JPH08283956A - 低鉄損一方向性珪素鋼板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来以上の張力付与が可能なほう酸アルミニ
ウム被膜が密着性良く形成され、鉄損を低減した一方向
性珪素鋼板を提供する。特に鏡面化鋼板に対しても良好
な密着性を保持するための被膜／下地界面の構造を提供
する。 【構成】 良好な密着性を得るための界面の中間層とし
て、焼き付け工程において生成した酸化珪素、または
酸化珪素と他酸化物との複酸化物、鉄−珪素系複酸化
物、鉄−ほう素系複酸化物、が存在することを特徴と
する。ここで、張力被膜はほう酸アルミニウム質であ
り、下地鋼板はフォルステライト質の１次被膜の有無を
問わない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は密着性に優れ、鋼板に対
して大きな張力を付与する被膜を表面に有することによ
って鉄損が低減した一方向性珪素鋼板を提供するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】一方向性珪素鋼板は、（１１０）〔００
１〕を主方位とする結晶組織を有し、磁気鉄芯材料とし
て多用されており、特にエネルギーロスを少なくするた
めに鉄損の小さい材料が求められている。一方向性珪素
鋼板の鉄損を低減する手段としては、仕上げ焼鈍後の鋼
板表面にレーザービームを照射して局部的な歪を与え、
それによって磁区を細分化する方法が特開昭５８−２６
４０５号公報に開示されている。また、鉄芯加工後の歪
取り焼鈍（応力除去焼鈍）を施した後もその効果が消失
しない磁区細分化手段が、たとえば特開昭６２−８６１
７５号公報に開示されている。

【０００３】一方で、鉄および珪素を含有する鉄合金は
結晶磁気異方性が大きいため、外部張力を付加すると磁
区の細分化が起こり、鉄損の主要素である渦電流損失を
低下させることができる。したがって、５％以下の珪素
を含有する一方向性珪素鋼板の鉄損の低減には鋼板に張
力を付与することが有効であり、１．５kgf/mm² 程度ま
での張力付与によって効果的に鉄損が低減できることが
知られている。この張力は、通常、表面に形成された被
膜によって付与される。

【０００４】従来、一方向性珪素鋼板には、仕上げ焼鈍
工程で、鋼板表面の酸化物と焼鈍分離剤とが反応して生
成するフォルステライトを主体とする１次被膜、および
特開昭４８−３９３３８号公報等に開示されたコロイド
状シリカとりん酸塩とを主体とするコーティング液を焼
き付けることによって生成する２次被膜の２層の被膜に
よって板厚０．２３mmの場合で１．０kgf/mm² 程度の張
力が付与されている。したがって、これら現行被膜の場
合、より大きな張力付与による鉄損改善の余地は残され
ているものの、被膜を厚くすることによる付与張力の増
加は占積率の低下をもたらすため好ましくない。

【０００５】また、一方向性珪素鋼板の鉄損を改善する
もう１つの方法として、仕上げ焼鈍後の鋼板表面の凹凸
や表面近傍の内部酸化層を除去して鏡面仕上げを行い、
その表面に金属メッキを施す方法が、特公昭５２−２４
４９９号公報に、さらにその表面に張力被膜を形成する
方法が、例えば特公昭５６−４１５０号公報、特開昭６
１−２０１７３２号公報、特公昭６３−５４７６７号公
報、特開平２−２１３４８３号公報等に開示されてい
る。これらの場合においても、被膜による鋼板への張力
付与の大きい方が鉄損改善効果が大きい。

【０００６】これらのことから、密着性に優れ、薄く
て、鋼板により大きな張力が付与できる被膜が望まれて
いた。鏡面化仕上げを行った鋼板への高張力被膜の形成
方法として、例えば特公昭５６−４１５０号公報、特開
昭６１−２０１７３２号公報、特公昭６３−５４７６７
号公報、特開平２−２１３４８３号公報等には真空蒸
着、化学蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング
等による被膜形成方法が、また特開平２−２４３７７０
号公報、特開平３−１３０３７６号公報にはゾル・ゲル
法による被膜形成方法が開示されている。また、発明者
らはゾル・ゲル法等により形成したほう酸アルミニウ
ム、あるいはほう酸アルミニウムと非晶質酸化物とを含
有する高張力付与型の絶縁被膜を提案してきており、こ
の被膜を形成した一方向性珪素鋼板は著しい低鉄損化が
達成されている。

【０００７】しかしながら、これらの被膜形成方法のう
ち蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング法等の
場合、被膜と鋼板とはかなり良好な密着性が得られるも
のの大量生産向きではなく、またゾル・ゲル法では特に
鏡面化した鋼板に対して被膜を形成する場合、焼き付け
時、あるいはゲル化、乾燥等の工程で剥離が生じたりす
る場合が多く、密着性の高い被膜を形成することは困難
であり、特に被膜張力が大きくなるほど密着性の確保が
より重要な技術課題となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこれら従来技
術における問題点を解決し、量産化が可能な方法により
形成された密着性の高い被膜によって鉄損値が低減され
た一方向性珪素鋼板、および特に鏡面化された鋼板であ
っても密着性に優れ、高い張力を付与できる被膜を有す
る鉄損の低い一方向性珪素鋼板を提供することを目的と
する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、２次再結晶が
完了した一方向性珪素鋼板表面に、フォルステライト質
の１次被膜、焼き付け工程において生成した酸化珪素、
または酸化珪素と他酸化物との複酸化物よりなる中間
層、および最表面のほう酸アルミニウム質被膜の３層の
被膜を有する低鉄損一方向性珪素鋼板を要旨とする。

【００１０】また、本発明は２次再結晶が完了した一方
向性珪素鋼板表面に、焼き付け工程において生成した酸
化珪素、または鉄−珪素系複酸化物よりなる中間層、お
よび最表面のほう酸アルミニウム質被膜の２層の被膜を
有する低鉄損一方向性珪素鋼板を要旨とする。さらに、
２次再結晶が完了した一方向性珪素鋼板表面に、焼き付
け工程において生成した鉄−ほう素系複酸化物よりなる
中間層、および最表面のほう酸アルミニウム質被膜の２
層の被膜を有する低鉄損一方向性珪素鋼板を要旨とす
る。

【００１１】

【作用】以下本発明を詳細に説明する。請求項１の鋼板
は、フォルステライト質の１次被膜、酸化珪素、または
酸化珪素と他酸化物との複酸化物よりなる中間層、およ
びその表面のほう酸アルミニウム被膜の３層から構成さ
れる複合被膜を有する。このうち、中間層、およびほう
酸アルミニウム被膜の２層の複合被膜が主として鋼板に
張力を付与している。これらの被膜は一体となって鋼板
に張力を付与しておりその役割を明確に区別することは
できないが、おおよその機能分担としては最外層のほう
酸アルミニウム質被膜が張力の付与を、中間層がほう酸
アルミニウム質被膜と母材鋼板との密着性を向上させる
ためのものである。

【００１２】したがってこのうちのいずれかの層に欠落
していても密着性の高い張力被膜は形成できない。ここ
で、本発明の２層被膜は、必ずしも明確な２層となって
いる必要はなく、１次被膜、あるいは下地鋼板との界面
近傍に酸化珪素、または酸化珪素と他酸化物との複酸化
物である中間層が存在することにより、本発明の効果が
得られる。

【００１３】本発明の鋼板最表面に形成されたほう酸ア
ルミニウム被膜は、鋼板へ大きな張力を付与することで
鉄損を著しく改善することを発明者らはすでに確認して
いる。一般に、ほう酸アルミニウムとよばれるＡｌ₂ Ｏ
₃ −Ｂ₂ Ｏ₃ 系酸化物には、結晶質として９Ａｌ₂ Ｏ₃
・２Ｂ₂ Ｏ₃ ，２Ａｌ₂ Ｏ₃ ・Ｂ₂ Ｏ₃ の２つの平衡化
合物が存在し、鋼板への張力付与に極めて効果的であ
る。

【００１４】しかしながらほう酸アルミニウムは、製造
条件によっては前述の２つの平衡相以外の、両者の中間
組成、あるいはその近傍の組成をとる場合がある。これ
は、２つの平衡相が同じ結晶構造を持ち、格子定数がほ
ぼ同じであるため、Ａｌ，Ｂの各イオンサイト間で容易
に置換が生じ、準安定相を形成するためであると考えて
いる。

【００１５】このような準安定相を形成する組成比とし
て、Ａｌ_X Ｂ_Y Ｏ_3(X+Y)/2で表記した場合に０．１≦
（Ｙ／Ｘ）≦５の範囲であることを見いだし、このいず
れであっても全く問題がなく、効果的に張力が付与でき
ることを確認した。このうち特に張力付与に効果的な組
成として、０．１≦（Ｙ／Ｘ）≦２が好ましく、より好
ましくは０．２≦（Ｙ／Ｘ）≦１の組成範囲である。こ
れらのほう酸アルミニウムは、通常、組成とはあまり関
係なく数nm〜数十nm以上の結晶子サイズとなる場合が多
く、大きな張力付与のためには結晶質であることが好ま
しい。

【００１６】ここでいう結晶子サイズとは、結晶そのも
のの大きさであり、被膜を構成する粒子の大きさとは本
質的に異なる。これは、粒子が必ずしも単一の結晶から
構成されているわけでなく、細かい結晶の集合体である
場合が多いためであり、結晶個々の大きさを結晶子サイ
ズと呼んで区別している。

【００１７】一方で、ほう酸アルミニウムが十分な結晶
性を有しておらず、非晶質に近い状態であった場合、鋼
板への付与張力は結晶質であった場合と比較して低下す
るものの、従来被膜と比較してはるかに大きな張力付与
が可能であるため、本発明の表面被膜の態様として特に
支障なく用いられる。

【００１８】一方、中間層として生成する酸化珪素、ま
たは酸化珪素と他酸化物との複酸化物としてはＳｉ
Ｏ₂ ，Ｆｅ−Ｓｉ系酸化物、およびＦｅ−Ｓｉ系酸化物
のＦｅの位置にＭｇが置換固溶したもの等がある。Ｆｅ
−Ｓｉ系酸化物にはＦｅとＳｉとの量比によっていくつ
かの結晶質が存在するが、本発明の複酸化物としてはこ
のうちのいずれであっても全く支障がない。

【００１９】さらに、この複酸化物は必ずしも結晶質で
ある必要はなく、結晶が生成する前段階としての非晶
質、あるいはガラス的なものであっても一向に差し支え
ない。特に、ＳｉＯ₂ 中間層は、通常非晶質、あるいは
ガラス状態で生成する。

【００２０】これらの複酸化物は焼き付け工程において
鋼板成分のＳｉ、あるいはＦｅ−Ｓｉ合金の酸化によっ
て生成し、さらには表面に生成しているフォルステライ
ト質の１次被膜との反応によって生成する。ほう酸アル
ミニウム質被膜は上述の如く鋼板に十分な張力を付与で
きるため、１次被膜の上から重ねて被膜を形成すること
によって鉄損値を大幅に低減することができる。

【００２１】本発明の請求項２の低鉄損一方向性珪素鋼
板は焼き付け工程において生成した酸化珪素、または鉄
−珪素系複酸化物よりなる中間層、およびその表面のほ
う酸アルミニウム質被膜の２層から構成される複合被
膜、請求項３の低鉄損一方向性珪素鋼板は焼き付け工程
において生成した鉄−ほう素系複酸化物よりなる中間
層、およびその表面のほう酸アルミニウム質被膜の２層
から構成される複合被膜を２次再結晶完了した鋼板表面
に有するものである。

【００２２】この被膜を有する鋼板は仕上げ焼鈍時に生
成するグラス被膜を何らかの方法で除去したもの、ある
いはグラス被膜が生成しないような条件で仕上げ焼鈍を
行って得た鋼板、あるいはこれらに必要に応じて表面を
平滑化、あるいは鏡面化した鋼板に複合被膜を形成した
ものである。

【００２３】これらの鋼板が著しく低い鉄損値となるこ
とはすでに述べたとおりである。この場合、外層に形成
される被膜は第１の鋼板と同様のほう酸アルミニウム質
被膜であるが、主として密着性向上に寄与する中間層は
酸化珪素、鉄−珪素系複酸化物、または鉄−ほう素系複
酸化物である。

【００２４】鉄−珪素系複酸化物には上述の通りいくつ
かの結晶質化合物が存在し、また場合によっては結晶質
でないこともあるが、本請求項においてもこのうちのい
ずれであっても全く支障がない。さらに請求項１と同
様、本請求項においても２層被膜が必しも完全な２層と
なっている必要はなく、鋼板との界面近傍にこれらの中
間層が存在することで本発明の効果が得られる。

【００２５】一方、請求項３の鉄−ほう素系複酸化物よ
りなる中間層は鋼板中成分である鉄と被膜形成成分であ
るほう素との反応によって形成される。代表的な鉄−ほ
う素系複合酸化物としてはほう酸鉄がある。ほう酸鉄も
鉄とほう素との量比によっていくつかの結晶質が存在す
るが、本発明のほう酸鉄はこのうちのいずれであっても
全く支障がない。

【００２６】一方向性珪素鋼板の代表的な張力被膜形成
温度である８００℃程度の焼き付けにおいては、通常、
Ｆｅ₃ （ＢＯ₃ ）Ｏ₂ ，Ｆｅ₃ ＢＯ₆ で表記されるほう
酸鉄が生成する。また、本中間層も同様の結晶質である
必要はなく、非晶質、ガラス質等であっても一向に差し
支えない。

【００２７】本発明の張力被膜の主たる形成方法はアル
ミナまたは焼き付け後にアルミナとなる成分、およびほ
う酸成分を含むゾルまたはスラリーを塗布、焼き付ける
ことであるが、密着性向上に寄与する中間層の焼き付け
の工程での母材鋼板の酸化、塗布したほう酸成分と鋼板
（基本的にはその表面近傍）との反応によって形成せし
める。

【００２８】あらかじめ何らかの方法で酸化珪素、鉄−
珪素系複酸化物、あるいは鉄−ほう素系複酸化物被膜を
形成し、さらに上述のゾルまたはスラリーを塗布、焼き
付けることによっても同じ構造の被膜が得られるが、こ
れら２種類の被膜の界面、あるいは下地鋼板と複酸化物
層との界面で何らかの反応、あるいは成分の拡散が生じ
ない限り良好な密着性は確保されない。すなわち塗布し
た成分と鋼板との相互作用が密着性を確保する上で極め
て重要な因子である。

【００２９】本発明の鋼板に形成された被膜の厚さは特
に限定されるものではなく、いかなる厚さをも採用し得
る。しかしながら被膜が厚すぎる場合には占積率が著し
く低下するためできるだけ薄いものが好ましい。特に薄
手鋼板には薄い被膜が必要不可欠である。

【００３０】中間層である酸化珪素系、鉄−珪素系、あ
るいは鉄−ほう素系複酸化物層は張力付与能力がそれほ
ど高くないと考えられるため、厚すぎるとほう酸アルミ
ニウム質被膜による張力付与効果を減少させる可能性が
ある。中間層の好ましい厚さは１μｍ以下、より好まし
くは０．５μｍ以下である。

【００３１】本発明の張力被膜を形成する一方向性珪素
鋼板としては、仕上げ焼鈍が完了していればいかなるも
のも使用可能である。請求項１の発明の場合は従来公知
の方法で仕上げ焼鈍を行い、表面にフォルステライト質
のグラス被膜を形成した鋼板、請求項２，３の発明の場
合は、表面に生成しているグラス被膜、および内部酸化
層を酸に浸漬し除去したもの、さらにそれを水素中で平
坦化焼鈍を施したもの、あるいは化学研磨、電界研磨等
の研磨を施したもの等が好適に用いられる。また被膜生
成に対して不活性なアルミナ粉末等を塗布してグラス被
膜を生成させない条件下で仕上げ焼鈍を行って得た鋼板
も好適に使用され得る。

【００３２】本発明の張力被膜を好適に形成し得る代表
的な方法を以下に記述する。硝酸、塩酸、酢酸等の酸で
解膠したベーマイトにほう酸成分を加えて作製した混合
ゾルを、前述の鋼板表面に塗布し、乾燥、ゲル化された
後、所定の酸素ポテンシャルの雰囲気中で５００℃程度
以上の温度で焼き付ける方法である。

【００３３】グラス被膜を除去し、地鉄を露出させた鋼
板の場合、ゾル中に含まれる酸の作用によって塗布・乾
燥段階で鋼板の表面を若干酸化させることができる。こ
の酸化物と被膜成分であるほう酸とを反応させた場合に
中間層である鉄−ほう素系複酸化物が生成する。

【００３４】中間層の厚さは塗布するゾル中の酸の濃
度、塗布・乾燥条件、あるいは焼き付け時の酸素ポテン
シャルによって容易に制御することが可能である。この
方法においては中間層の厚さはあらかじめ鋼板に形成し
ておく酸化層の厚に依存する。これらの方法によれば、
従来と同様の塗布・焼き付け法により被膜形成が可能で
あり、量産化に対してもなんら支障はない。

【００３５】以上本発明の低鉄損方向性電磁鋼板につい
て述べたが、いずれの被膜も鋼板との高い密着性を持
ち、それによって鉄損化が達成されている。特に鏡面化
した鋼板に本被膜を形成した鋼板は著しく鉄損の低い方
向性電磁鋼板である。以下、本発明の実施例を用いて説
明するが、本発明はかかる実施例に限定されるものでは
ない。

【００３６】

【実施例】

実施例１ 市販のベーマイトゾルとほう酸試薬とを固形分でそれぞ
れ６６重量部と３４重量部の割合で混合し、所定量の蒸
留水を加えて混合ゾルを得た。鋼板はＳｉを３．３wt％
含有する板厚０．２mmの仕上げ焼鈍後の高磁束密度一方
向性珪素鋼板を硫酸と弗酸の混合液中に浸漬し表面のフ
ォルステライト被膜を除去して地鉄を露出させた後、弗
酸と過酸化水素を含む溶液中で地鉄表面を平滑にし鏡面
に仕上げて作製した。

【００３７】この鋼板に作製した混合ゾルを塗布し、乾
燥させてゲル化した後、水素を７５vol％含有する露点
−２０℃の窒素雰囲気、または水素を全く含まない露点
４０℃の窒素雰囲気中で８００℃で５分間焼き付けを行
った。得られた被膜の性状、被膜形成前後の鋼板の磁気
特性を表１にまとめて示した。中間層、最外層の成分の
同定は、Ｘ線回折、化学分析、電子顕微鏡観察により行
った。

【００３８】水素を含んだ雰囲気で焼き付けた鋼板には
非晶質のＳｉＯ₂ 中間層が、水素を含まない雰囲気で焼
き付けた鋼板には結晶質のＦｅ₂ ＳｉＯ₄ が生成してお
り、最外層の被膜はいずれも結晶質のほう酸アルミニウ
ムであった。２０mmφの円柱の周囲に、その角度が１８
０度となるように巻き付け試験を行い、その剥離状況か
ら評価した被膜の密着性はいずれも極めて良好であっ
た。表１から鋼板には大きな張力が付与され、低鉄損化
が達成されていることがわかる。

【００３９】実施例２ 市販のベーマイト粉末６０重量部、ほう酸試薬３０重量
部に硝酸１重量部と蒸留水を加え、十分に撹拌して均質
な混合ゾルを得た。塗布用鋼板は実施例１で作製した鋼
板を使用した。混合ゾルを塗布、乾燥させてゲル化した
後、９００℃で５分間、露点３５℃の窒素中で焼き付け
を行った。

【００４０】中間層としてＦｅ₃ ＢＯ₅ 、最外層の被膜
として結晶質のほう酸アルミニウムが生成していた。実
施例１と同様に評価した被膜の密着性は極めて良好であ
った。鋼板には大きな張力が付与され、結果として低鉄
損化が達成されていることがわかる。

【００４１】実施例３ 実施例１と同様の方法で混合ゾルを作製した。塗布用鋼
板はＳｉを３．２wt％含有する板厚０．２mmの電磁鋼板
を脱炭焼鈍後、焼鈍分離剤としてアルミナを塗布して仕
上げ焼鈍を行うことによって、フォルステライト被膜の
ない高磁束密度一方向性珪素鋼板を作製した。

【００４２】この鋼板に混合ゾルを塗布し、乾燥させて
ゲル化した後、１０００℃で５分間、露点０℃の水素雰
囲気、または水素３ vol％含有する露点４０℃の窒素雰
囲気中で焼き付けを行った。水素雰囲気で焼き付けた鋼
板には非晶質のＳｉＯ₂ 中間層が、水素含有雰囲気で焼
き付けた鋼板には結晶質のＦｅ₂ ＳｉＯ₄ が生成してお
り、最外層の被膜はいずれも結晶質のほう酸アルミニウ
ムであった。

【００４３】実施例１と同様に評価した被膜の密着性は
極めて良好であった。その他の被膜の性状、鋼板の磁気
特性は表１にまとめて示した。鋼板には大きな張力が付
与され、結果として鉄損値が大幅に改善されていること
がわかる。

【００４４】実施例４ 実施例２と同様の方法で均質なベーマイトゾルを得た。
塗布用鋼板は実施例３と同様の方法により作製した。鋼
板に作製した混合ゾルを塗布し、乾燥、ゲル化後７５０
℃で１分間、水素を３ vol％含有する露点４０℃の窒素
雰囲気中で焼き付けを行った。

【００４５】Ｘ線回折の結果、得られた被膜は中間層の
Ｆｅ₃ ＢＯ₅ と最外層の結晶質のほう酸アルミニウムの
２層であった。被膜密着性は極めて良好であり、その他
の被膜の性状、鋼板の磁気特性は表１にまとめて示し
た。鋼板には大きな張力が付与され、結果として鉄損値
が大幅に改善されていることがわかる。

【００４６】実施例５ 実施例１と同様の方法で均質な混合ゾルを得た。これを
Ｓｉを３．３wt％含有する板厚０．２mmのグラス被膜が
表面に生成している仕上げ焼鈍後の高磁束密度一方向性
電磁鋼板に塗布し、乾燥・ゲル化後、８５０℃で３分
間、水素を７５ vol％含有する露点−２０℃の窒素雰囲
気、または水素を全く含まない露点４０℃の窒素雰囲気
中で焼き付けを行った。

【００４７】水素を含んだ雰囲気で焼き付けた鋼板には
非晶質のＳｉＯ₂ 中間層が、水素を含まない雰囲気で焼
き付けた鋼板には結晶質のＦｅ₂ ＳｉＯ₄ が生成してお
り、最外層の被膜はいずれも結晶質のほう酸アルミニウ
ムであった。実施例１と同様に評価した被膜の密着性は
いずれも極めて良好であった。表１から鋼板には大きな
張力が付与され、低鉄損化が達成されていることがわか
る。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【発明の効果】本発明は密着性に優れ、鋼板への高い張
力の付与が可能な被膜を有する鉄損の低い一方向性珪素
鋼板を提供するものであり、またその被膜形成プロセス
は従来と同様の塗布・焼き付け法であるため量産化も可
能であり、その工業的効果は甚大である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次再結晶が完了した一方向性珪素鋼板
   表面に、フォルステライト質の１次被膜、焼き付け工程
   において生成した酸化珪素、または酸化珪素と他酸化物
   との複酸化物よりなる中間層、および最表面のほう酸ア
   ルミニウム質被膜の３層の被膜を有する低鉄損一方向性
   珪素鋼板。
2. 【請求項２】 ２次再結晶が完了した一方向性珪素鋼板
   表面に、焼き付け工程において生成した酸化珪素、また
   は鉄−珪素系複酸化物よりなる中間層、および最表面の
   ほう酸アルミニウム質被膜の２層の被膜を有する低鉄損
   一方向性珪素鋼板。
3. 【請求項３】 ２次再結晶が完了した一方向性珪素鋼板
   表面に、焼き付け工程において生成した鉄−ほう素系複
   酸化物よりなる中間層、および最表面のほう酸アルミニ
   ウム質被膜の２層の被膜を有する低鉄損一方向性珪素鋼
   板。