JP2012140676A - 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】成分中、質量%で、C:0.010%以下、Si:3.5%超5.0%以下、Mn:0.2%以下、Al:0.2%以下、P:0.03%以下、S:0.005%以下、Ca:0.001%以上およびN:0.005%以下を有し、かつSi+Al+0.5Mn:3.5%超5.0%以下およびCa/S:0.8以上を満足し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成として、板厚:0.37mm以下、W10/400:40W/kg以下およびTS:600MPa以上とする。
【選択図】図1
Description
加えて、高速回転モータでは、高周波磁束により渦電流が発生し、モータ効率が低下すると共に、発熱が生じる。この発熱量が多くなると、ロータ内に埋め込まれた磁石が減磁されることから、高周波域での鉄損が低いことも求められる。
このような状況下にあって、高張力を有する無方向性電磁鋼板について幾つかの提案がなされている。
また、特許文献2には、上記強化法に加え、仕上焼鈍条件を工夫することにより結晶粒径を0.01〜5.0mmとして磁気特性を改善する方法が提案されている。
しかしながら、これらの方法を工場生産に適用した場合、熱延後の連続焼鈍工程や、その後の圧延工程などで板破断などのトラブルが生じやすく、歩留り低下やライン停止が余儀なくされるなどの問題があった。
この点、冷間圧延を、板温が数百℃の温間圧延とすれば、板破断は軽減されるものの、温間圧延のための設備対応が必要となるだけでなく、生産上の制約が大きくなるなど、工程管理上の問題も大きい。
しかしながら、これらの手法では、Niなどの高価な元素を多量に添加することや、ヘゲなどの欠陥増加による歩留りの低下で高コストになるという問題があった。
しかしながら、これらの技術では、高い強度が得られてはいるものの、磁気特性、特に鉄損は依然として通常の電磁鋼板に対して大幅に大きいという課題を残していた。
以上述べたように、これまでの技術では、高い強度を有しつつ、磁気特性や製造性にも優れた無方向性電磁鋼板を、低コストで安定的に提供することは困難な状況にあった。
中でもSiは、他の固溶強化元素と比較して高い固溶強化能を有するため、高抗張力化、高疲労強度化、低鉄損化を最もバランス良く両立することが出来る元素である。そこで、本発明における固溶強化の主体となる元素として、積極的に添加することの検討を行った。
1.質量%で、
C:0.010%以下、
Si:3.5%超5.0%以下、
Mn:0.2%以下、
Al:0.2%以下、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下、
Ca:0.001%以上および
N:0.005%以下
を有し、かつ
Si+Al+0.5Mn:3.5%超5.0%以下および
Ca/S:0.8以上
を満足し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成からなる無方向性電磁鋼板であって、
板厚:0.37mm以下、W10/400:40W/kg以下およびTS:600MPa以上
であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
Sb:0.005%以上0.1%以下、
Sn:0.005%以上0.1%以下、
Cr:5.0%以下および
Ni:5.0%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有することを特徴とする前記1に記載の無方向性電磁鋼板。
C:0.010%以下、
Si:3.5%超5.0%以下、
Mn:0.2%以下、
Al:0.2%以下、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下、
Ca:0.001%以上および
N:0.005%以下
を有し、かつ
Si+Al+0.5Mn:3.5%超5.0%以下および
Ca/S:0.8以上
を満足し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成からなるスラブを、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間または温間圧延、仕上げ焼鈍を含む一連の工程により無方向性電磁鋼板を製造するに際し、
上記仕上げ焼鈍を、700℃以上950℃以下
で施すことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
Sb:0.005%以上0.1%以下、
Sn:0.005%以上0.1%以下、
Cr:5.0%以下および
Ni:5.0%以下
のうちから選んだ1種または2種以上を含有することを特徴とする前記4に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
最初に、本発明の元になった実験結果を説明する。
電気炉を用いて種々の組成の高Si鋼を溶製して、板厚:2mmに熱間圧延したのち、条件を揃えるために、熱延板のエッジ部を5mm幅で剪断した。ついで、900℃で焼鈍し、その後、板厚:0.35mmまで4パスで仕上げる冷間圧延を行い、エッジ部の耳割れ状況を評価した。上記の耳割れは、圧延後の片側約2m、両側計約4m分のエッジ部を観察し、発生頻度および平均割れ深さを評価した。
ここに、4.2%Si-0.001%Al-0.03%Mn鋼における、鋼中S量と耳割れ深さおよび耳割れ頻度との関係を図1および2に示す(白抜き)。S量が高いものは、耳割れが大きく、発生頻度が高いことが分かる。ここに、S量を0.0015%まで減らすと、深さ、発生頻度ともに改善するが、いまだ十分とはいえない。
同図より、Sが0.005%以下でかつCa/S値が0.8以上の場合に、耳割れの発生頻度は著しく抑制され、また耳割れ深さも低減化していることが分かる。この効果について、詳細は明らかではないが、高Siを含有する鋼の冷間圧延性においては、耳割れ現象に対し、固溶Sが極めて有害に作用するためと考えられる。一方、溶製中にCaを添加することにより、溶鋼中、SがCa酸化物とともに複合析出したために、固溶Sが減少して耳割れ性が著しく改善したものと考えられる。
C:0.010%以下:
Cは、炭化物の析出により強度を高める効果を有するが、本発明の高強度化は主としてSiなどの置換型元素の固溶強化と未再結晶回復組織の利用により達成するため、必須ではない。むしろ磁気特性を劣化させ、かつ高Si鋼の加工性を低下する影響が大きいので、0.010%以下に限定する。好ましくは0.005%以下、さらに好ましくは0.003%以下である。
Siは、鋼の脱酸剤として用いられるほかに、電気抵抗を高めて鉄損を低減するために無方向性電磁鋼板に従来より添加されている主要元素である。同様に、電気抵抗を高める目的で添加されるMn,Alなどの他の元素と比較して、より高い固溶強化能を有するため、高強度化と低鉄損化を最もバランス良く両立することが出来る元素である。そのため、本発明における固溶強化の主体となる元素とし、3.5%を超えて積極的に添加する。一般的にSi量が増加すると製造性が低下し、特に3.5%を超えると冷間圧延時の板エッジの耳割れや板破断が増加し生産性が低下する難点があったが、本発明においては、後述するCaを添加することにより、上記の板破断等の問題を解決することで、製造性を大幅に向上させることに成功したものである。一方、Si量が5.0%を超えると、Caを添加したとしても板破断が生じやすくなるため、その上限を5.0%とする。
Mnは、同様に鋼の脱酸剤、電気抵抗を増加させる元素として作用するため、無方向性電磁鋼板に添加されている元素であるが、Alと同様に、本発明の目的とする高強度を得るためにはSiの方が有利であることに加え、高Si添加時の製造性劣化への影響が大きいことが分かった。そのため、Mnは0.2%以下とする。望ましくは0.15%以下、さらに望ましくは0.08%以下である。
Alは、Siと同様に鋼の脱酸剤として一般的に用いられており、電気抵抗を増加し鉄損の低減する効果も大きいため、従来から低鉄損が要求される高級無方向性電磁鋼板に積極的に添加されてきた主要構成元素の一つである。しかしながら、本発明の目的とする高強度を得るためにはSiの方が有利であることに加え、高Si添加時の製造性劣化への影響が大きいことが分かったため、Alは0.2%以下とする。望ましくは0.1%以下、さらに望ましくは0.02%以下である。なお、微量Alの含有は再結晶粒成長を抑制する効果があるため、組織を微細化して高強度化を図るには0.003%を超えて添加することが好適である。より望ましくは0.005%超えである。
Pは、比較的少量の添加でも大幅な固溶強化能が得られるため高強度化に極めて有効であるが、粒界偏析し易く鋼を脆化させるので、その添加量を0.03%以下に制限する。
Sは、冷間圧延での耳割れ増加に代表されるように、製造性に極めて大きい影響をあたえるので、出来るだけ低減することが望ましい。しかしながら、低減化のための過大な脱硫処理は精錬時間や製造コストの上昇を招く。ここに、本発明では、Caの添加により、Sの上記した悪影響を抑制することができるので、Sは0.005%まで許容される。
Caは、本発明において、Sを無害化するために必須の元素である。その添加量は含有するSの量によって変動するが、最低でも0.001%以上で、かつCa/S質量比で0.8以上が必要である。Ca/Sは、望ましくは、1.0以上、さらに望ましくは1.2以上である。
また、Ca/S質量比の上限は特段の限定はないが、2.0程度で十分である。というのは、それ以上のCa/S比でCaを添加しても効果は飽和するからである。
Nは、Cと同様に、無方向性電磁鋼板の磁気特性を劣化させるので、0.005%以下に制限する必要がある。
本発明では、上記した鋼板成分のうち、Si+Al+0.5Mnの値を限定する必要がある。というのは、Si+Al+0.5Mnの値が3.5%以下の場合は、本発明の目的とする十分な強度が得られず、一方、Si+Al+0.5Mnの値が5.0%を超えると、Caを添加したとしても板破断が生じやすくなるためである。
SbおよびSnは、無方向性電磁鋼板の集合組織を改善して、磁気特性を高める効果を有するが、その効果を得るには、SbおよびSnを、単独または複合してそれぞれ0.005%以上添加することが必要である。一方、0.1%を超えて過剰に添加すると、鋼が脆化し、またヘゲが増加するなどの弊害を伴うおそれが生じる。従って、SbおよびSnを添加する場合は、それぞれ0.005%以上0.1%以下とする。
Crは、鋼の電気抵抗増加に有効であり、特に、Siとの複合添加によって、SiやCrをそれぞれ単独で添加したときよりも効果的に電気抵抗を高めることができ、鉄損を改善する効果がある。また、高Si鋼の製造性を改善する効果や、鋼板の耐食性を高める効果などを有する。そのため、必要に応じて添加することができる。一方で、過剰の添加はコストアップとなり、その効果も飽和するので上限を5.0%とする。
固溶強化および高電気抵抗化に寄与する多くの元素が、その添加により飽和磁束密度の低下を招くのに対し、Niは飽和磁束密度を低下することなく固溶強化による強度向上および高電気抵抗化による鉄損低減が可能な元素であり、本発明において必要に応じ添加することができる。ただし、Niは高価な元素であり、過剰な添加はコスト高を招くことから、その上限を5.0%とする。
本発明の高強度無方向性電磁鋼板は、板厚が0.37mm以下とする。というのは、0.37mmを超えると本発明の目的とする高速回転モータで必要となる高周波での鉄損が急激に増加してしまうためである。また、再結晶粒と未再結晶粒の混合組織で構成されるが、この組織を適正に制御することが有効である。
まず、再結晶粒の面積率を、鋼板圧延方向断面(ND-RD断面)組織において20%以上の範囲に制御することが好ましい。というのは、未再結晶部は加工歪が残留していて鉄損が劣化するため、再結晶面積率が20%未満では、鉄損が増加する傾向にあるからである。また、再結晶率の上限に特段の制限はなく100%であってもよい。なお、より好ましい再結晶率は40〜90%である。
本発明の高強度無方向性電磁鋼板の製造工程は、以下に述べる制限を除いて、一般の無方向性電磁鋼板に適用されている工程および設備を用いて実施することができる。
例えば、転炉あるいは電気炉などで所定の成分組成に溶製された鋼を、脱ガス設備で二次精錬し、連続鋳造または造塊後の分塊圧延により鋼スラブとしたのち、熱間圧延、熱延板焼鈍(必要に応じて)、熱延板の脱スケール、冷間圧延、仕上焼鈍および絶縁被膜塗布焼き付けといった工程である。
ここで、好適な製造条件について述べると、以下のとおりである。
具体的には、熱間圧延ではスラブ加熱温度を1000〜1200℃とすること、熱延板焼鈍では600〜1000℃での連続焼鈍あるいは600〜900℃でのコイル焼鈍とすること、熱延板の脱スケールでは塩酸、硝酸、硫酸などによる化学的酸洗処理や、ショットブラスト等の機械的除去方法等を用いることが好ましい。
表1に示す成分の鋼をラボ的に溶製し、板厚:2mmに熱間圧延したのち、エッジ部から5mmを剪断除去した。900℃で熱延板焼鈍、酸洗ののち、板厚0.35mmまで冷間圧延を施した。さらに表1に示す温度で仕上げ焼鈍を行った。ここで、仕上焼鈍後の試料について、鋼板の圧延方向断面(板幅方向に垂直な断面)を研磨、エッチングして光学顕微鏡で観察し、再結晶率(面積率)および求積法により再結晶粒の平均粒径(公称粒径)を求めた。また、冷延後のエッジ部の耳割れ状況を評価した。耳割れは、圧延後の片側約2m、両側計4m分のエッジ部を観察し、耳割れの発生頻度、平均割れ深さにより評価した。
なお、磁気特性は、仕上げ焼鈍を行ったサンプルから圧延方向および圧延直角方向に切り出したエプスタイン試験片を用い、磁気特性(W10/400)で評価した。また、圧延方向と平行にJIS13号引張試験片を採取し引張試験を行った。
得られた結果を表1に併記する。
これに対し、本発明範囲のもの(No.9〜16、18)は、耳割れ性に優れると同時に、従来の電磁鋼板の比較例(No.1〜3)より優れた強度、鉄損バランスを示している。
表2に示す成分の鋼で、実施例1と同様に作製した無方向性電磁鋼板について、磁気特性(W10/400)と引張強度(TS)の平均値について調査した。なお、評価は実施例1と同様の方法で行った。また、仕上焼鈍後の試料についての焼鈍後の再結晶率および再結晶粒の平均粒径の測定は、実施例1と同様の方法で行った。
得られた結果を表2に併記する。
Claims (5)
- 質量%で、
C:0.010%以下、
Si:3.5%超5.0%以下、
Mn:0.2%以下、
Al:0.2%以下、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下、
Ca:0.001%以上および
N:0.005%以下
を有し、かつ
Si+Al+0.5Mn:3.5%超5.0%以下および
Ca/S:0.8以上
を満足し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成からなる無方向性電磁鋼板であって、
板厚:0.37mm以下、W10/400:40W/kg以下およびTS:600MPa以上
であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。 - 前記無方向性電磁鋼板が、質量%でさらに、
Sb:0.005%以上0.1%以下、
Sn:0.005%以上0.1%以下、
Cr:5.0%以下および
Ni:5.0%以下
のうちから選んだ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に記載の無方向性電磁鋼板。 - 前記無方向性電磁鋼板の圧延方向断面(ND-RD断面)における再結晶粒の平均粒径が80μm以下であって、かつ圧延方向断面(ND-RD断面)における再結晶粒の面積率が、20%以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の無方向性電磁鋼板。
- 質量%で、
C:0.010%以下、
Si:3.5%超5.0%以下、
Mn:0.2%以下、
Al:0.2%以下、
P:0.03%以下、
S:0.005%以下、
Ca:0.001%以上および
N:0.005%以下
を有し、かつ
Si+Al+0.5Mn:3.5%超5.0%以下および
Ca/S:0.8以上
を満足し、残部はFeおよび不可避的不純物の成分組成からなるスラブを、熱間圧延、熱延板焼鈍、酸洗、冷間または温間圧延、仕上げ焼鈍を含む一連の工程により無方向性電磁鋼板を製造するに際し、
上記仕上げ焼鈍を、700℃以上950℃以下
で施すことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記スラブが、質量%でさらに、
Sb:0.005%以上0.1%以下、
Sn:0.005%以上0.1%以下、
Cr:5.0%以下および
Ni:5.0%以下
のうちから選んだ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4に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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