JP2021130847A - 無方向性電磁鋼板および熱延鋼板 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]
母材鋼板の化学組成が、質量%で、
C:0.0040%以下、
Si:1.9%以上4.0%以下、
Al:0.1%以上3.0%以下、
Mn:0.1%以上2.0%以下、
P:0.09%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0040%以下、
B:0.0060%以下、
を含有し、残部Feおよび不純物からなり、
前記母材鋼板は、前記母材鋼板の表面に位置する内部酸化層を有し、
前記内部酸化層のSiO2濃度が100mg/m2以上250mg/m2以下、かつ、Al2O3濃度が200mg/m2以上500mg/m2以下であり、
前記内部酸化層の平均厚みが、0.10〜5.0μmであり、
前記母材鋼板の表面を覆う前記内部酸化層の被覆率が90%以上である、ことを特徴とする、無方向性電磁鋼板。
[2]
前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
Sn:0.01%以上0.50%以下、
Sb:0.01%以上0.50%以下、
Cu:0.01%以上0.50%以下
の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、[1]に記載の無方向性電磁鋼板。
[3]
前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
REMから選択される1種または2種以上:0.00050%以上0.040%以下、
Ca:0.00050%以上0.040%以下、
Mg:0.00050%以上0.040%以下
の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、[1]または[2]に記載の無方向性電磁鋼板。
[4]
母材鋼板の化学組成が、質量%で、
C:0.0040%以下、
Si:1.9%以上4.0%以下、
Al:0.1%以上3.0%以下、
Mn:0.1%以上2.0%以下、
P:0.09%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0040%以下、
B:0.0060%以下、
を含有し、残部Feおよび不純物からなり、
前記母材鋼板は、前記母材鋼板の表面に位置する内部酸化層を有し、
前記内部酸化層のSiO2濃度が100mg/m2以上250mg/m2以下、かつ、Al2O3濃度が200mg/m2以上500mg/m2以下であり、
前記内部酸化層の平均厚みが、0.10〜20.0μmであり、
前記母材鋼板の表面を覆う前記内部酸化層の被覆率が90%以上である、ことを特徴とする、熱延鋼板。
[5]
前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
Sn:0.01%以上0.50%以下、
Sb:0.01%以上0.50%以下、
Cu:0.01%以上0.50%以下
の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、[4]に記載の熱延鋼板。
[6]
前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
REMから選択される1種または2種以上:0.00050%以上0.040%以下、
Ca:0.00050%以上0.040%以下、
Mg:0.00050%以上0.040%以下
の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、[4]または[5]に記載の熱延鋼板。
[化学成分]
まず、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板が有する母材鋼板の化学成分について説明する。なお、以下では特に断りのない限り、「%」の表記は、「質量%」を表すものとする。
Cは、鉄損を増大させ、また、磁気時効の原因となる。母材鋼板のC含有量は、0.0040%以下である。C含有量は、好ましくは0.0030%以下であり、より好ましくは、0.0020%以下である。C含有量の下限は、0%を含むが、生産技術上C含有量を0%にすることは困難であり、実用上、0.0001%が実質的な下限である。
Siは、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させることにより、鉄損を低減する効果を有する。また、Siは、降伏比を増大させることにより、鉄心への打ち抜き加工精度を向上させる効果も有する。母材鋼板のSi含有量が1.9%以上であれば、上記効果を得ることができる。Si含有量は、好ましくは2.0%以上である。一方、Si含有量が過剰であると、無方向性電磁鋼板の磁束密度が低下し、かつ、無方向性電磁鋼板の製造工程そのものにおいても、降伏比の増大による冷延等の作業性の低下、コスト高ともなるので、Si含有量は、4.0%以下である。Si含有量は、好ましくは3.9%以下であり、より好ましくは、3.8%以下である。
Alは、Siと同様に、無方向性電磁鋼板の電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させることにより鉄損を低減する作用を有するが、Siと比較して降伏強度の上昇が小さい。Al含有量が0.1%以上であれば、鉄損を低減し、かつ、降伏強度が上昇し、降伏比が増大して鉄心への打ち抜き加工性が向上する。母材鋼板のAl含有量は、好ましくは、0.2%以上である。一方、母材鋼板のAl含有量が過剰であると、飽和磁束密度が低下し、磁束密度の低下を招く。さらに、母材鋼板のAl含有量が過剰であると、降伏比が減少し、打ち抜き精度が低下する。よって、母材鋼板のAl含有量は、3.0%以下である。母材鋼板のAl含有量は、好ましくは2.5%以下である。
Mnは、電気抵抗を増大させて渦電流損を減少させるとともに、一次再結晶集合組織を改善して圧延方向磁気特性の向上に望ましい{110}<001>結晶方位を発達させる効果を有する。さらに、Mnは、結晶粒成長に有害なMnS等の微細硫化物の析出を抑制する。これらの目的のためには、Mn含有量は、0.1%以上である。Mn含有量は、好ましくは0.2%以上である。一方、Mn含有量が過剰であると、焼鈍時の結晶粒成長性そのものが低下し、鉄損が増大する。そのため、Mn含有量は、2.0%以下である。Mn含有量は、好ましくは1.5%以下である。
Pは、無方向性電磁鋼板の打ち抜き精度を上げる効果があるが、P含有量が増えると非常に脆くなる。Si≧2%の鋼板では、その傾向が顕著である。そのため、母材鋼板のP含有量は、0.09%以下である。母材鋼板のP含有量は、好ましくは0.05%以下である。
Sは、MnS等の硫化物として微細析出し、仕上焼鈍時等における再結晶および結晶粒成長を阻害する。そのため、母材鋼板のS含有量は、0.005%以下である。母材鋼板のS含有量は、好ましくは0.004%以下である。
Nは、熱延板焼鈍や仕上げ焼鈍時に生成するAlN等の窒化物の微細析出により、母材鋼板の表面側に生成する内部酸化層の被覆率を下げ、さらに仕上焼鈍時等における再結晶および結晶粒成長を阻害する。そのため、母材鋼板のN含有量は、0.0040%以下である。母材鋼板のN含有量は、好ましくは0.0030%以下である。
Bは、BN等の窒化物の微細析出により、仕上焼鈍時等における再結晶および結晶粒成長を阻害する。そのため、母材鋼板のB含有量は、0.0060%以下である。母材鋼板のB含有量は、好ましくは0.0040%以下である。
続いて、図1を参照して、本実施形態に係る母材鋼板が有する内部酸化層を説明する。図1は、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の内部酸化層を示す圧延方向断面の光学顕微鏡写真である。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、母材鋼板の表面に位置する内部酸化層を有する。本発明に係る内部酸化層とは、Si、AlまたはMnなどが粒子状の酸化物を形成し、それが母材鋼板内部の表面側に分散した層を言う。内部酸化層は、例えば、図1に示すように、母材鋼板の表面側に形成されている。Si、AlまたはMnなどの粒子状の酸化物は、少なくとも、SiO2およびAl2O3であり、これらに加えてMnO等を含んでもよい。内部酸化層は、鋼板の断面を光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)で観察することにより、その存在を確認することができる。断面写真において、板厚方向に引いた直線上の酸化物粒子の割合が60%以上となる領域を内部酸化層とする。簡易的な内部酸化層の観察手段として、鏡面研磨した鋼板断面を光学顕微鏡で1000倍程度の倍率で観察することで、内部酸化層を確認することができる。また、SEM観察の場合は、二次電子像または反射電子像のいずれでも内部酸化層の存在を確認することができるが、反射電子像の方が二次電子像よりも明瞭に内部酸化層を観察することができる。
内部酸化層は、SiO2を100mg/m2以上250mg/m2以下、かつ、Al2O3を200mg/m2以上500mg/m2以下の濃度で含有する。SiO2濃度が100mg/m2以上250mg/m2以下、かつ、Al2O3濃度が200mg/m2以上500mg/m2以下であれば、層間抵抗が向上し、かつ製品板の外観が改善される効果が得られる。SiO2濃度は、好ましくは110mg/m2以上240mg/m2以下であり、より好ましくは、120mg/m2以上230mg/m2以下である。Al2O3濃度は、好ましくは210mg/m2以上490mg/m2以下であり、より好ましくは、220mg/m2以上480mg/m2以下である。
内部酸化層の平均厚みは、0.10〜5.0μmである。内部酸化層の厚みが薄いと層間抵抗値を上げる効果が得られない。図2に内部酸化層の平均厚みと層間の電流値の関係を示す。層間の電流値が高いと層間抵抗値は低く、層間の電流値が低いと層間抵抗値は高い。層間の電流値は、JIS C 2550−4:2019に準拠して表面の抵抗を測定した。図2に示すように、内部酸化層の平均厚みが0.10μm以上であれば、層間の電流値は小さい。すなわち、内部酸化層の平均厚みが0.10μm以上であれば、高い層間抵抗値が得られる。よって、内部酸化層の平均厚みの下限は、好ましくは0.10μmである。
一方、内部酸化層の厚みが厚すぎるとモータコアにした際の占積率が著しく下がり、鉄損が増大する。図3に内部酸化層の平均厚みと鉄損の関係を示す。鉄損は、単板試験機(Single Sheet Tester:SST)により、鋼板を50Hzで磁束密度1.5Tに磁化したときの鉄損W15/50を測定した。
図3に示すように、5.0μm以下では、鉄損W15/50が低い値に維持される。内部酸化層の平均厚みが5.0μm以下であれば、絶縁コーティングは内部酸化の影響を受けず均一に塗れるが、5.0μm超では均一に塗れなくなるため、絶縁コーティングの厚い箇所が現れ、占積率が急激に劣化すると考えられる。内部酸化層の平均厚みの上限は、好ましくは4.5μmである。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は、母材鋼板の表面に対する内部酸化層の被覆率が90%以上である。被覆率は、光学顕微鏡またはSEMで断面観察し、母材鋼板の面積に対する内部酸化層で当該母材鋼板が覆われている面積の比率を被覆率とした。具体的には、断面を1000倍の倍率で10視野取得した顕微鏡像を用いて、各視野の被覆率から平均値を算出し、算出した平均値を被覆率とした。最表面箇所の内部酸化層の有部と無部それぞれについて、断面観察写真の横方向(板厚方向に垂直な方向)の長さを測ることで、被覆率を計算した。
次に、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法の一例を説明する。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法は、上記化学組成を有するスラブを熱間圧延する熱間圧延工程、熱間圧延工程後の鋼板を焼鈍する熱延板焼鈍工程、保熱工程、酸洗工程、冷間圧延工程、仕上げ焼鈍工程、および絶縁被膜形成工程を有する。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板を製造するには、冷間圧延工程前の鋼板に上記の内部酸化層を残存させておくことが極めて重要である。冷間圧延工程前の鋼板に内部酸化層を残存させるため、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、熱間圧延工程後に、熱延板焼鈍工程、または保熱工程を実施する。また、酸洗工程は、内部酸化層の平均厚みの調整のため、必要に応じて実施される工程である。また、絶縁被膜形成工程についても必要に応じて実施されてよい工程である。
熱間圧延工程では、上記化学成分を含有するスラブを熱間圧延して熱延鋼板とする。スラブの加熱温度は、1080℃以上1200℃以下である。スラブの加熱温度が1200℃以下であれば、硫化物等の固溶または微細析出が抑制され、鉄損の増大が抑制される。スラブの加熱温度の上限は、好ましくは、1180℃である。一方、スラブの加熱温度が1080℃以上であれば、高い熱間加工性が得られる。スラブの加熱温度の下限は、好ましくは、1100℃である。
熱延板焼鈍工程では、熱間圧延工程後の熱延鋼板に対して焼鈍を行う。焼鈍温度は、700℃以上1000℃以下であることが好ましい。焼鈍温度が700℃以上であれば、外部酸化層を酸素源として、酸素を母材鋼板に拡散させることが可能となる。また、焼鈍温度が700℃未満であると、十分な再結晶が起こらず、再結晶が不十分な鋼板を用いて電磁鋼板を製造した場合、{111}方位の結晶粒が発達して磁気特性が低下することがある。焼鈍温度の下限は、より好ましくは750℃である。一方、焼鈍温度が1000℃以下であれば、結晶粒径の粗大化を抑制することが可能となる。内部酸化層の形成をより一層促進させるためには、焼鈍温度の上限は、より好ましくは900℃であり、より一層好ましくは800℃である。
PAP=(T+273)×(20+log(t)) ・・・式(1)
上記式(1)中、Tは、焼鈍温度(℃)であり、tは、焼鈍時間(hour)である。また、上記式(1)は、ラーソン・ミラー・パラメータに基づく式である。
保熱工程は、熱間圧延工程後の鋼板を所定の温度に保持することで、結晶粒径の粗大化と合わせて、熱間圧延工程により母材鋼板の表面に生成する外部酸化層(いわゆるスケール)に含まれる酸素が鋼板中に拡散して内部酸化層を形成する工程である。保熱工程では、具体的には、熱間圧延工程後の鋼板を巻き取って形成したコイルに、当該コイルの熱を維持する保熱カバーをかぶせて、コイルを保熱する。本工程は、結晶粒径の粗大化と内部酸化層の形成とを一つの工程でできるので、好ましい工程である。
PSA=(T+273)×(20+log(t)) ・・・式(2)
上記式(2)中、Tは、保熱温度(℃)であり、tは、保熱時間(hour)である。また、上記式(2)は、ラーソン・ミラー・パラメータに基づく式である。
次に、本発明電磁鋼板の製造方法において重要な役割を果たす、内部酸化層の平均厚さを制御するための酸洗工程について説明する。
次に、冷間圧延工程について説明する。冷間圧延工程では、上記熱延鋼板を冷間圧延する。冷間圧延率は、50〜90%であることが好ましい。上記冷間圧延率であれば、最終製品である無方向性電磁鋼板の磁束密度をより一層高めることが可能となる。また、冷間圧延温度は、250℃以下であることが好ましい。なお、冷間圧延率は、熱延鋼板の板厚と最終製品の板厚との関係で決定されるものであり、最終製品板厚から逆算して決定することが望ましい。冷間圧延率および冷間圧延温度等の条件は、冷間圧延性等を勘案して決定することが望ましい。
次に、冷間圧延工程後の仕上げ焼鈍工程について説明する。仕上げ焼鈍工程は、冷延後の鋼板の結晶を再結晶させ、かつ、結晶粒径を調整して、磁気特性、特に、良好な磁束密度および鉄損特性を得るための工程である。仕上げ焼鈍工程は、焼鈍雰囲気が重要である。焼鈍雰囲気中の酸素は、鋼板を酸化し、最終製品である無方向性電磁鋼板の磁気特性が低下するので、焼鈍雰囲気中の酸素濃度は、数十ppm以下とすることが好ましい。
絶縁被膜形成工程では、鋼板へ絶縁性付与を目的として、例えば、リン酸アルミニウムまたはコロイダルシリカなどを主成分とした絶縁被膜が鋼板の表面に塗布される。その後、絶縁被膜の焼付を目的として、焼鈍が施される。なお、鋼板に対して絶縁性が付与されるのであれば、絶縁被膜の成分は特に限定されない。また、本工程における焼鈍は、公知の方法で実施することができる。
鉄損W15/50については、2.60W/kg未満である例を評価結果が良好(A)であると判定し、2.60W/kg以上である例を評価結果が不良(B)であると判定した。
層間抵抗については、層間の電流値が130mA未満である例を評価結果が良好(A)であると判定し、130mA超である例を評価結果が不良(B)であると判定した。
鋼板の製造条件と評価結果を表6に示す。
Claims (6)
- 母材鋼板の化学組成が、質量%で、
C:0.0040%以下、
Si:1.9%以上4.0%以下、
Al:0.1%以上3.0%以下、
Mn:0.1%以上2.0%以下、
P:0.09%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0040%以下、
B:0.0060%以下
を含有し、残部Feおよび不純物からなり、
前記母材鋼板は、前記母材鋼板の表面に位置する内部酸化層を有し、
前記内部酸化層のSiO2濃度が100mg/m2以上250mg/m2以下、かつ、Al2O3濃度が200mg/m2以上500mg/m2以下であり、
前記内部酸化層の平均厚みが、0.10〜5.0μmであり、
前記母材鋼板の表面を覆う前記内部酸化層の被覆率が90%以上である、ことを特徴とする、無方向性電磁鋼板。 - 前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
Sn:0.01%以上0.50%以下、
Cu:0.01%以上0.50%以下、
Sb:0.01%以上0.50%以下の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。 - 前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
REMから選択される1種または2種以上:0.00050%以上0.040%以下、
Ca:0.00050%以上0.040%以下、
Mg:0.00050%以上0.040%以下
の1種または2種以上を含有する、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。 - 母材鋼板の化学組成が、質量%で、
C:0.0040%以下、
Si:1.9%以上4.0%以下、
Al:0.1%以上3.0%以下、
Mn:0.1%以上2.0%以下、
P:0.09%以下、
S:0.005%以下、
N:0.0040%以下、
B:0.0060%以下、
を含有し、残部Feおよび不純物からなり、
前記母材鋼板は、前記母材鋼板の表面に位置する内部酸化層を有し、
前記内部酸化層のSiO2濃度が100mg/m2以上250mg/m2以下、かつ、Al2O3濃度が200mg/m2以上500mg/m2以下であり、
前記内部酸化層の平均厚みが、0.10〜20.0μmであり、
前記母材鋼板の表面を覆う前記内部酸化層の被覆率が90%以上である、ことを特徴とする、熱延鋼板。 - 前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
Sn:0.01%以上0.50%以下、
Sb:0.01%以上0.50%以下、
Cu:0.01%以上0.50%以下
の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、請求項4に記載の熱延鋼板。 - 前記母材鋼板が、さらに、質量%で、
REMから選択される1種または2種以上:0.00050%以上0.040%以下、
Ca:0.00050%以上0.040%以下、
Mg:0.00050%以上0.040%以下
の1種または2種以上を含有する、ことを特徴とする、請求項4または5に記載の熱延鋼板。
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