CN113574194A - 无方向性电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

该无方向性电磁钢板包括硅钢板和绝缘覆膜。该硅钢板在表面具有包含SiO2相的内部氧化层，内部氧化层的平均厚度为0.10μm以上且5.0μm以下，内部氧化层的维氏硬度相对于板厚中央部的维氏硬度，为1.15倍以上且1.5倍以下。

Description

无方向性电磁钢板
技术领域
本发明涉及一种无方向性电磁钢板，其主要用作电气设备铁芯材料，疲劳强度和磁特性优异。
背景技术
近年来，在电气设备，特别是使用无方向性电磁钢板作为其铁芯材料的旋转机械、中小型变压器、电气设备等领域之中，在世界性的节约电力和能源、减少CO2等为代表的地球环境保护运动中，对高效率化、小型化的要求日益强烈。在这样的社会环境下，当然也对无方向性电磁钢板提出了提高其性能的要求。
一般而言，电动机由定子(固定子)转子(旋转子)构成。近年来，作为电动汽车或混合动力汽车等的驱动用电动机，将永久磁铁内置于转子内部的永久磁铁内置电动机(以下有时称为“IPM电动机”)是主流，其面向高效率化、高输出化、高速旋转化、小型化的技术开发正在推进。
为了提高IPM电机的性能，定子和转子内部的永久磁铁需要更加靠近，因此需要减小转子铁心外缘部与转子内部永久磁铁之间的距离。另一方面，在旋转时由永久磁铁产生的离心力对旋转的转子铁芯的外缘部产生负荷，在高速旋转时该负荷变得更大。因此，转子铁心的外缘部和永久磁铁用槽之间的部分(以下有时称为“桥接部”)的强度，特别是疲劳强度变得重要。因此，例如，公开了以下技术。
专利文献1公开了一种提高转子铁芯中使用的电磁钢板本身的强度的技术。在专利文献2中公开了一种技术：转子铁芯中需要提高强度的部位如上所述是桥接部，因此为了仅强化该部分，进行加工强化和淬火强化。专利文献3公开了一种技术，为了提高转子铁芯整体的强度，通过环等从外部加强转子。
然而，在专利文献1的技术中，由于电磁钢板本身的强度升高，存在转子铁芯的坯料的冲压性降低的缺陷。冲裁性的下降会导致冲裁时的坯料精度下降、冲裁速度的降低或冲裁时的模具磨损等。在专利文献2的技术中，由于在制造转子铁芯时需要仅强化桥接部的附加工序，因此成本增加。此外，在专利文献3的技术中，由于需要从外部加强转子的环等，成本增加。
因此，期待开发一种技术，不提高电磁钢板自身的强度，且不增加新的工序，提高目标部位的强度，特别是提高疲劳强度。
如前所述，由于电动机的旋转，离心力被反复负荷到转子铁芯的桥接部上，因此需要提高该桥接部的疲劳强度。作为具有代表性的提高疲劳强度的方法，具有使钢(板)表面硬化的方法。
作为表面硬化方法，例如，以淬火等为代表的钢本身的相变强化、通过氮化、渗碳等生成第二相的析出强化、以及通过喷丸等导入应变的加工硬化等，它们均需要附加的工序。
迄今，关于无方向性电磁钢板，还没有确立不增加新的工序，且兼顾疲劳强度和磁特性的技术。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本国专利第5000136号公报
专利文献2：日本国专利第4160469号公报
专利文献3：日本国特开2013-115899号公报
专利文献4：日本国专利第3307897号公报
专利文献5：日本国专利第4116748号公报
专利文献6：日本国专利第4116749号公报
[非专利文献]
非专利文献1：鉄と鋼(铁和钢)Vol.66(1980)、No.7、p1000～p1009非专利文献2：まてりあ(日文)Vol.50(2011)、No.3、p126～p128
发明内容
本发明借鉴现有技术，课题在于，针对无方向性电磁钢板，不对现有的制造方法增加附加工序，而兼顾疲劳强度和磁特性。即，本发明的目的在于提供一种无方向性电磁钢板，其疲劳强度和磁特性优异，成本方面也优异。
[用于解决技术问题的技术手段]
本发明的发明者们为了解决上述技术问题，深入研究了利用无方向性电磁钢板的制造工序，在无方向性电磁钢板的母材钢板即硅钢板上形成表面硬化层。其结果发现，如果优选组合钢组分和制造条件，则能够在硅钢板的表面形成内部氧化层，控制该内部氧化层的硬度而使表面硬化，能够提高疲劳强度。
此外，内部氧化层，如专利文献4～6所述，厚度变厚时，尤其会对高频的铁损产生不良影响。因此，本发明的发明者们深入研究了通过控制内部氧化层中的氧化物及内部氧化层厚度，控制该内部氧化层的硬度，从而使疲劳强度和磁特性并存。
其结果，发现了对于调整了钢组分的钢板，如果在热轧后的冷却时实施保热处理，并适当控制该保热条件，则能够控制内部氧化层中的氧化物和内部氧化层的平均厚度，能够控制该内部氧化层的硬度。即，发现了不增加新的工序，可得到疲劳强度和磁特性并存的无方向性电磁钢板。
本发明的宗旨如下。
(1)本发明的一方案的无方向性电磁钢板具备硅钢板和绝缘覆膜，该硅钢板作为成分组成，以质量％计含有Si：高于2.00％且4.00％以下；Al：0.10％以上且3.00％以下；Mn：0.10％以上且2.00％以下；C：0.0030％以下；P：0.050％以下；S：0.005％以下；N：0.005％以下；Sn：0％以上且0.40％以下；Cu：0％以上且1.00％以下；Sb：0％以上且0.40％以下；REM：0％以上且0.0400％以下；Ca：0％以上且0.0400％以下；以及Mg：0％以上且0.0400％以下，剩余部分由Fe及杂质构成，在切断方向与板厚方向平行的切断面中观察时，硅钢板的5/8～3/8的板厚范围即中央部的维氏硬度为120Hv以上且300Hv以下，在上述切断面中观察时，硅钢板在表面具有包含SiO2相的内部氧化层，内部氧化层的平均厚度为0.10μm以上且5.0μm以下，内部氧化层的维氏硬度相对于上述中央部的维氏硬度为1.15倍以上且1.5倍以下。
(2)也可以是，在上述(1)所述的无方向性电磁钢板中，硅钢板作为成分组成，以质量％计含有Sn：0.02％以上且0.40％以下；Cu：0.10％以上且1.00％以下；Sb：0.02％以上且0.40％以下的至少任一种。
(3)也可以是，在上述(1)或(2)所述的无方向性电磁钢板中，硅钢板作为成分组成，以质量％计含有REM：0.0005％以上且0.0400％以下；Ca：0.0005％以上且0.0400％以下；Mg：0.0005％以上且0.0400％以下的至少一种。
(4)也可以是，在上述(1)～(3)的任一项所述的无方向性电磁钢板中，内部氧化层的维氏硬度为155Hv以上。
(5)也可以是，在上述(1)～(4)的任一项所述的无方向性电磁钢板中，内部氧化层的平均厚度为0.55μm以上。
[发明效果]
根据本发明的上述方案，能够提供一种无方向性电磁钢板，其疲劳强度和磁特性优异，成本也优异。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的无方向性电磁钢板的截面示意图。
图2是示出本实施方式的无方向性电磁钢板的制造方法的流程图。
图3是关于本实施方式的无方向性电磁钢板，示出在母材钢板中形成有内部氧化层的状态的截面示意图。
具体实施方式
以下，针对本发明的优选的实施方式详细地进行说明。其中，本发明并不仅限制于本实施方式公开的构成，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种变更。另外，在下述的数值限定范围内，下限值及上限值包含在该范围中。示出为“高于”或者“小于”的数值，该值不包含在数值范围中。各元素的含量相关的“％”表示“质量％”。
首先，关于本实施方式的无方向性电磁钢板(以下有时写作“本发明电磁钢板”)，针对作为母材钢板的硅钢板的成分组成的限定理由进行说明。
＜硅钢板的成分组成＞
在本实施方式中，硅钢板作为成分组成，包含基本元素，根据需要包含选择性元素，剩余部分由Fe及杂质构成。
在本实施方式中，硅钢板的成分组成中，Si、Al、Mn为基本元素(主要的合金化元素)。
Si：高于2.00％且4.00％以下
Si(硅)是增大电阻而减少涡流损耗，有助于降低铁损的元素，另外，还是通过固溶强化提高钢板的屈服比，有助于提高拉伸强度及疲劳强度的元素。并且，如后文所述，Si是在内部氧化层内生成SiO2相以使钢板表面硬化所必需的元素。
若Si低于2.00％以下，则难以得到上述的效果，并且难以提高内部氧化层的硬度，因此Si高于2.00％。优选为2.10％以上，较优选为2.30％以上，更加优选为2.60％以上。另一方面，Si高于4.00％时，磁通密度降低，同时冷轧等的作业性降低，制造成本上升，因此Si设定为4.00％以下。优选为3.70％以下，较优选为3.40％以下。
Al：0.10％以上且3.00％以下
Al(铝)也与Si同样地，是增大电阻而减少涡流损耗，有助于降低铁损的元素。其中，与Si相比较，还是硬度上升较小的元素。另外，Al还是提高磁通密度B50相对于饱和磁通密度Bs的比率：B50/Bs而有助于提高磁通密度的元素。
若Al小于0.10％，则不能充分地获得添加效果，因此Al设定为0.10％以上。优选为0.30％以上，较优选为高于0.50％，进一步优选为0.60％以上。另一方面，若Al高于3.00％，则饱和磁通密度降低而磁通密度降低，并且屈服比降低，拉伸强度及疲劳强度降低，因此Al设定为3.00％以下。优选为2.70％以下，较优选为2.40％以下。
Mn：0.10％以上且2.00％以下
Mn(锰)是增大电阻而降低涡流损耗的同时，发挥抑制对于磁特性不优选的{111}＜112＞织构生成的作用的元素。
Mn小于0.10％时，不能充分地得到添加效果，因此Mn设定为0.10％以上。优选为0.15％以上，较优选为0.20％以上，进一步优选为高于0.60％，更加优选为0.70％以上。另一方面，Mn高于2.00％时，退火时的晶体粒的生长性降低，铁损增大，因此Mn设定为2.00％以下。优选为1.70％以下，较优选为1.50％以下。
在本实施方式中，硅钢板作为成分组成，含有杂质。此外，所谓“杂质”，是指在工业性地制造钢时，从作为原料的矿石或废料中，或者从制造环境等中混入的物质。例如，表示C、P、S、N等的元素。为了充分地发挥本实施方式的效果，这些杂质优选以如下的方式进行限制。另外，杂质的含量优选少量，因此不需要限制下限值，杂质的下限值可以为0％。
C：0.0030％以下
C(碳)是提高铁损的同时，还成为磁时效的原因的杂质元素。C高于0.003％时，铁损增大的同时，显著产生磁时效，因此C设定为0.0030％以下。优选为0.0020％以下、较优选为0.0010％以下。下限包含0％，但在生产技术上制成0％是困难的，在实际应用方面，0.0001％为实质上的下限。
P：0.050％以下
P(磷)也有助于提高拉伸强度，但是是使钢板脆化的杂质元素。P高于0.050％时，以2.00％以上含有Si的钢板明显变脆，因此P设定为0.050％以下。优选为0.030％以下，较优选为0.020％以下。下限包含0％，但在生产技术上制成0％是困难的，在实际应用方面，0.002％为实质上的下限。
S：0.005％以下
S(硫)是形成MnS等的细微的硫化物，阻碍最终退火时的再结晶及晶粒生长的杂质元素。S高于0.005％时，明显阻碍最终退火时的再结晶及晶粒生长，因此S设定为0.005％以下。优选为0.003％以下，较优选为0.002％以下。下限包含0％，但在生产技术上制成0％是困难的，在实际应用方面，0.0003％为实质上的下限。
N：0.005％以下
N(氮)是形成AlN等的细微的氮化物，阻碍最终退火时的再结晶及晶粒生长的杂质元素。N高于0.005％时，明显阻碍最终退火时的再结晶及晶粒生长，因此N设定为0.005％以下。优选为0.003％以下，较优选为0.002％以下。下限包含0％，但在生产技术上制成0％是困难的，在实际应用方面，0.0005％为实质上的下限。
在本实施方式中，除上述说明的基本元素及杂质之外，硅钢板还可以包含选择性元素。例如，代替上述的剩余部分即Fe的一部分，作为选择性元素，可以含有Sn、Cu、Sb、REM、Ca、Mg。这些选择性元素可以根据其目的而含有。因此，不需要限制这些选择性元素的下限值，下限值可以为0％。另外，这些选择性元素即使作为杂质而含有，也不会损害上述效果。
Sn：0％以上且0.40％以下
Cu：0％以上且1.00％以下
Sb：0％以上且0.40％以下
Sn(锡)、Cu(铜)、Sb(锑)是发挥抑制磁特性中不优选的{111}＜112＞织构的生成的作用，同时控制钢板表面的氧化，且发挥使晶粒生长整粒化的作用的元素。另外，Sn、Cu、Sb是发挥适当控制热轧钢板中的内部氧化层的厚度的作用的元素。
Sn高于0.40％，Cu高于1.00％，Sb高于0.40％时，添加效果饱和，并且抑制最终退火时的晶粒生长，另外，钢板的加工性降低，冷轧时脆化，因此Sn为0.40％以下，Cu为1.00％以下，Sb为0.40％以下。优选地，Sn为0.30％以下，Cu为0.60％以下，Sb为0.30％以下，较优选地，Sn为0.20％以下，Cu为0.40％以下，Sb为0.20％以下。
Sn、Cu、Sb的下限并不特别限制，可以为0％。为了优选地得到上述效果，可以设定Sn为0.02％以上，Cu为0.10％以上，Sb为0.02％以上。优选地，Sn为0.03％以上，Cu为0.20％以上，Sb为0.03％以上，较优选地，Sn为0.05％以上，Cu为0.30％以上，Sb为0.05％以上。
在本实施方式中，优选地，硅钢板作为成分组成，以质量％计含有Sn：0.02％以上且0.40％以下，Cu：0.10％以上且1.00％以下，Sb：0.02％以上且0.40％以下的至少一种。
REM：0％以上且0.0400％以下
Ca：0％以上且0.0400％以下
Mg：0％以上且0.0400％以下
REM(Rare Earth Metal：稀土金属)、Ca(钙)、Mg(镁)是将S作为硫化物或硫氧化物进行固定，抑制MnS等的细微析出，发挥促进最终退火时的再结晶及晶粒生长的作用的元素。
REM、Ca、Mg高于0.0400％时，会过剩地生成硫化物或硫氧化物，阻碍最终退火时的再结晶及晶粒生长，因此REM、Ca、Mg的任一者均设定为0.0400％以下。优选地，任一元素均为0.0300％以下，较优选为0.0200％以下。
REM、Ca、Mg的下限并不特别地限制，可以为0％。为了优选地获得上述效果，REM、Ca、Mg的任一者均为0.0005％以上即可。优选地，任一元素均为0.0010％以上，较优选为0.0050％以上。
在本实施方式中，优选地，硅钢板作为成分组成，以质量％计含有REM：0.0005％以上且0.0400％以下；Ca：0.0005％以上且0.0400％以下；Mg：0.0005％以上且0.0400％以下的至少一种。
在此，REM是指Sc、Y及镧系元素的总计17元素，是其至少一种。上述REM的含量表示这些元素的至少一种的总计含量。镧系元素的情况下，工业性地以混合稀土的形式进行添加。
上述的钢组分通过钢的一般的分析方法测量即可。例如，钢组分使用ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry：电感耦合等离子体原子发射光谱法)测量即可。此外，C及S使用燃烧-红外线吸收法，N使用惰性气体溶解-热导法，O使用惰性气体溶解-非分散型红外线吸收法测量即可。
此外，上述的成分组成是硅钢板的成分组成，在作为测量试样的硅钢板在表面具有绝缘覆膜等的情况下，是将其除去并测量而得到的成分组成。
作为除去无方向性电磁钢板的绝缘覆膜等的方法，例如将具有绝缘覆膜等的无方向性电磁钢板依次浸渍在氢氧化钠水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液中，清洗，用热风干燥的方法。通过该一系列处理，可以得到除去了绝缘覆膜的硅钢板。
接着，关于本实施方式的无方向性电磁钢板，针对硅钢板的内部氧化层进行说明。
图1是示出本实施方式的无方向性电磁钢板的截面示意图。本实施方式的无方向性电磁钢板1在切断方向为平行于板厚方向的截面中观察时，具备硅钢板11、以及被配置在该硅钢板11上的绝缘覆膜15，硅钢板在表面具有内部氧化层13。该内部氧化层13包含SiO2相131。此外，所谓内部氧化层，是指Si等的氧化物相呈颗粒状或层状分散在硅钢板的内部的区域。
＜内部氧化层中的SiO2相＞
内部氧化层包含SiO2相。在本实施方式中，在内部氧化层中使SiO2相细微且致密地析出，通过控制内部氧化层的硬度，得到提高疲劳强度的效果。
为了在内部氧化层中使SiO2相细微且致密地析出，需要使钢板中含有Si高于2.00％。在此基础上，需要适当地控制热轧后的冷却时的保热处理。
＜内部氧化层的平均厚度＞
内部氧化层的平均厚度：0.10μm以上且5.0μm以下
内部氧化层的平均厚度小于0.10μm时，得不到提高疲劳强度的效果，因此内部氧化层的平均厚度设定为0.10μm以上。优选为高于0.5μm，较优选为0.55μm以上，更加优选为0.6μm以上，进一步优选为0.7μm以上，更加优选为1.0μm以上。另一方面，内部氧化层的平均厚度高于5.0μm时，磁特性降低，尤其是铁损增大，因此内部氧化层的平均厚度设定为5.0μm以下。优选为4.0μm以下，较优选为3.0μm以下。
＜维氏硬度＞
在本实施方式中，将内部氧化层的维氏硬度控制为比钢板的中央部的维氏硬度更高的值。即，在本实施方式中，不会提高电磁钢板自身的强度，仅提高目标部位的强度，从而提高疲劳强度。
＜钢板的中央部的维氏硬度＞
钢板的中央部的维氏硬度：120Hv以上且300Hv以下
在切断方向与板厚方向平行的切断面中观察时，将硅钢板的5/8～3/8的板厚范围设定为中央部。如果该中央部的维氏硬度为小于120Hv，则得不到充分的疲劳强度，因此中央部的维氏硬度设定为120Hv以上。优选为150Hv以上，较优选为170Hv以上。
另一方面，中央部的维氏硬度高于300Hv时，钢板整体过硬，冲裁加工性降低，因此中央部的维氏硬度设定为300Hv以下。优选为270Hv以下，较优选为250Hv以下。
此外，中央部的维氏硬度可以通过Si、Al、Mn对Fe的固溶强化、或最终退火后的晶粒径进行控制。考虑要求的磁特性、冷轧时的加工性、制造成本等，确定Si、Al、Mn的含量，并且确定最终退火后的晶粒径即可。此外，晶粒径也对磁特性，特别是对铁损产生影响。
＜内部氧化层的维氏硬度＞
内部氧化层的维氏硬度：中央部的维氏硬度的1.15倍以上
使SiO2相在内部氧化层中微细且致密地析出，通过控制内部氧化层的硬度，能够进一步提高疲劳强度。即，在本实施方式中，内部氧化层的维氏硬度大于钢板的中央部的维氏硬度。
内部氧化层的维氏硬度小于中央部的维氏硬度的1.15倍时，得不到充分的提高疲劳强度的效果，因此内部氧化层的维氏硬度设定为中央部的维氏硬度的1.15倍以上。优选为1.20倍以上，较优选为1.25倍以上。
出于提高疲劳强度的观点，并不特别规定内部氧化层的维氏硬度的上限。但是，实质上得到的内部氧化层的维氏硬度最大为中央部的维氏硬度的1.5倍左右。
内部氧化层的维氏硬度为中央部的维氏硬度的1.15倍以上即可，因此为138Hv以上即可。但是，内部氧化层的维氏硬度优选为155Hv以上，较优选为180Hv以上，更加优选为200Hv以上。另外，内部氧化层的维氏硬度为400Hv以下即可，较优选为300Hv以下即可。
上述的硅钢板的内部氧化层及中央部的组织观察或硬度测量通过一般的观察、测量方法即可。例如，可以通过下述的方法进行。
从无方向性电磁钢板中，以切断方向与板厚方向平行的方式切取试验片(详细而言，以切断面与板厚方向平行且与轧制方向垂直的方式切取试验片)，以各层进入观察视野中的倍率，用SEM(Scanning Electron Microscope：扫描电子显微镜)观察该切断面的截面结构。例如，用背散射成份像(COMPO像)观察，能够类推截面结构的构成相。例如，在COMPO像中，能够判别为硅钢板为淡色，内部氧化层中的SiO2像为浓色，绝缘覆膜为中间色。根据需要，使用SEM-EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy：X射线能量色散谱)进行成分组成的定量分析，从而能够详细确定构成相。
另外，也可以通过SEM及SEM-EDX确定在硅钢板的表面区域中是否存在内部氧化层。具体而言，确认从硅钢板和上侧的界面向硅钢板的深度方向是否存在可观察到SiO2相的区域。SiO2相可以通过EDX，在观察视野中确认Si与O的原子比为大致1：2的析出物即可。例如，在上述的观察视野中，作为基准线设定沿着板厚方向的直线，确认在该基准线上是否存在观察到SiO2相的区域，如果在硅钢板内存在观察到SiO2相的区域，则将该区域判断为内部氧化层。另外，将该区域的在基准线上的线段(长度)作为内部氧化层的厚度即可。
内部氧化层的平均厚度的确定以如下的方式进行即可。在SEM像中，在钢板的平面方向观察约100μm以上的区域。而且，将上述基准线以等间隔设置10根以上，在各个基准线上，求得内部氧化层的厚度。将求得的内部氧化层的厚度的平均值作为内部氧化层的平均厚度。
此外，在确定SiO2相时，或确定内部氧化层的平均厚度时，在需要观察比SEM的分辨率更微观的区域的情况下，可以使用透射式电子显微镜(TEM：Transmission ElectronMicroscope)。
维氏硬度可以通过JIS Z 2244：2009所述的方法测量。内部氧化层的维氏硬度需要维氏硬度的压痕留在内部氧化层内，此时的测量负荷优选在9.8×10-5～9.8×10-2N之间。
内部氧化层的维氏硬度可以以对应于内部氧化层的厚度的形式进行测量，如果在内部氧化层的厚度的范围内，适当设定得到最大的大小的压痕的负荷，则能够进行精度更良好的测量。为了精度良好地测量内部氧化层的维氏硬度，负荷可以是高于上述负荷范围的负荷。
在维氏硬度的测量中，通常使用光学显微镜测量压痕径，但为了进行精度高的测量，也可以使用SEM等的电子显微镜，以1000倍以上的倍率测量压痕径。
另一方面，钢板的中央部的维氏硬度优选以与测量内部氧化层的维氏硬度的负荷相同的负荷进行。此时，压痕径小于钢板的晶粒径，因此优选避开晶界设置压痕，测量压痕径。
在JIS所规定的维氏硬度试验中，测量负荷是从1gf(9.8×10-2N)设定的，但优选精密地控制负荷，减小负荷，以压痕停留在内部氧化层内部的方式设定负荷，测量维氏硬度。此外，在测量维氏硬度时，在需要观察比光学显微镜或SEM的分辨率更微观的区域的情况下，使用纳米压痕法将测定值换算为维氏硬度即可。
接着，针对本实施方式的无方向性电磁钢板的制造方法进行说明。
图2是例示本实施方式的无方向性电磁钢板的制造方法的流程图。在本实施方式中，将调整了成分组成后的钢液进行铸造、热轧、热轧后的冷却时进行保热处理、酸洗、冷轧，接着，实施最终退火，制造硅钢板。并且，在硅钢板的上层，设置绝缘覆膜，制造无方向性电磁钢板。
在此，针对内部氧化层的形成进行说明。图3是示出在母材钢板中形成内部氧化层的状态的截面示意图。图3的(A)示出热轧后的状态，图3的(B)示出保热处理后的状态，图3的(C)示出酸洗后的状态，图3的(D)示出冷轧后的状态。
如图3的(A)所示，通过热轧，在母材钢板11的表面形成外部氧化层17。接着，如图3的(B)所示，通过热轧后的冷却时的保热处理，氧外部氧化层17扩散至母材钢板11中，形成内部氧化层13。该时，优选通过控制保热处理的条件，在内部氧化层13中细微且致密地析出SiO2相131。
接着，如图3(C)所示，通过酸洗，除去母材钢板11的表面的外部氧化层17。此时，为了提高磁特性，可以通过酸洗除去内部氧化层13的一部分，控制内部氧化层13的厚度。并且，如图3(D)所示，通过冷轧，使母材钢板11的表面的内部氧化层13在轧制方向L延展。冷轧后，也可以原样地残留内部氧化层13，在内部氧化层13的厚度过剩的情况下，也可以通过酸洗等除去内部氧化层13的一部分，从而控制内部氧化层13的厚度。
其后，例如在包含氮和氢的气氛中进行最终退火，使母材钢板的再结晶和晶粒生长发展，能够得到在表面存在包含SiO2相的内部氧化层的硅钢板。
也可以对硅钢板的表面实施绝缘覆膜。绝缘覆膜一般是被称作半有机覆膜的覆膜。例如，通常为非专利文献1所公开的铬酸和有机树脂构成的覆膜，或者非专利文献2所公开的磷酸盐和有机树脂构成的覆膜。绝缘覆膜的附着量优选每单面0.1～5gm-2。
在本实施方式的无方向性电磁钢板中，硅钢板具有内部氧化层，该内部氧化层包含SiO2相，内部氧化层的平均厚度为0.10μm以上且5.0μm以下，钢板的中央部的维氏硬度为120Hv以上且300Hv以下时，内部氧化层的维氏硬度为中央部的维氏硬度的1.15倍以上且1.5倍以下。
具有上述特征的硅钢板例如通过以下的方法制造即可。
＜热轧＞
对调整了成分组成的铸片进行加热，进行热轧。此时，为了使得伴随钢中的硫化物等的固溶及析出而铁损不会恶化，将加热温度设定为1200℃以下。另外，为了确保900℃以上的终轧温度，加热温度设定为1080℃以上。
热轧的终轧温度低时，热加工性降低，钢板的宽度方向的板厚精度降低，因此终轧温度的下限设定为900℃。另一方面，终轧温度高于1000℃时，磁性良好的{100}织构减少，因此终轧温度的上限设定为1000℃。
此外，优选地，为了在热轧后的保热处理时适当形成内部氧化层，在热轧中，在热轧钢板的表面形成厚度为1μm以上的外部氧化层。外部氧化层的形成通过热轧时的温度或保持时间等来控制即可。
＜保热处理＞
在热轧后的冷却时，将热轧钢板保热。在保热处理中，使晶粒径粗大至20μm以上，并且使在热轧钢板的表面生成的外部氧化层中所包含的氧扩散至热轧钢板中，形成内部氧化层。
内部氧化层包含在热轧时形成的外部氧化层，具体而言，主要包含磁铁矿，将包含方铁矿或赤铁矿的外部氧化层作为氧源，在保热处理时氧扩散至钢板内部从而形成。
在热轧后的冷却过程中，通过在氧分压为10-15Pa以上的气氛中，在850℃以下且700℃以上的温度范围中，且10分以上3小时以下的时间保热热轧钢板，能够形成SiO2相细微且致密地析出的内部氧化层，能够优选地控制内部氧化层的硬度。
保热温度高于850℃时，内部氧化层的平均厚度变厚。因此，即使冷轧后内部氧化层的平均厚度也高于5.0μm，因此有时会对用于减小内部氧化层的厚度的酸洗增加负荷。另外，保热温度高于850℃时，SiO2相不会细微且致密地析出。因此，保热温度优选为850℃以下。另一方面，保热温度也取决于钢中的Si浓度，但为了细微且致密地析出SiO2相，优选为700℃以上，较优选为750℃以上，进一步优选为800℃以上。
为了使热轧钢板的晶粒粒生长为20μm以上，保热时间优选为10分以上。另外，为了细微且致密地析出SiO2相，保热时间优选为10分以上，较优选20分以上，进一步优选30分以上。另一方面，保热时间的上限并不特别限制，但若保热时间过剩，则在钢板的表面附近晶界脆化，在其后的酸洗及冷轧中，容易发生断裂或破损等，因此保热时间优选为3小时以下。
保热处理的氛围优选为氧分压为10-15Pa以上。氛围优选为氮等惰性气体的混合气氛。
此外，优选在热轧时，使外部氧化层形成1μm以上，在保热处理时，在为了阻断钢板表面与保热时的气氛的接触而进行了调整的基础上，进行保热。例如，如果是在卷取热轧钢板后进行保热，则在钢卷的最外表面以外处，钢板的板面彼此接触，因此能够良好地阻断钢板表面与保热时的气氛的接触。
在钢板包含Sn、Cu、Sb的情况下，这些元素抑制内部氧化层的形成、生长，因此可以在上述范围内提高保热温度。在该情况下，在抑制内部氧化层的过剩的生长的同时，能够良好地使晶粒径粗大化。另外，在钢板包含Sn、Cu、Sb的情况下，如果将保热温度设定为800℃以上，则在形成适当厚度的内部氧化层的同时，能够良好地改善磁通密度。
但是，即使钢板中包含Sn、Cu、Sb，如果保热温度过高，则磁特性虽然提高，但内部氧化层可能会变得过厚。此时，也可以在酸洗处理时控制酸洗量，从而将内部氧化层调整为适当的厚度。
此外，认为在钢板包含Sn、Cu、Sb的情况下抑制内部氧化层的形成、生长的机理是：因为这些元素在外部氧化层和钢之间偏析，阻碍外部氧化层所包含的氧向钢板内部扩散。
在现有技术中，在热轧后将热轧钢板冷却至接近室温后，再次加热，实施在800～1000℃的温度范围保持约1分钟的热轧板退火。但是，在本实施方式中，为了优选地控制内部氧化层，在热轧后的冷却过程中，以上述条件将热轧钢板保热。然后，在将保热后的钢板冷却至接近室温后，不实施热轧板退火，而提供给酸洗及冷轧。
＜酸洗＞
酸洗保热处理后的母材钢板。酸洗量(酸洗后的重量减少)根据钢板表面的外部氧化层及内部氧化层的状态、和酸洗中使用的酸种类、浓度、温度而变化。在酸洗中，溶解外部氧化层，将内部氧化层减厚至目标厚度即可。
例如，作为将酸洗量减少调整的方法，缩短酸洗时间，或降低酸洗液的温度，或添加市售的酸洗抑制剂(多胺等)的方法是有效的。酸洗抑制剂例如作为主成分包含多胺，该高分子具有容易吸附于铁原子的非共有电子对的性质。高分子附着在钢板表面，从而与酸接触的面积减少，抑制酸洗速度。作为提高其效果的添加剂，例如已知甲酸等。
另一方面，作为将酸洗量增多调整的方法，增长酸洗时间、或提高酸洗液的温度、或添加市售的酸洗促进剂(硫代硫酸钠等)的方法是有效的。酸洗促进剂是针对铁原子的螯合剂，即，具有容易对铁离子形成配位键的性质。添加酸洗促进剂时，将溶解在酸洗液中的铁螯合，因此溶解在酸洗液中的铁离子浓度难以升高，因此铁的溶解速度不减小地进行酸洗。
＜冷轧＞
冷轧酸洗后的母材钢板。在提高磁通密度的方面优选冷轧率为50～90％。此外，冷轧率是累积的冷轧率，通过(冷轧前的板厚－冷轧后的板厚)÷冷轧前的板厚×100而求得。优选从最终产品的板厚进行倒算，考虑冷轧率及冷轧性等而决定。
＜最终退火＞
将冷轧后的母材钢板进行最终退火。最终退火是使冷轧钢板再结晶，且调整晶粒径，用于得到磁特性、尤其是良好的磁通密度及铁损特性的工序。在最终退火中，气氛很重要。若钢板氧化则磁特性降低，因此优选最终退火气氛的氧浓度设定为几十ppm以下。
气氛气体优选氮气气氛或氩气气氛，根据需要，为了防止钢板的氧化，可以添加氢。此外，若氢浓度过度上升，则内部氧化层被还原，有助于提高疲劳强度的细微的SiO2相被还原。
最终退火温度优选为钢板的再结晶发生的700℃以上。最终退火温度过低时，再结晶变得不充分。另一方面，最终退火温度过高时，内部氧化层所包含的细微的SiO2相生长，得不到提高疲劳强度的效果。因此，最终退火温度优选为1150℃以下。
在最终退火后的硅钢板上形成绝缘覆膜。绝缘覆膜是例如铬酸和有机树脂构成的覆膜、或者磷酸盐和有机树脂构成的覆膜即可。绝缘覆膜的附着量优选为每单面0.1～5gm-2。
[实施例]
接着，通过实施例更具体、详细地说明本发明的一方案的效果，但实施例中的条件是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的一条件例，本发明并不局限于该一条件例。本发明在不脱离本发明的宗旨，达成本发明的目的的限度内，可以采用各种条件。
＜实施例1＞
在对调整了成分组成的钢液进行铸造后，控制各工序中的制造条件，制造硅钢板。表1及表2中示出化学组分，表3和表4示出制造条件。此外，上述制造时，以加热温度1180℃加热，以终轧的出侧温度为970℃的条件进行热轧，制作板厚2.0mm的热轧钢板。此时，在表面形成有约10μm的以Fe3O4为主要成分的层作为外部氧化层。
对制作出的热轧钢板，在热轧后的冷却过程中，在氧分压为10-15Pa以上的气氛中，以表3及表4所记载的温度和时间实施保热处理，使晶粒进行粒生长至20μm以上，并形成内部氧化层。此外，对于在表4中的“保热”栏中记载“热轧板退火”的试样，在热轧后的冷却过程中不进行保热，而冷却至室温，其后，在氮100％的气氛中，以800℃实施60秒钟的热轧板退火。
对热轧后实施了保热或者热轧板退火的钢板，将其浸渍在添加有表3及表4所记载的添加剂(0.05质量％)的85℃的盐酸(10质量％)中30秒，由此进行酸洗。对酸洗后的钢板，实施压下率：75％的冷轧，制作0.5mm厚的冷轧钢板。对该冷轧钢板，在10％氢+90％氮气气氛的炉内，在1000℃下进行30秒钟的最终退火。此时炉内的气氛露点为-30℃。另外，在最终退火后的硅钢板上，形成平均厚度为1μm的磷酸系的绝缘覆膜。
其后，测量磁特性(B50及W15/50)以及疲劳强度，并且测量内部氧化层及钢板的中央部的维氏硬度。在表5和表6中合并示出其结果。
磁特性(B50及W15/50)
从制造出的无方向性电磁钢板，切断并提取55mm见方的试样，通过Single SheetTester(SST：单片测试仪)，测量B50(以磁化力5000A/m磁化钢板时的钢板的磁通密度，单位：T(特斯拉))及W15/50(以50Hz将钢板磁化至磁通密度1.5T时的铁损)。
B50的评价基准
合格：1.65T以上不合格：小于1.65T
W15/50的评价基准
合格：3.0W/kg以下不合格：高于3.0W/kg
疲劳强度
从制造的无方向性电磁钢板中，通过放电加工从钢板的轧制方向提取相当于JISZ 2241：2011的附件B中规定的5号试验片的试样，按照以下的条件进行疲劳试验。将应力比设定为固定，进行改变与其相应的最小应力及最大应力的试验，试样数3个中，求得在重复数200万次时2个以上不断裂的应力条件，将其平均应力((最小应力+最大应力)÷2)作为疲劳强度。
以平均应力为±10Mpa幅度(日文：刻み)的条件进行疲劳试验，求得试样数3个中重复数200万次时2个以上不断裂的条件，将此时的平均强度作为疲劳强度。
试验条件
试验方法局部脉冲试验
应力比0.05
频率20Hz
重复数200万次
试样数1应力水准3个
疲劳强度的评价基准
合格：平均应力200MPa以上不合格：平均应力小于200MPa
内部氧化层的平均厚度、内部氧化层析出物的分析
对制造的无方向性电磁钢板的截面进行研磨，使用背散射电子像以1000倍拍摄SEM像，针对钢板的表面及背面，观察钢板平面方向上约100μm以上的区域。根据需要，通过TEM观察制造的无方向性电磁钢板的截面。
此外，基于上述的方法实施硅钢板的内部氧化层及中央部的组织观察、硬度测量。内部氧化层的平均厚度是从合计20处计算平均值。另外，对于维氏硬度，以测量负荷0.03gf(2.94×10-3N)，在内部氧化层及中央部分别形成总计10处的压痕，用SEM测量各压痕(菱形)的对角线长，从总计10处计算平均值。根据需要，将使用纳米压痕法测量的值换算为维氏硬度。
表1和表2示出制造的硅钢板的化学组分，表3～表6示出制造条件及评价结果。此外，钢液的化学组分及硅钢板的化学组分实质上是相同的。表中标注下划线的数值表示处于本发明的范围外。另外，在表中，关于硅钢板的成分组成，“-”表示未有意地添加合金化元素。
如表1至表6所示，试验No.B1～B26的本发明示例，良好地控制了硅钢板的成分组成、内部氧化层、及钢板的中央部，因此作为无方向性电磁钢板，磁特性及疲劳强度优异。即，在这些试验No.B1～B26中，没有增加用于使表面硬化的新的工序，得到疲劳强度和磁特性优异的无方向性电磁钢板。
另一方面，如表2、表4、及表6所示，试验No.b1～b14的比较例，没有良好地控制硅钢板的成分组成、内部氧化层、或钢板的中央部的某一个，因此作为无方向性电磁钢板，不能满足磁特性或疲劳强度的某一个。
[表1]
Figure BDA0003264113930000191
[表2]
Figure BDA0003264113930000201
[表3]
Figure BDA0003264113930000211
[表4]
Figure BDA0003264113930000212
[表5]
Figure BDA0003264113930000221
[表6]
Figure BDA0003264113930000231
[工业上的可利用性]
根据本发明的上述方案，能够提供一种无方向性电磁钢板，其疲劳强度和磁特性优异，成本也优异。因此，能够提供适合作为电气设备的铁芯材料，特别适合作为旋转机械、中小型变压器、电装品等的铁芯材料，尤其是适合作为IPM电动机的转子铁芯的无方向性电磁钢板。另外，能够提供一种无方向性电磁钢板，其能够充分地应对电子设备领域中的高效化、或旋转机械的高速化剂小型化要求。因此，工业上的利用可能性高。
[附图标记说明]
1 无方向性电磁钢板
11 硅钢板(母材钢板)
13 内部氧化层
131 SiO2相
15 绝缘覆膜(张力覆膜)
17 外部氧化层
L 轧制方向

Claims (5)

1.一种无方向性电磁钢板，具备硅钢板和绝缘覆膜，其特征在于，
所述硅钢板作为成分组成，以质量％计含有：
Si：高于2.00％且4.00％以下；
Al：0.10％以上且3.00％以下；
Mn：0.10％以上且2.00％以下；
C：0.0030％以下；
P：0.050％以下；
S：0.005％以下；
N：0.005％以下；
Sn：0％以上且0.40％以下；
Cu：0％以上且1.00％以下；
Sb：0％以上且0.40％以下；
REM：0％以上且0.0400％以下；
Ca：0％以上且0.0400％以下；以及
Mg：0％以上且0.0400％以下，
剩余部分由Fe及杂质构成，
在切断方向与板厚方向平行的切断面中观察时，所述硅钢板的5/8～3/8的板厚范围即中央部的维氏硬度为120Hv以上且300Hv以下，
在所述切断面中观察时，所述硅钢板在表面具有包含SiO2相的内部氧化层，所述内部氧化层的平均厚度为0.10μm以上且5.0μm以下，所述内部氧化层的维氏硬度相对于所述中央部的维氏硬度，为1.15倍以上且1.5倍以下。
2.根据权利要求1所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，
所述硅钢板作为所述成分组成，以质量％计含有：
Sn：0.02％以上且0.40％以下；
Cu：0.10％以上且1.00％以下；以及
Sb：0.02％以上且0.40％以下的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，
所述硅钢板作为所述成分组成，以质量％计含有：
REM：0.0005％以上且0.0400％以下；
Ca：0.0005％以上且0.0400％以下；以及
Mg：0.0005％以上且0.0400％以下的至少一种。
4.根据权利要求1～3的任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，
所述内部氧化层的维氏硬度为155Hv以上。
5.根据权利要求1～4的任一项所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，
所述内部氧化层的平均厚度为0.55μm以上。
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