JPH05263247A - 連続処理ラインにおける鋼板の滲珪処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 連続ラインにおける鋼板の滲珪処理をライン
の長大化や蒸着膜厚の不均一化等の問題を生ぜしめるこ
となく行うことができる方法を提供することにある。 【構成】 鋼板を化学気相蒸着処理室を通過させて滲珪
処理する、連続ラインにおける鋼板の滲珪処理方法にお
いて、化学気相蒸着処理室内において、吹付ノズルによ
り、雰囲気ガスを鋼板面の垂線に対して傾斜角５〜４５
°の斜め方向から吹き付けることにより、反応界面への
反応ガスの供給と反応生成ガスの反応界面からの離脱を
顕著に促進させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続処理ラインにおけ
る鋼板の滲珪処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】被処理材に対し金属、セラミック等をコ
ーティングする方法として化学気相蒸着（以下ＣＶＤと
称す。）法が知られている。このＣＶＤ法は雰囲気ガス
（反応ガス＋キャリアガス）を加熱した被処理材表面に
供給し、反応ガスを、被処理材表面に接触させ、化学反
応によりガス中の成分を被処理材表面に析出させるもの
である。この方法は選択できるコーティング材及び被処
理材の種類が多様で、しかもコーティングの密着性、つ
きまわり性に優れる等多くの利点を有しており、近年広
い分野で利用されるようになってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、このＣＶＤ法に
より鋼板にＳｉを富化（滲珪処理）し、高珪素鋼板を得
る方法が知られている。しかし、このＣＶＤ法はＳｉの
蒸着速度が小さいため処理に時間がかかり、鋼帯連続処
理ラインに適用した場合、処理炉が長大なものとなって
しまうという問題があり、加えて、ＣＶＤ法では蒸着膜
厚が不均一になり易く、特に連続ラインではこの傾向が
より大きくなるという問題があり、このためＣＶＤ法を
高珪素鋼板の連続製造ラインに適用することは事実上困
難であった。本発明はこのような問題に鑑み、連続ライ
ンにおける鋼板の滲珪処理をラインの長大化や蒸着膜厚
の不均一化等の問題を生ぜしめることなく行うことがで
きる方法を提供せんとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、従来の鋼
板の滲珪処理における蒸着速度及び蒸着膜厚の不均一性
について検討を加えた。この結果、これらの問題が鋼板
の反応界面におけるガスの流動性に深くかかわっている
ことを見い出した。すなわち従来では、ＣＶＤ処理で雰
囲気ガスを大きく流動させると、蒸着ムラが発生する、
蒸着層での気孔の発生或いは層内への気泡の混入があ
る、さらには蒸着層の純度も低下する等とされ、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結果、逆に反応ガスの鋼板界面への
拡散移動、及び反応副生成物（反応生成ガス）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、また、ガス流動が抑えられるため処
理室内の反応ガス濃度に分布を生じ、この結果蒸着膜厚
が不均一になることが判った。

【０００５】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処理室において吹付ノズルによ
り雰囲気ガスを特定の条件で鋼板面に吹き付けることに
より、高い蒸着速度でしかも蒸着膜の不均一化を抑えつ
つ滲珪処理できることを見出した。

【０００６】本発明はこのような知見に基づきなされた
もので、鋼板を化学気相蒸着処理室を通過させて滲珪処
理する、連続ラインにおける鋼板の滲珪処理方法におい
て、化学気相蒸着処理室内において、吹付ノズルによ
り、雰囲気ガスを鋼板面の垂線に対して傾斜角５〜４５
°の斜め方向から吹き付けることをその基本的特徴とす
る。

【０００７】このようにして特定の条件でガス吹付を行
うことにより、高い蒸着速度でしかも蒸着膜の不均一化
を抑えつつ、鋼板にＳｉ蒸着膜を形成することができ
る。一般に、雰囲気ガスは５Ｎｍ／ｓｅｃ以下の流速で
鋼板に吹付けられる。このような本発明法によれば、例
えば雰囲気ガス中に反応ガスとしてＳｉＣｌ₄を含有さ
せ、この雰囲気ガスで鋼板を処理することにより、鋼板
に均一且つ効率的にＳｉを富化することができる。

【０００８】

【作用】以下本発明の詳細を説明する。鋼板の滲珪処理
では、反応ガスとしてＳｉＣｌ₄等のハロゲン化物が用
いられ、次のような反応によりＳｉが鋼板面に蒸着す
る。 ５Ｆｅ＋ＳｉＣｌ₄ → Ｆｅ₃Ｓｉ＋２ＦｅＣｌ₂↑

【０００９】すなわち、この反応ではＦｅと反応ガス中
のＳｉとが鋼板表面で置換することで、Ｓｉが鋼中に取
り込まれる。これは置換型ＣＶＤ反応と呼ばれるもの
で、鋼板表面すなわち固体側からＦｅＣｌ₂が気体（反
応生成ガス）として発生する。一般にＣＶＤ反応と呼ば
れているものの多くは、気相中でのガスの反応によって
生成（析出）したものが基板面に付着するものであり、
この反応の場合の副生成物（反応生成ガス）は気相中で
生じ、固体側から発生するものではない。このように、
鋼板の滲珪処理のような置換型ＣＶＤ反応を伴う処理に
おいては、反応生成ガスが固体側から生じるという点
で、一般に知られたＣＶＤ反応とは異なる反応生成ガス
の生成挙動を示す。

【００１０】そして、このような置換型ＣＶＤ反応で
は、反応ガスを含む雰囲気ガスを鋼板表面に次々に供給
し、且つ反応生成ガス（ＦｅＣｌ₂等）を反応界面から
速やかに離脱させることが反応を促進させる上で極めて
重要である。この意味で、鋼板面に吹付ノズルによって
雰囲気ガスを吹き付けることは、反応界面への反応ガス
の供給と反応生成ガスの反応界面からの離脱を促進する
ことができるという利点がある。

【００１１】しかし、同じく吹付ノズルにより雰囲気ガ
スを鋼板面に吹き付ける場合でも、その吹付方法により
上記の作用効果に大きな差を生じる。図６の(a)、(b)は
雰囲気ガスを吹付ノズル３から鋼板面に垂直に吹き付け
た場合（図６の(a)）と、同じく斜め方向から吹き付け
た場合（図６の(b)）におけるガスの流れを模式的に示
したものである。

【００１２】これによれば、図６の(a)のように吹付ノ
ズル３から鋼板面に垂直にガス（反応ガス：ＳｉＣ
ｌ₄）を吹き付けた場合には、ノズル直下の鋼板面上に
雰囲気ガス噴流の澱み部が形成され、その上流側から次
々供給される雰囲気ガスが、鋼板面から発生する反応生
成ガス（ＦｅＣｌ₂）を押さえ込む形となるため、反応
生成ガスの逃げ場がなくなり、反応界面からの離脱がで
きなくなる。このため、その部分での反応が進まなくな
る。またこのため、ノズル直下部でのＳｉ富化量がその
周辺部に較べて極端に不足し、その部分で大きなＳｉ濃
度勾配を生じ、特に濃度勾配が急になる部分が収縮変形
するという問題も生じる。

【００１３】図７は、図６の(a)に示すように吹付ノズ
ル３から鋼板面に対して垂直に雰囲気ガスを吹き付けた
場合における鋼板面のＳｉ富化量を示したもので、１１
５０℃に加熱された板厚０．３ｍｍの３％珪素鋼板に、
スリットサイズが１０ｍｍ×４００ｍｍのスリットノズ
ルから、ＳiＣl₄濃度１５％、残部Ｎ₂の雰囲気ガスを吹
き付ける処理（ノズル〜板間距離：４０ｍｍ）を行い、
処理時間０．５分、１．０分、３．０分の各場合につい
て、ノズル直下およびその周辺の鋼板面でのＳｉ富化量
を調べたものである。

【００１４】図７によれば、上述したようにノズル直下
での反応生成ガスの離脱が阻害されるため、その部分で
のＳｉ富化量が極端に不足し、凹状のＳｉ富化分布とな
っており、十分な処理速度が得られていないことが判
る。また、このように極端なＳｉ濃度分布を生じると、
濃度勾配が特に急になる部分が収縮変形するという問題
を生じてしまう。例えば、３％Ｓｉ鋼板にＳｉを富化し
てＳｉ：６．５％まで高めた場合、格子定数（格子間距
離）が約０．３％程度収縮するものであり、図７に示す
ような急激な濃度勾配を生じた場合（濃度分布の急峻度
が高い場合）、鋼板の反応部が絞られ板に波状の変形を
生じてしまう。

【００１５】これに対し、図６の(b)のように雰囲気ガ
スを鋼板面に対して適当な傾斜角度をもって斜め方向か
ら吹き付けた場合には、図６の(a)のようなガスの澱み
が生じないため、反応生成ガスは鋼板面から極めてスム
ーズに離脱することができ、このため反応が非常に促進
され、大きな処理速度を得ることができる。また、この
方法では常に濃度一定の新鮮な反応ガスが反応面に供給
され、反応生成ガスの反応界面からの離脱もスムーズに
なされるため、反応ガス濃度分布による蒸着膜厚の不均
一化という問題を生じることがなく、また特に、ノズル
直下近傍部で上記のような大きなＳｉ濃度勾配が生じる
ようなことがないため、急激なＳｉ濃度分布による収縮
変形という問題を生じることもない。

【００１６】ここで、上記のような作用効果を得るため
には、図９に示すガス吹き付け方向の傾斜角θが重要な
要素であり、本発明では鋼板面の垂線に対して傾斜角
θ：５〜４５°の斜め方向から鋼板面に雰囲気ガスを吹
き付けることを要件とする。図８は、図６の(b)に示す
ように鋼板面に斜め方向から雰囲気ガスを吹き付けた場
合における鋼板面のＳｉ富化量を示したもので、その処
理条件は上記の図７の場合と同じ（但し、処理時間：３
分）である。なお、図中の数値は鋼板面の垂線に対する
ガス吹付方向の傾斜角θを示している。図７と比較して
判るように、ガス吹付方向に適当な傾斜角を付けること
により、反応生成ガスの離脱が極めてスムーズになさ
れ、図７のような極端なＳｉ濃度分布もなく、反応が円
滑に生じ、大きな処理速度が得られていることが判る。
また、急激なＳｉ濃度勾配を生じないため、上述したよ
うな収縮変形を生じる恐れもない。

【００１７】図８によれば、傾斜角度θを大きくするに
つれてＳｉ濃度分布の急峻度が変化している。傾斜角度
θが２．５°程度ではＳｉ濃度分布が急峻であり、ガス
吹付方向に傾斜角を付することによる効果が十分得られ
ていない。これに対し、傾斜角θ：５°以上ではＳｉ濃
度分布の急峻度は小さく、安定した濃度分布が得られて
いる。一方、傾斜角θが大きければそれだけＳｉ濃度分
布は均一化するが、ガスの流速減少および鋼板に衝突す
るガス量が減少するためＳｉの富化量が少なくなり、し
たがって、処理速度との関係から傾斜角θの大きさには
自ずと限界がある。本発明者等の実験によれば、傾斜角
θが４５°以下であればＳｉ富化量の減少という問題を
生じることなく処理できることが判った。以上のような
理由から、本発明では鋼板面の垂線に対するガス吹き付
け方向の傾斜角θを５〜４５°とした。

【００１８】なお、本発明はコイル化された鋼帯の連続
滲珪処理に限らず単品の滲珪処理にも適用でき、この場
合には、これら材料をベルト等により連続的に移動さ
せ、その途中で滲珪処理を行う。

【００１９】第１図は、本発明法による鋼帯の滲珪処理
状況を模式的に示すもので、１は加熱炉、２はＣＶＤ処
理炉（滲珪炉）、３はＣＶＤ処理炉内に配置された吹付
ノズルであり、この吹付ノズル３は、第２図に示すよう
に鋼板面に対して斜め方向（傾斜角θ：５〜４５°）か
ら雰囲気ガスを吹き付ける。鋼帯Ｓは加熱炉１でＣＶＤ
処理温度またはその近傍温度まで加熱され、引き続きＣ
ＶＤ処理炉２内に連続的に導入される。このＣＶＤ処理
炉２内では、吹付ノズル３により、第２図に示すように
鋼帯両面に斜め方向から反応ガスを含む雰囲気ガスが吹
き付けられ、滲珪処理がなされる。

【００２０】第３図は、以上のような連続ラインにより
Ｓｉ蒸着処理を行った場合の、雰囲気ガス（ＳｉＣｌ₄
＋キャリアガス）の流速（鋼帯衝突時の流速）とＳｉ蒸
着速度との関係を調べたものである。この場合のＳｉ蒸
着速度増分とは、ノズル吹付を行わない場合のＳｉ蒸着
速度を零とし、その差分の蒸着速度を示している。な
お、ここでＳｉ蒸着速度とは、母材１ｇについて単位時
間（１ｍｉｎ）当り何ｍｏｌのＳｉ原子が蒸着されたか
を示している。同図から判るように、雰囲気ガスを本発
明法に従ってノズル吹付することによりＳｉ蒸着速度が
顕著に増加している。なお、同図に示すようにＳｉ蒸着
速度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。一般的には、５Ｎｍ／ｓｅｃ以下の流速で十分
な効果が得られる。

【００２１】

【実施例】小型のＣＶＤ処理炉−拡散処理炉を用い、本
発明法及び比較法（ノズル吹付を行わず滲珪処理を行う
方法）により、通常の成分の冷延鋼帯にＳｉを蒸着させ
るＣＶＤ処理を施した後、拡散熱処理を施し、高珪素鋼
帯を製造した。第４図は雰囲気ガス中のＳｉＣｌ₄濃度
と鋼帯中Ｓｉの富化割合との関係、第５図はＣＶＤ処理
温度と鋼帯中Ｓｉの富化割合との関係を示すもので、図
中Ａが本発明法（鋼帯面でのガス衝突流速０．５ｍ／
Ｓ）、Ｂが比較法によるものを示している。なお、Ｓｉ
富化割合とは、母材当初のＳｉ濃度に対する滲珪処理−
拡散熱処理後の増加分を意味している。これら図面から
判るように、雰囲気ガス中で単に鋼帯を通板させるだけ
の比較法に較べ、吹付ノズルにより斜め方向からガス吹
付を行う本発明では格段に優れたＳｉ富化効果（＝蒸着
速度）が得られている。

【００２２】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、鋼板面上で
ガスの澱みが生じないため、反応生成ガスが鋼板面から
極めてスムーズに離脱することができ、このため反応が
非常に促進され、大きな処理速度を得ることができる。
また、この方法では常に濃度一定の新鮮な反応ガスが反
応面に供給され、反応生成ガスの反応界面からの離脱も
スムーズになされるため、反応ガス濃度分布による蒸着
膜厚の不均一化という問題を生じることがなく、また特
に、ノズル直下近傍部で上記のような大きなＳｉ濃度勾
配が生じるようなことがないため、急激なＳｉ濃度分布
による収縮変形という問題を生じることもない。以上の
ことから品質の優れた珪素鋼板を連続ラインにより能率
的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施状況を示す説明図

【図２】図１の吹付ノズルによる雰囲気ガスの吹付状況
を示す説明図

【図３】本発明法における雰囲気ガス流速とＳｉ蒸着速
度との関係を示すグラフ

【図４】雰囲気ガス中のＳｉＣｌ₄濃度と鋼帯中Ｓｉの
富化割合との関係を、本発明法と比較法について示した
グラフ

【図５】ＣＶＤ処理温度と鋼帯中Ｓｉの富化割合との関
係を、本発明法と比較法について示したグラフ

【図６】雰囲気ガスを吹付ノズル３から鋼板面に垂直に
吹き付けた場合と、同じく斜め方向から吹き付けた場合
におけるガスの流れを模式的に示した説明図

【図７】吹付ノズルから鋼板面に対して垂直に雰囲気ガ
スを吹き付けた場合における鋼板面のＳｉ富化量を示し
た説明図

【図８】吹付ノズルにより鋼板面に斜め方向から雰囲気
ガスを吹き付けた場合における鋼板面のＳｉ富化量を示
した説明図

【図９】吹付ノズルからのガス吹付方向の傾斜角θを定
義した説明図

【符号の説明】

１…加熱炉、２…ＣＶＤ処理炉、３…吹付ノズル、Ｓ…
鋼帯

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 鋼板を化学気相蒸着処理室を通過させて
   滲珪処理する、連続ラインにおける鋼板の滲珪処理方法
   において、化学気相蒸着処理室内において、吹付ノズル
   により、雰囲気ガスを鋼板面の垂線に対して傾斜角５〜
   ４５°の斜め方向から鋼板面に吹き付けることを特徴と
   する連続処理ラインにおける鋼板の滲珪処理方法。