JPH0559441A - 磁気特性の良好な無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】SiおよびAlを含む高級無方向性電磁鋼板の磁気
特性の改善と生産性の向上。 【構成】重量％で、Ｃ：0.01％以下、Mn：2.0 ％以下、
SiとAlを合計で 2.0〜5.0 ％を含み、残部は不可避的不
純物と鉄からなる冷間圧延薄板の連続焼鈍方式による再
結晶焼鈍を、鋼板に直接通電する電気抵抗加熱で行う。
低温域では通常の間接加熱を行い、800 ℃以上の高温域
だけで電気抵抗加熱方式を採ってもよい。 【効果】図示のように急速加熱ができるから、高温に長
時間さらす必要がなくなり、鋼板の酸化に伴う磁気特性
の劣化が防止できる。また、焼鈍時間の短縮もできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、SiとAlを合計で 2.0
〜5.0 ％含むいわゆる高級無方向性電磁鋼板の製造方法
に係り、特に最終再結晶焼鈍工程に直接通電による電気
抵抗加熱方式を用いて鉄損と磁束密度を改善することを
特徴とする磁気特性の良好な無方向性電磁鋼板の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】無方向性電磁鋼板は、家電製品や工作機
械など各種電気機器のモーターやトランスの鉄心に用い
られる薄鋼板で、その磁気特性は、これらの機器の効率
やサイズを支配する重要なファクターである。鉄損は、
鉄を磁化するときに発生する熱損失で、この値が小さい
ほど電力の使用効率が高まる。一方、磁束密度は高いほ
ど鉄心の断面積を小さくできるので、機器の小型化に有
利である。

【０００３】鉄損は、渦電流損とヒステリシス損に分け
られる。渦電流損は、鋼の比抵抗が高いほど小さくな
り、比抵抗は合金元素を添加するほど増加する。SiとAl
は、添加量当たりの比抵抗増加が大きく、しかも比較的
安価であるため、低鉄損の高級無方向性電磁鋼板では、
これらの合金元素を多量に添加するのが普通である。一
方、ヒステリシス損は、磁壁の移動を妨げる微細析出物
や粒界が少ないほど小さくなるので、鋼中の不純物元素
をできるだけ低くし、しかも高温焼鈍で結晶粒を粗大化
させる対策が採られる。

【０００４】磁束密度は、合金元素の添加量が増えると
一般に低下する傾向にある。低鉄損化の観点からは合金
元素の添加が必須となるため、高級品になるほど磁束密
度の改善が重要となる。磁束密度の向上には、集合組織
（結晶粒の結晶学的な配向）の制御が有効である。最終
焼鈍後の集合組織は、熱延板の結晶粒度や冷間圧延の圧
下率などに支配される。通常、高級無方向性電磁鋼板で
は、熱延板に焼鈍を加えることにより、冷間圧延前の結
晶粒度の調整が行われる。また最終焼鈍の加熱速度も重
要なファクターで、急速加熱の方が良好な集合組織が形
成されることが知られている。

【０００５】高級無方向性電磁鋼板は、従来から上記の
様々な知見に基づいて製造されている。すなわち、渦電
流損を低減する目的でSi＋Alで 2.0〜5.0 ％程度を添加
し、ヒステリシス損を下げるためＳ、Ｎ(窒素) 、Ｏ
(酸素) などの不純物を極力少なくした鋼を溶製する。
次いで微細な析出物が析出しないように、スラブ加熱温
度や仕上温度、巻取り温度を調整して熱間圧延を行い、
さらに冷間圧延前の結晶粒度を調整するため熱延板焼鈍
を加える。冷間圧延は、一回または中間焼鈍を含む二回
以上の圧延を行うが、適正な集合組織が得られるよう
に、圧下率や中間焼鈍温度が選ばれる。最終の再結晶焼
鈍は、結晶粒を粗大化するために高温で実施される。

【０００６】以上述べたように、高級無方向性電磁鋼板
の製造法に関しては、従来から多くの検討が加えられて
おり、基本的なプロセスは概ね定まってきた。しかしな
がら省エネルギーの観点から、電気機器の高効率化、小
型化の要求はますます厳しくなっており、これに応えて
良好な磁気特性を有する電磁鋼板を工業的に安定して、
しかも安価に製造する技術は未だ完成されていない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】高級無方向性電磁鋼板
の製造プロセスにおいて、磁気特性の改善と安定化を実
現する鍵は、実は最終焼鈍工程が握っている。たとえ鋼
の組成や熱間圧延から冷間圧延までの条件が最適にコン
トロールされたとしても、最終焼鈍が適正に行われなけ
れば、それ以前の努力の大部分は水泡に帰すと言っても
過言ではない。

【０００８】本発明者らは、かかる事態に鑑みて、最終
焼鈍工程で発生する問題点を洗い出した結果、現在の焼
鈍方式には根本的な欠陥があることが明らかとなった。
無方向性電磁鋼板の最終焼鈍は、生産性や特性の均一性
の観点から、現在では連続焼鈍方式が主流となってい
る。特にSi＋Alが 2.0％以上の鋼では、αからγまたは
γからαへの変態点がないので焼鈍温度に制約がなく、
結晶粒粗大化のためには1000℃を超える高温焼鈍も可能
である。このような高温焼鈍が容易に行える点でも、連
続焼鈍方式はバッチ式の箱焼鈍より優位性がある。

【０００９】ところが、高級無方向性電磁鋼板を高温で
焼鈍する場合、内部酸化による磁気特性の劣化が問題と
なる。焼鈍は無酸化雰囲気で行うといっても、工業的に
は完全な無酸化の雰囲気にすることは不可能であり、し
かも、きわめて酸化しやすいSiやAlを多量に含む鋼板を
高温で焼鈍する場合には、連続焼鈍のように短時間の焼
鈍であっても、内部酸化の弊害を完全に取り除くことは
困難である。焼鈍雰囲気を調整したり、鋼板表面に酸化
防止剤を塗布するなどの対策が提案されているが、いず
れも効果は不十分で信頼性に乏しい。このため、鋼板表
面に生成した内部酸化層を、酸洗などで除去する対策ま
で提案されるに到っているが、これは生産コストの増加
につながり実用的とは言えない。

【００１０】さらに、高温焼鈍で結晶粒を粗大化する
と、磁気特性に好ましくない集合組織が発達する傾向に
あり、特に磁束密度の劣化を招来する。高級品では合金
元素の添加量が多く、それだけでも磁束密度は低下する
ため、集合組織の不適当になるのは大きな問題である。

【００１１】本発明は、上述のようなSiおよびAlを多量
に含む高級無方向性電磁鋼板の製造工程、特に最終焼鈍
工程における問題点を解決することを目的としてなされ
たものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、現在の連
続焼鈍方式に含まれる問題点の根本的な原因を究明し
た。その結果、高温域での保持時間と加熱速度にその原
因があることが明らかとなった。即ち、現在の連続焼鈍
は、少なくとも高温均熱部ではラジアントチューブで加
熱した炉内にコイルを通し、昇温した雰囲気を介してコ
イルを間接的に加熱する方式であるため、鋼板の温度が
雰囲気温度に近づくに従って加熱速度が遅くなり、結果
的に高温域での鋼板の滞在時間が長くなるので、内部酸
化が生じるのである。また、高温域での加熱速度が遅い
ことは、集合組織の劣化も招く結果となる。加熱速度だ
け速めるのであれば、雰囲気温度を上げてやればよい
が、これは内部酸化をさらに助長することになる。一
方、焼鈍温度を下げることは結晶粒を成長させるという
焼鈍目的に反するから、これも採用できない。結局、雰
囲気を介する間接加熱方式では、前述の問題点を抜本的
に解決することはできない。高温域での加熱速度を大き
くするために高周波誘導加熱を用いることも考えられる
が、およそ 770℃の磁気変態点を超えると加熱効率が低
下し、また鋼板の幅方向での温度の均一性を確保し難い
という難点があり、実用化されていない。

【００１３】上記の認識の上に、本発明者は焼鈍工程に
おける加熱方式を種々検討した結果、直接通電による抵
抗加熱方式が最適であることを見出した。この知見を基
礎とする本発明は、下記(1) および(2) を要旨とするも
のである。

【００１４】(1) 重量％で、Ｃが0.01％以下、Mnが2.0
％以下、SiとAlが合計で 2.0〜5.0 ％で、残部は不可避
的不純物と鉄からなる冷間圧延薄板を連続焼鈍方式で再
結晶焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造工程において、再
結晶焼鈍の少なくとも高温域での加熱を鋼板に直接通電
する電気抵抗加熱方式で行うことを特徴とする磁気特性
の良好な無方向性電磁鋼板の製造方法。

【００１５】(2) 再結晶焼鈍工程において、無酸化雰囲
気中での間接加熱方式と直接通電による電気抵抗加熱方
式を併用し、直接通電による電気抵抗加熱を 800℃以上
の温度領域で行うことを特徴とする上記(1) の磁気特性
の良好な無方向性電磁鋼板の製造方法。

【００１６】上記の本発明方法において、再結晶焼鈍に
付す冷間圧延薄板 (コイル) の製造方法には特別の制約
はない。この種の電磁鋼板の製造に通常採用されている
条件、或いはそれに様々な改良を加えた条件で溶製、熱
間圧延、熱延板焼鈍等を行い、最後に冷間圧延を行って
所定厚さの薄板とし、これを処理対象素材として連続焼
鈍方式による再結晶焼鈍を施せばよい。

【００１７】

【作用】まず、最終焼鈍に直接通電による抵抗加熱方式
を用いた場合の作用、効果について詳しく説明する。

【００１８】抵抗加熱方式は、鋼板に直接電流を流し
て、鋼板の電気抵抗により発生するジュール熱を利用す
るものである。

【００１９】図１は、薄板に直接電流を流す一つの方法
を簡単に示したもので、図示のように対向する二組の通
電用ピンチロール2-1 と2-2 を用いて、その間の鋼板１
に電源３から電流を流す方式が採用できる。電流の量
は、薄板の断面積と所定の最高加熱温度から決められ
る。通電方向は板の進行方向でもその逆でも構わない。
電流は直流でも交流でもよいが、交流の場合は、高周波
になると表皮効果によって板の表面や端部が過熱される
ので、商用周波数（50Hz、60Hz）程度がよい。

【００２０】連続焼鈍設備でこの直接通電加熱を行うに
は、焼鈍炉本体の通板ラインに上記の通電用ピンチロー
ルを二組以上設けておけばよい。

【００２１】図２は、従来の雰囲気を介する間接加熱法
（従来法）と直接通電による抵抗加熱法（本発明法）と
の昇温速度を対比したものである。鋼板の電気抵抗は温
度が高くなるほど大きくなるので、抵抗加熱方式を用い
ると高温になるほど加熱速度は加速度的に大きくなり、
目標の最高加熱温度に達する時間は、従来の雰囲気を介
した間接加熱方式の場合よりもはるかに短くなる。

【００２２】本発明の方法によれば、高温域での鋼板の
滞在時間が著しく短縮される結果、内部酸化の発生する
危険性は殆ど皆無となり、また高温域の加熱速度が速く
なるため、磁気特性に望ましい集合組織が形成される。
高温域での保持時間が短いことに因る結晶粒成長不足
は、最高加熱温度を上げることで十分に補償できる。最
高加熱温度を高くしても、高温に曝される時間が短いの
で内部酸化の危険は殆どない。

【００２３】また、抵抗加熱を用いると、焼鈍時間が大
幅に短縮されるので、連続焼鈍装置の通板速度を上げる
ことが可能となり、生産性が向上するという効果もあ
る。しかも、この抵抗加熱は、比抵抗の高い高級品ほど
適している。

【００２４】直接通電による抵抗加熱方式には、上記の
ような多くの利点がある。しかし、加熱時間が短時間で
済むとはいえ、加熱を大気中で行うと内部酸化や表面酸
化が起こるので、加熱部分は無酸化雰囲気でシールする
必要があるのは言うまでもない。

【００２５】直接通電による抵抗加熱は、再結晶焼鈍の
全加熱に用いてもよい。しかし、図２からもわかるよう
に、抵抗加熱の利点は高温になるほど顕著となる。そこ
で、低温域では従来の間接加熱方式を用い、高温域のみ
抵抗加熱方式とするのが合理的である。この方法は、設
備の簡略化と総合的なエネルギーコストの削減に有効で
ある。具体的には、加熱速度や加熱時間の内部酸化や集
合組織に対する影響が現れる 800℃以上で、抵抗加熱を
行えばよい。この温度未満では、内部酸化の危険性は少
なく、再結晶もしないので昇温速度が遅くても集合組織
に対する影響も比較的小さい。

【００２６】本発明方法は、前述の化学組成を有する電
磁鋼板の冷間圧延薄板を対象として実施する。その成分
の含有量の選定理由を説明すれば次のとおりである。な
お、％は全て重量％である。

【００２７】Ｃ：Ｃは、炭化物を形成して磁気特性を劣
化させる元素で、少ないほどよい。Ｃの含有量が0.01％
を超えると悪影響が顕著となるので、許容上限を0.01％
とする。

【００２８】磁気時効の点からは、0.003 ％以下にする
ことが望ましい。

【００２９】Mn：Mnは、Ｓによる熱間脆性を防止するた
め、0.05％以上添加する必要があるが、2.0 ％を超える
と粒成長性が悪くなるので、上限は 2.0％以下とする。
なお、Mnは比抵抗を高める上でも効果がある。

【００３０】SiとAl：SiとAlは、比抵抗を上げるため添
加する。それらの合計含有量が 2.0％未満の場合は変態
点が現れ、変態点で焼鈍温度の上限が決まるため、本発
明の効果が十分発揮できなくなる。従って下限は 2.0％
とする。一方、合計含有量が 5.0％を超えると、冷間圧
延性が著しく劣化するので、上限は 5.0％とする。

【００３１】なお、SiはAlよりも安いので通常はSiを主
体としてAlを補助的に使用することが多いが、理論的に
はSiとAlは、いずれか一方だけを使用してもよい。

【００３２】その他、不可避不純物であるＳ、Ｎ、Ｏ
は、それぞれ 0.003％以下で、できるだけ低く抑えるこ
とが望ましい。

【００３３】

【実施例】Ｃ：0.002 ％、Si：3.25％、Mn：0.25％、
Ｐ：0.015 ％、Ｓ：0.001 ％、Al：0.83％、Ｎ：0.002
％、Ｏ：0.001 ％を含有し残部は実質上鉄からなる連続
鋳造スラブを1200℃に加熱し、仕上温度 850℃、巻取り
温度 550℃で熱間圧延を行い、2.3 mm厚さの熱延板とし
た。この熱延板を酸洗して焼鈍した後、冷間圧延を行っ
て0.5mm 厚さの無方向性電磁鋼板の冷間圧延薄板とし
た。これに、以下の焼鈍を施し、磁気特性を評価した。

【００３４】最終焼鈍は、直接通電による抵抗加熱方式
と通常の雰囲気を介する間接加熱方式とを実施して、得
られた鋼板の磁気特性を比較した。

【００３５】抵抗加熱は、200mm 幅のスリットコイルを
１m/min の速度で通板し、50cmの間隔で配置した二組の
通電用ピンチロール間に10Ｖで1500Ａの電流を流して常
温から加熱した。最高加熱温度は 900〜1200℃で、雰囲
気は 100％Ｎ₂ である。

【００３６】間接加熱は、98％Ｎ₂ ＋２％Ｈ₂ の雰囲気
で赤外線加熱ヒーターによって加熱する連続焼鈍炉に、
同じ 200mm幅のスリットコイルを１m/min で通板し、最
高加熱温度 900〜1200℃の範囲で行った。

【００３７】磁気特性は、単板磁気測定機により、鉄損
Ｗ_15/50 と磁束密度Ｂ₅₀を測定して評価した。測定値
は、圧延方向に採取した試料とそれに直角方向の試料と
の平均値である。

【００３８】表１に測定結果を示す。本発明の直接通電
方法では、従来の間接加熱方法に比べて、低鉄損で高磁
束密度の優れた特性が得られており、特に高温焼鈍でそ
の効果が顕著である。本発明の方法では、内部酸化がな
いため高温ほど鉄損は小さくなり、急速加熱で良好な集
合組織が形成されるので磁束密度も高い。これに対し
て、間接加熱方法では、高温焼鈍すると粒成長で鉄損は
やや小さくなるが、内部酸化で打ち消されるためその効
果は小さい。1200℃での焼鈍では鉄損は逆にやや大きく
なっている。磁束密度も高温で粒成長するほど低下して
いる。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【発明の効果】本発明は、高級無方向性電磁鋼板の製造
における再結晶焼鈍工程の問題点を抜本的に解決するも
のである。即ち、鋼板の直接通電加熱という新しい方法
によって、きわめて良好な磁気特性を有する高級無方向
性電磁鋼板を工業的に安定して製造することができる。
前述のように、製品の磁気特性が従来の方法で製造した
ものより優れているのみならず、生産性においても従来
法に勝っており、実用的な価値は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法における直接通電加熱を説明する略
図である。

【図２】直接通電加熱（本発明法）と間接加熱（従来
法）による鋼板の昇温パターンを比較して示す図であ
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃが0.01％以下、Mnが2.0 ％以
   下、SiとAlが合計で 2.0〜5.0 ％で、残部は不可避的不
   純物と鉄からなる冷間圧延薄板を連続焼鈍方式で再結晶
   焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造工程において、再結晶
   焼鈍の少なくとも高温域での加熱を鋼板に直接通電する
   電気抵抗加熱方式で行うことを特徴とする磁気特性の良
   好な無方向性電磁鋼板の製造方法。
2. 【請求項２】再結晶焼鈍工程において、無酸化雰囲気中
   での間接加熱方式と直接通電による電気抵抗加熱方式を
   併用し、直接通電による電気抵抗加熱を 800℃以上の温
   度領域で行うことを特徴とする請求項１に記載の磁気特
   性の良好な無方向性電磁鋼板の製造方法。