CN103582716B - 无方向性电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无方向性电磁钢板，其特征在于，含有C：0.01质量%以下、Si：1.0质量%～3.5质量%、Al：0.1质量%～3.0质量%、Mn：0.1质量%～2.0质量%、P：0.1质量%以下、S：0.005质量%以下、Ti：0.001质量%～0.01质量%、N：0.005质量%以下及Y：超过0.05质量%且在0.2质量%以下，剩余部分为铁及不可避免的杂质。

Description

无方向性电磁钢板
技术领域
本发明涉及一种可用于电动机的铁芯等高频用途的高等级无方向性电磁钢板，特别是涉及一种通过减小能量损失并谋求电气设备的效率化而有助于节能的，尤其消除应力退火后的铁损优良的无方向性电磁钢板。本申请基于2012年2月14日提出的日本专利申请特愿2012-29884号并主张其优先权，在此引用其内容。
背景技术
近年来，从防止地球温室效应的观点出发，要求节能化，在冷暖设备的电动机或电动汽车的主电动机等领域，要求进一步降低电功耗。这些电动机多以高转速使用，因此对于成为电动机原材料的无方向性电磁钢板（以下有时记载为“钢板”），要求在比以往的商用频率即50Hz～60Hz更高的频率即400Hz～800Hz的区域改善铁损。
作为改善无方向性电磁钢板的高频区的铁损的手段，例如如专利文献1所记载的那样，正在广泛地进行的是通过增加Si或Al的含量来增加电阻。再者，最近为了削减成本，作为廉价的合金原料有时采用Ti含量较高的Si合金原料或Al合金原料。
伴随着Si或Al的含量的增加，合金原料中不可避免地含有与这些元素的亲和性高的Ti，所以在钢板中不可避免地混入Ti。如果钢板中的Ti达到0.001质量%以上，则钢板中大量生成TiN、TiS、TiC等直径为几十nm左右的微细的Ti夹杂物。钢板中的微细的Ti夹杂物在钢板的退火时阻碍晶粒的生长，使磁特性劣化。
因此，有必要尽量降低钢板中的Ti夹杂物。其手段之一是使用杂质即Ti的含量少的合金原料。可是，如果采用此手段，则有招致合金原料成本上升的问题。此外，降低钢板中的N、S、C也是降低Ti夹杂物的手段之一，采用目前的技术通过真空脱气处理等能够充分降低S或C。可是，为了使钢板中的S或C降低，需要长时间的处理，使生产率降低。此外，为了不使N混入钢水中，可考虑强化精炼容器的密封，但密封的强化导致成本上升，而且即使进行这样的处置也有N不可避免地混入钢水的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-16278号公报
专利文献2：日本特开2005-336503号公报
专利文献3：日本特公昭54-36966号公报
专利文献4：日本特开2006-219692号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本发明的目的在于：提供一种可通过常规方法的制造工序低成本高生产率地制造的、退火时的晶粒生长性优良、且高频铁损良好的无方向性电磁钢板。
用于解决课题的手段
解决上述课题的本发明的要点如下。
（1）一种无方向性电磁钢板，其特征在于，含有：
C：0.01质量%以下、
Si：1.0质量%～3.5质量%、
Al：0.1质量%～3.0质量%、
Mn：0.1质量%～2.0质量%、
P：0.1质量%以下、
S：0.005质量%以下、
Ti：0.001质量%～0.01质量%、
N：0.005质量%以下、及
Y：超过0.05质量%且在0.2质量%以下，
剩余部分为铁及不可避免的杂质。
（2）根据上述（1）所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步含有选自以下成分组中的1种或2种以上的成分组的元素：
第1成分组，选自Cu：0.5质量%以下及Cr：20质量%以下之中的1种或2种；
第2成分组，将选自Sn及Sb之中的1种或2种的合计设定为0.3质量%以下；
第3成分组，设定为Ni：1.0质量%以下；及
第4成分组，设定为Ca：0.01质量%以下。
发明的效果
本发明的无方向性电磁钢板由于钢板中的微细的Ti夹杂物少，所以退火时的晶粒生长性良好，高频区的铁损优良。而且，可低成本高生产率地进行制造，通过改善电动机特性能够有助于节能。
附图说明
图1是表示钢板中的Y含量与消除应力退火后的制品试样的Ti夹杂物含量及结晶粒径之间的关系的图示。
具体实施方式
如果在无方向性电磁钢中添加适量的Y，则可抑制钢板中的微细的TiN、TiS、TiC等Ti夹杂物的生成，这些Ti夹杂物的个数密度显著减少。由此，从锐意研究的结果表明：通过缓和钢的晶粒生长的抑制可大幅度改善晶粒生长性。再者，Y为钇，是原子序数39的元素，为稀土类元素的一种。
以下，对添加Y的效果进行详细说明。
按以下的步骤进行采用真空熔炼的实验室实验。首先，熔炼作为基本成分含有C：0.0019质量%～0.0032质量%、Si：2.7质量%～3.1质量%、Al：0.2质量%～0.46质量%、Mn：0.3质量%～0.5质量%、P：0.03质量%～0.05质量%、S：0.0022质量%～0.0035质量%、Ti：0.002质量%～0.005质量%及N：0.0018质量%～0.0033质量%，并在Y：0质量%～0.25质量%的范围内使成分变化的多种钢水。然后，在凝固成钢锭后，作为实验室实验，按热轧、热轧板退火、冷轧、最终退火、消除应力退火的顺序进行实验，从而制造出厚0.35mm的制品试样。接着，用以下的方法进行夹杂物以及晶粒的调查。
首先，对夹杂物的调查方法进行说明。最初将试样从表面研磨到适宜的厚度，将试样的表面形成镜面。然后，在实施了后述的腐蚀后，采用场致发射型扫描电子显微镜和能量分散型光谱分析仪调查了夹杂物。在该调查中，对直径从10nm到500nm的夹杂物进行夹杂物的组成分析，同时对单位观察面积内的夹杂物个数进行计数。然后，通过ASTME127：Annual Book of ASTM Standards Vol.03.03，（1995）中示出的DeHoff公式换算成试样的每单位体积的夹杂物的个数密度。再者，以上方法为一个例子，也可以从试样制作萃取复型或薄膜，然后对其进行调查，此外也可以采用透射式电子显微镜。
作为腐蚀方法，例如，采用黒泽等的（黒则文夫、田口勇、松本龙太郎：日本金属学会誌，43（1979），p.1068）中记载的方法。用该方法在非水溶性溶剂中对试样进行电解腐蚀，以残留夹杂物的状态仅使钢溶解，从而提取夹杂物。此外，在测定结晶粒径时，镜面研磨试样的断面，实施硝酸乙醇腐蚀，使晶粒现出，从而测定平均结晶粒径。
图1是表示根据上述实验的制品试样中的Y含量与Ti夹杂物量及结晶粒径之间的关系的图示。再者，在图1中，用虚线表示Y含量与Ti夹杂物量之间的关系，用实线表示Y含量与结晶粒径之间的关系。这里，观察的Ti夹杂物的种类有TiN、TiS及TiC。分别生成这些Ti夹杂物的温度是不同的，TiN在1000℃以上生成，TiS在900℃以上且低于1000℃下生成，TiC在700℃～800℃生成。这些Ti夹杂物通常将晶界或位错等作为析出部位，大量生成直径几十nm左右的微细的夹杂物，通过钉扎阻碍钢的晶粒生长。
由实验结果表明：在使钢板中含有超过0.05质量%的Y时，制品试样中的Ti夹杂物的个数密度显著减少，钢的晶粒生长性得以大幅度改善。
这里，在添加Y时，在钢板中观察到直径几百nm的Y氧化物及Y硫氧化物的Y夹杂物，但以这样的Y夹杂物存在的Y量不会超过0.01质量%。因此，在添加超过0.01质量%的情况下，推断Y在钢板中固溶。伴随着可推断为固溶而使钢板中的Y含量超过0.01质量%的Y量的增加，Ti夹杂物的个数密度单调地减少。而且表明：如果钢板中的Y含量超过0.05质量%，则钢板中的Ti夹杂物的个数密度显著地减少。再者，通过Y可抑制Ti夹杂物的机理尚不清楚，但认为如果Y在钢板中固溶，则钢板中的Ti的活度下降，抑制Ti夹杂物的生成。再者，此效果是Y特有的，在其它稀土类元素中没有发现这样的效果。
通过上述实验获得了如下的见解：为了使Ti夹杂物显著地减少，钢板中的Y含量的所要求范围超过0.05质量%。另一方面，如果制品试样中的Y含量超过0.2质量%，则晶界中的Y的偏析变得显著而使晶界脆化，从而在制品试样的表面发生鳞状折叠缺陷。
因此，通过使钢板中含有超过0.05质量%的Y而充分地抑制Ti析出物，同时将钢板中的Y含量设定为0.2质量%以下而抑制Y的晶界偏析，这对于制造晶粒生长性良好、磁特性良好，且表面品质良好的无方向性电磁钢板是重要的。
以上所述的Y的效果是在钢板中带来抑制Ti夹杂物的效果，也就是说，有助于通过热轧板退火或冷轧板最终退火抑制TiN、TiS等，或在消除应力退火时抑制TiC。
接着，对本发明中的成分的限定理由进行说明。
[C]
C在钢板中形成TiC，不仅使磁特性劣化，而且因C析出而使磁时效变得显著，所以将C含量的上限设定为0.01质量%。C含量的下限越低越好，因此不特别限定，也可以为0质量%。
[Si]
Si是使铁损减少的元素。如果Si含量比下限的1.0质量%少，则不能使铁损充分地减少。再者，从使铁损进一步减少的观点出发，Si含量优选的下限为1.5质量%，更优选为2.0质量%。此外，如果Si含量超过上限的3.5质量%，则加工性严重不良，所以将上限设定为3.5质量%。再者，作为Si含量的上限，更优选的值为冷轧的加工性更良好的3.3质量%，进一步优选的值为3.1质量%，更进一步优选的值为3.0质量%。
[Al]
Al与Si同样是使铁损减少的元素。如果Al含量比下限的0.1质量%少，则不能使铁损充分地减少。此外，如果Al含量超过上限的3.0质量%，则成本增加显著。Al含量的下限从铁损的观点出发，优选设定为0.2质量%，更优选设定为0.3质量%，进一步优选设定为0.4质量%。此外，Al含量的上限从成本的观点出发，优选设定为2.5质量%，更优选设定为2.0质量%，进一步优选设定为1.8质量%。
[Mn]
Mn使钢板的硬度增加，为了改善冲裁性而添加0.1质量%以上的Mn。再者，将Mn含量的上限设定为2.0质量%的理由是基于经济上的理由。
[P]
P提高材料的强度，改善加工性，因此含有P。但如果过剩地含有P，则冷轧中的加工性下降，所以将P含量设定为0.1质量%以下。再者，P在钢板的制造过程中不可避免地混入，所以不设置P含量的下限，但通常从炼钢成本的方面考虑，优选不低于0.0001质量%。
[Y]
Y以固溶状态对钢板中的Ti产生作用，抑制Ti夹杂物的生成。如果Y含量超过0.05质量%，则可得到其效果。此外，Y含量越高，其效果越明显，因此优选为0.055质量%以上，更优选为0.06质量%以上。但是，如果Y含量过剩，则在钢板中Y在晶界偏析，使晶界脆化，因发生鳞状折叠缺陷等而引起制品品质劣化。因此Y含量存在上限，只要为0.2质量%以下，就可抑制晶界中的Y的偏析。Y含量的上限值优选为0.15质量%以下，更优选为0.12质量%以下。
[S]
S成为TiS或MnS等硫化物，使晶粒生长性恶化，使铁损恶化。用于防止上述恶化的S含量的上限为0.005质量%，但更优选的上限为0.003质量%。S含量的下限越少越好，因此没有特别的限定，也可以为0质量%。
[N]
N成为TiN等氮化物，使铁损恶化，因而作为可容许的N含量的上限设定为0.005质量%。再者，作为N含量的上限优选为0.003质量%，更优选为0.0025质量%，进一步优选为0.002质量%。此外，从抑制氮化物的观点出发优选N尽量少。因此，N含量的下限没有特别的限定，但在无限制地接近0质量%时工业上的制约较大，因此优选将N含量的下限设定为超过0质量%。再者，在可用工业制造工艺进行脱氮的范围内，N含量的下限将0.001质量%作为目标。另外在极限地脱氮时，如果将N含量降低到0.0005质量%，则进一步抑制氮化物，因而是更优选的。
[Ti]
Ti生成TiN、TiS、TiC等微细夹杂物，使晶粒生长性恶化，使铁损恶化。尽管通过本发明可抑制Ti夹杂物，但也将可容许的Ti含量的上限设定为0.01质量%。此外，根据上述的理由，作为上限优选为0.005质量%。再者，如果Ti含量低于0.001质量%，则Ti析出物过少，晶粒生长的阻碍效果实质上不成问题。另一方面，由于Ti含量低于0.001质量%的合金原料为高价，所以导致成本上升。因此，利用本发明抑制Ti夹杂物所需的下限能够容许到作为杂质不可避免地混入的0.001质量%。再者，在采用特别廉价的合金原料的情况下，有时在合金原料中含有0.002质量%以上的Ti，在此种情况下本技术特别有效。
作为以上所述的成分以外的元素，只要不太妨碍效果，也可以含有其它元素，并将其设定为本发明范围。以下，对选择性元素进行说明。再者，这些元素的含量的下限值，由于即使以微量含有也可以，因而都设定为超过0质量%。
[Cu]
Cu提高耐蚀性，此外提高电阻率，改善铁损。但是，在Cu含量过剩时，在制品板的表面发生鳞状折叠缺陷等，损害表面品位，所以Cu含量优选为0.5质量%以下。
[Cr]
Cr提高耐蚀性，此外提高电阻率，改善铁损。但是，如果过剩地添加Cr，则成本提高，所以优选将Cr含量的上限设定为20质量%。
[Sn]及[Sb]：Sn及Sb是偏析元素，阻碍使磁特性恶化的（111）面的织构，改善磁特性。这些元素无论只采用1种还是组合使用2种，都可发挥上述效果。但是，如果Sn及Sb的合计超过0.3质量%，则冷轧的加工性恶化，所以优选将Sn及Sb的合计的上限设定为0.3质量%。
[Ni]
Ni使对磁特性有利的织构发达，改善铁损。但是，如果过剩地添加Ni，则成本提高，因此优选将Ni含量的上限设定为1.0质量%。
[Ca]
Ca是脱硫元素，在钢板中固定S，对TiS或MnS等硫化物夹杂物的生成进行防止或抑制。但是，如果Ca含量超过0.01质量%，则发生耐火材料的熔损等问题，是不优选的，所以优选将Ca含量的上限设定为0.01质量%。
再者，作为不可避免的杂质，例如有时含有以下的元素，但只要都在以下所示的范围内就没有问题。
[Zr]
Zr即使微量也阻碍晶粒生长，使消除应力退火后的铁损恶化。在尽量降低时，通常Zr含量为0.01质量%以下，但Zr含量在该范围不会产生有害作用，没有问题。
[V]
V形成氮化物或碳化物，阻碍磁畴壁移动或晶粒生长。在尽量降低时，通常V含量为0.01质量%以下，但V含量在该范围不会产生有害作用，没有问题。
[Nb]
Nb形成氮化物或碳化物，阻碍磁畴壁移动或晶粒生长。在尽量降低时，通常Nb含量为0.01质量%以下，但Nb含量在该范围不会产生有害作用，没有问题。
[Mg]
Mg是脱硫元素，通过与钢板中的S反应形成硫化物而将S固定下来。尽管如果含量增大，则脱硫效果得以强化，但当Mg含量超过0.05质量%时，因过剩的Mg硫化物而妨碍晶粒生长。通常，Mg含量为0.05质量%以下，但Mg含量在该范围不会产生有害作用，没有问题。
[O]
通过钢板中的O可形成氧化物。但在本发明中，由于含有0.1质量%以上的Al，被充分地脱氧，所以钢板中的O含量为0.005质量%以下。在O含量在该范围时，不会产生由氧化物导致的磁畴壁移动或晶粒生长的阻碍等有害作用，没有问题。
[B]
B为晶界偏析元素，此外形成氮化物。因该氮化物而妨碍晶界移动，使铁损恶化。在尽量降低时，通常B含量为0.005质量%以下，但B含量在该范围不会产生有害作用，没有问题。
接着，对本发明的无方向性电磁钢板的制造方法进行叙述。在炼钢阶段，用转炉或2次精炼炉等常规方法进行精炼，在所希望的组成范围内进行熔炼。然后，通过连续铸造或钢锭铸造进行板坯等铸坯的铸造。此后，对得到的铸坯进行热轧，根据需要在1100℃～1300℃的范围内对热轧板进行热轧板退火。接着通过一次冷轧或中间夹着850℃～1000℃的中间退火的二次以上的冷轧而将其精加工到制品的厚度。接着在800℃～1100℃的范围内进行最终退火，涂布绝缘皮膜而得到制品。此外，可以根据不同的情况，在700℃～800℃的范围内进行消除应力退火。
如以上所述，根据本发明，能够在不变更制造工序的情况下，将钢板中的Ti夹杂物的个数密度抑制在0.3×1010个/mm3以下，优选抑制在0.2×1010个/mm3以下，更优选抑制在0.1×1010个/mm3以下。由此，能够制造晶粒生长性良好的无方向性电磁钢板。
实施例
以下，通过实施例对本发明的效果进行说明。再者，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，准备含有C：0.0015质量%、Si：2.9质量%、Mn：0.5质量%、P：0.09质量%、S：0.002质量%、Al：0.43质量%及N：0.0022质量%，同时含有表1所示的多种元素，剩余部分为铁及不可避免的杂质的成分的钢。然后，通过转炉及真空脱气装置对这些成分的钢进行精炼，将钢水倒入浇包，经由中间包利用浸渍水口向铸模内供给钢水而进行连续铸造，从而得到铸坯。再者，在含有Y时，将金属Y添加到真空脱气槽内添加。然后，热轧铸坯，在1150℃对得到的热轧板进行热轧板退火，冷轧到厚0.35mm。然后，在950℃进行30秒钟最终退火，涂布绝缘皮膜而形成制品，进而在750℃进行2小时的消除应力退火。
对制品板的析出物及结晶粒径用前述的方法进行了调查，关于制品板的铁损，将制品板切断成25cm长，用JIS-C-2550中所示的爱普斯坦因法进行了调查。调查结果同样见表1。
如表1所示，在本发明例No.6～No.21的所有制品板中，TiN、TiS及TiC这样的Ti夹杂物数（个数密度）都为0.3×1010个/mm3以下。此外，这些试样的结晶粒径为100μm以上，晶粒生长性良好，铁损值相对于除No.22以外的比较例都良好。
另一方面，比较例的No.1～No.5的Y含量低于超过0.05质量%且在0.2质量%以下这一范围的下限，此外，比较例的No.23的Ti含量超过0.001质量%～0.01质量%这一范围的上限。另外，比较例的No.24、25使用除Y以外的稀土类元素而代替Y。在这些比较例的所有制品板中，大量产生TiN、TiS及TiC这样的Ti夹杂物，晶粒生长性及铁损值相对于本发明例处于劣势。此外，比较例No.22的Y含量大于超过0.05质量%且在0.2质量%以下这一范围的上限，但在制品板的晶界发现Y的偏析，在制品板的表面发生鳞状折叠缺陷，表面品质处于劣势。
工业上的可利用性
如以上说明，通过充分抑制内包在无方向性电磁钢板中的TiN、TiS及TiC的析出，可得到良好的磁特性，能够在满足用户需求的同时有助于节能。

Claims (2)

1.一种无方向性电磁钢板，其特征在于，含有：
C：0.01质量%以下、
Si：1.0质量%～3.5质量%、
Al：0.1质量%～3.0质量%、
Mn：0.1质量%～2.0质量%、
P：0.1质量%以下、
S：0.005质量%以下、
Ti：0.001质量%～0.01质量%、
N：0.005质量%以下、及
Y：超过0.05质量%且在0.2质量%以下，
剩余部分为铁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步具有选自以下成分组中的1种或2种以上的成分组的元素：
第1成分组，选自Cu：0.5质量%以下及Cr：20质量%以下之中的1种或2种；
第2成分组，将选自Sn及Sb之中的1种或2种的合计设定为0.3质量%以下；
第3成分组，设定为Ni：1.0质量%以下；及
第4成分组，设定为Ca：0.01质量%以下。
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