JP2541383B2

JP2541383B2 - 軟磁気特性に優れた高珪素鋼板

Info

Publication number: JP2541383B2
Application number: JP3026750A
Authority: JP
Inventors: 正広阿部; 和久岡田; 常弘山路
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-01-29
Filing date: 1991-01-29
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2011-10-09
Also published as: JPH04246157A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｓｉの浸透拡散処理
により製造され、トランスやモ−タの鉄心材料等に使用
される高珪素鋼板に関するものである。

【０００２】

【従来技術】電磁鋼板として広く用いられている高珪素
鋼板は、Ｓｉ含有量が増すほど鉄損が低減され、Ｓｉ含
有量が６．５ｗｔ％程度で磁歪が０となり、最大透磁率
もピークとなるなど、最も優れた磁気特性を示すことが
知られている。従来、高珪素鋼板の製造方法として、低
珪素鋼を圧延により薄板とした後、鋼板表面からＳｉを
浸透拡散させる方法が知られている。この製法は、従来
の圧延技術で製造可能な鋼板を素材としているため、圧
延による形状不良等の問題を生じることはなく、原理的
には比較的容易に高珪素鋼板を製造することが可能であ
る。この製法による高珪素鋼板の製造工程は、所謂ＣＶ
Ｄ処理等による浸珪処理とＳｉを鋼板内部に拡散させる
拡散処理とからなっている。

【０００３】ところで、この種の製造法により製造され
る鋼板については、Ｓｉ含有量が板厚方向でほぼ均一で
あれば、磁気特性も優れるであろうと推論することは容
易であり、したがって、従来の製造法ではＳｉ含有量が
板厚方向ででほぼ均一な高珪素鋼板を作ることを目的と
していた。しかし、Ｓｉを板厚方向で完全に均一に拡散
させるためには非常に時間がかかり（ほぼ均一に拡散さ
せるためには数時間を要する）、鋼板をコイル状態で連
続的に製造することは困難である。また、Ｓｉの板内へ
の拡散時間は鋼板の板厚の２乗に比例するため、板厚が
厚くなるほど長時間を要し、したがって、工業的に連続
製造することはますます困難となる。このような問題に
対し、本出願人は先に、拡散時間の短縮を図るために鉄
損値がほぼ飽和する段階、すなわち鋼板表層部のＳｉ含
有量が６．５％となった段階で拡散処理を打ち切り、全
体の処理時間を短くすることを内容とする高珪素鋼板の
製造方法を特開昭６２−２２７０３３号等において提案
した。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らによるその後の検討によれば、鋼板表層部のＳｉ含
有量が６．５％の拡散処理鋼板では十分な磁気特性が得
られないことが判明した。また、上記製造方法では、鋼
板の鉄損のみに着目して拡散を完了させているが、電磁
鋼板としては、磁束密度、透磁率、磁歪等、最終的な使
用状態での磁気性能および騒音性能などに直接結び付く
磁気特性に優れていることが要求され、上記の製造条件
だけでは十分な軟磁気特性を得ることができないことも
判った。本発明者らは、このような従来の製造方法の問
題点に鑑み、鋼板板厚方向でのＳｉ濃度と磁気特性の関
係等について検討を重ね、その結果、板厚方向の平均Ｓ
ｉ含有量と板厚方向でのＳｉ濃度の偏差並びに鋼中のＳ
ｏｌ．Ａｌの低減化が、優れた磁気特性を得る上での重
要な因子であることを見出した。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような知見
に基づきなされたもので、その要旨は、Ｓｉの浸透拡散
処理により製造される高珪素鋼板であって、鋼中のＳｏ
ｌ．Ａｌが８０ｐｐｍ以下、板厚方向の平均Ｓｉ濃度が
６．２〜７．２ｗｔ％であり、且つ、板表層部のＳｉ濃
度（ｗｔ％）と板厚中心部のＳｉ濃度（ｗｔ％）との偏
差Δ〔％Ｓｉ〕が、０．２≦Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦５但し、ｔ：鋼板の板厚（ｍｍ）を満足する軟磁気特性に優れた高珪素鋼板である。

【０００６】

【作用】以下、本発明の構成とその限定理由を説明す
る。本発明は、Ｓｉの浸透拡散処理により製造される高
珪素鋼板をその対象としている。一般に、この種の鋼板
は低珪素鋼板をＳｉＣｌ₄、Ｓｉ₂Ｃｌ₆、ＳｉＨＣｌ₃、
ＳｉＨ₄等のＳｉ化合物を含む雰囲気中において浸珪処
理した後、上記Ｓｉ化合物を含まない雰囲気中で拡散処
理を行なうことにより製造される。Ｓｉを鋼板表面から
浸透拡散させる過程では、Ｓｉは表面から内部へ拡散し
ていくため、当然Ｓｉ濃度は表層部で高く、中央部で低
い分布となる。そして、拡散が進むにつれて板厚方向で
のＳｉ濃度の偏差は小さくなる。図１は、このような板
厚方向でのＳｉの拡散（拡散処理温度：１１５０℃）の
進行を段階的に示している。

【０００７】本発明者らは板厚方向でＳｉ濃度に偏差を
有する鋼板について、まず、板厚方向での平均Ｓｉ濃度
が磁気特性に及ぼす影響について検討を加えた。図５は
その結果を示したものである。この試験では、板表層部
のＳｉ濃度（ｗｔ％）と板厚中心部のＳｉ濃度（ｗｔ
％）との偏差Δ〔％Ｓｉ〕と板厚ｔ（ｍｍ）が所定の比
（Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≒１０、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≒５の２
水準）となるまで拡散処理を施した鋼板について、板厚
方向の平均Ｓｉ濃度（ｗｔ％）を種々変え、それらの磁
気特性を評価した。その結果、同図に示すように板厚方
向の平均Ｓｉ濃度（ｗｔ％）が６．２〜７．２％の範囲
において最大透磁率が最も大きく、且つ鉄損、磁歪とも
に良好な特性が得られることが判った。このため、本発
明では板厚方向の平均Ｓｉ濃度を６．２〜７．２ｗｔ％
と規定した。

【０００８】しかし、平均Ｓｉ濃度（ｗｔ％）が６．２
〜７．２％の範囲にあっても、図１に示されるようにＳ
ｉの浸透処理直後ではＳｉ濃度偏差は著しく大きく、十
分な磁気特性が得られないであろうことは容易に推測で
きる。そこで、拡散時間を変えることによってＳｉ濃度
偏差を変えた試料を作成し、Ｓｉ濃度偏差が磁気特性に
及ぼす影響を調べた。これによれば、まず鉄損特性につ
いては、図３に示すように板表層部のＳｉ濃度（ｗｔ
％）と板厚中心部のＳｉ濃度（ｗｔ％）との偏差Δ〔％
Ｓｉ〕が、板厚ｔ（ｍｍ）の１０倍以下（Δ〔％Ｓｉ〕
／ｔ≦１０）となれば鉄損値はほぼ飽和し、それ以上拡
散処理を続けても若干低減される程度であることが判っ
た。しかしながら、図４および図５に示すように他の特
性、即ち最大透磁率や磁歪は、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦１０
程度では飽和値には至らず、板表層部のＳｉ濃度（ｗｔ
％）と中心部のＳｉ濃度（ｗｔ％）との偏差Δ〔％Ｓ
ｉ〕が、板厚ｔ（ｍｍ）の５倍以下（Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ
≦５）にならなければ十分な磁気特性が得られないこと
が判った。以上の理由から、本発明では鉄損特性のみな
らず、透磁率、磁歪特性にも優れた鋼板を得るために、
Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦５と規定した。

【０００９】このようにΔ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦５で拡散を
打ち切ることが可能であれば、処理時間をかなり短くす
ることが可能となる。本発明者等が行った試験結果（図
１参照）では、板厚０．５ｍｍの鋼板を例えば１１５０
℃で拡散処理する場合でも、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦５とす
るためには約４０分の拡散時間で足り、したがって、極
めて短い処理時間で優れた磁気特性を有する鋼板を得る
ことが可能となる。

【００１０】一方、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔの下限について
は、この種の鋼板を連続処理により工業的に生産するた
めの処理時間の観点から規定される。Ｓｉ拡散処理時間
は温度依存性が高く、同じ板厚であれば高温ほど処理時
間が短くて済む。通常、Ｓｉ拡散処理は１２００℃以下
の温度で行なわれる。また、処理時間については、６０
分を超えると、仮りにラインスピ−ドを１ｍｐｍとして
も６０ｍ以上、１０ｍｐｍとすれば６００ｍ以上の炉長
が必要となり、工業的な生産性の面から現実的とは言え
ない。したがって、処理時間は一応６０分以内を目安と
することができる。そこで、板厚０．１ｍｍ、０．３ｍ
ｍ、０．５ｍｍの各鋼板について、拡散処理温度１１５
０℃、１２００℃の２水準でＳｉ拡散処理を実施し、Δ
〔％Ｓｉ〕／ｔと処理時間との関係を調べた。表１はそ
の結果を示すもので、１２００℃拡散処理であれば、
０．５ｍｍ材についても６０分以内でΔ〔％Ｓｉ〕／ｔ
≒０．２となることが判る。したがって、この１２００
℃×６０分以内で到達する０．５ｍｍ材のΔ〔％Ｓｉ〕
／ｔ＝０．２を本発明のΔ〔％Ｓｉ〕／ｔの下限と規定
した。また、１１５０℃拡散処理であれば、０．５ｍｍ
材については６０分以内でΔ〔％Ｓｉ〕／ｔ≒２となる
ことから、１１５０℃拡散処理を前提とした場合にはΔ
〔％Ｓｉ〕／ｔ＝２をΔ〔％Ｓｉ〕／ｔの下限とするこ
とが好ましい。以上のように、板厚方向の平均Ｓｉ濃度
とＳｉ濃度偏差とが本発明条件を満たす場合にのみ優れ
た磁気特性を得ることができる。

【００１１】また、本発明では鋼板中のＳｏｌ．Ａｌ量
を８０ｐｐｍ以下に限定する。従来の珪素鋼板では、Ａ
ｌの電気抵抗を高める効果と展延性の改善効果とを利用
して、Ｓｉの一部をＡｌで置き換える方法を採る場合が
ある。例えば、４ｗｔ％Ｓｉとする代わりに、Ｓｉを３
ｗｔ％、Ａｌを１ｗｔ％とし、加工性を維持させる配慮
がなされる。しかし、本発明では平均Ｓｉ含有量を６．
２〜７．２ｗｔ％としているため、磁性改善のために有
意にＡｌを添加する必要はなく、逆に以下に述べるよう
に、Ｓｉ浸透拡散法により製造される高珪素鋼板では鋼
板中のＡｌが磁気特性、特に最大透磁率に悪影響を与え
ており、鉄損だけでなく最大透磁率を含めた磁気特性を
十分に確保するためには、従来レベル（この種の従来鋼
板の不純物としての含有レベル）よりもＳｏｌ．Ａｌ量
を十分に低減させる必要があることが判った。すなわ
ち、Ｓｉの拡散処理は多くの場合安価で且つ安全性の高
いＮ ₂ を含む雰囲気中で行われるが、このような雰囲気
中でＳｏｌ．Ａｌ量が十分に低減されていない鋼板のＳ
ｉ拡散処理を行った場合、高温処理のために鋼中のＡｌ
が窒化し、その冷却過程において磁気特性に有害なＡｌ
Ｎが析出し、最大透磁率が劣化してしまうという問題が
ある。図６はＳｉ拡散処理をＮ ₂ を含む雰囲気中で行っ
た場合の鋼板中のＳｏｌ．Ａｌ量と最大透磁率との関係
を示しており、これによれば鋼板中のＳｏｌ．Ａｌ量が
８０ｐｐｍを超えると最大透磁率が急激に劣化してい
る。したがって、本発明ではＡｌＮの析出を極力防止し
て磁気特性、特に最大透磁率の低下を防止する観点か
ら、鋼板中のＡｌを８０ｐｐｍ以下に限定する。本発明
において、鋼板中のＳｉ、Ａｌ以外の不純物成分は特に
限定されるものではないが、優れた磁気特性を得るため
に以下のように規定することが好ましい。まず、非金属
元素について説明すると、Ｃ：Ｃは初透磁率、最大透磁
率を低下させ、Ｈｃを増し、鉄損を増大させる。この影
響は、図７に示すように０．０１ｗｔ％を超えると顕著
になることが知られており、したがって、Ｃは０．０１
ｗｔ％以下とすることが好ましい。但し、結晶方位改善
を目的として製鋼段階でＣを０．０１ｗｔ％を超えて含
有させ、圧延することも可能であるが、この場合には、
時効および特性劣化を防止するため脱炭焼鈍を実施し、
Ｃを０．０１ｗｔ％以下とすることが好ましい。すなわ
ち、Ｃ濃度の調整は溶製段階で行ってもよく、また、脱
炭焼鈍を実施することにより行なってもよい。

【００１２】Ｏ：Ｏは鉄損を高め、ＳｉＯ₂のようなコ
ロイド状微粒子として存在する場合には、磁気特性を著
しく劣化させる元素として知られている。また、ＯはＣ
とどの程度共存するかによっても磁気特性を変化させ
る。特に、図８に示すようにＯ含有量とＣ含有量とがほ
ぼ同等の場合、鉄損値が最小になることも知られてお
り、上記Ｃ含有量の適正範囲と同様に、Ｏ含有量も０．
０１ｗｔ％以下とすることが好ましい。Ｎ、Ｓ：共に時効の原因となるため極力少なくすること
が好ましく、これらの成分もそれぞれ０．０１ｗｔ％以
下とすることが好ましい。Ｐ：Ｐは酸素による磁性劣化を軽減し、鉄損を減少させ
る作用があり、また、最大透磁率の改善および磁束密度
の改善を目的として若干の添加が可能であるが、その添
加量の上限は１ｗｔ％程度までである。Ｈ：Ｈは鋼板を著しく脆くさせるため、高圧下でＨを含
有させる等、積極的な含有は避けるべきである（通常ｐ
ｐｍレベル以下）。以上のように非金属元素について
は、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｓ等を極力低く抑え、且つＣとＯの比
率を適正化することが好ましい。

【００１３】次に金属元素について説明すると、Ｍｎ：熱間圧延時の展延性の改善と、脱硫作用および規
則−不規則変態における磁性改善効果を考慮すると、Ｍ
ｎは０．５ｗｔ％以下の範囲で添加することが好まし
い。Ｃａ：Ｃａは多量に含有すると透磁率を低下させるた
め、０．３ｗｔ％以下とすることが好ましい。Ｖ：若干のＶを添加することにより、Ｈｃが改善される
ことが知られている。すなわち、Ｖは０．０５ｗｔ％程
度添加することにより、結晶粒の発達が促進され、磁性
が改善される。このため、Ｖは０．１ｗｔ％を上限とし
て添加することができる。Ｔｉ：０．０５ｗｔ％程度添加することでＶと同様の効
果を期待でき、このため、０．１ｗｔ％を上限として添
加することができる。

【００１４】Ｂｅ、Ａｓ：若干の磁気特性改善効果が期
待でき、それぞれ０．１ｗｔ％を上限として添加するこ
とができる。Ｃｕ：０．７ｗｔ％程度までは、磁性を大きく劣化させ
ることはないが、０．７ｗｔ％を超えて含有すると鉄損
が増大する。このため、Ｃｕは０．７ｗｔ％以下、好ま
しくは０．１ｗｔ％以下とすることが望ましい。Ｃｒ：鉄損を増大させる傾向があり、０．０３ｗｔ％以
下とすることが好ましい。Ｎｉ：磁気特性を著しく悪化させるため、極力低減させ
ることが好ましく、０．０１ｗｔ％以下とすることが好
ましい。

【００１５】

【００１６】また、以上のような元素の他に、下記のよ
うな目的で他の元素を添加しても本発明の効果を損なう
ものではない。・結晶粒成長抑制元素：Ｓｅ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｂ、Ｔｅ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｚ
ｒ、Ｎｂ等・結晶方位改善元素：Ｂ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｗ等・機械特性改善元素加工性改善：Ｍｏ、Ｗ、Ｃｏ等強度改善：Ｗ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｂ、Ｎｂ、Ｔａ、
Ｚｒ、Ｈｆ等

【００１７】

【実施例】〔実施例１〕Ｓｉ浸透拡散過程における板厚方向のＳｉ濃度分布が磁
気特性に及ぼす影響を調べた。Ｓｉを３ｗｔ％含み、板
厚０．５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．１ｍｍの冷延鋼板を、
ＳｉＣｌ₄を含む雰囲気中で１１５０℃の温度で浸珪処
理し、次いでＮ₂雰囲気中において種々の拡散時間で拡
散処理を行い、得られた鋼板の板厚方向でのＳｉ濃度分
布を測定した。浸珪処理前の素材成分は表２の通りであ
り、また、浸透拡散処理後の板厚方向平均Ｓｉ量は６．
５〜６．７ｗｔ％であった。なお、０．１ｍｍ材につい
ては、Ｓｏｌ．Ａｌを０．２ｗｔ％含むため、Ｓｉの浸
透拡散処理はＡｒ雰囲気中で実施した。図１に０．５ｍ
ｍ材の拡散過程における板厚方向Ｓｉ濃度分布の経時変
化を示す。Ｓｉ濃度偏差値Δ〔％Ｓｉ〕と板厚ｔとの比
Δ〔％Ｓｉ〕／ｔは、拡散時間２５分程度で１０以下と
なり、さらに、拡散時間４０分程度で５以下となる。図
２は、図１の結果に基づきΔ〔％Ｓｉ〕／ｔの拡散時間
に伴う変化を示したものである。図３は各板厚の素材に
ついて、拡散時間を変えたサンプルの鉄損（Ｗ₁₀／₅₀）
を測定し、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔが０．２未満となったもの
を拡散が飽和したものと見なし、この時の鉄損値
（Ｗ₀．₂）を基準にして他のサンプルの鉄損値を無次元
化して整理したものである。これによれば、Δ〔％Ｓ
ｉ〕／ｔが１０以下であれば、鉄損値はほぼ飽和するこ
とが判る。また、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ＝１０に対して、Δ
〔％Ｓｉ〕／ｔ＝５では、約５〜１０ｗｔ％程度鉄損値
が改善されている。図４は図３と同様の各板厚の素材に
ついて、その最大透磁率を整理して示したものである。
これによれば、最大透磁率はΔ〔％Ｓｉ〕／ｔ＝１０程
度では十分ではなく、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦５でほぼ飽和
値に達することがわかる。図４における、Δ〔％Ｓｉ〕
／ｔ≦５での改善効果は、５０Ｈｚ程度の周波数領域に
おいては履歴損失の影響が大きく、すなわち、最大透磁
率が大きくなることによる履歴損失の改善効果によるも
のである。

【００１８】〔実施例２〕板厚方向での平均Ｓｉ含有量が磁気特性に及ぼす影響調
べた。表２に示す成分組成の０．５ｍｍ材について、平
均Ｓｉ含有量を変えるために浸珪量を調整しつつ浸珪処
理を行ない、次いで、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔが１０および５
程度となるまで拡散処理を施したサンプルを作成し、そ
れらの最大透磁率、鉄損および磁歪特性を評価した。そ
の結果を図５に示す。これによれば、板厚方向平均Ｓｉ
含有量が、６．２〜７．２ｗｔ％の範囲にあれば、最大
透磁率は最大となり、鉄損はほぼ最小となり、また磁歪
は±０．１／１０⁶以下となり、優れた磁気特性を示す
ことが判る。また、Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ＝１０よりもΔ
〔％Ｓｉ〕／ｔ＝５の方がより優れた軟磁気特性を示
し、特に最大透磁率については格段に優れた特性を示す
ことが判る。なお、図中に従来法たる特開昭６２−２２
７０３３号の方法で製造したサンプルの評価結果を示す
が、板厚方向の平均Ｓｉ含有量が５．６ｗｔ％と低いた
めに十分な磁気特性が得られていない。

【００１９】〔実施例３〕Ａｌ量が磁気特性に及ぼす影
響を調べた。Ｓｉ：３．２ｗｔ％、Ｃ：０．００３ｗｔ
％、Ｍｎ：０．０５ｗｔ％、Ｐ：０．０１ｗｔ％、Ｎ：
０．００４ｗｔ％、Ｓ：０．００３ｗｔ％を含有し、且
つＡｌ含有量を種々変えた０．５ｍｍの鋼板を浸珪処理
した後、Ｎ₂を含んだ雰囲気中で拡散処理して、本発明
範囲の平均Ｓｉ含有量、Ｓｉ濃度分布を有するサンプル
を作製し、Ａｌ含有量が最大透磁率に及ぼす影響を調べ
た。図６はその結果を示すもので、Ａｌ量が８０ｐｐｍ
を超えると最大透磁率が著しく劣化することが判る。こ
の傾向は、板厚を変えてもほぼ同様であった。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【表２】

【００２２】

【発明の効果】以上述べた本発明の高珪素鋼板は、Ｓｉ
の拡散処理をＮ ₂ を含む雰囲気中で行った場合でも鉄
損、最大透磁率及び磁歪等の磁気特性が優れ、しかも連
続ラインで効率的且つ安価に製造することが可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】浸珪処理後の拡散処理における板厚方向Ｓｉ濃
度分布の経時変化を示すものである。

【図２】拡散処理時間とΔ〔％Ｓｉ〕／ｔとの関係を示
すものである。

【図３】Δ〔％Ｓｉ〕／ｔが鉄損に及ぼす影響を示すも
のである。

【図４】Δ〔％Ｓｉ〕／ｔが最大透磁率に及ぼす影響を
示すものである。

【図５】板厚方向平均Ｓｉ含有量が最大透磁率、鉄損、
磁歪特性に及ぼす影響を示すものである。

【図６】Ａｌ含有量が最大透磁率に及ぼす影響を示すも
のである。

【図７】不純物元素の含有量が鉄損に及ぼす影響を示す
ものである。。

【図８】炭素と酸素の含有量比が鉄損に及ぼす影響を示
すものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−227033（ＪＰ，Ａ) 特開平２−277748（ＪＰ，Ａ) 特公昭51−12444（ＪＰ，Ｂ１)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｉの浸透拡散処理により製造される高
珪素鋼板であって、鋼中のＳｏｌ．Ａｌが８０ｐｐｍ以
下、板厚方向の平均Ｓｉ濃度が６．２〜７．２ｗｔ％で
あり、且つ、板表層部のＳｉ濃度（ｗｔ％）と板厚中心
部のＳｉ濃度（ｗｔ％）との偏差Δ〔％Ｓｉ〕が、０．２≦Δ〔％Ｓｉ〕／ｔ≦５但し、ｔ：鋼板の板厚（ｍｍ）を満足する軟磁気特性に優れた高珪素鋼板。