JP2013091837A - 圧延方向の磁気特性が良好な無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】C:0.0030%以下、Si:2.0〜3.5%、Al:0.20〜2.5%、Mn:0.10〜1.0%、Sn:0.03〜0.10%、かつSi+Al+Sn≦4.5%からなる鋼スラブに熱間圧延を施し、次いで圧延率60〜70%の一次冷間圧延を施して中間厚の鋼板とし、次いでこの鋼板に中間焼鈍を施した後、圧延率55〜70%の二次冷間圧延を施し、更に仕上焼鈍を950℃以上で20〜90秒間施すことにより良圧延方向特性と良表面性状を有する無方向性電磁鋼板を製造する。
【選択図】なし
Description
昨今の輸送機器分野では、電気駆動機器の材料として電磁鋼板が注目され使用されており、これらの機器においては、(a)高効率化のための、周波数が商用より高い分野での鉄損特性の向上、及び(b)小型化に資するための高磁束密度化が求められている。
なお、この分野の電磁鋼板は、冶金学的には一次再結晶を活用して生産されるので、無方向性電磁鋼板の範疇に含まれる。そのため、本発明では、発明の対象を無方向性電磁鋼板としているが、特に“無方向性”を目指しているものではなく、以下の記載では、単に“電磁鋼板”と記載している。
日本工業規格にある35A440、50A470より高級の冷延無方向性電磁鋼板製造の歴史を顧みるに、メタラジーの観点では、(x)磁気特性の向上、(y)磁気時効対策、(z)リジング(表面性状)対策という課題を、インゴット鋳造及び分塊から連続鋳造への生産構造変化に伴ない低コストで行う方法の開発であった。
(ii)磁気時効対策では、最終製品のC含有量を減じることが必須である。溶製段階で高いCを最終製品までの工程で極低Cに減ずるか、溶製段階で極低Cとするかである。
冷延無方向性電磁鋼板の製造初期には、溶製段階で極低Cとすることは技術的には困難であったので、途中焼鈍工程または、最終焼鈍工程で脱炭されていた。現在では、精錬技術の発達で極低C溶製技術が確立している。
(iii)そもそもリジングとは、スラブ段階での柱状晶に起因し、多くの特定方向の結晶粒があたかも単結晶の様に振る舞って組織が揃う現象で、表面が凹凸状に“うねる”欠陥である。電磁鋼板では占績率の低下を来たすので避けなければならない。
また、鉄損の向上のためには、渦電流損の低減の為、固有抵抗大化に資する元素の添加のみではなく、板厚の薄手化が望まれる。
このリジングは、高柱状晶率、低一次冷延率、高最終冷延率、不完全な冷延前再結晶、焼鈍時の高張力等により発生し、また著しくなる。
粒界の移動性(粒成長性)は、易動度(モビリティー)と粒界エネルギーに依存することは良く知られており、これらは、粒界の性格(結晶粒方位差により生じるその粒界の性質)に依存する。即ち、本発明では、Snの添加により集合組織が変化し、粒界の移動性が殊に大きな集合組織が再結晶後に得られ、そのためにその後の粒成長が非常に速くなることを見出した。
なお、Lは圧延方向、Cは圧延方向に直角の方向の磁気特性であり、L+Cはそれらの平均値を表す。
(1)質量%で、C:0.0030%以下、Si:2.0〜3.5%、Al:0.20〜2.5%、Mn:0.10〜1.0%、Sn:0.03〜0.10%、かつSi+Al+Sn≦4.5%、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造法で製造し、次いで、この鋼スラブに熱間圧延を施し、次いで一次冷間圧延を施して中間厚の鋼板とし、次いでこの鋼板に中間焼鈍を施した後二次冷間圧延を施し、更に仕上焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造工程において、
前記一次冷間圧延の圧延率を60〜70%とし、前記中間焼鈍を950〜1050℃で30〜90秒間施し、前記二次冷間圧延の圧延率を55〜70%とし、かつ、(一次冷間圧延の圧延率)≧(二次冷間圧延の圧延率)を満足し、前記仕上焼鈍を950℃以上で20〜90秒間施すことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
(2)前記中間焼鈍後の結晶粒径の円相当直径が130〜250μmであることを特徴とする(1)に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
(3)板厚が0.35mm未満の無方向性電磁鋼板を製造することを特徴とする(1)または(2)の何れかに記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
Cは、0.0030%より多いと磁気時効が生じるので0.0030%以下とする。Cは、最終製品で0.0030%以下であれば良いので、スラブ段階では0.0030%を超えても良いが、この場合、最終製品までの間に、0.0030%までに脱炭をしなければならない。脱炭する方法としては、中間焼鈍または最終焼鈍時を湿雰囲気で行う方法があるが、共に、酸洗後に行うので本発明の様な高合金鋼(Si、Alの含有量が多い)の場合は、表面に酸化層が厚く形成され、最終製品の高磁場特性が劣り、更に冷間圧延時にスカム(汚れ)の発生が多くなるので避けるべきで、溶製段階で低くすることが最も望ましい。このため、本発明では、途中工程で脱炭せずに溶製段階でのC量を0.0030%以下に規定する。
ところで、0.0030%を超えて0.005%までCを含有した場合、短時間の時効処理では磁気特性の劣化は認められないが、10,000時間を超える長時間の時効処理では磁気特性は劣化する。本発明の様な高級電磁鋼板、特に輸送機器に用いられる電磁鋼板では、完全に磁気時効が無いことが求められるので、上限は0.0030%とする。
ところで、Siのみでは、硬度が高くなりSiの一部をAlに置き換えると固有抵抗は確保されて硬度の著しい上昇を抑えることは特許文献5に開示されている。
Sbは、Snと同様に集合組織効果はあるものの毒性があり、また絶縁被膜の密着性を阻害するので、工業生産には適していない。工業生産では、不可避的に0.01%以下含有することを妨げない。
Pは、0.04%以下であれば、磁気特性も機械特性も劣化しない。機械強度調整等のために、Pは0.04%を上限に含有しても良い。
W、Oは磁気特性確保(特に鉄損)のためには、0.005%以下が好ましい。Oは、本発明の様なSi、Alを多く含有する高合金鋼であれば、特別な溶製を行わない限り0.003%以下となり不都合は無い。
(スラブ鋳造)
上記の化学成分を有する鋼スラブを得るための鋳造は、従来の連続鋳造とする。スラブ加熱を容易にするために、連続鋳造スラブに分塊法を適用することは妨げないが、既述の如くコストが上昇するので極力避けるべきであり、さらにこの場合はリジングの心配は無くなるので、本発明から除外する。
また、連続鋳造に際に、柱状晶率を減じてリジング発生の低減させる目的で、電磁撹拌の適用や過冷却の制御操業等が行われているが、特にそれらを妨げるものではない。
近年、通常の連続熱間圧延を補完するものとして、厚み30mm〜100mmの薄スラブ鋳造、直接鋼帯を得る鋼帯鋳造(ストリップキャスター)が実用化されているが、本発明に関して、急冷状態でMnS、AlN等の微細析出状態が形成されるので、適用は避けることが望ましい。
熱間圧延に先立つスラブ再加熱温度の条件は、無方向性電磁鋼板の製造に関して非常に重要である。これは、不純物元素の固溶、析出に関係するためである。不純物元素を含む化合物の微細析出を防止するためには、スラブ再加熱温度は、1150℃以下が好ましい。もちろん、主な有害元素であるS,N等の含有量の絶対値を低減できれば、スラブ加熱温度を上げることも可能であるが、その場合は、それらの含有量を共に0.0005%以下にすることが求められるので、工業生産としては、現実的ではない。
無方向性電磁鋼板用のスラブの熱間圧延条件は、低温度抽出・高温度圧延が原則であるが、中間焼鈍を行うので、巻き取り温度は極端に高くする必要はなく、むしろ、高温度圧延はデスケーリング性の観点から好ましくない。即ち、仕上げ熱間圧延における仕上げ入り口温度は900℃〜1000℃、出口温度は830〜900℃とし、巻き取り温度は、600℃〜700℃とする条件を適用すればよい。
熱間圧延鋼帯を焼鈍することも可能であるが、この焼鈍を適用しても圧延方向の磁気特性は向上するものの、大きくは向上せず、著しいコストアップとなるので、本発明では適用しない。
熱間圧延後の鋼帯を一次冷間圧延して中間厚の鋼帯とする。一次冷間圧延の圧延率(一次冷間圧延率)は、60〜70%であると、圧延方向の磁気特性が向上する。しかし、二次冷間圧延率よりその効果(寄与)は小さい。通常、Si、Al含有量が多くても、熱間圧延巻き取り温度が低いので、冷間圧延での脆性は問題ない。このため、冷間圧延は、リバース(可逆式)圧延機のみでなく、タンデム(連続)冷間圧延機でも行うことができる。
一次冷間圧延率が70%を超えると、最終焼鈍後の集合組織において、{111}<112>方位が強くなる傾向があり、引いては、圧延方向の磁気特性は劣るようになる。
一次冷間圧延後にこの焼鈍を行うことは必須である。この焼鈍が充分でないと圧延方向の磁気特性は良好にはならない。焼鈍は、通常、鋼帯の連続焼鈍で行われる。
この中間焼鈍の条件は、水素30〜60%、残部窒素の雰囲気で、露点がDry雰囲気中で1000℃、30秒程度の加熱で充分であるが、均熱の温度と時間は、鋼の成分にも依るので一概には決定できず、焼鈍後の粒径で決めることが好ましい。この場合は、結晶粒の円相当直径を130〜250μmとするとよい。130μmより小さいと、特性が良好にならず、250μmより大きくすることは通常の連続焼鈍では得られない。
中間焼鈍後に酸洗を施しデスケーリングを行うことを妨げないが、中間焼鈍雰囲気が良好で、表層の酸化層が稀であれば、必要ない。
基本的には、磁気特性に関して二次冷間圧延率が一次冷間圧延率より支配的である。即ち、現実的な工業生産では、二次冷間圧延率を50%近傍とすることは、熱間圧延機の性能上不可能(熱間圧延鋼帯の厚みを製品厚みから逆算して1.0mm以下とする)である。
二次冷間圧延率の範囲は55〜70%である。この圧延率が55%より低いと、また70%を超えると、いずれも圧延方向の磁気特性は劣化する。特に、70%を超えると、最終焼鈍後の集合組織において{111}<123>、{411}<148>方位が強くなり圧延方向の磁気特性が劣る様になる。好ましくは65%以下である。
この冷間圧延は、中間焼鈍後の粒径が、250μm以上であっても、入口板厚が0.8mm以下であるので、脆性はそれほど問題にはならない。しかし、最終製品厚が、0.35mm未満と薄く、Si、Al含有量が、普通鋼と比べて極めて多いので、可逆式冷間圧延機(リバースミル)での圧延が好ましい。
このように、本発明は、リジングと圧延方向の磁気特性の良好な冷間圧延率配分を見出したのであり、それによって一次と二次の冷間圧延率を上記の範囲に定めたものである。
なお、最終製品厚みが決まると自動的に一次と二次の冷間圧延率の配分により熱間圧延鋼帯の厚みは規定されることになる。
仕上げ焼鈍も中間焼鈍と同様に連続焼鈍が適用される。本発明では、従来の技術より時間が短いことが特徴である。
仕上げ焼鈍は時間と温度に大きく影響され、焼鈍時間短縮の為には温度が高い方が良いが、現状は連続焼鈍炉設備仕様で規定され、1075℃が最高温度である。低温度側は、950℃未満であると、ややはり長い時間の均熱が必要となる。
更に、集合組織を改善させるためには、特許文献6で750〜1150℃の温度への加熱を133℃/秒以上ですることが提案されている。この技術を適用することを妨げない。
仕上焼鈍の保持時間が、20秒未満であると、粒成長が十分でなく、90秒を超えてもそれ以上の粒成長は生じないので20〜90秒の範囲とする。
電磁鋼板は積層して使用されるので、層間抵抗を確保するために、絶縁被膜を表面に塗布する。Crを含むものが従前適用されているが、昨今、Crフリーの被膜も開発されており、どちらでも構わない。
最後のリジングの評価について述べる。既述の如く、リジングは鋼板表面の“うねり”であり、大きいと電磁鋼板積層時の積占率が低下するので避けなければならない。リジングの評価基準は、経験に依り次の通りである。
表2に示す鋼成分の溶鋼を通常の連続鋳造装置を用いて鋳造し厚さ250mmのスラブを得た。この時、リジング対策としての鋳込み温度の管理は特には行わず電磁撹拌も適用しなかった。そして、このスラブを分塊圧延を施すことなく、1100℃〜1130℃で再加熱後、850〜900で仕上げ熱延を終わり、厚み2.0mmの熱延板とし、600℃〜650で巻き取った。その後、酸洗でデスケーリングを行い、厚み0.70mmに一次冷間圧延し、ついで、脱脂して1025℃で60秒、水素30%残部窒素の雰囲気で光輝焼鈍を施した。その後厚み0.30mmに二次冷間圧延後、脱脂して1000℃で30秒間、水素30%残部窒素の雰囲気で光輝焼鈍(仕上焼鈍)を施した。そして磁気特性を測定すると共に表面性状を評価した。得られた磁気特性と上記評点によるリジングの判定も併せて表2に示す。なお、表2において、Lは圧延方向、Cは圧延方向に直角の方向の磁気特性であり、L+Cはそれらの平均値、L/Cはそれらの比率を表す。
これに対し、本発明の成分の規定を満たさない発明例では、磁気特性あるいは磁気時効の点で発明例より劣るものであり、鋼成分によっては、冷間圧延が正常にできないものであった。
さらに、発明例ではL/Cの値が比較例よりも大きく、発明例は圧延方向に優れた磁気特性を有するものであった。
圧延性も良好な実施例1の鋼成分10の溶鋼を用いて通常の連続鋳造でスラブを得て、分塊圧延を施すことなく、1100℃〜1130℃の範囲でスラブを再加熱し、仕上げ入り口温度930℃〜1000℃、出口温度840℃〜900℃として、巻き取り温度620℃〜690℃で巻き取る熱間圧延を施して2.0mmの熱間圧延鋼帯を得た。その後、酸洗を施してデスケーリングを行い、数々の中間製品板厚に一次冷延して、その後脱脂して水素30%残部窒素の雰囲気で光輝中間焼鈍を施し、次いで最終製品板厚に二次冷延を施し、脱脂して水素30%残部窒素の雰囲気で光輝最終焼鈍を行った。そして磁気特性を測定すると共に表面性状を評価した。
以上の製造の条件を表3−1に、また、磁気特性(L方向、C方向、L+C、L/C)とリジングの判定を表3−2に示す。
これに対し、本発明の製造条件を満たさない比較例では、リジング評点、磁気特性のいずれかが発明例より劣るものであった。
さらに、発明例ではL/Cの値が比較例よりも大きく、発明例は圧延方向に優れた磁気特性を有するものであった。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.0030%以下、Si:2.0〜3.5%、Al:0.20〜2.5%、Mn:0.10〜1.0%、Sn:0.03〜0.10%、かつSi+Al+Sn≦4.5%、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造法で製造し、次いでこの鋼スラブに熱間圧延を施し、次いで一次冷間圧延を施して中間厚の鋼板とし、次いでこの鋼板に中間焼鈍を施した後二次冷間圧延を施し、更に仕上焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造工程において、
前記一次冷間圧延の圧延率を60〜70%とし、
前記中間焼鈍を950〜1050℃で30〜90秒間施し、
前記二次冷間圧延の圧延率を55〜70%とし、かつ、(一次冷間圧延の圧延率)≧(二次冷間圧延の圧延率)を満足し、
前記仕上焼鈍を950℃以上で20〜90秒間施す
ことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記中間焼鈍後の結晶粒径の円相当直径が130〜250μmであ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の製造方法。
- 板厚が0.35mm未満の無方向性電磁鋼板を製造す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の製造方法。
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