JP2012512961A - 顧客加工性に優れた無方向性電気鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、SRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板およびその製造方法に関するもので、重量%で、Si:0.2〜1.0%、Al:0.9〜2.0%、Mn:0.1〜0.5%、P:0.01〜0.05、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記Siおよび前記Alは1.4≦Si+Al≦2.4および1≦Al/Si≦5の式を満足する、SRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板をその技術的要旨とする。本発明は、AlおよびSi成分と最適の工程条件を導出して適正のレベルに調整することにより、低いビッカース硬度により顧客の加工性を向上させ、優れた結晶粒成長性および集合組織によって低鉄損、高磁束密度の優れた磁気特性を提供するという効果がある。

Description

本発明は、SRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板およびその製造方法に関し、より詳しくは、鋼成分および工程条件を適切に調整することにより、加工性および磁気特性に優れた無方向性電気鋼板およびその製造方法に関する。
無方向性電気鋼板は、回転機器における電気エネルギーから機械的エネルギーへの変換に必要な重要部分であって、最近、省エネルギーのためにその磁気特性、すなわち低鉄損と高磁束密度が要求されている。鉄損は、エネルギー変換過程で熱として消えてしまうエネルギーなので、低ければ低いほど回転機器の効率を高めることができ、磁束密度は、動力を発生させる力なので、高ければ高いほど回転機器の効率を高めることができる。このような無方向性電気鋼板は、鉄心の形状に切断されて打抜、積層連結された後、銅線が巻かれて電力機器に用いられる。
無方向性電気鋼板における低鉄損を実現するためには、ヒステリシス損と渦流損を減らさなければならない。渦流損は、鋼板の内部にSi、Al、Mn元素を添加して比抵抗を高め或いは鋼板の厚さを薄くすることにより改善される。ヒステリシス損は、集合組織の改善、不純物の制御、結晶粒サイズの増加などによって改善される。
一方、無方向性電気鋼板では、鉄損中のヒステリシス損の占有比率が60〜80%であり、不純物は素材製作の際に既に成分内に含有されているためその制御が困難であるうえ、不純物の制御にかかる費用が増加するので、結晶粒サイズを増加させるか或いは磁化が容易な集合組織を多く生成させることにより、鉄損と磁束密度を改善することが好ましい。
集合組織の側面からみて、鋼板の表面に垂直方向(ND)に磁化の容易な方向<100>が位置するならば最も理想的であり、特に図2(a)に示すように、キューブ集合組織({001}〈100〉)の集積度が高いほど磁気特性が優秀になる。これに対し、図2(b)に示すように、〈100〉に比べて磁化が容易でない方位〈110〉または〈111〉が鋼板の表面に多いα−fiber(〈110〉//RD)とγ−fiber(〈111〉//ND)の集積度は低いことが好ましい。このような集合組織の形成は、合金成分系によっても決定されるが、結晶粒サイズの成長と密接な関係がある。一般に、無方向性電気鋼板では、冷間圧延および結晶粒成長の際にキューブ集合組織({001}〈100〉)と同じ磁性に有利な方位の分率が減少し、その値は3%以下に減少する。よって、磁性に有利なキューブ集合組織の集積度が高い成分系の開発、および結晶粒サイズが成長する間に磁気特性に有利な集合組織の集積度を向上させる工程条件の設定が重要な課題である。
本発明者は、かかる問題点を解決するために研究と実験を重ね、その結果に基づいて本発明を提案するに至った。本発明の目的は、顧客加工性に優れた低鉄損、高磁束密度の無方向性電気鋼板およびその製造方法を提供することにある。
本発明の一側面によれば、重量%で、Si:0.2〜1.0%、Al:0.9〜2.0%、Mn:0.1〜0.5%、P:0.01〜0.05、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記Siおよび前記Alは1.4≦Si+Al≦2.4および1≦Al/Si≦5の式を満足する、SRA(Stress Relief Annealing)実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板を提供する。
ここで、前記無方向性電気鋼板は、SRA実施後の板面全体における断面のキューブ集合組織(cube texture)の分率がSRA実施前より増加したものであってもよい。
また、前記無方向性電気鋼板は、SRA実施後の断面のキューブ集合組織の分率が5%以上であってもよい。
また、前記無方向性電気鋼板は、比抵抗が30〜42μΩ・cmであってもよい。
また、前記不可避的不純物には、重量%で、C:0.003%以下、S:0.002%以下、N:0.002%以下、およびTi:0.002%以下が含まれてもよい。
また、前記無方向性電気鋼板は、SRA実施前にビッカース硬度が130Hv以下であってもよい。
また、前記無方向性電気鋼板は、磁束密度(B50)が1.74T以上であり、鉄損(W15/50)が2.6w/kg以下であってもよい。
本発明の他の側面によれば、重量%で、Si:0.2〜1.0%、Al:0.9〜2.0%、Mn:0.1〜0.5%、P:0.01〜0.05、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記Siおよび前記Alは1.4≦Si+Al≦2.4および1≦Al/Si≦5の式を満足する鋼スラブを再加熱し、熱間圧延して熱延板を作り、熱延板焼鈍および冷間圧延して製造された冷延板を770〜830℃で焼鈍する、SRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板の製造方法を提供する。
ここで、前記冷延板焼鈍は、850〜950℃まで加熱した後、770〜830℃の温度で30秒〜4分間均熱処理して焼鈍することにより行われてもよい。
また、前記熱延板焼鈍は、800〜1100℃の温度範囲で2分〜4分間の在炉時間焼鈍することにより行われてもよい。
また、前記不可避的不純物には、重量%で、C:0.003%以下、S:0.002%以下、N:0.002%以下、およびTi:0.002%以下が含まれてもよい。
上述したように、本発明は、AlおよびSi成分と冷間圧延前後の焼鈍条件を最適化して磁化に有利な集合組織を多く形成させ、結晶粒サイズも成長させることにより、顧客加工性に優れるうえ、低鉄損や高磁束密度の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板およびその製造方法を提供するという効果がある。
図1はAlとSiの関係式に対するグラフである。 図2は集合組織を図示的に示す構成図である。 図3は発明材と比較材とのSRA実施前後の方位分布関数(ODF)を示す図である。 図4は方位分布関数(ODF)の理解のためにΦ=45°sectionを示すグラフである。
以下に添付図面を参照しながら、本発明について詳細に説明する。
本発明では、上述した技術的課題を解決するために、鋼に添加する元素としてAl、Siの比率を異にして各組成成分系による鉄損や磁束密度などの磁気特性、集合組織およびビッカース硬度を確認し、優れた磁気特性が発揮される範囲を見出した。
まず、本発明の成分限定理由について詳細に説明する。
炭素(C)は、鉄損を高めるので低い方が良い。C含量が0.003%超過であれば、鋼中の固溶炭素が炭化物として析出されるため、鉄心への使用の際に鉄損の劣化が発生する。よって、Cの含量は0.003%以下に制限することが好ましい。
シリコン(Si)は、電気抵抗を増加させるために有用な元素である。材料の硬度確保と比抵抗増加のために0.2%以上添加することが好ましいが、1.0%を超過して添加すると、鋼板の硬度が上昇して打抜性が低下する。よって、Siの含量は0.2〜1.0%に制限する。
アルミニウム(Al)は、Siのように電気抵抗を増加させる効果があるので、渦流損を低めて鉄損を低める作用をし、Siに比べて同含有量では鋼板の硬度上昇効果が小さいため、加工性と磁気特性を両立して上昇させるので、重要な元素である。加工性と磁気特性を両立させるために、Alの含量は0.9%以上であることが好ましいが、Alの含量が2.0%超過であれば、成形性の劣化と共に製鋼時の酸化介在物の増加により表面品質が低下し、製造コストが上昇するので、Alの添加量を0.9〜2.0%に制限する。
マンガン(Mn)は、電気抵抗を増加させ且つ硫化物を生成させるため、0.1%以上の添加が好ましい。但し、Mnの含量が0.5%超過であれば、成形性が劣化し費用が増加するので、0.1〜0.5%に制限する。
リン(P)は、固溶強化効果が大きい置換型合金元素であって、面内異方性を改善し且つ強度を向上させる役目をする。Pは、集合組織の発達助長のために0.01%以上の添加が好ましいが、その含量が0.05%超過であれば、成形性の向上に比べて急激な強度上昇が発生し、Pが粒界に偏析して材料を脆化させるなど軟性の顕著な低下が発生するので、0.01〜0.05%に制限する必要がある。
硫黄(S)は、微細な析出物MnSを形成して磁気特性を劣化させるので、出来る限り低く管理することが有利である。また、Sの含量が過多であれば、MnSとして析出し、残ったSが粒界を脆化させて熱間脆性を引き起こす可能性がある。よって、その添加量を0.002%以下に制限する。
窒素(N)は、含量が多い場合にはAlNの析出量が多くなり、AlNが粗大化する場合にも粒子成長性が低下し、鉄損を増大させるので、0.002%以下に制限することが好ましい。
チタニウム(Ti)は、微細なTiN、TiCの析出物を作って結晶粒の成長を抑制するうえ、磁気特性に不利な集合組織γ−fiber(〈111〉//ND)の発達を助長するので少なく含有させ、本発明では0.002%以下に制限することが好ましい。
Si+Alの値は1.4〜2.4であることが好ましいが、これは、Si、Al元素ともに電気抵抗を増加させて鉄損を減少させるから、Si+Alの値が1.4以上となるようにし、但しSi+Alの値が2.4を超過する場合には冷間圧延が困難になるためである。
また、磁気特性をさらに向上させるためには、Al/Siの値が1≦Al/Si≦5を満足することが好ましい。Al/Siの値が1未満であれば、SRA実施後のキューブ集合組織の分率が減少し、Al/Siの値が5超過であれば、過度なAlの量により製鋼の際に酸化介在物が増加して表面品質の劣化が発生するおそれがある。いずれか一つの元素の含量があまり多い場合には、鋼板の飽和磁束密度が低下するため、2元素を総合的に考慮して適正の含有量を選択する必要がある。
本発明は、SRA実施後の板面全体における断面のキューブ集合組織の分率がSRA実施前より増加した無方向性電気鋼板も含み、SRA実施後の断面のキューブ集合組織の分率が5%以上である無方向性電気鋼板も含む。また、本発明は、比抵抗30〜42μΩ・cmの無方向性電気鋼板も含む。また、本発明は、SRA実施前にビッカース硬度が130Hv以下であることが好ましく、磁束密度(B50)が1.74T(テスラ)以上であり、鉄損(W15/50)が2.6w/kg以下であることが好ましい。
本発明は、重量%で、Si:0.2〜1.0%、Al:0.9〜2.0%、Mn:0.1〜0.5%、P:0.01〜0.05、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記Siおよび前記Alは1.4≦Si+Al≦2.4および1≦Al/Si≦5の式を満足する鋼スラブを再加熱し、熱間圧延して熱延板を作り、熱延板焼鈍および冷間圧延して製造された冷延板を770〜830℃で焼鈍する製造方法を提供する。また、前記不可避的不純物には、重量%で、C:0.003%以下、S:0.002%以下、N:0.002%以下、およびTi:0.002%以下が含まれてもよい。
前記熱延板焼鈍は、800〜1100℃の温度範囲で2分〜4分間の在炉時間焼鈍することにより行われることが好ましいが、これは、焼鈍温度が800℃未満で在炉時間が2分未満であれば、組織が成長しないか或いは微細に成長して磁束密度の上昇効果が少なく、焼鈍温度が1100℃超過で在炉時間が4分超過であれば、組織は十分に成長するが、磁束密度の改善効果に比べてエネルギー損失が過多であるためである。
また、前記冷延板焼鈍温度は770〜830℃の範囲であることが好ましいが、これは、焼鈍温度が770℃未満であれば、再結晶が十分に発生しないため、SRA実施の際に磁気特性に不利な集合組織が優先的に生成され、焼鈍温度が830℃超過であれば、SRA実施前に結晶粒が大きく成長しながら磁気特性に不利なγ−fiber(〈111〉//ND)に変化するためである。
また、前記冷延板焼鈍は、850〜950℃まで加熱した後、770〜830℃の温度で30秒〜4分間均熱処理して焼鈍することにより行われることが好ましいが、これは、850〜950℃の温度まで加熱して十分なキューブ集合組織を確保しても、前記区間の温度範囲で均熱させるとキューブ集合組織の分率に悪影響を及ぼすので、冷延板を前記区間の温度範囲まで加熱した後、温度を低めて均熱焼鈍を行うことにより、高いキューブ集合組織の分率を維持することができるためである。
また、850℃未満であれば、再結晶粒の成長が十分でないため、磁気特性に不利な〈111〉方位を有する集合組織が多くなってキューブ集合組織の分率が低くなり、950℃超過であれば、結晶粒の成長が粗大になることにより磁気特性が悪くなるため、加熱温度は850〜950℃までに限定する。また、焼鈍時間が30秒未満であれば、冷延板の結晶粒が再結晶されず、キューブ集合組織の分率に悪影響を及ぼし、焼鈍時間が4分超過であれば、生産性が低くなる。よって、焼鈍時間を30秒〜4分に限定する。
以下、本発明を実施例によってさらに詳細に説明する。
[実施例1]
Fe−Si系無方向性電気鋼板50A700〜50A470(JIS規格基準)と同等の飽和磁束密度(Bs)を維持するために、固有抵抗(ρ)の範囲を30〜42μΩ・cmとし、成分系(%)と固有抵抗(ρ)との関係は下記の実験式を用いた。
Figure 2012512961
表1はAl/Siの値が1未満のFe−Si系に該当するF12、およびAl/Siのの値が1超過のFe−Al系に該当するF1の成分を示す。
Figure 2012512961
製造工程では、真空溶解して鋼塊を製造し、製造された鋼塊を1150℃で加熱して870℃で熱間圧延して2.0mmの厚さにした。前記熱延板を1000℃で4分間焼鈍した後、冷延して0.5mmまで圧延し、前記冷延板を900℃まで加熱した後、770℃で30秒間焼鈍した。その後、750℃で2時間窒素雰囲気の下でSRAを実施した。こうして得られた2つのサンプルの集合組織を調べるために、SRA前後の断面(TD方向)をEBSD(電子後方散乱回折)で観察し、その結果として得られた方位分布関数(ODF)を図3に示した。このように集合組織データからODFを求める理由は、観察された集合組織を定量的に解釈するためである。ODF中のΦ=45°sectionのみを示すのは、体心立方構造を有する金属の代表的な集合組織であるCube({001}〈100〉)、Rotated Cube({001}〈110〉)、α−fiber(〈110〉//RD)、γ−fiber(〈111〉//ND)を全て示すことができるためである。
図4は体心立方構造を有する金属の代表的な集合組織の位置をODF中の Φ=45°sectionに図式的に示した。図4に示した集合組織の位置は理想的な位置であり、一般に等高線を用いて集合組織の強度を表現する。
無方向性電気鋼板では、Cube({001}〈100〉)とRotated Cube({001}〈110〉)集合組織を含んでいる〈100〉//NDの分率が多いほど磁気特性に有利であり、特にCube({001}〈100〉)集合組織の分率が磁気特性において重要である。これに対し、α−fiber(〈110〉//RD)、γ−fiber(〈111〉//ND)は磁化が容易でない磁化困難軸を含んでいるので、その分率が低いほど磁気特性に有利である。
図3に示すように、SRAの実施有無を問わず、Fe−Al系に該当するF1の集合組織の最大強度(f(g)max)が、Fe−Si系に該当するF12の集合組織の最大強度より高い。これはFe−Al系のF1の集合組織がさらに強く発達していることを意味する。また、Fe−Al系のF1の場合にはSRA実施前(F(g)max=5.3)よりSRA実施後(F(g)max=6.4)キューブ集合組織の強度がさらに強くなったことが分かる。
集合組織の分率は、15°以内の小傾角粒界に該当する結晶粒を含む値から求めたが、実際SRA実施前後のキューブ集合組織の分率を比較してみると、Fe−Al系はSRA実施前5%からSRA実施後6%に増加したが、これに対し、Fe−Si系はSRA実施前3%からSRA実施後2%に減少した。
前記結果より、結晶粒成長の際にFe−Al系がFe−Si系より磁気特性に有利な集合組織、特にキューブ集合組織を多く有することが分かる。よって、集合組織の観察結果より、発明材の場合は板面全体においてSRA実施後にキューブ集合組織の強度および分率が増加して磁気特性に優れることが分かる。
[実施例2]
Figure 2012512961
前記表2に示した成分系を真空溶解して鋼塊を製造した後、鋼塊を1150℃で加熱して870℃で熱間圧延して2.0mmの熱延板を製作した後、前記熱延板を1000℃で4分間熱延板焼鈍し、酸洗した後、冷間圧延して0.5mmの鋼板厚さに圧延した後、それぞれの条件で冷延板焼鈍を実施した。その後、SRAは750℃で2時間窒素雰囲気の下で実施した。こうして得られたサンプルを用いて冷延板焼鈍温度とキューブ集合組織の分率との関係をEBSDによって調査した。
前記表2に示すように、Fe−Al系の場合には770〜830℃の領域で冷延板焼鈍を行うと、SRA実施後に磁気特性に有利な集合組織のキューブ分率が増加することを確認することができた。通常、Fe−Si系ではキューブ分率がSRA実施後に3%以下であるが、本発明材では6%以上とキューブ集合組織の分率が2倍以上もさらに大きい。したがって、本発明の成分系はAl/Siの値が1より大きく、工程条件は冷延板焼鈍温度が770〜830℃の場合にSRA実施後に磁気特性に有利な集合組織が多く発達することが分かった。
[実施例3]
Figure 2012512961
前記表3に示した成分系を真空溶解して鋼塊を製造した後、鋼塊を1150℃で加熱して870℃で熱間圧延して2.0mmの熱延板を製作した後、前記熱延板を1000℃で4分間熱延板焼鈍し、酸洗した後、冷間圧延して0.5mmの 鋼板厚さに圧延した後、900℃まで加熱し、しかる後に、800℃で30秒間均熱処理して焼鈍を行った。こうして得られた結果を表3に「SRA前」で表わし、その後750℃で2時間窒素雰囲気の下で実施して得られた結果を表3に「SRA後」で表わした。また、本実施例に使用された成分を図1にAlとSiの関数で表わした。
ビッカース硬度がAlの含量と密接な関係を示すため、本発明例ではAl/Siの値が1より大きい場合、SRA実施前にビッカース硬度が130Hv以下と非常に低く、SRA実施後にはさらに減少したことを確認することができた。また、本発明例の磁束密度はSRA実施後がSRA実施前より増加して1.74T以上であったが、比較例の磁束密度はSRA実施後がSRA実施前より減少した。また、発明材の場合は鉄損が2.6W/kg以下と大きく減少したが、比較材の場合は鉄損が2.6W/kgを超過して高い数値を示した。また、発明例のキューブ集合組織の分率はSRA実施後がSRA実施前より6%以上に増加したが、比較例の場合には減少した。
よって、SRA実施後に低鉄損と高磁束密度により磁気特性が優秀になる最適の成分比は1.4≦Si+Al≦2.4と1≦Al/Si≦5であることを確認することができる。このような最適の範囲は図1の太い線の内部となる。

Claims (10)

  1. 重量%で、Si:0.2〜1.0%、Al:0.9〜2.0%、Mn:0.1〜0.5%、P:0.01〜0.05、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記Siおよび前記Alは1.4≦Si+Al≦2.4および1≦Al/Si≦5の式を満足する、SRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  2. 前記無方向性電気鋼板は、SRA実施後の板面全体における断面のキューブ集合組織の分率がSRA実施前より増加した、請求項1に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  3. 前記無方向性電気鋼板は、SRA実施後の断面のキューブ集合組織の分率が5%以上である、請求項1に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  4. 前記無方向性電気鋼板は、比抵抗が30〜42μΩ・cmである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  5. 前記不可避的不純物には、重量%で、C:0.003%以下、S:0.002%以下、N:0.002%以下、およびTi:0.002%以下が含まれる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  6. 前記無方向性電気鋼板は、SRA実施前にビッカース硬度が130Hv以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  7. 前記無方向性電気鋼板は、磁束密度(B50)が1.74T以上であり、鉄損(W15/50)が2.6w/kg以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板。
  8. 重量%で、Si:0.2〜1.0%、Al:0.9〜2.0%、Mn:0.1〜0.5%、P:0.01〜0.05、残部Feおよび不可避的不純物からなり、前記Siおよび前記Alは1.4≦Si+Al≦2.4および1≦Al/Si≦5の式を満足する鋼スラブを再加熱し、熱間圧延して熱延板を作り、熱延板焼鈍および冷間圧延して製造された冷延板を850〜950℃まで加熱した後、770〜830℃で30秒〜4分間均熱処理して焼鈍する、SRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板の製造方法。
  9. 前記熱延板焼鈍は、800〜1100℃の温度範囲で2分〜4分間の在炉時間焼鈍することにより行われる、請求項8に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板の製造方法。
  10. 前記不可避的不純物には、重量%で、C:0.003%以下、S:0.002%以下、N:0.002%以下、およびTi:0.002%以下が含まれる、請求項8に記載のSRA実施後の磁気特性に優れた無方向性電気鋼板の製造方法。
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