JP2020509245A - 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
無方向性電磁鋼板の磁気的特性は、代表的に鉄損と磁束密度により評価する。鉄損は、特定の磁束密度と周波数で発生するエネルギー損失を意味し、磁束密度は、特定の磁場下で得られる磁化の程度を意味する。鉄損が低いほど同一の条件でエネルギー効率が高いモータを製造することができ、磁束密度が高いほどモータを小型化させ、また銅損を減少させられるので、低い鉄損と高い磁束密度を有する無方向性電磁鋼板を作ることが重要である。
無方向性電磁鋼板の磁気的特性を増加させるために通常使用される方法は、Siなどの合金元素を添加することである。このような合金元素の添加により鋼の比抵抗を増加させることができるが、比抵抗が高くなるほど渦電流損失が減少して、全体鉄損を低下させることができる。鋼の比抵抗増加のために、Siとともに、Al、Mnなどの元素を添加して、磁性に優れた無方向性電磁鋼板を生産することができる。
このような問題点を解決するために、Ti、C、Nなどの含有量を適切に制御して、強度に優れていながら同時に高周波磁性に優れた無方向性電磁鋼板を製造する方策を提示した。しかし、前記発明は、既存の最高級無方向性電磁鋼板に比べて強度には優れているが、過度のC、N含有量によって炭窒化物が多量生成されて、実際には磁性が劣化する限界を露呈することになる。
[数1]
0.004≦([C]+[N])≦0.022
数1中、[C]および[N]は、それぞれCおよびNの含有量(質量%)を示す。
[数2]
{0.5×([C]+[N])+0.001}≦[V]
数2中、[C]、[N]、および[V]は、それぞれC、N、およびVの含有量(質量%)を示す。
[数3]
([円周鉄損平均]−[LC鉄損平均])/([円周鉄損平均]+[LC鉄損平均])≦0.03
(数3中、[円周鉄損平均]は、圧延方向で0、15、30、45、60、75および90°角度におけるW15/50測定平均値を示し、[LC鉄損平均]は、圧延方向で0および90°角度におけるW15/50測定平均値を示す。)
[数1]
0.004≦([C]+[N])≦0.022
数1中、[C]および[N]は、それぞれCおよびNの含有量(質量%)を示す。
[数2]
{0.5×([C]+[N])+0.001}≦[V]
数2中、[C]、[N]、および[V]は、それぞれC、N、およびVの含有量(質量%)を示す。
[数3]
([円周鉄損平均]−[LC鉄損平均])/([円周鉄損平均]+[LC鉄損平均])≦0.03
(数3中、[円周鉄損平均]は、圧延方向で0、15、30、45、60、75、90°角度におけるW15/50測定平均値を示し、[LC鉄損平均]は、圧延方向で0、90°角度におけるW15/50測定平均値を示す。)
ここで使用される専門用語は、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。ここで使用される単数形態は、文言がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。明細書で使用される「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わけではない。
別途に定義しないものの、ここに使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。
また、特に言及しない限り、%は、質量%を意味し、1ppmは、0.0001質量%である。
本発明の一実施形態において、追加の元素をさらに含むとの意味は、追加元素の追加量だけ残部の鉄(Fe)を代替して含むことを意味する。
以下、本発明の実施例について、本発明の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しく説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板は、質量%で、Si:2.0〜4.0%、Al:0%超1.5%以下、Mn:0%超1.5%以下、Cr:0.01〜0.5%、V:0.0080〜0.015%、C:0%超0.015%以下、N:0%超0.015%以下を含み、残部はFeおよび不可避不純物からなる。
Si:2.0〜4.0質量%
ケイ素(Si)は、材料の比抵抗を高めて鉄損を低くする役割を果たし、過度に少なく添加される場合、高周波鉄損の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、材料の硬度が上昇して冷間圧延性が極度に悪化して、生産性および打抜性に劣ることがある。したがって、前述した範囲でSiを添加する。
Al:1.5質量%以下
アルミニウム(Al)は、材料の比抵抗を高めて鉄損を低くする役割を果たし、過度に多く添加されると、窒化物が過剰形成されて磁性を劣化させることがあり、製鋼と連続鋳造などのすべての工程上に問題を生じて生産性を大きく低下させることがある。したがって、前述した範囲でAlを添加する。さらに具体的には、Alを0.1〜1.3質量%含む。
マンガン(Mn)は、材料の比抵抗を高めて鉄損を改善し、硫化物を形成させる役割を果たし、過度に多く添加されると、磁性に不利な{111}集合組織の形成を助長して磁束密度が減少することがある。したがって、前述した範囲でMnを添加する。さらに具体的には、Mnを0.1〜1.2質量%含む。
Cr:0.01〜0.5質量%
クロム(Cr)は、材料の比抵抗を高めかつ結晶粒成長性を向上させる効果がある。Crは、CとNの活動度を減少させて炭窒化物の形成を抑制し、再結晶開始温度を下げて同一の焼鈍温度でより大きい結晶粒を作る。特に、Crの添加によって{113}<uvw>集合組織が発達するが、この集合組織は{001}<uvw>集合組織に比べて磁気異方性を減少させる。Crが過度に少なく添加されると、前述した効果がわずかであり、過度に多く添加されると、むしろCrが炭化物を生成して磁性を劣化させる。さらに具体的には、Crを0.02〜0.35質量%含む。
バナジウム(V)は、素材内で炭窒化物を形成して結晶粒成長を抑制し、磁区の動きを妨げて主に磁性を劣化させる。しかし、本発明の一実施形態では、Crの添加によって、CrとVとが結合して生成される炭窒化物が顕著に抑制されるので、磁性劣化の影響が少なく、Vの添加によって磁性に不利な{111}<uvw>集合組織の分率が減少することがある。Vが過度に少なく添加されると、前述した効果がわずかであり、過度に多く添加されると、むしろVが炭窒化物を生成して磁性を劣化させる。さらに具体的には、Vを0.008〜0.012質量%含む。
C:0.015質量%以下
炭素(C)は、磁気時効を起こし、その他の不純物元素と結合して炭化物を生成して磁気的特性を低下させるので、低く含有するほど好ましい。本発明の一実施形態では、Crを適正量添加して、Cを0.015質量%以下まで多量含むことができる。さらに具体的には、0.0040〜0.0140質量%含む。
窒素(N)は、母材の内部に微細で長いAlN析出物を形成するだけでなく、その他の不純物と結合して微細な窒化物を形成して結晶粒成長を抑制して鉄損を悪化させるので、低く含有するほど好ましい。本発明の一実施形態では、Crを適正量添加して、Nを0.015質量%以下まで多量含む。より具体的には、0.0040質量%〜0.0145質量%含む。
前述した炭素および窒素は、それぞれ単独でのみならず、その合量で管理する必要がある。本発明の一実施形態において、炭素および窒素は、下記数1を満足できる。
[数1]
0.004≦([C]+[N])≦0.022
(数1中、[C]および[N]は、それぞれCおよびNの含有量(質量%)を示す。)
炭素および窒素は、炭化物および窒化物を形成して磁性を悪化させるので、最大限に低く含有するほど好ましい。本発明の一実施形態では、Crを適正量添加して、CおよびNの含有量を多量含む。ただし、その含有量が0.022質量%を超える場合、磁性を劣化させる原因になるので、その合量を0.022質量%に制限する。
[数2]
{0.5×([C]+[N])+0.001}≦[V]
数2中、[C]、[N]、および[V]は、それぞれC、N、およびVの含有量(質量%)を示す。
数2を満足しない場合、{111}<uvw>集合組織が十分に抑制できず磁性に劣る問題が発生する。
不純物元素
前記の元素以外にも、S、Ti、Nb、Cu、B、Mg、Zrなどの不可避に混入する不純物が含まれる。これらの元素は微量であるが、鋼内介在物の形成などによる磁性の悪化を招くので、S:0.005質量%以下、Ti:0.005質量%以下、Nb:0.005質量%以下、Cu:0.025質量%以下、B:0.001質量%以下、Mg:0.005質量%以下、Zr:0.005質量%以下に管理しなければならない。
さらに、鋼板の厚さ方向の断面の結晶方位が{111}<uvw>から15度以内の方位を有する結晶粒を20%以下含む。結晶方位が{111}<uvw>の結晶粒は、平均磁性が低くて、本発明の一実施形態では少なく含む。また、鋼板の厚さ方向の断面の結晶方位が{001}<uvw>から15度以内の方位を有する結晶粒を15〜25%含む。結晶方位が{001}<uvw>の結晶粒は、平均磁性は高いものの、磁気異方性も高くて、適切な分率を維持することが好ましい。
[数3]
([円周鉄損平均]−[LC鉄損平均])/([円周鉄損平均]+[LC鉄損平均])≦0.03
数3中、[円周鉄損平均]は、圧延方向で0、15、30、45、60、75および90°角度におけるW15/50測定平均値を示し、[LC鉄損平均]は、圧延方向で0および90°角度におけるW15/50測定平均値を示す。
このように、本発明の無方向性電磁鋼板は、円周鉄損平均値と、LC鉄損平均値との差が大きくなく、磁気異方性が大きくない。
さらに具体的には、円周鉄損平均値(W15/50)が2.60W/Kg以下であり、LC鉄損平均値(W15/50)が2.50W/kg以下である。また、磁束密度(B50)が1.68T以上である。このように、本発明の無方向性電磁鋼板は、磁性に優れている。
まず、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の限定理由と同一であるので説明を省略する。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において、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とが実質的に同一である。
加熱されたスラブは、2〜2.3mmに熱間圧延して熱延板に製造される。熱延板を製造する段階における仕上げ温度は、800〜1000℃である。
熱延板を製造する段階の後、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、850〜1150℃である。熱延板焼鈍温度が850℃未満であれば、組織が成長せず、ある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1150℃を超えると、磁気特性がむしろ劣化し、板形状の変形によって圧延作業性が悪くなる。温度範囲は、950〜1125℃である。さらに具体的には、熱延板の焼鈍温度は、900〜1100℃である。熱延板焼鈍は、必要に応じて磁性に有利な方位を増加させるために行われるものであり、省略も可能である。
最終冷間圧延された冷延板は、最終焼鈍を実施する。最終焼鈍温度は、750〜1050℃とする。最終焼鈍温度が低すぎると、再結晶が十分に発生せず、最終焼鈍温度が高すぎると、結晶粒の急激な成長が発生して磁束密度と高周波鉄損に劣ることがある。さらに具体的には、900〜1000℃の温度で最終焼鈍する。最終焼鈍過程において、前の段階の冷間圧延段階で形成された加工結晶がすべて(つまり、99%以上)再結晶する。最終焼鈍された鋼板の結晶粒は、平均結晶粒径が50〜95μmになる。
実施例
下記表1のように組成され、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℃に加熱し、880℃の仕上げ温度で熱間圧延して、板厚さ2.3mmの熱延板を製造した。熱間圧延された熱延板は、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0.35mmにし、1000℃で110秒間最終焼鈍を施した。
各試験片に対する磁束密度(B50)、円周鉄損平均値(W15/50)、LC鉄損平均値(W15/50)、数3の値、{001}、{113}、{111}方位分率(%)を表2に示した。磁束密度、鉄損などの磁気的特性は、それぞれの試験片に対して、幅30mm×長さ305mm×枚数20枚の試験片を切断して、Epstein testerで測定した値を示した。この時、B50は、5000A/mの磁場で誘導される磁束密度であり、W15/50は、50Hzの周波数で1.5Tの磁束密度を誘起した時の鉄損を意味する。円周鉄損平均は、圧延方向で0、15、30、45、60、75および90度回転した方向に切断された試験片で測定した鉄損値の平均であり、LC鉄損平均は、圧延方向で0および90度回転した方向に切断された試験片の測定鉄損値平均である。
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可能であり、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態で実施可能であることを理解するであろう。そのため、以上に述べた実施例はあらゆる面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
Claims (15)
- 質量%で、Si:2.0〜4.0%、Al:0%超1.5%以下、Mn:0%超1.5%以下、Cr:0.01〜0.5%、V:0.0080〜0.015%、C:0%超0.015%以下、N:0%超0.015%以下を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなり、下記数1を満足することを特徴とする無方向性電磁鋼板。
[数1]
0.004≦([C]+[N])≦0.022
数1中、[C]および[N]は、それぞれCおよびNの含有量(質量%)を示す。 - 前記無方向性電磁鋼板は、数2を満足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。
[数2]
{0.5×([C]+[N])+0.001}≦[V]
数2中、[C]、[N]、および[V]は、それぞれC、N、およびVの含有量(質量%)を示す。 - 前記無方向性電磁鋼板は、S:0%超0.005質量%以下、Ti:0%超0.005質量%以下、Nb:0%超0.005質量%以下、Cu:0%超0.025質量%以下、B:0%超0.001質量%以下、Mg:0%超0.005質量%以下、およびZr:0%超0.005質量%以下のうちの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は、鋼板の厚さ方向の断面の結晶方位が{113}<uvw>から15度以内の方位を有する結晶粒を35%以上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、鋼板の厚さ方向の断面の結晶方位が{111}<uvw>から15度以内の方位を有する結晶粒を20%以下含むことを特徴とする請求項4に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記無方向性電磁鋼板は、鋼板の厚さ方向の断面の結晶方位が{001}<uvw>から15度以内の方位を有する結晶粒を15〜25%含むことを特徴とする請求項5に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記無方向性電磁鋼板は、数3を満足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。
[数3]
([円周鉄損平均]−[LC鉄損平均])/([円周鉄損平均]+[LC鉄損平均])≦0.03
数3中、[円周鉄損平均]は、圧延方向で0、15、30、45、60、75および90°角度におけるW15/50測定平均値を示し、[LC鉄損平均]は、圧延方向で0および90°角度におけるW15/50測定平均値を示す。 - 前記円周鉄損平均の値(W15/50)が2.60W/Kg以下であり、LC鉄損平均値(W15/50)が2.50W/kg以下であることを特徴とする請求項7に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記無方向性電磁鋼板は、磁束密度(B50)が1.68T以上であることを特徴とする請求項8に記載の無方向性電磁鋼板。
- 質量%で、Si:2.0〜4.0%、Al:0%超1.5%以下、Mn:0%超1.5%以下、Cr:0.01〜0.5%、V:0.0080〜0.015%、C:0%超0.015%以下、N:0%超0.015%以下を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなり、数1を満足す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。
[数1]
0.004≦([C]+[N])≦0.022
数1中、[C]および[N]は、それぞれCおよびNの含有量(質量%)を示す。 - 前記スラブは、数2を満足することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
[数2]
{0.5×([C]+[N])+0.001}≦[V]
数2中、[C]、[N]、および[V]は、それぞれC、N、およびVの含有量(質量%)を示す。 - 前記スラブは、S:0%超0.005質量%以下、Ti:0%超0.005質量%以下、Nb:0%超0.005質量%以下、Cu:0%超0.025質量%以下、B:0%超0.001質量%以下、Mg:0%超0.005質量%以下、およびZr:0%超0.005質量%以下のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項10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の後、
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10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 最終焼鈍する段階の後、鋼板の厚さ方向への断面に対して、結晶方位が{113}<uvw>から15度以内の方位を有する結晶粒を35%以上含む、請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 最終焼鈍する段階の後、数3を満足することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
[数3]
([円周鉄損平均]−[LC鉄損平均])/([円周鉄損平均]+[LC鉄損平均])≦0.03
数3中、[円周鉄損平均]は、圧延方向で0、15、30、45、60、75、90°角度におけるW15/50測定平均値を示し、[LC鉄損平均]は、圧延方向で0、90°角度におけるW15/50測定平均値を示す。
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