JP4116749B2

JP4116749B2 - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP4116749B2
Application number: JP35807399A
Authority: JP
Inventors: 高英島津; 浩明佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1999-12-16
Filing date: 1999-12-16
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2019-12-16
Also published as: JP2001172753A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄リサイクルが可能である成分系を前提とする、鉄損の優れた無方向性電磁鋼板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球資源が枯渇するかも知れないとの近未来的な状況の中で、いろいろな分野で資源の再利用の動きが急である。このため、鉄鋼業でも各種の鉄スクラップ、例えば自動車、洗濯機、エアコンなどを製鉄原料として利用する必要が生じてきている。このためには、従来有害とされてきたＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎなどを積極的に利用する必要性が生じている。
【０００３】
周知の如く、無方向性電磁鋼板には１００年の歴史があるが、そこで払われてきた工業的な努力は、ＳｉとＡｌ以外の不純物とされるＣ，Ｓ，Ｎ，Ｔｉ，Ｎｂなどを如何に低減するかの歴史に尽きると言っても過言ではない。このため、鉄リサイクルで増加するＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒなども、特に高級品には必要ないものとして長い間考えられてきた。
【０００４】
一方で、同じ地球資源問題から、エネルギーの無駄使いをなくそうとの動きも強まっている。モータの分野でも、例えば一般家庭用のエアコンに見られるように、消費電力低下による電気代が安いものが求められている。このため、無方向性電磁鋼板には鉄損の少ないものが求められている。
【０００５】
特開平７−２６８５６８号公報および特開平１１−２９３３３８号公報で、発明者らはこれらＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒの有効活用技術を提案した。しかしながら、特に製品板厚の薄くて、且つＳｉとＡｌ量とが多い成分系で、高周波鉄損のバラツキが大きい問題があった。その原因は不明であった。
【０００６】
一方、特開平８−９７０２３号公報では、Ｓｂを添加することで酸化層を少なくして磁気特性を改善することが開示されている。しかしＳｂは高価な上、人体に有害でもあること、また熱延板もしくは熱延板焼鈍後のスケール残り量が議論されているが、それは最表層に存在する酸化層のことであり、この発明で重要な高周波鉄損には意味のない酸化層であったため、利用されることがなかった。
また、K.MatsmuraとB.Fukuda:IEEE Trans.mag.20(1984)1533でも酸化層のことが述べられているが、これも最表層から存在する酸化層のことで、高周波鉄損が不満であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の点に鑑み、地球環境問題からの鉄スクラップの積極活用と同時に、課題であった高級無方向性電磁鋼板の高周波鉄損を改善する無方向性電磁鋼板を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、以下の構成を要旨とする。
（１）質量％で、
Ｃ ≦０．００５％、Ｓｉ：１．６〜４％、
Ｍｎ≦１％、Ｐ ≦０．０５％、
Ｓ ≦０．００２％、Ａｌ：０．１〜４％、
Ｎ ≦０．００４％、Ｃｕ：０．０５〜１％、
Ｎｉ：０．０１〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％、
Ｓｎ：０．００３〜０．１％
を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、冷延板焼鈍後の鋼板表面構造として最表面に鉄メタル層が存在し、その内層に内部酸化層があり、この内部酸化層厚みを≦０．５μｍとし、結晶粒径が７０〜１７０μｍ、製品厚みが０．１〜０．４mmであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
【０００９】
本発明のポイントは３点ある。一つは、Ｃｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎなどの含有鋼では内部酸化層が発生し易いこと。二点目は、高周波鉄損を改善するには内部酸化層が大きく効いていること。三点目は、この内部酸化層を制御することは工業的に充分可能なことである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の限定理由について説明する。成分含有量は質量％である。
Ｃ量は、０．００５％以下とする。Ｃ量が０．００５％を超えると磁気時効問題があるため鉄損が増加するためである。
【００１１】
Ｓｉ量は、１．６〜４％に制限する。Ｓｉは鉄損を小さくするのに有効で、１．６％未満では高周波鉄損が不満である。また４％超では、冷間脆化で打ち抜きの鋼板割れが生じるので、避けるべきである。
【００１２】
Ｍｎ量は、１％以下とする。Ｍｎは熱間割れを防止する作用があるが、多すぎると添加コストの問題もあるので、１％以下とする。
【００１３】
Ｐ量は、０．０５％以下に制限する。Ｐも結晶粒成長を阻害して、製品結晶粒径を細粒化するため少ない方が好ましいが、この限界が０．０５％である。
【００１４】
Ｓ量は、０．００２％以下とする。Ｓは、硫化物を形成して高周波鉄損を劣化させる。この限界が０．００２％である。
【００１５】
Ａｌ量は、０．１〜４％とする。Ａｌは鉄損を小さくするが、０．１％未満では鉄損が不満で、また４％超では、冷間脆化で打ち抜きの鋼板割れが生じるので、避けなければならない。
【００１６】
Ｎ量は、０．００４％以下とする。Ｎは窒化物を形成して鉄損を劣化させる。この限界が０．００４％である。
【００１７】
Ｃｕ量は、０．０５〜１％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は０．０５％以上のＣｕであり、また１％を超えると、Ｃｕへげと称される熱延での鋼板表面割れが発生するので避けなければならない。特にこのＣｕへげは、Ｓｎが０．００３％以上含有される系で発生しやすいので注意を要する。
【００１８】
Ｎｉ量は、０．０１〜０．２％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は０．０１％以上のＮｉであり、また０．２％を超えると結晶粒成長が阻害されるため不可とする。
【００１９】
Ｃｒ量は、０．０１〜０．２％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は、０．０１％以上のＣｒであり、また実用上、鉄スクラップから０．２％を超えることはないので、０．０１〜０．２％とする。
【００２０】
Ｓｎ量は、０．００３〜０．１％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は０．００３％以上のＳｎであり、また実用上、鉄スクラップから０．１％を超えることはないので、０．０１〜０．１％とする。
【００２１】
その他の元素として、集合組織を改善するための公知のＢ，Ｍｏなどを添加しても本発明として有害なものではない。但し添加コストの問題があるので、それぞれ０．１％以下が好ましい。また、公知の有害元素のＴｉ，Ｎｂは０．０１％以下が好ましい。また、本発明は高価なＳｂを添加しないので、製鋼作業で不可避的不純物として含有することのあるＳｂ量は、０．０１％未満である。
【００２２】
製鋼で上記の成分に調整された連続鋳造スラブは、通常の熱間圧延を行われて熱延板とされる。
熱延板は、次いで焼鈍されても良いし焼鈍されなくても良い。熱延板焼鈍を実施した方が磁束密度が改善されるが、本発明の目的は鉄損改善なので、熱延板焼鈍を省略することも可能である。熱延板焼鈍を実施する場合は、通常の８００〜１２００℃の温度で行うのが好ましい。
【００２３】
次いで、冷延を行ってから焼鈍を実施する。焼鈍後の鋼板の平均結晶粒径は、７０μｍ以上、１７０μｍ以下とする。７０μｍ未満でも１７０μｍ超でも高周波鉄損が不満である。結晶粒径を制御するためには、通常の温度×時間制御をすればよい。
【００２４】
また、内部酸化層の厚みは０．５μｍ以下でなければならない。内部酸化層が０．５μｍを超えると高周波鉄損の劣化が大きいためである。特に本発明のＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒ複合含有系では、内部酸化層が生じ易いので注意しなければならない。
【００２５】
ここで言う内部酸化層とは、最表層がＳｉまたはＡｌが若干少なくなった鉄メタル層の下層に形成された、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎなどがリッチの酸化層のことである。即ち表面構造としては、最表層の第一層が鉄メタルで、第二層が内部酸化層、第三層が地鉄である三層構造が形成されている。内部酸化層が厚くなると、最表層の鉄メタル層厚みも増加する傾向にあるが、例えば内部酸化層が０．５μｍの場合は、鉄メタル層厚みは０．８μｍ程度である。
なお、最表層の鉄メタル層は殆どの場合、内部酸化層の上にフィルム（膜）状に観察される。しかしまれなケースとしては、この最表層の鉄メタル部分がなく、内部酸化層の上層部分に、鉄メタルが断続的な島状のものとして観察されることもある。この場合の内部酸化層厚みは、島状の鉄メタル厚みの平均化したものを全体の酸化層厚みから引いたものとして定義する。
【００２６】
内部酸化層の下層は地鉄である。この内部酸化層は地鉄との境界面の凹凸が大きいので、磁束の流れを阻害して高周波鉄損を著しく劣化させるので、特に注意しなければならない。
なお、この内部酸化層は、鋼板断面の研磨面を５０００倍以上の倍率でＳＥＭ−ＥＤＸ測定することで観察することができるが、ＳＥＭ像は通常の二次電子ではなく、反射電子像の方が内部酸化層厚みを明瞭に見ることができる。内部酸化層厚みは、最表層の鉄メタル界面と下層の地鉄界面との中間層の厚みであるが、上下それぞれの界面の凹凸中心線（凹凸曲線の平均線に平行な直線を引いたとき、この直線と凹凸曲線で囲まれる面積が、この直線の両側で等しくなる直線を中心線とする）同士の差として定義される。
【００２７】
この内部酸化層は、焼鈍の前半の加熱過程などで酸化された場合に生じるため、例えば加熱ラジアントチューブでの割れや直火無酸化炉での空燃比に十分注意しなければならない。即ち、焼鈍の加熱過程で酸化されると、次いで高温での還元ガスで均熱焼鈍されても内部酸化層まで還元されることはない。なおこの内部酸化層は、従来のＨ₂＋Ｎ₂＋Ｈ₂Ｏ混合の湿潤ガス中での均熱焼鈍で、最表面から酸化される現象を意味しない。この表面酸化は高周波鉄損に悪影響しない。
また実験室レベルでは、加熱から均熱、冷却まで非酸化性ガス中で焼鈍することが容易であるが、鉄鋼メーカでの実炉では加熱帯に直火バーナーやラジアントチューブを用いることが多いので、特にＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒ複合含有系では、この内部酸化層には注意を払わなければならない。均熱帯で例えば１００％Ｈ₂の露点−５０℃ドライ雰囲気として高温均熱しても、この内部酸化層までは還元されないので注意を要する。
【００２８】
上記、再結晶焼鈍の後は通常の絶縁皮膜が塗布乾燥されて出荷される。出荷された後は、打ち抜き加工され、積層固定され、そのまま、または焼鈍されて（特に固定子が磁性改善のために焼鈍される場合がある）モータコアや小型トランスコアとなる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００２９】
（実施例１）
各種の成分系を変更して３０kg真空溶解を実施して、表１に示す成分のインゴットを作成した。これを１０３０℃に加熱してから、１０mm厚の鋼片に分塊した。次いで、更に１０００℃に加熱してから１．７mmの熱延板を作成した。次いで１１００℃で３０秒均熱の窒素中焼鈍を行ってから大気中放冷した。酸洗後、冷延して０．３５mm厚とした。次いで脱脂して、１０００℃で５秒の水素中での焼鈍を実施した。１００mm角の試料を切り出してから、圧延方向とそれと直角の方向の４００Hz鉄損を測定し、平均して表１に示した。また、鋼板断面の平均結晶粒径を圧延方向の直線をよぎる結晶粒径の粒界個数をカウントして求めた。なお、内部酸化層も調査したが存在しなかった。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示すように、本発明の成分範囲を外れるものは、鉄損特性が不満となった。なお製品での成分分析も実施したが、インゴットでの分析結果と同じであった。なお、表１の備考欄の本発明例とは、内部酸化層以外についての技術項目が全て特許請求の範囲に入っている例のことである。
【００３２】
（実施例２）
表２に示すように、ＳｉとＡｌ量とを調整した連続鋳造スラブを供試材として用いた。その他の成分としては、実験No．１〜９については、０．００１％Ｃ、０．２％Ｍｎ、０．０２％Ｐ、０．０００２％Ｓ、０．０００７％Ｎ、０．２５％Ｃｕ、０．０４％Ｓｎ、０．０５％Ｎｉ、０．０５％Ｃｒに固定した。また、実験No．１０と１１のみ、０．００１％Ｃ、０．２％Ｍｎ、０．０２％Ｐ、０．０００２％Ｓ、０．０００７％Ｎで、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒについてはそれぞれ０．０００２％以下とした。
このスラブを１１００℃で加熱してから、１．５mm厚の熱延コイルを製造した。次いで９００℃で１５秒の焼鈍をＮ₂中で実施した。酸洗してから０．２５mmまで冷延した。この冷延板で表層酸化層を観察調査したが、酸化層は存在しなかった。
【００３３】
脱脂後、１１００℃×１０秒の均熱焼鈍を実施した。この時、加熱を無酸化炉（直火雰囲気、空燃比＝０．９）で行い、無酸化炉出側の板温を制御して、内部酸化層の厚みを変更した。無酸化炉を出てからは、電気ヒータゾーンで４０％Ｈ₂＋６０％Ｎ₂雰囲気で焼鈍した。その後、絶縁皮膜（クロム酸、マグネシュウム、アクリル系の半有機皮膜）を約１．５μｍ厚焼き付けた。また、エプスタイン試験片で磁気特性を測定した。製品の平均結晶粒径は、いずれも１５０〜１５５μｍであった。
【００３４】
【表２】

【００３５】
表２に示すように、成分、内部酸化層とを本発明範囲に制御したものは優れた鉄損特性を示した。なお、最終の鋼板の成分をチェックしたが、スラブ成分と同一であった。No．１０と１１は、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒを含まない成分系であるが、内部酸化層は生成され難い傾向にあることが実験No．２と１０との比較で、また実験No．５と１１との比較で分かる。
その原因については、未だ不明確な部分があって今後の調査に待たなければならないが、表層をＧＤＳなどでスパッターしながら調査すると、Ｃｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒなどは表層に濃化する傾向があるため、これが原因の一つと推定している。
【００３６】
（実施例３）
質量％で、０．００３５％Ｃ、２．２％Ｓｉ、０．１８％Ｍｎ、０．０１％Ｐ、０．００３５％Ｓ、２．１％Ａｌ、０．００１５％Ｎ、０．００１％Ｎｂ、０．５％Ｃｕ、０．０８％Ｓｎ、０．０８％Ｎｉ、０．１１％Ｃｒ、０．００２％Ｏ、０．００１％Ｔｉ、０．００２％Ｍｏ、０．００１％Ｖ、０．０００１％Ｂ、０．０００２％Ｓｂを含むスラブを１０５０℃で加熱してから、２．５mm厚の熱延コイルを製造した。次いで８５０℃×１０秒の窒素中焼鈍をして、酸洗した。酸化層を調査したが、認められなかった。
次いで０．２mmまで冷延し、脱脂後、均熱温度を表３のように変更して１０秒均熱の３０％Ｈ₂＋７０％Ｎ₂中の焼鈍を実施した。この時、均熱温度に到達するまでの加熱雰囲気をＮ₂とし、その酸素を０．０１％とした。次いで有機、無機混合の絶縁皮膜を１μｍ厚で焼き付けした。
【００３７】
この鋼板表面を調査したところ、いずれも内部酸化層は、０．２μｍ厚であった。次いでエプスタイン試料に切断してから、磁気特性を測定した。また結晶粒径も測定して、表３に示した。
表３に示すように、本発明範囲の結晶粒径で優れた磁気特性が得られた。
【００３８】
【表３】

【００３９】
【発明の効果】
地球環境問題からの鉄スクラップを積極活用し、同時に高周波鉄損特性を改善した無方向性電磁鋼板を提供することができた。

Claims

質量％で、
Ｃ ≦０．００５％、
Ｓｉ：１．６〜４％、
Ｍｎ≦１％、
Ｐ ≦０．０５％、
Ｓ ≦０．００２％、
Ａｌ：０．１〜４％、
Ｎ ≦０．００４％、
Ｃｕ：０．０５〜１％、
Ｎｉ：０．０１〜０．２％、
Ｃｒ：０．０１〜０．２％、
Ｓｎ：０．００３〜０．１％
を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、冷延板焼鈍後の鋼板表面構造として最表面に鉄メタル層が存在し、その内層に内部酸化層があり、この内部酸化層厚みを≦０．５μｍとし、結晶粒径が７０〜１７０μｍ、製品厚みが０．１〜０．４mmであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。