CN108026621A

CN108026621A - 高硅钢板及其制造方法

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Publication number: CN108026621A
Application number: CN201680053656.7A
Authority: CN
Inventors: 大久保智幸; 平谷多津彦; 尾田善彦; 中岛宏章
Original assignee: NKK Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: TW201716158A; KR102029609B1; US10760143B2; EP3351649A1; CA2992966C; CN108026621B; CA2992966A1; TWI625175B; KR20180040658A; JP6123960B1; WO2017047049A1; JPWO2017047049A1; EP3351649B1; EP3351649A4; US20180340239A1

Abstract

本发明提供一种冲压加工性和磁特性优异的高硅钢板。本发明的高硅钢板以质量％计含有C：0.02％以下、P：0.02％以下、Si：4.5％～7.0％、Mn：0.01％～1.0％、Al：1.0％以下、O：0.01％以下、N：0.01％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，晶界的氧浓度(在晶界偏析的元素中的氧浓度)为30at％以下，在钢板表面的α‑Fe的{211}面的集聚度P(211)为15％以上。其中，P(211)＝p(211)/S×100(％)，S＝p(110)/100+p(200)/14.93+p(211)/25.88+p(310)/7.68+p(222)/1.59+p(321)/6.27+p(411)/1.55，p(hkl)：{hkl}面的X射线衍射峰的积分强度。

Description

高硅钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及变压器、马达的铁芯材料等中使用的高硅钢板及其制造方法。

背景技术

硅钢板具有优异的磁特性，因此广泛用于变压器、马达的铁芯材料等。而且，硅钢板的铁损随着Si含量越增加而降低，因此从磁特性(铁损)的方面出发，优选使用高硅钢板。

Si含量高时，钢变脆而难以通过通常的轧制法制成薄板。但是，开发了通过气相渗硅法制造含有6.5质量％左右的硅的高硅钢薄板的方法，目前能够实现高硅钢板的工业规模的量产。

然而，将高硅钢板作为变压器、马达等部件使用时，需要冲压加工。但是，由于高硅钢板为脆性，容易产生因冲压加工所致的裂纹，因此，其加工需要如专利文献1所公开的那样以温加工进行，或者，严密地管理加工条件，例如，模具的间隙而进行。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭62－263827号公报

发明内容

然而，为了进行温加工，需要具备加热设备的加压机，此外，需要考虑到热膨胀的模具设计，因此高精度的昂贵的模具是不可欠缺的。

此外，在室温下进行加工时，若将间隙管理为与通常的电磁钢板相比非常狭窄，则能够冲压，但是，在这种情况下，存在模具的损耗剧烈、容易产生切屑等问题。此外，由于伴随着冲压，间隙也变宽，因此存在模具的交换频率变高的问题。

本发明解决该课题，其目的是提供一种冲压加工性和磁特性优异的高硅钢板。

本发明人等对防止高硅钢板的冲压时的裂纹的方法进行了深入研究。其结果发现，通过控制在晶界偏析的元素中的氧浓度，即，晶界的氧浓度(以下有时也称为晶界的氧量)，并且进行集合组织的控制，可得到良好的冲压加工性，从而完成了本发明。

本发明是基于以上发现而完成的，其要旨如下。

[1]一种高硅钢板，以质量％计含有C：0.02％以下、P：0.02％以下、Si：4.5％～7.0％、Mn：0.01％～1.0％、Al：1.0％以下、O：0.01％以下、N：0.01％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，晶界的氧浓度(在晶界偏析的元素中的氧浓度)为30at％以下，且在钢板表面的α-Fe的{211}面的集聚度P(211)为15％以上。

这里，各晶面的集聚度P(hkl)由通过X射线衍射法得到的各峰的积分强度按以下公式进行定义：

P(211)＝p(211)/S×100(％)

S＝p(110)/100+p(200)/14.93+p(211)/25.88+p(310)/7.68+p(222)/1.59+p(321)/6.27+p(411)/1.55

p(hkl)：{hkl}面的X射线衍射峰的积分强度

[2]根据上述[1]所述的高硅钢板，其中，以质量％计进一步含有S：0.010％以下。

[3]根据上述[1]或[2]所述的高硅钢板，其中，上述集聚度P(211)为20％以上。

[4]根据上述[1]～[3]中任一项所述的高硅钢板，其中，上述钢板表层部的Si浓度与板厚中心部的Si浓度的差ΔSi为0.1％以上。

[5]一种高硅钢板的制造方法，是上述[1]、[3]、[4]中任一项所述的高硅钢板的制造方法，将以质量％计含有C：0.02％以下、P：0.02％以下、Si：5.5％以下、Mn：0.01％～1.0％、Al：1.0％以下、O：0.01％以下、N：0.01％以下且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯热轧，进行热轧板退火或者不进行热轧板退火，接着，以使用Ra为0.5μm以下的辊进行最终冷轧的至少1道次的方式进行1次或夹着中间退火的2次以上的冷轧，接着，进行包含气相渗硅处理的完工退火。

[6]根据上述[5]所述的高硅钢板的制造方法，其中，上述钢坯以质量％计进一步含有S：0.010％以下。

[7]根据上述[5]或[6]所述的高硅钢板的制造方法，其中，在上述最终冷轧的道次间，进行至少1次的50℃以上、5分钟以上的时效处理。

应予说明，本说明书中，表示钢的成分的％只要没有特别说明则为质量％。

根据本发明，可以提供一种冲压加工性和磁特性优异的高硅钢板。无需高精度的昂贵的模具。也解决了模具的损耗剧烈、容易产生切屑等问题。因此，本发明的钢板能够适合作为变压器、马达的铁芯材料使用。

附图说明

图1是表示晶界的氧浓度与裂纹个数的关系的图。

图2是表示集聚度P(211)与裂纹个数的关系的图

具体实施方式

以下，详细地说明本发明。

基于实验结果详细地说明本发明。

最初，为了研究晶界的氧浓度对冲压时的裂纹产生的影响，进行了以下实验。将设为C：0.0032％、Si：3.2％、Mn：0.13％、P：0.01％、Al：0.001％、O＝0.0017％、N＝0.0018％、S＝0.0020％的钢进行实验室熔解，通过热轧制成板厚1.5mm。接着，对该热轧板实施920℃×60s的热轧板退火，酸洗后，使用Ra＝0.2μm的辊冷轧至板厚0.10mm。接着，在含有四氯化硅的气体中进行1200℃×10分钟的完工退火，将完工退火后的Si浓度设为6.49％，制造Si浓度均匀的高硅钢板。应予说明，为了使晶界的氧浓度产生变化，使完工退火时的露点在0℃～－40℃的范围变化。对于通过以上方式得到的高硅钢板，在室温下对50mm×30mm的矩形样品实施冲压加工，研究裂纹与各高硅钢板的晶界的氧浓度的关系。各钢板的冲压加工性是以倍率50倍的显微镜检查剪断面，用裂纹的产生个数进行评价。这里，将用显微镜检查上述50mm×30mm的矩形样品的4个边的剪断面(4面)时观察到的裂纹的数作为裂纹的产生个数(以下称为裂纹个数)。晶界的氧浓度使用俄歇电子分光装置。在利用该装置的测定中，在将真空度保持为10^-7Pa以下的真空容器中破坏试样，一边观察未被大气污染的干净的晶界断面一边将俄歇电子分光，由此，能够进行干净的晶界断面的元素分析。将通过以上方式得到的结果示于图1。由图1可知，通过将晶界的氧浓度设为30at％以下，冲压时的裂纹产生显著减少。

为了研究其原因，观察在冲压时开裂的断面，其结果，在晶界的氧量低的材料中看到大量晶粒内裂纹，但晶界的氧量高的材料中观察到大量晶界裂纹。由此，认为若晶界的氧量变高，则晶界强度降低，容易发生晶界裂纹，冲压时容易产生裂纹。

根据以上内容，本发明中，晶界的氧浓度(晶界的氧量)设为30at％以下。优选为20at％以下，更优选为10at％以下。

应予说明，晶界的氧浓度(晶界的氧量)可以通过进行调整真空度的真空热处理作为最终的热处理，或者，依照完工退火时的退火温度来调整露点或气氛中的氢浓度(H₂浓度)来进行控制。在进行真空热处理时，优选设为压力100Pa以下。在进行完工退火时，优选在非氧化性气氛下使露点为-20℃以下，或者使气氛中的氢浓度(H₂浓度)为3vol％以上。

接着，为了研究高硅钢板的制造稳定性，以实机将设为C：0.0023％、Si：3.2％、Mn：0.15％、P：0.01％、Al＝0.001％、O＝0.0016％、N＝0.0015％、S＝0.0015％的钢熔解，通过热轧制成板厚1.6mm。接着，对该热轧板实施950℃×30s的热轧板退火，酸洗后，在各种条件下冷轧至板厚0.10mm。接着，在含有四氯化硅的气体中进行1200℃×10分钟的完工退火，将完工退火后的Si浓度设为6.51％，制造Si浓度均匀的高硅钢板。这里，露点设为－40℃。对于通过以上方式得到的高硅钢板，在室温下对50mm×30mm的矩形样品实施冲压加工，研究裂纹的产生。此外，以俄歇电子分光法测定晶界的氧浓度。其结果，虽然晶界的氧浓度低至10at％，但确认为在冲压加工时开裂的样品。对开裂的原因进行研究，结果可知，钢板的集合组织、尤其是(211)面强度与冲压加工时的裂纹有关。图2中示出{211}面的集聚度P(211)与裂纹个数的关系。由图2可知，通过使集聚度P(211)为15％以上、优选为20％以上、更优选为25％以上，能够抑制裂纹。

这里，{211}面的集聚度P(211)由通过X射线衍射法得到的各峰的积分强度按以下公式进行定义。

P(211)＝p(211)/S×100(％)

p(hkl)：{hkl}面的X射线衍射峰的积分强度

通过提高集聚度P(211)来抑制冲压加工时的裂纹的机理尚不明确，但推定如下：通过使{211}与板面平行地配置，变形受限于特定的滑移系，其与冲压加工性相关。

根据以上内容，本发明中，在钢板表面的α-Fe的{211}面的集聚度P(211)为15％以上，优选为20％以上，更优选为50％以上。上限没有特别规定，但从磁通密度的观点出发不优选{211}面的过度的集聚，因此优选设为90％以下。

在钢板表面的α-Fe的{211}面的集聚度P(211)可以由以下方法测定。集合组织的测定在钢板表层进行。此外，对于集合组织的测定，使用Rigaku株式会社制的RINT2200(RINT为注册商标)，通过利用Mo-Kα射线的X射线衍射法进行{110}、{200}、{211}、{310}、{222}、{321}、{411}这7个面的测定。应予说明，{411}面的衍射峰在2θ＝63～64°附近出现，但在该峰也有来自{330}面的贡献，因此，在本发明中，该峰的积分强度的2/3为{411}的积分强度，1/3为{330}的积分强度。此外，与其相比更为高角侧的峰成为偏差的原因，因此在本发明中不进行评价。

以{110}、{200}、{211}、{310}、{222}、{321}、{411}各面的X射线衍射峰的积分强度为基础，根据以下公式算出{211}面的集聚度P(211)。

P(211)＝p(211)/S×100(％)

p(hkl)：{hkl}面的X射线衍射峰的积分强度

除各面的积分强度p(hkl)的常数对应于随机的试样中的{hkl}面的积分强度，本发明人等以数值计算求出。本发明中通过使P(211)为15％以上、优选为20％以上，能够抑制冲压时的裂纹。

此外，可知为了提高{211}面集聚度，在进行冷轧时，使用Ra：0.5μm以下的辊进行最终冷轧的至少1道次是重要的。认为这是通过减少冷轧时导入的剪切应变而对再结晶晶粒的核形成产生影响。

接着，对本发明的高硅钢板的成分组成进行说明。

C：0.02％以下

若C超过0.02％，则由于磁时效而铁损变高，因此设为0.02％以下。在中途工序中也可以脱碳，优选范围为0.005％以下。

P：0.02％以下

若P超过0.02％，则钢显著脆化而产生裂纹，因此设为0.02％以下。优选为0.01％以下。

Si：4.5％～7.0％

Si是提高固有电阻、降低磁致伸缩的有用的元素。为了得到这种效果，Si含量设为4.5％以上。虽然气相渗硅处理中可以对板厚方向容易地给予Si浓度的梯度，但在这种情况下板厚方向的平均Si含量也设为4.5％以上。另一方面，若Si含量超过7.0％，则容易产生裂纹，饱和磁通密度也显著下降。根据以上内容，Si含量设为4.5％～7.0％。

Mn：0.01％～1.0％

为了改善热加工性，Mn需要为0.01％以上。另一方面，若超过1.0％，则饱和磁通密度下降。因此，Mn含量设为0.01％～1.0％。

Al：1.0％以下

Al是减少微细的AlN而降低铁损的元素，可以含有。但是，若超过1.0％，则饱和磁通密度显著下降。因此，Al设为1.0％以下。Al也是增加磁致伸缩的元素，因此优选为0.01％以下。

O：0.01％以下

若O超过0.01％，则使高硅钢板的加工性劣化。因此，使上限为0.01％。应予说明，这里规定的O为包括晶粒内和晶界的整体的O量。优选为0.010％以下。更优选为0.004％以下。

N：0.01％以下

若N超过0.01％，则由于氮化物的析出而使铁损增加。因此，使上限为0.01％。优选为0.010％以下。更优选为0.004％以下。

剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成。

虽然通过以上成分组成可得到本发明的效果，但出于进一步提高制造性或材料特性的目的，可以含有以下元素。

Sn、Sb中的1种或2种的合计：0.001％～0.2％

Sn、Sb是通过防止氮化而改善铁损的元素。也是从因控制集合组织所致的高磁通密度化的方面出发而添加的有效的元素。为了得到这些效果，Sn、Sb含量以Sn、Sb中的1种或2种的合计计优选为0.001％以上。另一方面，若超过0.2％，则效果饱和。此外，Sb也是容易在晶界偏析的元素。从防止冲压时的裂纹的观点出发，Sn、Sb中的1种或2种的合计的上限优选为0.2％。

Cr、Ni中的1种或2种的合计：0.05％～1.0％

Cr、Ni是电阻率提高元素，是改善铁损的元素。通过Cr、Ni中的1种或2种的合计添加0.05％以上可得到效果。另一方面，若Cr、Ni中的1种或2种的合计超过1.0％，则成本变高。因此，Cr、Ni的含量优选1种或者2种的合计为0.05％～1.0％。

Ca、Mg、REM中的1种或2种以上的合计：0.0005％～0.01％

Ca、Mg、REM是减少微细的硫化物而降低铁损的元素。通过1种或2种以上的合计添加0.0005％以上可得到效果，若超过0.01％则铁损反而变高。因此，Ca、Mg、REM的含量优选1种或者2种以上的合计为0.0005％～0.01％。

S：0.010％以下

是晶界偏析型的元素。若超过0.010％，则裂纹产生频率变高。因此，S设为0.010％以下。

接着，对本发明的高硅钢板的制造方法进行说明。

本发明的高硅钢板的制造方法是例如用转炉、电炉等公知的熔解炉将钢熔炼，或者进一步经由浇包精炼、真空精炼等二次精炼而制成具有上述本发明的成分组成的钢，通过连续铸造法或铸锭－开坯轧制法制成钢片(板坯)。其后，可以经由热轧、根据需要的热轧板退火、酸洗、冷轧、完工退火、酸洗等各工序而制造。上述冷轧可以为1次或夹着中间退火的2次以上的冷轧，此外，冷轧、完工退火、酸洗各工序可以反复进行。进而，热轧板退火具有提高磁通密度的效果，但因通过冷轧而板容易开裂，因此也可以省略。此外，冷轧后，进行包含气相渗硅处理的完工退火，气相渗硅处理可以使用公知的方法。例如，优选在含有5～35mol％的SiCl₄的非氧化性气氛中进行1000～1250℃、0.1～30分钟的渗硅处理后，接着，在不含SiCl₄的非氧化性气氛中进行1100～1250℃、1～30分钟的扩散处理(均匀化处理)。这里，通过调整扩散时间、温度，或者通过省略扩散处理，可以在板厚方向具有Si浓度梯度。

以上，在本发明中，使用Ra(算术平均粗糙度)：0.5μm以下的辊进行最终冷轧的至少1道次。此外，优选在最终冷轧的道次间，进行至少1次的50℃以上、5分钟以上的时效处理。

通过将冷轧的至少1道次用Ra：0.5μm以下的辊轧制，能够控制高硅钢板的集合组织，且使在钢板表面的α-Fe的{211}面的集聚度P(211)为15％以上。进而，在控制集合组织而将P(211)稳定地设为20％以上时，优选在最终冷轧的道次间进行至少1次的50℃以上、5分钟以上的时效处理。此外，从生产率的观点出发，时效处理的上限优选为100分钟。

通过抑制完工退火中钢的晶界氧化，可以抑制冲压时的裂纹。例如，优选为将露点设为-20℃以下、将气氛的H₂浓度设为3vol％以上等方法。

完工退火后的结晶粒径过大时，加工性劣化，因此完工退火后的结晶粒径优选为板厚的3倍以下。通过以不发生异常晶粒生长(2次再结晶)的方式进行完工退火，能够使结晶粒径为板厚的3倍以下。完工退火后，可以根据需要实施绝缘涂布，可以根据目的使用公知的有机、无机、有机·无机混合涂布。

根据以上方式，可得到本发明的高硅钢板。本发明的高硅钢板中，晶界的氧浓度(在晶界偏析的元素中的氧浓度)为30at％以下，且在钢板表面的α-Fe的{211}面的集聚度P(211)为15％以上。

进而，钢板表层部的Si浓度与板厚中心部的Si浓度的差ΔSi优选为0.1％以上。使ΔSi为0.1％以上对得到本发明的效果、而且进一步降低高频铁损有效。即，通过将表层与中心的Si含量的差ΔSi设为0.1％以上，可以降低高频铁损。ΔSi的上限没有特别规定。但是，表层Si量为7.0％以上时铁损劣化，因此表层Si量优选设为7.0％以下，从该方面出发，ΔSi优选为4.0％以下。从减少高频铁损和抑制渗硅成本的观点出发，更优选的ΔSi的范围为1.0％～4.0％。ΔSi可以通过对钢板断面以EPMA分析深度方向的Si曲线来进行测定。应予说明，表层是指从钢板表面到沿板厚中心方向的板厚1/20的区域。

实施例1

以下，通过实施例详细地说明本发明。

将由表1所示的成分构成的钢坯通过热轧制成板厚1.6mm。接着，对该热轧板实施960℃×20s的热轧板退火，酸洗后，冷轧至板厚0.10mm，进行完工退火。另外，对一部分的钢在用森吉米尔式轧机轧制之前实施时效处理。

上述中，冷轧是使用Ra＝0.6μm的辊的串列式轧机，以5道次冷轧至板厚0.60mm后，使用表1所记载的Ra的辊的森吉米尔式轧机，以8道次进行冷轧至板厚0.10mm。

此外，完工退火的在含有四氯化硅的气体中进行1200℃×5分钟间的气相渗硅处理后，进而，在1200℃进行最长5分钟的扩散处理，调整为表1所记载的制品成分：平均Si量、ΔSi。这里，为了改变晶界的氧浓度，使气相渗硅处理时的露点在0℃～-40℃的范围变化。

对于通过以上方式得到的高硅钢板，在室温下对50mm×30mm的矩形样品实施冲压加工。这里，模具的间隙相对于板厚设为5％。

对于通过上述方式得到的各高硅钢板的样品，测定晶界的氧浓度(晶界的氧量)、α-Fe的{211}面的集聚度P(211)。此外，对于通过上述方式得到的各高硅钢板的样品，研究冲压加工性(冲压加工时的裂纹个数)以及磁特性(铁损(W1/10k)和磁通密度(B50))。

对于晶界的氧浓度，使用俄歇电子分光装置，在将真空度保持为10^-7Pa以下的真空容器中破坏试样，测定晶界的氧浓度。

集合组织测定使用Rigaku株式会社制的RINT2200，通过利用Mo-Kα射线的X射线衍射法在钢板表层进行{110}、{200}、{211}、{310}、{222}、{321}、{411}这7个面的测定。

各钢板的冲压加工性是用倍率50倍的显微镜检查剪断面，用裂纹个数进行评价。使5个以下为良好，使2个以下为更加良好。

对于磁特性，通过按照JIS C2550的方法(Epstein试验方法)测定铁损(W1/10k)和磁通密度(B50)。

将所得的结果示于表1。

[表1]

根据表1，满足本发明条件的高硅钢板(本发明例)的磁特性优异，并且可以防止冲压时的裂纹。另一方面，比较例的冲压加工性和磁特性均差。

Claims

1.一种高硅钢板，以质量％计含有C：0.02％以下、P：0.02％以下、Si：4.5％～7.0％、Mn：0.01％～1.0％、Al：1.0％以下、O：0.01％以下、N：0.01％以下，剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成，

晶界的氧浓度即在晶界偏析的元素中的氧浓度为30at％以下，

且在钢板表面的α-Fe的{211}面的集聚度P(211)为15％以上，

P(211)＝p(211)/S×100(％)，

S＝p(110)/100+p(200)/14.93+p(211)/25.88+p(310)/7.68+p(222)/1.59+p(321)/6.27+p(411)/1.55，

p(hkl)：{hkl}面的X射线衍射峰的积分强度。

2.根据权利要求1所述的高硅钢板，其中，以质量％计进一步含有S：0.010％以下。

3.根据权利要求1或2所述的高硅钢板，其中，所述集聚度P(211)为20％以上。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的高硅钢板，其中，所述钢板表层部的Si浓度与板厚中心部的Si浓度的差ΔSi为0.1％以上。

5.一种高硅钢板的制造方法，是权利要求1、3、4中任一项所述的高硅钢板的制造方法，

将以质量％计含有C：0.02％以下、P：0.02％以下、Si：5.5％以下、Mn：0.01％～1.0％、Al：1.0％以下、O：0.01％以下、N：0.01％以下且剩余部分由Fe和不可避免的杂质构成的钢坯热轧，进行热轧板退火或者不进行热轧板退火，

接着，以使用Ra为0.5μm以下的辊进行最终冷轧的至少1道次的方式进行1次或夹着中间退火的2次以上的冷轧，

接着，进行包含气相渗硅处理的完工退火。

6.根据权利要求5所述的高硅钢板的制造方法，其中，所述钢坯以质量％计进一步含有S：0.010％以下。

7.根据权利要求5或6所述的高硅钢板的制造方法，其中，在所述最终冷轧的道次间，进行至少1次的50℃以上、5分钟以上的时效处理。