CN100395365C - Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明在Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板中，含有Si：2.5～10质量%、Cr：1.5～20质量%、C：0.006质量%以下、N：0.002质量%以下、S：0.005质量%以下、Ti：0.005质量%以下、和Nb：0.005质量%以下，并且根据需要含有Al：0.1～2质量%，分别在Sb：0.005～1质量%和Sn：0.005～1质量%的范围内含有Sb和Sn中任意1种或2种，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部的含Cr氮化物的存在个数为每1mm2上存在2500个以下，由此可以有利地解决因高Si和高Cr得到的高电阻在10kHz以下的高频区域不能被充分利用的问题，提供一种在高频区域，特别在1kHz以上的高频区域磁特性优良的无方向性电磁钢板。

Description

Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种适合用于电动车辆用电动机、微型气涡轮机用发电机以及高频电抗器等的铁心的高频用Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板。在此，将数百Hz以上、特别是约400Hz以上的频率区域称为“高频区域”，但本发明特别涉及在1kHz以上的高频区域具有优良的磁特性的钢板。
背景技术
近年来，在高频区域使用的机器，例如电动车辆用电动机、微型气涡轮机以及高频电抗器等的使用比以往增加，要求有高频区域的磁特性优良的电磁钢板。这些机器在数百Hz～数十kHz的区域使用。
以往，在这些用途中，使用向钢中添加Si而改善铁损(也就是降低铁损)的Fe-Si类无方向性电磁钢板。无方向性电磁钢板，一般通过冷轧加工至目标板厚，其后通过最终退火进行再结晶，得到期望的电磁特性等。
然而，以往的Fe-Si类高频用无方向性电磁钢板，钢中的Si含量在3.5质量％以下，钢的电阻低，特别有在1kHz以上的高频区域铁损变大的缺点。因此为了回应近年来社会的要求，需要开发可以对应新的高频区域的电磁钢板。
为了改善在上述高频区域的铁损，提高钢的电阻，改善涡电流损失特别有效。作为提高钢的电阻的方法，一般采用增加钢中的Si和Al的含量的方法。然而，如果Si量超过3.5质量％，则钢变得极为硬脆，加工性劣化，因而难以通过通常的轧制进行制造、加工。此外，在以往的Fe-Si类钢板中，例如在Si量超过5.0质量％时，不仅不能进行冷加工，连温加工都不能进行。
在专利文献1中记载有向钢中添加Cr、Al等，不提高Si量而提高钢的电阻的技术。然而，专利文献1所述的技术，与以往的高频用途的电磁钢板同样，把使用频率区域设想在不到1kHz。因此，在1kHz以上的区域不能得到充分的高频磁特性，作为近年来需求的对应约400Hz～约50kHz的高频用无方向性电磁钢板，不具有满足的效果。专利文献1中的Si含量，没有超过通常的硅钢板的含量，反而将Si量为1.5％左右的低Si类钢板作为主要的对象。
与此相对，申请人发现，通过添加Cr，即使对于含Si量较高的钢，也能改善脆性，可以同时得到高的电阻和加工性。因而申请人之前在专利文献2、专利文献3、专利文献4等中，提出分别含有1.5～20质量％的Cr、2.5～10质量％的Si，高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类电磁钢板。
专利文献1：特开平11-229095号公报
专利文献2：特开平11-343544号公报
专利文献3：特开2001-262289号公报
专利文献4：特开2001-279326号公报
发明内容
专利文献2、专利文献3等中记载的钢板，在10kHz的高频区域显示了与高电阻相对应的优良的铁损。另一方面，即使在不到10kHz的高频区域，这些钢板也比以往的电磁钢板显示了良好的铁损，但最近发现得不到与含高Si、高Cr所带来的高电阻相应的良好的铁损，因此这些钢板还有改善的余地。
因此，本发明的目的在于，有利地解决含有高Si和高Cr而得到的高电阻在不足10kHz的高频区域不能充分地反映于铁损的问题，提供一种在高频区域、特别在1kHz以上的频率区域具有优良的磁特性的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板。
发明者们对上述问题进行反复研究，结果发现：一般在高频区域的铁损中，涡电流损失的比例较大，但是在Fe-Cr-Si类电磁钢板中，磁滞损耗的影响比较大。而且得知，高电阻带来的涡电流损失的降低不能充分提高磁特性是因为该磁滞损耗劣化。发现为了得到良好的磁滞损耗，需要对钢板内部的含Cr氮化物(nitride including chromium)的存在比例进行控制。本发明是基于以上见解的发明。
本发明的主要构成如下。
(1)一种高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％、C：0.006质量％以下、N：0.002质量％以下、S：0.005质量％以下、Ti：0.005质量％以下、和Nb：0.005质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部每1mm2上的含Cr氮化物的个数在2500个以下。
(2)一种高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％、C：0.006质量％以下、N：0.002质量％以下、S：0.005质量％以下、Ti：0.005质量％以下、和Nb：0.005质量％以下，还分别在Sb：大于0.04质量％并在1质量％以下和Sn：大于0.06质量％并在1质量％以下的范围内含有Sb和Sn中的任意1种或2种，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部每1mm2上的含Cr氮化物的个数在2500个以下。
(3)一种高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％、Al：0.1～2质量％、C：0.006质量％以下、N：0.004质量％以下、S：0.005质量％以下、Ti：0.005质量％以下、和Nb：0.005质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部每1mm2上的含Cr氮化物的个数在2500个以下。
(4)一种高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，含有Si：2.5～10质量％、Cr.1.5～20质量％、Al：0.1～2质量％、C：0.006质量％以下、N：0.004质量％以下、S：0.005质量％以下、Ti：0.005质量％以下、和Nb：0.005质量％以下，还分别在Sb：0.005～1质量％和Sn：0.005～1质量％的范围内含有Sb和Sn中任意1种或2种，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部每1mm2上的含Cr氮化物的个数在2500个以下。
(5)如上述(1)～(4)中任一项所述的高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，还含有Mn：1质量％以下和P：1质量％以下中的任意1种或2种。
(6)一种高频磁特性优良的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％的钢水进行浇铸，实施包括冷轧(包括温轧，下同)的轧制工序，其后实施最终退火，其中，以氮气换算后的全体积率计，将上述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为不足30％。
在这里，氮化气体对氮化的促进，如下换算成氮气相当的全体积率。以原子数比率从各氮化气体的化学组成求出氮N的存在比例。在此比率上乘以各氮化气体的体积率，取其总合。
在上述发明(6)、或者后述的发明(7)～(9)中，优选上述“包括冷轧的轧制工序”包括以下各工序：对浇铸的钢板坯进行热轧的工序；根据需要对得到的热轧板进行退火(称为热轧板退火)的工序；和其后对热轧板或者退火后的热轧板实施一次冷轧或者实施夹有退火(称为中间退火)的2次以上的冷轧的工序。
(7)一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％，并分别在Sb：大于0.04质量％并在1质量％以下和Sn：大于0.06质量％并在1质量％以下的范围内含有Sb和Sn中的任意1种或2种的钢水进行浇铸，实施包括冷轧的轧制工序，其后实施最终退火，其中，以氮气换算后的全体积率计，将上述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为不足95％。
(8)一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％，还含有Al：0.1～2质量％的钢水进行浇铸，实施包括冷轧的轧制工序，其后实施最终退火，其中，以氮气换算后的全体积率计，将上述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为不足95％。
(9)一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％，还含有Al：0.1～2质量％，并分别在Sb：0.005～1质量％和Sn：0.005～1质量％的范围内含有Sb和Sn中的任意1种或2种的钢水进行浇铸，实施包括冷轧的轧制工序，其后实施最终退火，其中，以氮气换算后的全体积率计，将上述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为不足95％。
附图说明
图1是表示Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的钢板内部的含Cr氮化物的微细析出的截面SEM照片。
图2是以钢中的Cr含量为横轴，以最终退火时的氮化量和磁滞损耗为纵轴，表示它们的关系的一例的图表。
图3A是表示对本发明的电磁钢板(添加Sb)进行最终退火后的钢板内部的截面SEM照片。
图3B是表示对本发明的电磁钢板(添加Sb)进行最终退火后的钢板表面附近的截面SEM照片。
图4A是表示对本发明的另一电磁钢板(添加Al)进行最终退火后的钢板内部的截面SEM照片。
图4B是表示对本发明的另一电磁钢板(添加Al)进行最终退火后的钢板表面附近的截面SEM照片。
图5是对种种的钢板表示钢板内部的含Cr氮化物的个数(横轴)和磁滞损耗(纵轴)的关系的图表。
具体实施方式
首先，对达到本发明的实验结果进行说明。发明者们，对Fe-Cr-Si类电磁钢板的磁滞损耗的劣化原因进行了研究。
对表1所示成分类的钢1～8，根据常法实施热轧或者冷轧，得到0.25mm的板厚，实施最终退火。
最终退火条件是使退火气氛为氮+氢气氛(以体积率计N2∶H2＝70∶30)，使退火温度为980℃。
Figure C20038010759800101
其结果，在上述条件下对上述钢1～8实施最终退火而制得的钢板，在钢中都观察到了直径数nm左右的微细的含Cr氮化物。作为一例，在图1中表示用扫描电子显微镜(SEM)对用钢5以上述条件进行最终退火而制得的钢板的内部进行摄影时的截面SEM照片。认为含Cr氮化物主要由CrN、Cr2N、Cr(C，N)等碳氮化物构成。
接着，使Cr含量在1.0～4.5质量％的范围内进行种种的变化，以上述条件对这些钢实施最终退火，测定最终退火时的氮化量(最终退火前后的含氮量的差)以及磁滞损耗。图2是以钢中的Cr含量为横轴，以最终退火时的氮化量(钢板整体)和磁滞损耗为纵轴，表示它们的关系的图表。在图2中，柱状图是氮化量，折线图是磁滞损耗。
从图2的结果可知，钢中的Cr含量越大，最终退火时的氮化量就越大，磁滞损耗随之劣化。
由以上结果认为，钢中的Cr在最终退火时氮化，容易作为含Cr氮化物析出，该含Cr氮化物的析出使磁滞损耗劣化。
因此，就控制方法对最终退火中的含Cr氮化物的析出进行研究。其结果发现，通过在Ar气气氛等不发生氮化的气氛中进行退火，可以抑制含Cr氮化物的析出。并且发现，通过向钢原材中添加作为氮化抑制元素的Sb、Sn和/或作为氮化物生成元素的Al，并在配合这些Sb、Sn和Al的添加量而调整氮分压的气氛中进行退火，也能有效地抑制含Cr氮化物的析出。在下表示其一例。
首先，在与上述制造方法相同的条件下将具有Fe-Cr-Si类合金组成，并含有Sb：0.045质量％的表1的钢10制成冷轧钢板，在两种条件的气氛(以体积率计氮∶氢＝70∶30和95∶5)中实施最终退火。
图3A是在氮∶氢＝70∶30的气氛中实施最终退火的钢板内部的截面SEM照片，图3B是钢板表层的截面SEM照片。观察条件和图1相同。由图3A和图3B可知，可以通过添加Sb抑制钢板部2的含Cr氮化物的析出。图中的1是用于保护表面的Cu箔。
然而，对在氮∶氢＝95∶5的气氛中实施了最终退火的钢板，观察到在其晶界有相当数量的含Cr氮化物。也就是即使在氮∶氢＝95∶5的气氛中进行退火，也可以确认添加Sb的抑制含Cr氮化物析出的效果，但是抑制析出效果不充分。
接着，对具有Fe-Cr-Si类合金组成，并含有Al：0.55质量％的表1的钢11，同样在两种条件的气氛(氮∶氢＝70∶30和95∶5)中实施最终退火。其他制造条件和上述制造方法为相同条件。
图4A是在氮∶氢＝70∶30的气氛中实施最终退火的钢板内部的截面SEM照片，图4B是钢板表层的截面SEM照片。由图4B可知，在钢板的最表层形成AlN层3，而且在从表层至5μm左右的深度的区域中也能看到AlN4的析出。其结果，如由图4A可见那样，可知抑制了钢板内部的含Cr氮化物的析出。
然而，在氮∶氢＝95∶5的最终退火气氛中，含Cr氮化物存在于晶界，确认了抑制析出效果不充分。
而且，在同样的工序条件下将不含有Sb、Al的表1的钢4以及钢6制成冷轧钢板，在仅有Ar气的气氛中进行退火。此时，确认可以抑制钢的氮化，抑制含Cr氮化物的析出。
通过对复合添加Sb、Al的情况(表1的钢12)进行同样的研究，确认与单独添加Sb或者Al相比，与分别少量添加的单独添加钢具有同样的抑制含Cr氮化物析出的效果。
而且准备了添加Sn的Fe-Cr-Si类合金钢，进行同样的研究，其结果确认了Sn具有与Sb同样的抑制氮化效果。
在表2中表示对使用钢1～12中的任意一种而制造的无方向性电磁钢板，测定钢板内部1mm2上的含Cr氮化物的个数、退火后的氮化量(钢板整体)以及磁滞损耗的结果。在此，使最终退火的气氛和温度为表2所示的条件，其他制造条件与图1等的钢板的制造条件相同。
通过下述方法测定钢板内部1mm2上的含Cr氮化物的个数。
使用SEM(1000倍～10000倍)对沿板厚方向切割钢板得到的截面进行多视野观察，使全部视野区域为1mm×1mm。计数上述观察区域内的含Cr氮化物的个数，作为上述1mm2上的含Cr氮化物的个数。在此，通过EDX分析来确认观察到的析出物是否为含Cr氮化物。表面·背面都除去从钢板最表层至5μm的区域，余下的部分定义为钢板内部。
对沿轧制方向切开的截面(所谓的轧制方向截面)进行观察，但没有特别观察到基于切开方向的观察个数的差。
表2
Figure C20038010759800141
此外，在图5表示钢板内部的含Cr氮化物的个数和磁滞损耗的关系。对氮化物的个数和磁滞损耗的关系进行观察可知，为了得到良好的磁滞损耗，必须将钢板内部的含Cr氮化物的存在比例抑制在每1mm2上存在2500个以下。本发明是基于上述见解的发明。
本发明的无方向性电磁钢板，具有以下的特征。
(a)通过添加Cr可以改善高Si钢的脆性，可以制造以往难以制造的高Si钢，可以得到较高的电阻。
(b)Cr不仅改善脆性，还是提高电阻的有效元素，复合添加Si和Cr可以更为有效地得到高电阻。
(c)通过充分降低C、N、S、Ti以及Nb等杂质浓度，可以得到添加Cr的脆性改善效果，并且可以防止析出物所导致的磁滞损耗劣化。
(d)通过在Ar气气氛等不发生氮化的气氛中对Cr-Si添加钢进行退火，可以抑制氮化，可以将含Cr氮化物的析出量控制在2500个/mm2以下，可以防止含Cr氮化物导致的磁滞损耗劣化。
(e)通过向Fe-Cr-Si类电磁钢板中添加作为氮化抑制元素的Sb和/或Sn，并配合Sb、Sn的添加量调整氮化气体的含量，可以抑制退火中的氮化，可以将含Cr氮化物的析出量控制在2500个/mm2以下，可以防止含Cr氮化物所导致的磁滞损耗。
(f)通过向Fe-Cr-Si类电磁钢板中添加作为氮化物生成元素的Al，并配合Al的添加量调整氮化气体的含量，可以抑制退火中的内部氮化，可以将含Cr氮化物的析出量控制在2500个/mm2以下，可以防止含Cr氮化物所导致的磁滞损耗劣化。
(g)通过向Fe-Cr-Si类电磁钢板中复合添加作为氮化抑制元素的Sb和/或Sn以及作为氮化物生成元素的Al时，与单独添加Sb、Sn或者Al相比，与分别少量添加的单独添加钢同样可以抑制退火中的氮化，而且通过适当调节氮化气体的含量，可以将含Cr氮化物的析出量控制在2500个/mm2以下，可以防止含Cr氮化物所导致的磁滞损耗劣化。
以下，对本发明进行详细说明。
首先，对本发明的无方向性电磁钢板的成分组成范围的限定理由进行说明。
Si：约2.5～约10质量％。
Si是提高钢的电阻的主要元素。而且由于与Cr的复合效果，可以大幅提高电阻，特别是对改善高频区域的铁损有效的成分。Si量如果不足约2.5质量％，即使并用Cr也只能得到以往的电磁钢板程度的电阻，因而得不到良好的高频区域铁损。另一方面，如果超过约10质量％，即使含有Cr，也不能确保可以进行通常轧制的韧性，因而Si含量规定在约2.5～约10质量％。上限值可以是10.0质量％。
更为优选的范围是约2.5～约5.0质量％，进而优选区域为约3.5～约5.0质量％。
Cr：约1.5～约20质量％
Cr由于与Si的复合效果，可以大幅提高钢的固有电阻，而且是提高抗腐蚀性的基本合金成分。为了得到其效果，需要添加约1.5质量％以上。
在含有约3.5质量％以上的Si时，或者即使在含有约3质量％以上的Si并含有超过约0.5质量％的Al时，Cr也是对得到可以进行通常轧制程度的韧性极为有效的元素。其效果在约1.5质量％以上时也可以得到，但是更加优选添加约2质量％以上的Cr。即使在Si量、Al量比上述情况少时，通过添加Cr也可以改善加工性。另一方面，如果超过约20质量％，则提高韧性的效果饱和，而且导致成本提高，因而将Cr含量规定为约1.5～约20质量％，上限值可以是20.0质量％。
更优选的范围是约1.5～约5.0质量％。
添加Sb：大于0.04质量％并在约1质量％以下、和Sn：大于0.06质量％并在约1质量％以下中的任意1种或2种(不向钢中添加0.1质量％以上的Al时)
添加Sb：约0.005～约1质量％和Sn：约0.005～约1质量％中的任意1种或2种(向钢中添加0.1质量％以上的Al时)
Sn和Sb都具有抑制氮化的效果，因而添加这些成分的钢与不添加Sn或者Sb的钢相比，即使最终退火时的氮气比例高，也可以有效地抑制含Cr氮化物的析出。由于可以如此抑制退火时的氮化所导致的含Cr氮化物的析出，可以防止磁滞损耗劣化，因而向Fe-Cr-Si类电磁钢板中添加Sn和/或Sb，与以往电磁钢板相比改善铁损效果较大。因而在本发明中，如果是具有不向钢中添加Al的成分类的电磁钢板(也就是Al含量不足0.1质量％时)，可以分别在Sb：大于0.04质量％并在约1质量％以下和Sn：大于0.06质量％并在约1质量％以下的范围内添加Sb和Sn中的任意1种或2种。也就是如果Sn、Sb都超过1质量％，则不仅上述效果饱和，还会导致成本提高，因而将1质量％作为上限，而且，为了充分得到上述效果，分别将Sb和Sn含量的下限设定为大于0.04质量％和大于0.06质量％。也可以使Sb、Sn的含量的上限值都为1.0质量％。
另一方面，如果与Sn和/或Sb一起复合添加Al(也就是使Al含量为0.1质量％以上时)，可以分别在Sb：约0.005～约1质量％和Sn：约0.005～约1质量％的范围内添加Sb和Sn中的任意1种或2种。如果Sn和Sb超过约1质量％，则效果饱和，导致成本提高，因而将约1质量％作为上限。上限值也可以为1.0质量％。
由于与Al的复合添加所产生的复合效果，含有作为下限值的约0.005质量％以上时，就能产生与上述相同的效果。下限值也可以为0.0050质量％。
Sn、Sb在具有抑制氮化效果之外，还具有改善集合组织的效果，因而有助于提高钢板的磁特性。在专利文献3、专利文献4中也提到这种目的下的添加，但是没有公开最适合抑制氮化的适用量和方法。
在复合添加Al时，更为优选的范围是Sb、Sn都为约0.005～约0.05％。
Al：约0.1～约2质量％
Al是比Cr更强的氮化物生成元素，与退火中从钢板表层侵入的氮在钢板表层结合，在钢板最表层形成AlN层，并在最表层紧下方的表层附近也析出AlN。由此可以防止向钢板内部的渗氮，其结果，可以抑制钢板内部的氮化所导致的含Cr氮化物的析出，因而可以根据需要向钢中添加。在以往的电磁钢板中，由于钢板表层的AlN析出使磁特性劣化，因而需要进行抑制。然而可知对于Fe-Cr-Si类钢板，该AlN的析出对改善磁特性非常有效。而且通过添加Al，使从钢熔炼时起含有的氮形成粗大的AlN，因而还具有抑制从钢熔炼时起含有的氮所导致的含Cr氮化物的析出。这些效果可以通过添加约0.1质量％以上而得到。
如果过量地添加Al，还具有可以提高电阻的有利方面，例如在专利文献1、专利文献2、专利文献3以及专利文献4中都推荐该目的下的添加。然而，磁通密度的降低要大于添加Si的时候。由于可以通过复合添加Si和Cr达到高电阻化，因而从满足高电阻和高磁通密度两方面的观点出发，优选Al的添加量在必要的范围内较小。而且，由于过量添加Al会导致韧性劣化，因而从制造性的观点出发也优选Al添加量较少。由于这些理由，使Al添加量的上限为约2质量％以下。上限值也可以是2.0质量％。根据上述，使Al添加量为约0.1～约2质量％。优选规定为约0.10～约1.0质量％。
Mn：约1质量％以下和P：约1质量％以下中的任意1种或者2种
通过添加Mn和P可以进一步提高电阻，可以无损于本发明的主旨而进一步达到改善铁损。因此，可以根据需要从Mn和P中选择1种或者2种进行添加。然而由于大量添加这些元素时加工性劣化，因而总体将约1质量％作为上限(也可以将1.0质量％作为上限)。更优选0.5质量％以下。由于微量添加Mn和P就可以得到效果，因而不需要特别地设置下限，例如Mn在约0.04质量％以上，P在约0.01质量％就足够了。
C：约0.006质量％以下
C由于使Fe-Cr-Si类电磁钢板的韧性劣化，因而优选尽量降低，在本发明的成分范围中，需要将C量抑制在约0.006质量％以下。而且，从防止含Cr碳化物等析出物所导致的磁滞损耗的观点出发，也需要将C量抑制在约0.006质量％以下。上限值也可以是0.0060质量％。更优选的范围为约0.0040％以下。
C在理论上可以不添加，但现实中认为会残留10ppm左右。
可以铸造C为目标值的钢锭，但也可以将含有约0.006～约0.02质量％左右的钢锭作为原材料，施加将冷轧中的中间退火、或者冷轧后的最终退火作为脱碳退火等的C降低处理。
N：约0.002质量％以下(向钢中不添加0.1质量％以上的Al时)
约0.004质量％以下(向钢中添加0.1质量％以上的A时)
N与Cr非常容易结合而使含Cr氮化物析出。因此，从磁滞损耗劣化的观点出发，对于具有钢中不添加Al(Al＜0.1质量％)的成分类的电磁钢板，需要将N量降低至0.002质量％以下。上限值也可以是0.0020质量％。
另一方面，对于具有钢中添加Al(Al≥0.1质量％)的成分类的电磁钢板，由于N与Al结合，可以抑制氮化以及钢中氮所导致的含Cr氮化物的析出，因而可以至0.004质量％以下含有N。然而N量增加会导致韧性劣化，因而优选尽量降低，从韧性劣化的观点出发也需要将N量抑制在约0.004质量％以下。上限值也可以是0.0040质量％。
N在理论上也可以不添加，但是认为实际上会残留10ppm左右。
S：约0.005质量％以下
由于S生成MnS、CuS等析出物，使磁滞损耗劣化，因而从改善磁滞损耗的观点出发需要将S量抑制在约0.005质量％以下。上限值也可以是0.0050质量％。更为优选的范围是约0.0025％以下。S在理论上可以不添加，但是认为实际上会残留5ppm左右。
Ti：约0.005质量％以下、Nb：约0.005质量％以下
Ti和Nb在通常的含Cr钢中都被定位成加工性改善成分。然而是使磁特性劣化的成分。由于通过添加Cr，降低C和N来达到本发明的加工性的改善，因而不需要Ti和Nb所具有的加工性改善作用。因此从磁特性的观点出发优选尽量降低Ti、Nb，作为其允许量，需要将Ti、Nb整体抑制在约0.005质量％以下。上限值也可以是0.0050质量％。更优选的范围是分别在0.0020以下。这些元素在理论上可以不添加(不到分析界限)，但是认为实际上会混入5ppm左右。
对O、V、Cu等不可避免的杂质，从磁特性和加工性的观点出发较为优选尽量降低。优选使它们分别在0.0050质量％以下、0.0050质量％以下、0.050质量％以下。
作为其他的不可避免的杂质，例如有B、Ni、Zr、Ca、Mg等。优选Ni为0.05质量％以下，其他元素在0.0050质量％以下。
为了改善高频特性，提高钢的电阻是很有效的。在本发明中，希望钢的电阻至少在约60μΩcm以上。这是因为，如果不到60μΩcm，则不能充分得到高频磁特性，在不积极添加Cr的以往的电磁钢板中也能容易地达到。更为优选在约70μΩcm以上。
电阻率主要由钢的成分组成决定，因而可以考虑已知的各元素的影响而进行成分设计，或者进行简单的研究而使之为目标值。
如图5所示，为了得到良好的磁滞损耗，需要将钢板内部1mm2上的含Cr氮化物的个数控制在2500个以下。如果超过2500个/mm2，则磁滞损耗急剧劣化，不能得到充分的高频特性。
为了将含Cr氮化物的个数控制在2500个/mm2以下，可以通过添加作为氮化抑制元素的Sn和作为氮化物生成元素的Al，进而增大最终退火气氛中的非氮化气体的比率而达到。当然100％的非氮化气体的气氛也能达到目的。
在这里，非氮化气体是指例如H2气、Ar气等，而且实际上可以使用的氮化气体是N2气或者NH3气等。
对于既不添加氮化抑制元素Sn、Sb，也不添加氮化物生成元素Al的成分类，优选在不含有氮化气体的非氮化气体气氛下进行退火。此外，通过将氮化气体降低得非常低可以达到降低含Cr氮化物的个数。
接着，对本发明的无方向性电磁钢板的制造工艺进行说明。
首先，将含有本发明的成分的钢水铸造成板坯，对板坯进行加热后，进行通常的热轧。对板坯加热温度没有特别的限定，但由于高温加热会产生板坯下垂等制造上的问题，因而优选在约950℃～约1200℃的范围内。通过极力使热轧板的厚度变薄，可以使下一工序冷轧中的轧制性变得良好。另一方面，如果过薄，则辊轧机的能力跟不上，而且热轧板形状可能变得不良，因而优选在约2.5mm～约0.5mm范围内。
接着，可以根据需要实施热轧板退火。热轧板退火对改善磁特性有效，但是如果不到800℃其效果不理想，超过1200℃则组织变得过于粗大，韧性产生问题，因而优选在约800℃～约1200℃的温度范围内实施。
对得到的热轧钢板实施冷轧，得到最终板厚。在此，冷轧可以进行一次而得到最终板厚，也可以分作两次以上，其间实施中间退火。中间退火对改善磁特性有效，还具有除去钢板的变形，降低其后的冷轧的负荷的效果。然而，除去变形并完成再结晶后，钢板的韧性劣化。也就是在极度高温下实施中间退火不仅其效果饱和，晶粒也变得粗大，使下一工序的冷轧性降低。另一方面，如果温度过低，则磁特性改善效果不充分。因而中间退火温度优选在700℃～1100℃范围内。
而且越降低C越有助于改善磁特性以及加工性，因而可以作为脱碳退火而在氧化性气氛中进行中间退火。
此外，冷轧工序可以通过公知具有改善磁测定效果的约100℃～约300℃的温轧而进行。
然而，上述是代表性的工艺过程，并不限定于此，只要在适合的条件下进行如下的工艺过程就可以：最终通过冷轧或者温轧将铸造后的钢加工至最终板厚。
对经过冷轧(或者温轧)的冷轧钢板，其后实施最终退火使其再结晶。最终退火可以通过连续退火而进行，也可以通过装箱退火而进行，优选连续退火。
在最终退火过程中，对于无方向性电磁钢板，一般使用氮气或者以氮气为主要成分并混合氢气的还原性气氛。
在本发明的钢中，如已述及那样，重要的是对最终退火中的气氛的管理。为了抑制氮化，将含Cr氮化物的析出个数控制在2500个/mm2以下，优选例如在Ar气气氛等不发生氮化的气氛中进行退火。或者在向钢板原材料中添加作为氮化抑制元素的Sb、Sn和/或作为氮化物生成元素的Al的同时，配合这些元素的添加量适当调节氮化气体的存在比例。也就是在本发明中，例如增加氮气和氢气构成的气氛中的氢气的存在比例，或将氮气的至少一部分置换成Ar气等氮气以外的气体，将含Cr氮化物的析出量控制在2500个/mm2以下。特别是对于不添加氮化抑制元素Sn、Sb以及氮化物生成元素Al的组成的钢，在退火气氛中完全不使用氮化气体，或者将氮化气体的比率降低至非常低等，从而将含Cr氮化物的析出量控制在2500个/mm2以下。
具体地，在对上述气氛进行控制时，对于完全不添加Al、Sb、Sn的成分类，以氮气换算后的全体积率(以后只称全体积率)计，优选使氮化气体的含量不到30％。此外，对于此外的成分类，以全体积率计，将氮化气体的含量规定为不到95％。如果氮化气体的量过多，则不仅难以通过氮化控制析出物，而且钢板表面氧化，其结果磁滞损耗劣化。
在此，氮化气体如下算出氮气换算后的全体积率。首先，以原子数比率由各氮化气体的化学组成求出氮N的存在比例。用各氮化气体的体积率乘以该比率，取其总合。
例如，N2∶NH3∶H2＝40∶40∶20时，由于NH3由一个氮原子和三个氢原子构成，因而NH3气中的氮N的存在比例为0.25。因此，氮气换算后的全体积率为40％+(40％×0.25)＝50％。
当然氮化气体为N2气体时，氮N的存在比例为1，因此氮化气体仅为氮气时，氮气相对整个气氛的体积率为上述的全体积率。
氮化能在进行高温退火时较高，管理气氛的效果在最终退火温度高于900℃～950℃左右时变得显著。优选根据各最终退火温度的氮化量的实际体积最适地进行上述气氛控制。
例如，在最终退火温度为约700℃～不足950℃的区域，由于氮化能不太高，因而为了将含Cr氮化物数量降低至规定值以下，优选相对至少添加Sb、Sn或者Al中的任意一种的钢，使氮化气体的全体积率为不到95％，相对不添加Sb、Sn以及Al的钢，使氮化气体的全体积率为不到30％。
此外，在最终退火温度为950℃～约1150℃的区域，由于氮化能非常高，因而优选氮化气体的全体积率比低温退火时还要低。此时，优选相对至少添加Sb、Sn或者Al中的任意一种的钢，使氮化气体的全体积率为约80％以下，相对不添加Sb、Sn以及Al的钢，使氮化气体的全体积率为约15％以下。
从成本以及操作性的观点出发，优选在上述上限的范围内适量含有氮气。相对至少添加Sb、Sn或者Al中的任意一种的钢，以氮化气体的全体积率在约60％以上的程度含有氮气也没有问题，相对不添加Sb、Sn以及Al的钢，也可以以氮化气体的全体积率在约5％以上程度含有氮气。
在本发明的钢板中，减小板厚可以促进高频磁特性改善的效果，但是在约400Hz以上的高频区域，为了显著得到该减小厚度的效果，优选使板厚在约0.4mm以下，不过，如果使板厚小于约0.01mm，则制造成本提高，因而优选使板厚的范围在约0.01～约0.4mm。
实施例
(实施例1)
对含有表3所示的组成成分，余量由Fe和不可避免的杂质构成的钢进行熔炼。在1150℃下对板坯进行加热后，进行热轧，全部制成板厚为2.0mm的热轧板。接着，对钢A～P、W在1000℃下实施热轧板退火，通过一次冷轧法得到最终厚度0.25mm。另一方面，对钢Q～V不实施热轧板退火，通过在冷轧途中进行900℃下的中间退火的二次冷轧法得到最终板厚0.15mm。其后，在980～1040℃下实施10秒的最终退火。从这样得到的钢板上切出爱泼斯坦试验片，对其磁特性进行评价。测定根据JIS C 2550实施。
在此，将电阻、成品板厚、最终退火的气氛气体、退火温度、铁损、退火后的钢板整体的氮化量、钢板内部的氮化量、钢板内部的含氮量、以及含Cr氮化物的析出量分别统一表示于表4～表7。
钢板内部的含氮量是指通过化学研磨在钢板正反两表面各研磨5μm后的区域的含氮量。钢板内部的氮化量是最终退火前的钢板整体的含氮量和最终退火后的钢板内部的含氮量的差。此外，钢板整体的氮化量是最终退火前的钢板整体的含氮量和最终退火后的钢板整体的含氮量的差。氮量通过湿法化学分析进行。含Cr氮化物的析出量通过倍率5000倍的截面SEM像进行研究。
Figure C20038010759800261
Figure C20038010759800271
Figure C20038010759800281
Figure C20038010759800301
作为无Cr钢的钢A、B的电阻在本发明范围外，因而铁损的降低不充分。钢中的含氮量在本发明氛围外的钢D、M、W，即使添加Al、Sn、Sb，也析出含Cr氮化物，铁损不充分。
不添加Al、Sb以及Sn的钢C、K、Q，在不控制氮化气体的比率(在此为氮分压)时，由于退火时的氮化，含Cr氮化物析出，铁损不充分。另一方面，使退火气氛为Ar气氛、或者为低氮气氛等将氮分压控制得较低时，可以抑制含Cr氮化物的析出，表现了良好的铁损。
添加Sn、Sb中的一种以上的钢E、F、L、R、V，将退火气氛控制在本发明范围内时，可以抑制含Cr氮化物的析出以及钢板表面氧化，表现了良好的铁损。另一方面，如果不控制气氛而以高的氮分压进行退火，则添加Sn、Sb的抑制氮化效果不充分，不能将含Cr氮化物的析出量抑制在本发明范围内，铁损不充分。
在不添加Sb、Sn并添加Al的钢G、H、P、T中，由于通过氮化在最表层形成AlN，因而退火后的含氮量提高，但由于形成该AlN，钢板内部的含氮量不提高。因此，添加Al并控制退火气氛时，可以抑制氮化，表现了良好的铁损。另一方面，如果控制气氛而以高的氮分压进行退火，则添加Al的抑制氮化效果不充分，不能将含Cr氮化物的析出量抑制在本发明范围内，铁损不充分。
此外，在复合添加Sn、Sb、Al的钢I、J、N、O、S、U中，由于添加Sn、Sb抑制氮化，并且添加Al而在钢板表层上形成AlN，从而抑制了氮化引起的含Cr氮化物的析出，表现了良好的磁特性。另一方面，如果不控制气氛而以高的氮分压进行退火，则复合添加的抑制氮化效果不充分，不能将含Cr氮化物的析出量抑制在本发明范围内，铁损不充分。
当然，以上的添加Sn、Sb、Al中的一种以上的钢，在不发生氮化的Ar气氛等100％非氮化气氛的退火中也表现良好的铁损。
(实施例2)
对于表3所示的钢Q、R、S、T，以与实施例1同样的方法得到最终板厚0.15mm后，在900℃下实施10秒的最终退火，对更高频率区域上的铁损进行评价。将其测定结果示于表8。
表8
Figure C20038010759800321
与实施例1同样，不添加Al、Sb和Sn的钢Q，在不控制退火气氛时，由于退火时的氮化，析出含Cr氮化物，铁损不充分。另一方面，使退火气氛为Ar气氛、或者为低氮气氛等对氮化进行抑制，则可以抑制含Cr氮化物的析出，表现了良好的铁损。添加Al、Sn、Sb中的一种以上的钢R、S、T也同样，如果不控制气氛而以高的氮分压进行退火，则添加Al、Sn、Sb的抑制氮化效果不充分，不能将含Cr氮化物的析出量抑制在本发明范围内，铁损不充分。另一方面，控制退火气氛时，氮化被抑制，含Cr氮化物的析出在本发明范围内，表现了良好的铁损。
发明的效果
如上所述，本发明的无方向性电磁钢板，具有优良的高频磁特性。本发明的钢板，最适于在高频区域使用的机器，例如电动车辆用电动机、微型气涡轮机用发电机以及高频电抗器等，其工业价值很大。

Claims (9)

1.一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％、Al：0.1～1.0质量％、C：0.006质量％以下、N：0.0021质量％以上且0.004质量％以下、S：0.005质量％以下、Ti：0.005质量％以下、和Nb：0.005质量％以下，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部每1mm2上的含Cr氮化物的个数在2500个以下。
2.一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％、Al：0.1～1.0质量％、C：0.006质量％以下、N：0.0021质量％以上且0.004质量％以下、S：0.005质量％以下、Ti：0.005质量％以下、和Nb：0.005质量％以下，还分别在Sb：0.005～1质量％和Sn：0.005～1质量％的范围内含有Sb和Sn中任意1种或2种，余量由Fe和不可避免的杂质构成，钢的电阻为60μΩcm以上，钢板内部每1mm2上的含Cr氮化物的个数在2500个以下。
3.如权利要求1或2所述的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板，还含有Mn：1质量％以下和P：1质量％以下中的任意1种或2种。
4.一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％的钢水进行浇铸，实施包括冷轧或温轧的轧制工序，其后实施最终退火时，以氮气换算后的全体积率计，将所述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为5％以上且不足30％。
5.一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％，并分别在Sb：大于0.04质量％并在1质量％以下和Sn：大于0.06质量％并在1质量％以下的范围内含有Sb和Sn中的任意1种或2种的钢水进行浇铸，实施包括冷轧或温轧的轧制工序，其后实施最终退火时，以氮气换算后的全体积率计，将所述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为60％以上且不足95％。
6.一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％，还含有Al：0.1～2质量％的钢水进行浇铸，实施包括冷轧或温轧的轧制工序，其后实施最终退火时，以氮气换算后的全体积率计，将所述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为60％以上且不足95％。
7.一种Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，对含有Si：2.5～10质量％、Cr：1.5～20质量％，还含有Al：0.1～2质量％，并分别在Sb：0.005～1质量％和Sn：0.005～1质量％的范围内含有Sb和Sn中的任意1种或2种的钢水进行浇铸，实施包括冷轧或温轧的轧制工序，其后实施最终退火时，以氮气换算后的全体积率计，将所述最终退火的气氛中的氮化气体的含量抑制为60％以上且不足95％。
8.如权利要求4～7中任一项所述的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，所述轧制工序包括：对浇铸的钢板坯进行热轧，对得到的热轧板进行热轧板退火，其后实施一次冷轧或温轧，或者实施夹有中间退火的2次以上的冷轧的工序。
9.如权利要求4～7中任一项所述的Fe-Cr-Si类无方向性电磁钢板的制造方法，所述轧制工序包括：对浇铸的钢板坯进行热轧，其后实施一次冷轧或温轧，或者实施夹有中间退火的2次以上的冷轧的工序。
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