JP2718340B2 - 鉄損の低い無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電気機器の鉄心として
広く用いられる鉄損の低い無方向性電磁鋼板の製造方法
に関し、とりわけ高周波を用いる電気機器の鉄心に適し
た無方向性電磁鋼板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の電気機器では、高効率化や小型化
を目的として高周波を用いるものが増加する傾向にあ
り、高周波域で鉄損の低い電磁鋼板の要望が高まってき
ている。

【０００３】鉄損は一般に、周波数の一乗に比例するヒ
ステリシス損と周波数の二乗に比例する渦電流損の和と
して表すことができる。したがって、高周波域では周波
数の二乗に比例する渦電流損の鉄損に占める割合が高く
なり、渦電流損の低減が低鉄損化にとって極めて重要と
なる。

【０００４】渦電流損を低減するためには、板厚を薄く
することおよび電気抵抗を増加することが有効であるこ
とが知られている。つまり製品鋼板の薄肉化と合金元素
の添加による鋼板の電気抵抗増加が、高周波用の無方向
性電磁鋼板の開発の大きな指針となる。

【０００５】特開昭62−103321号公報には、 6.5％前後
のSiを含有する高珪素鋼板の製造方法が示されている。
鉄にSiを添加して行くと 6.5％前後の添加量で磁歪がほ
ぼ０になるため、ヒステリシス損が著しく低くなる。ま
た、高Si添加鋼では電気抵抗が高くなるため渦電流損を
下げるのにも有利である。したがって、 6.5％Si前後の
高珪素鋼板では、ヒステリシス損と渦電流損の両方の鉄
損要因を同時に下げることができるため、同等の電気抵
抗を有するそのほかの高合金鋼に比べ良好な磁気特性が
得られると考えられている。しかし、この発明に示され
ているような高珪素鋼板は極めて脆く、たとえ製造でき
ても鋼板の使用者側で鉄心に加工するには特殊な設備や
条件が必要となるため、用途が非常に限られたものにな
る。

【０００６】特開昭62−196354号公報と特開昭62−1963
58号公報には、Si: 2.5〜7.0 ％を含有し、かつＷ: 0.
05〜3.0 ％、Mo: 0.05〜3.0 ％、Ti: 0.05〜3.0 ％、M
n:0.1〜11.5％、Ni:0.1〜20.0％、Co:0.5〜20.0％、Cr:
0.1 〜10.0％およびAl:0.5〜13.0％のうちから選んだ
１種または２種以上を20.0％を越えない範囲で含有する
高合金軟磁性鋼板が示されている。しかしこれらの鋼板
でも、 6.5％前後のSiを含有させた場合には磁気特性は
良好になるが、同様に脆く、打ち抜き加工性は当然悪く
なる。一方、Siを他の合金成分で置換した場合には良好
な磁気特性が得られない。また、上記の二つの発明に示
される鋼板の主要な製造方法は、溶湯急冷法であると考
えられ、製品は板厚が0.30mm以下の極めて薄いものに限
定されている。このため、やはり用途も限定されたもの
とならざるをえない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、種々
の板厚の製品を製造する際にも容易に適用することがで
きる一般的な熱間圧延、冷間圧延を経るプロセスによ
り、高周波域における鉄損が低く、かつ打ち抜きや切断
による鉄心への加工が容易な無方向性電磁鋼板の製造方
法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の製造
方法にある。

【０００９】重量％で、Si:1.5〜3.5 ％、Mn:0.2〜4.0
％およびAl:2.5〜4.5 ％を含有し、残部はFeおよび不可
避的不純物からなる鋼スラブを熱間圧延後、 650〜1000
℃で熱延板焼鈍を施してから、中間焼鈍を挟む２回の冷
間圧延で、１回目、２回目の冷間圧延圧下率をそれぞれ
40〜80％として製品板厚に仕上げた後、焼鈍を行う鉄損
の低い無方向性電磁鋼板の製造方法。

【００１０】前述したように 6.5％Si前後の高珪素含有
鋼板は、高周波磁気特性に対し有利であるが、極めて脆
く冷間圧延時に割れが生じやすい。また、たとえ割れず
に冷間圧延ができたとしても、ユーザーでの打ち抜き加
工などによる鉄心への加工作業には、極めて特殊な条件
が要求される。

【００１１】本発明者らは、冷間圧延時の延性が良好
で、高珪素鋼板と同等の良好な磁気特性を有し、かつ鉄
心加工が容易な無方向性電磁鋼板の製造方法を詳細に検
討し、下記〜の知見を得た。

【００１２】適正量のSi、Mn、Alの複合添加により電
気抵抗を増加させた鋼板では、 6.5％前後のSiを単独添
加して電気抵抗を増加した鋼板と同等の良好な磁気特性
が得られる。しかも、打ち抜き加工性はSi単独添加の場
合に比べ優れている。

【００１３】熱延板焼鈍で鋼板を再結晶させることに
より、磁気特性の改善ばかりでなく冷間圧延時の加工性
が改善される。

【００１４】冷間圧延は、中間焼鈍を挟む２回の冷間
圧延を行い、２回の冷間圧延の圧下率を共に40〜80％と
することが、磁気特性の改善に有効である。

【００１５】

【作用】以下に、本発明の構成要件毎に作用効果を説明
する。％は重量％を意味する。

【００１６】（１）素材鋼スラブの組成 (a) Si Siは磁気特性に大きな影響を与える元素であり、含有量
が増加するほど鋼板の電気抵抗が上昇して渦電流損が低
下し、結果として鉄損が低減する。しかし、Si含有量が
3.5％を超えると、加工性が低下して冷間圧延が困難と
なるとともに、たとえ圧延できても鉄心成形のための打
ち抜き加工時に割れが発生しやすくなる。一方、 1.5％
未満の含有量では鋼板の電気抵抗が低く、鉄損の低減が
できない。したがって、Si含有量の適正範囲は 1.5〜3.
5 ％である。

【００１７】(b) Mn 高Si、高Al鋼において冷間圧延時の割れ発生を防止する
ためには、Mn含有量を0.2 ％以上とすることが有効であ
る。この原因は明確ではないが、Mnの固溶効果で熱延板
焼鈍時の結晶粒径の粗大化が抑制されることによるもの
とも考えられる。また、MnはSiと同様に鋼板の電気抵抗
を上昇させるのに有効であり、鉄損低減の観点から積極
的な添加も有効である。しかし、Mn含有量が 4.0％を超
えると強度が上昇しすぎて冷間圧延を困難にすることか
ら、その上限を 4.0％とした。すなわち、Mn含有量の範
囲は 0.2〜4.0 ％とすることが必要である。

【００１８】(c) Al Alを適正量のSi、Mnとともに複合添加することにより、
高周波域において極めて良好な磁気特性を得ることがで
きる。このような磁気特性の改善効果はAl含有量が 2.5
％未満では得ることができない。この理由の一つは、Al
添加がSi添加とほぼ同等の電気抵抗の増加効果を持ち、
2.5％未満では電気抵抗が低すぎて高周波域での鉄損を
低下させることができないからである。

【００１９】しかし、Si、MnとAlの複合添加が磁気特性
改善に極めて有効であることは、単に電気抵抗の上昇だ
けでは説明できない。これら三つの元素の適量添加が、
高周波域での渦電流損に対し有利な磁区構造を生じさせ
るためではないかと考えられる。

【００２０】一方、Al含有量が 4.5％を超えると冷間圧
延や打ち抜き加工時に割れが発生しやすいため、その上
限値を 4.5％とした。したがって、Al含有量の適正範囲
は 2.5〜4.5 ％である。

【００２１】上記三元素以外は鋼スラブではなるべく低
く抑えることが望ましい。

【００２２】Ｃは鉄損に悪影響を与えるので 0.010％以
下、さらに言えば 0.005％以下が望ましい。製品段階で
残存したＣは炭化物を生成し、これが磁壁移動の障害物
となり鉄損が増加するからである。

【００２３】ＳはMnと結合してMnS を形成し、炭化物と
同様に磁壁移動の障害となり鉄損特性の劣化をもたら
す。したがって、Ｓ含有量が低いほど磁気特性は改善さ
れるので、0.006 ％以下、さらに言えば 0.003％以下と
するのが望ましい。

【００２４】Ｐは鋼板を脆化させるので、 0.020％以下
とするのが望ましい。

【００２５】ＮはAlと結合してAlN を形成し、磁壁移動
の障害となるため低くすることが必要であり、このため
0.0060％以下とすることが望ましい。なお、割れ防止の
観点からＢを0.0020％以下の範囲で含有させることは妨
げない。

【００２６】（２）製造工程 次に、製造工程および条件の限定理由について説明す
る。

【００２７】素材の鋼スラブは前記の組成をもつもので
ある。これは、転炉、電気炉等で溶製し、必要があれば
真空脱ガス等の処理を施した溶鋼を、連続鋳造法でスラ
ブにしたもの、あるいはインゴットにして分塊圧延した
もののいずれでもよい。

【００２８】スラブの熱間圧延条件については特に限定
しない。しかし、望ましい温度範囲は、スラブ加熱温度
で1100〜1270℃、圧延仕上温度で 700〜950 ℃である。

【００２９】(a) 熱延板焼鈍 熱延板を焼鈍して再結晶させることにより、磁気特性の
改善と冷間圧延時の割れ抑制が達成できる。焼鈍の方法
は箱焼鈍方式、連続焼鈍方式のいずれでもよい。

【００３０】焼鈍温度が 650℃未満では熱延板の再結晶
が十分に進行せず、焼鈍の効果が得られない。一方、焼
鈍温度が1000℃を超えると結晶粒が粗大化しすぎて、冷
間圧延時に割れが生じやすくなる。したがって、熱延板
焼鈍温度は 650〜1000℃とした。箱焼鈍の場合には 650
〜900 ℃が、連続焼鈍の場合には 750〜1000℃が、それ
ぞれ望ましい。

【００３１】(b) 冷間圧延 冷間圧延条件は本発明において極めて重要な要件であ
る。中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延の圧下率を、１回
目、２回目共に40〜80％とすることが良好な磁気特性を
得るために必要である。

【００３２】中間焼鈍は、１回目の冷間圧延で形成され
た加工組織を再結晶させることが目的である。

【００３３】中間焼鈍条件は特に限定しない。箱焼鈍方
式と連続焼鈍方式のいずれでも可能であり、熱延板焼鈍
と同様の 650〜1000℃の範囲で均熱するのが望ましい。

【００３４】前記の熱延板焼鈍を実施して、かつ上記の
中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延の圧下率を共に40〜80％
に適正化することにより、２回目の冷間圧延後の焼鈍に
おいて、磁気特性に有利な集合組織を形成させる。

【００３５】冷間圧延はもちろん室温でもよいが、割れ
防止の観点から鋼板を350 ℃以下に加熱して実施しても
よい。350 ℃を超えると圧延時の鋼板の形状制御が困難
になるとともに、圧延油も特殊な性状のものを用いなけ
ればならなくなるからである。

【００３６】(c) 冷間圧延後の焼鈍 ２回の冷間圧延により所定の板厚に仕上げられた鋼板
は、焼鈍して再結晶と粒成長を行わせることにより、良
好な磁気特性を有するものにすることができる。

【００３７】この場合の焼鈍も箱焼鈍方式、連続焼鈍方
式のいずれでもよく、その条件は特に限定する必要はな
いが、焼鈍温度の範囲は700 ℃以上、1250℃以下とする
のが望ましい。700 ℃未満では再結晶と粒成長が十分に
達成できない。一方、1250℃を超えると磁気特性は改善
されず、経済的に無意味である。

【００３８】

【実施例】

〔試験１〕表１に示す組成の６種類の供試鋼を真空高周
波炉で溶製し、50kgインゴットとした。これらの供試鋼
は電気抵抗がほぼ等しく、SiとAlの含有量を大きく変化
させたものである。全ての鋼種において、Ｃ: 0.0030％
以下、Ｐ:0.015％以下、Ｓ: 0.0020％以下、Ｎ: 0.0030
％以下であり、その他の元素も不可避的不純物のレベル
である。

【００３９】

【表１】

【００４０】各インゴットを1200℃に加熱後、仕上温度
850 ℃の熱間圧延により厚さ 2.3mmの板材とした。次
に、800 ℃で１時間均熱の熱延板焼鈍を施して、厚さ0.
80mmまで１回目の冷間圧延（圧下率65％）を行った。冷
間圧延はいずれも試験片を 100℃に加熱して行い、この
結果、鋼種Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは目標の板厚まで圧延できた
ものの、鋼種Ａ、Ｂでは割れが発生し、圧延できなかっ
た。そこで、鋼種Ａ、Ｂは試験片を300 ℃まで加熱し
て、目標の板厚まで同じ圧下率で冷間圧延を行った。

【００４１】上記の１回目の冷間圧延後、900 ℃で１分
間均熱の中間焼鈍を施して冷却した。２回目の冷間圧延
では、上記の中間焼鈍後材のうち、鋼種Ａ、Ｂは300
℃、鋼種Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは100 ℃に加熱して全て同じ圧
下率56％で厚さ0.35mmに仕上げた。

【００４２】上記の２回目の冷間圧延を施した鋼板に、
1000℃で１分間均熱の焼鈍を行った後、圧延方向および
圧延直角方向を長手方向として、幅30mm、長さ280 mmの
エプスタイン磁気特性測定試験片を打ち抜いた。しか
し、鋼種Ａ、Ｂは打ち抜き端面から亀裂が入り割れてし
まったため、放電加工により上記と同じ試験片を作製し
た。

【００４３】これらの試験片を用いて、800 ℃で２時間
の歪取り焼鈍を実施した後、エプスタイン磁気測定器に
より磁気特性を測定した。これらの一連の試験結果を併
せて表１に示す。

【００４４】本発明で定める条件を全て満たして、鋼種
ＣとＤから製造された鋼板は、冷間圧延や打ち抜き加工
で割れの発生がなく良好な加工性を示すとともに、磁気
特性も、従来の良好なレベルを有する高珪素鋼板に相当
する鋼種Ａの場合と同等の良好なものであることがわか
る。

【００４５】本発明で定める範囲よりSiが高くAlが低い
鋼種ＡとＢから製造された鋼板では、本発明例を凌ぐほ
どの磁気特性が得られないばかりか、冷間圧延で割れが
発生しやすく、さらに打ち抜き加工でも割れが発生し
た。このように、これらの鋼種は極めて使いにくい材料
である。また、本発明で定める範囲よりSiが低い鋼種Ｅ
とSiが低くAlが高い鋼種Ｆから製造された鋼板では、本
発明例の鋼種Ｃ、Ｄの場合と同様に加工性は良好である
が、磁気特性が劣っている。

【００４６】〔試験２〕表２に示すMn以外はほぼ同じ組
成の２種類の供試鋼を真空高周波炉で溶製し、50kgイン
ゴットとした。これらの鋼においても、表示以外の成分
は前記試験１の場合と全く同じレベルである。

【００４７】

【表２】

【００４８】各インゴットを1200℃に加熱後、仕上温度
850 ℃の熱間圧延により厚さ2.3 mmの板材とした。次
に、表２に示すように、試験番号１と３では焼鈍せず、
他は表示の各温度で１分間均熱の熱延板焼鈍を行った
後、中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延を施した。各条件と
結果を表２に併せて示す。

【００４９】１回目の冷間圧延で、試験番号１〜４と10
では、割れが発生して圧延が不可能であった。２回目の
冷間圧延は、１回目の冷間圧延が可能であった試験番号
５〜９を対象として、800 ℃で１時間均熱の中間焼鈍を
行った後、いずれの試験片も100 ℃に加熱して、厚さ0.
23mmまで仕上圧延した。

【００５０】次に、上記の２回目の冷間圧延材に1000℃
で１分間均熱の焼鈍を施した鋼板から、試験１と同様の
打ち抜き試験片を作製し、800 ℃で２時間の歪取り焼鈍
して磁気特性測定試験に供した。表２にこの測定結果も
併せて示す。なお、供試鋼の電気抵抗は、試験番号１、
２では81μΩ・cm、試験番号３〜９では84μΩ・cmであ
った。

【００５１】試験番号７、８は、全ての条件が本発明で
定める範囲にあるものである。これらの鋼板では、冷間
圧延や打ち抜き加工で割れの発生がなく、良好な加工性
を示すとともに、磁気特性も良好なものであることがわ
かる。

【００５２】Mnが本発明で定める下限よりも低い試験番
号１、２では、冷間圧延で割れが発生し以後の実験は行
えなかった。また、本発明で定める範囲の組成であって
も、熱延板焼鈍を実施しなかった試験番号３や、熱延板
焼鈍温度が本発明で定める範囲から外れた試験番号４、
10でも、やはり冷間圧延時に割れが発生して、以後の実
験が行えなかった。本発明で定める範囲の組成と熱延板
焼鈍条件であっても、１回目と２回目の冷間圧延圧下率
が、40％未満かまたは80％を超える試験番号５、６、９
ではいずれも磁気特性が劣っている。

【００５３】〔試験３〕表３に示す組成の２種類の供試
鋼を真空高周波炉で溶製し、50kgインゴットとした。鋼
種Ｇは本発明で定める範囲、鋼種Ｈは本発明で定める範
囲外の組成である。なお、これらの鋼では電気抵抗がほ
ぼ等しく、表示以外の成分は前記試験１の場合と全く同
じレベルである。

【００５４】

【表３】

【００５５】各インゴットを1200℃に加熱後、仕上温度
850 ℃の熱間圧延により厚さ2.0 mmの板材とした。次
に、750 ℃で５時間均熱の熱延板焼鈍を施してから、室
温で0.45mmの板厚まで１回目の冷間圧延（圧下率78％）
を行った。

【００５６】鋼種Ｇは目標の板厚まで圧延できたもの
の、鋼種Ｈは割れが入り圧延できなかった。そこで、鋼
種Ｈは300 ℃まで加熱して目標の板厚まで圧延を実施し
た。

【００５７】上記の１回目の冷間圧延後、700 ℃で５時
間均熱の中間焼鈍を施して冷却した。２回目の冷間圧延
では、上記の中間焼鈍後材のうち、鋼種Ｇは室温、鋼種
Ｈは300 ℃に加熱して圧下率78％で厚さ0.10mmに仕上げ
た。

【００５８】上記の２回目の冷間圧延を施した鋼板に、
900 ℃で30秒間均熱の焼鈍を行った後、圧延方向および
圧延直角方向を長手方向として、幅30mm、長さ280 mmの
エプスタイン磁気特性測定試験片を打ち抜いた。しか
し、鋼種Ｈは打ち抜き端面から亀裂が入り割れてしまっ
たため、放電加工により上記と同じ試験片を作製した。

【００５９】これらの試験片を800 ℃で２時間の歪取り
焼鈍して磁気特性測定試験に供した。

【００６０】表３に加工性と磁気特性測定結果を併せて
示す。

【００６１】表３からわかるように、本発明鋼である鋼
種Ｇでは、室温での冷間圧延や打ち抜き加工での割れ発
生がなく、良好な加工性を示すとともに、磁気特性も従
来の良好なレベルを有する高珪素鋼板に相当する鋼種Ｈ
の場合と同等の良好なものである。一方、本発明で定め
る範囲よりもSiが高くAlが低い鋼種Ｈでは、鋼種Ｇを凌
ぐほどの磁気特性が得られないばかりか、冷間圧延は可
能であっても、打ち抜き加工で割れが発生した。このよ
うに鋼種Ｈは極めて使いにくい材料である。

【００６２】

【発明の効果】本発明の方法によれば、一般的な製造工
程により、鉄損が低く、しかも冷間加工性と打ち抜き加
工性に優れた無方向性電磁鋼板を得ることができる。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Si:1.5〜3.5 ％、Mn:0.2〜4.0
   ％およびAl:2.5〜4.5 ％を含有し、残部はFeおよび不可
   避的不純物からなる鋼スラブを熱間圧延後、 650〜1000
   ℃で熱延板焼鈍を施してから、中間焼鈍を挟む２回の冷
   間圧延で、１回目、２回目の冷間圧延圧下率をそれぞれ
   40〜80％として製品板厚に仕上げた後、焼鈍を行う鉄損
   の低い無方向性電磁鋼板の製造方法。