JPH02209455A - 磁気特性の優れた珪素鋼板 - 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、変圧器、回転機等の磁心材料として好適な高
磁束密度で低損失な珪素鋼板に関する。

〔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
が用いられている。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Ｈ　０　０）軸を使用磁
界方向に集積させるのが有効とされている。

磁心材料としての珪素鋼板は、一方向性珪素鋼板と無方
向性珪素ｍ板とにも大別され、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
７図（イ）に示すように｛１１０１面が仮面に平行し、
Ｈ　Ｏ　Ｑ）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。したがって電動機、発電機等の
回転機器のような、磁界が仮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。

磁界が仮面内の複数の方向に作用する場合に使用される
のは、第７図（口）〜（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。

これらの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（口）〜（（ニ）に示すように｛１００
）面が板面に平行し、０００＞軸が板面垂直方向に集積
したものである。このような集合組織を持つと、３つの
互いに直交した＜１００＞軸のうち、２つまでが板面に
平行することになる。

板面に平行する２つの＜１００＞軸の集積具合は、用途
によって望まれるものが異なり、例えば板面内の互いに
直交する２方向に磁界が加わるＥＩ型鉄心のような場合
は、第７図（ロ）（ハ）に示す（１００１＜００１＞、
（１００）　　＜０１１＞集合組織のものが好ましく、
これらは特に二方向性珪素鋼板と呼ばれている。また、
板面内のあらゆる方向に磁界が加わるものの場合は、第
７図に）に示す（１００１面内無方向無方向縁のものを
使用するか、もしくは第７図（ロ）（ハ）に示す（１０
０１＜００１）、ｆｌｏｏｌ　　＜０１１＞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
るのが好ましいことになる。

以上のようなことを考慮すると、板面内の全方向もしく
は複数の方向で優れた磁気特性を示す珪素鋼板、すなわ
ち板面垂直方向に＜１００＞軸をもつ珪素鋼板が実用上
は利用価値が最も大きいといえる。

〔発明が解決しようとする課題］ 板面垂直方向に＜１００＞軸をもつ珪素鋼板は、凝固組
織を用いる方法、高温焼鈍による方法、およびγ単相温
度域からの冷却による方法で製造できることが知られて
いる。しかし、これらの方法で得られる珪素鋼板は、板
面垂直方向での＜１００〉軸の集積度が十分でないもの
が多く、また板面垂直方向で（１００＞軸が高密度に集
積していても結晶粒が粗大であったりして、いずれも十
分な磁気特性を示すには至っていない。

本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、板面
内の全方向もしくは複数の方向で優れた磁気特性を示す
珪素鋼板を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 板面内の全方向もしくは複数の方向で優れた磁気特性を
示す珪素鋼板の開発要望に対し、本発明者らは（１００
１集合組織を有する柱状結晶組織からなる珪素鋼板を先
に開発した（特願昭６２２６２９９７号および特願昭６
１−８０１６５号）。

これは、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〈１００〉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Ｔ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８５０〜１１００°Ｃ程度
で、例えば非酸化性の弱脱炭性雰囲気である真空中で焼
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＋Ｔ混合相もしくはγ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５〜１０μｍ深さまでの領域が脱炭
され、この部分のみがα単相となり、内部は微細なα＋
Ｔ混合組織もしくはγ単相組織となる。例えばα＋Ｔ２
相温度域での焼鈍の場合は、第１図の組織略図の（イ）
に示すように、表面のα単相領域の粒は板面垂直方向に
中心軸をもつ柱状粒となる。

このような表面の脱炭層は、弱脱炭性の雰囲気下ではゆ
るやかにしか内部へ成長せず、その間に表面のα柱状粒
のうちの板面垂直方向に〈１００〉軸を持つ結晶粒のみ
が板面平行方向に成長する。

か（して、表層は板面垂直方向に＜１００＞軸が強（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３０〜３００μ
ｍ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＋γ２相域、もしくはＴ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Ｔ→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＋１００）集合組織
とできる。更に粒成長の過程で板面垂直方向の＜ｉｏｏ
＞軸の集積度も向上する。

ところで、（１００１集合組織を有する柱状粒結晶組織
からなる珪素鋼板が優れた磁気特性、すなわち高磁束密
度と低鉄損特性とを示す理由は、次の２点である。

第１は、このような集合組織は板を構成する各結晶粒の
３本の＜１００＞軸のうち２本が板面に平行となる組織
であるため、必然的に５００〜１００００Ａ／ｍの磁化
力における磁束密度が高くなる点である。第２の点は、
結晶粒が５０〜１０００μｍ程度と小さく、磁区か細い
ために渦電流損失が小さく、低鉄損特性を示すことであ
る。

ところが、このような組織構造の珪素鋼板は、５００Ａ
／ｍ以上の磁化力下での磁束密度特性に比較して、それ
未満の磁化力における磁束密度が劣る。すなわち、低磁
化力域での透磁率が低く、これが鉄損中のヒステリシス
損失を大きくし、低鉄損化の障害になっているのである
。

本発明は、この低磁化力域での低透磁率の解消を図るも
のであり、本発明者らによるその原因解明を根拠として
いる。

本発明者らの調査研究によると、低磁化力域での低透磁
率の原因は、（１００）集合組織を有する柱状結晶粒組
織特有の磁区構造に起因したものであることが明らかと
なった。

すなわち、（１００）集合組織では、第２図に示すよう
に、板面に対し垂直方向もしくは水平方向に容易磁化軸
が存在するために、この方向にスピンが整列した磁区を
形成する。特に、板面垂直方向に伸びた柱状結晶粒の場
合、板面垂直方向の磁化に対する反磁場係数が小さくな
るため、この向きの磁区が形成されやすい。低磁化力域
での低透磁率は、この垂直に向いた磁区の存在が主な原
因になっているのである。

低磁化力域での低透磁率の原因がこのような点にあると
すれば、板面に平行な方向の張力を加えると、珪素鋼が
正の磁歪を有することとあいまって、垂直方向の磁区が
減少し、低磁化力域での低透磁率は解消されることにな
る。

本発明の要旨は、Ｓｔを０．１〜６．５　ｗ　ｔ％以下
含んだ鋼板で、結晶粒の＜１００＞軸が板面垂直方向に
集積した集合組織を有し、板面平行方向に０．１〜５　
ｋｇ　／　ｍ＋ｎ　２の張力を有していることを特徴と
する特許 〔作　　用］ 以下に本発明の珪素鋼板を組成、組織、張力等について
詳述する。

ＱＭｉ成 成分のなかでは磁気特性に特に大きな影響を与えるＳｔ
が重要であり、０．　１　ｗ　ｔ％≦Ｓｔ≦６．５ｗｔ
％の含有とする。

すなわち、Ｓｉは電気抵抗値を上げ、鉄損中の渦電流損
失を低減するために、０．　１　ｗ　ｔ％以上の含有と
し、飽和磁束密度の低下防止と脆化防止とから５．　５
　ｗ　ｔ％以下に制限する。好ましくは０．８ｗｔ％以
上、４ｗｔ％以下である。

なお、ＳｉはＴ−α変態に対しては、後述するＭｎとは
逆に脱炭完了後実質的にα単相となる上限温度を上昇さ
せる。

他の元素については次のとおりである。

Ｃ；最終焼鈍において脱炭にともなうγ→α変態を利用
した集合組織制御を行う場合には、最終焼鈍前の段階で
０．０２ｗｔ％以上、好ましくは０。

０　５ｗｔ％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１ｗｔ％以下、好ましくは０。

３ｗｔ％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０．０１ｗｔ％以下、好ましくは０
．００３ｗｔ％以下が望まれる。

Ｍｎ：電気抵抗を増大させ渦電流損失を低下させるため
と、γ−α変態による集合組織制御を行う場合はＴ相温
度域を拡大しγ−｝α変態利用の集合組織制御を容易に
するために、添加が望まれる。

添加する場合は０．０５ｗｔ％以上が好ましり、０。

８ｗｔ％以上がより好ましいが、いずれにしてもαおよ
びＴ２相からなるα単相になる変態温度が脱炭完了後８
５０°Ｃ以上となる量を最大源として添加する。これは
Ｍｎを多量に添加すると、脱炭完了後実質的にα単相と
なる上限温度が低下し、焼鈍温度を極端に低くしなけれ
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５ｗ
ｔ％を超えないようにする。実質的にα単相となるには
ＭｎＳ、ＡｆｆｉＮ等の微量な第二相が存在しても良い
ことを意味する。

Ａｌ：電気抵抗を増大させ、渦電流損失を低下させるた
めに添加することが望まれる。また、製鋼段階で鋼中の
酸素を低減する脱酸剤として添加してもよい。しかし、
多量に添加すると脆化を生じさせ、磁束密度も低下する
ので３ｗｔ％以下、好ましくは１ｗｔ％以下とする。Ｔ
−α変態に対しては、Ｓｔと同様、脱炭完了後実質的に
α単相となる上限温度を上昇させる。

ｃｏ＝飽和磁束密度を増加させるために、所望により添
加する。但し、高価であるために１ｗｔ％以下の添加が
望まれる。

Ｃ，Ｓｔ、Ｍｎ、Ａ／２．Ｃｏ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。なお、Ｎ
はＣと同様の作用を生じるので、積極的に添加してもよ
い。

Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ≦Ｉｗｔ％ Ｃｕ≦Ｑ、　ｌ　ｗ　ｔ％ Ｎ≦０．０１ｗｔ％ ｗ、ｖ、ｓｂ≦１．０％ Ｓ≦０．１　ｗ　ｔ％ Ｓｅ、Ａｓ≦０．０８ｗｔ％ Ｂ≦０．００５ｗｔ％ Ｐ≦０．１ｗｔ％ Ｏ製品板厚 本発明では結晶組織的な面から製品板厚に制限を設ける
必要はない。しかし、Ｔ−α変態による集合組織制御を
行なう場合には、製品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５１Ｗ
１以下とし、より好ましくは０．５胴以下である。下限
は十分に集積した＋１００）集合組織とするため０．０
５ｍｍ以上とするのがよく、より好ましくは０．１５ｍ
ｍ以上である。

０組　織 集合組織 十分な磁気特性確保のため、結晶粒の＜１００〉方向が
板面垂直方向に強く集積した集合組織とする。具体的に
は、板面垂直方向から±５°以内に＜１００＞軸を持つ
結晶粒の存在確率が、集合組織を持たない場合の５倍以
上、より好ましくは１５倍以上である。

結晶粒組織 板の表面から内部に向かって伸びた柱状粒が板厚中心付
近で衝突した組織が望ましく、粒成長を促進させて板厚
方向に貫通した柱状粒組織であってもよい。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
５０μｍ以上、１ｍ以下、より好ましくは０．３５ｍｍ
以下である。

このような組織をもつ珪素鋼板は、Ｔ−α変態による集
合組織制御により工業的に容易に製造することかできる
が、他の方法で製造されてもよく、要は結晶粒の＜ｉｏ
ｏ＞方向が板面垂直方向に上記の如く集積された珪素鋼
板であれば、製造法は問わない。

Ｏ張　力 磁気特性、特に低磁化力域での透磁率改善による磁束密
度特性向上のために、板面と平行方向に０、１　ｋｇ／
ｍｍ”以上、５ｋｇ／ｍｍ２以下の張力を加える。０．
１ｋｇ／ｍｍ”未満では、磁束密度向上に対する効果が
なく、５ｋｇ／ｍｍ”超では、逆に磁気特性が劣化する
。この張力は板面内の一方向に加えても、板面内で等方
的に付加しても良い。（１００）　　＜０１１＞もしく
は（１００）　　＜０１１＞集合組織の場合、板面内に
相直交する２方向に容易磁化方向があるが、２方向のう
ち一方の方向に張力を付加することにより、その方向の
磁気特性を特に向上させ得る。

張力の付加方法に特に制限はなく、例えば磁心を組み立
てる最に機械的に張力を加える、もしくは鋼板の製造過
程の絶縁被膜形成時に、鋼板と絶縁被膜の熱膨張係数の
差を利用して張力を加えるなどの方法が適宜採用される
。

○　製造方法 張力付加の対象となる珪素鋼板の代表的な製造法は、γ
−α変態による集合組織制御であり、以下のとおりであ
る。下記製造法により、本発明の珪素鋼板として特に適
した板面から内部に向かって成長した柱状結晶粒をもつ
板材が工業的規模で容易に得られる。

ストリップ製造 圧下率１０％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。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挟むことを阻げない。

連続鋳造による方法以外には、例えば５０胴以下の板厚
に直接凝固させた薄スラブもしくは溶湯超急冷法により
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５０
０°Ｃ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＋γ２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単相の柱状粒組織が得られる。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−’Ｔｏｒｒ以
下の真空中もしくは露点Ｏ°以下のＨ，、ＨｅＮｅ、Ｎ
ｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎ、Ｎｚの１種または２種以上の雰
囲気中で、８５０°Ｃ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１〜４８時間程度である。

次いで、強脱炭性の雰囲気、例えば露点０°Ｃ以上のＨ
２中もしくは露点Ｏ′Ｃ以上のＨ２に不活性ガスまたは
ｃｏ、ｃｏ２を添加したガス中で、６５０〜９００°Ｃ
の温度で焼鈍し、仮表層部に形成したα単相域を板肉部
に向かって成長させる。焼鈍時間は好ましくは５分〜２
０時間程度である。

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 表面には絶縁被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。このコーティングで鋼板に板面平行方向の張力を
付加できることは、前述したとおりである。

〔実施例〕

以下に本発明を実施例について詳述する。

第１表にＡで示すＳｉ３％、Ｍｎ０１５％の（１００１
＜００１）型集合組織を持ツＱ、　３５　ｍ厚さの鋼板
を次の方法で製造した。

まず、表ＩＡの組成に０．０７％のＣを加えた鋼塊を真
空溶製により作製し、その後、１１００°Ｃの温度に加
熱した後、熱間圧延して３胴厚の板とした。次に、この
板を冷間圧延により１　ｍｍ厚の板とした後、８５０°
Ｃで３分間焼鈍し、さらに最終板厚まで冷間圧延した。

この板に真空中で９５０’ＣＸ　５　ｈの焼鈍を施し、
最後にＣを除去するため、水蒸気を含む水素中にて８５
０°ＣＸ３０ｍ１ｎの焼鈍を行った。この焼鈍により炭
素量は０．００１％以下になっていた。

製造された鋼板を形成する結晶粒が板面垂直方向から±
５°以内に＜１００＞軸を持つ確率は、集合組織を持た
ないものの約５０倍であった。結晶粒組織は第３図のよ
うに直径約２００μｍの柱状粒組織である。この鋼板か
ら圧延方向に１０ｃｍ幅方向に３ｃｍの長方形の試料を
切り出し、単板磁化測定器を用いて圧延方向に張力を付
加しながら、圧延方向の磁化特性を測定した。また、同
じ試料を化学研磨によって薄くし、それについても上記
と同様な測定を行った。結果を第４〜６図に示す。

第４〜６図のＷ□７．でｎは測定時の磁束密度を０、　
Ｉ　Ｔｅ５ｌａ単位で表わし、ｍは測定用周波数を表わ
す。

第４図かられかるように、板面平行方向の張力付加によ
り特に低磁力域での磁束密度特性が向上し、その効果は
張力が０．１　ｋｇ／ｍｍ”以上で表れ、０、２　ｋｇ
／ｍｍ”以上で顕著になる。また、第５図〜第７図から
は、張力付加により鉄損特性も向上することもわかる。

張力付加によって鉄損特性が向上するのは、低磁化力域
での磁束密度が大きくなることによってヒステリシス損
失が低減されること、及び磁区が細分化されて渦電流損
失も低減するためである。ただし、前者の効果が大きい
。

なお、第６図には６ｋｇ／ｍｍ”の張力付加時に鉄損特
性が悪化した結果が示されているが、これは、過大な張
力付加により内部に過剰な歪がはいり、これが磁歪の存
在とあいまって磁化をさまたげるためである。

第１表にＢ〜■で示される組成で、種々の集合組織を有
する鋼板を上記と同様の方法で製造し、各鋼板にリン酸
（塩）を主体とするコーテイング液を塗布し、８００°
Ｃで焼鈍して絶縁被膜を付加し、冷却時の鋼板と絶縁被
膜の熱収縮の差を利用することにより、各鋼板に約１ｋ
ｇ／ｍｍ２の板面内等方的な張力を付加した。各鋼板か
ら１０ｃｍＸ３ｃｍの長方形試料を切り出し、単板磁化
測定器を用いて、長手方向の磁化特性を測定した結果を
第２表に示す。この表で（１００＞軸密度と記している
ものは、結晶粒が板面垂直方向から±５゛以内に＜１０
０＞軸を持つ確率を、集合組織を持たないものの確率で
割ったものを意味し、（１００１集合組織への集積度を
示すものである。

第２表からも明らかなように、板面平行方向の張力付加
により、低磁場下での磁束密度が上昇し、且つ鉄損値が
顕著に低下する。

〔発明の効果〕

本発明の珪素鋼板は、高磁化力域は勿論のこと、低磁化
力域でも優れた磁束密度特性を示し、しかも鉄損特性に
著しく優れる。したがって、変圧器、回転機等の磁心材
料に使用して、その特性向上、小型化等に大きく貢献し
得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の珪素鋼板の組織略図、第４図
〜第７図は張力と磁気特性との関係を示すグラフ、第８
図は結晶方位の説明図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｓｉを０．１〜６．５ｗｔ％含んだ鋼板で、結晶粒
   の〈１００〉軸が板面垂直方向に集積した集合組織を有
   し、板面平行方向に０．１〜５ｋｇ／ｍｍ＾２の張力を
   有していることを特徴とする磁気特性の優れた珪素鋼板
   。