WO2016104512A1 - 電磁鋼板 - Google Patents

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steel sheet
chelating agent
phosphate
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mass
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山崎 修一
高橋 克
竹田 和年
藤井 浩康
康二 金橋
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新日鐵住金株式会社
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    • C23C22/73Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
    • C23C22/74Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process for obtaining burned-in conversion coatings

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic steel sheet.
  • Electromagnetic steel sheets are used or transported in corrosive environments. For example, electrical steel sheets are used in hot and humid areas or transported by sea. When transporting by sea, a large amount of salt comes in. For this reason, the electromagnetic steel sheet is required to have rust resistance. In order to obtain rust resistance, an insulating coating is formed on the surface of the electromagnetic steel sheet. Examples of the insulating coating include chromate-based insulating coatings. Although chromate-based insulating coatings exhibit excellent rust resistance, hexavalent chromium used as a raw material for chromate-based insulating coatings has carcinogenic properties. For this reason, development of the insulation film which can be formed without using hexavalent chromium as a raw material is requested
  • Examples of insulating coatings that can be formed without using hexavalent chromium as a raw material include phosphate insulating coatings, silica insulating coatings, and zirconium insulating coatings (Patent Documents 1 to 12).
  • phosphate insulating coatings silica insulating coatings
  • zirconium insulating coatings Patent Documents 1 to 12
  • these insulating coatings do not provide the same level of rust resistance as chromate-based insulating coatings. If the insulating film is thickened, the rust resistance is improved. However, the thicker the insulating film is, the lower the weldability and caulking properties are.
  • An object of the present invention is to provide an electrical steel sheet capable of obtaining excellent rust resistance without using hexavalent chromium as a raw material for an insulating coating.
  • the present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, it has been clarified that excellent rust resistance can be obtained when a phosphate having a specific peak in the solid 31 P-NMR spectrum is contained in the insulating coating. It has also become clear that it is important to use a coating solution containing a chelating agent for the formation of such an insulating coating.
  • the insulating coating contains one or more phosphates selected from the group consisting of Al, Zn, Mg and Ca, Said phosphates are in the solid 31 P-NMR spectrum, the vertex represents a specific peak in the range of -26ppm ⁇ -16ppm, integration of all peaks in the solid 31 P-NMR spectrum of the integrated intensity of the specific peak
  • a magnetic steel sheet characterized by having a ratio to strength of 30% or more.
  • the half-width of the specific peak is 20 ppm or more.
  • the insulating film contains a phosphate having a specific peak, it has excellent rust resistance without using hexavalent chromium as a raw material for the insulating film. Obtainable. For this reason, it is also possible to avoid a decrease in weldability and caulking properties accompanying the increase in the thickness of the insulating coating.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an electrical steel sheet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of measurement results of a solid 31 P-NMR spectrum.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of a test result of rust resistance having a sodium chloride concentration of 1.0 mass%.
  • FIG. 3B is a diagram illustrating an example of a rust resistance test result with a sodium chloride concentration of 0.3 mass%.
  • FIG. 3C is a diagram illustrating an example of a test result of rust resistance having a sodium chloride concentration of 0.1% by mass.
  • FIG. 3D is a diagram showing an example of a test result of rust resistance having a sodium chloride concentration of 0.03% by mass.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an electrical steel sheet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of measurement results of a solid 31 P-NMR spectrum.
  • FIG. 3E is a diagram showing an example of a test result of rust resistance having a sodium chloride concentration of 0.01% by mass.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating an example of a test result of rust resistance of an electrical steel sheet in which an insulating film is formed using a coating solution that does not contain a chelating agent.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating an example of a test result of rust resistance of an electrical steel sheet in which an insulating film is formed using a coating solution containing a chelating agent.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an electrical steel sheet according to an embodiment of the present invention.
  • the electromagnetic steel sheet 1 includes a base material 2 of the electromagnetic steel and an insulating coating 3 formed on the surface of the base material 2.
  • the base material 2 has a composition suitable for a grain-oriented electrical steel sheet or a non-oriented electrical steel sheet.
  • the insulating coating 3 contains at least one phosphate selected from the group consisting of Al, Zn, Mg, and Ca.
  • This phosphate shows a specific peak whose peak is in the range of ⁇ 26 ppm to ⁇ 16 ppm in the solid 31 P-NMR spectrum, and the integrated intensity of all peaks in the solid 31 P-NMR spectrum of the integrated intensity of this specific peak.
  • the ratio (integrated intensity ratio) to is 30% or more.
  • the full width at half maximum of the specific peak is preferably 20 ppm or more.
  • Al, Zn, Mg, Ca, or any combination thereof may be represented by M.
  • the insulating coating 3 showing the specific peak as described above is denser than the insulating coating contained in the conventional electromagnetic steel sheet and has excellent rust resistance. Therefore, according to the electromagnetic steel sheet 1, excellent rust resistance can be obtained without reducing weldability and caulking properties without using hexavalent chromium as a raw material for the insulating coating 3.
  • the solid 31 P-NMR spectrum can be analyzed, for example, as follows.
  • the solid 31 P-NMR spectrum of the insulating film containing phosphate reflects the molecular structure around the P atom in the insulating film as shown in FIG. The value range depends on the molecular structure.
  • a spectrum may be formed by overlapping a plurality of components.
  • the peak separation of the solid 31 P-NMR spectrum for example, assuming that the solid 31 P-NMR spectrum is in the superposition of Gaussian (Gauss) function, the area fraction of each of the Gaussian function, the peak position, Optimization calculation is performed so that the solid 31 P-NMR spectrum can be reproduced using the half-value width as a fitting parameter, and the integrated intensity ratio, peak position, and half-value width of each component can be determined from the result of the optimization calculation. In this way, the integrated intensity ratio of the specific peak can be obtained.
  • Gaussian Gaussian
  • a coating liquid composed of a polyvalent metal phosphate containing M, a chelating agent, and water is applied to a base material of electromagnetic steel and baked.
  • water water having a total concentration of Ca ions and Mg ions of 100 ppm or less is used.
  • the polyvalent metal phosphate include monobasic aluminum phosphate, monobasic zinc phosphate, monobasic magnesium phosphate and monobasic calcium phosphate.
  • aluminum phosphate, zinc phosphate, magnesium phosphate, and calcium phosphate represent primary aluminum phosphate, primary zinc phosphate, primary magnesium phosphate, and primary calcium phosphate, respectively.
  • the phosphate ends are cross-linked by a dehydration condensation reaction to form an insulating film.
  • the reaction formula of the dehydration condensation reaction include the following.
  • the chelating agent is described as “HO—R—OH”, and the metal as “M”.
  • P—OH + HO—P ⁇ PO—P (Chemical Formula 1)
  • P—OH + HO—P + HO—R—OH ⁇ PO—RO—OP (Chemical Formula 2)
  • P-OH + HO-P + HO-R-OH + M ⁇ PO-MOROPOP (Chemical Formula 3)
  • P-OH + HO-P + HO-R-OH + 2M ⁇ POMOMOR—OMOPP (Formula 4)
  • an oxycarboxylic acid-based, dicarboxylic acid-based or phosphonic acid-based chelating agent is used.
  • oxycarboxylic acid chelating agents include malic acid, glycolic acid and lactic acid.
  • dicarboxylic acid-based chelating agents include oxalic acid, malonic acid, and succinic acid.
  • phosphonic acid chelating agent include aminotrimethylene phosphonic acid, hydroxyethylidene monophosphonic acid, and hydroxyethylidene diphosphonic acid.
  • the amount of the chelating agent contained in the coating solution is 1% by mass to 30% by mass with respect to the mass of the insulating film after baking. Since the coating solution containing phosphate is acidic, the drying of the coating solution is not completed, and while the coating solution is kept acidic, Fe elutes from the base material into the coating solution. And when Fe elutes too much and exceeds the reaction limit of a chelating agent, iron phosphate and iron hydroxide will be produced
  • the amount of the chelating agent exceeds 30% by mass, the phosphate in the coating solution is less than 70% by mass, and sufficient heat resistance cannot be obtained for the insulating coating. Therefore, the amount of the chelating agent is 30% by mass or less based on the mass of the insulating coating after baking.
  • a chelating agent is an active compound, but when it reacts with a metal, it becomes energetically stable and does not show sufficient activity. Therefore, in order to keep the activity of the chelating agent high, metals other than the metal contained in the phosphate are prevented from reacting with the chelating agent before the baking of the coating solution is completed. For this reason, it is preferable that the density
  • metal ions include Ca ions and Mg ions. When the total concentration of Ca ions and Mg ions exceeds 100 ppm, the activity of the chelating agent decreases. Therefore, the total concentration of Ca ions and Mg ions is 100 ppm or less, preferably 70 ppm or less. The fewer alkaline earth metal ions other than Ca ions and Mg ions, the better.
  • the chelating agent has a hydroxyl group at the terminal, and the hydroxyl group easily takes an association state (hydrogen bond) represented by Chemical Formula 5.
  • R-OH ... O R (Chemical Formula 5)
  • the degree of association of the hydroxyl group of the chelating agent increases, the crosslinking reaction represented by Chemical Formula 2 to Chemical Formula 4 is unlikely to occur. For this reason, it is preferable to apply the coating solution so that the degree of association is as small as possible.
  • the moving speed of the base material is 60 m / min or more using a roller having a diameter of 700 mm or less, and the moving speed of the base material is 70 m / min or more using a roller having a diameter of 500 mm or less. More preferred.
  • the baking of the coating liquid is performed at a temperature of 250 ° C. or higher, and the temperature of the base material at the time of coating, for example, the temperature rising rate from the room temperature of about 30 ° C. to 100 ° C. (first temperature rising rate) is 8 ° C./second or higher,
  • the temperature increase rate (second temperature increase rate) from 150 ° C. to 250 ° C. is set lower than the first temperature increase rate.
  • the temperature at the time of application is substantially equal to the temperature of the application liquid.
  • the first temperature increase rate up to the boiling point of water (100 ° C.).
  • the first rate of temperature rise is less than 8 ° C./second, the degree of association of the chelating agent increases rapidly during the temperature rise, so that the cross-linking reaction represented by Chemical Formulas 2 to 4 hardly occurs. Therefore, the first heating rate is 8 ° C./second or more.
  • the cross-linking reaction of the phosphate of formula 1 to formula 4 and the chelating agent and the decomposition of the chelating agent occur in the temperature range of 150 ° C to 250 ° C. It is preferable to carry out a crosslinking reaction so that the decomposition of the chelating agent does not become excessively fast, and the second rate of temperature increase from 150 ° C. to 250 ° C. is preferably as low as possible.
  • the incorporation of the chelating agent into the phosphate structure and the cross-linking reaction are affected by the degree of association of the chelating agent described above, if the first heating rate is increased to reduce the degree of chelate association, Even if the temperature rate is increased, the crosslinking reaction between the phosphate and the chelating agent can be promoted. Conversely, when the first temperature rise rate is small and the degree of association of the chelate is large, it is necessary to accelerate the crosslinking reaction between the chelating agent and the phosphate by lowering the second temperature rise rate accordingly.
  • the phosphate and the chelate are selected according to the degree of association of the chelating agent. It has been found that the cross-linking reaction proceeds with this and excellent rust resistance is obtained.
  • the second temperature rising rate is excessively high, for example, when it exceeds 18 ° C./second, the crosslinking is not sufficiently completed even when the first temperature rising rate is 8 ° C./second or more, and excellent rust resistance. Cannot be obtained. Therefore, the second heating rate is set to 18 ° C./second or less.
  • the second heating rate is preferably 5 ° C./second or more.
  • the electromagnetic steel sheet 1 can be manufactured through the application and baking of the application liquid to the base material of the electromagnetic steel.
  • the coating solution may contain an organic resin.
  • the organic resin contained in the coating solution has an action of suppressing the wear of the punching die. For this reason, the punching workability of the electrical steel sheet is improved by using a coating liquid containing an organic resin.
  • the organic resin is preferably used as a water-dispersible organic emulsion. When a water-dispersible organic emulsion is used, the smaller the amount of alkaline earth metal ions such as Ca ions and Mg ions contained therein, the better.
  • organic resin examples include acrylic resin, acrylic styrene resin, alkyd resin, polyester resin, silicone resin, fluorine resin, polyolefin resin, styrene resin, vinyl acetate resin, epoxy resin, phenol resin, urethane resin, and melamine resin.
  • the inventors of the present invention used solid 31 P for the insulating coating formed using the coating solution containing the chelating agent and the insulating coating formed using the coating solution containing no chelating agent.
  • -NMR nuclear magnetic resonance
  • FIG. 2 shows an example of the measurement result of the solid 31 P-NMR spectrum.
  • the first or third spectrum from the top is that of an insulating film formed using a coating solution containing a chelating agent (Example 1, Example 3), and the second and fourth from the top.
  • the fifth spectrum is that of an insulating film formed using a coating solution that does not contain a chelating agent (Reference Example 2, Reference Example 4, Reference Example 5).
  • aluminum phosphate is used as the polyvalent metal phosphate contained in the coating solution, and in Example 3 and Reference Example 5, the polyvalent metal phosphorus contained in the coating solution.
  • Aluminum phosphate was used as the acid salt.
  • the insulating film of Example 3 formed using a coating solution containing a chelating agent includes a component having a peak at a peak of ⁇ 18 ppm and a large full width at half maximum in addition to the components as in Reference Example 5. A spectrum was obtained.
  • the present inventors pay attention to the difference in the above-mentioned solid 31 P-NMR spectrum, and consider that a certain peak contained in the solid 31 P-NMR spectrum greatly contributes to the improvement of the rust resistance of the insulating coating, These relationships were investigated in detail.
  • Examples of tests for evaluating the rust resistance of electrical steel sheets include a wet test specified in JIS K 2246 and a salt spray test specified in JIS Z 2371.
  • the corrosive environment in these tests is greatly different from the corrosive environment in which rust is generated in the electromagnetic steel sheet, and it cannot be said that the rust resistance of the electromagnetic steel sheet can be properly evaluated.
  • the present inventors examined a method capable of appropriately evaluating the rust resistance in a corrosive environment where rust is generated on the magnetic steel sheet.
  • the rust resistance can be appropriately evaluated by the following method.
  • 0.5 ⁇ l droplets of sodium chloride aqueous solution having different concentrations are attached to the surface of an electrical steel sheet having an insulating coating and dried, and the temperature is 50 ° C. and the relative humidity RH is 90%.
  • the magnetic steel sheet is kept in the atmosphere for 48 hours. A constant temperature and humidity chamber may be used. Then, the presence or absence of rust is confirmed, and the density
  • the electrical steel sheet is exposed to a moist atmosphere after the droplets of sodium chloride aqueous solution are attached and dried.
  • a moist atmosphere to which the electrical steel sheet is exposed, in which salt adheres to the surface of the electrical steel sheet during storage, transportation and use, and then the humidity rises and the salt deliquesces. .
  • concentration of sodium chloride increases, the amount of sodium chloride remaining after drying increases and rust is likely to occur.
  • limit sodium chloride concentration a concentration at which rust does not occur
  • FIGS. 3A to 3E show examples of test results obtained by the above method.
  • the sodium chloride concentration was 1.0% by weight (FIG. 3A), 0.3% by weight (FIG. 3B), 0.1% by weight (FIG. 3C), 0.03% by weight (FIG. 3D) or 0%. 0.01 mass% (FIG. 3E).
  • rust was confirmed when the concentration of sodium chloride was 1% by mass, 0.3% by mass, 0.1% by mass, or 0.03% by mass, and the concentration of sodium chloride No rust was observed when the content was 0.01% by mass.
  • the limit sodium chloride concentration of this electrical steel sheet is 0.01% by mass.
  • the present inventors have confirmed that such a rusting state hardly changes even when the holding time in a constant temperature and humidity atmosphere exceeds 48 hours.
  • FIG. 4A shows an example of a test result by the above method for an electrical steel sheet in which an insulating film is formed using a coating liquid not containing a chelating agent
  • FIG. 4B shows an insulating film using a coating liquid containing a chelating agent.
  • Any coating solution contains aluminum phosphate as a polyvalent metal phosphate.
  • rust was confirmed when a sodium chloride aqueous solution having a concentration of 0.03% by mass was used.
  • FIG. 4B rust was not confirmed in the electrical steel sheet in which the insulating coating was formed using the coating liquid containing the chelating agent, even when a sodium chloride aqueous solution having a concentration of 0.2% by mass was used.
  • the limit sodium chloride concentration is higher and superior than when the insulating film is formed using the coating liquid not containing the chelating agent. Rust resistance is obtained.
  • a phosphate insulating film formed using a coating solution containing no chelate has a structure including a simple bond represented by the right side of Formula 1.
  • the peak is around -30 ppm and shows a narrow peak, and when it is amorphous, the peak is A broad peak around +13 ppm is shown.
  • a phosphate insulating film formed using a coating solution containing a chelating agent also includes an amorphous structure including a complex bond represented by the right side of Chemical Formulas 2 to 4.
  • This amorphous structure shows a peak having a peak at ⁇ 26 ppm to ⁇ 16 ppm in the solid 31 P-NMR spectrum, and the half width of this peak is, for example, 20 ppm or more.
  • the ratio of the integrated intensity of the peak (specific peak) of this amorphous structure to the integrated intensity of all peaks in the solid 31 P-NMR spectrum is 30% or more, excellent anti-resistance Rust is obtained.
  • the insulating coating 3 according to the embodiment of the present invention shows the specific peak in the solid 31 P-NMR spectrum. Therefore, according to the electromagnetic steel sheet 1, excellent rust resistance can be obtained without using hexavalent chromium as a raw material for the insulating coating 3. For example, the electromagnetic steel sheet 1 exhibits sufficient rust resistance even in a high-flying salinity environment such as during ocean transportation or in a high-temperature and high-humidity environment corresponding to a subtropical or tropical environment. Since it is not necessary to form the insulating coating 3 thickly, it is possible to avoid a decrease in weldability and caulking properties.
  • the present inventors prepared a coating solution composed of a phosphate, a chelating agent, an organic resin and water shown in Table 1, and applied and baked the coating solution on both surfaces of the base material of the electrical steel.
  • Table 1 also shows the total concentration (ion total concentration) of Ca ions and Mg ions contained in water.
  • the coating conditions and baking conditions are also shown in Table 1.
  • the first temperature increase rate is a temperature increase rate from 30 ° C. to 100 ° C.
  • the second temperature increase rate is a temperature increase rate from 150 ° C. to 250 ° C.
  • the base material contained 0.3 mass% of Si, and the thickness of the base material was 0.5 mm.
  • Sample No. In No. 17, an insulating coating was formed using chromate instead of phosphate for reference.
  • a test piece is prepared from each magnetic steel sheet, 0.5 ⁇ l of sodium chloride aqueous solution having a different concentration is attached to the surface of the test piece and dried, and the temperature is 50 ° C. and relative humidity. The test piece was held in a constant temperature and humidity atmosphere with 90% RH for 48 hours.
  • the concentration of the sodium chloride aqueous solution is 0.001% by mass, 0.01% by mass, 0.02% by mass, 0.03% by mass, 0.10% by mass, 0.20% by mass, 0.30% by mass and 1%. 0.0 mass%.
  • the presence or absence of rust was confirmed and the limit sodium chloride (NaCl) density
  • concentration of each test piece was specified. The results are also shown in Table 2.
  • the welding current was 120 A
  • La-W (2.4 mm ⁇ ) was used as the electrode
  • the gap was 1.5 mm
  • the Ar gas flow rate was 6 l / min
  • the clamping pressure was 50 kg / cm 2.
  • Welding was performed at various welding speeds. And the maximum welding speed which a blowhole does not generate
  • the peak peak was in the range of ⁇ 26 ppm to ⁇ 16 ppm, but since the ratio of the integrated intensity was less than 30%, the critical sodium chloride concentration was 0.03% by mass or less. That is, rust resistance was low.
  • the present invention can be used, for example, in the magnetic steel sheet manufacturing industry and the magnetic steel sheet utilization industry.

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Abstract

 電磁鋼板(1)は、電磁鋼の母材(2)と、母材(2)の表面に形成された絶縁被膜(3)と、を含む。絶縁被膜(3)は、Al、Zn、Mg及びCaからなる群から選択された1種以上のりん酸塩を含有する。りん酸塩は、固体31P-NMRスペクトルにおいて、頂点が-26ppm~-16ppmの範囲にある特定ピークを示し、特定ピークの積分強度の固体31P-NMRスペクトルにおけるすべてのピークの積分強度に対する割合が30%以上である。

Description

電磁鋼板
 本発明は、電磁鋼板に関する。
 電磁鋼板は腐食環境下で使用されたり、輸送されたりする。例えば、電磁鋼板は高温多湿の地域で使用されたり、海上輸送されたりする。海上輸送の際には、多量の塩分が飛来してくる。このため、電磁鋼板には耐錆性が要求される。耐錆性を得るために電磁鋼板の表面に絶縁被膜が形成されている。絶縁被膜として、クロム酸塩系絶縁被膜が挙げられる。クロム酸塩系絶縁被膜は優れた耐錆性を示すが、クロム酸塩系絶縁被膜の原料に使用される6価クロムは発がん性を有する。このため、6価クロムを原料に使用せずに形成することができる絶縁被膜の開発が要請されている。
 6価クロムを原料に使用せずに形成することができる絶縁被膜としてりん酸塩系絶縁被膜、シリカ系絶縁被膜及びジルコニウム系絶縁被膜が挙げられる(特許文献1~12)。しかしながら、これら絶縁被膜では、クロム酸塩系絶縁被膜と同程度の耐錆性が得られない。絶縁被膜を厚くすれば耐錆性が向上するものの、絶縁被膜が厚いほど溶接性及びかしめ性が低下する。
特公昭53-028375号公報 特開平05-078855号公報 特開平06-330338号公報 特開平11-131250号公報 特開平11-152579号公報 特開2001-107261号公報 特開2002-047576号公報 国際公開第2012/057168号 特開2002-47576号公報 特開2008-303411号公報 特開2002-249881号公報 特開2002-317277号公報
 本発明は、6価クロムを絶縁被膜の原料に使用せずに優れた耐錆性を得ることができる電磁鋼板を提供することを目的とする。
 本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った。この結果、固体31P-NMRスペクトルにおいて、ある特定のピークを示すりん酸塩が絶縁被膜に含まれる場合に優れた耐錆性が得られることが明らかになった。このような絶縁被膜の形成には、キレート剤を含む塗布液を用いることが重要であることも明らかになった。
 本発明者らは、このような知見に基づいて更に鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
 (1)
 電磁鋼の母材と、
 前記母材の表面に形成された絶縁被膜と、
 を有し、
 前記絶縁被膜は、Al、Zn、Mg及びCaからなる群から選択された1種以上のりん酸塩を含有し、
 前記りん酸塩は、固体31P-NMRスペクトルにおいて、頂点が-26ppm~-16ppmの範囲にある特定ピークを示し、前記特定ピークの積分強度の前記固体31P-NMRスペクトルにおけるすべてのピークの積分強度に対する割合が30%以上であることを特徴とする電磁鋼板。
 (2)
 前記特定ピークの半値幅は20ppm以上であることを特徴とする(1)に記載の電磁鋼板。
 (3)
 前記絶縁被膜が有機樹脂を含有することを特徴とする(1)又は(2)に記載の電磁鋼板。
 本発明によれば、固体31P-NMRスペクトルにおいて、特定ピークを示すりん酸塩が絶縁被膜に含まれているため、6価クロムを絶縁被膜の原料に使用せずに優れた耐錆性を得ることができる。このため、絶縁被膜の厚膜化に伴う溶接性及びかしめ性の低下を回避することもできる。
図1は、本発明の実施形態に係る電磁鋼板の構造を示す断面図である。 図2は、固体31P-NMRスペクトルの測定結果の例を示す図である。 図3Aは、塩化ナトリウム濃度が1.0質量%の耐錆性の試験結果の例を示す図である。 図3Bは、塩化ナトリウム濃度が0.3質量%の耐錆性の試験結果の例を示す図である。 図3Cは、塩化ナトリウム濃度が0.1質量%の耐錆性の試験結果の例を示す図である。 図3Dは、塩化ナトリウム濃度が0.03質量%の耐錆性の試験結果の例を示す図である。 図3Eは、塩化ナトリウム濃度が0.01質量%の耐錆性の試験結果の例を示す図である。 図4Aは、キレート剤を含まない塗布液を用いて絶縁被膜を形成した電磁鋼板の耐錆性の試験結果の例を示す図である。 図4Bは、キレート剤を含む塗布液を用いて絶縁被膜を形成した電磁鋼板の耐錆性の試験結果の例を示す図である。
 以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る電磁鋼板の構造を示す断面図である。
 本発明の実施形態に係る電磁鋼板1には、図1に示すように、電磁鋼の母材2、及び母材2の表面に形成された絶縁被膜3が含まれる。母材2は方向性電磁鋼板又は無方向性電磁鋼板に適した組成を有する。
 絶縁被膜3は、Al、Zn、Mg及びCaからなる群から選択された1種以上のりん酸塩を含有する。このりん酸塩は、固体31P-NMRスペクトルにおいて、頂点が-26ppm~-16ppmの範囲にある特定ピークを示し、この特定ピークの積分強度の固体31P-NMRスペクトルにおけるすべてのピークの積分強度に対する割合(積分強度比)が30%以上である。特定ピークの半値幅は、好ましくは20ppm以上である。以下、Al、Zn、Mg若しくはCa又はこれらの任意の組み合わせをMで表すことがある。
 上記のような特定ピークを示す絶縁被膜3は従来の電磁鋼板に含まれる絶縁被膜よりも緻密であり、優れた耐錆性を有する。従って、電磁鋼板1によれば、6価クロムを絶縁被膜3の原料に使用せずに、溶接性及びかしめ性を低下させることなく優れた耐錆性を得ることができる。
 固体31P-NMRスペクトルは、例えば、次のようにして分析することができる。リン酸塩を含有する絶縁被膜の固体31P-NMRスペクトルは、図2に示すように、絶縁被膜中のP原子の周囲の分子構造を反映しており、ピークの位置(化学シフト)及び半値幅は分子構造に依存する。また、複数の成分が重なり合ってスペクトルが構成されることもある。そして、固体31P-NMRスペクトルのピーク分離では、例えば、固体31P-NMRスペクトルがガウス(Gauss)関数の重ね合わせとなっていると仮定し、個々のガウス関数の面積分率、ピーク位置、半値幅をフィッティングパラメータとして、固体31P-NMRスペクトルを再現できるよう、最適化計算を行い、最適化計算の結果から、各成分の積分強度比、ピーク位置及び半値幅を決定することができる。このようにして、特定ピークの積分強度比を求めることができる。
 次に、電磁鋼板1を製造する方法について説明する。この方法では、Mを含む多価金属りん酸塩、キレート剤及び水からなる塗布液を電磁鋼の母材に塗布し、焼き付ける。水としては、Caイオン及びMgイオンの合計濃度が100ppm以下のものを用いる。多価金属りん酸塩としては、第一りん酸アルミニウム、第一りん酸亜鉛、第一りん酸マグネシウム及び第一りん酸カルシウムが例示される。以下、りん酸アルミニウム、りん酸亜鉛、りん酸マグネシウム、りん酸カルシウムは、それぞれ第一りん酸アルミニウム、第一りん酸亜鉛、第一りん酸マグネシウム、第一りん酸カルシウムを示す。
 塗布液の焼き付けの際にりん酸塩の末端同士が脱水縮合反応で架橋して絶縁被膜が形成される。脱水縮合反応の反応式として、以下のものが例示される。ここでは、キレート剤を「HO-R-OH」、金属を「M」と記載している。
 P-OH+HO-P → P-O-P (化学式1)
 P-OH+HO-P+HO-R-OH → P-O-R-O-P (化学式2)
 P-OH+HO-P+HO-R-OH+M
           → P-O-M-O-R-O-P (化学式3)
 P-OH+HO-P+HO-R-OH+2M
           → P-O-M-O-R-O-M-O-P (化学式4)
 一方、多価金属りん酸塩及び水からなり、キレート剤が含まれない塗布液が用いられた場合は、化学式1の反応が生じるものの、化学式2~化学式4の反応は生じない。従って、キレート剤を含む塗布液が用いられた場合は、キレート剤が含まれない塗布液が用いられた場合よりも絶縁被膜中に多くの架橋点が存在し、高い耐錆性が得られる。キレート剤の結合手が多いほど架橋点の数が多く、より高い耐錆性が得られる。
 キレート剤としては、例えば、オキシカルボン酸系、ジカルボン酸系又はホスホン酸系のキレート剤を用いる。オキシカルボン酸系キレート剤として、リンゴ酸、グリコール酸及び乳酸が例示される。ジカルボン酸系キレート剤として、シュウ酸、マロン酸及びコハク酸が例示される。ホスホン酸系キレート剤としては、アミノトリメチレンホスホン酸、ヒドロキシエチリデンモノホスホン酸及びヒロキシエチリデンジホスホン酸が例示される。
 塗布液に含まれるキレート剤の量は、焼き付け後の絶縁被膜の質量に対して1質量%~30質量%である。りん酸塩を含む塗布液は酸性であるため、塗布液の乾燥が終了せず、かつ、塗布液が酸性に保持されている間、母材からFeが塗布液中に溶出する。そして、Feが過度に溶出し、キレート剤の反応限界を上回ると、りん酸鉄及び水酸化鉄が生成され、特定ピークを示す絶縁被膜が得られない。このような現象はキレート剤の量が1質量%未満の場合に顕著である。従って、キレート剤の量は焼き付け後の絶縁被膜の質量に対して1質量%以上である。一方、キレート剤の量が30質量%超では、塗布液中のりん酸塩が70質量%未満であり、絶縁被膜に十分な耐熱性が得られない。従って、キレート剤の量は焼き付け後の絶縁被膜の質量に対して30質量%以下である。
 キレート剤は活性な化合物であるが、金属と反応するとエネルギ的に安定になり、十分な活性を示さなくなる。従って、キレート剤の活性を高く維持すべく、りん酸塩に含まれる金属以外の金属が、塗布液の焼き付けが完了する前にキレート剤と反応しないようする。このため、水中のキレート剤との反応性が高い金属イオンの濃度が低いことが好ましい。このような金属イオンとして、Caイオン及びMgイオンが例示される。Caイオン及びMgイオンの合計濃度が100ppm超では、キレート剤の活性が低下する。従って、Caイオン及びMgイオンの合計濃度は100ppm以下であり、好ましくは70ppm以下である。Caイオン及びMgイオン以外のアルカリ土類金属イオンも少なければ少ないほど好ましい。
 キレート剤は末端に水酸基を有しており、水酸基は化学式5で表される会合状態(水素結合)をとりやすい。
 R-OH・・・O=R (化学式5)
 キレート剤の水酸基の会合度(水素結合の程度)が高くなると、化学式2~化学式4で表される架橋反応が生じ難い。このため、塗布液の塗布は、会合度がなるべく小さくなるように行うことが好ましい。例えば、ローラを用いた塗布(ロールコーティング)を行う場合には、塗布液にせん断力を付与して、キレート剤の会合度を低下させつつ塗布液を塗布することが好ましい。ローラの直径を小さくし、かつ、母材の移動速度を高くすることにより、会合状態を解くのに適切なせん断力を付与することができる。例えば、直径が700mm以下のローラを用いて母材の移動速度を60m/分以上とすることが好ましく、直径が500mm以下のローラを用いて母材の移動速度を70m/分以上とすることがより好ましい。
 塗布液の焼き付けは250℃以上の温度で行い、塗布時の母材の温度、例えば30℃程度の室温から100℃までの昇温速度(第1昇温速度)を8℃/秒以上とし、150℃から250℃までの昇温速度(第2昇温速度)を第1昇温速度よりも低くする。塗布時の温度は実質的に塗布液の温度に等しい。
 前述のキレート剤の会合の進行は、塗布液の流動性がなくなれば生じなくなる。従って、会合度をなるべく低くするために、水の沸点(100℃)までの第1昇温速度は高くすることが好ましい。第1昇温速度が8℃/秒未満では、昇温中にキレート剤の会合度が急激に高まるため、化学式2~化学式4で表される架橋反応が生じ難くなる。従って、第1昇温速度は8℃/秒以上とする。
 化学式1~化学式4のりん酸塩及びキレート剤の架橋反応及びキレート剤の分解は150℃~250℃の温度範囲で生じる。キレート剤の分解が過度に速くならないよう架橋反応を行うことが好ましく、150℃から250℃までの第2昇温速度はなるべく低いことが好ましい。キレート剤のりん酸塩構造への取り込み及び架橋反応は前述のキレート剤の会合度に影響されるため、第1昇温速度を大きくしてキレートの会合度を小さくしておけば、第2昇温速度が大きくなってもりん酸塩とキレート剤の架橋反応を促進することができる。逆に、第1昇温速度が小さくキレートの会合度が大きい場合には、それに応じて第2昇温速度を低くしてキレート剤とりん酸塩の架橋反応を促進する必要がある。本発明者らの検討により、第1昇温速度が8℃/秒以上であり、第2昇温速度が第1昇温速度より低ければ、キレート剤の会合度に応じてりん酸塩とキレートとの架橋反応が進行し、優れた耐錆性が得られることが判明している。しかし、第2昇温速度が過度に大きい場合、例えば18℃/秒超では、第1昇温速度が8℃/秒以上であっても、架橋が十分に完了せず、優れた耐錆性が得られない。従って、第2昇温速度は18℃/秒以下とする。一方、第2昇温速度が低いほど生産性が低くなり、5℃/秒未満で顕著となる。従って、第2昇温速度は好ましくは5℃/秒以上とする。
 このような電磁鋼の母材への塗布液の塗布及び焼き付けを経て電磁鋼板1を製造することができる。
 塗布液が有機樹脂を含んでいてもよい。塗布液に含まれる有機樹脂は打抜き金型の摩耗を抑制する作用を備える。このため、有機樹脂を含む塗布液を用いることで、電磁鋼板の打抜き加工性が向上する。有機樹脂は好ましくは水分散性有機エマルジョンとして用いられる。水分散性有機エマルジョンが用いられる場合、これに含まれるCaイオン、Mgイオン等のアルカリ土類金属イオンは少なければ少ないほど好ましい。有機樹脂として、アクリル樹脂、アクリルスチレン樹脂、アルキッド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、スチレン樹脂、酢酸ビニル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂及びメラミン樹脂が例示される。
 次に、キレート剤の作用について説明する。
 本発明者らは、キレート剤の作用を明らかにするために、キレート剤を含む塗布液を用いて形成した絶縁被膜及びキレート剤を含まない塗布液を用いて形成した絶縁被膜について、固体31P-NMR(核磁気共鳴)スペクトルを測定した。図2に、固体31P-NMRスペクトルの測定結果の例を示す。図2のうち、上から1番目又は3番目のスペクトルが、キレート剤を含む塗布液を用いて形成した絶縁被膜のものであり(実施例1、実施例3)、上から2番目、4番目又は5番目のスペクトルが、キレート剤を含まない塗布液を用いて形成した絶縁被膜のものである(参考例2、参考例4、参考例5)。実施例1、参考例2及び参考例4では、塗布液に含まれる多価金属りん酸塩としてりん酸アルミニウムを使用し、実施例3及び参考例5では、塗布液に含まれる多価金属りん酸塩としてりん酸アルミニウムを使用した。
 図2に示すように、キレート剤を含まない塗布液を用いて形成した絶縁被膜では、頂点が-30ppm付近にあり、半値幅が小さいピークを示す成分を含むスペクトル(参考例2、参考例4)、又は頂点が+13ppm付近にあり、半値幅が大きいピークを示す成分を含むスペクトル(参考例5)が得られた。一方、キレート剤を含む塗布液を用いて形成した実施例1の絶縁被膜では、参考例2又は参考例4の成分のような成分に加え、頂点が-23ppmにあり、半値幅が大きいピークを示す成分を含むスペクトルが得られた。また、キレート剤を含む塗布液を用いて形成した実施例3の絶縁被膜では、参考例5の成分のような成分に加え、頂点が-18ppmにあり、半値幅が大きいピークを示す成分を含むスペクトルが得られた。
 本発明者らは、上記の固体31P-NMRスペクトルの相違点に着目し、固体31P-NMRスペクトルに含まれるあるピークが絶縁被膜の耐錆性の向上に大きく寄与していると考え、これらの関係について詳細に調査した。
 ここで、耐錆性の評価方法について説明する。
 電磁鋼板の耐錆性を評価する試験として、JIS K 2246に規定される湿潤試験及びJIS Z 2371に規定される塩水噴霧試験が例示される。しかしながら、これらの試験における腐食環境は、電磁鋼板に錆が生じるような腐食環境とは大きく異なっており、必ずしも、電磁鋼板の耐錆性を適切に評価できるとはいえない。
 そこで、本発明者らは、電磁鋼板に錆が生じるような腐食環境における耐錆性を適切に評価できる方法について検討した。この結果、次のような方法により耐錆性を適切に評価できることが判明した。この方法では、絶縁被膜を有する電磁鋼板の表面に濃度が相違する塩化ナトリウム水溶液の液滴を0.5μlずつ付着させて乾燥させ、温度が50℃、相対湿度RHが90%の恒温恒湿の雰囲気に電磁鋼板を48時間保持する。恒温恒湿槽を用いてもよい。その後、錆の有無を確認し、当該電磁鋼板において錆が発生しない塩化ナトリウムの濃度を特定する。そして、錆が発生しない塩化ナトリウムの濃度に基づいて耐錆性を評価する。
 つまり、この方法では、電磁鋼板が塩化ナトリウム水溶液の液滴の付着及び乾燥の後に湿潤雰囲気に曝される。このような過程は、保管、輸送及び使用の際に電磁鋼板の表面に塩が付着し、その後に湿度が上昇して塩が潮解するという、電磁鋼板が曝される腐食環境に類似している。塩化ナトリウムの濃度が高いほど、乾燥後に残存する塩化ナトリウムの量が多く、錆が生じやすい。従って、塩化ナトリウム水溶液の濃度を段階的に低下させながら観察を行い、錆が発生しない濃度(以下、「限界塩化ナトリウム濃度」ということがある)を特定すれば、この限界塩化ナトリウム濃度に基づいて、電磁鋼板が実際に曝される腐食環境における耐錆性を定量的に評価することができる。
 図3A~図3Eに、上記の方法による試験結果の例を示す。この試験では、塩化ナトリウム濃度を、1.0質量%(図3A)、0.3質量%(図3B)、0.1質量%(図3C)、0.03質量%(図3D)又は0.01質量%(図3E)とした。そして、図3A~図3Eに示すように、塩化ナトリウムの濃度が1質量%、0.3質量%、0.1質量%又は0.03質量%の場合に錆が確認され、塩化ナトリウムの濃度が0.01質量%の場合に錆が確認されなかった。このため、この電磁鋼板の限界塩化ナトリウム濃度は0.01質量%である。本発明者らは、恒温恒湿の雰囲気での保持時間が48時間を超えても、このような発錆状況がほとんど変化しないことを確認してある。
 図4Aに、キレート剤を含まない塗布液を用いて絶縁被膜を形成した電磁鋼板についての上記の方法による試験結果の例を示し、図4Bに、キレート剤を含む塗布液を用いて絶縁被膜を形成した電磁鋼板についての上記の方法による試験結果の例を示す。いずれの塗布液にも多価金属りん酸塩としてりん酸アルミニウムが含まれる。キレート剤を含まない塗布液を用いて絶縁被膜を形成した電磁鋼板では、図4Aに示すように、濃度が0.03質量%の塩化ナトリウム水溶液を用いた場合に錆が確認された。一方、キレート剤を含む塗布液を用いて絶縁被膜を形成した電磁鋼板では、図4Bに示すように、濃度が0.2質量%の塩化ナトリウム水溶液を用いた場合でも錆が確認されなかった。
 このように、キレート剤を含む塗布液を用いて絶縁被膜を形成した場合には、キレート剤を含まない塗布液を用いて絶縁被膜を形成した場合よりも、限界塩化ナトリウム濃度が高く、優れた耐錆性が得られる。
 上記の塗布液へのキレート剤の添加による耐錆性を改善する効果は、固体31P-NMRスペクトルと関連づけて説明することができる。キレートを含まない塗布液を用いて形成したりん酸塩の絶縁被膜は、化学式1の右辺で表される単純な結合を含む構造を有する。この構造は、固体31P-NMRスペクトルでは、りん酸塩が結晶化している場合には頂点が-30ppm前後にあって幅の狭いピークを示し、非晶質になっている場合には頂点は+13ppm付近の幅の広いピークを示す。一方、キレート剤を含む塗布液を用いて形成したりん酸塩の絶縁被膜は、化学式2~化学式4の右辺で表される複雑な結合を含む非晶質構造をも含む。この非晶質構造は、固体31P-NMRスペクトルでは、頂点が-26ppm~-16ppmにあるピークを示し、このピークの半値幅は、例えば20ppm以上である。そして、詳細は後述するが、この非晶質構造が示すピーク(特定ピーク)の積分強度の固体31P-NMRスペクトルにおけるすべてのピークの積分強度に対する割合が30%以上の場合に、優れた耐錆性が得られる。
 そして、本発明の実施形態に係る絶縁被膜3は、固体31P-NMRスペクトルにおいて、上記の特定ピークを示している。従って、電磁鋼板1によれば、6価クロムを絶縁被膜3の原料に使用せずに優れた耐錆性を得ることができる。例えば、電磁鋼板1は、海上輸送時等の高飛来塩分環境下でも、亜熱帯又は熱帯に相当する高温多湿環境下でも十分な耐錆性を呈する。絶縁被膜3を厚く形成する必要がないため、溶接性及びかしめ性の低下を回避できる。
 なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
 次に、本発明の実施例について説明する。実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
 本発明者らは、表1に示すりん酸塩、キレート剤及び有機樹脂及び水からなる塗布液を作製し、これを電磁鋼の母材の両面に塗布して焼き付けた。水に含まれるCaイオン及びMgイオンの合計濃度(イオン合計濃度)も表1に示す。塗布の条件及び焼き付けの条件も表1に示す。第1昇温速度は30℃から100℃までの昇温速度であり、第2昇温速度は150℃~250℃までの昇温速度である。母材はSiを0.3質量%含み、母材の厚さは0.5mmであった。試料No.17では、参考のために、りん酸塩に代えてクロム酸塩を用いて絶縁被膜を形成した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 次いで、絶縁被膜の固体31P-NMRスペクトルの測定並びに耐錆性及び溶接性の評価を行った。
 絶縁被膜の固体31P-NMRスペクトルの測定では、ピークの位置(化学シフト)、当該ピークの半値幅及び積分強度の割合を求めた。この結果を表2に示す。表2中の下線部は、その数値が本発明の範囲から外れていることを示す。
 耐錆性の評価では、各電磁鋼板から試験片を準備し、試験片の表面に濃度が相違する塩化ナトリウム水溶液の液滴を0.5μlずつ付着させて乾燥させ、温度が50℃、相対湿度RHが90%の恒温恒湿の雰囲気に試験片を48時間保持した。塩化ナトリウム水溶液の濃度は、0.001質量%、0.01質量%、0.02質量%、0.03質量%、0.10質量%、0.20質量%、0.30質量%及び1.0質量%とした。その後、錆の有無を確認し、各試験片の限界塩化ナトリウム(NaCl)濃度を特定した。この結果も表2に示す。
 溶接性の評価では、溶接電流を120Aとし、電極としてLa-W(2.4mmφ)を用い、ギャップを1.5mmとし、Arガスの流量を6l/分、締付圧力を50kg/cmとして、種々の溶接速度で溶接を行った。そして、ブローホールが発生しない最大溶接速度を特定した。この結果も表2に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 表2に示すように、本発明の範囲内にある試料No.10~No.16において、0.10質量%以上の限界塩化ナトリウム濃度及び100cm/分の溶接速度の両方が得られた。つまり、優れた耐錆性及び溶接性が得られた。
 試料No.1~No.4では、ピークの頂点が-26ppm~-16ppmの範囲になかったため、限界塩化ナトリウム濃度が0.03質量%以下であったり、溶接速度が50cm/分であったりした。つまり、耐錆性若しくは溶接性又はこれらの両方が低かった。
 試料No.5~No.9では、ピークの頂点が-26ppm~-16ppmの範囲にあったものの、積分強度の割合が30%未満であったため、限界塩化ナトリウム濃度が0.03質量%以下であった。つまり、耐錆性が低かった。
 試料No.18~No.21でも、ピークの頂点が-26ppm~-16ppmの範囲にあったものの、積分強度の割合が30%未満であったため、限界塩化ナトリウム濃度が0.03質量%以下であった。つまり、耐錆性が低かった。
 本発明は、例えば、電磁鋼板の製造産業及び電磁鋼板の利用産業において利用することができる。

Claims (3)

  1.  電磁鋼の母材と、
     前記母材の表面に形成された絶縁被膜と、
     を有し、
     前記絶縁被膜は、Al、Zn、Mg及びCaからなる群から選択された1種以上のりん酸塩を含有し、
     前記りん酸塩は、固体31P-NMRスペクトルにおいて、頂点が-26ppm~-16ppmの範囲にある特定ピークを示し、前記特定ピークの積分強度の前記固体31P-NMRスペクトルにおけるすべてのピークの積分強度に対する割合が30%以上であることを特徴とする電磁鋼板。
  2.  前記特定ピークの半値幅は20ppm以上であることを特徴とする請求項1に記載の電磁鋼板。
  3.  前記絶縁被膜が有機樹脂を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の電磁鋼板。
PCT/JP2015/085849 2014-12-26 2015-12-22 電磁鋼板 WO2016104512A1 (ja)

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