JPH0549743B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、化学気相蒸着（以下、CVDと称す）
法による高珪素鋼帯の製造方法に関する。

［従来の技術］ 電磁鋼板として高珪素鋼板が用いられている。
この種の鋼板はSiの含有量が増すほど鉄損が低減
され、Si：6.5％では、磁歪が０となり、最大透
磁率もピークとなる等最も優れた磁気特性を呈す
ることが知られている。

従来、高珪素鋼板を製造する方法として、圧延
法、直接鋳造法及び滲珪法があるが。このうち圧
延法はSi含有量４％程度までは製造可能である
が、それ以上のSi含有量では加工性が著しく悪く
なるため冷間加工は困難である。また直接鋳造
法、所謂ストリツプキヤステイングは圧延法のよ
うな加工性の問題は生じないが、未だ開発途上の
技術であり、形状不良を起し易く、特に高珪素鋼
板の製造は困難である。

これに対し、滲珪法は低珪素鋼を溶製して圧延
により薄板とした後、表面からSiを浸透させるこ
とにより高珪素鋼板を製造するもので、これによ
れば加工性や形状不良の問題を生じることなく高
珪素鋼板を得ることができる。

［発明が解決しようとする問題点］ この滲珪法は、五弓、阿部により提案され、三
谷、大西らにより詳しく検討されたものであるが
従来提案された方法はいずれも浸透処理時間が30
分以上と長く、事実上工業的連続生産には適用で
きないという根本的な問題がある。また処理温度
も1230℃程度と極めて高いことから浸透処理後の
薄板鋼の形状が極めて悪く、加えて処理温度が高
過ぎるためエツジ部が過加熱によつて溶解するお
それがある。

本発明はこのような従来技術の欠点を改善する
ためになされたもので、滲珪法を用い、短時間の
滲珪処理により高品質の高珪素鋼帯を安定して製
造することができる方法の提供を目的とする。

［問題を解決するための手段］ このため本発明は、鋼帯を、無酸化状態で1023
〜1200℃の温度に加熱した後、この温度の鋼帯
を、SiCl₄をmol分率で５〜35％含んだ無酸化性
ガス雰囲気中で、化学気相蒸着法により連続的に
滲珪処理した後、熱間または温間状態でコイル状
に巻取り、次いでバツチ光輝焼鈍し、Siを鋼体内
部に拡散させるようにしたことをその基本的特徴
とする。

以下、本発明の詳細を説明する。

本発明において、鋼帯の成分組成には特に限定
はないが、優れた磁気特性を得るため以下のよう
に定めるのが好ましい。

３〜6.5％Si−Fe合金の場合 Ｃ：0.01％以下、Si：０〜4.0％ Mn：２％以下、その他不可避不純物は極力
低い方が望ましい。

センダスト合金の場合 Ｃ：0.01％以下、Si：４％以下、Al：３〜８
％、Ni：４％以下、Mn：２％以下、Cr，Ti
などの耐食性を増す元素５％以下、その他の不
可避不純物は極力低い方が望ましい。

鋼帯は熱間圧延−冷間圧延により得られるもの
に限らず、直接鋳造・急冷凝固法により得られた
ものでもよい。

なお、鋼帯はCVD処理により板厚が減少する
ものであり、このため最終製品板厚に対し減少板
厚分を付加した板厚のものを用いる必要がある。

本発明は、このような鋼帯に〔CVD法による
滲珪処理〕−〔バツチ光輝焼鈍による拡散処理〕を
施すことにより高珪素鋼帯を得るものである。

第１図は本発明法による薄鋼板製造プロセスの
一例を示すもので、鋼帯Ｓの処理に適用した場合
を示している。図において、１は加熱炉、２は
CVD処理炉、３は冷却炉、４はコイル捲取室、
６はバツチ焼鈍炉である。

鋼帯は、加熱炉１でCVD処理温度たる1023〜
1200℃まで無酸化加熱された後、CVD処理炉２
に導かれ、SiCl₄を含む無酸化性ガス雰囲気中で
CVD法による滲珪処理が施される。SiCl₄を含む
無酸化性ガスとは、中性或いは還元性ガスを意味
し、SiCl₄のキヤリアガスとしてはAr，N₂，He，
H₅，CH₄等を使用することができる。これらキ
ヤリアガスのうち、排ガスの処理性を考慮した場
合、H₂，CH₄等はHClを発生させその処理の必
要性が生じる難点があり、このような問題を生じ
ないAr，He，N₂が望ましく、さらに材料の窒化
を防止するという観点からすればこれらのうちで
も特にAr，Heが最も好ましい。

CVD処理における鋼帯表面の主反応は、 5Fe＋SiCl₄→Fe₃ Si＋２ FeCl₂↑ である。Si1原子が鋼帯面に蒸着してFe₃Si層を形
成し、Fe2原子がFeCl₂となり、FeCl₂の沸点1023
℃以上の温度において気体状態で鋼帯表面から放
散される。したがつてSi原子量が28.086、Fe原子
量が55.847であることから、鋼帯は質量減少し、
これに伴い板厚も減少することになる。ちなみ
に、Si3％鋼帯を母材とし、CVD処理でSi6.5％鋼
帯を製造すると、質量は8.7％減少し、板厚は約
7.1％減少する。

従来法においてCVD処理に時間がかかり過ぎ
るのは、そのCVD処理条件に十分な検討が加え
られていなかつたものによるものと考えられる。
本発明者等が検討したところでは、CVD処理を
迅速に行うための要素には次のようなものがある
ことが判つた。

雰囲気ガス中のSiCl₄濃度の適正化。

処理温度の適正化。

SiCl₄の鋼帯表面への拡散及びFeCl₂の鋼帯
表面からの放散の促進。

このため本発明ではCVD処理における雰囲気
ガス中のSi濃度及び処理温度を規定するものであ
る。

まず、CVD処理における無酸化性ガス雰囲気
中のSiCl₄濃度をmol分率で５〜35％に規定し、
このような雰囲気中で鋼帯を連続的にCVD処理
する。

雰囲気中のSiCl₄が５％未満であると期待する
Si富化効果が得られず、また、例えば鋼帯のSiを
1.0％富化するために５分以上も必要となる等、
処理に時間がかかり過ぎ、連続プロセス化するこ
とが困難となる。

一方、SiCl₄を35％を超えて含有させても界面
における反応が律速になり、それ以上のSi富化効
果が期待できなくなる。

またCVD処理では、SiCl₄濃度が高いほど所謂
カーケンダールボイドと称する大きなボイドが生
成し易い。このボイドはSiCl₄濃度が15％程度ま
ではほとんど見られないが、15％をこえると生成
しはじめる。しかし、SiCl₄濃度が35％以下では、
ボイドが生成しても後に行われる拡散処理により
ほぼ完全に消失させることができる。換言すれば
SiCl₄濃度が35％を超えるとボイドの生成が著し
く、拡散処理後でもボイドが残留してしまう。第
９図はSiCl₄20％の雰囲気でCVD処理した直後の
鋼帯断面を示すもので、蒸着層にはボイドがみら
れる。第１０図はこの鋼帯を1200℃×1hrのバツ
チ光輝焼鈍した後の断面を示すものであり、
CVD処理直後のボイドはほぼ完全に消失してい
る。これに対し第１１図はSiCl₄40％でCVD処理
し、その後バツチ光輝焼鈍した鋼帯の断面を示す
もので、ボイドが層状に残留していることが判
る。

CVD処理温度は1023〜1200℃の範囲とする。
CVD処理反応は鋼帯表面における反応であるか
ら、この処理温度は厳密には鋼帯表面温度であ
る。

CVD処理による反応生成物であるFeCl₂の沸点
は1023℃であり、この温度以下ではFeCl₂が鋼帯
表面から気体状態で放散されず、鋼帯表面に液体
状に付着して蒸着反応を阻害してしまう。本発明
者らが行つた基礎実験の結果では、このFeCl₂の
沸点を境に、単位時間当りのSiの富化割合が著し
く異なり、1023℃以下では蒸着速度が小さいため
連続プロセスへの適用は困難である。このため処
理温度の下限は1023℃とする。

一方、上限を1200℃と規定する理由は次の通り
である。Fe₃Siの融点は、第２図に示すFe−Si状
態図から明らかなように1250℃であるが、発明者
等の実験によれば、1250℃より低い1230℃程度で
処理した場合でも、鋼帯表面が部分的に溶解し、
また、鋼帯エゾジ部分が過加熱のため溶解する。
このように1250℃以下でも鋼帯が溶解するのは、
鋼帯表面ではFe₃Si相当のSi濃度14.5％以上にSi
が蒸着されているためであると推定される。これ
に対し処理温度が1200％以下であれば鋼帯表面は
溶解は全く認められず、また、エツジの過加熱
も、鋼帯中心部の平均温度を1200℃とすること
で、1220℃程度におさえることが可能であり、微
量な溶解で済むことが実験的に確認できた。以上
の理由から、CVD処理温度は1023℃〜1200℃と
規定する。

以上のようにしてCVD処理された鋼帯Ｓは、
バツチ光輝焼鈍によりSiの拡散熱処理が施され
る。鋼材が本発明のように鋼帯の場合、CVD処
理後コイルに捲取る必要があるが、CVD処理直
後（拡散熱処理前）の鋼帯の表層はSiが10wt％
以上も存在し、常温状態で捲取つた場合鋼帯に割
れが生じてしまい、このため常温での捲取りは不
可能に近い。そこで鋼帯Ｓは冷却炉３において上
記CVD処理温度から所定の温度まで冷却された
後、熱間また温間状態でコイルに捲取られる。こ
の捲取温度の下限は鋼帯Ｓの板厚、Si蒸着量等に
より異なるが、例えば鋼帯表層のSi濃度が14〜
15wt％の場合、通常600℃以上で捲き取る必要が
ある。第１４図はCVD処理された鋼帯（板厚
0.35mm）を20インチ径の捲取リールに捲き取る際
に、鋼帯の破断が生じない捲取温度を鋼帯表層部
のSi温度との関係で示したものである。これによ
れば、CVD処理直後の鋼帯表層部のSi濃度は14
〜15％程度であるため、600℃以上で捲き取らな
いと鋼帯の破断が生じる。これに対してCVD処
理後に連続ライン中で数分間保持し、鋼帯表層部
のSiを拡散させてその濃度を12％程度まで低下さ
せた場合、350℃以上の温度で捲き取れば鋼帯の
破断は防止できる。担し、それ以上連続ライン中
で拡散を進めるのは後工程でバツチ焼鈍する意味
がなくなるので、表層部のSi濃度が12％程度以上
で捲き取るのが好ましい。因みに、CVD処理後
に表層部のSiを板厚方向に略均一に拡散させた場
合（例えば、6.5Si％に均一に拡散）には、常温
での捲き取りが可能である。

なお捲取後は常温まで冷却しても問題はない。

捲取られたコイル７はバツチ焼鈍炉６に装入さ
れ無酸化雰囲気または還元雰囲気でバツチ焼鈍さ
れる。

この熱処理により鋼帯表層に蒸着したSiは鋼帯
の内部に拡散され、略均一なSi濃度を有する高珪
素鋼帯が得られる。

本発明ではこのような拡散熱処理をバツチ焼鈍
で行うことにより、拡散、均熱を十分行うことが
でき、これにより均一なSi濃度の電磁材料を得る
ことができる。加えて、本発明ではこのバツチ焼
鈍を無酸化若しくは還元雰囲気下で行うものであ
り、これにより結晶粒の成長を抑えつつ拡散熱処
理を行うことができ、塑性加工性に優れた磁性材
料を得ることができる。

光輝焼鈍用雰囲気ガスとしては、Ar，He，
N₂，H₂等を用いることができ、通常はAr＋H₂、
N₂＋H₂が雰囲気ガスとして用いられる。

CVD処理速度を鋼帯の連続処理を可能ならし
めるまで高めるには、上述したように雰囲気ガス
中のSiCl₄濃度と処理温度の適正化を図ることが
必要であるが、これに加え鋼帯表面へのSiCl₄拡
散とFeCl₂の鋼帯表面からの放散とを促進するこ
とによりCVD処理速度をより高めることが可能
となる。

従来では、CVD処理で反応ガスを大きく流動
させると、蒸着層にボイドが発生し、また蒸着層
の純度も低下するとされ、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ことにより、反応ガスの母材
界面への拡散移動、及び反応副生成物の界面表層
からの離脱がスムースに行われず、このため処理
に長時間を要すること、さらにはガス流動が抑え
られるためCVD処理炉内の反応ガス濃度に分布
を生じ、この結果蒸着膜厚の不均一化を招くこと
が判つた。

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処理炉において吹込ノズルに
より雰囲気ガスを被処理材に吹付け、或いはフア
ン等により雰囲気を強制循環させることにより
SiCl₄の鋼帯表面への拡散及び反応生成物たる
FeCl₂の鋼帯表面からの放散を著しく促進し、高
い蒸着速度でしかも蒸着膜の不均一化を抑えつつ
CVD処理できることが判つた。

このようなCVD処理性の向上は、吹付ノズル
により雰囲気ガスを鋼帯表面に吹付ける方法が特
に有効である。第３図はこのノズル吹付方式によ
る実施状況を示すもので、CVD処理炉２内に鋼
帯Ｓに面して吹付ノズル５が配置され、鋼帯表面
にSiCl₄を含む雰囲気ガスが吹付けられる。第４
図イ及びロは、吹付ノズル５による吹付状況を示
すもので、イに示すように鋼帯面に対して直角
に、或いはロに示すように斜め方向から吹付ける
ことができる。

このようなノズル吹付による単位時間当りのSi
富化割合は、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。一般には
5Nm／sec以下の流速で十分な効果が得られる。

なお前記加熱炉１では無酸化加熱が行われるも
のであり、このため電気間接加熱、誘導加熱、ラ
ジアントチユーブ間接加熱、直火還元加熱等の加
熱方式を単独または適当に組み合せた加熱方法が
採られる。なお、間接加熱方式を採る場合、加熱
に先立ち電気洗浄等の前処理が行われる。前処理
を含めた加熱方式として例えば次のようなものを
援用できる。

前処理−〔予熱〕−電気間接加熱（または誘導
加熱） 前処理−〔予熱〕−ラジアントチユーブ加熱−
電気間接加熱（または誘導加熱） 〔予熱〕−直火還元加熱−電気間接加熱（ま
たは誘導加熱） 前処理−〔予熱〕−ラジアントチユーブ間接加
熱〔セラミツクラジアントチユーブ方式） 〔予熱〕−直火還元加熱 また、冷却炉４での冷却方式に特に限定はなく
ガスジエツト冷却、ミスト冷却、放射冷却等の各
種冷却方式を単独または組合せた形で採用するこ
とができる。

本発明は、6.5％Si鋼帯のような珪素含有量が
極めて高い鋼帯の製造に好適なものであることは
以上述べた通りであるが、従来、圧延法で製造す
る場合に変形が多く歩留りが悪かつたSi：２〜４
％程度の高珪素鋼帯も容易に製造できる利点があ
る。

［実施例］ Γ 実施例 １ 小型のCVD処理炉を用い、CVD処理性に対す
るSiCl₄濃度及びCVD処理温度の影響を調べた。
その結果を第５図及び第６図に示す。

図中、Ａが雰囲気法、すなわちノズル吹付を行
わないでCVD処理した場合、またＢがノズル吹
付法、すなわち第３図に示すように雰囲気ガスを
鋼帯面に0.5m／secの流速で吹き付けつつCVD処
理した場合と示す。なお、Si富化割合とは、母材
当初のSi濃度に対するCVD処理によるSi増加分
を示す。

これによれば、SiCl₄濃度５％以上、CVD処理
温度1023℃以上において大きなSi富化効果が得ら
れている。また同じ条件でも、吹付ノズルにより
雰囲気ガスを吹付ける方法の場合、単に雰囲気中
で鋼帯を通板せしめる場合に較べ格段に優れたSi
富化効果（CVD処理性）が得られていることが
判る。

第７図は同様のCVD処理炉を用い、雰囲気法
Ａとノズル吹付法Ｂの蒸着時間と鋼帯中Si濃度
（母材Si量＋蒸着Si量）との間係を、Si：３％、
板厚0.5mmの鋼帯をSiCl₄濃度21％、処理温度1150
℃でCVD処理した場合について調べたものであ
る。なお、ノズル吹付法では、スリツトノズルに
より鋼帯に対し垂直方向から0.2Nm／secの流速
で雰囲気ガスを吹付けた。同図から判るように、
6.5％Si鋼相当のSi蒸着量を得るために雰囲気法
Ａでは７分かかるのに対し、ノズル吹付法Ｂでは
1.5分で処理することができた。

第８図はノズル吹付法における衝突ガス流速と
鋼帯のSi富化割合（第５図及び第６図と同様）と
の関係を示すものであり、所定レベルまでは衝突
ガス流速に比例して鋼帯のSi富化割合が増大して
いる。

Γ 実施例 ２ 第１図に示す連続プロセスにより、板厚0.35mm
の３％Si鋼を1150℃に加熱し、次いで雰囲気ガス
中SiCl₄濃度20％、処理時間２分のCVD処理を施
し、冷却後800℃で捲き取り、その後無酸化状態
で徐冷した。その後バツチ式光輝焼鈍炉内で雰囲
気をAr75％、H₂25％とし、1200℃×20分、40
分、60分の３水準で均熱保持し、6.5％のSi鋼を
製造した。また比較材として、同様の条件で
CVD処理を施した鋼帯を、真空焼鈍炉内で1200
℃×20分、40分、60分の３水準で均熱保持し、
6.5％Si鋼を製造した。

これらの鋼帯からサンプルを取り、結晶粒径の
側定を行つた。第１２図はその結果を示すもの
で、本発明材では結晶粒径が小さく抑えられ、優
れた加工性が得られていることが判る。

またこれらのサンプルについて打ち抜き試験に
より加工性の評価を行つた。この結果、比較材で
は切断面付近に粒界破断がみられ、きれいな切断
面が得られなかつたのに対し、本発明材では型ど
おりの良好な切断面が得られた。さらに、第１３
図は同サンプルについて曲げ試験により曲げ可能
半径を調べた結果を示すもので、本発明材が比較
材に較べ良好な加工性を有していることが判る。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば連続ラインにおいて
短時間でCVD処理を行うことができるとともに、
1200℃以下の温度でCVD処理を行うため鋼帯の
形状不良やエツジ部溶解等の問題を生じさせるこ
とがなく、加えてバツチ光輝焼鈍による拡散熱処
理によつて磁気特性を確保しつつ優れた塑性加工
性を有する鋼帯を得ることができ、これらのこと
からラインの長大化を招くことなく高品質で且つ
加工性の良い高珪素鋼帯を能率的に製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明法の処理プロセスを示す説明図
である。第２図はFe−Si系状態図である。第３
図及び第４図イ，ロはノズル吹付方式による
CVD処理状況を示すもので、第３図は全体説明
図、第４図イ及びロはそれぞれノズル吹付方法を
示す説明図である。第５図はCVD処理における
ガス中SiCl₄濃度と鋼帯Si富化割合との関係、第
６図はCVD処理温度と鋼帯Si富化割合との関係
をそれぞれ示すものである。第７図は本発明にお
けるSi蒸着時間と鋼帯中Si濃度との関係を、雰囲
気法及びノズル吹付法で比較して示したものであ
る。第８図はノズル吹付法によるCVD処理にお
いて、雰囲気ガスの鋼帯に対する衝突ガス流速と
鋼帯Si富化割合との関係を示すものである。第９
図ないし第１１図は本発明材及び比較材たる鋼帯
断面の金属組識を示す顕微鏡拡大写真であり、第
９図はSiCl₄：20％の雰囲気でCVD処理した直後
の組織、第１０図はその鋼帯を拡散熱処理した後
の組織、第１１図はSiCl₄：40％でCVD処理し、
その後拡散処理した後の組識を示している。第１
２図は本発明実施例における各サンプルの平均結
晶粒径を示すものである。第１３図は同じく各サ
ンプルの曲げ加工性を示すものである。第１４図
はCVD処理された鋼帯を捲取リールに捲き取る
際の、鋼帯の破断が生じない捲取温度を鋼帯表面
のSi濃度との関係で示したものである。 図において、１は加熱炉、２はCVD処理炉、
３は冷却炉、５はバツチ焼鈍炉、Ｓは鋼帯であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 鋼帯を、無酸化状態で1023〜1200℃の温度に
   加熱した後、この温度の鋼帯を、SiCl₄をmol分
   率で５〜35％含んだ無酸化性ガス雰囲気中で、化
   学気相蒸着法により連続的に滲珪処理した後、熱
   間または温間状態でコイル状に巻取り、次いでバ
   ツチ光輝焼鈍し、Siを鋼体内部に拡散させるよう
   にしたことを特徴とする高珪素鋼帯の製造方法。