JPH01108345A - 磁気特性の優れた珪素鋼板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は板面垂直方向に＜１００＞軸が高密度に集積し
た磁気特性の優れた珪素鋼板およびその製造方法に関す
る。

〔従来の技術〕

従来より電動機、発電機、変圧器等の磁心には珪素鋼板
が用いられる。この珪素鋼板に要求される磁性は、交流
磁界中で磁気的なエネルギー損失（鉄損）が少ないこと
、実用的な磁界中で磁束密度が高いこと、の２つである
。これらを実現するには、電気抵抗を高め、かつ磁化容
易方向であるｂｃｃ格子の＜１００＞軸を使用磁界方向
に集積させるのが有効とされている。

使用磁界方向が一方向に限られている場合に最も良好な
磁気特性を示すのは、３％程度のＳｉを含む一方向性珪
素鋼板である。これは第２図（イ）に示すように（１ｍ
ｍ０）面が板面に平行し、り１００〉軸を圧延方向に集
積させていることから、圧延方向に磁界をかけて使用し
た場合の磁気特性が著しく優れる。しかし、この一方向
性珪素鋼板は圧延方向以外の方向に磁化し難い、したが
って電信機、発電機等の回転機器のような、磁界が板面
内の様々な方向に作用する場合には、さしたる効果は得
られない。

磁界が板面内の複数の方向の作用する場合に使用される
のは、第２図（ロ）〜（ホ）に示されるような集合組織
を持つ無方向性珪素鋼板である。

無方向性珪素鋼板のなかで良好な磁気特性を示すのは、
第２図（ロ）〜に）に示すように（１００）面が板面に
平行し、（１００＞軸が板面垂直方向に集積したもので
ある。このような集合＆ｌ１ｍを持つと、３つの互いに
直交した＜１０’Ｏ）軸のうち、２つまでが板面に平行
することになる。そして、板面に平行する２つの＜１０
０＞軸の集積具合は用途によって望まれるものが異なる
。

例えば板面内の互いに直交する２方向に磁界が加わるＥ
Ｔ型鉄心のような場合は、第２図（ロ）（ハ）に示す　
（１００１＜００１＞　　、　　＋１　０　０１　　　
＜０　１ｍｍ）方位の集合組織のものが好ましぐ、板面
内のあらゆる方向に磁界が加わるものの場合は、第２図
に）に示す（１００）面内無方向集合組織のものを使用
するか、もしくは第２図（ロ）（ハ）に示す（１００）
　　＜００１＞、＋１００１　　＜０１ｍｍ）型集合組
織のものを板面内で角度を変えて打ち抜いて重ねて使用
するのが好ましいと言える。

そして、このような板面垂直方向に＜１００＞軸を持つ
無方向性珪素鋼板は、従来は凝固＆ｌｉ織を用いる方法
と、高温焼鈍による方法の２方法で製造されている。

Ｑ　凝固＆［ｌ織を用いる方法 鋼と凝固させると、熱流方向に＜ｉｏｏ＞軸を持つ結晶
が成長する。板状に凝固させると、冷却面である板面に
対して熱流方向が垂直となり、この方向に＜１００＞軸
が配向する。凝固組織を用いる方法は、この配向性を利
用したもので、具体的には溶湯超急冷法によるものと、
インゴット柱状晶を用いるものの２つがある。

溶湯超急冷法によるものは、高速回転する冷却ロールの
表面に溶湯を噴出し、０．０５〜０，５訪厚程度の薄板
を直接製造する方法である。この方法で６％程度の８１
を食む珪素薄帯を製造すると、板面に垂直かもしくは垂
直方向に対して２０〜３０°傾いた方向に長袖を持つ柱
状粒組織が得られる。

インゴット柱状晶を利用する方法は、特殊な鋳造方法に
よって製造した（００１）繊維組織の柱状晶インゴット
を目００１面が圧延面となるように圧延し、１０００℃
以上の温度で焼鈍し、（１００１＜００１＞集合組織の
珪素鋼板を製造するものである。

○　高温焼鈍による方法 高温焼鈍によって板面垂直方向にＨＯＯ）軸を持った結
晶粒を成長させる方法で、次の２つが周知である。

１つは、主に焼鈍雰囲気を規定する方法で、０゜１５ｎ
以下の１珪素鋼板に対し、弱酸化性の雰囲気中で１００
０℃以上の温度で焼鈍を行うものである。この焼鈍によ
ると結晶粒は一度板厚程度の大きさに成長した後、板面
垂直方向に＜ｉ　ｏ　ｏ＞軸を持った結晶粒が表面エネ
ルギーを駆動力として優先的に成長する。

今１つは、微量のＡＩ等を添加した珪素鋼をＯｏと９０
°の方向に圧延（交叉圧延）し、１ｔｓＯ℃の温度で最
終焼鈍を行う方法である。この方法によると、（１００
）　　＜００１＞方位の結晶粒が２次再結晶により得ら
れる。

ところが、いずれの方法も非常に問題の多いものである
。

（発明が解決しよすとる問題点〕 凝固組織を用いる方法のうち、溶湯超急冷法によるもの
では、板面垂直方向の＜１００＞軸密度は配向性のない
ものの高さ３〜６倍程度でしかなく、また板厚精度も低
く、電磁鋼板に必要とされる高い占積率は確保できない
。

インゴット柱状晶を用いる方法では、板面垂直方向に＜
１００＞軸を高密度で集積させようとすると、非常に大
きな結晶粒組織となり、通常は板厚の１０〜１００倍の
結晶粒となる。このため静磁界中での磁気特性は良好な
るも、交流磁界中では渦電流損失が大きく、十分な低鉄
損は得られない、また、特殊な鋳造方法を用いることか
ら、工業的規模で実施するのは非常に困難といえる。

高温焼鈍による方法では、いずれの方法も、インゴット
柱状晶を用いる方法と同様の問題がある。

すなわち、弱酸化性雰囲気で焼鈍を行うものも、交叉圧
延を行うものも、板面垂直方向の＜１００）軸の集積度
を高めようとすると、非常に大きな結晶粒組織となり、
交流磁界中での鉄損特性が悪化する。

更に前者の弱酸化性雰囲気で焼鈍を行うものでは、０．
１５ｍ以下という薄い板にしか適用できない制約があり
、後者の交叉圧延を行うものでは長尺の薄板には適用で
きない制約があり、いずれも工業的方法と言えない。

本発明は、これらの問題点が全て解決できる結晶粒組織
の珪素鋼板およびその製造方法を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、珪素鋼板の脱炭焼鈍が進行する過程でγ−α
変態を発生させると、板面垂直方向に０００＞軸が高密
度で集積した低鉄損で磁束密度も高い結晶粒組織の珪素
鋼板が、高精度の板厚で板厚等の制限を受けることなく
しかも工業的規模で容易に製造できるとの知見に基づく
ものである。

すなわち、従来の珪素鋼板に対する最終焼鈍はα−フェ
ライト単相の温度域で行うのが通例である。これに対し
Ｃを適量添加しオーステナイト相（γ相）の温度域を拡
大した冷間圧延珪素鋼板を、脱炭が完了したときにα単
相となる温度域で、例えば弱酸化性雰囲気で焼鈍すると
、この焼鈍ではＣが十分に含有されていることから、α
＋１２相域もしくはＴ単相の温度域で焼鈍が行われるこ
とになる。

その結果、表面から５〜５０１ｍｍｍ深さまでの領域が
脱炭され、この部分のみがα単相となる。

そして、このα単相域が深部まで到らないように保持し
ておくと、第１図（イ）に示すように板面垂直方向に（
１００）軸を持つ結晶粒のみが板面平行方向に成長する
。

かくして、表層は板面垂直方向に０００＞軸が強く集積
したα単相の集合組織を持つようになる。この粒成長は
表面エネルギーを駆動力としたものと推定される。この
段階での表層のα粒は板面平行方向に３０〜３００μｍ
程度の大きさの柱状粒となっている。

続いて例えば強脱炭性雰囲気中で脱炭を進行させると、
表層のα粒が内部のα＋Ｔ２相域、もしくはγ相域に向
かって成長し、最終的には第１図（ロ）に示すように両
表面から内部へ向かって延びた柱状粒が板厚中心部で衝
突したα単相の柱状粒組織となる。

以上のように、脱炭の過程でγ→α変態を生じさせれば
、表面で成長した（１００）集合組織が粒成長により内
部にまで受は継がれ板金体を簡単に＋１００１集合組織
とできる。更に粒成長の過程で板面垂直方向の０００＞
軸の集積度も向上する。この粒成長メカニズムは本発明
者らの調査研究により判明したものである。

更に、このような高集積度の（１００１集合組織におい
ては、その柱状晶が板厚の数倍以下の直径となったとき
に、渦電流損失が従来のものよりも格段に低下し、かつ
高磁束密度となることも判明した。

本発明は斯かる知見に基づきなされたもので、■　Ｃ≦
０．０１ｗｔ％、０．２≦Ｓｉ≦６．５　ｗ　ｔ％を含
み、更に必要に応じＭｎ５５ｗｔ％を少なくとも８５０
℃以下の温度で実質的にα−フェライト単相となるよう
に含んだ板厚０．０５〜５ｆｌの冷間圧延珪素鋼板で、
板面垂直方向に表面から内部に向かって成長した柱状結
晶粒からなり、その柱状結晶粒の板面平行方向の平均直
径が１ｍ以下で、板面垂直方向に＜１００＞軸が高密度
に集積した磁気特性の優れた珪素鋼板。

■　０．０２≦Ｃ≦１ｗｔ％、０．２≦Ｓｉ≦６，５ｗ
ｔ％を含み、更に必要に応じＭｎ５５ｗｔ％％を少なく
とも脱炭後８５０℃以下の温度で実質的にα−フェライ
ト単相となるように含んだ板厚０．０５〜５ｍｍの冷間
圧延珪素鋼板を脱炭後実質的にα−フェライト単相とな
る温度でＣ≦０．０１ｗｔ％まで脱炭焼鈍することを特
徴とする板面垂直方向に表面から内部に向かって成長し
た柱状結晶粒からなる板面垂直方向に＜ｉ　ｏ　ｏ＞軸
が高密度に集積した磁気特性の優れた珪素鋼板の製造方
法を要旨とする。

〔作　　用〕

以下、本発明を成分組成、板厚、結晶組織、板面垂直方
向の＜１００＞軸密度、ストリップ製造方法、最終焼鈍
、表面コーティングの順で詳述し、作用を明らかにする
。

○　成分組成 Ｃ：最終焼鈍において脱炭にともなうＴ−α変態を利用
した集合組織制御を行うために、最終焼鈍前の段階で０
ｏ０２％以上、好ましくはＯ，ＯＳ％以上の含有を必要
とする。上限は脱炭時間を抑えるために１％、好ましく
は０．５％以下、さらに好ましくは０．３％以下とする
。最終焼鈍後の段階では磁気特性を劣化させないために
０．０１％以下、好ましくはｏ、ｏｏｓ％以下、より好
ましくは０．００３％以下とする。

Ｓｉ：磁気特性、機械的性１ｒｆ！１保のために００２
％以上、好ましくは１％以上の添加を必要とする。

上限は脆化および磁束密度の低下を抑えるために６．５
％、好ましくは５％、より好ましくは４％とする。

Ｍｎ：ｉｉ気低抵抗増大させ渦電流損失を低下させるた
めと、Ｔ相温度域を拡大しＴ→α変態利用の集合ｍｍｍ
ｗを容易にするために添加することが望まれる。添加す
る場合は０゜５％以上が好ましく、０．８％以上がより
好ましいが、いずれにしても脱炭完了後８５０℃以下で
実質的にα−フェライト単相となる量を最大限として添
加する。これはＭｎを多量に添加すると、脱炭完了後実
質的にα−フェライト単相となる温度が低下し、焼鈍温
度を極端に低（しなければならないためである、なお、
Ｓｉ量が高い場合はＭｎを多量に添加しうるが、磁束密
度を低下させるため５％を超えないようにする。ここで
実質的にα−フェライト単相となるとはＭｎＳ、ＡＩＮ
等の微量な第二相が存在しても良いことを意味する。

Ｃ，Ｓｉ、Ｍｎ以外の成分で本発明を損なわず添加でき
るものは以下のとおりである。

Ａ１６３％ Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ≦１％Ｃｕ≦０．５％ Ｎｂ≦０゜５％ Ｎ　５０．０５％ Ｓ　５０．５％ Ｓｂ、Ｓｅ、Ａｓ≦０．０５％ Ｂ　≦０．００５％ Ｐ　５０．５％ ○　板厚 本発明では結晶組織的な面から板厚に上限を設ける必要
はない、しかし、板厚が厚いと内部まで脱炭するのに長
時間を要し、また渦電流損失が増大するので５鰭以下と
し、好ましくは１ｍ以下、より好ましくは０．５Ｉ以下
である。下限は十分に集積した＋１００）集合組織とす
るため０．０５Ｍとし、好ましくは０．１鶴以上、より
好ましくは０゜１５鰭以上である。

○　結晶組織 板の圃面から内部に向かって伸びた柱状粒が板厚中心付
近で衝突した組織を基本とするが、さらに粒成長を促進
させて板厚方向に貫通した柱状粒１ｖ１ｍｍａであって
もよい、ただし、低鉄損とするため柱状結晶粒の板面平
行方向の平均直径はｌ　＋ｗ以下とし、好ましくは０．
５ｍｍ以下、より好ましくは０゜３５ｆｉ以下である。

０　板面垂直方向の＜ｉ　ｏ　ｏ＞軸密度上記結晶組織
をもつことにより板面垂直方向に＜１００＞軸が高密度
で集積する。この集積度は、十分な磁気特性確保のため
、結晶方位配向性のない（ランダム）ものに比べ５倍以
上が好ましく、より好ましくは８倍以上、更に好ましく
は１５倍乃至２０倍以上である。

０　ストリップの製造方法 圧下率１０％以上、好ましくは３０％以上、より好まし
くは５０％以上の冷間圧延を施すものであれば製造方法
は問わない０通常は連続鋳造−熱間加工−冷間圧延の工
程による。この場合、加工間に１回または複数回の焼鈍
をはさむことを阻げない、連続鋳造による方法以外には
、例えば５０１以下の板厚に直接凝固させた薄スラブも
しくは溶湯超急冷法による極薄板を直接または熱間加工
後に冷間圧延する方法でもよい、なお、ここで冷間圧延
とは再結晶の生じない５００℃以下の圧延をいう。

○　最終焼鈍 脱炭完了後α−フェライト単相となる温度域で脱炭焼鈍
を行う、これにより脱炭の行われていない部分について
はα＋１２相域もしくはＴ単相域の温度で焼鈍が行われ
、脱炭が進行する間に表層より内部に向かってＴ−α変
態を生じ、板面垂直方向に＜１００＞軸が強く集積した
実質的にα単相の柱状粒１ｍｍｒａが得られる。具体的
には、焼鈍効率を高めるため、次のような焼鈍を行うの
が好ましい。

まず、弱脱炭性の雰囲気中、例えば１０−’Ｔ。

ｒｒ以下の真空中もしくは露点０℃以下のＨｚ。

Ｈｅ、　Ｎｅ、　Ｎｒ、　Ｋｒ、　Ｘｅ、　Ｒｎ、　Ｎ
富の１種または２種以上の雰囲気中で、８５０℃以上の
温度で焼鈍し、板表面から５〜５０μｍの深さの領域に
α単相域を形成する。焼鈍時間は好ましくは１〜４８ｈ
程度である。

次いで、強脱炭性の雰囲気、例えば露点０℃以上のＨ８
中もしくは露点０℃以上のＨ２に不活性ガスまたはｃｏ
、ｃｏ、を添加したガス中で、６５０〜９００℃の温度
で焼鈍し、仮表層部に形成したα単相域を板内部に向か
って成長させる。焼鈍時間は好ましくは５ｍ１ｎ〜２０
ｈ程度である。

なお、強脱炭の工程はＣ添加時にα相とセメンタイトと
の混合相となる温度域で行ってもよい。

○　表面コーティング 表面には絶縁皮膜を形成することが好ましいが、この工
程は最終焼鈍後に実施してもよいし、弱脱炭性雰囲気中
での焼鈍の後に実施してもよい。後者の場合は、表面コ
ーテイング後に強脱炭性の雰囲気中で焼鈍を行うことに
なる。

〔実施例１〕 第１表にＡ〜■で示す９種類の組成の真空溶製インゴッ
トを熱間鍛造によりｌＯ鶴厚の板とし、各板を３鶴厚ま
で熱間圧延した後、１．０　ｆｉ厚まで冷間圧延した。

しかる後、各仮に最終焼鈍として真空中で８７０〜１ｍ
ｍ５０℃、３０分〜２４時間の弱脱炭焼鈍を施し、引き
続きＨオを２０％含む露点＋４０℃のＡｒ気流中で８５
０℃、５分〜５時間の強脱炭焼鈍を施した。

最終焼鈍後のＣ量は全ての試料について０．００３％以
下となった。

そして、最終焼鈍を終えた各試料の表面から板厚の２１
５の位置においてＸ線回折測定を行い、（１００＋面反
射強度から板面垂直方向の（１００〉軸密度を配向性の
ないものの倍数で求めるとともに、断面＆Ｉｌ織のＳＥ
Ｍ観察から、結晶粒の板面平行方向の平均粒径を求めた
。結果を最終焼鈍条件とともに第２表に示す。

組成りのインゴットはＣ量が０．０２％未満で、これを
使用する製法は本発明の範晴に入らない。

他の組成Ａ、Ｃ〜■のインゴットは全て本発明の製法を
満足し、最終焼鈍条件も本発明の製法を満足する。

組成Ａ、　Ｃ〜■についての調査結果は、いずれの珪素
鋼板も板面垂直方向に成長したα相の柱状粒組織を有し
、しかも＜１００＞軸は板面垂直方向に強く集積し、本
発明の有効性を示している。

なお、第１図（イ）（ロ）に示す断面組織写真は、第１
表にＦで示す組成の鋼に熱間鍛造−熱間圧延−冷間圧延
を施し製造した０、５ｍｍ厚の試料についてのものであ
る。（イ）はこの試料に真空中で９５０℃、９時間の弱
脱炭性焼鈍を施した後の段階、（ロ）はこの焼鈍の後、
露点が＋４０℃の４０％Ｈｚ＋Ａｒ気流中で８５０℃、
３０分間の強脱炭性焼鈍を施した後の段階をそれぞれＸ
１００．Ｘ５０で撮影したものである。

〔実施例２〕 第１表に■で示す組成の鋼を真空中で製造し鋳造したイ
ンゴットを熱間鍛造にてＬＯｎ厚の板とし、この板を３
ｆｉ厚まで熱間圧延した後、１ｆｉ厚まで冷間圧延し、
８５０℃、５分間の中間焼鈍を経て０．１〜０．８鶴厚
まで冷間圧延した。得られた各板を最終焼鈍として露点
−５０℃のＡｒガス雰囲気中で９７０℃、２４時間焼鈍
した後、露点＋２０℃の２０％Ｈ！　−Ａｒガス気流中
で７５０℃、３０分間焼鈍した。

そして、最終焼鈍を終えた各試料の板面垂直方向のく１
００）軸密度、柱状粒の板面平行方向の平均直径を実施
例１と同じ方法で求める一方、各試料より内径５０誼、
外径６０ｆｉのリング状試験片を打ち抜き、各リング状
試験片に１次コイル、２次コイルを１００ターンづつ巻
いて磁気特性を測定した。磁気特性の測定は５０００Ａ
／ｍの外部磁界をかけた場合の磁束密度（Ｂ　ｓａ）と
、５０Ｈｚの交流磁界中で１．５Ｔまで磁化した場合の
鉄損（Ｗ＋５ｚｓｅ　）とについて行った。また、比較
のため０．３５ｍ厚の市販高級無方向性珪素調板（ＪＩ
ｓ　　Ｓ−９＞に対しても同じ調査を行った。結果を第
３表に示す。

０．１〜０．８鶴厚のいずれの珪素鋼板も（１００〉軸
が板面垂直方向に強く集積し、市販の高級無方向性珪素
鋼板と比べて磁束密度が高く、鉄損も低い、このことは
、本発明が珪素鋼板の磁気特性向上に有効なばかりでな
く、その有効性が板厚の影響を受けないことを示すもの
である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明は無方向性珪素
鋼板に優れた磁気特性を与える上、圧延率、中間焼鈍等
の組合せにより磁気特性の優れた二方向性珪素鋼板の製
造も可能にする。しかも素材面、圧延面で特殊な技法を
必要とせず、したがって実施容易で実施コストが低い、
さらに通常の冷間圧延法の採用が可能であることから、
板厚精度が高く鋼板を積層した状態での集積率も向上さ
る。更にまた、板厚の影響も受けない、したがって、工
業的規模で実施するのに極めて適した産業上多大の効果
を奏する発明ということができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る珪素鋼板の断面組織写真、第２図
は各種珪素鋼板の結晶方位を示す模式図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｃ≦０．０１ｗｔ％、０．２≦Ｓｉ≦６．５ｗｔ
   ％を含み、更に必要に応じＭｎ≦５ｗｔ％を少なくとも
   ８５０℃以下の温度で実質的にα−フェライト単相とな
   るように含んだ板厚０．０５〜５ｍｍの冷間圧延珪素鋼
   板で、板面垂直方向に表面から内部に向かって成長した
   柱状結晶粒からなり、その柱状結晶粒の板面平行方向の
   平均直径が１ｍｍ以下で、板面垂直方向に〈１００〉軸
   が高密度に集積した磁気特性の優れた珪素鋼板。
2. （２）０．０２≦Ｃ≦１ｗｔ％、０．２≦Ｓｉ≦６．５
   ｗｔ％を含み、更に必要に応じＭｎ≦５ｗｔ％を少なく
   とも脱炭後８５０℃以下の温度で実質的にα−フェライ
   ト単相となるように含んだ板厚０．０５〜５ｍｍの冷間
   圧延珪素鋼板を脱炭後実質的にα−フェライト単相とな
   る温度でＣ≦０．０１ｗｔ％まで脱炭焼鈍することを特
   徴とする板面垂直方向に表面から内部に向かって成長し
   た柱状結晶粒からなる板面垂直方向に〈１００〉軸が高
   密度に集積した磁気特性の優れた珪素鋼板の製造方法。