JPH0324251A - 鉄と珪素とアルミニウムとを含む熱間圧延鋼帯から得られる磁心鋼板 - 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 本発明は立方晶型の組織を有する配向粒子を含む鉄と、
珪素と、アルミニウムとを含む鋼板、すなわち、平面内
で、圧延方向と、圧延方向に直角な方向の２つの方向に
磁化容易方向が有るような２方向性鋼板に関するもので
ある。

従来の技術 無方向性鋼板とよばれる鉄心鋼は交流電流が供給される
回路、特に高出力の回転機械の回路の製造に用いられて
いる。この種の機械では極めて高性能な磁気回路を用い
ることが重要である。

固定子を構或する積層鋼板の効率は２つのパラメータ、
すなわち誘導特性と体積損とによって評価される。

誘導特性は材料の飽和磁化によって決まり、体積損はヒ
ステリシス損とうず電流損とで決まるので、飽和磁化が
大きく且つ鉄損の小さい材料を見付けることが重要であ
る。

鉄の強い磁化は合金元素を添加しても僅かしか減少せず
、純鉄の場合の２．１６テスラは珪素を３．２％添加し
た合金の場合でも２．０テスラにしかならない。しかし
、現在の所、無方向性珪素鋼板が最も優れた材料である
。

珪素の添加によって抵抗率を大きくすることによって鉄
損を減少させることができる。

材料の種類と組成以外の別の重要なパラメータはその結
晶組織（ｔｅｘｔｕｒｅ）である。すなわち、回転機械
では、固定子の積層鋼板は基本的に以下の３つの部分に
分かれている： （１）　　誘導が放射方向を向く歯部 （２）誘導が接線方向を向く固定子の背部（３）誘導が
鋼板の平面内に生じる中間区域。

公知の（１　１０）　［００１］に配向した組織を有す
るゴス（ＧＯＳＳ）　ａＩＩ板またはＧ，Ｏ，　Ｉ板は
大きな異方性を有しているため、この種の用途にあまり
適しておらず、また、ゴス組織の圧延方向の磁気特性を
極端に大きくすると、誘導磁界が圧延方向から外れた時
にこの鋼板の利点が急速に失われる。磁気特性が悪いと
、比磁気損が高くなるだけでなく、圧延方向以外の方向
を飽和磁化させるために大きな振幅の励起磁界を印加し
なければならないため、ジュール効果でコイルが加熱さ
れ、装置寿命を短くしてしまう。

このため、回転機械のメーカは、例外的な場合を除いて
ゴス構造の鋼板は用いずに、配向が基本的に無いノンオ
リエンテッド鋼板すなわち圧延組織の少ない無方向性鋼
板を用いている。

無方向性鋼板すなわちＮ，　０．ｌｉ板は、結晶粒子が
ランダムに分布し、統計的には等方性の挙動を示すので
、圧延面内での異方性は低い。しかし、合金、例えば鉄
と珪素とアルミニウムによって構或される３元合金は、
各結晶粒子内部で原子磁気モーメントを結晶の４つの軸
と平行に保持しようとする大きな結晶性磁気異方性エネ
ルギーを有しているため、磁化容易方向、例えば［１０
０］方向に配向した領域ができる。この領域に隣接した
いわゆるブロッホ（ＢＬＯＣＨ）壁とよばれる壁は、最
も磁化容易な方向に配向するという磁化機構によって移
動するため、無方向性Ｎ．０．鋼板ではこれらの領域中
に磁束が優先的に流れる。

ノンオリエント珪素鋼板は、一般にその比鉄損’ＶＶＩ
５／５０　（５ＱＨｚでのピーク誘導磁界１３＝１．５
テスラでの鉄損をｌｋｇ当たりのワット数で表したもの
）と、テスラで表される誘導磁気Ｂ５。。。（５０００
　Ａ／ｍの励起磁界で誘導される誘導密度）とによって
分類される。ＪＩＳ　（日本工業規格）　　Ｃ２５５２
　（１９８６年〉に収録された最高品質の鋼板の品質は
３５．　Ａ．２３０（厚さｏ．　３５ｍｍＳＷＩ５／５
Ｇ　　≦２．　３０Ｗ／　ｋｇ，　　Ｂｓｏｏ。

≧１．６０Ｔ）である。

フランス国特許出願第２．　３１６，　３３８号には鉄
損が小く、誘導磁気の高いノンオリエント珪素鋼板の製
造方法が記載されている。

この特許に記載の方法は、０．０２０％以下の炭素と、
２．５〜３．５％の珪素と、０．３〜１．５％のアルミ
ニウムとを含み、残りが鉄と不可避不純物からなる熱間
圧延珪素鋼板に適用される。この方法では、中間焼成を
含む少なくとも２段階の冷間圧延後に、最後連続焼成を
することよって最終厚さとすることによって、硫黄と酸
素の含有量を、各々０．００２５％と０．　００５％以
下に制限し、最終冷間圧延によって減縮率を４０〜７０
％としている。なお、上記のパーセンテージは重量濃度
によって表示されている。

この鋼板組底物を用いた場合には下記の結果が得られる
： （１）鉄損ＷＩｓ／５ｏすなわち、５０Ｈｚでのピーク
誘導磁場ｆ３＝１．５テスラでの鉄損は、厚さ０．３５
ｍｍの場合、約ぼ２．３Ｗ／ｋｇ （２）誘導磁気Ｂ５。。。（すなわち５０００　Ａ／ｍ
での誘導密度）は、厚さ０．３５ｍｍの場合、１．７０
テスラ（３）縦方向で測定した相対破断伸びは２６％（
４）横方向で測定した相対破断伸びは２９％。

これらの好ましい特性は、乾燥水素雰囲気下で、９５０
℃以下の温度で中間焼成を実施し、次いで、８２５℃で
脱災し、さらに乾燥水素雰囲気下で１０５０℃で最終焼
成することによって得られる。

同じ組戊のサンプルを用いた比較試験では、同様に脱炭
素化し、最終焼成するが、中間焼成の温度を１０５０℃
にしている。

この場合には、鉄損Ｗ，．，５ｏと誘導磁気８　５０　
０　０はほぼ同じであるが、圧延方向で測定した相対破
断伸びは３％で、横方向で測定した相対破断伸びは１０
％である。

この結果は、上記フランス国特許出願第２，　３１６．
３３８号に記載された組戊の鋼板を用い且つ９５０℃以
上の温度で中間焼成した鋼板は極めて脆弱で、最終厚さ
へ圧延が不可能であるということを示している。

上記フランス国特許第２，　３１６，　３３８号の全て
の実施例で、珪素の比率は２．５〜３．５％であり、ア
ルミニウムの比率は１．５％未満であり、アルミウニム
の比率がこの数値以上となると鋼板が極めて脆弱になる
ということに注目されたい。

従って、この特許から言えることは、アルミニウムの添
加量を増加させると、合金の脆性が極端に増すというこ
とである。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、上記のフランス国特許出願第２．　３
１６．　３３８号とは反対に、アルミウニムの比率を大
きくし、珪素の比率を小さくして上記の欠点を解消した
、いわゆる立方晶構造、すなわち鋼板の平面内で圧延方
向とそれにを横切る横方向の２つの方向に磁化が容易な
、磁気特性、特に振幅が大きい励起磁場中での透磁率お
よび１．５テスラ以上の高いピーク誘導磁界を有する工
業周波数での比鉄損に優れ、しかも、機械的特性が公知
のノンオリエンテッド珪素鋼板に匹敵し得るような、特
に鉄と珪素とアルミニウムとを含む鉄心鋼板を提供する
ことにある。

課題を解決するための手段 本発明の提供する鉄と珪素とアルミニウムとを含む熱間
圧延鋼帯から得られる磁心鋼板は下記重１組成： 珪素３．３％以下 アルミニウム１．５〜８％ マンガン０．２％以下 金属残渣（ニッケル、クロム、モリブデン、チタン、ｗ
４）の合計　０．１％以下 炭素３０　Ｘ　１０−’％以下、硫黄２０　Ｘ　１０−
’％以下、窒素２０　Ｘ　１０−’％以下、酸素２０　
Ｘ　１０−’％以下、燐５０　Ｘ　１０−’％以下残り
は鉄 を有し且つ上記鋼帯が熱間圧延と、中間焼成を介して行
われる２回の冷間圧延と、最林焼成によって製造され、
最後冷間圧延の減縮率が５０〜８０％、好ましくは６０
〜７５％であり、上記鋼帯が立方晶系の結晶構造を有し
且つ結晶粒子の少なくとも４０％がミラー記号での理想
立方晶方向（１００）　［００１］から１５度以上はズ
レていないことを特徴としている。

本発明の磁心鋼板の上記以外の特徴は下記の点にある： （１）　　珪素とアルミニウムの比率の合計が９重量％
以下である。

（２）珪素の含有量は２．５重量％以下が好ましい。

（３）アルミニウムの含有量は１．５〜５重量％の範囲
が好ましい。

（４）中間焼成は、９５０℃以上の温度で１〜５分間連
続的に行われる。

（５）最終焼成は、９５０〜１１００℃の温度で１〜５
分間連続的に行われる。

（６）最終焼成は、１０００〜１１００℃の温度で１〜
５時間静止状態で行われる。

本発明による鉄と珪素とアルミニウムとを含む磁心鋼板
では、上記の立方晶系の結晶構造が、ねじれバランス法
で測定した結晶磁気異方性の最大限界値（Ｍ，）と最小
限界値（ｍ２）が８０００　Ｊ／ｍ’および５６００Ｊ
／ｍ’以上で且つ下記異方性係数：が０．７０以上であ
るような結晶磁気異方特性を有している。

本発明の磁心鋼板は、さらに、磁化容易方向が鋼板の平
面内で、圧延方向と圧延方向に直角な方向とを向いてい
るであることを特徴としている。

作用 添付図面を参照した以下で説明する実験は、本発明の磁
心鋼板の特徴を決めるために行ったものである。

下記の各実施例から分かるように、製造された鋼板の特
性、特にその結晶構造、鉄損、誘導磁界等の特性は、製
造サイクルの各段階で大なり小なり影響される。

これらの実験では、瀾板の最終構造に与える原料インゴ
ット鋼の初期凝固構造の影響をｍ認した。

２つの形のインゴット鋳型を使用した。その１つは平行
六面体であり、もう１つは円筒形である。

これらの形は、連続的鋳造した場合とインゴットを用い
た場合に生じる現象をシミュレーションするためのもの
である。

腐食図を用いた結晶構造分析の結果、上記２つのインゴ
ットは特にはっきりした凝固構造を持たないことが分か
った。また、これら互いに異なる形の２つのインゴット
から得られ′た鋼板の磁気特性は互いに極めて近似して
おり、グレイン粒径も互いに極めて近似しており、イン
ゴットの初期の形状は、各インゴットから熱処理後に得
られる鋼板の構造にほとんど影響を与えないことが分か
った。

上記の原料インゴッ｝Ｉを熱間圧延して厚さが約２．５
ｍｍの鋼板にした後、得られた熱間圧延ストリップを下
記の本発明の加エサイクルで行った；（１）　　脱スケ
ール （２）　　第１回冷間圧延で厚さをｌ　ｍｍにする（３
）　　１０２０℃で２分間、連続中間焼成する（４）第
２回冷間圧延で厚さを０．３５ｍｍにする（５）　　１
０５０℃で３時間、静止状態で最終焼成する。

サンプルの特性は下記の方法で測定した＝（ａ）化学的
分析 （ｂ）結晶粒径の測定は光学的分析 （Ｃ）磁気損失（鉄損）の測定 （ｄ）異方性トルクの測定 異方性トルクはねじれバランス法を用いて測定した。こ
の測定原理は以下の通り： 圧延方向に印を付けた後に、パンチを用いて鋼板から直
径約１５ｍｍの円板を切り出す。次いで、この円板を鉛
直方向の軸を中心として回動可能な水平支持台上に置き
、水平面内の上記の印を付けた圧延方向と一定の角度を
戊す別の方向の外部磁界でサンプルを飽和させる。体積
異方性エネルギーが存在すると、サンプルの円板はトル
クを受けていわゆる磁化容易方向といわれる優先的な方
向の１つに円板の磁化を合わせようとする力が作用する
。

この測定では、上記磁界が圧延方向に対して威す角度を
変えて、円板を固定するのに必要な円板に加えた機械的
トルクを記録する。

このトルクの係数（モジュラス）は、磁化方向と圧延方
向との威す角度の関数であり、これは互いに異なる一連
の２つの極大値Ｍ，とｍ２を有するほぼ正弦曲線となる
。ここで、Ｍ１は最大極限値であり、ｍ２は最小極限値
である。異方性は下記の比によって特徴付けられる： 理想的な異方性の場合にはこの比は１になり、立方品構
造の質が良くなる程Ｍ＋　とｍ２の値が大きくなる。

熱間圧延鋼帯の上記処理サイクルは２回の冷間圧延を含
み、これらの圧延中の減縮率の影響を測定することは結
晶構造の変化状態を特徴付ける上で重要である。この変
化は異方性トルクを測定することによって評価すること
ができる。

最初の冷間圧延によって熱間圧延鋼帯は減縮されて０．
７〜２關の範囲の中間厚さになる。

この最初の冷間圧延後の中間焼成後に磁気結晶異方性ト
ルクを測定することによって、１つまたは複数の磁化容
易方向を知ることができ、異方性トルク曲線の変化から
結晶構造の変化を知ることができる。

第１表は、珪素１．９２％とアルミニウム１．８６％の
組戊の本発明による鋼を表に示した厚さに縮減させた鋼
帯の異方性トルクの測定結果である。

第１表 これらの結果から、第１回の冷間圧延に適した圧延率の
場合には、サンプルが、圧延方向に平行な方向とそれに
直角な方向の２つの方向に磁化容易方向を有する立方晶
構造を有するということが分かった。

第１図は、ｍ２とＭ，とρの変化を中間厚さの関数とし
て示したもので、上記構造は中間厚さが０，７〜１．５
＋ｎｍの範囲では変化に対して極端に敏感ではないが、
この範囲外では劣化するということを示している。

最終構造は本発明の製造サイクルの中間焼成、特にこの
熱処理中の雰囲気の影響を受ける。

厚さｌ　ｍｍでの中間焼成を純粋な乾燥水素雰囲気下で
行い、次いで酸素の割合を変えて行った。

第２表は、中間段階の厚さが１ｍｍ，最終段階での厚さ
が０．３５ｍｍの場合の、最小極限値と最大極限値およ
びそれらに対応する異方性係数の結果を示している（鋼
の組成は珪素１．９２％、アルミニウム１．８６％であ
る）。

第２表 乾燥雰囲気下での熱処理後にρの値が高くなることから
、立方晶構造を得るためには湿った雰囲気は乾燥雰囲気
よりも好ましくないことが分かる。

最終焼成の役目は２回目の冷間圧延によって生じた欠陥
を修復することにあるが、最緯焼成後の鋼板はそのまま
用いられるので、この最終焼成は重要である。すなわち
、最終焼成後の特性は決定的な特性である。

静止状態での最ｇ焼成後に得られる鋼板の特性は２組の
試験によって調べることができる。すなわち、静止状態
での最終焼成時の使用温度と、一定温度に保持する時間
とを変えた実験によって調べることができる。

第３表は、厚さ０．３５ｍｍでの異方性トルクを最終焼
成温度の関数で測定した結果である。

第３表 熱処理温度は異方性曲線にあまり影響を与えないが、第
２図、第３図に示すように、１テスラと１．５テスラの
２つの誘導磁界で測定した磁気損失の実験から、最終焼
成温度が９５０℃以上の場合と１１００℃以下の場合に
は磁気損失が増加することが分かる。

第４図は誘導磁化を最終焼成温度（焼成時間は１時間）
の関数で表したもので、最緯焼成温度が高くなると誘導
磁化が減少することを示している。

上記の磁気損失と誘導磁化の実験から、最終焼成に好ま
しい温度範囲は１０００〜１１００℃であることが分か
る。

第４表は、１０００℃で最終焼威した場合の異方性を時
間の関数で表したものである。

結晶粒径の寸法が鋼板を横断するような大きさになると
その或長が止るので、最終焼成時間はある限界を越える
と異方性の数値に影響えなくなる。

この状態を過ぎると、結晶組織の変化はなくなる。

連続式の場合には中間焼成を９５０℃以上の温度で１〜
５分間行うことができ、最終焼成は同様に９５０〜１０
００℃の温度で１〜５分間行うことができる。

鉄一珪素〜アルミニウム磁心鋼板の製造に用いる合金中
に不可避に入る不純物の中で磁気特性の低下の原因とな
るものは硫黄、炭素、酸素および窒素の４つの元素であ
る。

以下の２つの実施例は、これらの元素の異方性への影響
を示すものである。

実施例１ 処理した鋼板は珪素とアルミニウムを下記の比率で含ん
でいる： （１）珪素：３６３重量％以下、好まし《は２．５重量
％以下、 （２）アルミニウム：１．５〜８重量％の範囲、好まし
くは１，５〜５重量％の範囲、 （３）珪素とアルミニウムとの比率の合計は９重量％以
下。

下記の処理： （１）熱間圧延 （２）打抜き （３）第１の冷間圧延 （４）中間焼成 （５）第２の冷間圧延 （６）最終焼成 によって得られる鋼板の一般的結晶構造は立方晶型で、
その結晶粒子（グレーン）の少なくとも４０％は、ミラ
ー（Ｍｉｌｌｅｒ）記号の理想の立方晶結晶軸（１００
）　［００１］から１５度以上は外れない。

第５表は実施例１の鋼の組成を示している。

第５表 このサンプルを熱間圧延鋼板して中間厚さを１ｍｍに縮
減し、Ｈ２下で１０２０℃で２分間焼成した。

測定された異方性トルクの特性値は下記の通りである： Ｍ，　＝５０００Ｊ／ｍ’　　ｍ２　＝４３００Ｊ／ｍ
’　　ρ＝０．８５この鋼板は異方性がほとんどないが
、立方晶構造を既に有し、最大比はρ＝０．８５である
。

この鋼板を次いで冷間圧延して厚さが０、３５ｍｍのサ
ンプルとし、このサンプルをＨ２下で３時間、１０５０
℃で焼成した。

得られた鋼板の特性を下記の結果から評価した：（１）
ｌテスラ、５０Ｈｚでの鉄損　＝　０．８０　ｗ／ｋｇ
（２）　　１．５テスラ、５０Ｈｚでの鉄損＝　２．０
０　ｗ／ｋｇ（３）連続磁界での誘導磁化 ８００Ａ／ｍ　　：　　１．　５０　Ｔ２５０ＯＡ／＋
＋＋　　：　　１．　６３　Ｔ（４）　　Ｍ＋　＝　９
０００　Ｊ／ｍ’（５）　　ｍ２　＝　６８００　Ｊ／
ｍ’（６）　　ρ＝０．７６ 最終段階で得られたものは強く異方化している。

この鋼板は立方晶に類似した（ρ＝０．７６）明瞭な結
晶構造を有する。この場合、得られた構造は純粋な（１
００）　［０旧コ構造を４６％含む混合物に相当し、残
りは異方性のないものである。中間段階でも、最終段階
でも、磁化容易な方向は圧延方向と圧延方向に直角な方
向と考えられる。

実施例２ 第６表は実施例２で用いた鋼の組成を示している。

第６表 実施例１と同じ操作方法でサンプルを得た。

この場合の異方性トルク特性値と磁気損失は下記の通り
： Ｍ＋　＝１０２００　Ｊ／ｍ’　　ｍ２　＝８３００Ｊ
／ｍ’　　ρ＝ｏ．８１ｌテスラ、５０Ｈｚでの鉄損　
＝　０．７６　ｗ／ｋｇ１．５テスラ、５０ＨＺでの鉄
損＝１．７４　ｗ／ｋｇＢｓｏａ　　＝　１．５２　　
Ｔ，　　　Ｂ２ＳＯＯ＝　１．６４　　７この実施例２
で得られた立方晶構造のパーセンは実施例１より大きく
、鉄損および磁化特性の両方が向上している。

本発明の鋼板は、従来のノンオリエント珪素鋼板よりも
磁気特性が向上し、しかも、現在使用されているノンオ
リエント珪素鋼板に匹敵し得る機械的特性を有している
。

温度の関数で表したものである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）鉄と珪素とアルミニウムとを含む熱間圧延鋼帯か
   ら得られる磁心鋼板において、 下記の重量組成： 珪素３．３％以下 アルミニウム１．５〜８％ マンガン０．２％以下 金属残渣（ニッケル、クロム、モリブデン、チタン、銅
   ）の合計０．１％以下 炭素３０×１０＾−＾４％以下、硫黄２０×１０＾−＾
   ４％以下、窒素２０×１０＾−＾４％以下、酸素２０×
   １０＾−＾４％以下、燐５０×１０＾−＾４％以下残り
   は鉄 を有し且つ上記鋼帯は熱間圧延と、中間焼成を介して行
   われる２回の冷間圧延と、最終焼成によって製造され、
   最後冷間圧延の減縮率が５０〜８０％、好ましくは６０
   〜７５％であり、上記鋼帯は立方晶系の結晶構造を有し
   且つ結晶粒子の少なくとも４０％はミラー記号での理想
   立方晶方向（１００）［００１］から１５度以上はズレ
   ていないことを特徴とする磁心鋼板。
2. （２）珪素とアルミニウムと比率の総和が９重量％以下
   であることを特徴とする請求項１に記載の磁心鋼板。
3. （３）珪素の含有量が２．５重量％以下であることを特
   徴とする請求項１または２に記載の磁心鋼板。
4. （４）アルミニウムの含有量が１．５〜５重量％の範囲
   内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の磁
   心鋼板。
5. （５）上記中間焼成が９５０℃以上の温度で１〜５分間
   連続的に行われることを特徴とする請求項１に記載の磁
   心鋼板。
6. （６）上記最終焼成が９５０〜１１００℃の温度で１〜
   ５分間連続的に行われることを特徴とする請求項１に記
   載の磁心鋼板。
7. （７）上記最終焼成が１０００〜１１００℃の温度で１
   〜５時間静止状態で行われることを特徴とする請求項１
   に記載の磁心鋼板。
8. （８）上記の立方晶系の結晶構造が、ねじれバランス法
   で測定した結晶磁気異方性の最大値（Ｍ＿１）と最小値
   （ｍ＿２）が８０００Ｊ／ｍ＾３および５６００Ｊ／ｍ
   ＾３以上で且つ下記異方性係数： ｐ＝ｍ＿２／Ｍ＿１ が０．７０以上である結晶磁気異方特性を有することを
   特徴とする請求項１に記載の磁心鋼板。
9. （９）磁化容易方向が、鋼板の平面内で、圧延方向と圧
   延方向に直角な方向にあることを特徴とする請求項１に
   記載の磁心鋼板。