CN104053804B - 电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

一种高频励磁的磁芯的直流叠加特性得到改善的电磁钢板，其由C：低于0.010质量％、Si：1.5～10质量％、余量为Fe和不可避免的杂质的成分组成构成，钢板织构中的主取向为<111>//ND且所述主取向的随机强度比为5以上，优选{111}<112>取向的随机强度比为10以上，进一步优选{310}<001>取向的随机强度比为3以下，更优选Si浓度在板厚方向上具有表层侧高、中心部低的浓度梯度，并且Si浓度的最高值为5.5质量％以上且最高值与最低值之差为0.5质量％以上。

Description

电磁钢板
技术领域
本发明涉及用于高频励磁的电抗器用芯材等的电磁钢板。
背景技术
已知电磁钢板的铁损通常随着励磁频率提高而急剧上升。然而，现实情况是，为了实现铁芯的小型化、高效率化，变压器、电抗器的驱动频率正在高频化。因此，由电磁钢板的铁损导致的发热成为问题的情况逐渐增多。
为了降低钢板的铁损，增加Si含量以提高钢的固有电阻的方法是有效的。然而，若钢中的Si量超过3.5质量％，则加工性显著降低，难以通过利用现有轧制法的电磁钢板的制造方法进行制造。因此，提出了制造高Si量的钢板的各种方法。例如，专利文献1中公开了在1023℃～1200℃的温度下将含有SiCl4的非氧化性气体喷吹至钢板表面来进行渗硅处理而得到Si量高的电磁钢板的方法。另外，专利文献2中公开了通过优化连续式热轧中的轧制条件来对加工性差的4.5～7质量％的高Si钢进行轧制而得到冷轧性良好的热轧板的方法。
除增加Si量以外，作为降低铁损的方法，减小板厚是有效的。以高Si钢作为原材通过轧制法制造钢板的情况下，在减小板厚方面存在极限。因此开发了将低Si钢冷轧至规定的最终板厚、然后在含SiCl4的气氛中进行渗硅处理、从而增加钢中Si含量的方法，并且该方法已经实现了工业化。已经公开了该方法能够使板厚方向的Si浓度具有梯度，因此对于降低高励磁频率下的铁损有效(参照专利文献3～5)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公平05-049745号公报
专利文献2：日本特公平06-057853号公报
专利文献3：日本专利第3948113号公报
专利文献4：日本专利第3948112号公报
专利文献5：日本专利第4073075号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在将电磁钢板用作电抗器用芯材的情况下，上述这样的铁损特性也是重要的，但是直流叠加特性也极其重要。在此，上述直流叠加特性是指增加磁芯的励磁电流时电感量降低的特性，在特性上优选即使增加电流电感量的减少量也少的磁芯。
对于使用电磁钢板的磁芯而言，为了使直流叠加特性良好，在磁芯上设置间隙(空隙)。即，不是改变电磁钢板自身的特性，而是通过磁芯的设计来调整直流叠加特性。然而，近来逐渐要求直流叠加特性的进一步改善。这是因为，如果提高直流叠加特性，则能够减少磁芯的体量，产生可同时减少体积和重量的优点。尤其是对于搭载在混合动力汽车等中的磁芯而言，重量的减少会直接带来燃料效率的提高，因而强烈要求提高直流叠加特性。
然而，现实情况是，迄今为止几乎没有提高电磁钢板自身的直流叠加特性的方法，而不得不依赖于如上所述的通过磁芯的设计进行的改善。
本发明是鉴于现有技术存在的上述问题而完成的，其目的在于提供能够提高高频励磁的磁芯的直流叠加特性的电磁钢板。
用于解决问题的方法
本发明人为了解决上述问题反复进行了深入研究。结果发现，通过优化钢板织构，使钢板织构的主取向为<111>//ND，能够提高磁芯的直流叠加特性，从而开发了本发明。
即，本发明为一种电磁钢板，其特征在于，由含有C：低于0.010质量％、Si：1.5～10质量％、余量为Fe和不可避免的杂质的成分组成构成，钢板织构中的主取向为<111>//ND且上述主取向的随机强度比为5以上。
另外，本发明的电磁钢板的特征在于，{111}<112>取向的随机强度比为10以上。
本发明的电磁钢板的特征在于，{310}<001>取向的随机强度比为3以下。
另外，本发明的电磁钢板的特征在于，Si浓度在板厚方向上具有表层侧高、中心部低的浓度梯度，并且Si浓度的最高值为5.5质量％以上且最高值与最低值之差为0.5质量％以上。
另外，本发明的电磁钢板的特征在于，在上述成分组成的基础上，进一步含有Mn：0.005～1.0质量％、Ni：0.010～1.50质量％、Cr：0.01～0.50质量％、Cu：0.01～0.50质量％、P：0.005～0.50质量％、Sn：0.005～0.50质量％、Sb：0.005～0.50质量％、Bi：0.005～0.50质量％、Mo：0.005～0.100质量％和Al：0.02～6.0质量％中的一种或两种以上。
发明效果
根据本发明，通过优化钢板织构，能够提供直流叠加特性优良的电磁钢板。因此，通过将本发明的电磁钢板用作铁芯材料，能够实现即使体量小高频下的铁损特性也优良的电抗器磁芯。
附图说明
图1为表示因制造方法的不同而导致的电抗器磁芯直流叠加特性的变化的曲线图。
图2为表示因制造方法的不同而导致的制品板织构的变化的图(Bunge’sODF形式、截面)。
具体实施方式
首先，对成为开发本发明的契机的实验进行说明。
将含有0.0044质量％的C、3.10质量％的Si的钢坯加热至1200℃，进行热轧，制成板厚为2.4mm的热轧板，然后以下述A～C的3种条件制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
·A：对上述热轧板实施1000℃×100秒的热轧板退火，通过第一次冷轧制成1.0mm的中间板厚，实施1000℃×30秒的中间退火后，通过第二次冷轧制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
·B：对上述热轧板实施1000℃×100秒的热轧板退火后，通过1次冷轧制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
·C：不对上述热轧板实施热轧板退火，通过1次冷轧制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
接着，在10体积％SiCl4+90体积％N2的气氛中对上述3种冷轧板实施1200℃×120秒的渗硅处理(最终退火)，制成板厚方向的Si量为6.5质量％且均匀的钢板。
使用如此得到的上述3种钢板，制作电抗器用磁芯，依照JISC5321中记载的方法测定直流叠加特性。另外，上述电抗器用磁芯的重量为900g且制成在2个位置设置有1mm间隙的形状。
图1中示出上述直流叠加特性的测定结果。由该结果可知，通过改变原材钢板的制造条件，能够改变直流叠加特性；另外可知，在A～C的制造条件中，以C条件制造的钢板因直流电流的增加所带来的电感量减少量最少、即以C条件制造的钢板具有最好的直流叠加特性。
因此，本发明人对上述3种钢板的织构进行了进一步考察。另外，织构是通过X射线衍射极图测定法对钢板表层部进行测定，利用离散法由所得到的数据计算ODF，将其结果示于图2中。另外，图2中示出的[X]是说明钢板的理想取向的图。
在此应当注意的是，直流叠加特性良好的以C条件制造的钢板的<111>//ND取向高度发达，尤其是{111}<112>取向具有高的峰。另一方面，{310}<001>取向越少则直流叠加特性越良好。另外，上述ND表示板面垂直方向(NormalDirection)。
通过钢板织构变化而使直流叠加特性变化的原因尚不十分清楚，本发明人认为原因如下。
如上所述，在现有技术中，为了提高直流叠加特性，在磁芯上设置有间隙。该间隙的设定只不过是使磁芯难以励磁而已。因此，对上述实验进行了研究，直流叠加特性良好的C条件的钢板的<111>//ND取向显著发达，该取向是在板面上不存在作为易磁化轴的<100>轴的取向、即难以在励磁方向上磁化的取向。因此，认为该励磁的难度使直流叠加特性提高。另外，若按照这种方式考虑，由于{310}<001>取向在板面上具有易磁化轴，因而也能够解释{310}<001>取向越少则直流叠加特性越良好。
另外，在本发明中，以电感量从初始电感量(直流电流0[A]时的电感量)减半至1/2时的直流电流值来进行直流叠加特性的评价。将该评价基准应用于上述图1时，以A条件制造的钢板为52[A]、以条件B制造的钢板为69[A]、以C条件制造的钢板为90[A]，以C条件制造的钢板的直流叠加特性最为良好。
本发明是立足于上述见解而开发的。
接着，对本发明涉及的电磁钢板(制品板)的成分组成进行说明。
本发明的电磁钢板需要具有C：低于0.010质量％、Si：1.5～10质量％的成分组成。
C：低于0.010质量％
C会引起磁时效而使磁特性劣化，因此越少越好。然而，C的过度降低会导致制造成本的上升。因此，将C限制为磁时效不会在实用上成为问题的低于0.010质量％。优选为低于0.0050质量％。
Si：1.5～10质量％
Si是提高钢的电阻率、改善铁损特性的必要元素，在本发明中，为了得到上述效果，需要含有1.5质量％以上。然而，若含量超过10质量％，则饱和磁通密度显著下降，反而会引起直流叠加特性下降。因而，在本发明中，将Si设定为1.5～10质量％的范围。另外，在此所述的Si量是指总板厚的平均值。
另外，电抗器中使用的电源通常是高频电源。因此，从提高高频铁损特性的观点出发，优选在上述Si量的范围中设定为3质量％以上。更优选为6.0质量％以上。另一方面，从确保高饱和磁通密度的观点出发，Si的上限优选设定为7质量％。
另外，本发明的电磁钢板优选Si浓度在板厚方向上具有表层侧高、中心部低的浓度梯度，并且Si浓度的最高值为5.5质量％以上且最高值与最低值之差为0.5质量％以上。其原因在于高频下磁通有在钢板表面附近集中的性质，因此从降低高频铁损的观点出发，优选提高板厚表层侧的Si浓度。进一步，晶格因Si原子的固溶而收缩，因此，在降低中心部的Si量而在板厚方向上赋予Si浓度梯度的情况下，会在钢板表层部产生拉伸应力。该拉伸应力有降低铁损的效果，因此通过赋予Si浓度梯度，有望大幅提高磁特性。为了得到上述效果，优选板厚表层的Si浓度的最高值与板厚中心部的Si浓度的最低值之差为0.5质量％以上。更优选Si浓度的最高值为6.2质量％以上且最高值与最低值之差为1.0质量％以上。
本发明的电磁钢板中，上述C、Si以外的余量为Fe和不可避免的杂质。但是，以改善热加工性或改善铁损、磁通密度等磁特性为目的，优选在下述范围内含有Mn、Ni、Cr、Cu、P、Sn、Sb、Bi、Mo和Al。
Mn：0.005～1.0质量％
为了改善热轧时的加工性，优选在0.005～1.0质量％的范围内含有Mn。这是因为，低于0.005质量％时，上述加工性改善效果小，另一方面，若超过1.0质量％，则饱和磁通密度下降。
Ni：0.010～1.50质量％
Ni是提高磁特性的元素，因此优选在0.010～1.50质量％的范围内含有。这是因为，低于0.010质量％时，上述磁特性的提高效果小，另一方面，若超过1.50质量％，则饱和磁通密度下降。
选自Cr：0.01～0.50质量％、Cu：0.01～0.50质量％、P：0.005～0.50质量％和Al：0.02～6.0质量％中的一种或两种以上
这些元素均是对降低铁损有效的元素，为了得到该效果，优选在上述范围内含有一种或两种以上。含量少于上述下限值时没有降低铁损的效果，另一方面，若超过上述上限值则饱和磁通密度会下降，因而不优选。
选自Sn：0.005～0.50质量％、Sb：0.005～0.50质量％、Bi：0.005～0.50质量％、Mo：0.005～0.100质量％中的一种或两种以上
这些元素均是对提高磁通密度有效的元素，为了得到该效果，优选在上述范围内含有一种或两种以上。含量低于上述下限值时没有提高磁通密度的效果，另一方面，若超过上述上限值，则饱和磁通密度反而会下降，因而不优选。
接着，对本发明的电磁钢板的织构进行说明。
本发明的电磁钢板中，需要织构中的主取向为<111>//ND且上述主取向的随机强度比为5以上。这是因为，如上所述，<111>//ND取向是在板面上不存在作为易磁化轴的<100>轴的难以磁化的取向，因此，该取向越发达，则直流叠加特性越良好，但<111>//ND取向的随机强度比低于5时，不能充分得到上述效果。<111>//ND的随机强度比可以如下求出：通过X射线衍射极图测定法测定钢板织构，计算ODF，在以Bunge形式表述的情况下，以Φ＝55°、对从0°到90°进行平均。另外，优选的<111>//ND的随机强度比为6.5以上。
此外，本发明的电磁钢板中，优选在<111>//ND取向中{111}<112>取向的随机强度比为10以上。这是因为，{111}<112>取向是<111>//ND取向中的典型取向，通过使{111}<112>取向的随机强度比为10以上，能够切实地使<111>//ND取向的随机强度比为5以上。另外，更优选的{111}<112>取向的随机强度比为13以上。
另外，本发明的电磁钢板中，优选{310}<001>取向的随机强度比为3以下。这是因为，如上所述，{310}<001>取向在板面上具有易磁化轴，因此为了改善直流叠加特性，{310}<001>取向越少越好。更优选的{310}<001>取向的随机强度比为2以下。
接着，对本发明的电磁钢板的制造方法进行说明。
本发明的电磁钢板可以利用通常的电磁钢板的制造方法进行制造。即，对调整至上述规定成分组成的钢进行熔炼而制成钢坯，进行热轧，根据需要对所得到的热轧板实施热轧板退火，然后进行1次冷轧或夹着中间退火的2次以上的冷轧，制成最终板厚的冷轧板，实施最终退火，根据需要涂布绝缘覆膜，由此进行制造。
由上述钢水制造钢坯的方法可以是铸锭-开坯轧制法、连铸法中的任意一种，另外，也可以是利用直接铸造法制造100mm以下厚度的薄铸片的方法。上述钢坯通常进行再加热而供于热轧，但也可以在铸造后不进行再加热而直接热轧。另外，在薄铸片的情况下，可以进行热轧，也可以省略热轧而直接进入后续工序。
另外，热轧后也可以实施热轧板退火，但如图1所示，未实施热轧板退火时直流叠加特性更良好，因而期望在热轧后不实施热轧板退火。
然后，将热轧后的热轧板、或者进一步实施热轧板退火后的热轧板进行1次冷轧或夹着中间退火的2次以上的冷轧，制成最终板厚的冷轧板。另外，冷轧越是在低温下进行则<111>//ND取向越增加，因而期望在低温下进行。另外，从降低铁损的观点出发，钢板的最终板厚(完工厚度)越薄越好，优选为0.20mm以下、更优选为0.10mm以下。此外，对于冷轧的轧制率，从增加<111>//ND取向的观点出发，优选使最终冷轧的轧制率为70％以上。
然后，实施最终退火。此时，为了降低铁损，优选通过已知方法实施渗硅处理来增加钢中的Si量，此外，更优选在上述渗硅处理中Si浓度在板厚方向上具有表层部高、中心部低的浓度梯度。
如上所述，使{111}//ND取向高度发达的本发明的电磁钢板是利用与现有电磁钢板相反的制造方法，例如不实施热轧板退火、中间退火并且在低温(例如大量施加轧制油、冷却水而将钢板温度冷却至10℃以下)下进行冷轧、而且使冷轧轧制率高达约96％等制造方法得到的，并非能够容易地由现有技术得到的电磁钢板。
实施例1
对含有C：0.0047质量％、Si：1.24质量％、Mn：0.15质量％、余量由Fe和不可避免的杂质构成的成分组成的钢进行熔炼，连铸而制成钢坯后，将该钢坯加热至1220℃，进行热轧而制成板厚为1.8mm的热轧板。接着，以如下3种条件将该热轧板制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
·A：对热轧板实施1050℃×75秒的热轧板退火后，通过第一次冷轧制成1.0mm的中间板厚，实施1000℃×30秒的中间退火后，通过第二次冷轧制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
·B：对热轧板实施1050℃×75秒的热轧板退火后，通过1次冷轧制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
·C：不对热轧板实施热轧板退火，通过1次冷轧制成最终板厚为0.10mm的冷轧板。
接着，在10体积％SiCl4+90体积％Ar气的气氛中对制造条件不同的上述3种冷轧板实施1150℃×60秒的渗硅处理(最终退火)。上述渗硅处理后的钢板的Si浓度在板厚方向上变化，钢板表层部的Si浓度的最高值为6.5质量％，板厚中心部的Si浓度的最低值为与原材钢大致相同的1.3质量％(最高值与最低值之差为5.2质量％)，总板厚平均的Si浓度为2.9质量％。另外，由上述A～C的制造条件得到的Si浓度和Si浓度分布几乎没有差别。
使用如此得到的上述3种钢板制作电抗器用磁芯，依照JISC5321中记载的方法测定直流叠加特性。另外，上述电抗器用磁芯的重量为900g且制成在2个位置设置有1mm的间隙的形状，所测定的直流叠加特性以电感量减半至初始电感量(直流电流0[A]时的电感量)的1/2时的直流电流值进行评价。
另外，从上述3种钢板上裁取样品，通过X射线衍射极图测定法测定其织构，利用离散法计算ODF，算出<111>//ND取向、{111}<112>取向和{310}<001>取向的随机强度比。
将上述直流叠加特性和随机强度比的测定结果示于表1中。由表1可知，以B和C条件制造的满足本发明的钢板的<111>//ND取向的随机强度比为5以上，直流叠加特性良好。
[表1]
实施例2
对以Si：1.1～4.5质量％的范围含有Si、以表2中记载的量含有其他成分、余量由Fe和不可避免的杂质构成的钢进行熔炼，连铸而制成钢坯后，将该钢坯加热至1200℃，进行热轧而制成板厚为1.8mm的热轧板，进行酸洗而除去氧化皮后，通过1次冷轧加工成最终板厚为0.10mm的冷轧板。之后，在15体积％SiCl4+85体积％N2气的气氛中实施1150℃×300秒的渗硅处理(最终退火)。其中，表2的钢板No.2以100体积％N2气为气氛实施最终退火，未实施渗硅处理。另外，上述渗硅处理后的钢板的Si浓度均在板厚方向上大致均匀，将其Si量一并示于表2中。另外，为慎重起见，对Si以外的成分也进行了成分分析，结果确认为与原材时大致相同的组成。
使用如此得到的上述各种钢板制作电抗器用磁芯，依照JISC5321中记载的方法测定直流叠加特性。另外，上述电抗器用磁芯的重量为900g且制成在2个位置设置有1mm的间隙的形状。另外，直流叠加特性以电感量从初始电感量(直流电流0[A]时的电感量)减半至1/2时的直流电流值进行评价。
将上述直流叠加特性的测定结果一并示于表2中。由该表可知，满足本发明的成分组成的发明例的钢板的直流叠加特性均良好。
另外，为慎重起见，从上述渗硅处理后的钢板上裁取样品，通过X射线衍射极图测定法测定织构，利用离散法计算ODF，由该结果算出各取向的随机强度比，结果确认到，在除了钢板No.2以外的所有钢板中，<111>//ND取向的随机强度比为5以上、{111}<112>取向的随机强度比为10以上、{310}<001>取向的随机强度比为3以下。
[表2]
实施例3
对含有C：0.0062质量％、Si：2.09质量％、Mn：0.08质量％、P：0.011质量％、Cr：0.03质量％和Sb：0.035质量％、余量由Fe和不可避免的杂质构成的成分组成的钢进行熔炼，连铸而制成钢坯后，将该钢坯加热至1150℃，进行热轧而制成板厚为2.2mm的热轧板。接着，进行酸洗而除去氧化皮后，通过1次冷轧加工成最终板厚为0.10mm的冷轧板。之后，在10体积％SiCl4+90体积％Ar气的气氛中实施1200℃×30秒的渗硅处理(最终退火)，为了进一步促进Si向内部的扩散而改变Si浓度梯度，在N2气氛中实施在1200℃下保持表3中记载的时间的扩散退火。其中，由于渗硅处理条件在所有钢板中是相同的，因此总板厚平均的Si浓度没有差别，均为3.70质量％。
使用如此得到的钢板制造电抗器用磁芯，依照JISC5321中记载的方法测定直流叠加特性。另外，上述电抗器用磁芯的重量为900g且制成在2个位置设置有1mm的间隙的形状，所测定的直流叠加特性以电感量减半至初始电感量(直流电流0[A]时的电感量)的1/2时的直流电流值进行评价。将其结果一并示于表3中。
进而，使用EPMA测定钢板板厚方向的Si浓度分布，求出Si量的最高值和最低值以及它们的差(ΔSi)，一并示于表3中。另外，为慎重起见，从所得到的钢板上裁取样品，通过X射线衍射极图测定法测定织构，利用离散法由所得到的数据计算ODF，由该结果算出各取向的随机强度比，结果确认到，<111>//ND取向的随机强度比为5以上、{111}<112>取向的随机强度比为10以上、{310}<001>取向的随机强度比为3以下。
由表3可知，满足本发明的条件的钢板的直流叠加特性均良好，其中满足Si量的最高值为5.5质量％以上且ΔSi为0.5质量％以上的条件的钢板的直流叠加特性更加良好。
[表3]

Claims (5)

1.一种电磁钢板，其特征在于，由含有C：低于0.010质量％、Si：1.5～10质量％、余量为Fe和不可避免的杂质的成分组成构成，钢板织构中的主取向为<111>//ND且所述主取向的随机强度比为5以上，所述钢板的{111}<112>取向的随机强度比为10以上。
2.如权利要求1所述的电磁钢板，其特征在于，所述电磁钢板的{310}<001>取向的随机强度比为3以下。
3.如权利要求1或2所述的电磁钢板，其特征在于，所述电磁钢板的Si浓度在板厚方向上具有表层侧高、中心部低的浓度梯度，并且Si浓度的最高值为5.5质量％以上且最高值与最低值之差为0.5质量％以上。
4.如权利要求1或2所述的电磁钢板，其特征在于，所述电磁钢板在所述成分组成的基础上进一步含有Mn：0.005～1.0质量％、Ni：0.010～1.50质量％、Cr：0.01～0.50质量％、Cu：0.01～0.50质量％、P：0.005～0.50质量％、Sn：0.005～0.50质量％、Sb：0.005～0.50质量％、Bi：0.005～0.50质量％、Mo：0.005～0.100质量％和Al：0.02～6.0质量％中的一种或两种以上。
5.如权利要求3所述的电磁钢板，其特征在于，所述电磁钢板在所述成分组成的基础上进一步含有Mn：0.005～1.0质量％、Ni：0.010～1.50质量％、Cr：0.01～0.50质量％、Cu：0.01～0.50质量％、P：0.005～0.50质量％、Sn：0.005～0.50质量％、Sb：0.005～0.50质量％、Bi：0.005～0.50质量％、Mo：0.005～0.100质量％和Al：0.02～6.0质量％中的一种或两种以上。
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