JP7308836B2 - 方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
具体的には、方向性電磁鋼板は、1次再結晶粒の成長を抑制し、成長が抑制された結晶粒のうち{100}<001>方位の結晶粒を選択的に成長させて得られた2次再結晶組織を介して優れた磁気特性を示すようにするものであるため、1次再結晶粒の成長抑制剤がより重要である。そして、最終焼鈍工程では、成長が抑制された結晶粒のうち安定的に{100}<001>方位の集合組織を有する結晶粒が優先的に成長できるようにすることが方向性電磁鋼板の製造技術における重要事項の1つである。
一般に知られている方向性電磁鋼板の場合には、鋼板及びフォルステライト(Forsterite)系ベース被膜上に絶縁被膜を形成し、かかる絶縁被膜の熱膨張係数差を用いて鋼板に引張応力を付与することにより、鉄損を改善させ、磁気変形に起因した騒音低減効果を図っているが、最近要求されている高度な方向性電磁鋼板における騒音レベルを満足させるには限界がある。
また、本発明で解決しようとする技術的課題は、前記の技術的課題に限定されず、言及されていない他の技術的課題についても、下記の記載から本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者であれば明確に理解することができる。
前記セラミックコーティング層は、H2、O2、及びH2Oのうち1種からなる第2ガスを前記第1ガス及びセラミック前駆体に追加混合した後、これを鋼板表面に接触反応させることによって形成することができる。
前記セラミックコーティング層がTiO2であるとき、前記セラミック前駆体として、TTIP(Titanium Isopropoxide、Ti{OCH(CH3)2}4、又はTiCl4を用いることができる。
前記2次再結晶焼鈍する工程は、前記セラミックコーティング層が形成された鋼板を2段加熱した後、均熱処理する高温焼鈍工程であることがよい。
前記鋼板は、重量%で、シリコン(Si):2.6~4.5%、アルミニウム(Al):0.020~0.040%、マンガン(Mn):0.01~0.20%、残部Fe及びその他の不可避不純物からなることが好ましい。
また、本発明のセラミックコーティング層は、高張力の被膜層として、通常のMgO焼鈍分離剤とは異なってこれを除去する必要がなく、高張力により鉄損に優れた方向性電磁鋼板を効果的に提供することができる。
図1に示したとおり、先ず、焼鈍酸洗工程(APL:Annealing&Pickling Line)を介して熱延板スケール(Scale)の除去、冷間圧延性の確保、及び熱延板の抑制剤(Inhibitor)(AlN)を磁性に有利に析出及び分散させる役割を果たす。次に、冷間圧延工程(SendZimir Rolling Mill)を介して顧客社が要求する最終製品の厚さで圧延を行い、磁性に有利な結晶方位を確保する役割を果たす。そして、1次再結晶焼鈍工程である脱炭浸窒焼鈍工程(DNL:Decarburizing&Nitriding Line)を介して素材の[C]を除去し、適正温度及び窒化反応を介して1次再結晶を形成する。続いて、2次再結晶焼鈍工程である高温焼鈍工程(COF)を介して下地コーティング(Mg2SiO4)層を形成し、2次再結晶を形成する。最後に、HCL工程を介して素材形状を矯正し、前記焼鈍分離剤を除去した後、絶縁被膜層を形成することで、電磁鋼板の表面に張力を付与する工程を行う。
このとき、従来技術では、前記1次再結晶工程において、脱炭浸窒処理後に、焼鈍分離剤であるMgOを塗布する工程を有する。そして、2次再結晶焼鈍工程において、1次加熱した後、1次均熱処理する。その後、2次加熱した後、2次均熱処理する工程を経るようになる。
図2に示したとおり、本発明は、1次再結晶焼鈍工程において、焼鈍分離剤を鋼板に塗布する代わりに、APP-CVD工程を用いてセラミックコーティング層を形成する。そして、かかるセラミックコーティング層の形成により、後続する2次再結晶焼鈍工程において、2段加熱した後、1次均熱処理する過程を経る。
すなわち、本発明は、方向性電磁鋼板を製造するにあたり、従来技術と同様に、鋼スラブを再加熱、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、1次再結晶焼鈍、及び2次再結晶焼鈍する工程といった一般的な工程を用いる。ここで、一次再結晶焼鈍する工程は、鋼板を脱炭と同時に浸窒するか、又は脱炭後に浸窒し、焼鈍して脱炭焼鈍された鋼板を得る工程であることができる。
そして、2次再結晶焼鈍工程において、前記セラミックコーティング層が形成された鋼板を2段加熱した後、均熱処理を一回行ってから炉冷する高温焼鈍工程を用いる。
本発明において、前記鋼板は、重量%で、シリコン(Si):2.6~4.5%、アルミニウム(Al):0.020~0.040%、マンガン(Mn):0.01~0.20%、残部Fe及びその他の不可避不純物を含んでなることができる。以下、本発明において、前記鋼板の組成成分及び含有量の制限理由について説明すると、以下のとおりである。
シリコン(Si)は、鋼の比抵抗を増加させて鉄損を減少させる役割を果たす。但し、Siの含有量が少なすぎる場合には、鋼の比抵抗が小さくなって鉄損特性が劣化し、高温焼鈍時に相変態区間が存在し、2次再結晶が不安定になるという問題が発生する虞がある。これに対し、Siの含有量が多すぎる場合には、脆性が大きくなって冷間圧延が困難になるという問題が発生する虞がある。したがって、上記の範囲でSiの含有量を調節すること好ましい。より具体的に、Siは2.6~4.5重量%含まれることがよい。
アルミニウム(Al)は、最終的にAlN、(Al,Si)N、(Al,Si,Mn)Nの形の窒化物になって抑制剤として作用する成分である。Alの含有量が少なすぎる場合には、抑制剤として十分な効果を期待することが難しい。また、Alの含有量が多すぎる場合には、Al系の窒化物が過度に粗大に析出されて成長するため、抑制剤としての効果が不足する可能性がある。したがって、上述した範囲でAlの含有量を調節することができる。
Mnは、Siと同様に、比抵抗を増加させて鉄損を減少させるという効果があり、Siとともに窒化処理によって導入される窒素と反応して(Al,Si,Mn)Nの析出物を形成することにより、1次再結晶粒の成長を抑制して2次再結晶を形成するのに重要な元素である。しかし、Mnの含有量が多すぎる場合には、熱延中にオーステナイト相変態を促進するため、1次再結晶粒のサイズを減少させて2次再結晶を不安定にする。また、Mnの含有量が少なすぎる場合には、オーステナイト形成元素として熱延再加熱時にオーステナイト分率を高めて析出物の固溶量を多くし、再析出時に析出物の微細化及びMnSの形成を介した1次再結晶粒が過度に多くならないようにする効果が不十分になる虞がある。したがって、上記の範囲でMnの含有量を調節することが好ましい。
本発明におけるセラミックコーティング層を形成するのに用いられる工程は、以下、常圧プラズマ化学蒸着工程(APP-CVD:Atmospheric Pressure Plasma enhanced-Chemical Vapor Deposition)工程と命名する。
そして、本発明のAPP-CVD工程において大気圧条件下で高密度無線周波数を用いることにより、鋼板表面に磁場を形成してプラズマを発生させた状態で、Ar、He、及びN2のうち1種以上からなる主ガスである第1ガスと気相のセラミック前駆体を混合した後、これを反応炉に供給して鋼板表面に接触反応させる。
図4に示したとおり、本APP-CVD工程は、大気圧条件下で高密度無線周波数(Radio Frequency)(例えば、13.56MHz)を用いて鋼板の一面又は両面に磁場を形成する。そして、Ar、He、又はN2のような第1ガス(Primary Gas)を孔(hole)、線(Line)、又は面ノズル(Nozzle)を介して噴射させると、磁場下において電子が分離されてラジカル(Radical)化されて極性を示すようになる。
このとき、本発明におけるTTIPのようなセラミック前駆体は、Ar、He、及びN2のうち1種以上からなる第1ガス(Primary Gas)と混合された後、RFパワーソース(Power Source)を通過し、ガス(Gas)噴射ノズル(Nozzle)を通過して反応炉内に流入される。
一方、TTIPのようなセラミック前駆体は、液体(Liquid)状態で保管され、50~100℃の加熱工程を経て気化される。そして、第1ガスがTTIPが含まれている位置を通過すると、第1ガスとセラミック前駆体は混合されて、RFパワーソース(Power Source)を通過し、ガス(Gas)噴射ノズル(Nozzle)を通過して反応炉内に流入されるようになる。
上記のように、本発明では、液体状態であるセラミック前駆体を加熱器を介して気化点以上に加熱し、第1ガス及び第2ガスは事前に蒸気加熱器又は電気加熱器を介して前記セラミック前駆体の気化点以上の温度に加熱した後、セラミック前駆体と混合して反応炉内部にガス状態で供給することにより、気化されたセラミック前駆体ガスをプラズマソース(Plasma Source)に供給することができる。
そして、本発明では、電気的に接地(ground)又は(-)電極を示す 方向性電磁鋼板に、解離されたラジカル(Radical)が衝突し、表面にセラミックコーティング層(例えば、TiO2)を形成するようになる。
Ti(OR)4→Ti*(OH)x-1(OR)4-x→(HO)x(RO)3-xTi-O-Ti(OH)x-1(OR)4-1→Ti-O-Ti network
図5は、本発明のAPP-CVD工程において、RFパワーソース(Power Source)によって生成されたプラズマ領域内でセラミック前駆体の一例であるTTIPが解離された状態を示す図である。
そして、本発明では、2次再結晶焼鈍工程においてセラミックコーティング層が形成された鋼板を2段加熱した後、1回の均熱処理をする高温焼鈍工程を行う。これは、1次及び2次の均熱処理を行う従来技術に比べて、1次均熱処理を省略することができるという点に技術的意義がある。
すなわち、セラミックコーティング層上に金属リン酸塩を含む絶縁被膜層をさらに形成することができる。絶縁被膜層が形成されることにより、絶縁特性を向上させることができる。
金属リン酸塩は、金属水酸化物とリン酸(H3PO4)の化学反応による化合物からなることができる。
金属リン酸塩は、金属水酸化物とリン酸(H3PO4)の化学反応による化合物からなるものであり、金属水酸化物は、Sr(OH)2、Al(OH)3、Mg(OH)2、Zn(OH)2、及びCa(OH)2を含む群から選択された少なくとも1種以上であることができる。
(実施例)
シリコン(Si)を3.4重量%、アルミニウム(Al)を0.03重量%、マンガン(Mn)を0.15重量%、アンチモン(Sb)を0.05重量%、スズ(Sn)を0.06重量%、ニッケル(Ni)を0.03重量%含み、残部Fe及びその他の不可避不純物からなる鋼スラブを設けた。
次に、鋼スラブを1150℃で220分間加熱した後、2.3mmの厚さに熱間圧延をして、熱延板を製造した。そして、熱延板を1120℃まで加熱し、920℃で95秒間維持した後、水に急冷して酸洗してから、0.23mmの厚さで冷間圧延することで冷延板を製造した。
その後、前記のように製造された1次再結晶焼鈍処理された鋼板表面に、焼鈍分離剤を塗布することなく、APP-CVD工程を用いてセラミックコーティング層を形成した。
このとき、APP-CVD工程は、大気圧条件下で13.56MHzの無線周波数(Radio Frequency)を用いて方向性電磁鋼板の一面又は両面に磁場を形成し、Arガスを反応炉内に流入した。そして、RFパワーソース(Power Source)と鋼板の間に50~60Hzの交流電力下で液状のセラミック前駆体であるTTIPを加熱して気化させた後、ArガスとH2ガスを混合して反応炉内に投入し、電磁鋼板の表面にその厚さを異ならせるTiO2セラミックコーティング層をそれぞれ形成した。
そして、前記セラミックコーティング層が形成された鋼板を最終焼鈍した。このとき、最終焼鈍時における均熱温度は1200℃、昇温区間の温度区間では15℃/hrとした。また、1200℃までは窒素50体積%及び水素50体積%の混合気体雰囲気とし、1200℃に達した後は100体積%の水素気体下で15時間維持してから炉冷(furnace cooling)した。
Claims (12)
- 鋼スラブを再加熱、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、1次再結晶焼鈍、及び2次再結晶焼鈍する工程を含む方向性電磁鋼板の製造方法であって、
前記1次再結晶焼鈍処理された鋼板の一面又は両面の一部又は全部に、常圧プラズマ化学蒸着工程(APP-CVD)を用いてプラズマ状態で気相のセラミック前駆体を接触反応させることにより、セラミックコーティング層を形成した後、2次再結晶焼鈍することを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記セラミックコーティング層は、大気圧条件下で高密度無線周波数を用いることで、鋼板表面に磁場を形成してプラズマを発生させた状態で、Ar、He、及びN2のうち1種以上からなる第1ガスと気相のセラミック前駆体を混合した後、これを鋼板表面に接触反応させることによって形成され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製造方法。
- 前記セラミックコーティング層は、H2、O2、及びH2Oのうち1種からなる第2ガスを前記第1ガスと共に液体状態のセラミック前駆体に追加混合し、前記第1ガス及び前記第2ガスを前記液体状態のセラミック前駆体の気化点以上の温度に加熱することによって、前記液体状態のセラミック前駆体を気相のセラミック前駆体とし、該気相のセラミック前駆体を鋼板表面に接触反応させることによって形成されることを特徴とする請求項2に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記セラミックコーティング層がTiO2であり、前記セラミック前駆体として、TTIP(Titanium Isopropoxide;Ti{OCH(CH3)2}4)、又はTiCl4を用い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製造方法。
- 前記1次再結晶焼鈍する工程は、前記鋼板を脱炭と同時に浸窒するか、又は脱炭後に浸窒し、焼鈍して脱炭焼鈍された鋼板を得る工程であ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製造方法。
- 前記2次再結晶焼鈍する工程は、前記セラミックコーティング層が形成された鋼板を2段加熱した後、均熱処理する高温焼鈍工程であ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製造方法。
- 前記2次再結晶焼鈍工程後に、セラミックコーティング層が形成されている方向性電磁鋼板の表面に絶縁被膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記鋼板は、重量%で、シリコン(Si):2.6~4.5%、アルミニウム(Al):0.020~0.040%、マンガン(Mn):0.01~0.20%、残部Fe及びその他の不可避不純物からな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製造方法。
- 1次再結晶焼鈍処理された方向性電磁鋼板の製造用鋼板を設ける段階と、
前記鋼板の一面又は両面の一部又は全部に、常圧プラズマ化学蒸着工程(APP-CVD)を用いてプラズマ状態で気相のセラミック前駆体を接触反応させることにより、セラミックコーティング層を形成する段階と、
前記セラミックコーティング層が形成された鋼板を2次再結晶焼鈍する段階と、を含むことを特徴とする方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記セラミックコーティング層は、大気圧条件下で高密度無線周波数を用いることで、鋼板表面に磁場を形成してプラズマを発生させた状態で、Ar、He及びN2のうち1種以上からなる第1ガスと気相のセラミック前駆体を混合した後、これを鋼板表面に接触反応させることによって形成されることを特徴とする請求項9に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記セラミックコーティング層は、H2、O2、及びH2Oのうち1種からなる第2ガス及び前記第1ガスを液状のセラミック前駆体の気化点以上の温度に加熱した後、前記液状のセラミック前駆体に混合することで、前記気相のセラミック前駆体を設け、この後、その気相のセラミック前駆体を鋼板表面に接触反応させることによって形成されることを特徴とする請求項10に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記セラミックコーティング層がTiO2であり、前記セラミック前駆体として、TTIP(Titanium Isopropoxide;Ti{OCH(CH3)2}4)、又はTiCl4を用いることを特徴とする請求項9に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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