JP2023507436A - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

無方向性電磁鋼板およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の無方向性電磁鋼板は、重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなり、｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率が｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率より高いことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板およびその製造方法に係り、より詳しくは、Ｓｎ、Ｐ、Ｇａ、Ｂｉを適切に添加し、集合組織を改善することで、磁性を改善した無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
無方向性電磁鋼板は、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換させるモータに主に使用されるため、その使用過程で高い効率を発揮するために無方向性電磁鋼板の優れた磁気的特性が要求される。特に近年、環境にやさしい技術が注目されるようになり、電気エネルギー使用量全体の過半を占めるモータの効率を向上させることが非常に重要視されており、このために優れた磁気的特性を有する無方向性電磁鋼板の需要も増加している。
無方向性電磁鋼板の磁気的特性は、主に鉄損と磁束密度で評価する。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、特定の磁場の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ることができ、銅損を減少させることができるため、低い鉄損と高い磁束密度を有する無方向性電磁鋼板を製造することが重要である。
モータの作動条件により考慮すべき無方向性電磁鋼板の特性も変わる。モータに使用される無方向性電磁鋼板の特性を評価する基準として多数のモータが商用周波数５０Ｈｚで１．５Ｔ磁場が印加された時の鉄損であるＷ１５／５０を最も重要に考えている。しかし、多様な用途のモータの全てがＷ１５／５０鉄損を最も重要視しているのではなく、主作動条件により他の周波数や印加磁場での鉄損を評価したりもする。特に最近の電気自動車の駆動モータに使用される無方向性電磁鋼板では、１．０Ｔまたはそれ以下の低磁場と４００Ｈｚ以上の高周波で磁気的特性が重要な場合が多いため、Ｗ１０／４００などの鉄損で無方向性電磁鋼板の特性を評価する。
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方法である。このような合金元素の添加を通じて鋼の比抵抗を増加させることができるが、比抵抗が高まるほど渦電流損失が減少して全体の鉄損を低くすることができるようになる。反面、Ｓｉ添加量が増加するほど磁束密度が劣位となり、脆性が増加する短所があり、一定量以上添加すると冷間圧延が不可能となり商業的生産が不可能となる。特に電磁鋼板は、厚さを薄く作るほど鉄損が低減する効果が得られるが、脆性による圧延性低下は致命的な問題となる。追加的な鋼の比抵抗増加のためにＡｌ、Ｍｎなどの元素を添加して磁性に優れた最高級無方向性電磁鋼板を生産することができる。
電気自動車の駆動モータ用で使用される無方向性電磁鋼板は、４００Ｈｚ以上の高周波での鉄損が重要であるが、周波数が高まるほど鉄損で渦電流損失の比率が高まるようになるため、比抵抗を高め、厚さを薄くすることが有利になる。しかし、鋼板厚さが薄くなると冷間圧下率が増加するため、｛１１１｝／／ＮＤ集合組織が発達して磁性が悪くなる原因になり、これを改善するために熱延板厚さを薄くして冷間圧下率を減少させるようになると冷間圧延過程で鋼板の形状を十分に制御することができず、幅方向の厚さ偏差が増加してモータコアのサイズ不良を招くようになる。また鋼板が薄くなるほどコイルの長さが増加するため、連続焼鈍工程の作業時間が増加するようになって焼鈍生産性が低下する問題が発生する。
上記の問題点を解決するために、製鋼工程で不純物を十分に除去して極清浄鋼とする方策や、特定の元素を添加して鋼内介在物および析出物低減を計る磁性改善方策などが試みられてきたが、この方策は商業生産条件の限界により実際適用されるには限界がある。また焼鈍温度や雰囲気制御および圧延時の鋼板変形率を制御して集合組織を改善する方案が提案されているが、製造費用増加、生産性低下および効果微弱などの理由で実際使用される技術は極めて制約的である。
本発明の目的とするところは、無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供することにある。より具体的に本発明は、Ｓｎ、Ｐ、Ｇａ、Ｂｉを適切に添加し、集合組織を改善することで、磁性を改善した無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供する。
本発明の無方向性電磁鋼板は、重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなり、｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織の分率が｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織の分率より高いことを特徴とする。
本発明の無方向性電磁鋼板は、Ｃｒ：０．００５～０．０３重量％をさらに含み、下記式１を満足することができる。
［式１］
０．００５≦［Ｃｒ］≦０．０３×［Ａｌ］
（式１で、［Ｃｒ］および［Ａｌ］は、それぞれ鋼板内のＣｒおよびＡｌの含有量（重量％）を示す。）
本発明の無方向性電磁鋼板は、Ｍｏ：０．００１～０．０１重量％およびＮｉ：０．００５～０．０４重量％をさらに含み、下記式２を満足することができる。
［式２］
１０×［Ｍｏ］≦（［Ｓｎ］＋［Ｐ］）≦４×［Ｎｉ］
（式２で、［Ｍｏ］、［Ｓｎ］、［Ｐ］および［Ｎｉ］は、それぞれ鋼板内のＭｏ、Ｓｎ、ＰおよびＮｉの含有量（重量％）を示す。）
本発明の無方向性電磁鋼板は、Ｃｕ：０．００１～０．０５重量％、Ｓ：０．００５重量％以下およびＴｉ：０．００５重量％以下をさらに含み、下記式３を満足することができる。
［式３］
０．５≦［Ｃｕ］／（［Ｔｉ］＋［Ｓ］）≦７．５
（式３で、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］および［Ｓ］は、それぞれ鋼板内のＣｕ、ＴｉおよびＳの含有量（重量％）を示す。）
本発明の無方向性電磁鋼板は、Ｃ：０．００５重量％以下およびＮ：０．００５重量％以下をさらに含むことができる。
電磁鋼板表面から内部方向に酸化層が存在し、酸化層の厚さは１０～５０ｎｍであることがよい。
酸化層は、Ｏ：４０～７０重量％、Ａｌ：２５～５５重量％、Ｐ：０．０１～０．１重量％、Ｓｎ：０．０１～０．１重量％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなることが好ましい。
本発明の無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径が５０～１００μｍであることがよい。
母材内部に形成された硫化物のうち、直径１００ｎｍ以上の硫化物の個数が１００ｎｍ未満の硫化物の個数の３倍以上を満足することができる。
厚さが０．１０～０．３０ｍｍであることがよい。
鋼板の幅方向の中心部厚さ（ｔｃｅｎｔｅｒ）と中心部からエッジ部側に垂直に５００ｍｍ離れた位置での厚さ（ｔ５００）との差が１０μｍ以下であることが好ましい。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法は、重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなるスラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、熱延板を圧下率８５％以上に冷間圧延して冷延板を製造する段階、および冷延板を最終焼鈍する段階を含むことを特徴とする。
熱延板を製造する段階の後、熱延板を８５０～１１５０℃温度で熱延板焼鈍する段階をさらに含むことができる。
最終焼鈍する段階は、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）を含む雰囲気および４００～１０００℃範囲の温度で１００秒以下に焼鈍することが好ましい。
本発明の一実施形態によれば、無方向性電磁鋼板の最適な合金組成を特定することによって、鋼板の幅方向の厚さ偏差が少ない、磁性、形状、生産性に優れた無方向性電磁鋼板を製造することができる。
また、本発明の一実施形態によれば、磁性に優れた無方向性電磁鋼板を供給することにより電気自動車の駆動モータの効率向上に寄与することができる。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板の断面の模式図である。
第１、第２および第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層および／またはセクションを説明するために使用されるが、これらに限定されない。これら用語は、ある部分、成分、領域、層またはセクションを他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するためだけに使用される。したがって、以下で叙述する第１部分、成分、領域、層またはセクションは、本発明の範囲を逸脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層またはセクションと言及される。
ここで使用される専門用語は、単に特定の実施形態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の形態は、文言がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数の形態も含む。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ものではない。
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは直ちに他の部分の上にあるか、またはその間に他の部分が介され得る。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分が介されない。
また、特に言及しない限り、％は重量％を意味し、１ｐｐｍは０．０００１重量％である。
本発明の一実施形態で追加元素をさらに含むことの意味は、追加元素の追加量の分、残部である鉄（Ｆｅ）を代替して含むことを意味する。
異なって定義されない限り、ここで使用される技術用語およ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通常の知識を有する者が一般的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に解釈されない。
以下、本発明の実施形態について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することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は多様な異なる形態に実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板は、重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなる。
以下、無方向性電磁鋼板の成分限定の理由について説明する。
Ｓｉ：１．５～４．０重量％
シリコン（Ｓｉ）、材料の比抵抗を高めて鉄損を少なくする役割を果たす。Ｓｉが過度に少なく添加された場合、鉄損改善効果が不足することがある。Ｓｉを過度に多く添加された場合、材料の脆性が増加して圧延生産性が急激に低下し、磁性に有害な表層部酸化層および酸化物を形成することがある。したがって、Ｓｉを１．５～４．０重量％含むことがよい。より具体的に２．０～３．９重量％含むことが好ましい。さらに好ましくは３．２～３．７重量％含むことである。
Ａｌ：０．１～１．５重量％
アルミニウム（Ａｌ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を少なくする役割を果たす。Ａｌが過度に少なく添加された場合、微細窒化物が形成されたり表層部酸化層が緻密に生成されず、磁性改善効果が得難いことがある。一方、Ａｌが過度に多く添加されると窒化物が過多に形成されて磁性を劣化させ、製鋼と連続鋳造などの全ての工程に問題を発生させて生産性を大きく低下させることがある。したがって、Ａｌは０．１～１．５重量％含むことがよい。より好ましくは０．３～１．０重量％含むことである。
Ｍｎ：０．０５～１．５０重量％
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す。Ｍｎが過度に少なく添加された場合、硫化物が微少に形成されて磁性劣化を起こし、Ｍｎが過度に多く添加された場合、微細なＭｎＳが過多に析出され、磁性に不利な｛１１１｝集合組織の形成を助長して磁束密度が急激に減少するようになる。したがって、Ｍｎを０．０５～１．５０重量％含むことがよい。より好ましくは０．１～１．０重量％含むことである。
Ｓｎ：０．０１５～０．１００重量％
スズ（Ｓｎ）は、鋼板の表面および結晶粒界に偏析して焼鈍時に表面酸化を抑制し、結晶粒界を通じた元素の拡散を妨害し、｛１１１｝／／ＮＤ方位の再結晶を妨害して集合組織を改善させる役割を果たす。Ｓｎが過度に少なく添加された場合、上記効果が十分でないことがある。Ｓｎが過度に多く添加された場合、結晶粒界の偏析量増加により靭性が低下して磁性改善に比べて生産性が低下する虞がある。したがって、Ｓｎを０．０１５～０．１００重量％含むことがよい。より好ましくは０．０２０～０．０７５重量％含むことである。
Ｐ：０．００５～０．０５０重量％
リン（Ｐ）は、鋼板の表面および結晶粒界に偏析して焼鈍時に表面酸化を抑制し、結晶粒界を通じた元素の拡散を妨害し、｛１１１｝／／ＮＤ方位の再結晶を妨害して集合組織を改善させる役割を果たす。Ｐが過度に少なく添加された場合、その効果が十分に発揮されないことがある。Ｐが過度に多く添加された場合、熱間加工特性が劣化して磁性改善に比べて生産性が低下する虞がある。したがって、Ｐを０．００５～０．０５０重量％含むことがよい。より好ましくはＰを０．００７～０．０４５重量％含むことである。
Ｇａ：０．００１～０．００４重量％
ガリウム（Ｇａ）は、表面と結晶粒界に強く偏析はしないが、微量添加時、ＳｎとＰの偏析を促進して再結晶焼鈍時に集合組織の改善効果を極大化させることができ、鋼の軟性を増加させて鋼板形状の制御を容易にさせる。Ｇａが過度に少なく添加された場合、その効果が十分でないことがある。Ｇａが過度に多く添加されると鋼板の表面に欠陥を招いて磁性を悪化させる虞がある。したがって、Ｇａは０．００１～０．００４０重量％含むことがよい。より好ましくはＧａを０．００１５～０．００３５重量％含むことである。
Ｂｉ：０．０００５～０．００３％
ビスマス（Ｂｉ）は、ＳｎとＰの粒界および結晶粒界の偏析を促進し、圧延時に変形抵抗を減少させる役割を果たす。Ｂｉが過度に少なく添加された場合、その効果が十分でないことがある。Ｂｉが過度に多く添加されるとむしろ磁性を悪化させる虞がある。したがって、Ｂｉを０．０００５～０．００３０重量％含むことがよい。より好ましくはＧａを０．００１０～０．００３０重量％含むことである。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板は、Ｃｒ：０．００５～０．０３重量％をさらに含む。
Ｃｒ：０．００５～０．０３重量％
クロム（Ｃｒ）は、微細析出物を形成する傾向が強くはないが、表層部のＡｌ系酸化層の形成を妨害し、Ｃｒ系炭化物を形成して磁性を悪化させることがある。Ｃｒが過度に少なく添加された場合、Ａｌ酸化層が過度に厚く形成されたり表面に丸い形態の酸化物または窒化物が形成されて磁性を悪化させることがある。Ｃｒが過度に多く添加されると、緻密な酸化層が形成され難くて磁性が悪化する虞がある。したがって、Ｃｒをさらに含む場合、０．００５～０．０３重量％含むことがよい。
より具体的にＣｒは、下記式１を満足することができる。
［式１］
０．００５≦［Ｃｒ］≦０．０３×［Ａｌ］
（式１で、［Ｃｒ］および［Ａｌ］は、それぞれ鋼板内のＣｒおよびＡｌの含有量（重量％）を示す。）
Ｃｒの上限をＡｌと連係して調節することによって、緻密な酸化層を形成することができる。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板は、Ｍｏ：０．００１～０．０１重量％およびＮｉ：０．００５～０．０４重量％をさらに含むことができる。
Ｍｏ：０．００１～０．０１重量％
モリブデン（Ｍｏ）は、表面と粒界に偏析して集合組織を改善させる役割を果たす。Ｍｏが過度に少なく添加された場合、｛１１１｝集合組織が発達して磁性が悪化することがある。Ｍｏが過度に多く添加されると、ＳｎとＰの偏析を抑制して集合組織の改善効果が減少する虞がある。したがって、Ｍｏをさらに含む場合、０．００１～０．０１重量％含むことがよい。
Ｎｉ：０．００５～０．０４重量％
ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の軟性を増加させ、ＳｎとＰの偏析を促進する役割を果たす。Ｎｉが過度に多く添加されると磁束密度が急激に低下することがある。したがって、Ｎｉをさらに含む場合、０．００５～０．０４重量％含むことがよい。
より具体的にＮｉ、Ｍｏは、下記式２を満足することができる。
［式２］
１０×［Ｍｏ］≦（［Ｓｎ］＋［Ｐ］）≦４×［Ｎｉ］
（式２で、［Ｍｏ］、［Ｓｎ］、［Ｐ］および［Ｎｉ］は、それぞれ鋼板内のＭｏ、Ｓｎ、ＰおよびＮｉの含有量（重量％）を示す。）
式２のように、Ｓｎ、Ｐの含有量により、Ｍｏ、Ｎｉの添加量を調節することによって、ＳｎとＰの粒界偏析による集合組織の改善効果を極大化することができる。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板は、Ｃｕ：０．００１～０．０５重量％、Ｓ：０．００５重量％以下およびＴｉ：０．００５重量％以下をさらに含み、下記式３を満足することができる。
Ｃｕ：０．００１～０．０５重量％
銅（Ｃｕ）は、高温で硫化物を形成することができる元素であり、多量の添加時にはスラブの製造時に表面部の欠陥を招く元素である。適正量の添加時、微細な大きさのＣｕＳまたはＭｎＣｕＳ析出物を粗大化させて磁性を改善させる効果がある。したがって、Ｃｕを含む場合、０．００１～０．０５重量％含むことがよい。
Ｓ：０．００５重量％以下
硫黄（Ｓ）は、微細な析出物であるＭｎＳ、ＣｕＳ、（Ｍｎ、Ｃｕ）Ｓを形成して磁気特性を悪化させ、熱間加工性を悪化させるため、少なく管理することがよい。したがって、Ｓをさらに含む場合、０．００５重量％以下で含むことがよい。より好ましくは０．０００１～０．００５重量％含むことがよい。さらに好ましくは０．０００５～０．００３５重量％含むことである。
Ｔｉ：０．００５重量％以下
Ｔｉは、鋼内析出物形成傾向が非常に強く、母材内部に微細な炭化物または窒化物または硫化物を形成して結晶粒成長を抑制することによって鉄損を劣化させる。したがって、Ｔｉ含有量は各０．００４％以下、より好ましくは０．００２％以下に管理されなければならない。
Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓは、下記式３を満足することができる。
［式３］
０．５≦［Ｃｕ］／（［Ｔｉ］＋［Ｓ］）≦７．５
（式３で、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］および［Ｓ］は、それぞれ鋼板内のＣｕ、ＴｉおよびＳの含有量（重量％）を示す。）
式３のようにＣｕ、Ｔｉ、Ｓの添加量を調節することによって、微細硫化物に対する粗大硫化物の分率を増加させて高周波鉄損を改善することができる。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板は、Ｃ：０．００５重量％以下およびＮ：０．００５重量％以下をさらに含むことができる。
Ｃ：０．００５重量％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ため少ないほど好ましく、０．００５％以下、より好ましくは０．００３重量％以下である。
Ｎ：０．００５重量％以下
窒素（Ｎ）は、母材内部に微細な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析出物を形成して結晶粒成長を抑制して鉄損を悪化させるため低いほど好ましく、０．００５重量％以下、より好ましくは０．００３重量％以下である。
残部は、Ｆｅおよび不可避な不純物からなる。不可避な不純物については、製鋼段階、および方向性電磁鋼板の製造工程過程で混入される不純物であり、これは当該分野で広く知られているため、具体的な説明は省略する。本発明の一実施形態で示した上記の合金成分以外の元素の追加を排除するのではなく、本発明の技術思想を害しない範囲内で多様に含まれ得る。追加元素をさらに含む場合、残部であるＦｅを代替して含む。
不可避な不純物としては、例えば、Ｂ、Ｍｇ、Ｚｒなどがあり、Ｂ：０．００２重量％以下、Ｍｇ：０．００５重量％以下、Ｚｒ：０．００５重量％以下に管理されなければならない。
図１は本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板の断面を示す。図１に示したとおり、電磁鋼板１００表面から内部方向に酸化層２０が存在する。酸化層２０を除いた電磁鋼板１００は、電磁鋼板母材１０として区分される。
電磁鋼板１００は、製造工程で酸素に暴露し、雰囲気中の酸素が鋼板内部に侵入して表面から内部方向に酸素濃度勾配が存在する。
酸化層２０と母材１０は、酸素含有量が４０重量％以上である酸化層２０と、酸素含有量が４０重量％未満である母材１０に区分することができる。このように区分された酸化層２０の厚さは１０～５０ｎｍである。適切な厚さの酸化層２０が形成されることによって、焼鈍時に雰囲気中の窒素が母材に拡散することを抑制して微細窒化物の形成が抑制されるため、磁性を向上させることができる。鋼板表面全体で酸化層２０の厚さは異なり、本発明の一実施形態で酸化層２０の厚さとは、鋼板内での平均厚さを意味する。
この酸化層２０は、製造工程で酸素の浸透により存在する酸素以外にも、母材１０で拡散して濃化されたＡｌ、Ｓｎ、Ｐを多量に含む。具体的に酸化層２０は、Ｏ：４０～７０重量％、Ａｌ：２５～５５重量％、Ｐ：０．０１～０．１重量％およびＳｎ：０．０１～０．１重量％を含み、残部のＦｅおよび不可避な不純物からなる。このようにＡｌ、Ｐ、Ｓｎが濃化された酸化層が形成されることによって、母材内部に丸い形態の酸化物や微細窒化物が形成されることを抑制して磁性が向上することができる。Ｏと類似したＰ、Ｓｎの場合、母材から表面方向に濃度勾配が存在する。上記の成分範囲は酸化層２０内の平均含有量を意味する。
本発明の一実施形態で｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率が｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率より高くてもよい。｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織とは、｛１１８｝面が鋼板の圧延面（ＮＤ面）と５゜以内で平行な集合組織を意味する。｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織とは、｛１１１｝面が鋼板の圧延面（ＮＤ面）と５゜以内で平行な集合組織を意味する。面積分率は、圧延面（ＮＤ面）と平行な面を基準として測定することができ、母材１０内で測定することができる。
一般に冷間圧下率が高いほど磁性に有害な｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織が増えるようになり、｛１１８｝／／ＮＤ方位が減って磁性が劣化するが、本発明では８５％以上の高い冷間圧下率でも｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率が｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率より高いことによって結果的に磁性が向上する。
具体的に｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率が１１～１５％、｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率が５～１０％である。本発明の一実施形態よる無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径が５０～１００μｍである。上記の範囲で無方向性電磁鋼板の磁性に一層優れている。結晶粒径は〔（測定面積÷結晶粒個数）０．５〕で計算する。結晶粒径は、圧延面（ＮＤ面）と平行な面を基準に測定することができ、母材１０内で測定することができる。具体的に平均結晶粒径が６０～９０μｍである。
本発明の一実施形態では合金成分を適切に制御することによって、母材内部に形成された硫化物のうち、直径１００ｎｍ以上の硫化物の個数が１００ｎｍ未満の硫化物の個数の３倍以上を満足することができる。具体的に３．３～５．０倍でありうる。このように粗大な硫化物を多数形成することによって、磁壁移動を妨害する微細析出物を抑制して磁性向上に寄与することができる。
鋼板の厚さは０．１０～０．３０ｍｍである。適切な厚さを有する場合、磁性が向上させることができる。
鋼板の幅方向の中心部厚さ（ｔｃｅｎｔｅｒ）と中心部からエッジ部側に垂直に５００ｍｍ離れた位置での厚さ（ｔ５００）との差が１０μｍ以下でありうる。これは後述する製造工程で説明するように、冷間圧延での圧下率を高く設定するためであり、これによって無方向性電磁鋼板から製造されるモータコアの形状品質および収率向上に寄与することができる。
上記のように、本発明の一実施形態で最適な合金組成を提示し、集合組織を改善することで、磁性を向上させることができる。具体的に無方向性電磁鋼板の鉄損（Ｗ１０／４００）が１０．５Ｗ／ｋｇ以下、磁束密度（Ｂ５０）が１．６５Ｔ以上になることができる。鉄損（Ｗ１０／４００）は、４００ＨＺの周波数で１．０Ｔの磁束密度を誘起した時の鉄損である。磁束密度（Ｂ５０）は、５０００Ａ／ｍの磁場で誘導される磁束密度である。より具体的に無方向性電磁鋼板の鉄損（Ｗ１０／４００）が１０．０Ｗ／ｋｇ以下、磁束密度（Ｂ５０）が１．６６Ｔ以上でありうる。
本発明の一実施形態による無方向性電磁鋼板の製造方法は、スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、および冷延板を最終焼鈍する段階を含む。
まず、スラブを加熱する。
スラブの合金成分については、前述した無方向性電磁鋼板の合金成分で説明したため、重複する説明は省略する。無方向性電磁鋼板の製造過程で合金成分が実質的に変動しないため、無方向性電磁鋼板とスラブの合金成分は実質的に同一である。
具体的にスラブは、重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなる。
その他の追加元素については、無方向性電磁鋼板の合金成分で説明したため、重複する説明は省略する。
スラブを熱間圧延する前に加熱することができる。スラブの加熱温度は制限されないが、スラブを１２００℃以下に加熱することができる。スラブ加熱温度が過度に高ければ、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、熱間圧延および焼鈍時に微細析出されて結晶粒成長を抑制し、磁性を低下させる虞がある。
次に、スラブを熱間圧延して熱延板を製造する。熱延板厚さは２～２．３ｍｍである。熱延板を製造する段階で仕上げ圧延温度は８００℃以上である。具体的に８００～１０００℃である。熱延板は７００℃以下の温度で巻取りされる。
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。熱延板焼鈍温度が過度に低ければ、組織が成長しないか微細に成長して冷間圧延後の焼鈍時に磁性に有利な集合組織を得ることが容易でない。焼鈍温度が過度に高ければ磁結晶粒が過度に成長し、板の表面欠陥が過多になることがある。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。焼鈍された熱延板を酸洗することができる。
次に、熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する。冷間圧延は０．１ｍｍ～０．３ｍｍの厚さに最終圧延する。冷間圧延する段階で圧下率を８５％以上に調節することができる。より具体的に圧下率は８５～９５％である。圧下率が過度に低い場合、鋼板幅方向への厚さ差が発生する虞がある。
次に、冷延板を最終焼鈍する。冷延板を焼鈍する工程で焼鈍温度は、通常無方向性電磁鋼板に適用される温度であれば大きく制限はない。無方向性電磁鋼板の鉄損は、結晶粒サイズと密接に関連しているため、４００～１０００℃であれば適当である。また焼鈍時間は１００秒以下に短時間焼鈍することができる。
焼鈍雰囲気は、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）を含む雰囲気で焼鈍することができる。具体的に水素５～５０体積％および窒素９５～５０体積％を含む雰囲気で焼鈍する。
最終焼鈍過程で平均結晶粒粒径が５０～１００μｍになることができ、前段階である冷間圧延段階で形成された加工組織が全て（９９％以上）再結晶される。
最終焼鈍後、絶縁被膜を形成することができる。前記絶縁被膜は、有機質、無機質および有機－無機複合被膜で処理され、その他の絶縁が可能な被膜剤で処理することも可能である。
以下、実施形態を通じて本発明をより詳細に説明する。しかし、このような実施形態は単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるのではない。
実施例１
表１および表２並びにＣｕ：２００ｐｐｍ、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなる成分でスラブを製造した。これを１１５０℃で加熱して８３０℃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、冷間圧延して厚さを表３のように作って９５０℃で８８秒間再結晶焼鈍を施した。
各試片に対する酸化層の厚さ、関係式１および２の満足の有無、酸化層Ａｌ、Ｐ、Ｓｎの含有の有無、平均結晶粒直径、｛１１８｝／／ＮＤと｛１１１｝／／ＮＤ方位の面積分率、Ｗ１０／４００鉄損、Ｂ５０磁束密度を表３および表４に示した。
酸化層の厚さは、試片をＦＩＢで加工して滑らかな断面を製造し、これをＴＥＭ高倍率に撮影して母材表層の１０地点以上で酸化層の厚さを測定した平均値を示した。この時、ＴＥＭ－ＥＤＳ測定機能を利用して母材表面酸化層の化学組成を面積分析してＡｌ、Ｐ、Ｓｎが同時に０．５重量％以上検出されると酸化層に当該元素が含まれていると判断した。結晶粒径は試片の圧延垂直方向（ＴＤ方向）断面を研磨後にエッチングし、光学顕微鏡で結晶粒が１５００個以上含まれるように十分な面積を撮影して、〔（測定面積÷結晶粒個数）０．５〕で計算した。
集合組織は、試片の圧延面法線方向（ＮＤ方向）をＥＢＳＤで測定し、各試片当たりの測定面積は１００ｍｍ２以上、ステップ サイズ（ｓｔｅｐ ｓｉｚｅ）は２μｍの条件を適用した。Ｖ１１８は、全体測定面積においてＮＤ面が｛１１８｝面に平行な方位を有する測定面積の分率であり、Ｖ１１１は、全体測定面積においてＮＤ面が｛１１１｝面に平行な方位を有する測定面積の分率であり、誤差角は同一に５゜を適用した。
磁束密度、鉄損などの磁気的特性は、それぞれの試片に対して幅６０ｍｍ×長さ６０ｍｍ×枚数５枚の試片を切断して単板試験器（Ｓｉｎｇｌｅ ｓｈｅｅｔ ｔｅｓｔｅｒ）で圧延方向と圧延垂直方向を測定し、その平均値を示した。この時、Ｗ１０／４００は、４００Ｈｚの周波数で１．０Ｔの磁束密度を誘起した時の鉄損であり、Ｂ５０は、５０００Ａ／ｍの磁場で誘導される磁束密度を意味する。
Figure 2023507436000002
Figure 2023507436000003
Figure 2023507436000004
Figure 2023507436000005
表１～表４に示したとおり、合金成分および集合組織が適切に制御されたＡ３、Ａ４、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ３、Ｃ４、Ｄ３、Ｄ４、Ｅ３、Ｅ４、Ｆ４の場合、磁性に優れていることを確認できる。
反面、合金成分または集合組織が適切に制御されていないＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２、Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、磁性が劣位にあることを確認できる。
また、Ａ３、Ａ４、Ｂ３、Ｂ４、Ｃ３、Ｃ４、Ｄ３、Ｄ４、Ｅ３、Ｅ４、Ｆ４の場合、酸化層の厚さ、酸化層内のＡｌ、Ｐ、Ｓｎが適切に濃縮され、磁性に優れた反面、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄ１、Ｄ２、Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３は、酸化層の厚さが適切に形成されないか、酸化層内にＡｌ、Ｐ、Ｓｎが適切に濃縮されず、磁性が劣位にあることを確認できる。
実施例２
表５および表６に示した合金組成、に加えて、Ｃ：２０ｐｐｍ、Ｎ：２０ｐｐｍ、Ｃｒ：２００ｐｐｍ、Ｍｏ：２０ｐｐｍ、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなる成分でスラブを製造した。これを１１７０℃で再加熱し８６０℃の仕上げ温度で熱間圧延して、表７に示す冷間圧下率で圧延することにより多様な板厚さの熱延板を製造した。熱間圧延された熱延板は、１０２０℃で８０秒間熱延板焼鈍後、冷間圧延してそれぞれの厚さを表７のように作製した。これを最高温度９６０℃で表７に表記した時間だけ最終再結晶焼鈍を施して１１００ｍｍ幅を有するコイルを製造した。
各試片に対する冷間圧下率、最終焼鈍時間、関係式３の満足の有無、結晶粒径、粗大硫化物と微細硫化物の個数比率、幅方向の厚さ偏差、Ｗ１０／４００鉄損、Ｂ５０磁束密度を表７および表８に示した。冷間圧下率は〔（熱延板厚さ－冷延板厚さ）／熱延板厚さ〕の式で計算した。最終焼鈍時間は、連続焼鈍炉で焼鈍する時、雰囲気温度が４００℃以上の区間を通過する時間を意味する。粗大硫化物と微細硫化物の個数比率は、ＴＥＭレプリカ法で試片を準備し、２５００μｍ２以上の面積に対して全ての硫化物の直径と個数を測定して、直径１００ｎｍ以上の硫化物の個数を直径１００ｎｍ未満の硫化物の個数で割った値である。ｔｃｅｎｔｅｒ－ｔ５００は、幅方向の中心部の厚さ測定値と幅方向中心部５００ｍｍ位置の厚さ測定値との差を示した。磁気的特性は、実施例１と同様な方法で単板試験器（Ｓｉｎｇｌｅ ｓｈｅｅｔ ｔｅｓｔｅｒ）を利用して測定した。
Figure 2023507436000006
Figure 2023507436000007
Figure 2023507436000008
Figure 2023507436000009
試片番号Ａ１１、Ａ１２、Ｂ１１、Ｂ１２、Ｃ１１、Ｃ１２は、成分含有量、微細組織特性および製造方法の全てが本発明の範囲を満足しており、結晶粒径、硫化物サイズ、幅方向の厚さ偏差および磁気的特性の全てが秀でた値を示した。
一方、Ａ５～８、Ｂ５～８、Ｃ５～８の場合には、圧下率が不十分であったため幅方向の厚さの偏差が過度になり、Ａ９とＣ１０は、ＧａとＢｉの含有量が少ないため十分に圧下率は高いにも拘らず厚さ偏差がひどく、板形状が良くなかった。
Ａ６、Ａ１０、Ｃ５、Ｃ９は、Ｃｕ含有量が本発明の範囲を逸脱するため、硫化物が十分に粗大化されず、結晶粒サイズが小さく、磁気的特性が良好でなかった。
Ｂ５、Ｂ６、Ｂ９、Ｂ１０は、ＧａまたはＢｉ含有量が過度に多いため、偏析が過剰になり、表面の欠陥、硫化物の微細化、結晶粒の成長悪化が発生して磁気的特性が劣位であった。
本発明は、前記実施形態に限定されるのではなく、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、本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施可能であることを理解できるはずである。したがって、上記の実施形態は全ての面で例示的なものであり、限定的なものではないことを理解しなければならない。

Claims (14)

  1. 重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなり、
    ｛１１８｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率が｛１１１｝／／ＮＤ方位の集合組織の面積分率より高いことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
  2. Ｃｒ：０．００５～０．０３重量％をさらに含み、
    下記式１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。
    ［式１］
    ０．００５≦［Ｃｒ］≦０．０３×［Ａｌ］
    （式１で、［Ｃｒ］および［Ａｌ］は、それぞれ鋼板内のＣｒおよびＡｌの含有量（重量％）を示す。）
  3. Ｍｏ：０．００１～０．０１重量％およびＮｉ：０．００５～０．０４重量％をさらに含み、
    下記式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。
    ［式２］
    １０×［Ｍｏ］≦（［Ｓｎ］＋［Ｐ］）≦４×［Ｎｉ］
    （式２で、［Ｍｏ］、［Ｓｎ］、［Ｐ］および［Ｎｉ］は、それぞれ鋼板内のＭｏ、Ｓｎ、ＰおよびＮｉの含有量（重量％）を示す。）
  4. Ｃｕ：０．００１～０．０５重量％、Ｓ：０．００５重量％以下およびＴｉ：０．００５重量％以下をさらに含み、
    下記式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。
    ［式３］
    ０．５≦［Ｃｕ］／（［Ｔｉ］＋［Ｓ］）≦７．５
    （式３で、［Ｃｕ］、［Ｔｉ］および［Ｓ］は、それぞれ鋼板内のＣｕ、ＴｉおよびＳの含有量（重量％）を示す。）
  5. Ｃ：０．００５重量％以下およびＮ：０．００５重量％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。
  6. 電磁鋼板表面から内部方向に酸化層が存在し、酸化層の厚さは１０～５０ｎｍ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。
  7. 前記酸化層は、Ｏ：４０～７０重量％、Ａｌ：２５～５５重量％、Ｐ：０．０１～０．１重量％、Ｓｎ：０．０１～０．１重量％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からな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。
  8. 平均結晶粒径が５０～１００μｍ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。
  9. 母材内部に形成された硫化物のうち、直径１００ｎｍ以上の硫化物の個数が１００ｎｍ未満の硫化物の個数の３倍以上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。
  10. 厚さが０．１０～０．３０ｍｍ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。
  11. 鋼板の幅方向の中心部厚さ（ｔｃｅｎｔｅｒ）と中心部からエッジ部側に垂直に５００ｍｍ離れた位置での厚さ（ｔ５００）との差が１０μｍ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。
  12. 重量％で、Ｓｉ：１．５～４．０％、Ａｌ：０．１～１．５％、Ｍｎ：０．０５～１．５％、Ｓｎ：０．０１５～０．１％、Ｐ：０．００５～０．０５％、Ｇａ：０．００１～０．００４％、Ｂｉ：０．０００５～０．００３％、残部はＦｅおよび不可避な不純物からなるスラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、
    前記熱延板を圧下率８５％以上に冷間圧延して冷延板を製造する段階、および
    前記冷延板を最終焼鈍する段階を含むことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
  13. 前記熱延板を製造する段階の後、前記熱延板を８５０～１１５０℃温度で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１２に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  14. 前記最終焼鈍する段階は、水素（Ｈ２）および窒素（Ｎ２）を含む雰囲気および４００～１０００℃範囲の温度で１００秒以下に焼鈍することを特徴とする請求項１２に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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