JPH0645881B2 - 連続処理ラインにおける鋼板の浸珪処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、連続処理ラインにおける鋼板の浸珪処理方法
に関する。

〔従来の技術及びその問題点〕

被処理材に対し金属、セラミック等をコーティングする
方法として化学気相蒸着（以下ＣＶＤと称す。）法が知
られている。このＣＶＤ法は雰囲気ガス（反応ガス＋キ
ャリアガス）を加熱した被処理材表面に供給し、反応ガ
スを、被処理材表面に接触させ、化学反応によりガス中
の成分を被処理材表面に析出させものである。この方法
は選択できるコーティング材及び被処理材の種類が多様
で、しかもコーティングの密着性、つきまわり性に優れ
る等多くの利点を有しており、近年広い分野で利用され
るようになってきた。

従来、このＣＶＤ法により鋼板にＳｉを富化（浸珪処
理）し、高珪素鋼板を得る方法が知られている。しか
し、このＣＶＤ法はＳｉの蒸着速度が小さいため処理時
間がかかり、鋼帯連続処理ラインに適用した場合、処理
炉が長大なものとなってしまうという問題があり、加え
て、ＣＶＤ法では蒸着膜厚が不均一になり易く、特に連
続ラインではこの傾向がより大きくなるという問題があ
り、このためＣＶＤ法を高珪素鋼板の連続製造ラインに
適用することは事実上困難であった。

本発明はこのような問題に鑑み、連続ラインにおける鋼
板の浸珪処理をラインの長大化や蒸着膜厚の不均一化等
の問題を生ぜしめることなく行うことができる方法を提
供せんとするものである。

〔問題点を解決するための手段及び実施例〕

本発明者等は、従来の鋼板の浸珪処理における蒸着速度
及び蒸着膜厚の不均一性について検討を加えた。この結
果、これらの問題が被処理材の反応界面におけるガスの
流動性に深くかかわっていることを見い出した。すなわ
ち従来では、ＣＶＤ処理で雰囲気ガスを大きく流動させ
ると、蒸着ムラが発生する、蒸着層での気孔の発生或い
は層内への気泡の混入がある、さらには蒸着層の純度も
低下する等とされ、このためガス流動は必要最小限にと
どめるという考え方が定着していた。しかし本発明者等
の研究では、このようにガス流動が抑えられる結果、逆
に反応ガスの被処理材界面への拡散移動、及び反応副生
成物（反応生成ガス）の界面表層からの離脱がスムーズ
に行われず、このため処理に長時間を要すること、ま
た、ガス流動が抑えられるため処理室内の反応ガス濃度
に分布を生じ、この結果蒸着膜厚が不均一になることが
判った。

そして、このような事実に基づきさらに検討を加えた結
果、ＣＶＤ処理室において吹付ノズルにより雰囲気ガス
を特定の条件で鋼板面に吹き付けることにより、高い蒸
着速度でしかも蒸着膜の不均一化を抑えつつ浸珪処理で
きることを見出した。このため本発明は、鋼板を化学気
相蒸着処理室を通過させて珪素化合物と鋼板との反応に
より浸珪処理する、連続ラインにおける鋼板の浸珪処理
方法において、化学気相蒸着処理室内において、吹付ノ
ズルにより、雰囲気ガスを鋼板面に対して斜め方向から
吹き付けることをその基本的特徴とする。

このようにして特定の条件でガス吹付を行うことによ
り、高い蒸着速度でしかも蒸着膜厚の不均一化を抑えつ
つ、鋼板に目的とする蒸着膜を形成することができる。
一般に、雰囲気ガスは５Nm/sec以下の流速で鋼板面に吹
付けられる。

このような本発明法によれば、例えば雰囲気ガス中に反
応ガスとしてＳｉＣl₄を含有させ、この雰囲気ガスで鋼
板を処理することにより、鋼板に均一且つ効率的にＳｉ
を富化することができる。

以下本発明の詳細を説明する。

鋼板の浸珪処理では、反応ガスとしてＳｉＣl₄等のハロ
ゲン化物が用いられ、次のような反応によりＳｉが鋼板
面に蒸着する。

5Fe+SiCl₄→Fe₃Si+2FeCl₂↑ すなわち、この反応ではＦｅと反応ガス中のＳｉとが鋼
板表面で置換することで、Ｓｉが鋼中に取り込まれる。
これは置換型ＣＶＤ反応と呼ばれるもので、鋼板表面す
なわち固体側からＦｅＣl₂が気体（反応生成ガス）とし
て発生する。一般にＣＶＤ反応と呼ばれているものの多
くは、気相中でのガスの反応によって生成（析出）した
ものが基板面に付着するものであり、この反応の場合の
副生成物（反応生成ガス）は気相中で生じ、固体側から
発生するものではない。このように、鋼板の浸珪処理の
ような置換型ＣＶＤ反応を伴う処理においては、反応生
成ガスが固体側から生じるという点で、一般に知られた
ＣＶＤ反応とは異なる反応生成ガスの生成挙動を示す。

そして、このような置換型ＣＶＤ反応では、反応ガスを
含む雰囲気ガスを鋼板表面に次々に供給し、且つ反応生
成ガス（ＦｅＣl₂等）を反応界面から速やかに離脱させ
ることが反応を促進させる上で極めて重要である。

この意味で、鋼板面に吹付ノズルによって雰囲気ガスを
吹き付けることは、反応界面への反応ガスの供給と反応
生成ガスの反応界面からの離脱を促進することができう
という利点がある。

しかし、同じく吹付ノズルにより雰囲気ガスを鋼板面に
吹き付ける場合でも、その吹付方法により上記の作用効
果に大きな差を生じる。第６図(a)、(b)は雰囲気ガスを
吹付ノズル３から鋼板面に垂直に吹き付けた場合（第６
図(a)）と、同じく斜め方向から吹き付けた場合（第６
図(b)）におけるガスの流れを模式的に示したものであ
る。

これによれば、第６図(a)のように吹付ノズル３から鋼
板面に垂直にガス（反応ガス：ＳｉＣl₄）を吹き付けた
場合には、ノズル直下の鋼板面上に雰囲気ガス噴流の澱
み部が形成され、その上流側から次々供給される雰囲気
ガスが、鋼板面から発生する反応生成ガス（ＦｅＣl₂）
を押さえ込む形となるため、反応生成ガスの逃げ場がな
くなり、反応界面からの離脱ができなくなる。このた
め、その部分での反応が進まなくなる。またこのため、
ノズル直下部分でのＳｉ富化量がその周辺部に較べて極
端に不足し、その部分で大きなＳｉ濃度勾配を生じ、特
に濃度勾配が急になる部分が収縮変形するという問題も
生じる。

これに対し、第６図(b)のように雰囲気ガスを鋼板面に
対して斜め方向から吹き付けた場合には、第６図(a)の
ようなガスの澱みが生じないため、反応生成ガスは鋼板
面から極めてスムーズに離脱することができ、このため
反応が非常に促進され、大きな処理速度を得ることがで
きる。また、この方法では常に濃度一定の新鮮な反応ガ
スが反応面に供給され、反応生成ガスの反応界面からの
離脱もスムーズになされるため、反応ガス濃度分布によ
る蒸着膜厚の不均一化という問題を生じることがなく、
また特に、ノイズ直下近傍部で上記のような大きなＳｉ
濃度勾配が生じるようなことがないため、急激なＳｉ濃
度分布による収縮変形という問題を生じることもない。

以上のような理由から、本発明では吹付ノズルにより、
雰囲気ガスを鋼板面に対して斜め方向から吹き付けるこ
とを要件とする。

第１図は、本発明法による鋼帯の浸珪処理状況を示すも
ので、１は加熱炉、２はＣＶＤ処理炉、３は該ＣＶＤ処
理炉内に配置された吹付ノズルである。この吹付ノズル
３は、第２図に示すように鋼板面に対して斜め方向から
雰囲気ガスを吹き付ける。

鋼帯Ｓは加熱炉１でＣＶＤ処理温度またはその近傍温度
まで加熱され、引き続きＣＶＤ処理炉２内に連続的に導
入される。このＣＶＤ処理炉２内では、吹付ノズル３に
より、第２図に示すように鋼帯両面に斜め方向から反応
ガスを含む雰囲気ガスが吹き付けられ、浸珪処理がなさ
れる。

第３図は、以上のような連続ラインによりＳｉ蒸着処理
を行った場合の、雰囲気ガス（ＳｉＣl₄＋キャリアガ
ス）の流速（鋼帯衝突時の流速）とＳｉ蒸着速度との関
係を調べたものである。この場合のＳｉ蒸着速度増分と
は、ノズル吹付を行わない場合のＳｉ蒸着速度を零と
し、その差分の蒸着速度を示している。なお、ここでＳ
ｉ蒸着速度とは、母材1gについて単位時間（1min）当り
何molのＳｉ原子が蒸着されたかを示している。同図か
ら判るように、本発明法に従い吹付ノズルから雰囲気ガ
スを鋼板面に対して吹き付けることによりＳｉ蒸着速度
が顕著に増加している。なお、同図に示すようにＳｉ蒸
着速度はガスの鋼帯表面に対する衝突流速の増大に比例
して大きくなるが、流速を過剰に大きくしても界面にお
ける反応律速となるためそれ以上のＳｉ富化効果は期待
できない。一般的には、５Nm/sec以下の流速で十分な効
果が得られる。

次に、吹付ノズル３によって鋼板面に斜め方向から雰囲
気ガスを吹き付けることによる作用効果を、具体例を挙
げて説明する。

第７図は、第６図(a)に示すように吹付ノズル３から鋼
板面に対して垂直に雰囲気ガスを吹き付けた場合におけ
る鋼板面のＳｉ富化量の一例を示したもので、略1150℃
に加熱された鋼板面に約４０mm離れたノズル（スリット
ノズル）から雰囲気ガス（ＳｉＣl₄濃度１５％、残部
N₂）を吹き付ける処理を行い、処理時間0.5分、1.0分、
3.0分の各場合について、ノズル直下およびその周辺の
鋼板面でのＳｉ富化量を調べたものである。

第７図によれば、第６図(a)の説明で述べたようにノズ
ル直下での反応生成ガスの離脱が阻害されるため、その
部分でのＳｉ富化量が極端に不足し、凹状のＳｉ富化分
布となっており、十分な処理速度が得られていないこと
が判る。また、このように極端なＳｉ濃度分布を生じる
と、濃度勾配が特に急になる部分が収縮変形するという
問題も生じる。

一方、第８図は、第６図(b)に示すように鋼板面に斜め
方向から雰囲気ガスを吹き付けた場合における鋼板面の
Ｓｉ富化量の一例を示したもので、その処理条件は上記
の第７図の場合と同じ（但し、処理時間：３分）であ
る。なお、図中の数値は鋼板面の垂線に対するガス吹付
方向の傾き角度を示している。第７図と比較して判るよ
うに、鋼板面に対して斜め方向からガスを吹き付けるこ
とにより、反応生成ガスの離脱が極めてスムーズになさ
れ、第７図のような極端なＳｉ濃度分布もなく、反応が
円滑に生じ、大きな処理速度が得られていることが判
る。また、急激なＳｉ濃度勾配を生じないため、上述し
たような収縮変形を生じる恐れもない。

なお、本発明はコイル化された鋼帯の連続ＣＶＤ処理に
限らず単品のＣＶＤ処理にも適用でき、この場合には、
これら材料をベルト等により連続的に移動させ、その途
中でＣＶＤ処理する。

〔実施例〕

小型のＣＶＤ処理炉−拡散処理炉を用い、本発明法（吹
付ノズルで雰囲気ガスを鋼板面に対して斜め方向から吹
き付ける方法）及び比較法（ノズル吹付を行わずＣＶＤ
処理を行う方法）により、通常の成分の冷延鋼帯にＳｉ
を蒸着させるＣＶＤ処理を施した後、拡散熱処理を施
し、高珪素鋼帯を製造した。第４図は雰囲気ガス中のＳ
ｉＣl₄濃度と鋼帯中Ｓｉの富化割合との関係、第５図は
ＣＶＤ処理温度と鋼帯中Ｓｉの富化割合との関係を示す
もので、図中Ａが本発明法（鋼帯面でのガス衝突流速0.
5m/s）、Ｂが比較法によるものを示している。なお、Ｓ
ｉ富化割合とは、母材当初のＳｉ濃度に対するＣＶＤ処
理−拡散熱処理後のＳｉ増加分を意味している。

これら図面から判るように、雰囲気ガス中で単に鋼帯を
通板させるだけの比較法に較べ、本発明法に従ってノズ
ル吹付を行った場合、格段に優れたＳｉ富化効果（＝蒸
着速度）が得られている。

〔発明の効果〕

以上述べた本発明によれば、鋼板面上でガスの澱みが生
じないため、反応生成ガスが鋼板面から極めてスムーズ
に離脱することができ、このため反応が非常に促進さ
れ、大きな処理速度を得ることができる。また、この方
法では常に濃度一定の新鮮な反応ガスが反応面に供給さ
れ、反応生成ガスの反応界面からの離脱もスムーズにな
されるため、反応ガス濃度分布による蒸着膜厚の不均一
化という問題を生じることがなく、また特に、ノズル直
下近傍部で上記のような大きなＳｉ濃度勾配が生じるよ
うなことがないため、急激なＳｉ濃度分布による収縮変
形という問題を生じることもない。以上のことから品質
の優れた珪素鋼板を連続ラインにより能率的に製造する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施状況を示す説明図である。第２
図は吹付ノズルによる吹付方法を示す説明図である。第
３図は本発明法における雰囲気ガス流速とＳｉ蒸着速度
との関係を示すものである。第４図は雰囲気ガス中のＳ
ｉＣl₄濃度と鋼帯中Ｓｉ富化割合との関係を、本発明法
と比較法について示すものである。第５図は、ＣＶＤ処
理温度と鋼板中Ｓｉの富化割合との関係を、本発明法と
比較法について示すものである。第６図(a)、(b)は雰囲
気ガスを吹付ノズルから鋼板面に垂直に吹き付けた場合
と、同じく斜め方向から吹き付けた場合におけるガスの
流れを模式的に示した説明図である。第７図は、吹付ノ
ズルから鋼板面に対して垂直に雰囲気ガスを吹き付けた
場合における鋼板面のＳｉ富化量の一例を示した説明図
である。第８図は、吹付ノズルにより鋼板面に斜め方向
から雰囲気ガスを吹き付けた場合における鋼板面のＳｉ
富化量の一例を示した説明図である。 図において、１は加熱炉、２はＣＶＤ処理炉、３は吹付
ノズル、Ｓは鋼帯である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−104659（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−170842（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−99962（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−89717（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−37340（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】鋼板を化学気相蒸着処理室を通過させて珪
   素化合物と鋼板との反応により浸珪処理する、連続ライ
   ンにおける鋼板の浸珪処理方法において、化学気相蒸着
   処理室内において、吹付ノズルにより、雰囲気ガスを鋼
   板面に対して斜め方向から吹き付けることを特徴とする
   連続処理ラインにおける鋼板の浸珪処理方法。