JP2020503444A - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
無方向性電磁鋼板では鉄損と磁束密度が非常に重要な特性である。鉄損はエネルギ変換過程で損失されるエネルギであるため、低いほど良く、磁束密度は出力と関係するので高いほど良い。最近の電動機および発電機に求められる高効率の特性のためには低鉄損および高磁束密度の特性を同時に有する磁性に優れた無方向性電磁鋼板が必要となっている。鉄損を低くするための最も効率的な方法としては、無方向性電磁鋼板の主な添加元素であるSi、Al、Mn添加量を増加させ、鋼の比抵抗を増加させる方法があるが、合金元素の添加量の増加は、磁束密度を減少させ、生産性を低下させる短所を有しているので、最適の添加量の導き出しにより鉄損と磁束密度を同時に向上させる方向への技術が開発されてきた。
このような問題を解決するために、集合組織の向上による磁性改善のために鋼中の酸化物系介在物の中のMnOとSiO2の組成質量比(MnO/SiO2)を調節し、熱間圧延時の仕上げ圧延を鋼鉄とロールとの間の摩擦係数が0.2以下であり、かつ仕上げ圧延温度が700℃以上のフェライト単相領域で実施後に熱延板焼鈍、冷間圧延、冷延板焼鈍する方法が提示された。ただし、この時、熱延板の厚さを1.0mm以下に制御しなければならないため生産性が落ちるので、商業的な生産が難しい問題がある。
また、磁気的特性を向上させるために熱延板に中間焼鈍を含む2回圧延2回焼鈍する方法が提示され、冷間圧延時に中間焼鈍を含んで2回圧延する方法が提示されたが、これも圧延−焼鈍工程の追加により製造コストの増加が発生する問題がある。
[数1]
0.1≦([Zn]+[B])×100/[H2]≦0.6
数1において、[Zn]および[B]は、それぞれZnおよびBの含有量(質量%)を示し、[H2]は、雰囲気ガス内の水素ガス含有量(体積%)を示す。
ここで使われる専門用語は、単に特定の実施例を言及するためのものであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使われる単数形は文面がこれと明確に反対の意味を示さない限り複数形も含む。明細書で使われる「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および/または成分の存在や付加を除外させるものではない。
他に定義のない限り、本願で用いられる技術用語及び科学用語を含む全ての用語は、本発明が属する技術分野における者により普通に理解される意味と同じ意味を持つ。一般に用いられている辞書で定義されているような用語は、関連技術文献と現在開示されている内容に合う意味を持つものと追加解釈され、定義されていない限り理想的や公式的過ぎる意味に解釈されない。
また、特記しない限り、%は質量%を意味し、1ppmは0.0001質量%である。
本発明の一実施例で追加元素をさらに含むことの意味は、追加元素の追加量だけ残部である鉄(Fe)を代替して含むことを意味する。
以下、本発明の実施例に対し、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施例に限定されない。
さらに、P:0.001〜0.1質量%、C:0.005質量%以下、S:0.001〜0.005質量%、N:0.005質量%以下およびTi:0.005質量%以下を含む。
また、SnおよびSbのうち1種以上を単独またはその合量で0.06質量%以下をさらに含む。
また、Cu:0.05質量%以下、Ni:0.05質量%以下、Cr:0.05質量%以下、Zr:0.01質量%以下、Mo:0.01質量%以下、およびV:0.01質量%以下のうち1種以上をさらに含む。
Si:1.0〜4.0質量%
ケイ素(Si)は、鋼の比抵抗を増加させて鉄損のうち渦流損失を低くするために添加される主な元素である。過度に少なく添加される場合、鉄損改善効果が不十分となる。逆に過度に多く添加される場合、磁束密度を減少させて圧延性を低下させる。したがって、前述した範囲でSiを添加する。
Mn:0.1〜1.0質量%
マンガン(Mn)は、Si、Alなどとともに比抵抗を増加させて鉄損減少のために添加され、集合組織を改善する効果がある。添加量が過度に少ない場合、磁性に及ぼす影響が微弱であり、添加量が過度に多い場合、磁束密度を大きく低下させる。したがって、前述した範囲でMnを添加する。
アルミニウム(Al)は、Siと同様に比抵抗を増加させて鉄損を減少させる役割をする。過度に多く添加されると、磁束密度を大きく減少させる。したがって、前述した範囲でAlを添加する。より具体的にはAlを0.1〜1.0質量%含む。
Zn:0.001〜0.01質量%
亜鉛(Zn)は、含有量が過度である場合、不純物として作用して磁性を劣らせ、逆に含有量が過度に少ない場合、磁性に及ぼす影響が微弱である。したがって、前述した範囲でZnを添加する。
B:0.0005〜0.005質量%
ホウ素(B)は、Nと強く結合する元素としてTi、Nb、Alなどとの窒化物の形成を抑制するために添加される元素である。添加量が過度に少ない場合、その効果が微弱であり、添加量が過度に多い場合、BN化合物自体によって磁性を低下させる。したがって、前述した範囲でBを添加する。
リン(P)は、比抵抗を増加させて鉄損を低くする役割をし、結晶粒界に偏析して集合組織を向上させる役割をする。ただし、高合金鋼では圧延性を低下させる元素であるため、Pがさらに添加される場合、前述した範囲でPを添加する。
C:0.005質量%以下
炭素(C)は、Tiなどと結合して炭化物を形成して磁性を低下させ、最終製品から電気製品への加工後の使用時、磁気時効によって鉄損を高めるので、含有量が低いほど好ましい。Cがさらに添加される場合、前述した範囲でCを添加する。
S:0.001〜0.005質量%
硫黄(S)は、磁気的特性に有害なMnS、CuSおよび(Cu,Mn)Sなどの硫化物を形成する元素であるので、できるだけ低く添加することが好ましい。しかし、過度に少なく添加される場合、かえって集合組織形成に不利であるため、磁性が低下する。また過度に多く添加される場合は、微細な硫化物の増加によって磁性が劣る。したがって、Sがさらに添加される場合、前述した範囲でSを添加する。
窒素(N)は、Al、Tiなどと強く結合することによって窒化物を形成して結晶粒成長を抑制するなど磁性に有害な元素であるため、含有量は少ないほど好ましい。Nがさらに添加される場合、前述した範囲でNを添加する。
Ti:0.005質量%以下
チタニウム(Ti)は、微細な炭化物と窒化物を形成して結晶粒成長を抑制し、多く添加されるほど増加した炭化物と窒化物によって集合組織も劣るため磁性が悪くなる。Tiがさらに添加される場合、前述した範囲でTiを添加する。
スズ(Sn)およびアンチモン(Sb)は、結晶粒界偏析元素であり、結晶粒界による窒素の拡散を抑制して磁性に有害な{111},{112}集合組織の形成を抑制して磁性に有利な{100}および{110}集合組織を増加させて磁気的特性を向上させるために添加するが、その添加量が少ない場合、効果が少なく、添加量が多い場合は、かえって結晶粒成長を抑制して磁性を落とす。SnまたはSbが添加される場合、単独またはその合量で0.06質量%以下さらに含む。すなわち、Snを単独で含む場合、Snを0.06質量%以下含むか、Sbを単独で含む場合、Sbを0.06質量%以下含むか、SnおよびSbを含む場合、SnおよびSbの合量で0.06質量%以下含む。
不純物元素
前記元素の他にもCu、Ni、Cr、Zr、Mo、Vなどの不可避に混入される不純物がある。Cu、Ni、Crの場合、不純物元素と反応して微細な硫化物、炭化物および窒化物を形成して磁性に有害な影響を及ぼすので、これらの含有量をそれぞれ0.05質量%以下に制限する。Zr、Mo、Vなども強力な炭窒化物形成元素であるので、可能な限り添加しないことが好ましく、それぞれ0.01質量%以下とする。
以下では各段階別に具体的に説明する。
先にスラブを加熱する。スラブ内の各組成の添加比率を限定した理由は、前述した無方向性電磁鋼板の組成を限定した理由と同一であるため、重複する説明は省略する。後述する熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、最終焼鈍などの製造過程でスラブの組成は、実質的に変動しないので、スラブの組成と無方向性電磁鋼板の組成が実質的に同一である。
スラブを加熱炉に裝入して1100〜1200℃で加熱する。1200℃を超える温度で加熱時スラブ内に存在するAlN、MnSなどの析出物が再固溶された後、熱間圧延時に微細析出されて結晶粒成長を抑制して磁性を低下させる。
熱延板を製造する段階以後、熱延板を熱延板焼鈍する段階をさらに含む。この時、熱延板焼鈍温度は1000〜1200℃である。熱延板焼鈍温度が過度に低い場合、結晶粒成長が不充分であるため、磁性が劣り、焼鈍温度が過度に高い場合、結晶粒が粗大で冷間圧延性が劣る。
次に、熱延板を酸洗して所定の板厚になるように冷間圧延する。熱延板の厚さに応じて異なるように適用できるが、50〜95%の圧下率を適用して最終の厚さが0.10〜0.70mmになるように冷間圧延して冷延板を製造する。必要に応じて、中間焼鈍を含む複数の冷間圧延工程を含む。
最終冷間圧延された冷延板は、最終焼鈍を行う。最終焼鈍温度は、750〜1050℃である。最終焼鈍温度が過度に低いと再結晶が十分でなく、最終焼鈍温度が過度に高いと結晶粒の急激な成長が発生して磁束密度と高周波鉄損が劣る。具体的には900〜1000℃の温度で最終焼鈍する。
[数1]
0.1≦([Zn]+[B])×100/[H2]≦0.6
式1において、[Zn]および[B]は、それぞれZnおよびBの含有量(質量%)を示し、[H2]は、雰囲気ガス内の水素ガス含有量(体積%)を示す。
最終焼鈍過程において、前段階の冷間圧延段階で形成された加工組織がすべて(すなわち、99%以上)再結晶される。最終焼鈍された鋼板の結晶粒は、平均結晶粒径が50〜150μmである。
このようにして製造された無方向性電磁鋼板は、絶縁被膜処理される。絶縁被膜は、有機質、無機質および有無機複合被膜に処理される。その他絶縁が可能な被膜剤で処理することも可能である。
実施例
表1および表2の組成で、残部がFeおよび不可避不純物からなるスラブを製造した。スラブを1140℃で加熱し、880℃の仕上げ温度で熱間圧延して板厚み2.5mmの熱延板を製造した。熱間圧延した熱延板は、1030℃で100秒間熱延板焼鈍後、酸洗および冷間圧延して厚さを0.50mmにして、1020℃で100秒間最終焼鈍を行った。最終焼鈍過程で雰囲気ガスを水素ガスおよび窒素ガスの混合ガスにし、水素ガスの比率を下記表3のように変更した。
最終焼鈍後、鋼板の表面に形成された粒径50〜200nmのSi酸化物の密度を測定して下記表3に整理し、各試験片に対する磁束密度(B50)、鉄損(W15/50)を表3に示した。鉄損(W15/50)は、50Hz周波数で1.5Teslaの磁束密度が誘起されたときの圧延方向と圧延方向垂直方向の平均損失(W/kg)であり、磁束密度(B50)は、5000A/mの磁場を付加したとき誘導される磁束密度の大きさ(Tesla)である。
これに対し、A2とA6は、Znが管理範囲を満たすことができず、最終焼鈍時の雰囲気ガス内の水素比率が適切にできなかった。またSi酸化物が多量生成され、その結果、劣った鉄損W15/50と磁束密度B50が示された。
A5とA12は、Bが管理範囲を満たすことができず、最終焼鈍時の雰囲気ガス内の水素比率が適切に含まれなかった。またSi酸化物が多量生成され、その結果、劣った鉄損W15/50と磁束密度B50が示された。
また、A9は、ZnとBがそれぞれの管理範囲を満たすことができず、最終焼鈍時の雰囲気ガス内の水素比率が適切に含まれなかった。Si酸化物が多量生成され、その結果、劣った鉄損W15/50と磁束密度B50が示された。
本発明は実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造され、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せず、他の具体的な形態で実施できることを理解することができる。したがって、上記実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的なものではないと理解しなければならない。
Claims (12)
- 質量%でSi:1.0〜4.0%、Mn:0.1〜1.0%、Al:0.1〜1.5%、Zn:0.001〜0.01%、B:0.0005〜0.005%を含み、残部がFeおよび不可避不純物からな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は、P:0.001〜0.1質量%、C:0.005質量%以下、S:0.001〜0.005質量%、N:0.005質量%以下およびTi:0.005質量%以下をさらに含む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は、SnおよびSbのうち1種以上を単独またはその合量で0.06質量%以下さらに含む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は、Cu:0.05質量%以下、Ni:0.05質量%以下、Cr:0.05質量%以下、Zr:0.01質量%以下、Mo:0.01質量%以下、およびV:0.01質量%以下のうち1種以上をさらに含む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表面に対し、粒径が50〜200nmであるSi酸化物の密度が5個/μm2以下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。
- 前記無方向性電磁鋼板は、鉄損(W15/50)が2.80W/kg以下であり、磁束密度(B50)が1.70T以上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。
- 質量%でSi:1.0〜4.0%、Mn:0.1〜1.0%、Al:0.1〜1.5%、Zn:0.001〜0.01%、B:0.0005〜0.005%を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなるスラブを加熱する段階と、
スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階と、
前記熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階と、
前記冷延板を最終焼鈍する段階とを含むことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記スラブは、P:0.001〜0.1質量%、C:0.005質量%以下、S:0.001〜0.005質量%、N:0.005質量%以下およびTi:0.005質量%以下をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記スラブは、SnおよびSbのうち1種以上を単独またはその合量で0.06質量%以下さらに含むことを特徴とする請求項7に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記スラブは、Cu:0.05質量%以下、Ni:0.05質量%以下、Cr:0.05質量%以下、Zr:0.01質量%以下、Mo:0.01質量%以下、およびV:0.01質量%以下のうち1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記熱延板を製造する段階以後、
前記熱延板を熱延板焼鈍する段階をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記最終焼鈍する段階は、雰囲気ガスとして水素ガスを含み、
前記雰囲気ガス内の水素ガス含量比が数1を満たすことを特徴とする請求項7に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
[数1]
0.1≦([Zn]+[B])×100/[H2]≦0.6
式1において、[Zn]および[B]は、それぞれZnおよびBの含有量(質量%)を示し、[H2]は、雰囲気ガス内の水素ガス含有量(体積%)を示す。
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