CN103261463A - 高强度无方向性电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高强度无方向性电磁钢板，其以质量%计，含有C：0.010%以下、Si：2.0%以上且4.0%以下、Mn：0.05%以上且0.50%以下、Al：0.2%以上且3.0%以下、N：0.005%以下、S：0.005%以上且0.030%以下及Cu：0.5%以上且3.0%以下，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成。在将Mn含量表示为[Mn]、将S含量表示为[S]时，式（1）成立，每1mm2中含有1.0×104个以上且1.0×106个以下当量圆直径为0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物，10≤[Mn]/[S]≤50（1）。

Description

高强度无方向性电磁钢板
技术领域
本发明涉及适合于电气设备的铁心材料的高强度无方向性电磁钢板。
背景技术
近年来，因世界性的电气设备的节能化的高涨，对于用作回转机的铁心材料的无方向性电磁钢板，要求更高性能的特性。特别是最近，作为电动汽车等中使用的电机，小型高功率电机的需求高涨。在如此的电动汽车用电机中，以可高速旋转并可得到高的转矩的方式进行设计。
高速旋转电机也被用于工作机械及清扫机等电气设备。但是，电动汽车用的高速旋转电机的外形比电气设备用的高速旋转电机的外形大。此外，作为电动汽车用的高速旋转电机，主要采用DC无刷电机。在DC无刷电机中，在转子的外周附近埋入磁铁。在此结构中，转子的外周部的电桥部的宽度（从转子的最外周到磁铁间的钢板的宽度）随位置不同为1～2mm，非常狭窄。因此，对于电动汽车用的高速旋转电机，要求比以往的无方向性电磁钢板更高强度的钢板。此外，在其它的用途中，有时要求无方向性电磁钢板具有更高的强度。
专利文献1中记载了通过在Si中加入Mn及Ni谋求固溶体强化的无方向性电磁钢板。但是，通过该无方向性电磁钢板也不能得到充分的强度。此外，伴随着Mn及Ni的添加韧性容易下降，不能得到充分的生产率及成品率。此外，添加的合金的价格高。特别是近年来，由于世界性的需求平衡，Ni的价格高涨。
专利文献2及3中记载了通过将碳氮化物分散在钢中谋求强化的无方向性电磁钢板。但是，通过这些无方向性电磁钢板都不能得到充分的强度。
专利文献4中记载了通过采用Cu析出物谋求强化的无方向性电磁钢板。但是，得到充分的强度是困难的。为了得到充分的强度，为了使Cu暂时固溶，需要进行高温度下的退火。可是，如果进行高温下的退火，则晶粒粗大化。也就是说，即使得到Cu析出物带来的析出强化，因晶粒粗大化强度也下降，得不到充分的强度。此外，因析出强化及晶粒粗大化的协同作用使断裂延伸率显著下降。
专利文献5中记载了谋求抑制专利文献4中的晶粒粗大化的无方向性电磁钢板。在该技术中，含有C、Nb、Zr、Ti、V等。但是，在电机的发热温度区即150℃～200℃，碳化物微细析出，容易发生磁时效。
专利文献6中记载了通过Al及N的析出物，谋求使晶粒的微细化及Cu的析出强化兼顾的无方向性电磁钢板。可是，因大量地添加了Al，充分地抑制晶粒生长是困难的。此外，如果提高N含量，则容易发生铸造缺陷。
专利文献7中记载了含有Cu的无方向性电磁钢板。可是，在该技术中，进行长时间的热处理等，得到良好的断裂延伸率等是困难的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭62-256917号公报
专利文献2：日本特开平06-330255号公报
专利文献3：日本特开平10-18005号公报
专利文献4：日本特开2004-84053号公报
专利文献5：国际公开第2009/128428号
专利文献6：日本特开2010-24509号公报
专利文献7：国际公开第2005/33349号
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的是，提供一种可得到良好磁特性、同时可得到优良的强度及断裂延伸率的高强度无方向性电磁钢板。
用于解决问题的手段
本发明是为解决上述问题而完成的，其要旨如下。
（1）一种高强度无方向性电磁钢板，其特征在于，
以质量%计，含有：
C：0.010%以下、
Si：2.0%以上且4.0%以下、
Mn：0.05%以上且0.50%以下、
Al：0.2%以上且3.0%以下、
N：0.005%以下、
S：0.005%以上且0.030%以下、及
Cu：0.5%以上且3.0%以下，
剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；
在将Mn含量表示为[Mn]、将S含量表示为[S]时，式（1）成立；
每1mm2中含有1.0×104个以上且1.0×106个以下当量圆直径为0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物，
10≤[Mn]/[S]≤50    （1）。
（2）根据上述（1）所述的高强度无方向性电磁钢板，其特征在于：以质量%计，含有Ni：0.5%以上且3.0%以下。
（3）根据上述（1）或（2）所述的高强度无方向性电磁钢板，其特征在于：以质量%计，合计含有0.5%以下的Ti、Nb、V、Zr、B、Bi、Mo、W、Sn、Sb、Mg、Ca、Ce、Co、Cr、REM中的1种或2种以上。
发明效果
根据本发明，通过Cu析出物及硫化物的相互作用，能够得到良好的磁特性，同时得到优良的强度及断裂延伸率。
具体实施方式
本发明人等以与专利文献5及6不同的观点对即使在较高的温度下进行退火也微细地保持晶粒的技术进行了锐意研究。其结果是，发现：通过使S含量及Mn含量的关系适当，使规定尺寸的硫化物的量适当，即使在较高的温度下进行退火也能够微细地保持晶粒。在此种情况下，不需要引起磁时效的元素。
这里，对涉及本发明的实验进行说明。以下，含量的单位即“%”是指“质量%”。
在该实验中，首先，用实验室的真空熔炼炉，熔炼含有C：0.002%、Si：3.2%、Mn：0.20%、Al：0.7%、N：0.002%及Cu：1.5%，进一步含有表1所示量的S，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的钢，从该钢制作钢坯（板坯）。表1中的[Mn]表示Mn含量（0.20%），[S]表示S含量。接着，对钢坯在1100℃下实施60分钟的加热，然后立即进行热轧，得到厚度为2.0mm的热轧板。然后，对热轧板在1050℃下实施1分钟的热轧板退火，进行酸洗，进行一次冷轧，得到厚度为0.35mm的冷轧板。接着，对冷轧板在800℃～1000℃下实施30秒钟的成品退火。成品退火的温度示于表1。
接着，测定得到的无方向性电磁钢板中的硫化物的个数密度。此时，测定对象为当量圆直径0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物。此外，还测定了屈服应力、断裂延伸率及铁损。作为铁损，测定了铁损W10/400。这里，铁损W10/400为频率400Hz、最大磁通密度1.0T的条件下的铁损。其结果也示于表1。
[表1]
Figure BDA00003339556500051
如表1所示，在[Mn]/[S]的值为10以上且50以下的原材料符号B、C及D中得到了良好的特性。但是，即使是原材料符号B，当在1000℃时进行成品退火时，硫化物的个数密度也低，断裂延伸率也低。即使全部为相同的原材料，如果成品退火的温度升高，则有硫化物的个数密度下降的倾向。认为这是因为在成品退火中硫化物粗大化。而且，如果硫化物粗大化，则对晶粒生长的抑制力减弱。该看法也合乎原材料符号B在1000℃时进行成品退火时的结果。即，认为在此例子中，因成品退火的温度高达1000℃，而使硫化物粗大化，硫化物的个数密度降低，没有充分抑制晶粒生长。
另一方面，在[Mn]/[S]的值超过50的原材料符号A中，断裂延伸率低，且屈服应力低。认为这是由于因[Mn]/[S]高而使硫化物的个数密度低，晶粒生长进展。
此外，在[Mn]/[S]的值低于10的原材料符号E中，铁损显著高。认为这是由于因[Mn]/[S]低而使硫化物的个数密度高，显著地抑制了晶粒生长。此外，在将成品退火的温度规定为900℃的情况下，不仅铁损高，而且断裂延伸率低。认为这是由于因硫化物的个数密度极端地高，因而不仅阻碍晶粒生长，而且阻碍再结晶。
根据以上的实验结果，可以认为通过使S含量、[Mn]/[S]及硫化物的个数密度在规定的范围内，能够得到铁损、强度及延展性都优良的高强度无方向性电磁钢板。如此的平衡优良的特性是在以往的应用碳氮化物的钢板、或只添加Cu的钢板中得不到的特性。
接着，对本发明中的数值的限定理由进行说明。
C尽管对晶粒的微细化有效，但是如果无方向性电磁钢板的温度达到200℃左右，则生成碳化物，使铁损恶化。例如，在将无方向性电磁钢板用于电动汽车用的高速旋转电机时，容易达到该程度的温度。另外，如果C含量超过0.010%，则如此的磁时效显著。所以，将C含量规定为0.010%以下，更优选规定为0.005%以下。
Si对于降低涡电流损耗是有效的。Si对于固溶强化也是有效的。可是，如果Si含量低于2.0%，则这些效果变得不充分。其另一方面，如果Si含量超过4.0%，则无方向性电磁钢板的制造时的冷轧容易变得困难。所以，将Si含量规定为2.0%以上且4.0%以下。
Mn通过与S反应生成硫化物。在本发明中，采用硫化物控制晶粒，因此Mn是重要的元素。如果Mn含量低于0.05%，则S的固定不充分，产生热脆化。其另一方面，如果Mn含量超过0.50%，则充分抑制晶粒生长变得困难。所以，将Mn含量规定为0.05%以上且0.50%以下。
Al与Si同样，对于降低涡电流损耗及固溶强化是有效的。此外，Al还呈现通过使氮化物粗大地析出使其无害化的作用。可是，如果Al含量低于0.2%，则这些效果不充分。其另一方面，如果Al含量超过3.0%，则无方向性电磁钢板的制造时的冷轧容易变得困难。所以，将Al含量规定为0.2%以上且3.0%以下。
N生成TiN等氮化物，使铁损恶化。特别是，在N含量超过0.005%时，铁损的恶化显著。所以，将氮含量规定为0.005%以下。
Cu通过析出强化提高强度。可是，如果Cu含量低于0.5%，则Cu的大致全部量固溶，得不到析出强化的效果。其另一方面，即使Cu含量超过3.0%，其效果也饱和，得不到与含量相符的效果。所以，Cu含量为0.5%以上且3.%以下。
S通过与Mn反应生成硫化物。在本发明中，采用硫化物控制晶粒，因此S是重要的元素。如果S含量低于0.005%，则不能充分得到该效果。其另一方面，即使S含量超过0.030%，效果也饱和，得不到与含量相符的效果。此外，S含量越高，越容易产生热脆化。所以，将S含量规定为0.005%以上且0.030%以下。
[Mn]/[S]在本发明中对于得到良好的屈服应力、断裂延伸率及铁损是重要的参数。如果[Mn]/[S]超过50，则抑制晶粒生长的效果不充分，屈服应力及断裂延伸率下降。其另一方面，如果[Mn]/[S]低于10，则断裂延伸率显著下降，而且铁损显著恶化。所以，将[Mn]/[S]规定为10以上且50以下。也就是说，将Mn含量表示为[Mn]、将S含量表示为[S]时，规定式（1）成立。
10≤[Mn]/[S]≤50    （1）
Ni是能够在不使钢板太脆化的情况下使钢板高强度化的有效的元素。但是，Ni因高价而优选根据需要含有。在含有Ni时，为了得到充分的效果，优选其含量为0.5%以上，考虑到成本，优选为3.0%以下。此外，Ni还具有对含有Cu所带来的鳞状折叠缺陷进行抑制的效果。为了得到该效果，优选Ni含量为Cu含量的1/2以上。
此外，Sn具有改善织构及抑制退火时的氮化及氧化的效果。特别是，通过改善织构对因含Cu而下降的磁通密度进行补偿的效果大。为了得到该效果，也可以按0.01%以上且0.10%以下的范围含有Sn。
此外，关于其它微量元素，除了不可避免地含有的程度的量以外，即使以各种目的添加，对本发明的效果也没有任何损害。关于这些微量元素的不可避免的含量，通常各元素都为0.005%以下左右，但也能以各种目的添加0.01%以上。在此种情况下，从兼顾成本及磁特性出发，能够合计含有0.5%以下的Ti、Nb、V、Zr、B、Bi、Mo、W、Sn、Sb、Mg、Ca、Ce、Co、Cr、REM中的1种或2种以上。
接着，对硫化物的个数密度进行说明。从上述实验结果弄清楚，对于当量圆直径为0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物的个数密度，从断裂延伸率及铁损的观点出发存在适当的范围。如果该个数密度低于1.0×104个/mm2，则硫化物不足，不能充分抑制晶粒生长，尽管得到良好的铁损，但断裂延伸率极度下降。其另一方面，如果该个数密度超过1.0×106个/mm2，则因过剩地抑制晶粒生长而使铁损极度恶化。而且还有时抑制再结晶，在此种情况下，不仅铁损恶化而且断裂延伸率也恶化。所以，将当量圆直径为0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物的个数密度规定为1.0×104个/mm2以上且1.0×106个/mm2以下。
在满足这些条件时，例如，屈服应力容易达到700MPa以上，断裂延伸率容易达到10%以上。此外，在满足优选的条件时，断裂延伸率容易达到12%以上。此外，例如，再结晶面积率容易达到50%以上，如果将钢板的厚度规定为t（mm），则铁损W10/400容易达到100×t以下。
接着，对本发明的实施方式的高强度无方向性电磁钢板的制造方法进行说明。
在本实施方式中，首先，在1150℃～1250℃的范围下对上述组成的板坯进行加热，然后进行热轧，制作热轧板，将热轧板卷取成卷状。接着，一边将热轧板开卷一边进行冷轧，制作冷轧板，将冷轧板卷取成卷状。然后，进行成品退火。然后，在如此得到的钢板的表面上形成绝缘皮膜。也就是说，本实施方式的制造方法大致以公知的无方向性电磁钢板的制造方法为基准。
各处理的条件没有特别的限定，但如以下所示存在优选的范围。例如，热轧的精轧温度优选为1000℃以上，卷取温度优选为650℃以下，都优选根据Mn、S及Cu的含量适宜决定。以得到上述的硫化物的个数密度。如果精轧温度过低，或卷取温度过高，则有时微细的MnS过剩地析出。在此种情况下，过剩地抑制成品退火时的晶粒生长，有时得不到良好的铁损。
优选将成品退火的温度规定为大约800℃～1100℃，优选将时间规定为低于600秒钟。此外，在成品退火时，优选进行连续退火。
从提高磁通密度的观点出发，优选在冷轧前进行热轧板退火。该条件没有特别的限定，但优选在1000℃～1100℃的范围内规定为30秒以上。通过在该温度范围内进行热轧板退火，能够使热轧板中的MnS适度生长，减小长度方向上的MnS的析出程度的偏差。其结果是，在成品退火后也可得到在长度方向稳定的特性。如果热轧板退火的温度低于1000℃，或时间低于30秒，则这些效果低。其另一方面，如果热轧板退火的温度超过1100℃，则硫化物的一部分固溶，成品退火后的晶粒粒径过细，有时得不到良好的铁损。
实施例
接着，对本发明人等进行的实验进行说明。这些实验中的条件等是为确认本发明的可实施性及效果而采用的例子，本发明并不限定于这些例子。
首先，用实验室的真空熔炼炉熔炼含有Si：3.3%、Mn：0.10%、Al：0.8%、N：0.002%及Cu：1.2%，进一步含有表2所示量的Ni及S，剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成的钢，从该钢制作钢坯（板坯）。接着，对钢坯在1100℃下实施60分钟的加热，然后立即进行热轧，得到厚度为2.0mm的热轧板。然后，对热轧板在1020℃下实施60秒钟的热轧板退火，进行酸洗，进行一次冷轧，得到厚度为0.30mm的冷轧板。接着，对冷轧板在900℃下实施45秒钟的成品退火。
接着，测定了得到的无方向性电磁钢板中的硫化物的个数密度。此时，测定对象为当量圆直径0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物。此外，还测定了屈服应力、断裂延伸率及铁损。作为铁损，测定了铁损W10/400。其结果也示于表2。
[表2]
Figure BDA00003339556500101
如表2所示，在[Mn]/[S]的值为10以上且50以下、硫化物的个数密度为1.0×104个以上且1.0×106个以下的原材料符号b、c及d中，得到了良好的屈服强度、断裂延伸率及铁损。此外，在Ni含量为1.0%的原材料符号g、h及i中，与Ni含量为%的0.02%（实质上没有添加Ni）的原材料符号b、c及d相比较，得到同等的断裂延伸率及铁损，进一步得到约50MPa的高屈服强度。在Ni含量为2.5%的原材料符号l、m及n中，与Ni含量为%的0.02%（实质上没有添加Ni）的原材料符号b、c及d相比较，得到同等的断裂延伸率及铁损，进一步得到约100MPa的高屈服强度。
再有，上述实施方式都不过是实施本发明时的具体化的例子，不能通过这些例子限定性地解释本发明的技术的范围。即，本发明在不脱离其技术思想或其主要特征的情况下，能够以多种形式实施。
产业上的可利用性
本发明例如能够在电磁钢板制造产业及电机等电磁钢板利用产业中进行利用。

Claims (3)

1.一种高强度无方向性电磁钢板，其特征在于，
以质量%计，含有：
C：0.010%以下、
Si：2.0%以上且4.0%以下、
Mn：0.05%以上且0.50%以下、
Al：0.2%以上且3.0%以下、
N：0.005%以下、
S：0.005%以上且0.030%以下、及
Cu：0.5%以上且3.0%以下，
剩余部分由Fe及不可避免的杂质构成；
在将Mn含量表示为[Mn]、将S含量表示为[S]时，式（1）成立；
每1mm2中含有1.0×104个以上且1.0×106个以下当量圆直径为0.1μm以上且1.0μm以下的硫化物，
10≤[Mn]/[S]≤50    （1）。
2.根据权利要求1所述的高强度无方向性电磁钢板，其特征在于，以质量%计，含有Ni：0.5%以上且3.0%以下。
3.根据权利要求1或2所述的高强度无方向性电磁钢板，其特征在于，以质量%计，合计含有0.5%以下的Ti、Nb、V、Zr、B、Bi、Mo、W、Sn、Sb、Mg、Ca、Ce、Co、Cr、REM中的1种或2种以上。
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