JP2010031328A - 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:1.0%以上4.0%以下、Mn:0.05%以上3.0%以下、Al:2.5%以下、P:0.04%以上0.25%以下、S:0.04%以下、N:0.02%以下、Nb、ZrおよびTi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−(C/12+N/14)およびNb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14+P/31)<-6×10-4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、再結晶部分の面積比率が90%未満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】なし
Description
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14) (1)
Nb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14+P/31)<-6×10-4 (2)
(ここで、式(1)および式(2)における、Nb、Zr、Ti、C、NおよびPはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
Cu:8.0%以下 Ni:2.0%以下
Cr:15.0%以下 Mo:4.0%以下
Co:4.0%以下 W: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:0.5%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
上記元素の粒界偏析により、効果的に再結晶を抑制することができるからである。
Ca:0.03%以下 Mg:0.02%以下 REM: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。
以下、本発明を完成させるに至った知見について説明する。
Nb*=Nb/93−C/12−N/14 (3)
(ここで、式(3)中、Nb、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−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)における、Nb、Zr、Ti、CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
図2に示すとおり、P含有量の高い鋼に熱延板焼鈍を実施した場合では、Nb*>0であっても均熱温度の上昇とともに急激に強度が低下した。固溶強化能の極めて高いPを積極的に含有させることにより逆に強度が低下するとの特異な結果であったため、鋼組織を調査したところ、P含有量の高い鋼ではNb*>0であっても均熱温度の上昇とともに再結晶が進行することが判明した。また、均熱処理後の析出物観察ではFeNbPが確認された。これらより、Nb*>0であっても、再結晶抑制に必要な固溶NbがPによってリン化物(FeNbP)として固定された場合には再結晶が抑制されないことが明らかとなった。
0<Nb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14) (1)
Nb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14+P/31)<-6×10-4 (2)
(ここで、式(1)および式(2)における、Nb、Zr、Ti、C、NおよびP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:1.0%以上4.0%以下、Mn:0.05%以上3.0%以下、Al:2.5%以下、P:0.04%以上0.25%以下、S:0.04%以下、N:0.02%以下、Nb、ZrおよびTiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を上記式(1)および(2)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、再結晶部分の面積比率が90%未満であることを特徴とするものである。
なお、各元素の含有量を示す「%」は、特に断りのない限り「質量%」を意味するものである。
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および再結晶部分の面積比率について説明する。
(1)C
CはNb、ZrおよびTiと結びついて析出物を形成するため、固溶Nb、ZrおよびTiの含有量の減少に繋がる。したがって、固溶Nb、ZrおよびTiにより再結晶を抑制する本発明ではC含有量は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およびTiの含有量をそれに応じて増加させれば固溶Nb、ZrおよびTi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−(C/12+N/14)>0なる条件を満たすのに必要なNb、ZrおよびTiの含有量が少なくてすむので合金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。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4.0%以下とする。割れ抑制の観点からは3.5%以下が好ましい。固溶強化による鋼板の高強度化と鉄損低減の観点から、Si含有量は1.0%以上とする。好ましくは1.2%以上である。
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。また、Alを脱酸剤として使用する場合は0.01%以上含有させることが必要であるが、Siを脱酸剤として使用する場合があるため、Al含有量の下限値は特に限定しない。
リン化物の形成を抑制し、鋼中で固溶Nb、Zr、Tiと共存した状態で均熱処理に供することにより、再結晶抑制効果が格段に高まるという新知見を活用する本発明においては、Pは極めて重要な元素である。この効果を得るためにはPを0.04%以上含有させる必要がある。好ましくは0.05%以上である。Pを多量に含有する場合には冷間圧延時の割れを誘発するため、P含有量の上限は0.25%とする。また、P含有量は後述する式(2)を満足する必要がある。
Sは鋼中に不可避的に混入する不純物であるが、過度の低減には著しく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およびTiと結びついて析出物を形成するため、固溶Nb、ZrおよびTiの含有量の減少に繋がる。したがって、固溶Nb、ZrおよびTiによって再結晶を抑制する本発明ではN含有量は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およびTiの含有量をそれに応じて増加させれば固溶Nb、ZrおよびTi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−(C/12+N/14)>0なる条件を満たすのに必要なNb、ZrおよびTiの含有量が少なくてすむので合金コストの観点から望ましい。
従来技術を凌駕する大きさで再結晶抑制効果を得るためには、リン化物の形成を抑制し、固溶Nb、Zr、TiとPが共存した状態で均熱処理に供する必要がある。ここで、Nb、Zr、Tiは極めて活性な元素であり、鋼中のC、Nと結合する傾向が強いために、まずは炭化物、窒化物、炭窒化物として固定されてしまう。したがって、固溶Nb、Zr、TiとPが共存するためには、先に結合してしまうC、Nよりも原子分率で比較して多量にNb、Zr、Tiを含有している必要があり、Nb、ZrおよびTi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−(C/12+N/14) (1)
(ここで、式(1)における、Nb、Zr、Ti、CおよびNはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
Nb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14+P/31)<-6×10-4 (2)
(ここで、式(2)における、Nb、Zr、Ti、C、NおよびPはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。)
Vも再結晶を抑制する効果を有するが、Nb、Zr、Tiと比較するとリン化物を形成する傾向は低い。したがって、本来ならば形成するところのリン化物を、形成させることなく固溶状態にてPと共存させることを骨子とする本発明においては、Vは必須元素ではない。その再結晶抑制効果の観点からはVを含有させてもよく、含有させる場合には合金コストの観点からV含有量は1%以下が好ましい。
本発明においては、再結晶粒径の細粒化ではなく再結晶そのものを抑制することにより磁気特性と機械特性の両立を図っているため、この再結晶抑制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。
本発明は再結晶を抑制することにより磁気特性と機械特性の両立を図っているため、粒界偏析により再結晶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再結晶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再結晶抑制効果に及ぼす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、各元素の含有量を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。
本発明は、再結晶組織を前提とした従来技術とは異なり、多くの転位が残存した回復組織とすることにより強度を高めるものであるから、再結晶組織を前提とした従来技術において制限されていた元素の含有をより高いレベルまで許容することができる。例えば、Ta、Hf、As、Au、Be、Zn、Pb、Tc、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Cd、HgおよびPoは総和で0.01%以下に制限されていたが、0.1%以下まで許容できる。
再結晶の前段階である回復の進行とともに、再結晶部分の面積比率はゼロのまま降伏点および引張強さは低下する。再結晶開始後は、再結晶部分の面積比率の増加とともに降伏点および引張強さはさらに低下する。ここで、再結晶部分の面積比率は回転子用に必要な機械特性を確保する観点から定まり、90%未満となる。好ましくは70%以下、さらに好ましくは40%以下であり、25%未満であれば疲労破壊抑制の観点からより好ましい。機械特性の観点からは再結晶部分の面積比率は低いほど好ましく、再結晶部分の面積比率をゼロとし、完全に未再結晶状態(回復組織)とすることが好ましい。
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熱延板焼鈍を施すことなく一回の冷間圧延を施すことにより、所定の板厚まで仕上げる冷間圧延工程と、上記冷間圧延工程により得られた冷間圧延鋼板を700℃以上900℃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、このような回転子用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。
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熱延板焼鈍および中間焼鈍を施すことなく一回の冷間圧延を施すことにより、所定の板厚まで仕上げる工程である。上述した鋼組成を備える鋼塊または鋼片を用いても、熱延板焼鈍および中間焼鈍を施すことにより鋼中の固溶Nb、Zr、Tiがリン化物として固定され、均熱処理での再結晶抑制効果が弱まる。そのため、熱延板焼鈍および中間焼鈍を施さない一回の冷間圧延に限定する。
ここで、冷間圧延鋼板の引張強さは圧延方向を長手方向として採取した引張試験片にて測定することができる。
本発明における均熱処理工程は、上述した冷間圧延工程により得られた冷間圧延鋼板を700℃以上900℃以下で均熱する工程である。
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被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。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。
下記の表1に示す鋼組成を有する鋼を真空溶製し、これらの鋼を1150℃に加熱し、仕上温度820℃で熱間圧延を行い580℃で巻取り、厚さが2.1mmの熱間圧延鋼板を得た。その後、熱延板焼鈍を施すことなく一回の冷間圧延にて板厚0.35mmまで仕上げた。得られた冷間圧延鋼板に、種々の温度で20秒間保持する均熱処理を施した。
上記表1に示す鋼組成を有する鋼を用いて、比較例1〜6および10については実施例1〜18と同様に熱延板焼鈍を施すことなく一回の冷間圧延にて板厚0.35mmまで仕上げた。比較例7については、得られた熱間圧延鋼板に水素雰囲気中にて800℃で10時間保持す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。比較例8については、得られた熱間圧延鋼板に水素雰囲気中にて750℃で10時間保持する熱延板焼鈍後、1.0mmの中間板厚まで冷間圧延し、水素雰囲気中にて750℃で10時間保持す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。比較例9については熱延板焼鈍を施すことなく、0.5mmの中間板厚まで冷間圧延した後、水素雰囲気中にて850℃で10時間保持す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。得られた冷間圧延鋼板に、種々の温度で20秒間保持する均熱処理を施した。
実施例1〜18および比較例1〜10の鋼板について、均熱処理前における鋼板の機械特性、ならびに、均熱処理後の再結晶部分の面積比率、機械特性、磁気特性を評価した。
機械特性は、JIS5号試験片を用いた引張試験を行い評価した。均熱処理前における鋼板については引張強さ:TSにて、均熱処理後の鋼板については降伏点:YPおよび引張強さ: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。
Claims (7)
- 質量%で、C:0.06%以下、Si:1.0%以上4.0%以下、Mn:0.05%以上3.0%以下、Al:2.5%以下、P:0.04%以上0.25%以下、S:0.04%以下、N:0.02%以下、Nb、ZrおよびTi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)および(2)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、再結晶部分の面積比率が90%未満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−(C/12+N/14) (1)
Nb/93+Zr/91+Ti/48−(C/12+N/14+P/31)<-6×10-4 (2)
(ここで、式(1)および式(2)における、Nb、Zr、Ti、C、NおよびPはそれぞれの元素の含有量(質量%)を示す。) - Nb含有量が0.02%超であ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。
- 前記Feの一部に代えて、Vを1%以下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。
- 前記Feの一部に代えて、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から請求項3までのいずれかに記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
Cu:8.0%以下 Ni:2.0%以下
Cr:15.0%以下 Mo:4.0%以下
Co:4.0%以下 W:4.0%以下 - 前記Feの一部に代えて、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4までのいずれかに記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
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 - 前記Feの一部に代えて、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5までのいずれかに記載の回転子用無方向性電磁鋼板。
Ca:0.03%以下 Mg:0.02%以下 REM:0.1%以下 - 請求項1から請求項6までのいずれか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熱延板焼鈍を施すことなく一回の冷間圧延を施すことにより、所定の板厚まで仕上げる冷間圧延工程と、
前記冷間圧延工程により得られた冷間圧延鋼板を700℃以上900℃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。
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