JP2014040622A - 打抜加工による鉄損劣化の小さい無方向性電磁鋼板 - Google Patents

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Abstract

【課題】打抜加工前の鉄損特性に優れ、かつ、打抜加工による鉄損特性の劣化が小さい無方向性電磁鋼板を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０３〜３ｍａｓｓ％、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．０００１〜０．０００５ｍａｓｓ％およびＡｓ：０．０００５〜０．００５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、５０Ｈｚ、１．５Ｔ励磁時の鉄損Ｗ１５／５０が３．５Ｗ／ｋｇ以下であり、かつ鋼板打抜き時のダレ量ｘ（ｍｍ）と板厚ｔ（ｍｍ）の比（ｘ／ｔ）が０．１５以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
【選択図】図４

Description

本発明は、打抜加工前の鉄損特性に優れるだけでなく、打抜加工による鉄損特性の劣化が小さい無方向性電磁鋼板に関するものである。
近年、省エネルギー化という世界的な流れの中で、電気機器においても、高効率化が強く求められるようになってきている。そのため、電気機器の鉄心材料として広く使用されている無方向性電磁鋼板には、電気機器の高効率化を達成するため、鉄損を低減することが大きな課題となっている。上記要請に応えるため、無方向性電磁鋼板においては、従来から、主にＳｉやＡｌ等の元素を添加して固有抵抗を高めたり、あるいは、板厚を低減したりすることで低鉄損化を実現してきた。
ところで、モータなどの鉄心材料として無方向性電磁鋼板を使用した場合、そのモータ特性は、素材特性と比較して劣ることが知られている。これは、無方向性電磁鋼板の素材特性は、通常、３０ｍｍ幅の試験片を用いたエプスタイン試験にて評価されているが、実機のモータのティース幅やヨーク幅は５〜１０ｍｍと狭幅のものが多く、打抜加工時に導入される歪によって鉄損特性が劣化すること一因であると考えられている。このような打抜加工による磁気特性の劣化が小さい材料としては、例えば、特許文献１には、Ｓを０．０１５〜０．０３５ｗｔ％添加することによって剪断抵抗を小さくした無方向性電磁鋼板が開示されている。
特許第２９７０４３６号公報
しかしながら、特許文献１に開示の鋼板は、従来の無方向性電磁鋼板と比較して多量のＳを含有しているため、打抜加工前の素材自体の磁気特性に劣り、昨今における鉄損特性に対する厳しい要求には十分に応えることができない。そのため、打抜加工前の鉄損特性に優れるだけでなく、打抜加工による鉄損特性の劣化が小さい、すなわち、打抜加工後の鉄損特性にも優れる無方向性電磁鋼板の開発が強く望まれるようになってきている。
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、打抜加工前の鉄損特性に優れ、かつ、打抜加工による鉄損特性の劣化が小さい無方向性電磁鋼板を提供することにある。
発明者らは、上記課題を解決するべく、鋼板の成分組成と、打抜加工で発生する鋼板のダレの大きさ（以降、「ダレ量」ともいう。）が鉄損特性に及ぼす影響に着目し、鋭意検討を重ねた。その結果、打抜加工で発生する鋼板のダレの大きさは鉄損特性とよい相関があり、適正量のＳｅおよびＡｓを添加し、打抜加工で発生するダレを軽減することで、素材鋼板の鉄損特性を劣化させることなく、打抜加工による鉄損特性の劣化を抑制することができることを見出し、本発明を開発するに至った。
上記知見に基く本発明は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０３〜３ｍａｓｓ％、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．０００１〜０．０００５ｍａｓｓ％およびＡｓ：０．０００５〜０．００５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、５０Ｈｚ、１．５Ｔ励磁時の鉄損Ｗ１５／５０が３．５Ｗ／ｋｇ以下であり、かつ鋼板打抜き時のダレ量ｘ（ｍｍ）と板厚ｔ（ｍｍ）の比（ｘ／ｔ）が０．１５以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板である。
本発明の無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径が３０〜１５０μｍであることを特徴とする。
また、本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、Ｓｎ：０．００３〜０．５ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００３〜０．５ｍａｓｓ％のうちのいずれか１種または２種を含有することを特徴とする。
本発明によれば、打抜加工前の鉄損特性に優れ、かつ、打抜加工による鉄損特性の劣化が小さい無方向性電磁鋼板を提供することができるので、打抜加工して製造される鉄心を用いたモータ等の電気機器の高効率化に大いに寄与することができる。
打抜加工によるダレ量を定義する図である。 各試験片のエプスタイン試験における測定方法を説明する図である。 ダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）が鉄損劣化率に及ぼす影響を示すグラフである。 Ｓｅ含有量がダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）および鉄損Ｗ１５／５０に及ぼす影響を示すグラフである。 Ａｓ含有量がダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）および鉄損Ｗ１５／５０に及ぼす影響を示すグラフである。 平均結晶粒径がダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）および鉄損Ｗ１５／５０に及ぼす影響を示すグラフである。
本発明を開発する契機となった実験について説明する。
＜実験１＞
まず、打抜加工で発生するダレの大きさ（ダレ量）が、鉄損特性の劣化に及ぼす影響について調査するため、Ｃ：０．００２５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１８ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００１９ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０００１ｍａｓｓ％およびＡｓ：０．００１０ｍａｓｓ％を含有する鋼スラブを１１００℃×３０分加熱した後、熱間圧延して板厚２．０ｍｍの熱延板とし、９８０℃×３０秒の熱延板焼鈍を施した後、１回の冷間圧延で板厚０．２０〜０．５０ｍｍの各種板厚を有する冷延板とし、その後、９５０℃×１０秒の仕上焼鈍を施し、絶縁被膜を被成して無方向性電磁鋼板の製品板とした。なお、上記製品板の圧延方向（Ｌ方向）断面における平均結晶粒径を線分法で求めたところ、約８０μｍであった。
次いで、この製品板のＬ方向およびＣ方向から、長さ１８０ｍｍ×幅３０ｍｍおよび長さ１８０ｍｍ×幅１０ｍｍの試験片を、クリアランスを５％に設定した打抜加工により採取した。ここで、上記クリアランスとは、上型と下型との隙間を被加工材の板厚で除した値（％）である。また、幅１０ｍｍに打抜加工した試験片について、端面のダレの大きさ（ダレ量）を測定した。ここで、上記ダレ量は、図１のように定義した。
また、上記採取した試験片について、エプスタイン試験で鉄損Ｗ１５／５０を測定した。この際、幅１０ｍｍの試験片については、図２に示すように、幅方向に３枚並べて幅３０ｍｍの試験片にして測定した。このようにして測定することで、試験片の幅３０ｍｍの中に２ヶ所の剪断部分が含まれることになるので、打抜加工による鉄損特性への影響を評価することができる。なお、上記打抜加工による鉄損特性への影響は、下記式で定義されように、幅３０ｍｍの試験片の鉄損Ｗ１５／５０に対する幅１０ｍｍの試験片の鉄損Ｗ１５／５０の劣化率（鉄損劣化率）で評価した。
記
鉄損劣化率（％）＝{（Ｗ１５／５０（１０ｍｍ幅））−（Ｗ１５／５０（３０ｍｍ幅））}／（Ｗ１５／５０（３０ｍｍ幅））×１００
上記測定の結果について、図３に、打抜加工時のダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）と、鉄損劣化率との関係を示す。この図から、ダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）を０．１５以下とすることで、鉄損劣化率を２０％以下に低減できることがわかる。これは、ダレ量と板厚の比が大きいと、打抜加工した端面近傍に圧縮応力が残存し、磁気特性が劣化するためであると考えられる。この結果から、本発明では、ダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）を０．１５以下とすることとした。
＜実験２＞
次に、発明者らは、上記打抜端面のダレ量を低減する方策として、粒界偏析型元素であり、粒界強度を弱める元素であるＳｅとＡｓに着目し、以下の実験を行った。
Ｃ：０．００３０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．５ｍａｓｓ％、Ａｌ：１ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００２０ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００２２ｍａｓｓ％を含有し、かつ、Ｓｅを０．０００１〜０．００２ｍａｓｓ％、Ａｓを０．０００１〜０．０１０ｍａｓｓ％の範囲で添加した鋼スラブを１１００℃×３０分加熱した後、熱間圧延して板厚２．０ｍｍの熱延板とし、９８０℃×３０秒の熱延板焼鈍を施した後、１回の冷間圧延で板厚０．５０ｍｍの冷延板とし、その後、９７０℃×１０秒の仕上焼鈍し、絶縁被膜を被成して無方向性電磁鋼板の製品板とした。なお、鉄損測定では、幅１０ｍｍの試験片を幅方向に３枚並べて幅３０ｍｍの試験片として測定した。
斯くして得た製品板のＬ方向およびＣ方向から、クリアランスを５％に設定して打抜加工し、長さ１８０ｍｍ×幅１０ｍｍの試験片を採取し、前述した＜実験１＞と同様にして打抜端面のダレ量と、エプスタイン試験で鉄損Ｗ１５／５０を測定した。
図４は、ダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）および鉄損Ｗ１５／５０に及ぼすＳｅ含有量の影響を、また、図５は、ダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）および鉄損Ｗ１５／５０に及ぼすＡｓ含有量の影響を示したものである。これらの図から、Ｓｅ≧０．０００１ｍａｓｓ％、Ａｓ≧０．０００５ｍａｓｓ％でダレの大きさを小さくできることがわかる。これは、ＳｅおよびＡｓは、粒界偏析型元素であり、粒界強度を弱める効果があるため、打抜加工時の剪断抵抗が小さくなってダレ量が軽減されたものと考えられる。一方、Ｓｅ＞０．０００５ｍａｓｓ％、Ａｓ＞０．００５ｍａｓｓ％になると、鉄損特性が大きく劣化することがわかる。これは、ＳｅやＡｓを多量に添加したことによって、析出物が多量に形成され、ヒステリシス損が増大したためであると考えられる。
以上の結果から、本発明では、Ｓｅは０．０００１〜０．０００５ｍａｓｓ％、Ａｓは０．０００５〜０．００５ｍａｓｓ％の範囲で含有させることとした。
＜実験３＞
次に、発明者らは、ダレ量に及ぼす結晶粒径の影響について調査する実験を行った。
Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．５ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．００１ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１９ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００２４ｍａｓｓ％、Ｓｅ：０．０００１ｍａｓｓ％およびＡｓ：０．０００８ｍａｓｓ％を含有する鋼スラブを１１００℃×３０分加熱した後、熱間圧延して板厚２．０ｍｍの熱延板とし、１０００℃×３０秒の熱延板焼鈍を施し、１回の冷間圧延で板厚０．３５ｍｍの冷延板とした後、７５０〜１１００℃の範囲の種々の温度で１０秒間保持する仕上焼鈍を施して結晶粒径が異なる無方向性電磁鋼板の製品板とした。
斯くして得た製品板のＬ方向およびＣ方向から、クリアランスを５％に設定して打抜加工し、長さ１８０ｍｍ×幅３０ｍｍおよび長さ１８０ｍｍ×幅１０ｍｍの試験片を採取し、前述した＜実験１＞と同様にして打抜端面よりダレ量と、エプスタイン試験で鉄損Ｗ１５／５０を測定するとともに、製品板の圧延方向（Ｌ方向）断面における平均結晶粒径を線分法で求めた。なお、鉄損測定では、幅１０ｍｍの試験片を幅方向に３枚並べて幅３０ｍｍの試験片として測定した。
図６（ａ）は、結晶粒径がダレ量ｘと板厚ｔとの比（ｘ／ｔ）に及ぼす影響を示したものである。この図から、平均結晶粒径を１５０μｍ以下にすることで、打抜加工時のダレ量を低減できることがわかる。これは、結晶粒径が小さくなると、粒界の頻度が高くなり、打抜加工時の剪断抵抗が小さくなるためであると考えられる。また、図６（ｂ）は、結晶粒径が鉄損Ｗ１５／５０に及ぼす影響を示したものである。この図から、平均結晶粒径が３０μｍ以下になると、鉄損Ｗ１５／５０が劣化することがわかる。これは、結晶粒径が小さくなることでヒステリシス損が大きくなるためであると考えられる。
以上のことから、本発明の無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径が３０〜１５０μｍの範囲が好ましいことがわかる。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の成分組成を限定する理由について説明する。
Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｃは、０．００５ｍａｓｓ％を超えて含有すると、磁気時効を起こして鉄損が劣化するおそれがある。よって、本発明では、Ｃは０．００５ｍａｓｓ％以下とする。
Ｓｉ：２〜７ｍａｓｓ％
Ｓｉは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減するのに有効な元素であるが、２ｍａｓｓ％未満では上記効果は小さい。一方、７ｍａｓｓ％を超えると、鋼が硬化し、圧延して製造することを困難とする。よって、Ｓｉは２〜７ｍａｓｓ％の範囲とする。
Ｍｎ：０．０３〜３ｍａｓｓ％
Ｍｎは、熱間加工性を改善するために必要な元素であるが、０．０３ｍａｓｓ％未満では上記効果が十分ではなく、一方、３ｍａｓｓ％を超える添加は、原料コストの上昇を招く。よって、Ｍｎは０．０３〜３ｍａｓｓ％の範囲とする。
Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減するのに有効な元素である。しかし、３ｍａｓｓ％を超える添加は、鋼が硬化し、圧延して製造することを困難とする。よって、Ａｌは３ｍａｓｓ％以下とする。
Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下
Ｐは、鋼の固有抵抗を高め、鉄損を低減するために添加されるが、０．２ｍａｓｓ％を超えて添加すると、鋼板の脆化が著しくなり、冷間圧延において破断を引き起こすようになる。よって、Ｐは０．２ｍａｓｓ％以下に制限する。
Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下
ＳおよびＮは、いずれも不可避的不純物元素であり、０．００５ｍａｓｓ％を超えて含有すると、磁気特性を劣化させる。よって、ＳおよびＮは、それぞれ０．００５ｍａｓｓ％以下に制限する。
Ｓｅ：０．０００１〜０．０００５ｍａｓｓ％およびＡｓ：０．０００５〜０．００５ｍａｓｓ％
ＳｅおよびＡｓは、前述したように、粒界偏析型元素であり、粒界強度を弱めることによって打抜加工時のダレの発生を抑制する効果がある。上記効果はＳｅ：０．０００１ｍａｓｓ％以上、Ａｓ：０．０００５ｍａｓｓ％以上の添加で得られる。一方、Ｓｅ：０．０００５ｍａｓｓ％、Ａｓ：０．００５ｍａｓｓ％を超える添加は、析出物が多量に形成され、ヒステリシス損が増大するため、鉄損特性が劣化する。よって、ＳｅおよびＡｓはＳｅ：０．０００１〜０．０００５ｍａｓｓ％、Ａｓ：０．０００５〜０．００５ｍａｓｓ％の範囲とする。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記必須とする成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。ただし、鉄損特性の改善を目的として、Ｓｎ：０．００３〜０．５ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００３〜０．５ｍａｓｓ％のうちのいずれか１種または２種を添加してもよい。
ＳｎおよびＳｂは、鋼板表層の酸化や窒化、および、それに伴う表層微細粒の生成を抑制し、磁気特性の劣化を防止する作用効果を有する元素である。斯かる効果を発現させるためには、それぞれ０．００３ｍａｓｓ％以上含有させることが好ましい。一方、０．５ｍａｓｓ％を超えると、結晶粒の成長性が阻害されて磁気特性の劣化を招くおそれがある。よって、ＳｎおよびＳｂは、それぞれ０．００３〜０．５ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。
次に、本発明に無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、本発明に適合する上記成分組成を有する鋼を転炉や電気炉、真空脱ガス装置などを用いた常法の精錬プロセスで溶製し、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で鋼スラブとした後、この鋼スラブを熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍し、冷間圧延し、仕上焼鈍し、絶縁被膜を被成する一連の工程からなるものであることが好ましい。ここで、上記製造方法において、熱延板焼鈍以前の製造条件に特に制限はなく、通常公知の条件で製造することができる。
また、冷間圧延は、１回の冷間圧延でもよく、あるいは、中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延としてもよい。また、その圧下率も、通常の無方向性電磁鋼板の製造条件と同様で構わない。
また、仕上焼鈍は、平均結晶粒径を本発明の好ましい範囲（３０〜１５０μｍ）となるよう焼鈍条件を設定すること以外は特に制限はなく、通常の無方向性電磁鋼板の焼鈍条件に準じて行うことができる。ここで、上記結晶粒径の範囲とするためには、焼鈍温度は７７０〜１０５０℃の範囲とするのが好ましく、８００〜１０２０℃の範囲とするのがより好ましい。
表１に示した各種成分組成を有する鋼スラブを１１００℃×３０分加熱した後、熱間圧延して板厚２．０ｍｍの熱延板とし、１０００℃×３０秒の熱延板焼鈍を施した後、１回の冷間圧延で、表２に示した種々の板厚の冷延板とし、その後、同じく表２示した種々の温度で１０秒間保持する仕上焼鈍を施し、無方向性電磁鋼板の製品板とした。
Figure 2014040622
Figure 2014040622
斯くして得た製品板のＬ方向およびＣ方向から、長さ１８０ｍｍ×幅３０ｍｍおよび長さ１８０ｍｍ×幅１０ｍｍのサンプルを、クリアランスを５％に設定して打抜加工して採取し、エプスタイン試験にて鉄損Ｗ１５／５０を測定した。なお、長さ１８０ｍｍ×幅１０ｍｍのサンプルについては、図２のように、幅１０ｍｍの試験片を３枚並べて幅３０ｍｍの試験片として測定に供し、鉄損劣化率を求めた。また、上記製品板について、打抜加工後の端面におけるダレ量と、圧延方向（Ｌ方向）断面における平均結晶粒径を線分法にて求めた。
上記の測定結果を、表２に併記した。表２から、本発明の条件を満たす無方向性電磁鋼板は、打抜加工前の鉄損特性に優れるだけでなく、打抜加工後の鉄損特性にも優れており、打抜加工による鉄損特性に劣化を抑制できていることがわかる。

Claims (3)

  1. Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：２〜７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．０３〜３ｍａｓｓ％、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．２ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｅ：０．０００１〜０．０００５ｍａｓｓ％およびＡｓ：０．０００５〜０．００５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、５０Ｈｚ、１．５Ｔ励磁時の鉄損Ｗ１５／５０が３．５Ｗ／ｋｇ以下であり、かつ、鋼板打抜き時のダレ量ｘ（ｍｍ）と板厚ｔ（ｍｍ）との比（ｘ／ｔ）が０．１５以下であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
  2. 平均結晶粒径が３０〜１５０μｍ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。
  3. 上記成分組成に加えてさらに、Ｓｎ：０．００３〜０．５ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００３〜０．５ｍａｓｓ％のうちのいずれか１種または２種を含有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。
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