(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：0.02〜0.10mass％、Si：1.0 〜5.0 mass％およびMn：0.05〜2.5 mass％を含み、インヒビター成分として、Ｓ，Se, Al, Ｎ，Cu, Sb, Sn, Bi, TeまたはＢのうちの１種または２種以上を含有する方向性電磁鋼板用スラブを素材とし、該素材を熱間圧延し、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終冷延板厚としたのち、１次再結晶焼鈍を施し、焼鈍分離剤を塗布してから最終仕上げ焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、
１次再結晶焼鈍での昇温速度、均熱温度、均熱時間および雰囲気ガスの酸化度をそれぞれ、昇温速度：７〜20℃／秒、均熱温度：805 〜855 ℃、均熱時間：60〜180 秒間および雰囲気の酸化度（PH2O／PH2)：0.25〜0.45の範囲で適宜調整することにより、１次再結晶板の表層形成されるFeまたはMnあるいはそれら両者を含むけい酸塩の平均２次元粒径を、0.25μm 以上、12.0μm 未満に制御することを特徴とする磁気特性に優れる方向性電磁鋼板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は方向性電磁鋼板の製造方法に関し、特に製品の磁気特性を著しく向上させことができる製造方法を提案するものである。
【０００２】
【従来の技術】
方向性電磁鋼板は主にトランスその他の電気機器の鉄心材料として使用されており、励磁特性、鉄損特性などの磁気特性に優れていることが要求される。励磁特性を表す数値としては、磁場の強さ800 A/m における磁束密度Ｂ8 の値が通常使用される。また、鉄損特性を表す数値としては、周波数50Hzで1.7 Ｔまで磁化したときの１kgあたりの鉄損 W17/50 の値を使用している。一般に磁束密度が高いほど鉄損も良好となり、高い磁束密度をもつ方向性電磁鋼板を安定的に製造することが望まれている。
【０００３】
通常、方向性電磁鋼板にはフォルステライトなどを主体とする絶縁性のグラス被膜が表面に形成されているが、このフォルステライト被膜の良否には、脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍工程が大きく影響する。これは、１次再結晶焼鈍時に鋼板表面に形成されるFe2SiO4 や SiO2 を主体とする酸化物層と焼鈍分離剤のMgO との反応によりフォルステライト被膜（Mg2SiO4)が生成するからである。さらに、最終仕上げ焼鈍中、鋼中のインヒビターを利用し最適な２次再結晶を起こさせる現在の高磁束密度方向性電磁鋼板の製造法においては、フォルステライト被膜の形成時期、形成速度や形成量などが、雰囲気ガス中の窒素や酸素などの鋼板への侵入、あるいは鋼中からの脱出に関与し、インヒビターの分解挙動に多大な影響を及ぼす。このため、適正な被膜を生成させることは、製品の被膜特性はもちろんのこと、磁気特性にも極めて重要な課題であり、両者を両立させる技術が要求されている。
【０００４】
したがって、フォルステライト被膜形成に直接影響する１次再結晶焼鈍中に形成される鋼板表面の酸化物層の良否が、被膜特性だけでなく磁気特性に対しても極めて重要な因子であることがわかる。
【０００５】
方向性電磁鋼板の１次再結晶焼鈍板の表面に形成される酸化物層は、その最表面がFeまたはMnを含むけい酸塩の結晶で覆われ、下層は球状あるいはラメラ状の SiO2 が分散した形態になっているのが一般的である。１次再結晶焼鈍は脱炭焼鈍を兼ねて行われることが多く、脱炭処理に必要な雰囲気の酸化度（およそPH2O／PH2 で0.15以上）が確保されるため、上記のけい酸塩が形成される。酸化度PH2O／PH2 が0.15未満であれば、FeやMnを含まない SiO2 が形成されるだけであるが、その条件下では緻密な SiO2 のみが形成されるため脱炭反応はほとんど進行しない。ただし、特開昭54−160514号公報（方向性電磁鋼板の脱炭焼鈍方法）にならい、例えば脱炭処理終了後に炉内の焼鈍雰囲気を還元性領域とし、 SiO2 層を最表面に形成させた場合は別である。
【０００６】
さて、表面に形成される酸化被膜を改良し、磁気特性を向上させる手段として、焼鈍の後半の雰囲気酸化度を前半よりも低くすることを開示した特開昭54−160514号公報や焼鈍の加熱帯の雰囲気酸化度を均熱帯よりも低く設定することを開示した特開平 6−336616号（方向性けい素鋼板の製造方法）、１次再結晶焼鈍前にSi化合物を付着させることを開示した特開平 6−264259号（磁気特性の優れた一方向性けい素鋼板の製造方法）等、１次再結晶焼鈍の雰囲気酸化度などを規定し、形成される酸化物層の改善がはかられていたが、実際には１次再結晶焼鈍前の表面粗度や放射率、表面近傍の鋼中のＣ量の分布や脱Si状態に左右されて、形成される酸化物層の特性は異なり、最終的に大なり小なりの磁気特性のバラツキを生じ、磁気特性の高位安定化の決め手にはならなかった。また、特開昭59−41480 号（方向性珪素鋼板における欠陥のないフオルステライト質被膜形成方法）には酸化物層中のFe2SiO4 と SiO2 の赤外反射吸収スペクトルの吸収比を、特開平 6−184638号（均一なグラス皮膜を有し、磁気特性の著しく優れた方向性電磁鋼板の製造方法）には酸化物層組成を（Fe，Mn）Ｏa  SiO2 b とみたて、その組成率を規定し、主に均一なグラス被膜を形成する方法が開示されているが、磁気特性との相関が明瞭でなく、かつ必ずしもその規定範囲内でなくても、良好な磁気特性を有する製品が製造されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記した問題点を有利に解決し、方向性電磁鋼板製造の中間工程である脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍中に形成される酸化物層の物性を管理指標とし、優れる磁気特性を有する方向性電磁鋼板を安定的に製造することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、１次再結晶焼鈍板の表面に形成される酸化物層の諸物性と磁気特性との関係について綿密に調査したところ、酸化物層の最表層に形成されるFeまたはMnを含むけい酸塩の結晶粒径と磁気特性とに明瞭な相関があることを見出し、この発明を達成したものである。
すなわち、この発明の要旨とするところは以下の通りである。
【０００９】
Ｃ：0.02〜0.10mass％、Si：1.0 〜5.0 mass％およびMn：0.05〜2.5 mass％を含み、インヒビター成分として、Ｓ，Se, Al, Ｎ，Cu, Sb, Sn, Bi, TeまたはＢのうちの１種または２種以上を含有する方向性電磁鋼板用スラブを素材とし、該素材を熱間圧延し、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終冷延板厚としたのち、１次再結晶焼鈍を施し、焼鈍分離剤を塗布してから最終仕上げ焼鈍を施す方向性電磁鋼板の製造方法において、
１次再結晶焼鈍での昇温速度、均熱温度、均熱時間および雰囲気ガスの酸化度をそれぞれ、昇温速度：７〜20℃／秒、均熱温度：805 〜855 ℃、均熱時間：60〜180 秒間および雰囲気の酸化度（PH2O／PH2)：0.25〜0.45の範囲で適宜調整することにより、１次再結晶板の表層形成されるFeまたはMnあるいはそれら両者を含むけい酸塩の平均２次元粒径を、0.25μm 以上、12.0μm 未満に制御することを特徴とする磁気特性に優れる方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１０】
ここで、平均２次元粒径とは、鋼板表面に対し垂直方向から測定した、面積等価の円相当直径の平均値である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の基礎となった実験例について説明する。鋼の成分組成として、Ｃ：0.06mass％（以下単に％であらわす）、Si:3.25 ％、Mn：0.08％、Sol.Al：0.025 ％、Ｎ：0.0079％およびSe：0.025 ％を含有し、残部はFe及び不可避的不純物の組成からなるスラブを通常工程にならって熱間圧延し、得られた熱延板を1000℃の温度の熱延板焼鈍をしたのち、１回および中間焼鈍を含む２回以上の冷延により最終板厚：0.23mmとし、脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍を行い、焼鈍分離剤を塗布したのち最終仕上げ焼鈍をそれぞれ行った。
【００１２】
１次再結晶焼鈍について、焼鈍炉内雰囲気の酸化度、均熱時間および均熱温度を変化させ、種々の酸化物層を鋼板表面に形成させた。表層に形成された酸化物は高感度赤外反射法で得られたスペクトルの吸収ピークより同定した。図１に代表的なけい酸塩の高密度赤外反射法により得られた吸収スペクトルのグラフを示す。なお酸化物層内部には、断面SEM 法によればFeまたはMnを含まない SiO2 も形成されているが、反射スペクトルには現れていない。
【００１３】
図２は表面に形成されたけい酸塩（Fe2SiO3 及びFe2SiO4 とFeSiO3の混合結晶）の平均２次元粒径と製品の磁束密度Ｂ8 および鉄損（ W17/50 ）との関係を示すグラフであるが、平均２次元粒径と磁束密度および鉄損とには明瞭な相関が認められる。
【００１４】
ここで平均２次元粒径の定義について説明する。けい酸塩の結晶は鋼板表面に平行な面内に偏平な結晶で、板厚方向の厚みは非常に薄くかつその寄与は小さいため、けい酸塩の平均結晶粒径として、この発明では鋼板表面に垂直方向から測定したときの面積等価な円相当直径の平均値を平均２次元粒径と規定した。図３は１次再結晶焼鈍板の表面SEM 像を示す金属組織写真で、けい酸塩の結晶粒が亀の甲羅状に見えている。なお、表面上にある付着物や0.1 μm 程度の小さな粒の物質名は不明であるが、この発明の目的とする磁気特性とはあまり関係がないので平均粒径の算出には含めない。
【００１５】
つぎに、この発明の方向性電磁鋼板用素材の成分組成や製造条件について、それらの限定理由、好適条件などを以下に述べる。
成分組成
Ｃ：0.02〜0.10％
Ｃは、含有量が0.02％未満では熱延時の組織が粗大化し、製品にて線状の細粒が発生する原因となるので好ましくなく、0.10％を超えると脱炭が困難となり、脱炭を兼ねる１次再結晶焼鈍時間が長くなるので工業的に不利になる。したがって、その含有量は0.02〜0.10％の範囲とする。
Si：1.0 〜 5.0％
Siはけい酸塩の形成ならびに電気抵抗を増加させ鉄損を低減させるために必要な成分であり、このためには1.0 ％以上含有させることが必要であるが、５％を超えて含有させると冷間圧延時に割れ、破断などが発生し冷間圧延が困難となる。したがって、その含有量は1.0 〜5.0 ％の範囲とする。
Mn：0.05〜2.5 ％
Mnは、含有量が0.05％未満では２次再結晶が不安定となり好ましくなく、2.5 ％を超えるとMn添加量増加によるコスト上昇のため不利となる。したがって、その含有量は0.05〜2.5 ％の範囲とする。
さらにこの発明では、磁気特性のさらなる向上をはかるため、通常のインヒビター成分として、Ｓ，Se，Al，Ｎ，Cu，Sb，Sn，Bi, TeまたはＢのうちの１種または２種以上をそれぞれ適量含有させる。
【００１６】
製造条件
上記成分組成に調整した鋼スラブを素材とし、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍（均一化焼鈍）を施したのち、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終冷延板厚としたのち、脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍を行う。
【００１７】
この発明では、１次再結晶焼鈍時に鋼板表面に形成されるけい酸塩の平均２次元粒径を、１次再結晶焼鈍での昇温速度、均熱温度、均熱時間または雰囲気ガスの酸化度などの調整により0.25μm から12.0μm 未満に制御することを骨子とする。
【００１８】
すなわち、前掲図２に示したように、0.25μm 以上の場合に極めて優れた磁気特性が得られることから、平均２次元粒径の下限は0.25μm とする。
なお、図２の実験条件の場合よりもMn含有量が多いスラブの場合には、Mn2SiO4 やMnSiO3さらにはその中間組成の(Fe, Mn)2SiO4 、(Fe, Mn)SiO3が形成される。FeとMnの置換は連続的になされるが、これらMnを含むけい酸塩の場合も図２と同様の結果が得られ、また、一般に低い酸化度の雰囲気条件ほどFeからMnへの置換が進行した。
【００１９】
一方、各種実験によると１次再結晶焼鈍の雰囲気の酸化度と昇温速度とを変更した場合Fe2SiO4 、FeSiO3またはその混合粒などけい酸塩の平均２次元粒径は雰囲気酸化性の低下や昇温速度の低下などにより大きくなる結果が得られた。このとき平均２次元粒径はけい酸塩の種類には依存しなかった。
しかしながら、平均２次元粒径を増大させるべく雰囲気の酸化性を低下させていくと一定限以下では、脱炭反応が起こらず、FeやMnを含むけい酸塩も生成されなくなる不都合が生じるが、それ以前に低酸化度雰囲気下でけい酸塩の結晶を成長させるには非常に長時間を要するので現実的に工業生産には不適となる。ここに、工業生産として短時間で形成されるけい酸塩の平均２次元粒径は12.0μm 未満であるので、その上限を12.0μm 未満とする。
【００２０】
ここで、低酸化度雰囲気条件でけい酸塩の平均２次元粒径が大きくなるのは、表面に吸着解離する酸素が少なく、けい酸塩結晶の核生成の頻度が小さくなるため、少数の結晶粒が粗大に成長するためと考えられる。逆に高活性な場合には、表面の酸素濃度が上昇し核生成頻度が高まるため、多数の結晶粒が発生成長し、平均の２次元粒径が小さくなると推測される。
【００２１】
そして、粗大なけい酸塩が表面を隙なく被覆するように粒成長した場合に、２次再結晶焼鈍中の窒素や酸素などのガス分子の出入りが抑制され、安定したインヒビターの分解や２次再結晶が保障されるため、製品として良好な磁気特性が安定して得られるものと考えられる。
なお、けい酸塩の２次元粒径には昇温速度、雰囲気ガスの酸化度のほか、均熱温度および均熱時間も影響する。
【００２２】
ここで、１次再結晶条件としては、昇温速度：７〜20℃／秒、均熱温度：805〜855 ℃、均熱時間：60〜180 秒間および雰囲気の酸化度（PH2O／PH2 ) ：0.25〜0.45のそれぞれの範囲で調整する必要がある。
【００２３】
１次再結晶焼鈍ののちは、MgO を主成分とする焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布し、ついで最終仕上げ焼鈍を施す。最終仕上焼鈍後に未反応分離剤を除去したのち、必要に応じて絶縁コーティングを塗布し、平坦化焼鈍後製品とすることもよい。
【００２４】
【実施例】
実施例１
Ｃ：0.065 ％、Si：3.28％、Mn：0.06％、Se：0.022 ％、sol.Al：0.024 ％、Ｎ：0.008 ％およびSb：0.030 ％を含有するスラブを2.3 mm厚に熱間圧延後、1150℃の温度で均一化焼鈍を行い、その後１回の冷間圧延で0.23mmの板厚とした。ついで830 ℃の温度で120 秒間、湿水素中で脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍を行った。このとき鋼板の昇温速度と雰囲気ガスの酸化度を表１に示すように変更し、種々の酸化表面を得た。
【００２５】
【表１】
0003937491.tif 000002
【００２６】
かくして形成されたけい酸塩は高感度赤外反射法よりFe2SiO4 であることがわかった。
それらの平均２次元粒径をSEM 観察によりそれぞれ求めた。
ついでMgO を主剤とする焼鈍分離剤を塗布し、Ｎ2 雰囲気中で800 ℃の温度で10時間保定後、Ｈ2 雰囲気中で1150℃・５時間の２次再結晶・純化焼鈍を行った。その後、りん酸マグネシウムとコロイダルシリカを主成分とする絶縁コーティングを施した。かくして得られた各製品の鉄損 W17/50 値と磁束密度Ｂ8 値とをそれぞれ調査した。また、被膜の密着性はいずれも良好で、特に差異はなかった。
これらの調査結果を表１に併記した。
【００２７】
表１から明らかなように、昇温速度が速いか雰囲気の酸化度が高い場合に、Fe2SiO4 の平均２次元粒径は小さくなり、磁気特性は劣り、逆に昇温速度が遅く、雰囲気の酸化度が低い場合に、Fe2SiO4 の平均２次元粒径は大きくなり、磁気特性は良好であった。
【００２８】
実施例２
Ｃ：0.041 ％、Si：3.30％、Mn：0.11％、Ｓ：0.03％およびSb：0.024 ％を含有するスラブを2.0 mm厚に熱間圧延後、950 ℃の温度で均一化焼鈍を行い、さらに1000℃の温度で２分の中間焼鈍を挟む、２回の冷間圧延によって0.23mmの板厚とした。ついで820 ℃の温度で90秒間、湿水素中で脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍を行った。実施例１と同様焼鈍条件を変更し、表２に示すように種々の酸化表面を得た。
【００２９】
【表２】
0003937491.tif 000003
【００３０】
かくして形成されたけい酸塩はＸ線回折より、（Fe,Mn)SiO3であることがわかった。それらの平均２次元粒径をSEM 観察によりそれぞれ求めた。つぎに、MgO を主剤とする焼鈍分離剤を塗布し、Ｈ2 雰囲気中で1200℃・10時間の２次再結晶・純化焼鈍に供した。その後、実施例１と同様に処理し、得られた各製品の磁気特性をそれぞれ調査した。それらの調査結果を表２に併記した。
【００３１】
表２から明らかなように、実施例１とはけい酸塩が異なるが、平均２次元粒径が0.25mm以上で良好な磁気特性が得られている。これらに対し、雰囲気の酸化度が低すぎてけい酸塩が形成されていない場合には、１次再結晶焼鈍で脱炭不良を生じ、磁気特性も劣化した。また、雰囲気の酸化度が高すぎて（Fe,Mn)SiO3の平均２次元粒径が小さい場合にも、磁気特性が劣っていることがわかる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明は、脱炭を兼ねた１次再結晶焼鈍中に、粒界などの欠陥の少ないちゅう密なけい酸塩層を酸化物層表面に形成させ、最終仕上げ焼鈍中の表面から鋼中への窒素や酸素の侵入など、インヒビターの適正な分解を阻害し、２次再結晶を不安定化させる要因を取り除くことにより、極めて良好な磁気特性を有する方向性電磁鋼板を安定的に得ることを可能にするものであり、この発明によれば、その産業分野に与えるメリットは非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】代表的なけい酸塩の高感度赤外反射法により得られた吸収スペクトルのグラフである。
【図２】けい酸塩の平均２次元粒径と磁気特性との関係を示すグラフである。
【図３】１次再結晶焼鈍板の表面に形成されたけい酸塩の表面SEM 像を示す金属組織写真である。
【図１】
0003937491.tif 000004
【図２】
0003937491.tif 000005
【図３】
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