JP2011190485A - 方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コイル全長にわたって磁気特性に優れる方向性電磁鋼板を得ることができる有利な製造方法を提案する。
【解決手段】mass%で、C:0.01〜0.10%、Si:2.5〜4.5%、Mn:0.02〜0.12%、Al:0.005〜0.10%、N:0.004〜0.015%を含有し、さらにSe:0.005〜0.06%およびS:0.005〜0.06%のうちから選ばれる1種または2種を含有する方向性電磁鋼板を製造する方法において、熱間圧延における仕上圧延終了後の冷却時におけるコイル全長の鋼板温度が、T(t)<FDT−(FDT−700)×t/6(ここで、T(t):鋼板温度(℃)、FDT:仕上圧延終了温度(℃)、t:仕上圧延終了からの経過時間(秒))を満たし、かつ、コイル先端側10%長さ部分について、熱間圧延終了から3秒後の鋼板温度が650℃以上となるよう制御する。
【選択図】図2

Description

本発明は、方向性電磁鋼板の製造方法に関し、特にコイルの長さ方向全長にわたって低鉄損で高磁束密度の方向性電磁鋼板を製造する方法に関するものである。
方向性電磁鋼板は、主として変圧器や電気機器の鉄心材料として広い範囲で使用されており、鉄損値が低くかつ磁束密度が高い等、磁気特性に優れていることが要求されている。この方向性電磁鋼板は、所定の成分組成に制御された厚さ100〜300mmのスラブを1250℃以上の温度に加熱後、熱間圧延し、得られた熱延板を必要に応じて熱延板焼鈍し、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延によって最終板厚とし、その後、脱炭焼鈍し、焼鈍分離剤を鋼板表面に塗布してから二次再結晶および純化を目的とした仕上焼鈍を行うことにより製造されるのが一般的である。
すなわち、方向性電磁鋼板の一般的な製造方法は、インヒビターの成分組成等を適正範囲に調整したスラブを高温に加熱してインヒビター成分を完全に固溶させたのち、熱間圧延し、さらには、1回または2回以上の冷間圧延および1回または2回以上の焼鈍によって得られる一次再結晶組織を適正に制御し、しかるのち、仕上焼鈍でその一次再結晶粒を{110}<001>方位(ゴス方位)の結晶粒に二次再結晶させることで、所望とする磁気特性を得るようにしたものである。
上記の二次再結晶を効果的に促進させるためには、まず、一次再結晶粒の正常粒成長を抑制するために、インヒビターと呼ばれる分散相を鋼中に均一かつ適正なサイズで分散するようにその析出状態を制御し、かつ一次再結晶組織を板厚全体にわたって適当な大きさの結晶粒でしかも均一な分布とすることが重要である。かかるインヒビターの代表的なものとしては、MnS,MnSe,AlNおよびVNのような硫化物、セレン化物や窒化物等、鋼中への溶解度が極めて小さい物質が用いられている。また、Sb,Sn,As,Pb,Ce,Te,Bi,CuおよびMo等の粒界偏析型元素もインヒビターとして利用されている。いずれにしても、良好な二次再結晶組織を得るためには、熱間圧延に於けるインヒビターの析出から、それ以降の二次再結晶焼鈍に至るまでのインヒビターの制御が重要であり、より優れた磁気特性を確保するためには、かかるインヒビター制御の重要性はますます大きくなってきている。
ところで、インヒビターの析出制御の観点から、熱間圧延工程における仕上圧延から巻取りまでの温度履歴が、方向性電磁鋼板の磁気特性に及ぼす影響に着目した従来技術としては、特許文献1の技術がある。この技術は、熱間圧延の仕上圧延終了温度を900〜1100℃の範囲とし、かつ前記仕上圧延終了後2〜6秒の間の冷却を下記(1)式;
T(t)<FDT−(FDT−700)×t/6 ・・・(1)
ここで、T(t):鋼板温度(℃)、FDT:仕上圧延終了温度(℃)、t:熱間圧延の仕上圧延終了からの経過時間(秒)
を満足するように処理し、700℃以下で巻き取る方法である。
特開平08−100216号公報
上記特許文献1の技術は、仕上圧延後から巻取りまでの間の冷却過程における鋼板の上限温度を適正に制御し、望ましくないインヒビターの析出状態を防止することによって、二次再結晶不良率を低減し、高磁束密度かつ低鉄損を実現する技術であり、方向性電磁鋼板の品質安定化に大きな効果をもたらした。
しかしながら、この技術を駆使したとしても、熱間圧延における先端部分、特に、コイル全長の先端側5〜10%長さに相当する部分における磁気特性、特に鉄損特性が、コイル中央部に比べて約10%程度劣る傾向があり、解決すべき品質課題として残されていた。
本発明は、従来技術が抱える上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイル全長にわたって磁気特性に優れる方向性電磁鋼板を得ることができる有利な製造方法を提案することにある。
発明者らは、上記課題を解決するべく、熱延コイルの長手方向における製造履歴に着目して鋭意調査を行った。その結果、バッチ式で1コイルずつ圧延している熱間圧延では、コイル先端部の板厚は、コンピュータを駆使して高度に予測制御している現状でも、目標板厚から10%程度外れることが多いこと、また、コイル先端部は、コイル先端がコイラーに巻き付くまでの間は低速で圧延されるため、高速圧延されるコイル中央部と比較して冷却過剰となり、過冷状態となることが多いことが確認された。
そこで、上記結果を基にさらに検討を進めたところ、熱延コイルの先端部の磁気特性の低下を防止するには、特許文献1の技術のように上限温度を規制するだけでなく、下限温度をも規制してやる必要もあることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、C:0.01〜0.10mass%、Si:2.5〜4.5mass%、Mn:0.02〜0.12mass%、Al:0.005〜0.10mass%、N:0.004〜0.015mass%を含有し、さらにSe:0.005〜0.06mass%およびS:0.005〜0.06mass%のうちから選ばれる1種または2種を含有する鋼スラブを1280℃以上の温度に加熱後、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍し、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延により最終板厚とし、その後、脱炭焼鈍および仕上焼鈍を施す一連の工程を経て方向性電磁鋼板を製造する方法において、
上記熱間圧延における仕上圧延終了後の冷却時におけるコイル全長の鋼板温度が、下記(1)式;
T(t)<FDT−(FDT−700)×t/6 ・・・(1)
ここで、T(t):鋼板温度(℃)、FDT:仕上圧延終了温度(℃)、t:仕上圧延終了からの経過時間(秒)
を満たし、かつ、コイル先端側10%長さ部分について、熱間圧延終了から3秒後の鋼板温度が650℃以上となるよう制御することを特徴とする磁気特性に優れる方向性電磁鋼板の製造方法である。
また、本発明の方向性電磁鋼板の製造方法は、鋼スラブが、上記成分組成に加えてさらに、Cu:0.01〜0.15mass%、Sn:0.01〜0.15mass%、Sb:0.005〜0.1mass%、Mo:0.005〜0.1mass%、Te:0.005〜0.1mass%およびBi:0.005〜0.1mass%うちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする。
本発明によれば、インヒビターとしてAlNやMnSe,MnSを複合して用いる方向性電磁鋼板において、従来技術が抱えていたコイル長手方向の熱延先端部分で磁気特性が低下するという問題点を解消できるので、コイル全長にわたって磁気特性に優れた方向性電磁鋼板の製造が可能となる。
熱延コイル先端部とコイル中央部の鉄損差に及ぼす、熱間仕上圧延終了後、650℃以上に滞留する時間と板厚変動量の影響を示したグラフである。 本発明における熱延コイル先端部の温度制御範囲を示すグラフである。
以下、本発明の方向性熱延鋼板の製造方法について説明する。
本発明の製造方法は、後述するように、熱間圧延終了後の冷却条件を適正化したところに特徴があり、熱延後の冷却条件を後述する適正範囲に制御すること以外、特に制限はない。したがって、その他の製造工程、例えば、製鋼、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、中間焼鈍、冷間圧延、脱炭焼鈍、焼鈍分離剤塗布および仕上焼鈍などの各工程における製造条件については、それぞれ公知の方法にしたがって行えばよい。
次に、本発明の基本的な技術思想について説明する。
先述したように、発明者らの調査の結果では、1コイルずつ圧延しているバッチ式の熱間圧延では、コイル先端部の板厚は、10%程度目標板厚から外れることが多いこと、また、コイル先端部は、コイル先端がコイラーに巻き付くまでの間、低速で圧延されるため、高速圧延されるコイル中央部と比較して過冷状態となることが多いことが確認された。
そこで、熱延コイルの先端部の板厚や冷却状態が異なるコイルを対象として、コイル先端部の鉄損とコイル中央部の鉄損の差に及ぼす、仕上圧延終了後、650℃以上の温度に保持される時間(滞留時間)と、目標板厚に対する板厚変動量の影響を調査したところ、図1に示すように、コイル先端部の板厚変動量が±5%よりも大きいコイルで、かつ仕上圧延終了後、早期に650℃未満まで冷却され、650℃以上の温度に滞留する時間が3秒未満であるコイル先端部の鉄損差の劣化が大きいことを新規に見出した。
この原因について、発明者らは以下のように考えている。
特許文献1の従来技術では、仕上圧延終了後2〜6秒後の鋼板温度の上限温度を規制することにより、インヒビターが粗大化するのを抑制し、磁気特性の低下を防止している。しかしながら、逆に、仕上圧延終了後の鋼板を冷却し過ぎた場合には、インヒビターの析出が微細になり過ぎて、インヒビターとしての抑制力が強くなり過ぎること、また、仕上圧延後の鋼板を急冷した場合には、動的再結晶が進行しないため、二次再結晶する際にゴス方位が蚕食して成長するために必要な(111)方位が減少し、有害な(200)方位が増加するため、二次再結晶が安定して起こり難くなり、その結果、鉄損特性が低下してしまう。すなわち、コイル全長の上限温度を規制しようとすると、比較的鋼板温度が低くなる熱延コイルの先端部は冷却し過ぎることになり、かえって問題が生じることが見出されたのである。
さらに、一般に、熱間圧延の目標板厚は、冷間圧延での圧下率がその後の鋼板組織に及ぼす影響を考慮して最適な値に設定されており、それより板厚が厚くなっても、薄くなっても適正な冷延圧下率から外れてしまうため、磁気特性は低下する傾向となる。
そして、上記2つの悪影響が重なった場合、すなわち、仕上圧延終了後に急冷されて、圧延終了から3秒後の鋼板温度が650℃未満、したがって、650℃以上の温度に滞留する時間が3秒未満であり、かつ、目標板厚から大きく外れて冷延圧下率が適正範囲から外れる条件が重なった場合には、鉄損の劣化が大きくなるものと考えられる。
以上の結果から、仕上圧延終了後の熱延鋼板、特に、板厚変動が大きく、過度の冷却を受け易い熱延コイルの先端部を冷却するに際しては、冷却時の鋼板温度の上限値を規制することに加えて、下限値も規制してやる必要があることになる。
そこで、本発明は、熱間仕上圧延終了後の冷却時におけるコイル全長の鋼板温度の上限温度は、下記(1)式;
T(t)<FDT−(FDT−700)×t/6 ・・・(1)
ここで、T(t):鋼板温度(℃)、FDT:仕上圧延終了温度(℃)、t:仕上圧延終了からの経過時間(秒)
を満たすよう、また、熱延コイルの先端部(コイル全長の10%長さ部分)の冷却時の鋼板温度の下限温度は、熱間圧延終了後から3秒後の鋼板温度が650℃以上となるよう、すなわち、熱延コイル先端部の冷却時の鋼板温度が、図2に示した斜線部を通過するよう冷却条件を制御することで、熱延コイル先端部の磁気特性の劣化を防止するものである。
ここで、冷却中の鋼板温度が上記(1)式を満たす必要がある理由は、鋼板温度が上記(1)式を外れて高温域を推移すると、AlNやMnSe,MnSの析出形態が変化して、抑制力のない好ましくないインヒビターが析出するため、二次再結晶不良の発生率が増加し、鉄損が高くなったり、磁束密度が低下したりして、磁気特性が劣化するためである。すなわち、この(1)式は、熱延コイルの先端部のみでなく、熱延コイル全長にわたって満たす必要がある。なお、インヒビターが過度に粗大化するのを防止する観点から、熱間圧延終了3秒後の鋼板温度は、800℃以下とするのが好ましい。
一方、熱間圧延終了後から3秒後の鋼板温度が650℃以上となるよう冷却する、すなわち、熱間圧延終了後の鋼板温度を650℃以上に3秒間保持する必要がある理由は、先述したように、熱間圧延後の鋼板が、650℃以下に急冷されると、インヒビターの抑制力が強くなり過ぎること、および、動的再結晶が起こらないため、ゴス方位の成長に必要な(111)方位が減少し、二次再結晶が安定して起こらなくなるためである。
なお、冷却開始3秒後の鋼板温度を、650℃以上に3秒間以上保持することは、特に鋼板温度が低下しやすい熱延コイル先端部10%長さの部分においては必須であるが、熱延コイル全長にわたって保持してもよいことは勿論である。また、3秒経過後のコイル先端部の冷却条件については特に制限はない。
特許文献1などの従来技術では、熱間圧延後の冷却条件がインヒビターの析出挙動に及ぼす影響について検討してはいるものの、それはコイルの長手方向中央部等、製造条件が安定した条件での検討に過ぎず、熱延コイル先端部のような非定常部におけるインヒビターの析出挙動や動的再結晶挙動については考慮がなされていない。この点、本発明は、上記熱延コイル先端の非定常部に着目し、この部分特有の現象である磁気特性の低下を防止する方法を提案するところに意義がある。
なお、本発明の製造方法においては、熱間圧延前のスラブ加熱温度は、インヒビター成分を十分に固溶させる必要があることから、1280℃以上の温度に加熱するのが好ましい。また、熱間圧延における仕上圧延終了温度は900〜1100℃、熱間圧延後の巻取温度は650℃以下とするのが好ましい。
次に、本発明の方向性電磁鋼板の成分組成について説明する。
本発明の製造方法に適合する方向性電磁鋼板は、インヒビターとして、AlNとMnSe、MnSを複合添加したものであることが必要であり、その有すべき成分組成は以下のとおりである。
C:0.01〜0.10mass%
Cは、熱間圧延、冷間圧延中の組織の均一微細化のみならず、ゴス方位の発達にも有用な元素であり、少なくとも0.01mass%を含有させる必要がある。一方、0.10mass%を超えて添加すると、焼鈍工程で脱炭することが困難となり、却ってゴス方位に乱れが生じ、磁気特性が低下するので、上限は0.10mass%とする。好ましいC含有量は0.03〜0.08mass%の範囲である。
Si:2.5〜4.5mass%
Siは、鋼板の比抵抗を高め、鉄損の低減に寄与する必須の元素である。Si含有量が2.5mass%未満では、鉄損低減効果が十分ではなく、また、二次再結晶と純化のために行われる高温での仕上焼鈍において、α−γ変態による結晶方位のランダム化が生じて、十分な磁気特性が得られなくなる。一方、4.5mass%を超えると、冷間圧延性が損なわれ、製造することが困難となる。よって、Si含有量は2.5〜4.5mass%の範囲とする。好ましくは3.0〜3.5mass%の範囲である。
Mn:0.02〜0.12mass%
Mnは、Sに起因した熱間圧延時の割れを防止するのに有効な元素であるが、0.02mass%未満ではその効果は得られない。一方、0.12mass%を超えて添加すると磁気特性が劣化する。よって、Mn含有量は0.02〜0.12mass%の範囲とする。好ましくは0.05〜0.10mass%の範囲である。
Al:0.005〜0.10mass%
Alは、NとAlNを形成してインヒビターとして作用する元素である。Al含有量が0.005mass%未満では、インヒビターとしての抑制力が十分ではなく、一方、0.10mass%を超えると、析出物が粗大化して、その効果が損なわれる。よって、Alの添加量は0.005〜0.10mass%の範囲とする。好ましくは0.01〜0.05mass%の範囲である。
N:0.004〜0.015mass%
Nは、AlとAlNを形成してインヒビターとして作用する元素である。N含有量が0.004mass%未満では、インヒビターとしての抑制力が十分ではなく、一方、0.15mass%を超えると、析出物が粗大化して、その効果が損なわれる。よって、Nの添加量は0.004〜0.15mass%の範囲とする。好ましくは0.006〜0.010mass%の範囲である。
Se:0.005〜0.06mass%
Seは、MnとMnSeを形成してインヒビターとして作用する有力な元素である。Se含有量が、0.005mass%未満では、インヒビターとしての抑制力が十分ではなく、一方、0.06mass%を超えると、析出物が粗大化して、その効果が損なわれる。よって、Seの添加量は、単独添加する場合およびSと複合添加する場合のいずれとも0.005〜0.06mass%の範囲とする。好ましくは0.010〜0.030mass%の範囲である。
S:0.005〜0.06mass%
Sは、MnとMnSを形成してインヒビターとして作用する有力な元素である。S含有量が0.005mass%未満では、インヒビターとしての抑制力が十分ではなく、一方、0.06mass%を超えると、析出物が粗大化して、その効果が損なわれる。よって、Sの添加量は、単独添加する場合およびSeと複合添加する場合のいずれとも0.005〜0.06mass%の範囲とする。好ましくは0.015〜0.035mass%の範囲である。
なお、本発明における方向性電磁鋼板は、インヒビター成分として上記したS,Se,Al,Nのほかに、Cu,Sn,Sb,Mo,TeおよびBi等の粒界偏析型元素を併せて添加してもよい。これらの元素を添加する場合には、Cu,Sn:0.01〜0.15mass%、Sb,Mo,Te,Bi:0.005〜0.1mass%の範囲で添加するのが好ましい。なお、これらのインヒビター成分は、単独添加、複合添加のいずれでもよい。
表1に記載した成分組成を有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる厚み220mm×幅1200mmの珪素鋼連続鋳造スラブを、通常のガス加熱炉で加熱後、さらに誘導式加熱炉で1430℃まで加熱し、インヒビター成分を溶体化後、熱間粗圧延し、圧延終了温度を1000℃とする熱間仕上圧延して板厚2.4mmの熱延板とし、その後、冷却条件を制御して、コイル全長について鋼板温度がT(t)<FDT−(FDT−700)×t/6を満たすようにし、かつ仕上圧延終了から3秒後の熱延コイル先端部(先端から10%長さ以内)の鋼板温度が表2に示す温度となるよう冷却を制御し、550℃で巻き取った。なお、表2には、下記式;
{100(%)×(先端部板厚−目標板厚)/(目標板厚)}
で定義される各コル先端部の板厚の目標板厚に対する外れ率を併記した。
上記熱延板は、その後、熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、1回の中間焼鈍を挟む2回の冷間圧延で最終板厚が0.23mmの冷延板とし、磁区細分化のための溝をエッチングにより形成した後、上記冷延板を、湿水素雰囲気中で850℃×2分の脱炭焼純を施し、MgOを主成分とする焼鈍分離剤を塗布し、その後、水素雰囲気中で1200℃×10時間の最終仕上焼鈍を施し、成品(方向性電磁鋼板)とした。
かくして得られた成品について、熱間圧延のコイル先端部(最先端部分)と中央部に相当する位置から試験片を採取し、鉄損W17/50(周波数50Hz、最大磁束密度1.7Tのときの鉄損)を測定した。
上記測定の結果を、表2中に併記して示した。この結果から、コイル先端部について、熱間仕上圧延終了から3秒後の鋼板温度を650℃とし、650℃以上の温度に3秒以上滞留させた本発明例では、コイル先端部の板厚変動が大きいにも拘わらず、コイル先端部の磁気特性がコイル中央部とほぼ同等レベルまで改善されていることがわかる。
Figure 2011190485
Figure 2011190485

Claims (2)

  1. C:0.01〜0.10mass%、Si:2.5〜4.5mass%、Mn:0.02〜0.12mass%、Al:0.005〜0.10mass%、N:0.004〜0.015mass%を含有し、さらにSe:0.005〜0.06mass%およびS:0.005〜0.06mass%のうちから選ばれる1種または2種を含有する鋼スラブを1280℃以上の温度に加熱後、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍し、1回または中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延により最終板厚とし、その後、脱炭焼鈍および仕上焼鈍を施す一連の工程を経て方向性電磁鋼板を製造する方法において、
    上記熱間圧延における仕上圧延終了後の冷却時におけるコイル全長の鋼板温度が下記(1)式を満たし、かつ、コイル先端側10%長さ部分について、熱間圧延終了から3秒後の鋼板温度が650℃以上となるよう制御することを特徴とする磁気特性に優れる方向性電磁鋼板の製造方法。

    T(t)<FDT−(FDT−700)×t/6 ・・・(1)
    ここで、T(t):鋼板温度(℃)、FDT:仕上圧延終了温度(℃)、t:仕上圧延終了からの経過時間(秒)
  2. 鋼スラブが、上記成分組成に加えてさらに、Cu:0.01〜0.15mass%、Sn:0.01〜0.15mass%、Sb:0.005〜0.1mass%、Mo:0.005〜0.1mass%、Te:0.005〜0.1mass%およびBi:0.005〜0.1mass%うちから選ばれる1種または2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板の製造方法。
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