JP2000054085A - 鉄損が低く打ち抜き性に優れた無方向性電磁鋼板 - Google Patents

鉄損が低く打ち抜き性に優れた無方向性電磁鋼板

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JP2000054085A
JP2000054085A JP11119433A JP11943399A JP2000054085A JP 2000054085 A JP2000054085 A JP 2000054085A JP 11119433 A JP11119433 A JP 11119433A JP 11943399 A JP11943399 A JP 11943399A JP 2000054085 A JP2000054085 A JP 2000054085A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 仕上焼鈍後の鉄損が低く、かつ打ち抜き性に
優れた無方向性電磁鋼板を提供する。 【解決手段】 重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%
以下、Mn:0.05〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%
以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下
(0を含む)を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方
を、Sb+Sn/2で0.001〜0.05%含有し、残部が実質的にFe
であって、仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領域
の硬度がビッカース硬度で190以下であることを特徴と
する鉄損が低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【従来の技術】近年、電気機器の省エネルギーの観点よ
り、より鉄損の低い電磁鋼板が求められるようになって
いる。この鉄損を低減するためにはSi、Al量を増大させ
ることにより固有抵抗を増大させることが効果的であ
る。このため、従来、低鉄損が特に要求される無方向性
電磁鋼板においてはSi+Al=4%程度の高級材が用いられ
てきた。
【0002】例えば、特開昭53−66816号公報に
は、Si=1.6〜3.5%、Al=0.2〜2.5%とし、二冷圧により
低鉄損の材料を製造する技術が開示されている。また、
特公昭56−22931号公報には、Si:2.5〜3.5%、
Al:0.3〜1.0%の鋼においてS:50ppm以下、O:25ppm
以下とすることにより鉄損を低下させる技術が開示され
ている。
【0003】さらに特開平5−140647号公報に
は、Si:2.0〜4.0%、Al:0.10〜2.0%の鋼において
S:30ppm以下、Ti、Zr、Nb、Vをそれぞれ50ppm以下と
することにより鉄損を低下させる技術が開示されてい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上の
ような鋼板は、固溶強化元素であるSi、Al量が多いこと
から、鋼板が非常に硬く、このため鋼板の打ち抜き時に
金型が激しく損耗するという問題点を有する。このた
め、金型を頻繁に交換せざるを得ず、打ち抜き時の生産
性を著しく低下させているのが現状である。
【0005】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、仕上焼鈍後の鉄損が低く、かつ打ち
抜き性に優れた無方向性電磁鋼板を提供することを課題
とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、鋼板表
層部の硬度をビッカース硬度で190以下とすることによ
り、打ち抜き性に優れた鋼板を得ること、それを実現す
るためにSiとAlの含有量が制限されて鉄損が高くなるの
を防ぐために、鋼中のS含有量とSb、Snの含有量の範囲
を適当に定めることにある。
【0007】すなわち、前記課題を解決するための第1
の手段は、重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%以
下、Mn:0.05〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%以
下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下
(0を含む)を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方
を、Sb+Sn/2で0.001〜0.05%含有し、残部が実質的にFe
であって、仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領域
の硬度がビッカース硬度で190以下であることを特徴と
する鉄損が低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板(請
求項1)である。
【0008】前記課題を解決するための第2の手段は、
重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%以下、Mn:0.05
〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%以下(0を含
む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下(0を含む)
を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方を、Sb+Sn/2
で0.001〜0.01%含有し、残部が実質的にFeであって、
仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領域の硬度がビ
ッカース硬度で190以下であることを特徴とする鉄損が
低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板(請求項2)で
ある。
【0009】前記課題を解決するための第3の手段は、
重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%以下、Mn:0.05
〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%以下(0を含
む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下(0を含む)
を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方を、Sb+Sn/2
で0.001〜0.005%含有し、残部が実質的にFeであって、
仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領域の硬度がビ
ッカース硬度で190以下であることを特徴とする鉄損が
低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板(請求項3)で
ある。
【0010】前記課題を解決するための第4の手段は、
前記第1の手段から第3の手段の内のいずれかであっ
て、Si+Alが3.5%以下であることを特徴とするもの(請
求項4)である。
【0011】なお、本発明において「残部が実質的にFe
である」とは、本発明の作用効果を無くさない限り、不
可避不純物をはじめ他の微量元素を含むものも本発明の
範囲に入ることを意味するものである。また、本明細書
(表を含む)において、鋼の成分を示す%は、特に断ら
ない限り重量%を示し、ppmも重量ppmを示す。
【0012】(発明に到る経緯と硬度、主要成分の限定
理由)本発明者らは、鉄損が低く、かつ打ち抜き性に優
れた無方向性磁性鋼板を得るために、鋭意研究を行っ
た。最初に打抜き型の損耗と硬度の関係について調査す
るため、C:0.0025%、Mn:0.20%、P:0.01%、S:
0.002%、N:0.0021%とし、Si+Al量を2〜4.5%程度
まで種々に変化させた鋼を実験室にて真空溶解し、熱延
後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板に75%H2-25%
2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、その後、
板厚0.35mmまで冷間圧延し、10%H2-90%N2雰囲気で9
50℃×1min間の仕上焼鈍を行った。
【0013】さらにこの仕上焼鈍板に膜厚0.7μmの半
有機皮膜を塗布した。この鋼板を用い内径70mm、外径10
0mmのリング形状サンプルの打ち抜き試験を行った。こ
の際、クリアランスは10%とした。打ち抜き型が損耗す
ると打ち抜かれる電磁鋼板のバリ高さが高くなるため、
一般的に打ち抜き性の評価は材料のバリ高さが一定値を
超えた時点の打ち抜き回数の大小で行われている。そこ
で、本実験では、打ち抜かれた電磁鋼板のバリの高さが
50μmを超えた時点を打ち抜き回数とした。
【0014】図1に、鋼板表層硬度と打ち抜き回数の関
係を示す。ここで、硬度は鋼板表面から30μm以内(本
実験では表面から20μmの位置にて測定)の領域のビッ
カース硬度(荷重5g)で評価した。これは、金型の摩
耗が鋼板中央部よりも表層部の組織により強く影響を受
けるためである。図1より鋼板表層部の硬度を190以下
とした場合に、打ち抜き回数が増大し、型の損耗が大幅
に抑制できることがわかる。以上のことより鋼板表層部
の硬度をビッカース硬度(HV)で190以下、より望まし
くは185以下とする。
【0015】次に、鋼板硬度に及ぼす成分の影響を調査
するため、図1に示す試験で用いたものと同じ鋼板を用
いSi+Al量と鋼板表層部の硬度の関係を調査した。結果
を図2に示す。これよりSi+Alと硬度には良い相関が認
められ、HVを190以下とするためにはSi+Alを3.5%以下
とする必要があることがわかる。
【0016】以上のことよりSi、Al低減によりHV190以
下を達成するための一つの手段として、請求項4の発明
においては、Si+Al量を3.5%以下に限定する。なお、本
発明においては鋼板表層部の硬度がHVで190以下となっ
ていればよく、HVを190以下とするための手法はSi、Al
の低減以外の手法でもかまわない。
【0017】これまでの検討において鋼板表層部の硬度
をHV190以下とすることにより打ち抜き性が大幅に改善
されることが判明した。しかしHV190以下を達成するた
めにSi、Alを低減した場合には、鋼板の固有抵抗が低下
することとなり、このような成分系で従来の無方向性電
磁鋼板を製造した場合、Si+Al=4%程度のJIS最高グレ
ード相当材に比べ鉄損が増大することは避けられない。
【0018】そこで、Si+Al:3.5%以下の成分系におい
てSi+Al=4%程度の鉄損レベルを達成する手法について
検討した。鉄損は主に固有抵抗に起因する渦電流損と、
組織、不純物等に起因するヒステリシス損に分けられ
る。Si、Al低減により鋼板表層部の硬度をHV190以下と
すると、Si、Alの低減に起因して渦電流損が増大するた
め、本発明者らは、ヒステリシス損を極限まで低下させ
ることにより全鉄損をJIS最高グレード材レベルまで低
減する手法についてについて検討した。
【0019】最初に、析出物低減の観点から鋼中S量低
減について検討した。C:0.0025%、Si:3.00%、Mn:
0.20%、P:0.01%、Al:0.35%、N:0.0021%とし、
S量をtr.〜15ppmの範囲で変化させた鋼を実験室にて真
空溶解し、熱延後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板
に75%H2-25%N2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を
施し、その後、板厚0.35mmまで冷間圧延し、10%H2-90
%N2雰囲気で900℃×1min間の仕上焼鈍を行った。図
3に、このようにして得られたサンプルのS量と鉄損W
15/50の関係を示す(図中×印)。ここで、磁気測定は2
5cmエプスタイン法により行った。
【0020】図3より、Sの低減により大幅な鉄損低減
が達成されW15/50=2.4W/kgが達成されることがわか
る。これは、S低減により粒成長性が向上したためであ
る。
【0021】しかし、S量を1〜2ppm程度まで低減し
ても、鉄損は2.4W/kg程度にしかならない。又、S:10
ppm未満の材料の鋼板板面の硬度を測定したところ、HV
で192〜195となっていた。図2で示したSi+Alと硬度の
関係から考えるとSi+Al=3.35%の本鋼板では硬度は180
〜185程度となることが予想されるが、実際にはこれよ
りも硬くなっていた。
【0022】本発明者らは、S<10ppmの極低S材にお
いて硬度が上昇するのは、何らかの組織変化が生じてい
るのではないかと考え、光学顕微鏡にて組織観察を行っ
た。その結果、S<10ppmの領域で鋼板表層に顕著な窒
化層が認められ、Sが低減するに伴って、顕著な窒化領
域が鋼板内部まで浸透していることが判明した。これに
対し、S≧10ppmの領域では窒化層は軽微となってい
た。この窒化層は窒化雰囲気で行った熱延板焼鈍時およ
び仕上焼鈍時に生じたものと考えられる。
【0023】このS低減に伴う窒化反応促進の原因に関
しては次のように考えられる。すなわち、Sは表面およ
び粒界に濃化しやすい元素であることから、S≧10ppm
の領域では、Sが鋼板表面へ濃化し、熱延板焼鈍時およ
び仕上焼鈍時の窒素の吸着を抑制しており、一方、S<
10ppmの領域ではSによる窒素吸着の抑制効果が低下し
たためと考えられる。
【0024】本発明者らは、この極低S材において顕著
に生じる窒化層が硬度上昇の原因となっているのではな
いかと考えた。このような考えの下に、本発明者らは窒
素吸着の抑制が可能でかつ極低S材の優れた粒成長性を
妨げることのない元素を添加することができれば、極低
S材の打ち抜き性は向上し、加えて鉄損も低下するので
はないかという着想を抱き、種々の検討を加えた結果、
Sbの極微量添加が有効であることを発見した。
【0025】図3に、前記×印で示したサンプルの成分
に40ppmのSbを添加したサンプルについて同一の条件で
試験をした結果を○印で示す。Sbの鉄損低減効果に着目
すると、S>10ppmの領域では、Sb添加により鉄損は0.0
2〜0.04W/kg程度しか低下しないが、S≦10ppmの領域
では、Sb添加により鉄損は0.20W/kg程度低下してお
り、S量が少ない場合にSbの鉄損低減効果は顕著に認め
られる。また、このサンプルではS量によらず窒化層は
認められなかった。これはSbが鋼板表層部に濃化し窒素
の吸着を抑制したためと考えられる。また、本鋼種の鋼
板表層部の硬度を測定したところHV=185となっており、
打ち抜き性の良好な範囲となっていることも判明した。
【0026】以上のような、Sbの添加により、S<10pp
mの領域で鉄損が急激に低下すること、及びHVが低下す
ることは従来知られていなかった新規な知見である。以
上のことから、Sbを添加する本発明においては、Sの含
有量を、Sb添加との複合的な効果の臨界性が明らかな9
ppm以下に限定する。
【0027】次にSbの最適添加量を調査するため、C:
0.0026%、Si:2.90%、Mn:0.20%、P:0.020%、A
l:0.30%、S:0.0004%、N:0.0020%としSb量をtr.
〜600ppmの範囲で変化させた鋼を実験室にて真空溶解
し、熱延後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板に75%
2-25%N2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、
その後、板厚0.35mmまで冷間圧延し、10%H2-90%N2
雰囲気で950℃×1min間の仕上焼鈍を行った。
【0028】図4に、Sb量と鉄損W15/50の関係を示
す。図4より、Sb添加量が10ppm以上の領域で鉄損が低
下し、JIS最高グレード相当のW15/50=2.10W/kgが達成
されることがわかる。しかし、Sbをさらに添加し、Sb>
50ppmとなった場合には、鉄損は再び増大することもわ
かる。
【0029】このSb>50ppmの領域での鉄損増大原因を
調査するため、光学顕微鏡による組織観察を行った。そ
の結果、表層細粒組織は認められなかったものの、平均
結晶粒径が若干小さくなっていた。この原因は明確では
ないが、Sbが粒界に偏析しやすい元素であるため、Sbの
粒界ドラッグ効果により粒成長性が低下したものと考え
られる。
【0030】但し、Sbを600ppmまで添加してもSbフリー
鋼と比べると鉄損は良好である。以上のことよりSbは10
ppm以上とし、コストの問題から上限を500ppmに限定す
る。又、鉄損の観点より、10ppm以上、100ppm以下とす
ることが望ましく、10ppm以上、50ppm以下とすることが
更に望ましい。
【0031】以上の鉄損低減効果はSbと同様な表面偏析
型元素であるSnを20ppm以上添加した場合にも認めら
れ、100ppm以上の添加で鉄損が若干増大した。一般に、
鉄損低減効果については、SnはSbと同じ作用効果を有
し、その効力はSbの1/2であると考えられる。このこと
よりSnは20ppm以上とし、コストの問題から上限を1000p
pmに限定する。また鉄損の観点より、20ppm以上、200pp
m以下とすることが望ましく、20ppm以上、100ppm以下と
することが更に望ましい。
【0032】さらに、SbとSnを複合添加した場合にもSb
+Sn/2で10ppm以上添加した場合に鉄損が低下し、Sb+Sn/
2で50ppm以上添加した場合に若干の鉄損増大が認められ
た。このことよりSbとSnを複合添加した場合にはSb+Sn/
2で10ppm以上とし、コストの問題から上限を500ppmに限
定する。又、鉄損の観点より、Sb+Sn/2の範囲は、10ppm
以上、100ppm以下とすることが望ましく、10ppm以上、5
0ppm以下とすることが更に望ましい。
【0033】(その他の成分の限定理由)次に、その他
の成分の限定理由について説明する。 C: Cは磁気時効の問題があるため0.005%以下とす
る。 Si: Siは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素で
あるが、4.0%を超えると飽和磁束密度の低下に伴い磁
束密度が低下するため上限を4.0%とする。 Mn: Mnは熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために、0.
05%以上必要であるが、1.0%以上になると磁束密度を
低下させるので0.05〜1.0%とする。
【0034】P: Pは0.1%を超えて添加すると鋼板
が脆化するため0.1%以下とし、鋼板の硬度低減の観点
からより望ましくは0.03%以下とする。 N: Nは、含有量が多い場合にはAlNの析出量が多く
なり、鉄損を増大させるため0.005%以下とする。 Al: AlはSiと同様、固有抵抗を上げるために有効な元
素であるが、1.0%を超えると飽和磁束密度の低下に伴
い磁束密度が低下するため上限を1.0%とする。また、
0.1%未満の場合にはAlNが微細化し粒成長性が低下す
るため下限を0.1%とする。
【0035】(製造方法)本発明においては、S、Sbお
よびSnをはじめとする所定の成分元素が所定の範囲内で
あれば、製造方法は通常の無方向性電磁鋼板を製造する
方法でかまわない。すなわち、転炉で吹練した溶鋼を脱
ガス処理して所定の成分に調整し、引き続き鋳造、熱間
圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温度は
特に規定する必要はなく、通常の無方向性電磁鋼板を製
造する温度でかまわない。また、熱延後の熱延板焼鈍は
行ってもよいが必須ではない。次いで一回の冷間圧延、
もしくは中間焼鈍をはさんだ2回以上の冷間圧延により
所定の板厚とした後に、最終焼鈍を行う。
【0036】
【実施例】鋼を転炉で吹練した後に、脱ガス処理を行う
ことにより表1に示す成分に調整後鋳造し、スラブを11
40℃で1hr加熱した後、板厚2.0mmまで熱間圧延を行っ
た。熱延仕上げ温度は800℃とし、巻取り温度は610℃と
した。巻取り後、表1に示す条件で熱延板焼鈍を施し
た。その後、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、表1に示
す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。磁気測定は25cmエプス
タイン試験片を用いて行った。各鋼板の磁気特性(鉄損
15/50と磁束密度B50)を表1に併せて示す。
【0037】打ち抜き試験は、仕上焼鈍板に半有機の絶
縁皮膜(膜厚0.7μm)を塗布した後、内径70mm、外径1
00mmのリング形状サンプルの打ち抜き試験を行った。こ
の際、クリアランスは10%とし打ち抜かれた電磁鋼板の
バリの高さが50μmを超えた時点を打ち抜き回数とし
た。
【0038】硬度の測定はマイクロビッカース試験器を
用い、表層より20μmの位置の硬度を測定した。なおこ
の際の荷重は5gとした。
【0039】表1において、No.1〜No.13が、鋼板成分
及び硬度が本発明の範囲内に入る実施例(本発明鋼)であ
る。これらの鋼板においては、最低でも打ち抜き回数は
139万回であり、鉄損W15/50も2.24W/kg以下となって
いる。又、磁束密度B50も1.68Tと高い。これらと比較
鋼を比べると、本発明鋼の場合、打ち抜き回数、鉄損W
15/50、磁束密度B50が揃って良好となっていることが
わかる。
【0040】これに対し、No.14の鋼板は、硬度が本発
明の範囲を大きく外れているので、打ち抜き回数が50万
回と少ない。これは、Si+Alが4.0%と大きいためであ
る。S、Sb+Sn/2も本発明の範囲から外れているが、Si+
Alが4.0%あるため、鉄損W15/ 50は本発明鋼と大差な
い。しかし、磁束密度B50は本発明鋼の範囲より低い。
【0041】No.15、No.16の鋼板は、S、Sb+Sn/2が本
発明の範囲を外れているので、鉄損W15/50が高くなっ
ている。No.17、No.18の鋼板は、Sb+Sn/2が本発明の範
囲を外れているので、やはり鉄損W15/50が高くなって
いる。
【0042】No.19の鋼板は、硬度が本発明の範囲を大
きく外れているので、打ち抜き回数が45万回と少ない。
これは、Si+Alが4.4%と大きいためである。又、この鋼
板においては、Siが単体で本発明の範囲を外れて高いた
め、鉄損W15/50は本発明鋼より低いが、磁束密度B50
は本発明鋼の範囲より低くなっている。
【0043】No.20の鋼板は、Alの範囲が本発明の範囲
が本発明の範囲を超えているので、鉄損W15/50は本発
明鋼と大差ないが、磁束密度B50は本発明鋼の範囲より
低い。No.21の鋼板は、Mnの範囲が本発明の範囲を下回
っているので、鉄損W15/50が高くなっている。No.21の
鋼板は、Mnの範囲が本発明の範囲を超えているので、鉄
損W15/50は本発明鋼と大差ないが、磁束密度B50は本
発明鋼の範囲より低い。
【0044】No.23の鋼板は、Cの範囲が本発明の範囲
を超えているので、鉄損W15/50が高いのみならず、磁
気時効の問題を有している。No.24の鋼板は、Nが本発
明の範囲を超えているので、鉄損W15/50が高くなって
いる。
【0045】
【表1】
【0046】
【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、鋼板表層部の硬度をビッカース硬度で190以下とす
ることにより、打ち抜き性に優れた鋼板を得、それを実
現する目的でSiとAlの含有量を制限すると鉄損が高くな
るのを防ぐために、鋼中のS含有量とSb、Snの含有量の
範囲を適当に定めているので、鉄損が低く打ち抜き性に
優れた鋼板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 硬度と打ち抜き性との関係を示す図である。
【図2】 硬度とSi+Al量との関係を示す図である。
【図3】 S量と仕上焼鈍後の磁気特性との関係を示す
図である。
【図4】 Sb量と仕上焼鈍後の磁気特性との関係を示す
図である。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%
    以下、Mn:0.05〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下
    (0を含む)を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方
    を、Sb+Sn/2で0.001〜0.05%含有し、残部が実質的にFe
    であって、仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領域
    の硬度がビッカース硬度で190以下であることを特徴と
    する鉄損が低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板。
  2. 【請求項2】 重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%
    以下、Mn:0.05〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下
    (0を含む)を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方
    を、Sb+Sn/2で0.001〜0.01%含有し、残部が実質的にFe
    であって、仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領域
    の硬度がビッカース硬度で190以下であることを特徴と
    する鉄損が低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板。
  3. 【請求項3】 重量%で、C:0.005%以下、Si:4.0%
    以下、Mn:0.05〜1.0%、P:0.1%以下、N:0.005%
    以下(0を含む)、Al:0.1〜1.0%、S:0.0009%以下
    (0を含む)を含有し、さらにSbとSnの少なくとも一方
    を、Sb+Sn/2で0.001〜0.005%含有し、残部が実質的にF
    eであって、仕上焼鈍材の鋼板表面から30μm以内の領
    域の硬度がビッカース硬度で190以下であることを特徴
    とする鉄損が低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板。
  4. 【請求項4】 Si+Alが3.5%以下であることを特徴とす
    る請求項1から請求項3の内いずれか1項に記載の鉄損
    が低く打抜き性に優れた無方向性電磁鋼板。
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