JP2910508B2 - 鉄損特性の優れた高周波用無方向性電磁鋼板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、周波数２００Ｈｚ以
上、５ｋＨｚ以下で使用される鉄損特性に優れた高周波
用無方向性電磁鋼板に関する。

【従来の技術】無方向性電磁鋼板は電動機のローターや
ステーターの材料として用いられている。近年、電動機
の小型化、高効率化に伴い電動機を高周波域で使用する
ことが多くなっているが、高周波域で電動機を使用する
と渦電流損の増大に伴う全鉄損の増大が問題となり、こ
のため渦電流損の低減が大きな課題となる。渦電流損の
低減には、Ｓｉ＋Ａｌ量を多くして鋼板の固有抵抗を高
めたり、鋼板の板厚を薄くすることが有効である。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】固有抵抗を高めた鋼板
としては、例えば特開平２−２６７２４６号に６．５％
Ｓｉ鋼板が開示されているが、Ｓｉ量が多くなると材料
が脆くなるため冷間加工性が低下し、加えて、飽和磁束
密度の低下に伴い高磁場での磁束密度（一般にＢ₅₀で代
表される）も低下するという問題がある。また、板厚を
極端に薄くした鋼板としては所謂超急冷凝固法により製
造される薄鋼帯が知られているが、この薄鋼帯は高周波
域における鉄損は非常に低くなるものの、表面性状が悪
く、また、所定の磁束密度を得るために積層枚数が多く
なるため作業能率が低下する等の問題がある。また、幅
広のものは形状が極端に悪くなるため、板幅も２０〜３
０ｃｍ程度が限界となる。

【０００３】以上のような固有抵抗、板厚以外に高周波
鉄損に影響を及ぼす因子としては、鋼板の結晶粒径があ
る。一般に、高周波用途における最適粒径は商用周波数
の場合よりも小さいと言われており、例えば、特開平３
−２２３４４５号には周波数４００Ｈｚ以上での低鉄損
を狙いとする、結晶粒径が５〜６０μｍの高周波用無方
向性電磁鋼板が開示されている。しかしながら、本発明
者らによる実験によれば、この無方向性電磁鋼板でも高
周波域での十分な低鉄損化は達成されない。また、この
無方向性電磁鋼板は本発明のような板厚方向での窒化
物、内部酸化物の分布の適正化を行っておらず、本発明
者らが鋼板板厚方向での窒化物、内部酸化物の分布を最
適化して同様の実験を行ったところ、７００Ｈｚでの最
適結晶粒径は７０μｍ程度となり、上記提案よりも最適
粒径が粗粒側となることが判明した。また、この場合の
高周波鉄損は上記提案の鋼板よりもさらに低減すること
も判った。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上述したように、従来の
高級電磁鋼板は板厚を薄くし或いは鋼板全体の固有抵抗
を高めることで高周波磁化領域での低鉄損化を図ってお
り、これらはいずれも鋼板中の渦電流を流れにくくする
ことを狙いとしている。一方、高周波磁化においては表
皮効果のために渦電流密度の分布は鋼板板厚方向で均一
ではなく、渦電流密度は鋼板表層部で高く、鋼板内部で
は急激に減少する。このため鋼板の固有抵抗を板表層部
で高くすれば、従来のように板厚を薄くしたり鋼板全体
の固有抵抗を高めたりすることなく、渦電流を効果的に
低減させることができる。本発明者はこの点に着目し、
高周波磁化領域での低鉄損化を可能とする手段について
検討を行い、その結果、鋼板板厚方向での内部酸化物、
窒化物の生成状態を適切に制御することにより鋼板板厚
方向の固有抵抗を最適化できること、さらに、このよう
に鋼板板厚方向の内部酸化物、窒化物の生成状態を適正
化した場合、高周波磁化領域での低鉄損化に最適な結晶
粒径範囲が粗粒側に存在することを見出した。したがっ
て、鋼板板厚方向での内部酸化物、窒化物の生成状態と
結晶粒径を適切に制御することにより、高磁場での磁束
密度を低下させることなく、高周波鉄損を低減させるこ
とが可能となる。本発明はこのような知見に基づきなさ
れたもので、その特徴とする構成は以下の通りである。

【０００５】（１） ＳｉとＡｌの合計量が１．７〜
４．５ｗｔ％、Ｃ：０．００５ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．
１〜１ｗｔ％、Ｓ：０．０１５ｗｔ％以下、Ｐ：０．２
ｗｔ％以下、下記により定義される窒化物含有層または
内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以
外のＮ：０．００５ｗｔ％以下、窒化物含有層または内
部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以外
のＯ：０．００５ｗｔ％以下を含有し、残部Ｆｅおよび
不可避的不純物からなる鋼板であって、鋼板表層部にお
いて粒径０．１μｍ以上の窒化物または／および内部酸
化物が鋼板板面内での面積率で０．０１％以上存在する
領域を窒化物含有層または内部酸化物含有層若しくは窒
化物−内部酸化物含有層と定義した時、窒化物含有層ま
たは内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有
層が鋼板表層から下式を満足する深さｘ（ｍｍ）まで形
成され、 ０．０５ｔ≦ｘ≦０．１５ｔ 但し ｔ：鋼板板厚（ｍｍ） 窒化物含有層または内部酸化物含有層若しくは窒化物−
内部酸化物含有層における窒化物または／および内部酸
化物の平均粒径が３μｍ以下であり、窒化物含有層また
は内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層
における粒径０．１μｍ以上の窒化物または／および内
部酸化物の板厚断面内での面積率Ｒが０．０５〜０．２
０％であり、窒化物含有層または内部酸化物含有層若し
くは窒化物−内部酸化物含有層以外の領域において存在
する粒径０．１μｍ以上の窒化物および内部酸化物の板
厚断面内での面積率が０．０１％未満であり、鋼板の平
均結晶粒径Ｄ（μｍ）が下式を満足する、周波数２００
Ｈｚ以上、５ｋＨｚ以下で使用される鉄損特性に優れた
高周波用無方向性電磁鋼板。

【数２】

【０００６】（２） 上記（１）の無方向性電磁鋼板に
おいて、板厚が０．１〜０．２ｍｍである、周波数２０
０Ｈｚ以上、５ｋＨｚ以下で使用される鉄損特性に優れ
た高周波用無方向性電磁鋼板。

【０００７】

【作用】以下、本発明の詳細をその限定理由とともに説
明する。まず、鋼板の成分組成について説明する。Ｓｉ
とＡｌは鋼板の固有抵抗を高めるのに有効な元素であ
り、これら元素の固有抵抗に対する寄与の程度はほぼ同
じである。このためＳｉとＡｌに関しては、Ｓｉ＋Ａｌ
量でその添加量を限定する。Ｓｉ＋Ａｌ量が１．７ｗｔ
％未満では鋼板の固有抵抗が小さいため鉄損が増大す
る。一方、Ｓｉ＋Ａｌ量が４．５ｗｔ％を超えると鋼板
が脆くなるため冷間圧延が困難となり、また、磁束密度
も低下する。このためＳｉ＋Ａｌ量は、１．７〜４．５
ｗｔ％とする。

【０００８】Ｃは、磁気時効の問題を生じるため極力低
減させることが望ましく、このため０．００５ｗｔ％以
下とする。Ｍｎは、熱間圧延時の赤熱脆性を防止するた
めに０．１ｗｔ％以上必要であるが、１％を超えて添加
すると磁気特性を劣化させるため、０．１〜１ｗｔ％と
する。Ｓは、磁気特性を劣化させるＭｎＳ等を形成する
ため、０．０１５ｗｔ％以下とする。Ｐは、鋼板の打抜
き性を改善するために有効な元素であるが、０．２ｗｔ
％を超えて添加すると磁束密度の低下を招くため、０．
２ｗｔ％以下とする。

【０００９】Ｎは、鋼板表層部でＡｌＮ等の窒化物を生
成するという観点からは本発明において有用な元素であ
るが、鋼板表層部以外で窒化物を生成すると磁気特性を
劣化させるので、鋼板表層部の窒化物含有層または内部
酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以外の
Ｎは、０．００５ｗｔ％以下に限定する。Ｏも、鋼板表
層部で内部酸化物を生成するという観点からは本発明に
おいて有用な元素であるが、鋼板表層部以外で内部酸化
物を生成すると磁気特性を劣化させるので、鋼板表層部
の窒化物含有層または内部酸化物層若しくは窒化物−内
部酸化物含有層以外のＯは、０．００５ｗｔ％以下に限
定する。なお、本発明では上記の成分組成に加えて、磁
気特性向上を目的としてＳｂ，Ｓｎ，Ｂ，Ｃｕ，Ｚｒ等
の１種以上を適量添加することは何ら差し支えない。

【００１０】本発明では、上述した鋼板の成分組成の下
で、鋼板板厚方向での内部酸化物、窒化物の生成状態と
鋼板の平均結晶粒径を特定の範囲に限定するものであ
り、以下これらの限定理由について説明する。ここで、
以下に述べる試験ではＳＥＭにより鋼板の断面内および
板面内の内部酸化物、窒化物を観察し、内部酸化物、窒
化物の粒径については、ＳＥＭ像から得られた内部酸化
物、窒化物の円相当直径をもってそれらの粒径とし、ま
た、この粒径の平均値をもって平均粒径ｄとした。な
お、粒径が０．１μｍ未満の内部酸化物、窒化物は同定
不能であったため、内部酸化物、窒化物は０．１μｍ以
上のものについて測定の対象とした。したがって、以下
の説明において単に窒化物、内部酸化物という場合は、
いずれも粒径０．１μｍ以上のものを指すものとする。
また、内部酸化物含有層、窒化物含有層、窒化物−内部
酸化物含有層における内部酸化物、窒化物の板厚断面内
での面積率Ｒは、鋼板断面をＳＥＭ倍率：１０，０００
倍で観察して各層中の内部酸化物、窒化物の総面積を求
め、これを全視野面積で割ることにより求めた。また、
内部酸化物、窒化物の鋼板板面内での面積率は、鋼板を
所定の厚さまで減厚した後、ＳＥＭ倍率：１０，０００
倍で鋼板板面をランダムに１０視野観察して内部酸化
物、窒化物の総面積を求め、これを全視野面積で割るこ
とにより求めた。

【００１１】本発明者らは内部酸化物、窒化物が鉄損お
よび磁束密度に及ぼす影響を調べるため、以下のような
実験を行った。３％Ｓｉ−０．５％Ａｌ鋼の０．２ｍｍ
材であって、平均粒径が０．３μｍのＡｌ₂Ｏ₃を鋼板断
面内および板面内に均一に分布させた鋼板について、Ａ
ｌ₂Ｏ₃の板厚断面内での面積率と高周波鉄損Ｗ₁₂／₂₀₀₀
との関係を図１に示す。また、Ａｌ₂Ｏ₃の板厚断面内で
の面積率と磁束密度Ｂ₅₀との関係を図２に示す。これら
によれば、Ａｌ₂Ｏ₃の板厚断面内での面積率が０．０１
〜０．２０％では、鋼板の固有抵抗の増大に起因する渦
電流損の低下により全鉄損が低下している。これに対
し、面積率が０．０１％未満では固有抵抗の増大が僅か
であるために鉄損に変化はなく、一方、０．２０％を超
えると固有抵抗の増大により渦電流損は低下するもの
の、Ａｌ₂Ｏ₃による磁壁のピンニング作用が大きくなる
ためにヒステリシス損の増大が顕著となり、その結果、
全鉄損が急激に増大する。一方、磁束密度Ｂ₅₀は面積率
が０．０１％までは変化しないが、０．０１％を超える
と低下している。このような現象は、上記と同程度の平
均粒径のＡｌＮを鋼板断面内および板面内に均一に分布
させた鋼板においても同様に認められた。以上のことか
ら、鋼板板厚方向にある程度の量の内部酸化物若しくは
窒化物を均一に分布させることは高周波鉄損の低下に有
効であるが、同時に磁束密度の低下も招くことが判る。

【００１２】上述したように高周波磁化においては、表
皮効果のために渦電流密度の分布は鋼板板厚方向で均一
ではなく、鋼板表層部で高く、鋼板内部で急激に減少す
る。このため鋼板の固有抵抗を鋼板の全厚にわたって高
くする必要はなく、板表層部のみで高くすれば渦電流を
効果的に低減でき、また磁束密度の低下を最小限に抑え
ることが可能である。そこで本発明では、鋼板板厚方向
での内部酸化物、窒化物の分布を適正化すること、具体
的には、鋼板表層部に内部酸化物や窒化物を所定量以上
含有する窒化物含有層または内部酸化物含有層若しくは
窒化物−内部酸化物含有層を生成させることで、鋼板板
厚方向の固有抵抗を最適化するものである。

【００１３】本発明では板厚方向での内部酸化物や窒化
物の生成状態を規定するため、まず、鋼板表層部におい
て粒径０．１μｍ以上の窒化物または／および内部酸化
物が鋼板板面内での面積率で０．０１％以上存在する領
域を窒化物含有層または内部酸化物含有層若しくは窒化
物−内部酸化物含有層と定義した。このように窒化物ま
たは／および内部酸化物の面積率０．０１％を下限とし
て規定したのは、図１に示されるように０．０１％未満
の面積率では鉄損の低減に効果がないためである。そし
て、本発明では上記のように定義される窒化物含有層ま
たは内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有
層における内部酸化物および窒化物の平均粒径ｄ、板厚
断面内での内部酸化物および窒化物の面積率Ｒ、窒化物
含有層または内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸
化物含有層の鋼板表層からの深さｘ（層の厚さ）をパラ
メータとし、板厚方向での内部酸化物や窒化物の生成状
態を規定した。

【００１４】表１は、以下に述べる各試験において用い
られた試料の成分組成および鋼板表層部に生成した窒化
物、内部酸化物の種類を示しており、これら試料の板厚
方向での窒化物および内部酸化物の生成状態やそれらの
平均粒径等は焼鈍温度、焼鈍時間および焼鈍雰囲気（Ｎ
₂濃度、露点等）等の調整によりコントロールした。特
に、内部酸化物、窒化物の粒径は主に焼鈍温度と焼鈍時
間を変化させることで、また、内部酸化物含有層、窒化
物含有層の生成深さは主に焼鈍時間と焼鈍雰囲気を変化
させることで、さらに、板厚断面内での内部酸化物、窒
化物の面積率は主に焼鈍雰囲気と焼鈍温度を変化させる
ことでそれぞれコントロールした。

【００１５】図３は、表１に示した本発明材である試料
Ｂ、Ｄの鋼板を用いて、使用周波数と本発明による鉄損
低減効果との関係を調べたものである。ここでは、試料
Ｂ、試料Ｄの高周波鉄損とこれら試料と同一の成分組成
及び板厚を有するが板表層部に窒化物含有層や内部酸化
物含有層がない比較材（試料Ｈ、Ｉの鋼板）の高周波鉄
損との比を求め、５０Ｈｚ〜５ｋＨｚの周波数域におけ
る本発明材の鉄損低減効果を調べた。なお、高周波域で
使用される機器の大半の励磁磁束密度はＢ＝１．２Ｔ程
度であるため、ここではＢ＝１．２Ｔの鉄損で評価を行
った。試料Ｂ、Ｄの鋼板の平均結晶粒径Ｄ、窒化物含有
層における窒化物の板厚断面内での面積率Ｒ、窒化物含
有層における窒化物の平均粒径ｄ、窒化物含有層の鋼板
表層からの深さｘおよび鋼板板厚ｔは以下の通りであ
る。なお、各鋼板の窒化物含有層以外の領域において存
在する粒径０．１μｍ以上の窒化物および内部酸化物の
板厚断面内での面積率はいずれも０．０１％未満であっ
た。 試料Ｂの鋼板 Ｄ：１００μｍ、Ｒ：０．１０％、
ｄ：０．５０μｍ ｘ：０．０１２ｍｍ、ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｄの鋼板 Ｄ：１３０μｍ、Ｒ：０．１３％、
ｄ：０．６０μｍ ｘ：０．０２４ｍｍ、ｔ：０．２０ｍｍ

【００１６】図３によれば、本発明材は２００Ｈｚ未満
の周波数域では鉄損の低減効果はなく、むしろ鉄損が増
大している。これは２００Ｈｚ未満ではヒステリシス損
の割合が大きいため、窒化物含有層による渦電流損の低
減効果よりも、磁壁の移動を妨げることによるヒステリ
シス損の増大効果の方が大きいためであると考えられ
る。一方、周波数２００Ｈｚ以上では本発明による鉄損
低減効果が顕著に認められ、この効果は２００Ｈｚ以上
では周波数に殆ど依存していない。また、５ｋＨｚを超
える周波数では鉄損の絶対値が大きくなるため、所望の
低鉄損を得るためにはＳｉ＋Ａｌ量をさらに増すか或い
は板厚をより薄くする必要がある。このため、本発明の
無方向性電磁鋼板は使用される周波数域を２００Ｈｚ以
上、５ｋＨｚ以下と規定した。なお、上記のように本発
明による鉄損低減効果は２００Ｈｚ以上では周波数に殆
ど依存しないため、以下に述べる試験例、実施例では２
０００Ｈｚにおける鉄損により磁気特性を評価した。

【００１７】図４は、表１に示した本発明材である試料
Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの鋼板を用いて、鋼板表層部に生成
する内部酸化物、窒化物の種類と鉄損低減効果との関係
を調べたものである。ここでは、試料Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、
Ｆの高周波鉄損Ｗ₁₂／₂₀₀₀とこれら試料と同一の成分組
成及び板厚を有するが板表層部に窒化物含有層や内部酸
化物含有層がない比較材（試料Ｈ、Ｉ、Ｊ）の高周波鉄
損Ｗ₁₂／₂₀₀₀との比を求め、試料Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆの
鋼板の鉄損特性を評価した。これら試料のうち、試料
Ｂ、Ｄ、Ｅは板表層部にＡｌＮによる窒化物含有層が生
成し、試料Ｃ、Ｆは板表層部にＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂およ
びＦｅ系酸化物による内部酸化物含有層が生成したもの
である。各鋼板の平均結晶粒径Ｄ、窒化物含有層または
内部酸化物含有層における窒化物、内部酸化物の板厚断
面内での面積率Ｒ、窒化物含有層または内部酸化物含有
層における窒化物、内部酸化物の平均粒径ｄ、窒化物含
有層または内部酸化物含有層の鋼板表層からの深さｘ、
および鋼板板厚ｔは以下の通りである。なお、各鋼板の
窒化物含有層または内部酸化物含有層以外の領域におい
て存在する粒径０．１μｍ以上の窒化物および内部酸化
物の板厚断面内での面積率はいずれも０．０１％未満で
あった。

【００１８】試料Ｂの鋼板 Ｄ：１２０μｍ、Ｒ：
０．１２％、ｄ：１．５０μｍ、ｘ：０．０１０ｍｍ、
ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｃの鋼板 Ｄ：１１５μｍ、Ｒ：０．１３％、
ｄ：１．００μｍ、ｘ：０．０１５ｍｍ、ｔ：０．１５
ｍｍ 試料Ｄの鋼板 Ｄ：１２０μｍ、Ｒ：０．１１％、
ｄ：０．７０μｍ、ｘ：０．０１０ｍｍ、ｔ：０．１０
ｍｍ 試料Ｅの鋼板 Ｄ：１１０μｍ、Ｒ：０．１５％、
ｄ：０．３０μｍ、ｘ：０．０１１ｍｍ、ｔ：０．１０
ｍｍ 試料Ｆの鋼板 Ｄ：１５０μｍ、Ｒ：０．２０％、
ｄ：１．３０μｍ、ｘ：０．０２０ｍｍ、ｔ：０．２０
ｍｍ

【００１９】図４によれば、鋼板表層部に内部酸化物含
有層が生成した鋼板と同じく窒化物含有層が生成した鋼
板では、ほぼ同程度の鉄損低減効果が得られており、内
部酸化物と窒化物は高周波鉄損の低減に対してほぼ同等
の効果を有していること、したがって、本発明の効果が
内部酸化物含有層、窒化物含有層のいずれを生成させた
場合でも得られることが判る。また、鋼板表層部に内部
酸化物と窒化物が混在している窒化物−内部酸化物含有
層が生成した鋼板についても、上記とほぼ同程度の鉄損
低減効果が得られることが確認できた。

【００２０】次に、内部酸化物含有層、窒化物含有層ま
たは窒化物−内部酸化物含有層の鋼板表層からの深さｘ
（層の厚さ）の限定理由について説明する。図５および
図６は、表１に示した試料による鋼板であって、本発明
条件を満足する平均結晶粒径Ｄ、窒化物含有層における
窒化物（ＡｌＮ）の板厚断面内での面積率Ｒ、窒化物含
有層における窒化物の平均粒径ｄを有する下記の鋼板に
ついて、窒化物含有層の鋼板表層からの深さｘ（窒化物
含有層の厚さ）と鋼板板厚ｔとの比ｘ／ｔと高周波鉄損
Ｗ₁₂／₂₀₀₀との関係を示したものである。なお、各鋼板
の窒化物含有層以外の領域において存在する粒径０．１
μｍ以上の窒化物および内部酸化物の板厚断面内での面
積率はいずれも０．０１％未満であった。

【００２１】 試料Ｂの鋼板 Ｄ：１００μｍ、Ｒ：０．１０％、ｄ：０．５０μｍ、 （図５） ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｄの鋼板 Ｄ：１２０μｍ、Ｒ：０．１１％、ｄ：０．７０μｍ、 （図５） ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｅの鋼板 Ｄ：１１０μｍ、Ｒ：０．１５％、ｄ：０．３０μｍ、 （図５） ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｄの鋼板 Ｄ：１３０μｍ、Ｒ：０．１３％、ｄ：０．６０μｍ、 （図６） ｔ：０．２０ｍｍ 試料Ｅの鋼板 Ｄ：１６０μｍ、Ｒ：０．１０％、ｄ：０．５０μｍ、 （図６） ｔ：０．２０ｍｍ

【００２２】図５および図６によれば、いずれの鋼種お
よび板厚においても０．０５≦ｘ／ｔ≦０．１５の範囲
において鉄損の低減効果が大きい。このような鉄損低減
効果は、鋼板表層部に内部酸化物含有層或いは窒化物−
内部酸化物含有層を生成させた場合にも同様に認められ
た。このように窒化物含有層や内部酸化物含有層を板表
層部に特定の厚さで生成させた場合にのみ大きな鉄損低
減効果が得られるのは、以下のような理由によるものと
考えられる。すなわち、よく知られているように鉄損は
ヒステリシス損と渦電流損からなっており、高周波磁化
領域においては渦電流損が支配的となる。この渦電流損
の原因となる渦電流は、鋼板板厚方向に均一に流れる訳
ではなく、鋼板板厚中央部に較べて鋼板表層部で多く流
れる。このような状況において、窒化物や内部酸化物と
いった析出物や介在物を板表層から板厚の５〜１５％の
深さまで生成させて鋼板表層部の固有抵抗を高めると、
鋼板表層部を流れる渦電流が効果的に減少し、この結果
鉄損が低下するものと考えられる。そして、内部酸化物
や窒化物の生成領域の深さが板厚の５％未満であると、
内部酸化物や窒化物の生成領域が十分でないため、この
生成領域の内側を流れる渦電流が依然として存在し、渦
電流損はある程度は低減されるものの、その低減効果は
十分ではない。一方、鋼板表層から板厚の１５％を超え
た深さの領域は渦電流が急激に低下する領域であり、こ
のような領域に内部酸化物や窒化物を生成させて固有抵
抗を高めても鉄損低減に効果はなく、却って内部酸化物
や窒化物による磁壁のピンニング作用によりヒステリシ
ス損が増大し、全鉄損の増大を招くことになる。

【００２３】以上の理由から本発明では、窒化物含有層
または内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含
有層を鋼板表層から下式を満足する深さｘ（ｍｍ）まで
生成させることを要件とする。 ０．０５≦ｘ／ｔ≦０．１５ 但し ｔ：鋼板板厚（ｍｍ）

【００２４】次に、窒化物含有層または内部酸化物含有
層若しくは窒化物−内部酸化物含有層における内部酸化
物、窒化物の平均粒径ｄの限定理由について述べる。図
７は、表１に示した試料による鋼板であって、本発明条
件を満足する平均結晶粒径Ｄ、窒化物含有層における窒
化物（ＡｌＮ）の板厚断面内での面積率Ｒ、窒化物含有
層の板表層からの深さｘを有する下記の鋼板について、
窒化物含有層中の窒化物の平均粒径ｄと高周波鉄損Ｗ₁₂
／₂₀₀₀との関係を示したものである。なお、各鋼板の窒
化物含有層以外の領域において存在する窒化物の面積率
はいずれも０．０１％未満であった。 試料Ｂの鋼板 Ｄ：１２０μｍ、Ｒ：０．１２％、ｘ
／ｔ：０．１０、ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｅの鋼板 Ｄ：１２５μｍ、Ｒ：０．１５％、ｘ
／ｔ：０．０９、ｔ：０．１０ｍｍ

【００２５】図７によれば、窒化物の平均粒径が３μｍ
以下のときに鉄損の低減効果が大きいことが判る。一
方、平均粒径が３μｍを超えると、窒化物含有層中の窒
化物の板厚断面内での面積率Ｒおよび窒化物含有層の深
さｘが本発明条件を満足しても鉄損は増大している。こ
れは、本来鋼板表層部に微細に分布すべき窒化物が凝集
粗大化したために渦電流損減少効果が小さくなり、ヒス
テリシス損を増大させる方向に働いたためであると考え
られる。上記の平均粒径と鉄損の低減効果との関係は、
鋼板表層部に内部酸化物含有層或いは窒化物−内部酸化
物含有層を生成させた場合においても同様に認められ
た。以上の理由から本発明では、鋼板表層部の内部酸化
物含有層または窒化物含有層若しくは窒化物−内部酸化
物含有層における内部酸化物、窒化物の平均粒径を３μ
ｍ以下と規定する。

【００２６】次に、鋼板表層部の内部酸化物含有層また
は窒化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層にお
ける内部酸化物、窒化物の板厚断面内での面積率Ｒの限
定理由について説明する。図８は、表１に示した試料に
よる鋼板であって、本発明条件を満足する平均結晶粒径
Ｄ、窒化物含有層の鋼板表層からの深さｘ、および窒化
物含有層における窒化物の平均粒径ｄを有する下記の鋼
板について、鋼板表層部の窒化物含有層における窒化物
の板厚断面内での面積率Ｒと高周波鉄損Ｗ₁₂／₂₀₀₀との
関係を示したものである。なお、各鋼板の窒化物含有層
以外の領域において存在する窒化物および内部酸化物の
面積率はいずれも０．０１％未満であった。 試料Ｄの鋼板 Ｄ：１２０μｍ、ｄ：０．７０μｍ、ｘ
／ｔ：０．１０、ｔ：０．１０ｍｍ 試料Ｅの鋼板 Ｄ：１１０μｍ、ｄ＝０．３０μｍ、ｘ
／ｔ＝０．１１、ｔ：０．１０ｍｍ

【００２７】図８によれば、鉄損は窒化物含有層におけ
る窒化物の板厚断面内での面積率Ｒが０．０５〜０．２
０％の範囲で大きく低下している。これに対し面積率Ｒ
が０．０５％未満では鉄損の低減効果は十分でなく、
０．２０％超では鉄損は急激に増大している。これは、
面積率Ｒが０．０５％未満では鋼板表層部の固有抵抗が
十分に高くならないために、渦電流損の減少効果が十分
ではなく、一方、面積率Ｒが０．２０％を超えると渦電
流の抑制効果は大きくなるものの、それ以上に磁壁移動
のピンニングに起因してヒステリシス損が増大するから
である。なお、このような板厚断面内での面積率Ｒと鉄
損低減効果との関係は、鋼板表層部に内部酸化物含有層
或いは窒化物−内部酸化物含有層を生成させた鋼板の内
部酸化物および窒化物の面積率Ｒに関してもそれぞれ同
様に認められた。以上の理由から本発明では、鋼板表層
部の内部酸化物含有層または窒化物含有層若しくは窒化
物−内部酸化物含有層における内部酸化物または／およ
び窒化物の板厚断面内での面積率を０．０５〜０．２０
％と規定する。

【００２８】次に、鋼板表層部の窒化物含有層または内
部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以外
の領域（板厚中央部側の領域）において存在する窒化物
および内部酸化物については、磁束密度を低下させない
観点からその生成量を規制する必要があり、図２に示さ
れた内部酸化物等の板厚断面内での面積率と磁束密度と
の関係に基づき、鋼板表層部の窒化物含有層または内部
酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以外の
領域において存在する粒径０．１μｍ以上の窒化物およ
び内部酸化物の面積率を、磁束密度を低下させない０．
０１％未満と規定する。

【００２９】次に、鋼板の平均結晶粒径の限定理由につ
いて説明する。ここで、平均結晶粒径は鋼板の板厚（全
厚さ）方向の結晶粒径を測定し、その平均をとったもの
である。図９は、表１に示した本発明材である試料Ｅの
鋼板（Ｒ：０．１０％、ｄ：０．５０μｍ、ｘ／ｔ：
０．１３、板厚ｔ：０．１０ｍｍ）と、これと同一の成
分組成および板厚を有するが鋼板表層部に内部酸化物含
有層、窒化物含有層がない試料Ｊの鋼板（比較材）につ
いて、それらの平均結晶粒径と鉄損Ｗ₁₂／₂₀₀₀との関係
を示したものである。これによれば、鋼板表層部に内部
酸化物含有層や窒化物含有層がない比較材では、鉄損に
対する最適粒径が約５０μｍであるのに対し、鋼板表層
部に窒化物含有層を有する本発明材では最適粒径は約１
１０μｍであり、鋼板表層部に窒化物含有層を有する鋼
板は内部酸化物含有層や窒化物含有層のない鋼板よりも
最適粒径が粗粒側に移行していることが判る。また、本
発明材では粒径６０〜１６０μｍの範囲で比較材よりも
鉄損が低くなっている。

【００３０】そこで、表１に示す試料Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、
Ｆの鋼板であって、本発明条件を満足する窒化物含有層
または内部酸化物含有層における窒化物、内部酸化物の
板厚断面内での面積率Ｒ、窒化物含有層または内部酸化
物含有層の鋼板表層からの深さｘ、および窒化物含有層
または内部酸化物層における窒化物、内部酸化物の平均
粒径ｄを有する下記の鋼板について、それらの平均結晶
粒径Ｄと鉄損Ｗ₁₂／₂₀₀₀との関係を調べた。なお、各鋼
板の窒化物含有層または内部酸化物含有層以外の領域に
おいて存在する窒化物および内部酸化物の板厚断面内で
の面積率はいずれも０．０１％未満であった。

【００３１】 試料Ａの鋼板 Ｓｉ＋Ａｌ：１．７５ｗｔ％、Ｒ：
０．０５％、ｄ：０．２０μｍ、ｘ／ｔ：０．０９、
ｔ：０．１７ｍｍ 試料Ｂの鋼板 Ｓｉ＋Ａｌ：２．３６ｗｔ％、Ｒ：
０．１７％、ｄ：０．５０μｍ、ｘ／ｔ：０．１０、
ｔ：０．１０ｍ 試料Ｄの鋼板 Ｓｉ＋Ａｌ：２．９３ｗｔ％、Ｒ：
０．１３％、ｄ：０．６０μｍ、ｘ／ｔ：０．１２、
ｔ：０．２０ｍ 試料Ｅの鋼板 Ｓｉ＋Ａｌ：３．４９ｗｔ％、Ｒ：
０．１５％、ｄ：０．３０μｍ、ｘ／ｔ：０．１１、
ｔ：０．１０ｍ 試料Ｆの鋼板 Ｓｉ＋Ａｌ：３．４９ｗｔ％、Ｒ：
０．２０％、ｄ：１．３０μｍ、ｘ／ｔ：０．１０、
ｔ：０．２０ｍ

【００３２】図１０は、上記各鋼板の高周波鉄損Ｗ₁₂／
₂₀₀₀が、同一の成分組成と板厚を有する比較材である試
料Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊの鋼板の最低鉄損よりも５Ｗ／ｋｇ以
上低くなるときの平均結晶粒径Ｄの下限と上限を、内部
酸化物含有層、窒化物含有層の深さｘの鋼板板厚ｔに対
する割合（ｘ／ｔ）×１００（％）と内部酸化物含有
層、窒化物含有層における内部酸化物、窒化物の板厚断
面内での面積率Ｒ（％）とＳｉ＋Ａｌ量（ｗｔ％）の積
の平方根との関係で示したものである。これによれば、
内部酸化物、窒化物の板厚方向の分布を適正化した本発
明材においては、低鉄損が得られる平均結晶粒径Ｄ（μ
ｍ）の範囲は下式により規定できることが判る。

【数３】 このため本発明では、鋼板の平均結晶粒径Ｄ（μｍ）が
上記式を満足することをその要件とする。

【００３３】この式において、平方根の中の項は鋼板表
層部の固有抵抗とその領域を示すものであり、固有抵抗
が大きくなるほど適正粒径は粗粒側となる。このように
適正粒径が粗粒側に移行するのは、以下のような理由に
よるものと考えられる。すなわち、鋼板表層部に内部酸
化物、窒化物による固有抵抗の高い層が形成されること
によって渦電流損が低減されると、高周波鉄損中に占め
るヒステリシス損の割合が従来材よりも高くなる。例え
ば、３％Ｓｉ−０．４％Ａｌ鋼の０．１ｍｍ材において
は、２ｋＨｚで全鉄損中に占めるヒステリシス損の割合
が約５０％にもなる。このような状況においては、高周
波と言えどもヒステリシス損を低減させる必要が生じて
くる。ヒステリシス損を低減させるためには結晶粒は大
きい方がよく、本発明鋼板においてはこのヒステリシス
損と渦電流損の兼ね合いから、最適粒径が粗粒側に移行
したものと考えられる。

【００３４】次に、鋼板の板厚について説明する。鋼板
の板厚を薄くすることは、高周波域での渦電流損の低減
に非常に有効である。しかし、０．１ｍｍ未満の板厚で
は冷間圧延が困難となるだけでなく、モーターのロータ
ー、ステーター組立時の鋼板の積層枚数の増大につなが
り、生産効率が低下する。一方、板厚が０．２ｍｍを超
えると渦電流損の増大により鉄損が増大しはじめる。こ
のため鋼板の板厚は０．１〜０．２ｍｍとすることが好
ましい。

【００３５】次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方
法について説明すると、本発明鋼板の内部酸化物、窒化
物の生成状態の制御および平均結晶粒径の調整は、一般
には最終焼鈍条件をコントロールすることにより行わ
れ、したがって、最終焼鈍前の工程は通常行われている
製造プロセスを採ることができる。すなわち、転炉で吹
練した溶鋼を脱ガス処理して所定の成分に調整後鋳造
し、通常の熱間圧延を行う。この鋼板を酸洗した後熱延
板焼鈍を行ってもよいが、必須ではない。次いで、１回
の冷間圧延若しくは中間焼鈍を挾む２回以上の冷間圧延
により所定の板厚とした後、最終焼鈍を行う。この最終
焼鈍では、焼鈍雰囲気、露点、焼鈍温度、焼鈍時間を制
御することにより、本発明が要件とする鋼板板厚方向の
内部酸化物、窒化物の生成状態、結晶粒径を得ることが
できる。例えば、３％Ｓｉ−０．５％Ａｌ鋼の０．１ｍ
ｍ材においては、最終焼鈍終了直前に１０〜２０秒程度
の間、焼鈍雰囲気の窒素分率を１００％とし、焼鈍温度
を通常よりも３０〜６０℃程度高めることにより、鋼板
中のＡｌＮの生成状態を所望のものとすることができ
る。また、露点の調整により内部酸化物を所望の状態に
生成させてもよい。また、窒化物−内部酸化物含有層
は、２次焼鈍時に雰囲気を窒化雰囲気とし、露点を上げ
ることにより形成させることができる。また、以上のよ
うな熱処理による内部酸化物、窒化物の生成状態の制御
は熱延板焼鈍時に行ってもよい。

【００３６】

【実施例】表２に記載した鋼種ａ〜鋼種ｈの鋼を板厚
２．０ｍｍに熱間圧延した後酸洗し、引き続き板厚０．
１ｍｍ〜０．２ｍｍまで冷間圧延し、得られた冷延板を
表３および表４に示す焼鈍条件で焼鈍した。なお、本発
明鋼板は１回の焼鈍処理によっても製造可能であるが、
この実施例では、鋼板表層の窒化物、内部酸化物の深
さ、粒径、面積率等のコントロールを容易にするため、
通常の電磁鋼板の仕上焼鈍に対応する１次焼鈍を実施し
た後、鋼板表層に内部酸化物、窒化物を生成させること
を目的とした２次焼鈍を実施した。各鋼板の磁気特性
は、各鋼板から外径４５ｍｍ、内径３３ｍｍのリング試
験片を打ち抜き、これら試験片について周波数２０００
Ｈｚでの磁気特性を測定した。各鋼板の板厚方向におけ
る窒化物、内部酸化物の生成状態および平均結晶粒径を
表５および表６に、磁気特性を表７に示す。これらによ
れば、本発明鋼板では磁束密度が低下することなく、比
較例に較べ高周波鉄損が約１割程度減少していることが
判る。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】

【表３】

【００４０】

【表４】

【００４１】

【表５】

【００４２】

【表６】

【００４３】

【表７】

【００４４】

【発明の効果】以上述べたように本発明の無方向性電磁
鋼板は、高周波磁化領域において、磁束密度が低下する
ことなく鉄損が効果的に低減するという優れた特性を有
している。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ₂Ｏ₃を鋼板断面内および板面内に均一に分
布させた３％Ｓｉ−０．５％Ａｌ鋼板のＡｌ₂Ｏ₃の板厚
断面内での面積率と高周波鉄損との関係を示すグラフ

【図２】Ａｌ₂Ｏ₃を鋼板断面内および板面内に均一に分
布させた３％Ｓｉ−０．５％Ａｌ鋼板のＡｌ₂Ｏ₃の板厚
断面内での面積率と磁束密度との関係を示すグラフ

【図３】本発明鋼板の使用周波数と鉄損低減効果との関
係を示すグラフ

【図４】鋼板表層部に内部酸化物含有層を有する本発明
鋼板と、同じく窒化物含有層を有する本発明鋼板の鉄損
低減効果を示すグラフ

【図５】窒化物含有層の鋼板表層からの深さｘと鋼板板
厚ｔとの比ｘ／ｔと高周波鉄損との関係を示すグラフ

【図６】窒化物含有層の鋼板表層からの深さｘと鋼板板
厚ｔとの比ｘ／ｔと高周波鉄損との関係を示すグラフ

【図７】鋼板表層部の窒化物含有層中の窒化物の平均粒
径ｄと高周波鉄損との関係を示すグラフ

【図８】鋼板表層部の窒化物含有層における窒化物の板
厚断面での面積率Ｒと高周波鉄損との関係を示すグラフ

【図９】鋼板表層部の窒化物含有層が本発明条件を満足
する鋼板と、鋼板表層部に窒化物含有層がない鋼板の平
均結晶粒径と高周波鉄損との関係を示すグラフ

【図１０】鋼板表層部の内部酸化物含有層、窒化物含有
層が本発明条件を満足する鋼板の、鉄損に対する最適平
均結晶粒径範囲を示すグラフ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大北 智良 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−223445（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−59441（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−63252（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−274247（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−74258（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 38/00 303 C22C 38/06 H01F 1/16

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＳｉとＡｌの合計量が１．７〜４．５ｗ
   ｔ％、Ｃ：０．００５ｗｔ％以下、Ｍｎ：０．１〜１ｗ
   ｔ％、Ｓ：０．０１５ｗｔ％以下、Ｐ：０．２ｗｔ％以
   下、下記により定義される窒化物含有層または内部酸化
   物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以外のＮ：
   ０．００５ｗｔ％以下、窒化物含有層または内部酸化物
   含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層以外のＯ：
   ０．００５ｗｔ％以下を含有し、残部Ｆｅおよび不可避
   的不純物からなる鋼板であって、鋼板表層部において粒
   径０．１μｍ以上の窒化物または／および内部酸化物が
   鋼板板面内での面積率で０．０１％以上存在する領域を
   窒化物含有層または内部酸化物含有層若しくは窒化物−
   内部酸化物含有層と定義した時、窒化物含有層または内
   部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層が鋼
   板表層から下式を満足する深さｘ（ｍｍ）まで形成さ
   れ、 ０．０５ｔ≦ｘ≦０．１５ｔ 但し ｔ：鋼板板厚（ｍｍ） 窒化物含有層または内部酸化物含有層若しくは窒化物−
   内部酸化物含有層における窒化物または／および内部酸
   化物の平均粒径が３μｍ以下であり、窒化物含有層また
   は内部酸化物含有層若しくは窒化物−内部酸化物含有層
   における粒径０．１μｍ以上の窒化物または／および内
   部酸化物の板厚断面内での面積率Ｒが０．０５〜０．２
   ０％であり、窒化物含有層または内部酸化物含有層若し
   くは窒化物−内部酸化物含有層以外の領域において存在
   する粒径０．１μｍ以上の窒化物および内部酸化物の板
   厚断面内での面積率が０．０１％未満であり、鋼板の平
   均結晶粒径Ｄ（μｍ）が下式を満足する、周波数２００
   Ｈｚ以上、５ｋＨｚ以下で使用される鉄損特性に優れた
   高周波用無方向性電磁鋼板。 【数１】
2. 【請求項２】 板厚が０．１〜０．２ｍｍである請求項
   １に記載の、周波数２００Ｈｚ以上、５ｋＨｚ以下で使
   用される鉄損特性に優れた高周波用無方向性電磁鋼板。