JP5130993B2

JP5130993B2 - 高周波用電磁鋼板

Info

Publication number: JP5130993B2
Application number: JP2008085158A
Authority: JP
Inventors: 多津彦平谷; 峰男村木; 高島　　稔
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009235529A

Description

本発明は、磁束密度が高く加工性に優れた高周波用電磁鋼板に関するものである。

一般に珪素鋼板の鉄損は励磁周波数が高くなると急激に上昇することが知られている。ところがトランス、リアクトルなどの駆動周波数は、鉄心の小型化や高効率化を図るために年々高周波化してきている。そのため、駆動周波数の高周波化に伴い、珪素鋼板の鉄損による発熱が問題となるケースが増えてきている。
高周波鉄損を低減するには、材料中のSi含有量を増して固有抵抗を高めることや、あるいは板厚を薄くすることによって渦電流損を低減する等の方法が従来とられてきた。
また小型化を図るためには材料の磁束密度を高めることも有効であり、二次再結晶した方向性電磁鋼板を素材としてこれを圧延（リロール）し板厚0.1mm以下とした極薄の方向性電磁鋼板を用いる例もある。
ここで、一般にSi含有量を増していくと材料の飽和磁束密度は減少する。ゆえに、高周波用電磁鋼板として従来より用いられている6.5%珪素鋼板に対しても、鉄心小型化のため更なる低鉄損化と高磁束密度化が望まれている。

特許文献１には、方向性電磁鋼板を浸珪処理して高珪素化した場合、従来の無方向性の高Si電磁鋼板に比べて磁束密度が向上し、高周波用鉄心の小型化が期待できることが記載されている。しかしながら二次再結晶させた方向性電磁鋼板の結晶粒は数mm〜数十mmと粗大であり、小型部品の打ち抜き加工や剪断加工の際に加工不良が生じやすい。さらに、この方向性電磁鋼板を浸珪処理してSi量を増した場合、加工性は更に悪くなり、6.5%Siでは殆ど塑性変形せずに破断してしまう。したがって通常の二次再結晶させた方向性電磁鋼板をそのまま浸珪処理しても、これを工業生産レベルで加工するのは極めて困難である。

特許文献２には、二次再結晶を部分的に発現させ特定方位の結晶粒の体積比率を限定することで高い磁束密度と良好な加工性が得ることが開示されている。この場合、高周波鉄損を最も低減できるのはSi量が6.5%以上含有するものであるが、Si量が6.0%を超えると無方向性電磁鋼板ベースでも急激に加工性が劣化する傾向があるため、工業的に使用可能なSi含有量は6.0%未満と考えられる。

特許文献３では、方向性電磁鋼板を浸珪処理してSi均一化拡散を制御することで板厚方向にSi濃度勾配を有する材料を作製し、高周波鉄損の極めて低い材料が得ることが開示されている。特許文献３では板厚0.2mm未満の場合の最適Si濃度分布として表層6.3〜6.7wt%、板厚中央3.0〜6.0%が示されており、平均Si量が6.0%より低い成分においても極めて低い高周波鉄損が得られている。しかしながら方向性電磁鋼板の組織は、通常、数mm〜数十mmの粗大な結晶粒で構成されるため、特許文献１と同様に浸珪処理後の加工性不良が懸念される。
登録特許第1856674号公報特開2000-178699号公報特開2000-45053号公報

本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、磁束密度が高く加工性の良好な高周波用電磁鋼板を提供することを目的とする。

発明者らは、上記課題を解決するために種々の検討を行った。その結果、結晶配向性を適切な範囲に制御することによって、高い磁束密度を有しかつ加工性の良好な高周波用電磁鋼板が得られることを見いだした。
以下、発明の契機となった実験について説明する。
二次再結晶、純化焼鈍後に表面被膜を除去した板厚0.23〜0.10mmの方向性電磁鋼板の素材（以下、二次再結晶板と称す）、二次再結晶、純化焼鈍後に表面被膜を除去した板厚0.22mmの素材を冷間圧延して板厚0.08mmとした素材（以下、リロール板と称す）、熱延焼鈍板から60〜70%の冷間圧延と900〜1000℃の中間焼鈍を繰り返して板厚0.22〜0.1mmとした素材（以下、冷延板と称す）をそれぞれ窒素雰囲気中1200℃で1分間加熱した後、濃度15%の四塩化珪素を含む窒素ガスで所定の時間浸珪処理・拡散処理を行い、鋼板表層から板厚×0.1の深さまでの領域の平均Si濃度が6.6%、板厚中央部のSi濃度が4〜5%、全板厚平均Si濃度が5.5%の試料を作製した。なお、上記板厚中央部とは、板厚中心を挟んで板厚方向に板厚×0.1にわたる領域とした。
その後、上記各試料をレーザー加工機で30mm×280mmに切り出し、Ar雰囲気中750℃×1時間の歪取り焼鈍を行った。得られた試料について、磁気測定および曲げ試験を行った。
なお、磁気測定は、交流磁気特性試験装置に単板測定枠を繋げ、幅30mm×長さ280mmの試料を磁化力800A/m、周波数50Hzで交流励磁したとき示す最大磁束密度B8を求めた。また、曲げ試験に際しては、試料端面のバリ等に起因した割れを避けるため試料端面の研磨を行った後、φ4mmの円筒の巻きつけた際に、クラックの生じなかったものを○、一部クラックが発生して割れなかったものを△、割れたものを×で示した。
平均結晶粒径は鋼板板面での結晶組織の観察により求めた。更に鋼板板面をEBSP(Electron Back Scattering diffraction Patterns)を用いて調査し、ゴス方位からのずれが15°以内の結晶の占める面積率を調査した。
以上により得られた結果を表１に示す。

表1より、平均結晶粒径が板厚の5倍以上のもの（d/t≧5）、また、ゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率が90%以上のものは、B8が極めて高いものの、加工性が著しく劣化することが確認された。また板厚が0.15mmを超えるものでは180°曲げはできるものの、クラックの発生が認められた。

次に板厚0.08mmの前記リロール板を用いて種々のSi濃度分布を有する試料を作製し、磁束密度と高周波鉄損について調査した。なお、Si濃度は浸珪時間を変更することにより調整した。
磁束密度については、直流ＢＨ曲線の微分透磁率が急激に低下してゼロに近づく部分の磁束密度がリアクトルの大きさを決める設計磁束密度の指標となると考え、その値をBmとして表示した。
図１に得られた結果を微分透磁率とBmの関係として示す。また、各試料の測定結果を表２に示す。なお、比較例として、板厚0.08mmの無方向性6.5%Si鋼板（試料番号22）、板厚0.08mmでSi濃度勾配を有する無方向性高珪素鋼板（試料番号21）、板厚0.08mmの方向性6.5%Si鋼板（試料番号23）の特性も併せて測定し示した。また、磁束密度、Si濃度、ゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率は前述と同様の方法にて測定し求めた。高周波鉄損については高周波用磁気特性試験装置に単板測定枠を繋げ、幅30mm×長さ280mmの試料を種々の条件で励磁することにより求めた。

図１および表２より、板厚0.08mmのリロール板の浸珪試料のうち、表層の平均Si濃度が6.6%、板厚中央部の平均Si濃度が4.5%の試料が、最も低い高周波鉄損を示した。またゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率が10%を超える試料でBmの上昇が認められた。

以上のように、本発明は、上記実験結果および知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
［１］板厚をt、平均結晶粒径をdとした場合、0.03mm≦t≦0.15mm、1≦d/t＜5であり、かつ、ゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の、全体に対する面積率が10%以上90%未満であり、さらに、鋼板表層から板厚×0.1の深さまでの領域の平均Si濃度が6.0〜6.6mass%、板厚中央部の平均Si濃度が3.8〜5.0%であることを特徴とする高周波用電磁鋼板。
ここで板厚中央部とは、板厚中心を挟んで板厚方向に板厚×0.1にわたる領域である。
なお、本明細書において、鋼の成分を示す%、ppmは、すべてmass%、mass ppmである。

本発明によれば、磁束密度が高く加工性の良好な高周波用電磁鋼板が得られる。

以下に本発明を詳細に説明する。
本発明は、板厚をt、平均結晶粒径をdとした場合、0.03mm≦t≦0.15mm、1≦d/t＜5であり、かつ、ゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率が10%以上90%未満とすることを特徴とする。このように、板厚、d/t、ゴス方位{110}(001)からのずれが15°未満の結晶の全体に対する面積率を規定することで、密着曲げしてもクラックが発生したり破壊することのない加工性の良好な高周波用電磁鋼板が得られることになる。

0.03mm≦t≦0.15mm
板厚の下限は、薄すぎると冷間圧延及び熱処理工程の生産性が低下するため、0.03mmとする。上限は前述した通り、0.15mmを超えるとクラックの発生が認められるようになるため0.15mm以下とする。

1≦d/t＜5
平均結晶粒径（d）が小さい場合、ヒステリシス損が増大する傾向にある。特に板厚方向にSi濃度勾配を付ける場合、板厚の表裏で結晶方位が異なると磁区構造が複雑化して鉄損低減の妨げとなる。すなわち板厚に対して貫通粒、すなわち平均結晶粒径が板厚以上とする必要があり、平均結晶粒径の下限を板厚と同じサイズ（1≦d/t）とする。一方、上限は前述の通り、加工性が劣化するためd/t＜5とし、好ましくはd/t＜3である。

ゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率は10%以上90%未満
磁束密度向上の観点から、{110}〈001〉方位の圧延方向からのずれが15°未満の結晶粒（ゴス方位結晶粒）の面積率は高い方が望ましい。この面積率が10%を超えると無方向材に比べて磁束密度向上が明確となるため、面積率の下限は10%とする。一方、上限は前述の通り、加工性が劣化するため90％未満とする。

鋼板表層から板厚×0.1の深さまでの領域の平均Si濃度：6.0〜6.6mass%、板厚中央部の平均Si濃度：3.8〜5.0%
鋼板表層から板厚×0.1の深さまでの領域の平均Si濃度（以下、表層平均Si濃度と称す）を6.0〜6.6mass%、板厚中央部の平均Si濃度を3.8〜5.0%とすることにより、極めて優れた高周波鉄損が得られる。表層平均Si量が6.6%を超えると鉄損が上昇する傾向を示し、加工性にも好ましくない。一方、表層平均Si濃度が6.0%以下となると、板厚方向にSiが6.5%で均一な鋼板の高周波鉄損に及ばない。
板厚中央部のSi濃度が5.0%を超えた場合、加工性劣化が懸念される。逆に、板厚中央部のSi濃度が3.8%未満の場合は板厚方向にSiが6.5%で均一な鋼板の高周波鉄損に及ばない。なお、本発明において、板厚中央部とは、板厚中心を挟んで板厚方向に板厚×0.1にわたる領域とする。

次に、本発明の高周波用電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の高周波用電磁鋼板を製造する方法としては、前記のように、二次再結晶・被膜除去板を冷間圧延して板厚0.08mmとした素材（リロール板）について浸珪処理・拡散処理する方法や、熱延焼鈍板から冷間圧延と中間焼鈍を繰り返して板厚0.18〜0.10mmとした素材（冷延板）について浸珪処理・拡散処理する方法が好ましい。平均結晶粒径を制御するには、前者の方法では二次再結晶板の板厚を変えて圧下率を調整すること及びリロール後の仕上焼鈍条件（温度、時間等）を調整すること、後者の方法では熱延条件（仕上温度、仕上圧延での各パスの圧下率配分等）及び仕上焼鈍もしくは浸珪処理前の加熱条件（温度、時間等）を調整することが有効である。また、ゴス方位結晶粒の面積率を制御するには、前者の方法では冷延前の二次再結晶板のゴス集積度を調整すること、後者の方法では冷延（圧延温度、圧下率等）及び中間焼鈍条件（温度、時間等）を調整することが有効である。
さらに、表層平均Si濃度および板厚中央部の平均Si濃度は浸珪及び拡散の処理時間を調整することで所望のSi濃度が得られる。

C:0.006mass%、Si:3.3mass％、Sol.Al:0.003mass%、Mn:0.06mass%、残部Fe及び不可避不純物からなるスラブに熱間圧延を施して板厚2.3mmとした。次いで、1000℃×60sの焼鈍を施した後、55〜80%の範囲で冷間圧延を三回、700〜1100℃の範囲で中間焼鈍を二回それぞれ交互に施して板厚0.10mm、0.20mmとした。さらに、1200℃窒素中で30秒〜30分間加熱後、15%の四塩化珪素を含む窒素で浸珪処理を行った。浸珪処理後は四塩化珪素ガス供給を停止した状態で必要に応じてSi拡散処理を施した。
なお、上記製造条件において、浸珪処理前の加熱時間を変化させることでd/tを、冷延（圧延温度、圧下率）及び中間焼鈍条件（温度、時間）を変化させることでゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率を調整した。また、浸珪処理時間、Si拡散処理時間を変化させることで、表層Si濃度および板厚中央部Si濃度を調整した。
以上により得られた浸珪処理後の電磁鋼板に対して、30×280mmの試料を切り出し、Ar雰囲気中800℃×1hrの歪み取り焼鈍を施した後、JIS C 2556 電磁鋼板単板磁気特性試験方法に準じて磁気測定を行った。また同条件で処理した試料を用いて曲げ試験を実施した。なお、曲げ試験においては、試料端面の研磨を行った後、φ4mmの円筒の巻きつけた際に、クラックを発生せずに曲げ可能だったものを○、クラックが認められたものを△、破断したものを×とした。また、各試料の組織を光学顕微鏡およびEBSPで観察し、平均結晶粒径とゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の全体に対する面積率を求めた。板厚方向のSi濃度分布はEPMAのライン分析により求めた。
得られた結果を表３に示す。

表3より、本発明例では、磁束密度が高く且つ加工性の良好な高周波用電磁鋼板が得られた。

本発明の高珪素鋼板は、高周波鉄損に優れる上、加工性も良好であるため、変圧器、モータ、リアクトル等を中心に鉄心材料として多様な用途に用いることができる。

磁束密度に対する微分透磁率変化を示し、微分透磁率とBmの関係を示す図である。

Claims

板厚をt、平均結晶粒径をdとした場合、0.03mm≦t≦0.15mm、1≦d/t＜5であり、かつ、ゴス方位｛110｝〈001〉からのずれが15°未満である結晶の、全体に対する面積率が10%以上90%未満であり、さらに、鋼板表層から板厚×0.1の深さまでの領域の平均Si濃度が6.0〜6.6mass%、板厚中央部の平均Si濃度が3.8〜5.0%であることを特徴とする高周波用電磁鋼板。
なお、板厚中央部とは、板厚中心を挟んで板厚方向に板厚×0.1にわたる領域である。