(57)【要約】【課題】TiＮ被膜の適正な膜厚分布範囲を規定することにより、コイル全面にわたって磁気特性が均一な超低鉄損方向性電磁鋼板を提供する。【解決手段】鋼板の表裏面にTiＮ被膜を有する方向性電磁鋼板において、表裏面全体のTiＮ被膜の平均膜厚をｔ[ave.]、圧延直角方向におけるTiＮ膜厚分布で最大の膜厚差をΔｔ[C]、また同一位置での表裏面膜厚差の最大値をΔｔ[S]とするとき、これらについて次式(1)   (Δｔ[C]＋２×Δｔ[S]) ／（３×ｔ[ave.]）≦ 0.3の関係を満足させる。【選択図】図４
2006257534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板の表裏面にTiＮ被膜を有する方向性電磁鋼板であって、表裏面全体のTiＮ被膜の平均膜厚をｔ[ave.]、圧延直角方向におけるTiＮ膜厚分布で最大の膜厚差をΔｔ[C]、また同一位置での表裏面膜厚差の最大値をΔｔ[S]としたとき、これらが次式(1)
(Δｔ[C]＋２×Δｔ[S]) ／（３×ｔ[ave.]）≦ 0.3
の関係を満足することを特徴とする磁気特性の均一性に優れた超低鉄損方向性電磁鋼板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼板表裏面にTiＮ被膜を有する磁気特性の均一性に優れた超低鉄損方向性電磁鋼板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
方向性電磁鋼板は、主に変圧器や発電機の鉄心材料として用いられる軟磁性材料である。近年、省エネルギーの観点から、これら電気機器のエネルギーロスを低減することに対する要求が高まっており、鉄心材料として用いられる方向性電磁鋼板にも、従来にも増して良好な磁気特性が求められるようになってきた。特に、地球温暖化防止の観点から、発電所からの送配電時の電力損失を最小限にするために、方向性電磁鋼板の鉄損低減に対する要請は年々厳しくなってきている。なお、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損とに大別される。
【０００３】
方向性電磁鋼板の鉄損を低減するためには、
(1) 二次再結晶により鉄の磁化容易軸である＜００１＞軸を一方向（圧延方向）に高度に揃えることにより、ヒステリシス損を低減する、
(2) 鋼板に含まれる不純物を低減したり、表面を平滑化することにより、ヒステリシス損を低減する、
(3) 鋼板に高比抵抗元素（主としてSi）を含有させて渦電流損を低減する、
(4) 鋼板の厚みを薄くして渦電流損を低減する
等が有効である。また、
(5) 鋼板の表面に特定形状の歪みや溝を形成することにより、磁区を細分化することで渦電流損を低減する方法
も有効である。
【０００４】
しかしながら、これら従来法による鉄損の低減は、もはや限界に達しており、新たな方法を開発することが必要な時期にきている。
最近、これまで以上の鉄損低減効果を得るために、表面を平滑化した方向性電磁鋼板に、物理蒸着（ＰＶＤ）法や化学気相析出（ＣＶＤ）法を用いて高張力のセラミック被膜を形成することが検討されている。
例えば、特許文献１には、ＰＶＤ法（アーク放電方式イオンプレーティング法）を用いることにより、均一なTiＮ被膜を安定して形成する方法が提案されている。また、特許文献２には、ＣＶＤ法を用いたTiＮ被膜について、膜中のCl含有量を規定することにより、経時劣化のない超低鉄損方向性電磁鋼板が提案されている。さらに、特許文献３には、TiＮ被膜の結晶形態を規定することにより、高温での歪み取り焼鈍にも耐え得る超低鉄損方向性電磁鋼板が提案されている。
【０００５】
TiＮ被膜によって鋼板に付加される張力は、TiＮと鋼板の物理的性質と被覆温度から概算することができる。例えば、ＣＶＤ法により板厚：0.23mmの方向性電磁鋼板の表裏面にTiＮ被膜を被覆する場合、TiＮ膜厚が0.5μm以上あると張力効果により鉄損が15〜20％低減されるとされている。
しかしながら、これは張力付与型被膜であるTiＮ被膜の膜厚が鋼板の全面にわたって完全に均一であることを前提として算出されたものであるが、実際の工業生産においては、数千ｍに及ぶ鋼板コイルの全面にわたって膜厚差のない均一なTiＮ被膜を被覆するのは極めて難しい。
【０００６】
例えば、膜の着きまわり性が良く、均一な被膜が安定して得られる熱ＣＶＤ法においても、炉の温度変化やガス流れの変動、板の蛇行等の外乱因子の影響を受けるため、鋼板の幅方向および表裏面に関して膜厚差が生じる可能性がある。その他の被覆法、例えばプラズマＣＶＤ法やＰＶＤ法においても、同様に、コイル全面で均一な膜厚分布を得るのは困難と予想される。
従って、TiＮ被膜を被覆した超低鉄損方向性電磁鋼板を工業的に生産する場合、鋼板表裏面におけるTiＮ膜厚分布の許容範囲を明確にして、厳密に管理する必要がある。
ところが、上掲した各特許文献にはいずれも、磁気特性に及ぼすTiＮ膜厚分布の影響については触れられておらず、また従来そのような検討は全くなされてこなかった。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５３０６５号公報
【特許文献２】特開２００４−１９７１５４号公報
【特許文献３】特開２００４−２３８６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
TiＮ被膜は、従来の被膜に比べて高い張力を鋼板に付与できるため、微小な膜厚差によっても鋼板内に不均一な応力分布が生じてしまう。このような不均一な応力分布が発生すると、板の形状や磁気特性が著しく劣化する。従って、工業生産ラインで方向性電磁鋼板コイルにTiＮ被膜を被覆する場合、可能な限り広い面積で均一な膜厚分布が得られるようにすることが望まれる。
【０００９】
かようなTiＮ被膜は、従来から用いられている湿式の被膜塗布法では合成することができず、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法といった乾式成膜法によって合成、被覆せざるを得ない。しかしながら、鉄鋼業においては、従来、これらＣＶＤ法やＰＶＤ法が実用化された例は少なく、工業レベルでの膜厚管理に関する知見は殆どない。
従って、膜厚の均一性を重視するあまりの歩留り低下や、形状不良材および特性不良材の大量発生を防止するためには、実質的に超低鉄損（Ｗ17/50 ≦0.75W/kg）の材料が得られる適正な膜厚分布範囲を規定することが重要である。
【００１０】
本発明は、上記の実状に鑑み開発されたもので、TiＮ被膜の適正な膜厚分布範囲を規定して、コイル全面にわたって均一な鉄損を安定して得ることができる磁気特性の均一性に優れた超低鉄損方向性電磁鋼板を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明は、鋼板の表裏面にTiＮ被膜を有する方向性電磁鋼板であって、表裏面全体のTiＮ被膜の平均膜厚をｔ[ave.]、圧延直角方向におけるTiＮ膜厚分布で最大の膜厚差をΔｔ[C]、また同一位置での表裏面膜厚差の最大値をΔｔ[S]としたとき、これらが次式(1)
(Δｔ[C]＋２×Δｔ[S]) ／（３×ｔ[ave.]）≦ 0.3
の関係を満足することを特徴とする磁気特性の均一性に優れた超低鉄損方向性電磁鋼板である。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、TiＮ被膜の適正な膜厚分布範囲を規定することにより、コイル全面にわたって磁気特性が均一な超低鉄損方向性電磁鋼板を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
まず、本発明を由来するに至った実験結果について説明する。
周波数：50Hzで磁束密度：1.7Ｔまで励磁した時の鉄損Ｗ17/50が0.85W/kgで、かつ表面が平滑化された板厚：0.23mmの方向性電磁鋼板の表面に、熱ＣＶＤ法により膜厚が約0.2μm、約0.6μmおよび約1.0μmのTiＮ被膜を被覆し、その後各条件毎に幅：100mm、長さ：300mmの試料を切り出して、面内の膜厚分布を10mm間隔で測定し、その平均膜厚ｔ[ave.]を求めた。
次に、この試料に、歪み取り焼鈍に相当する熱処理（Ｎ2ガス中にて800℃×３時間）を施した後、単板磁気測定器に挿入し、鉄損Ｗ17/50 を計測した。
【００１４】
図１に、TiＮ被膜の平均膜厚と鉄損との関係を示す。
同図から明らかなように、TiＮ被覆の膜厚が増加するにつれて、素材の鉄損は減少する傾向が認められる。すなわち、TiＮ被覆の張力付与効果が確認できる。
しかしながら、膜厚がほとんど同じであるにもかかわらず、鉄損低減の度合いが試料により異なる。このような特性のバラツキは製品として好ましいものではない。とはいえ、製品特性の下限をクリアするために全体のTiＮ膜厚を増加すれば、原料であるTiCl4使用量の増加だけでなく、生産効率の低下を招く。
【００１５】
さらに、鉄損特性の悪い試料には反りが認められた。このような形状不良が生じると、鉄心材料として剪断・加工・組立される際、寸法精度が低下するため、鉄心として十分な特性が得られないおそれがある。
従って、鉄損特性のバラツキが生じた原因を明確にし、適切に対処する必要がある。
【００１６】
板の反りは、張力付与被膜の膜厚不均一が原因で生じたものと推測されるため、上記試料の中から、図２に示すように、平均膜厚が同レベル（約0.6μm）の試料を選出し、膜厚差に対する鉄損の変化について調査した。
ここで膜厚差とは、各試料の圧延直角方向（板幅方向ともいう）のTiＮ膜厚分布のグラフから、図３に示すように、板幅方向で最大の膜厚差をΔｔ[C] 、一方幅方向の同じ場所で表裏面膜厚差の最大のものをΔｔ[S]として、 (Δｔ[C]＋２×Δｔ[S]) ／（３×ｔ[ave.]）で定義した。
【００１７】
この膜厚差と鉄損との関係を整理して図４に示す。
同図に示したとおり、膜厚差が0.3を超えると鉄損が急激に上昇する、すなわち磁気特性が劣化するのが分かる。
従って、TiＮ被覆によって適切な磁気特性を得るための条件は、鋼板表面の膜厚差について、次式(1)
(Δｔ[C]＋２×Δｔ[S]) ／（３×ｔ[ave.]）≦ 0.3
の関係を満足させることである。
【００１８】
上記したように、鋼板表面の膜厚差を、式(1)を満足する範囲に制御することによって均一な磁気特性が得られる機構は、現段階では必ずしも明らかでないが、次のように推測している。
すなわち、表裏面に膜厚差が生じた場合、TiＮの張力が表裏面で異なるため、膜厚の厚い側の鋼板表面がより強く、膜厚の薄い側の鋼板表面が弱く引っ張られ、相対的に張力の強い面が凸、弱い面が凹となるように板が反る。板に反りが発生すると、磁気特性は著しく劣化してしまう。
一方、板幅方向に膜厚分布が生じた場合、面内で張力の強い部分と弱い部分が形成されるが、表裏面膜厚差ほど板形状への影響は大きくなく、磁気特性に及ぼす影響も比較的小さい。しかしながら、板幅方向膜厚差が大きくなると、板形状は単純な反りではなく、中伸びや耳伸び等が顕著となり、その結果鋼板内に不均一な応力分布が発生するため、やはり鉄損特性を劣化させる。
従って、鉄損特性を改善するためには、表裏面のみならず板幅方向の膜厚分布も適正範囲内に収める必要がある。そこで、板の反り、すなわち応力分布に及ぼす表裏面膜厚差と板幅方向膜厚差の影響の違いを考慮して、本発明では、式(1)の左辺を膜厚差を表すパラメータと定義したのである。
【００１９】
なお、方向性電磁鋼板のコイル長手方向の膜厚分布は、調査した試料全てにおいて10％以内に収まっており、この範囲内では鉄損特性にに及ぼす影響は認められなかった。従って、長手方向の膜厚分布は特に限定しないが、10％以内に収めることが望ましいのは言うまでもない。
【００２０】
また、鉄損劣化を招くTiＮ膜厚の不均一を極力抑制し、バラツキの小さい製品を供給するためには、TiＮ被覆の際に効果的な対策を講じる必要がある。
この点について、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、板面に平行でかつ板の進行方向と直交する向きにスリットを有する筒状ノズルを、板面に対して表裏等間隔の位置に備えた連続ＣＶＤ炉でTiＮ被膜を被覆する際、素材の板形状がTiＮ被膜の均一性に大きな影響を及ぼしていることを突き止めた。
【００２１】
一般に、方向性電磁鋼板は、結晶方位を揃えるため、コイルの状態で1200℃前後の高温域で焼鈍する。その際、鋼板には巻き癖と呼ばれる反りや中伸びが発生し、板形状は必ずしも良好ではない。このような鋼板を、上述した連続ＣＶＤ処理炉に通した場合、ノズルのガス噴出口と鋼板面との距離が表裏面で非対称となり、ＣＶＤ反応で鋼板面に形成されるTiＮ被膜が不均一となり易い。しかも、鋼板のノズルに近い側（凸側）が遠い側（凹側）よりもTiＮが厚く被覆される傾向があるため、鋼板に働く張力もTiＮ膜厚増加と共に上昇し、凸に反っていた部分はより凸に反ろうとして、ＣＶＤ処理後の板形状はより悪化する。
【００２２】
そこで、TiＮ被膜を被覆する際、膜厚分布に及ぼす素材板形状の影響について調査したところ、ノズルと鋼板面の距離に対して反り（板幅方向の反り量）を30％以内に収めれば、実質的に均一な膜厚のTiＮが得られることが判明した。
【００２３】
また、ＣＶＤ処理に供する方向性電磁鋼板の板形状が良好でない場合、事前に別の工程で形状矯正を行う必要がある。さらに、ＣＶＤ処理炉に装入する前に形状矯正された方向性電磁鋼板であっても、TiＮ被覆を行うために必要な1000℃前後の高温に加熱した際、形状劣化を生じる場合もある。このような場合には、その場で形状矯正することが可能となるように、素材板の形状矯正機能を有する連続ＣＶＤ処理炉で製造することが好ましい。なお、形状矯正の具体的手段は、通板するときの炉内張力アップでも良いし、炉の入側に形状矯正のためのレベラ−装置を設置してもよい。
【００２４】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明で対象とする方向性電磁鋼板としては従来公知のものいずれもが適合するが、特に好適な成分組成を掲げると次のとおりである。なお、成分に関する「％」表示は特に断らない限り質量％を意味するものとする。
本発明では、Siを1.5〜7.0％の範囲で含有することが望ましい。すなわち、Siは、製品の電気抵抗を高め鉄損を低減するのに有効な成分であるが、含有量が7.0％を超えると硬度が高くなって製造や加工が困難となる。一方、1.5％に満たないと、最終仕上焼鈍中に変態を生じて安定した２次再結晶組織が得られない。
【００２５】
また、鋼中には、上記の元素の他に、公知の方向性電磁鋼板の製造に適するインヒビター成分として、Ｂ，Bi，Sb，Mo，Te，Sn，Ｐ，Ge，As，Nb，Cr，Ti，Cu，Pb，ZnおよびIn等を単独または複合して含有させることができる。
さらに、かようなインヒビターを使用しない方法によって製造される方向性電磁鋼板に対しても、本発明の適用は可能である。
【００２６】
一方、Ｃ，Ｓ，Se，Ｎ等は不純物として磁気特性上有害な元素であり、特に鉄損を劣化させるため、最終製品とする際には、それぞれＣ：0.003％以下、ＳおよびSe：0.002％以下、Ｎ：0.002％以下とすることか好ましい。
【００２７】
また、上記の成分組成に調整した方向性電磁鋼板は、仕上焼鈍後、表面にフォルステライト被膜がない状態としておく必要がある。
そのための方法としては、従来法により形成されたフォルステライト被膜を酸洗や研磨等により除去する方法、または焼鈍分離剤の組成を調整して、鋼板表面上のフォルステライト被膜の生成を抑制し、もしくは容易に剥落するように形成させた後、洗浄・除去するといった方法により、実質的に金属外観を有する状態とする方法を適用することができる。
さらに、表面に平滑化処理を施すことが、鉄損値の低減により有効である。例えば、酸洗、サーマルエッチングや化学研磨等により表面粗さを極力小さくし、鏡面状態に仕上げた表面や、ハロゲン化物水溶液中での電解による結晶方位強調処理で得られるグレイニング様面等が挙げられる。
なお、フォルステライト被膜がない状態とは、フォルステライトが離散的、もしくは島状等部分的に微量存在しているような、実質的に被膜を形成していない場合も含まれる。
【００２８】
また、磁区細分化のための溝形成を、最終冷間圧延から製品出荷までの任意の段階で行うことは、低鉄損化に有効であるので推奨される。また、磁区細分化は溝形成法に限らず歪付与法等も有効である。
【００２９】
かくして得られた膜なしの方向性電磁鋼板ストリップの表面に、TiＮ被膜を形成する。
TiＮ被膜の被覆方法としては、ＣＶＤ法およびＰＶＤ法のいずれでも良い。
特に連続ＣＶＤ法により、TiＮ被膜を被覆する場合には、前述したように、ノズルと鋼板面の距離に対して反り（板幅方向の反り量）を30％以内に収めた条件下で被覆操業を実施することが、実質的に均一な膜厚のTiＮを得る上で重要である。
また、連続ＣＶＤ処理炉の入側に形状矯正装置を設置して、炉内に供給される鋼板の反りを予め低減することは特に有利である。
【実施例】
【００３０】
実施例１
鉄損Ｗ17/50が0.845W/kgで、表面が平滑化された板厚：0.23mmの方向性電磁鋼板を、炉内を1100℃に加熱した連続ＣＶＤ炉に通板し、種々の条件でTiCl4ガスを供給して鋼板の表裏面にTiＮ被膜を被覆した。その後、幅：100mm×長さ：300mmの試料を切り出し、10mm間隔で膜厚分布を測定した。
ついで、得られた試料に厚さ：約１μmの絶縁被膜を塗布、焼付けし、さらにＮ2ガス中で800℃×３時間の歪み取り焼鈍を施した。
かくして得られた試料を単板磁気測定器に挿入し、鉄損Ｗ17/50 を計測した。
得られた結果をTiＮ膜厚分布との関係で表１に示す。
【００３１】
【表１】
2006257534.tif 000003
【００３２】
同表に示したとおり、全体的にTiＮ被覆によって鉄損は低減しているが、特に発明例においては10％以上の顕著な鉄損低減効果が認められた。
【００３３】
実施例２
板面に平行でかつ板の進行方向と直交する向きにスリットを有する筒状ノズルを、板面に対して表裏等間隔の位置に備えた連続ＣＶＤ炉において、炉温：1100℃で一定の供給ガス条件で板厚：0.23mm、板幅：350mmで幅方向の反り量の異なる種々の鋼板を通板し、それぞれTiＮ被膜の被覆を行った。その後、鋼板表裏面で板幅方向のTiＮ膜厚分布を調査した。
得られた結果を素材反り量との関係で表２に示す。
【００３４】
【表２】
2006257534.tif 000004
【００３５】
同表から明らかなように、板幅方向の反り量がノズル−板間隔の30％未満の条件で被覆操業を行った場合に、膜厚差を低く抑制することができた。その結果として効果的な鉄損低減が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】TiＮ被膜の平均膜厚と鉄損との関係を示したグラフである。
【図２】TiＮ被膜の平均膜厚と鉄損のバラツキとの関係を示したグラフである。
【図３】本発明における膜厚差の算出要領を示した図である。
【図４】膜厚差（0.5μm≦t[ave.]≦0.7μm）と鉄損との関係を示したグラフである。
【図１】
2006257534.tif 000005
【図２】
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【図３】
2006257534.tif 000007
【図４】
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