JP2008174773A - 回転子用無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、質量%で、C:0.06%以下、Si:1.6%超3.5%以下、Mn:0.05%以上3.0%以下、Al:2.5%以下、P:0.30%以下、S:0.04%以下、N:0.02%以下を含有し、Nb,Ti,ZrおよびVからなる群から選択される少なくとも1種の元素を、0<Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14)を満足する範囲で含有し、残部がFeおよび不純物からなり、平均結晶粒径が50μm以下であり、板厚が0.15mm以上0.80mm以下であることを特徴とする回転子用無方向性電磁鋼板を提供することにより、上記目的を達成する。
【選択図】図1
Description
一方、表面性状を向上させることができれば、鉄心として使用する際、占積率の向上により回転機の効率を向上させることができるので好ましい。
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)中、Nb,Zr,Ti,V,CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
Cu:0.01%以上1.5%以下 Ni:0.01%以上1.0%以下
Cr:0.01%以上15.0%以下 Mo:0.005%以上4.0%以下
Co:0.01%以上4.0%以下 W:0.01%以上4.0%以下
上記元素の高強度化作用により、鋼板の強度をより高めることが可能となるからである。
Sn:0.001%以上0.5%以下 Sb:0.0005%以上0.5%以下
Se:0.0005%以上0.3%以下 Bi:0.0005%以上0.2%以下
Ge:0.001%以上0.5%以下 Te:0.0005%以上0.3%以下
B:0.0002%以上0.01%以下
上記元素の粒界偏析により、効果的に粒成長を抑制することができるからである。
Ca:0.0001%以上0.03%以下 Mg:0.0001%以上0.02%以下
REM:0.0001%以上0.1%以下
上記元素の硫化物形態制御作用により、磁気特性をさらに改善することができるからである。
ここで、占積率とは、無方向性電磁鋼板を積層して鉄心を作製した際の、鉄心厚さ全体に占める鋼板の割合である。
主要成分が質量%で、C:0.002%、Si:2.9%、Mn:0.2%、Al:1.1%、S:0.002%、N:0.002%、P:0.01%であり、Nbの含有量をtr,0.08%と変化させた鋼に熱間圧延を施して2.3mmとした後、800℃で10時間の熱延板焼鈍を行い、さらに0.35mmまで冷間圧延し、種々の温度で均熱処理を施した。このようにして得られた鋼板の引張強さを測定した。
Nb*=Nb/93−C/12−N/14 (2)
Ti*=Ti/48−C/12−N/14 (3)
(ここで、式(2)および(3)中、Nb,Ti,CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)中、Nb,Zr,Ti,V,CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
転炉で脱炭脱硫した溶鋼230tonを取鍋内に出鋼し、取鍋をRH式真空脱ガス装置に移動した。RH式真空脱ガス装置で減圧脱炭を行い、表1に示す組成の溶鋼を連続鋳造機にてスラブとした。製造したスラブの平均等軸晶率は0〜30%であった。
なお、表2において、平均等軸晶率は、鋳込み方向垂直断面のマクロ組織より、スラブ幅3ヶ所(1/4,2/4,3/4)における等軸晶率を平均した値である。
また、粗熱間圧延での累積圧下率(粗圧延累積圧下率)は、粗熱間圧延機入側のスラブ厚さAと出側の鋼帯厚さBとから、次式により算出した値である。
(1−B/A)×100[%]
さらに、占積率評価は、98%以上をA、95%以上98%未満をB、95%未満をCとして、AおよびBは回転子の鉄心として使用可能レベルと判断した。
Ti,ZrおよびVについても上記と同様の検討を行い、それらを合わせて、Nb,Zr,TiおよびVを含有させた無方向性電磁鋼板の占積率を高めるには、熱間圧延条件やスラブの平均等軸晶率を適切に制御することが有効であるとの知見を得たのである。その機構については明らかではないが、本発明者らは次のように推定する。
以下、本発明の回転子用無方向性電磁鋼板およびその製造方法について詳細に説明する。
本発明の回転子用無方向性電磁鋼板は、質量%で、C:0.06%以下、Si:1.6%超3.5%以下、Mn:0.05%以上3.0%以下、Al:2.5%以下、P:0.30%以下、S:0.04%以下、N:0.02%以下を含有し、Nb,Ti,ZrおよびVからなる群から選択される少なくとも1種の元素を、下記式(1)を満足する範囲で含有し、残部がFeおよび不純物からなり、平均結晶粒径が50μm以下であり、板厚が0.15mm以上0.80mm以下であることを特徴とするものである。
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)中、Nb,Zr,Ti,V,CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
以下、本発明の回転子用無方向性電磁鋼板における鋼組成、平均結晶粒径、および板厚について説明する。
(1)C
CはNb,Zr,TiまたはVと結びついて析出物を形成するため、固溶Nb,Zr,TiおよびVの含有量の減少に繋がる。したがって、固溶Nb,Zr,TiおよびVにより冷間圧延後の均熱処理において進行する粒成長を抑制し、強度の低下を抑制するためには、C含有量を低減することが好ましい。しかしながら、過度のC含有量の低減は製鋼コストが増加する点や、C含有量が多くてもNb,Zr,TiおよびVの含有量をそれに応じて増加させれば固溶Nb,Zr,TiおよびVの含有量は確保される点を鑑み、C含有量の上限値は0.06%とする。好ましくは0.04%以下、さらに好ましくは0.02%以下である。特に、C含有量が0.01%以下であれば、Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14)>0なる条件を満たすのに必要なNb,Zr,TiおよびVの含有量が少なくてすむので製造コストの観点から望ましい。
Siは電気抵抗を高め、渦電流損失を低減する効果を有する元素である。また、固溶強化により鋼板の強度を向上させる効果も有する。この観点から、Si含有量は1.6%超であり、好ましくは2.0%超である。しかしながら、多量のSiを含有させた場合には冷間圧延時の割れを誘発し、鋼板の歩留まり低下により製造コストが増加する。そのため、Si含有量は3.5%以下とする。また、割れ抑制の観点からは3.0%以下が好ましい。
MnはSiと同様に電気抵抗を高め、渦電流損失を低減する効果がある。しかしながら、Mnを多量に含有させると合金コストが増加するため、Mn含有量の上限は3.0%とする。一方、Mn含有量の下限はSを固定する観点から定められるものであり、0.05%とする。
Alは電気抵抗を高めるためSiと同様に渦電流損失を低減する。しかしながら、多量にAlを含有させると合金コストが増加するとともに、飽和磁束密度低下により磁束の漏れが発生するためモータ効率が低下する。これらの観点からAl含有量の上限は2.5%とする。固溶強化による鋼板の高強度化という観点からは、望ましい下限値は0.1%である。
Pは固溶強化により鋼板の強度を高める効果があるが、多量にPを含有する場合には冷間圧延時の割れを誘発する。そのためP含有量は0.30%以下とする。
Sは鋼中に不可避的に混入する不純物であるが、製鋼段階で低減するにはコストが増加するため、S含有量としては0.04%を上限とする。
NはNb,Zr,TiまたはVと結びついて析出物を形成するため、固溶Nb,Zr,TiおよびVの含有量の減少に繋がる。したがって、固溶Nb,Zr,TiおよびVにより冷間圧延後の均熱処理において進行する粒成長を抑制し、強度の低下を抑制するためには、N含有量を低減することが好ましい。しかしながら、N含有量が多くてもNb,Zr,TiおよびVの含有量をそれに応じて増加させれば固溶Nb,Zr,TiおよびVの含有量は確保できる点を鑑み、N含有量の上限は0.02%とする。好ましくは0.01%以下、さらに好ましくは0.005%以下である。N含有量が0.005%以下であれば、Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14)>0なる条件を満たすのに必要なNb,Zr,TiおよびVの含有量が少なくてすむので製造コストの観点から望ましい。
均熱処理中の強度低下を抑制し、回転子に必要な機械特性と磁気特性とを得るためには、析出物を形成していない固溶した状態のNb,Zr,TiまたはVを含有させることが必要である。したがって、Nb,Zr,TiおよびVからなる群から選択される少なくとも1種の元素を、下記式(1)を満足する範囲で含有させることが必要である。
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)中、Nb,Zr,Ti,V,CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
本発明においては,固溶Nb,Ti,ZrおよびVによって磁気特性と機械特性の両立を図っているため、この効果を損なわない範囲でCu,Ni,Cr,Mo,CoおよびWからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有させることができる。これらの元素は鋼板を高強度化する作用を有するので、鋼板の強度をさらに高めるのに有効であり好ましい。
本発明においては、固溶Nb,Ti,ZrおよびVによって磁気特性と機械特性の両立を図っているため、この効果を損なわない範囲で粒界偏析により粒成長を抑制する効果を有するSn,Sb,Se,Bi,Ge,TeおよびBからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含有させることが好ましい。これらの元素を含有させる場合には、熱間圧延工程での割れの発生およびコスト増加を抑制する観点から、各元素の含有量をSn:0.5%以下、Sb:0.5%以下、Se:0.3%以下、Bi:0.2%以下、Ge:0.5%以下、Te:0.3%以下、B:0.01%以下とすることが好ましい。これらの元素による粒成長抑制効果を確実に得るには、各元素の含有量をSn:0.001%以上、Sb:0.0005%以上、Se:0.0005%以上、Bi:0.0005%以上、Ge:0.001%以上、Te:0.0005%以上、B:0.0002%以上とすることが好ましい。
本発明で規定するS含有量の範囲内では固溶Nb,Ti,ZrおよびV含有量に及ぼすSの影響は認められなかったため、本発明においては硫化物の形態制御による磁気特性改善を目的としてCa,MgおよびREMからなる群から選択される少なくとも1種を含有させることができる。
ここでREMとは、原子番号57〜71の15元素、ならびに、ScおよびYの2元素の合計17元素をさす。
これらの元素を含有させる場合には、各元素の含有量はCa:0.03%以下、Mg:0.02%以下、REM:0.1%以下が好ましい。上記効果を確実に得るためには、各元素の含有量をCa:0.0001%以上、Mg:0.0001%以上、REM:0.0001%以上とすることが好ましい。
本発明では、強化機構として結晶粒微細化と適度な固溶強化とを組合せている。したがって、過度に結晶粒が粗大化した場合は所望の強度が得られないため、平均結晶粒径は50μm以下とする。好ましくは40μm以下、より好ましくは35μm以下である。結晶粒径が微細化すれば磁気特性は劣化するが、本発明では再結晶部分の面積比率が100%であることを前提としており、再結晶部分の面積比率が100%となった場合には回転子用無方向性電磁鋼板として要求されるレベルの磁気特性が確保される結晶粒径の範囲となるため、結晶粒径の下限値は特に規定する必要はない。結晶粒径の制御には、均熱処理時の均熱温度や均熱時間などの調整が重要である。Nb,Ti,ZrおよびVの中でも、粒成長抑制効果の大きいNbを積極的に含有させた場合には、結晶粒径の制御がより容易であり、生産性向上にもつながる。
本発明の回転子用無方向性電磁鋼板の板厚は、0.15mm以上0.80mm以下である。板厚が上記範囲未満では、過度の加工が必要となって冷間圧延時に破断するおそれがある。また、後述する均熱処理工程での生産性が悪くなるばかりか、占積率やカシメ強度が低下する可能性もある。一方、板厚が上記範囲を超えると、渦電流損失が増加するため、モータ効率が低下するおそれがある。このような観点から、好ましい板厚は0.20mm以上0.70mm以下、さらに好ましくは0.20mm以上0.50mm以下である。板厚が0.20mm以上0.40mm以下であれば、鉄損低減の観点からはさらに好ましい。これらの範囲で所望の鉄損レベルに応じて板厚を適宜選定すればよい。
次に、本発明の回転子用無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の回転子用無方向性電磁鋼板の製造方法は、上述した鋼組成を備える鋼塊または鋼片に熱間圧延を施す熱間圧延工程と、上記熱間圧延工程により得られた熱間圧延鋼板に一回または中間焼鈍をはさむ二回以上の冷間圧延を施すことにより、板厚が0.15mm以上0.80mm以下の冷間圧延鋼板を作製する冷間圧延工程と、上記冷間圧延鋼板を800℃超950℃以下で均熱する均熱処理工程とを有することを特徴とするものである。
以下、このような無方向性電磁鋼板の製造方法における各工程について説明する。
本発明における熱間圧延工程は、上述した鋼組成を備える鋼塊または鋼片(以下、「スラブ」ともいう。)に熱間圧延を施す工程である。
なお、鋼塊または鋼片の鋼組成については、上述した「A.回転子用無方向性電磁鋼板」の項に記載したものと同様であるので,ここでの説明は省略する。
以下、熱間圧延工程の好適な態様について説明する。
本発明における粗熱間圧延工程は、上述した鋼組成を有する鋼塊または鋼片を、1100℃以上1300℃以下としたのちに、累積圧下率が80%以上の粗熱間圧延を施す工程である。
ここで、等軸晶率とはスラブ厚に占める等軸晶部分の厚みの割合であり、スラブ断面をエッチングして得られる凝固組織のマクロ組織より等軸晶か柱状晶かを判別し、各部分の厚みを測定して算出すればよい。平均等軸晶率としては、スラブの幅方向の1/4,2/4,3/4位置における等軸晶率を平均した値を採用すればよい。
ここで、粗熱間圧延での累積圧下率は、粗熱間圧延機入側のスラブの厚さAと出側の粗バーの厚さBを用いて、次式で表される数値である。
(1−B/A)×100[%]
なお、粗熱間圧延を施す前にスラブの幅方向に圧下もしくは圧延を施してスラブ厚さを増加させても本発明の効果は全く失われない。この場合における粗熱間圧延での累積圧下率は、スラブの幅方向への圧下もしくは圧延後のスラブの厚さを用いて算出した数値とする。
本発明における仕上熱間圧延工程は、上記粗バーに仕上熱間圧延を施す工程である。
仕上熱間圧延の各種条件は特に限定されるものではなく、例えば仕上げ温度が700〜950℃、巻き取り温度が750℃以下など、一般的な条件に従って行えばよい。
本発明における冷間圧延工程は、上記熱間圧延工程により得られた熱間圧延鋼板に一回または中間焼鈍をはさむ二回以上の冷間圧延を施すことにより、板厚が0.15mm以上0.80mm以下の冷間圧延鋼板を作製する工程である。
本発明における均熱処理工程は、上記冷間圧延鋼板を800℃超950℃以下で均熱する工程である。
本発明においては、上記熱間圧延工程により得られた熱間圧延鋼板に熱延板焼鈍を施す熱延板焼鈍工程を行ってもよい。この熱延板焼鈍工程は、熱間圧延工程と冷間圧延工程との間に行われる工程である。
熱延板焼鈍は、箱焼鈍および連続焼鈍のいずれの方法で実施してもよい。また、熱延板焼鈍の各種条件は特に限定されるものではなく、熱間圧延鋼板の鋼組成などにより適宜選択するものとする。
本発明においては、上記均熱処理工程後に、一般的な方法に従って、有機成分のみ、無機成分のみ、あるいは有機無機複合物からなる絶縁皮膜を鋼板表面に塗布するコーティング工程を行うことが好ましい。環境負荷軽減の観点から、クロムを含有しない絶縁皮膜を塗布しても構わない。また、コーティング工程は、加熱・加圧することにより接着能を発揮する絶縁コーティングを施す工程であってもよい。接着能を発揮するコーティング材料としては、アクリル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂またはメラミン樹脂などを用いることができる。
[実施例1]
下記の表3に示す鋼組成を有するスラブを1150℃に加熱し、仕上げ温度820℃で熱間圧延を行い580℃で巻き取り、厚さが2.0mmの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板のうち一部を除いて水素雰囲気中にて10時間保持する箱焼鈍、あるいは1000℃で60秒間保持する連続焼鈍による熱延板焼鈍を施し、一回の冷間圧延にて種々の板厚に仕上げた。また、一部の熱間圧延鋼板については、上記の熱延板焼鈍後、中間板厚まで冷間圧延した後、水素雰囲気中にて750℃または800℃で10時間保持する箱焼鈍、あるいは1000℃で60秒間保持する連続焼鈍による中間焼鈍を実施し、二回目の冷間圧延で0.35mmに仕上げた。さらに、一部の熱間圧延鋼板については熱延板焼鈍を施すことなく、一回あるいは中間焼鈍を含む二回の冷間圧延にて0.35mmに仕上げた。その後、種々の温度で30秒間保持する連続焼鈍による均熱処理を施した。
上記表3に示す鋼組成を有する鋼を用いて、実施例1と同様にして鋼板を作製した。
実施例1-1〜1-26および比較例1-1〜1-7の鋼板について、均熱処理後の再結晶部分の面積比率、平均結晶粒径、機械特性、および磁気特性を評価した。
機械特性は、圧延方向を長手方向としたJIS5号試験片を用いた引張試験を行い、降伏点:YP,引張強さ:TSにて評価した。
磁気特性については、55mm角の単板試験片にて、最大磁束密度:1.0T、励磁周波数:400Hzでの鉄損W10/400と、磁化力5000A/mでの磁束密度B50とを測定した。測定は圧延方向と圧延直角方向について実施し、それらの平均値を採用した。
これに対して本発明で規定する要件を満足する実施例1-1〜1-26の鋼板では、熱延板焼鈍の方法、冷間圧延の回数にかかわらず、また、Niなどの高価な元素を多量に含有させることもなく、時効熱処理を実施することもなく、30W/kg程度あるいはそれ以下の鉄損と600MPa程度あるいはそれ以上の引張強さという、優れた磁気特性・機械特性を示していた。
下記の表5に示す鋼組成を有する鋼スラブを、下記の表6に示す条件にて加熱して、粗熱間圧延を施し、仕上げ温度850℃、巻き取り温度550℃で仕上熱間圧延を行って、厚さが2.0mmの熱間圧延鋼板を得た。これらの熱間圧延鋼板に対して750℃で10時間保持する箱焼鈍による熱延板焼鈍を施し、一回の冷間圧延にて板厚0.35mmまで仕上げた。その後、均熱温度880℃の連続焼鈍による均熱処理を施し、鋼板の表面に平均厚さ0.4μmの絶縁皮膜をコーティングした。
再結晶部分の面積比率および平均結晶粒径は、ともに100倍の倍率で撮影した鋼板の縦断面の光学顕微鏡写真を用い、視野中に占める再結晶粒の割合を再結晶部分の面積比率として算出するとともに、再結晶部分の面積比率が100%の鋼板について切断法により結晶粒径を測定し、その結晶粒径を平均した。
機械特性は、圧延方向を長手方向としたJIS5号試験片を用いた引張試験を行い、降伏点:YP,引張強さ:TSにて評価した。
磁気特性および占積率については、JIS C 2550に準じて試験片を採取し、評価した。磁気特性としては、最大磁束密度:1.0T、励磁周波数:400Hzでの鉄損W10/400と磁化力5000A/mでの磁束密度B50とを測定した。また、占積率の評価については、98%以上をA、95%以上98%未満をB、95%未満をCとして、AおよびBは回転子の鉄心として使用可能レベルと判断した。
なお、スラブの平均等軸晶率は、上述した方法により測定した。
評価結果を表6に示す。
Claims (9)
- 質量%で、C:0.06%以下、Si:1.6%超3.5%以下、Mn:0.05%以上3.0%以下、Al:2.5%以下、P:0.30%以下、S:0.04%以下、N:0.02%以下を含有し、Nb,Ti,ZrおよびVからなる群から選択される少なくとも1種の元素を、下記式(1)を満足する範囲で含有し、残部がFeおよび不純物からなり、平均結晶粒径が50μm以下であり、板厚が0.15mm以上0.80mm以下であることを特徴とする回転子用無方向性電磁鋼板。
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48+V/51−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)中、Nb,Zr,Ti,V,CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。) - 質量%で、Nb:0.02%超0.5%以下を含有することを特徴とする請求項1に記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
- Cu,Ni,Cr,Mo,CoおよびWからなる群から選択される少なくとも1種の元素を下記の質量%で含有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
Cu:0.01%以上1.5%以下 Ni:0.01%以上1.0%以下
Cr:0.01%以上15.0%以下 Mo:0.005%以上4.0%以下
Co:0.01%以上4.0%以下 W:0.01%以上4.0%以下 - Sn,Sb,Se,Bi,Ge,TeおよびBからなる群から選択される少なくとも1種の元素を下記の質量%で含有することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
Sn:0.001%以上0.5%以下 Sb:0.0005%以上0.5%以下
Se:0.0005%以上0.3%以下 Bi:0.0005%以上0.2%以下
Ge:0.001%以上0.5%以下 Te:0.0005%以上0.3%以下
B:0.0002%以上0.01%以下 - Ca,MgおよびREMからなる群から選択される少なくとも1種の元素を下記の質量%で含有することを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれかの請求項に記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
Ca:0.0001%以上0.03%以下 Mg:0.0001%以上0.02%以下
REM:0.0001%以上0.1%以下 - 請求項1から請求項5までのいずれかの請求項に記載の鋼組成を備える鋼塊または鋼片に熱間圧延を施す熱間圧延工程と、前記熱間圧延工程により得られた熱間圧延鋼板に一回または中間焼鈍をはさむ二回以上の冷間圧延を施すことにより、板厚が0.15mm以上0.80mm以下の冷間圧延鋼板を作製する冷間圧延工程と、前記冷間圧延鋼板を800℃超950℃以下で均熱する均熱処理工程とを有することを特徴とする回転子用無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記熱間圧延工程が、前記鋼塊または鋼片を1100℃以上1300℃以下としたのちに、累積圧下率が80%以上の粗熱間圧延を施して粗バーを得る粗熱間圧延工程と、前記粗バーに仕上熱間圧延を施す仕上熱間圧延工程とを有し、前記熱間圧延工程にて、前記仕上熱間圧延工程前の粗バーの温度を950℃以上とすることを特徴とする請求項6に記載の回転子用無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記鋼塊または鋼片の断面組織における平均等軸晶率が25%以上であることを特徴とする請求項7に記載の回転子用無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記熱間圧延鋼板に熱延板焼鈍を施す熱延板焼鈍工程を有することを特徴とする請求項6から請求項8までのいずれかの請求項に記載の回転子用無方向性電磁鋼板の製造方法。
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