(|RFe−RA|/RFe)×100・・・(1)
式(1)中、RFeは、鉄の原子半径を示し、RAは、鋼板表面に付着させる金属元素の原子半径を示す。
更に、不活性ガスイオン照射中にフィラメントから放出される元素を鋼板表面に付着させることにより、金属イオン照射よりも、鉄損をより良好にできることを見出した。
まず、図2に示すように、従来の方向性電磁鋼板は、通常、鋼板1上に、フォルステライト被膜2があり、その上に、絶縁張力被膜3が成膜されている。図2において、フォルステライト被膜2の厚さT2は2μm程度であり、絶縁張力被膜3の厚さT3は2μm程度である。
これに対して、図1においては、従来のフォルステライト被膜2(図2参照)の部分が、セラミックス被膜4に置換されている。より詳細には、化学研磨または電解研磨などにより平滑化された鋼板1の表面上に、金属被膜5が成膜されており、この金属被膜5の表面上に、CVD法またはPVD法を用いて、セラミックス被膜4が成膜されている。図1において、セラミックス被膜4の厚さT4は、例えば、1.00μm以下であるため、絶縁張力被膜3の厚さT3を2.0μm以上に増厚しても、方向性電磁鋼板を変圧器として使用した際の実効鋼板体積(占積率)を減少させない。
本発明者らは、塗布型ロールの回転速度およびコーティング薬液の比重などを調整することによって、成膜される絶縁張力被膜を増厚することにより、鋼板に印加される張力が増大し、方向性電磁鋼板の磁気特性を良好にできることを見出した。
以下、改めて、本発明の方向性電磁鋼板を説明する。
本発明の方向性電磁鋼板は、鋼板と、上記鋼板上に配置された、金属元素を含有する金属被膜と、上記金属被膜上に配置された、酸化物の含有量が30質量%未満であるセラミックス被膜である被膜層Aと、上記被膜層A上に配置された、酸化物を含有する絶縁張力被膜である被膜層Bと、を有し、上記金属被膜の厚さが、1.0〜10.0nmであり、上記金属元素は、鉄の原子半径をRFe、上記金属元素の原子半径をRAとしたとき、下記式(1)で表される原子半径比が10%以上の元素である、方向性電磁鋼板である。
(|RFe−RA|/RFe)×100・・・(1)
以下、本発明の方向性電磁鋼板を、より詳細に説明する。以下の説明は、本発明の方向性電磁鋼板の製造方法の説明も兼ねる。
鋼板としては、特に限定されないが、例えば、以下に説明する鋼板が挙げられる。
まず、鋼板となる鋼塊としては、鋼中成分として、質量%で、C:0.002〜0.10%、Si:2.5〜4.0%、および、Mn:0.005〜0.50%を含有し、かつ、Al:0.010〜0.050%、および、N:0.003〜0.020%を含有し、または、Al:0.010〜0.050%、N:0.003〜0.020%、Se:0.003〜0.030%、および/または、S:0.002〜0.03%を含有し、残部は不可避の不純物とFeとからなる鋼塊を用いることが、磁気特性の観点から好ましい。もっとも、これに限定されない。
上記鋼中成分のうち、Cは脱炭焼鈍で除去され、Al、N、SeおよびSは仕上げ焼鈍で純化されることにより、仕上げ焼鈍後の鋼板においてはいずれも不可避的不純物程度の含有量となる。
このように、従来どおり、鋼板表面にフォルステライト被膜を形成させ、その後、酸洗によって、フォルステライト被膜を除去することが、製造上、好ましい。フォルステライト被膜の成膜は、鋼板の脱炭に有用であるが、他の脱炭手段を用いる場合は、フォルステライト被膜を成膜しなくてもよい。
鋼板の表面状態は、一般的に、粗いほどアンカー効果によって、被膜密着性がより良好になる。反対に、鋼板の表面状態が平滑であるほど、磁区が移動しやすくなり、引張応力を印加したときに磁気特性が良化する量が大きくなる。
本発明においては、最も鋼板表面を平滑にできる化学研磨後の鋼板を用いても、歪取焼鈍後に、被膜層A(セラミックス被膜)が剥離せず高い被膜密着性を維持できる。そのため、化学研磨または電解研磨によって、鋼板表面をなるべく平滑化し、算術平均粗さRaを0.4μm以下にすることが好ましい。
本発明の方向性電磁鋼板は、上述した鋼板の表面上に配置された、金属元素を含有する金属被膜を有する。
金属被膜が含有する金属元素(以下、「金属元素A」とも表記する)は、ヒューム−ロザリーの法則から、鉄の原子半径をRFe、金属元素Aの原子半径をRAとしたとき、下記式(1)で表される原子半径比(以下、単に「原子半径比」ともいう)が10%以上の元素である。
(|RFe−RA|/RFe)×100・・・(1)
このような金属被膜を、鋼板と被膜層A(セラミックス被膜)との間に配置することにより、鋼板への固溶を避けつつ被膜密着性を良好にできる。磁気特性にも優れる。
このような金属元素Aとしては、例えば、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、WおよびCからなる群から選ばれる少なくとも1種が好適に挙げられ、なかでも、被膜密着性および磁気特性がより優れるという理由から、TaまたはWが好ましい。
本発明においては、後述する方法1または方法2で金属被膜を成膜した場合、成膜された金属被膜における金属元素Aの含有量は、上記範囲内であるものとする。
金属被膜の厚さは、1.0〜10.0nmである。
金属被膜が厚すぎると被膜密着性および磁気特性が不十分となる場合があり、薄すぎると磁気特性が不十分となる場合があるが、金属被膜の厚さが上記範囲内であれば、被膜密着性および磁気特性が共に優れる。
金属被膜の厚さは、FIB(集束イオンビーム)を用いて切り出した剥片(断面)を、TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて観察し、任意の10点での測定値の平均値とする。
鋼板上に、金属被膜を成膜する方法としては、例えば、金属イオンを照射する方法(方法1);不活性ガスイオンを照射する方法(方法2);等が挙げられる。
方法1においては、上述した金属元素Aの金属ターゲットを用い、金属元素Aのイオンを、鋼板に照射させる。こうして、鋼板上に、金属元素Aを含有する金属被膜が成膜される。
方法2においては、フィラメント素材の元素として、上述した金属元素Aを用いることで、鋼板上に、金属元素Aを含有する金属被膜が成膜される。
フィラメント素材の元素としては、WまたはTaが好ましい。これらは、融点が高く、フィラメント素材として適しているというほかに、鉄に固溶せず、格子間隔も大きいことから、被膜密着性および磁気特性がより優れる。
電圧は、絶対値で500V以上1000V以下がより好ましい。電圧がこの範囲であれば、照射イオンが適度な運動エネルギーを持つため、鋼板表面粗度の過度な増加を防ぐことができ、被膜密着性および磁気特性がより良好となる。
低コスト化および金属被膜の付着量を適量にする観点から、イオン照射時間は、10分以下が好ましい。
本発明の方向性電磁鋼板は、上述した金属被膜の表面上に配置された、セラミックス被膜である被膜層Aを有する。
(酸化物)
被膜層A(セラミックス被膜)における酸化物の含有量は、30質量%未満であり、15質量%以下が好ましく、5質量%以下がより好ましく、2質量%以下が更に好ましい。
セラミックス被膜における酸化物の含有量は、既知の組成の標準板を用いて、蛍光X線により測定できる。
酸化物における酸素(O)以外の元素としては、例えば、後述する非酸化物におけるCおよびN以外の元素として例示する元素が挙げられる。
被膜層A(セラミックス被膜)が含有する成分(酸化物以外の成分)としては、例えば、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる群から選ばれる少なくとも1種が挙げられる。
セラミックス被膜が、窒化物または炭窒化物を含有することにより、被膜密着性がより良好になる。
非酸化物としては、岩塩型構造をとる窒化物または炭窒化物が好ましい。
本発明においては、セラミックス被膜の全質量から、酸化物の含有量を差し引いた値を、セラミックス被膜における非酸化物の含有量とみなすことができる。
被膜層A(セラミックス被膜)の厚さは、高コスト化を抑制する観点から、1.00μm以下が好ましく、0.40μm以下がより好ましく、0.30μm以下が更に好ましい。
一方、セラミックス被膜の厚さは、被膜密着性がより優れるという理由から、0.01μm以上が好ましい。
セラミックス被膜の厚さは、FIB(集束イオンビーム)を用いて切り出した剥片(断面)を、TEM(透過型電子顕微鏡)を用いて観察し、任意の10点での測定値の平均値とする。
被膜層A(セラミックス被膜)の成膜法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはPVD(Physical Vapor Deposition)法が好ましい。
本発明の方向性電磁鋼板は、被膜層A(セラミックス被膜)上に配置された、酸化物を含有する絶縁張力被膜である被膜層Bを有する。
絶縁張力被膜が含有する酸化物は、使用するコーティング薬液の組成に応じて適宜決定され、特に限定されず、例えば、リンの酸化物(P2O5);珪素の酸化物(SiO2);MgO、CaO、SrO、BaO、Al2O3、Y2O3、Cr2O3、TiO2、ZrO2、MnO2、Nb2O5、V2O5、WO3などのPおよびSiを除く元素の酸化物;等が挙げられる。
本明細書においては、絶縁張力被膜における上記酸化物をまとめて「珪リン酸ガラス」または「珪リン酸塩」と呼ぶ場合がある。
絶縁張力被膜における酸化物(珪リン酸ガラス)の含有量は、85質量%以上が好ましく、95質量%以上がより好ましい。絶縁張力被膜は、実質的に、珪リン酸ガラスからなることが更に好ましい。
絶縁張力被膜における上記酸化物の含有量は、絶縁張力被膜の既知の組成の標準板を用いて、蛍光X線分析により、求めることができる。
図3は、絶縁張力被膜の厚さと、その厚さの絶縁張力被膜が鋼板に印加する張力との関係を示すグラフである。図3に示すように、絶縁張力被膜の厚さが増すに従い、鋼板に印加される張力(引張応力)が増大し、これにより、方向性電磁鋼板の磁気特性が優れる(鉄損が低下する)と考えられる。
絶縁張力被膜の厚さは、方向性電磁鋼板の磁気特性がより優れるという理由から、1.0μm以上が好ましい。
一方、絶縁張力被膜を厚くしすぎると、方向性電磁鋼板を変圧器として使用した際の実効鋼板体積の減少に繋がり、引張応力による鉄損の低減効果も飽和してくるため、変圧器特性はむしろ劣化する場合も考えられる。そこで、絶縁張力被膜の厚さは、10.0μm以下が好ましく、5.0μm以下がより好ましい。
絶縁張力被膜の厚さは、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いた断面観察によって測定し、任意の10点での測定値の平均値とする。
絶縁張力被膜の成膜法は、特に限定されないが、例えば、セラミックス被膜上に、コーティング薬液を塗布し、任意で乾燥させた後、窒素雰囲気中で焼付けを行なう方法が好適に挙げられる。以下、この方法を例に説明する。
コーティング薬液は、リン酸塩と、コロイダルシリカとを含有することが好ましい。
リン酸塩の金属種としては、例えば、Mg、Ca、Sr、Ba、AlまたはMnなどが好適に挙げられる。
リン酸塩としては、結晶相が生成しやすいという理由から、リン酸マグネシウムまたはリン酸アルミニウムなどの熱膨張率の低いリン酸塩が好ましい。
リン酸塩としては、入手容易性の観点からは、第一リン酸塩(重リン酸塩)が好適に用いられる。
コーティング薬液中のリン酸塩の含有量は、コーティング薬液中の全固形分量に対して、20mol%以上が好ましい。
コーティング薬液には、更に、無水クロム酸および/または重クロム酸塩を含有させることができ、その含有量は、固形分換算(乾固分比率)で、リン酸塩100質量部に対して、10〜50質量部が好ましい。
コーティング薬液には、更に、シリカ粉末およびアルミナ粉末などの無機鉱物粒子を添加でき、その含有量は、固形分換算で、リン酸塩100質量部に対して、0.1〜10質量部が好ましい。
コーティング薬液は、リン酸塩に代えて(またはリン酸塩と共に)リン酸を含有でき、その場合、更に、金属酸化物などの金属化合物を含有できる。
このようなコーティング薬液を、被膜層A(セラミックス被膜)上に塗布する方法としては、特に限定されないが、製造コストの都合上の観点から、塗布型ロールを用いて行なうことが好ましい。
焼付温度を900℃以下、および/または、焼付時間を30秒以下にすることによって、セラミックス被膜と絶縁張力被膜との被膜密着性の劣化につながる析出物が生成する反応がより抑制され、被膜密着性がより優れる。
絶縁張力被膜の形成の初段階として、コーティング薬液の乾燥がある。焼付温度を700℃以上、および/または、焼付時間を10秒以上にすることによって、コーティング薬液の乾燥を十分に進行させて、コーティング薬液に含まれる水分を十分に除くことができ、絶縁張力被膜が鋼板に印加する引張応力をより向上できる。加えて、歪取焼鈍中において、水分によるセラミックス被膜の酸化を抑制できる。
焼付雰囲気が大気雰囲気であると、大気に含まれる水分および酸素などによって、セラミックス被膜の酸化が起こやすくなる場合があるが、窒素雰囲気であれば、セラミックス被膜の酸化が抑制され、被膜密着性がより優れる。
本発明の方向性電磁鋼板は、例えば需要家などによって、歪取焼鈍が施される場合がある。歪取焼鈍の条件は、特に限定されないが、例えば、窒素雰囲気などの雰囲気中で、700〜900℃で、2〜4時間の焼鈍が行なわれる。
本発明の方向性電磁鋼板の磁気特性をより良好にするために、方向性電磁鋼板の圧延方向を横切るように鋼板表面付近に、溝を形成する、または、レーザー照射もしくは電子ビーム照射などによりひずみを導入することによって、方向性電磁鋼板の磁区を細分化する技術も利用できる。
溝形成による磁区細分化効果は焼鈍後においても残るが、レーザー照射または電子ビーム照射によるひずみは、需要家等が行なう歪取焼鈍によって緩和してしまい、例えば、巻鉄心としての用途に難がある場合がある。
しかし、本発明の方向性電磁鋼板は、歪取焼鈍を行なわない場合(例えば、積鉄心専用の場合)であっても、被膜密着性および磁気特性に優れる。したがって、本発明においては、歪取焼鈍を行なわない場合には、ひずみ導入による磁区細分化の技術を用いて、磁気特性をより良好にできる。
〈方向性電磁鋼板の製造〉
以下のようにして、鋼板上に、金属被膜、被膜層A(セラミックス被膜)および被膜層B(絶縁張力被膜)をこの順に形成して、方向性電磁鋼板を得た。
鋼中成分として、質量%で、C:0.05%、Si:3.2%、Mn:0.05%、Al:0.03%、N:0.005%、および、Se:0.01%を含有し、残部は不可避の不純物とFeとからなる鋼塊を用いた。
この鋼塊を熱間圧延し、熱延板焼鈍を施し、中間焼鈍を挟む2回の冷間圧延により厚さ0.23mmの最終冷延板とした後、脱炭焼鈍および仕上げ焼鈍によりGoss方位二次再結晶粒を発達させた。こうして、フォルステライト被膜付き鋼板を得た。
その後、得られたフォルステライト被膜付き鋼板について、表面のフォルステライト被膜を酸洗により除去した後、フッ酸を用いた化学研磨により、表面を平滑化した。こうして、鋼板を得た。化学研磨後における鋼板の板厚は、0.22mmであった。
次に、鋼板上に、Ti(原子半径比:13%)の金属被膜を、下記表1に示す厚さで成膜した。成膜法としては、上述した方法1を用いて、Tiの金属イオンを鋼板に照射し、このとき、下記表1に示す電圧(絶対値)および照射時間(下記表1では「時間」と表記)とした。
次に、PVD法によって、金属被膜上に、TiNのセラミックス被膜を、厚さ0.20μmで成膜した。セラミックス被膜における酸化物の含有量は、いずれも、2質量%以下であった。PVD法は、イオンプレーティング法を用いて、450℃、3Paおよびバイアス電圧−20Vで成膜を行なった。
次に、セラミックス被膜上に、コーティング薬液を、塗布型ロールを用いて塗布し、乾燥させた後、窒素雰囲気中、850℃で15秒間の焼付けを行なった。こうして、厚さ2.0μmの絶縁張力被膜を成膜した。
コーティング薬液としては、リン酸マグネシウム(第一リン酸マグネシウム)を100質量部、コロイダルシリカ(ADEKA社製AT−30、平均粒子径:10nm)を80質量部、および、無水クロム酸を20質量部含有するコーティング薬液を用いた(後述する試験例2〜4においても、同様)。
得られた方向性電磁鋼板に対して、窒素雰囲気中800℃で3時間の歪取焼鈍を行なった。その後、以下の評価を行なった。
歪取焼鈍後の方向性電磁鋼板を、5mm、10mm…のように5mm間隔で径が異なる丸棒(ただし、3mmφの丸棒を含む)に巻き付けていき、セラミックス被膜が剥離しない最小径(単位:mmφ)を求めた。結果を下記表1に示す。被膜が剥離しない最小径(非剥離径)が小さいほど、歪取焼鈍後の被膜密着性に優れると評価でき、非剥離径が30mmφ未満であることが好ましい。
歪取焼鈍後の方向性電磁鋼板について、鉄損W17/50を測定した。結果を下記表1に示す。鉄損W17/50の値(単位:W/kg)が0.80未満であれば、歪取焼鈍後の磁気特性に優れると評価できる。
〈方向性電磁鋼板の製造〉
以下のようにして、鋼板上に、金属被膜、被膜層A(セラミックス被膜)および被膜層B(絶縁張力被膜)をこの順に形成して、方向性電磁鋼板を得た。
鋼中成分として、質量%で、C:0.05%、Si:3.2%、Mn:0.05%、Al:0.03%、N:0.005%、および、Se:0.01%を含有し、残部は不可避の不純物とFeとからなる鋼塊を用いた。
この鋼塊を熱間圧延し、熱延板焼鈍を施し、中間焼鈍を挟む2回の冷間圧延により厚さ0.23mmの最終冷延板とした後、脱炭焼鈍および仕上げ焼鈍によりGoss方位二次再結晶粒を発達させた。こうして、フォルステライト被膜付き鋼板を得た。
その後、得られたフォルステライト被膜付き鋼板について、表面のフォルステライト被膜を酸洗により除去した後、フッ酸を用いた化学研磨により、表面を平滑化した。こうして、鋼板を得た。化学研磨後における鋼板の板厚は、0.22mmであった。
次に、鋼板上に、下記表2に示す金属元素の金属被膜を成膜した。金属被膜の厚さは、いずれも、3.0nmとした。
No.1〜17においては、成膜法として上述した方法1を用い、下記表2に示す照射イオン種の金属イオンを鋼板に照射した。
No.18〜23においては、成膜法として上述した方法2を用い、下記表2に示すフィラメント素材を使用しつつ、下記表2に示す照射イオン種の不活性ガスイオンを鋼板に照射した。
いずれの方法においても、電圧は絶対値で750Vとし、イオン照射時間は5分間とした。
次に、PVD法によって、金属被膜上に、TiNのセラミックス被膜を、厚さ0.20μmで成膜した。セラミックス被膜における酸化物の含有量は、いずれも、2質量%以下であった。PVD法は、イオンプレーティング法を用いて、450℃、3Paおよびバイアス電圧−20Vで成膜を行なった。
次に、セラミックス被膜上に、コーティング薬液を、塗布型ロールを用いて塗布し、乾燥させた後、窒素雰囲気中、850℃で15秒間の焼付けを行なった。こうして、厚さ2.0μmの絶縁張力被膜を成膜した。
得られた方向性電磁鋼板に対して、窒素雰囲気中800℃で3時間の歪取焼鈍を行ない、その後、試験例1と同様にして、歪取焼鈍後の被膜密着性および磁気特性の評価を行なった。結果を下記表2に示す。
発明例どうしを対比すると、金属被膜の金属元素がTaまたはWである発明例は、被膜密着性がより良好であった。
〈方向性電磁鋼板の製造〉
以下のようにして、鋼板上に、金属被膜、被膜層A(セラミックス被膜)および被膜層B(絶縁張力被膜)をこの順に形成して、方向性電磁鋼板を得た。
鋼中成分として、質量%で、C:0.05%、Si:3.2%、Mn:0.05%、Al:0.03%、N:0.005%、および、Se:0.01%を含有し、残部は不可避の不純物とFeとからなる鋼塊を用いた。
この鋼塊を熱間圧延し、熱延板焼鈍を施し、中間焼鈍を挟む2回の冷間圧延により厚さ0.23mmの最終冷延板とした後、脱炭焼鈍および仕上げ焼鈍によりGoss方位二次再結晶粒を発達させた。こうして、フォルステライト被膜付き鋼板を得た。
その後、得られたフォルステライト被膜付き鋼板について、表面のフォルステライト被膜を酸洗により除去した後、フッ酸を用いた化学研磨により、表面を平滑化した。こうして、鋼板を得た。化学研磨後における鋼板の板厚は、0.22mmであった。
次に、鋼板上に、W(原子半径比:11%)の金属被膜を成膜した。金属被膜の厚さは、いずれも、3.0nmとした。
成膜法として上述した方法2を用い、Wをフィラメント素材とし、Arガスを鋼板に照射した。電圧は絶対値で750Vとし、イオン照射時間は5分間とした。
次に、CVD法またはPVD法によって、鋼板上に、下記表3に示す組成のセラミックス被膜を、下記表3に示す厚さで成膜した。セラミックス被膜における酸化物の含有量は、いずれも、2質量%以下であった。
CVD法は、熱CVD法を用いて、1050℃および1000Paの条件で成膜を行なった。PVD法は、イオンプレーティング法を用いて、450℃、3Paおよびバイアス電圧−20Vで成膜を行なった。
次に、セラミックス被膜上に、コーティング薬液を、塗布型ロールを用いて塗布し、乾燥させた後、窒素雰囲気中、850℃で15秒間の焼付けを行なった。こうして、厚さ2.0μmの絶縁張力被膜を成膜した。
得られた方向性電磁鋼板に対して、窒素雰囲気中800℃で3時間の歪取焼鈍を行ない、その後、試験例1と同様にして、歪取焼鈍後の被膜密着性および磁気特性の評価を行なった。結果を下記表3に示す。
上記表2において、セラミックス被膜の厚さが0.10μmである発明例どうしを対比すると、セラミックス被膜の組成がTiCrNまたはAlCrNである発明例は、被膜密着性および磁気特性がより良好であった。
〈方向性電磁鋼板の製造〉
以下のようにして、鋼板上に、金属被膜、被膜層A(セラミックス被膜)および被膜層B(絶縁張力被膜)をこの順に形成して、方向性電磁鋼板を得た。
鋼中成分として、質量%で、C:0.05%、Si:3.2%、Mn:0.05%、Al:0.03%、N:0.005%、および、Se:0.01%を含有し、残部は不可避の不純物とFeとからなる鋼塊を用いた。
この鋼塊を熱間圧延し、熱延板焼鈍を施し、中間焼鈍を挟む2回の冷間圧延により厚さ0.23mmの最終冷延板とした後、脱炭焼鈍および仕上げ焼鈍によりGoss方位二次再結晶粒を発達させた。こうして、フォルステライト被膜付き鋼板を得た。
その後、得られたフォルステライト被膜付き鋼板について、表面のフォルステライト被膜を酸洗により除去した後、フッ酸を用いた化学研磨により、表面を平滑化した。こうして、鋼板を得た。化学研磨後における鋼板の板厚は、0.22mmであった。
次に、鋼板上に、W(原子半径比:11%)の金属被膜を成膜した。金属被膜の厚さは、いずれも、3.0nmとした。
成膜法として上述した方法2を用い、Wをフィラメント素材とし、Arガスを鋼板に照射した。電圧は絶対値で750Vとし、イオン照射時間は5分間とした。
次に、PVD法によって、金属被膜上に、TiNのセラミックス被膜を、厚さ0.10μmで成膜した。セラミックス被膜における酸化物の含有量は、いずれも、2質量%以下であった。PVD法は、イオンプレーティング法を用いて、450℃、3Paおよびバイアス電圧−20Vで成膜を行なった。
次に、セラミックス被膜上に、コーティング薬液を、塗布型ロールを用いて塗布し、乾燥させた後、窒素雰囲気中、850℃で15秒間の焼付けを行なった。こうして、下記表4に示す厚さの絶縁張力被膜を成膜した。
得られた方向性電磁鋼板に対して、窒素雰囲気中800℃で3時間の歪取焼鈍を行ない、その後、試験例1と同様にして、歪取焼鈍後の被膜密着性および磁気特性の評価を行なった。結果を下記表4に示す。
上記表4において、本発明例どうしを対比すると、絶縁張力被膜を増厚するに従い、磁気特性がより良好になる傾向が見られた。
2:フォルステライト被膜
3:絶縁張力被膜
4:セラミックス被膜
5:金属被膜
T2:フォルステライト被膜の厚さ
T3:絶縁張力被膜の厚さ
T4:セラミックス被膜の厚さ
Claims (12)
- 鋼板と、
前記鋼板上に配置された、金属元素を含有する金属被膜と、
前記金属被膜上に配置された、酸化物の含有量が30質量%未満であるセラミックス被膜である被膜層Aと、
前記被膜層A上に配置された、酸化物を含有する絶縁張力被膜である被膜層Bと、
を有し、
前記金属被膜の厚さが、1.0〜10.0nmであり、
前記金属元素は、鉄の原子半径をRFe、前記金属元素の原子半径をRAとしたとき、下記式(1)で表される原子半径比が10%以上の元素である、方向性電磁鋼板。
(|RFe−RA|/RFe)×100・・・(1) - 前記金属元素が、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、WおよびCからなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記金属元素が、TaまたはWである、請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記被膜層Aの厚さが、0.01μm以上である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記被膜層Aの厚さが、0.40μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記被膜層Bの厚さが、1.0μm以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記被膜層Bの厚さが、10.0μm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記被膜層Aが、窒化物または炭窒化物を含有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板を製造する、方向性電磁鋼板の製造方法であって、
前記鋼板に金属イオンを照射して付着させることにより前記金属被膜を成膜する、または、前記鋼板への不活性ガスイオンの照射中にフィラメントから放出される金属元素を前記鋼板に付着させることにより前記金属被膜を成膜する、方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記フィラメントの素材が、WまたはTaである、請求項9に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記被膜層Aを、CVD法またはPVD法によって成膜する、請求項9または10に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記被膜層A上に、塗布型ロールを用いてコーティング薬液を塗布し、窒素雰囲気中で焼付けを行なうことにより、前記被膜層Bを成膜する、請求項9〜11のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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