JP4192403B2 - 直流偏磁下で使用される電磁鋼板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気特性に優れた電磁鋼板に関するもので、特に粒子加速器などの電磁石材料に好適な電磁鋼板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、高出力の加速器を用いることにより中性子を取り出し、物質科学、宇宙物理学等の分野で利用する試みがなされている。中性子は透過性に優れていることから、材料に中性子を照射することにより物質の特性、構造等をより詳細に観察できる。このようなことから、各国で大型加速器の建設が計画されている。
【0003】
前記加速器内では、陽子等の粒子を加速することで高エネルギービームを得るため、前記加速器で使用される電磁石は10〜50Hz程度の比較的低周波域で励磁されるが、使用される電磁石の材料は数トンとなり、電磁石全体での鉄損によるエネルギーロスは膨大となる。
【0004】
さらに、前記加速器では陽子等の粒子の制御を容易にしかつ加速電圧領域を広く取る目的から、直流偏磁下で電磁石が制御される場合が多い。このような電磁石のヨーク材料には直流偏磁下での鉄損の低いことが要求される。
【0005】
このような要求に対し、従来の加速器用の電磁石材料として、例えば、特開平5−247604号公報には、C:0.003 mass%以下、 Si:0.05mass%以下、 Mn:0.05〜0.3mass%、 Al:0.05mass%以下、 P+S:0.03mass%以下、 O:0.015 mass%以下、 N:0.005 mass%以下 を含有し、残部は実質的にFeからなり、フェライト粒の結晶粒度が結晶粒度番号で−7以上2以下である軟磁性鉄板が開示されている。
【0006】
また、特開平6−306475号公報には、mass%で C ≦0.01%、Si≦0.3%、 Mn≦0.5%、 P ≦0.3%、 S ≦0.02%、 Al≦0.2%、 N ≦0.004%以下を含有し、 残部が鉄および不可避的不純物からなるスラブを950〜1200℃で加熱し、仕上温度を920℃以上とし熱延コイルを得た後、スキンパス圧延を実施する、板厚が2.5〜10mmであり、保磁力が2.4エルステッド以下で且つ、降伏点強度が20kgf/mm2 以上の粒子加速器用熱延鋼板の製造方法が開示されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平5−247604号公報及び特開平6−306475号公報はいずれも、直流磁気特性を向上させる目的で材料開発が行われているため、直流偏磁下で交流励磁を行った場合には鉄損が大きいという問題点を有している。また、加速器用途に高グレードの低鉄損電磁鋼板を使用した場合には、磁束密度が低いのみならず、直流偏磁下での鉄損が必ずしも良好とならない。
【0008】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、直流偏磁下での磁気特性に優れ、特に粒子加速器用材料として好適な鋼板を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らが上記課題を解決すべく鋭意検討したところ、Siを0.2〜3%添加した鋼の結晶粒径を50μm〜300μmとすることにより、直流偏磁下での磁気特性に優れた電磁鋼板が得られることを見出した。
【0010】
さらには、Ti量を制御すること、板厚を特定の範囲に限定すること、S量を0.0009%以下とすることにより、直流偏磁下での磁気特性がさらに優れた電磁鋼板が得られることを見出した。
【0011】
また、S量が0.0009%以下においては、SbまたはさらにSnを定量添加することにより、直流偏磁下での磁気特性がさらに優れた電磁鋼板が得られることも見出した。
【0012】
本発明はかかる知見に基づきなされたもので、以下のような構成を有する。
【0013】
[1]mass%で、C:0.005%以下、P:0.2%以下、Si:0.2〜1.5%(但し、1.5%は除く)、Mn:0.05〜1.5%、Al:2%以下、S:0.02%以下、N:0.005%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、結晶粒径が50〜300μmであることを特徴とする直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
【0014】
[2]前記[1]において、さらに、Ti:0.005%以下、S:0.0009mass%以下のうちの少なくともいずれかであることを特徴とする直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
【0015】
[3]前記[1]又は[2]において、さらに、Sb、Snのうちの1つ以上を合計で0.001〜0.05mass%含むことを特徴とする直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
【0016】
[4]前記[1]ないし[3]において、板厚が0.35〜1mmであることを特徴とする直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
【0020】
なお、本明細書において、鋼の成分を示す%はすべてmass%であり、ppmもmass ppmである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細をその限定理由とともに説明する。
最初に、直流偏磁下での磁気特性について調査するため、C:0.0025%、Si:3.5%、 Al:0.5%、Mn:0.20%、P:0.01%、S=0.002%、N=0.0021%、 Ti:0.001%とした鋼(供試材A)とC:0.0020%、Si:0.6%、 Al:0.5%、Mn:0.25%、P:0.02%、S=0.002%、N=0.0018%、 Ti:0.001%とした鋼(供試材B)を実験室にて溶解し、熱間圧延後、酸洗を行った。引き続きこの熱間圧延板に75%H2-25%N2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、さらに、板厚0.50mmまで冷間圧延し、10%H2-90%N2雰囲気で950℃×1min間の仕上焼鈍を行った。
【0022】
得られた各供試材を幅55mm、長さ300mmの単板サンプルとし、圧延方向(L方向)および圧延方向と直角の方向(C方向)から切り出し、無偏磁下と直流偏磁下で磁気特性を調査した。表1にこのようにして得られた供試材のL方向とC方向の鉄損の平均を示す。ここで、直流偏磁下での磁束密度の時間変化は図1に示す通りであり、直流偏磁量ΔB=1.0T、交流振幅Bm =0.5T、交流周波数は40Hzとして、鉄損を求めた。
【0023】
【表1】
【0024】
表1より、無偏磁下では供試材Bに比べ、供試材Aのほうが鉄損特性に優れているが、直流偏磁下では供試材Aに比べ、供試材Bのほうが鉄損特性に優れており、従来(無偏磁下)の鉄損の低い材料が直流偏磁下でも低鉄損となりえないことがわかる。
【0025】
そこで、本発明者らは、直流偏磁特性を良好にするためには、低磁場域から高磁場域まで高透磁率が達成されることおよび適正な固有抵抗を有していることが重要と考え、結晶粒径の適正化および成分の最適化について検討した。
【0026】
直流偏磁下での鉄損に及ぼす結晶粒径の影響を調査するため、C:0.0018%、 P:0.005%、 Si=1.0%、 Al=0.3% 、N=0.0021%、S=0.002% 、 tr.Tiとした鋼を実験室にて溶解し、熱間圧延後、酸洗を行った。引き続きこの熱間圧延板に75%H2-25%N2雰囲気で800℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、さらに、板厚0.50mmまで冷間圧延し、10%H2-90%N2雰囲気で800〜1100℃×2min間の仕上焼鈍を行った。
【0027】
図2に、このようにして得られた供試材の結晶粒径と鉄損の関係を示す。ここで、磁気特性の測定は表1と同様に行い、交流周波数は40Hzとした。
【0028】
図2より、結晶粒径が50〜300μmの範囲で直流偏磁下での鉄損が低下することがわかる。一方、結晶粒径300μm超えでは鉄損が増大しており、この原因は集合組織劣化による磁束密度の低下と、高温焼鈍時の表層窒化等による鉄損増大に起因したものと考えられる。
以上の理由により、本発明では平均結晶粒径を50〜300μmとする。
【0029】
次いで、直流偏磁下での鉄損に及ぼすS量の影響を調査するため、C:0.0018%、 P:0.005%、 Si=1.0%、 Al=0.3% 、N=0.0021%としSを0.0003〜0.0025%と変化させた鋼を実験室にて溶解し、熱間圧延後、酸洗を行った。引き続きこの熱間圧延板に75%H2-25%N2雰囲気で800℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、さらに、板厚0.50mmまで冷間圧延し、10%H2-90%N2雰囲気で800〜850℃×2min間の仕上焼鈍を行った。ここで、得られた供試材の結晶粒径は60μmであった。
【0030】
図3に、このようにして得られた供試材のS量と鉄損の関係を示す(図中○印)。ここで、磁気特性の測定は表1と同様に行い、交流周波数は40Hzとした。
【0031】
図3より、S量が9ppm(0.0009%)以下の範囲で直流偏磁下での鉄損が低下することがわかる。ここで、 S量が0.0009%以下で鉄損が低下した原因は、磁壁の移動を妨げる鋼中のMnSが少なくなることにより、低磁場域の透磁率が向上したためと考えられる。
以上の理由により、 S量は0.0009%以下とするのが好ましい。
【0032】
次に、図3の○印の成分の鋼にSbを40ppm添加した結果を図中□印で示す。Sbの鉄損低減効果に着目すると、S量が9ppm超えの領域では、Sb添加により鉄損は0.01W/kg程度しか低下しないが、S量が9ppm以下の領域では、Sb添加により鉄損は0.05〜0.07W/kg程度低下しており、S量が少ない場合すなわちS量が9ppm以下の場合にSbの鉄損低減効果は顕著に認められる。これはSbが鋼板表層部に濃化し極低S材で顕在化する表層の窒化を抑制したためと考えられる。
【0033】
次にSbの最適添加量を調査するため、C:0.0026%、Si:0.72%、Mn:0.25%、P:0.020%、Al=0.38%、S=0.0004%、N=0.0020%としSb量をtr.〜600ppmの範囲で変化させた鋼を実験室にて溶解し、熱間圧延後、酸洗を行った。引き続きこの熱間圧延板に75%H2-25%N2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施し、さらに、板厚0.50mmまで冷間圧延し、10%H2-90%N2雰囲気で950℃×2min間の仕上焼鈍を行った。
【0034】
図4に、このようにして得られた供試材のSb添加量と鉄損と関係を示す。ここで磁気特性の測定は図3と同様の方法で行った。
【0035】
図4より、Sb添加量が10ppm以上の領域で鉄損が低下することがわかる。しかし、Sbをさらに添加し、Sb添加量が50ppm超えとなった場合には、鉄損は再び増大することもわかる。
【0036】
このSb添加量が50ppm超えの領域で鉄損が増大する原因を調査するため、光学顕微鏡による組織観察を行った。その結果、Sb添加量が50ppm超えの領域では、表層細粒組織は認められなかったものの、平均結晶粒径が若干小さくなっていた。この原因は明確ではないが、Sbが粒界に偏析しやすい元素であるため、Sbの粒界ドラッグ効果により粒成長性が低下したものと考えられる。
【0037】
但し、Sbを600ppmまで添加してもSb無添加鋼と比べると鉄損は良好である。
【0038】
以上の理由によりSb添加量は10ppm(0.001%)以上とし、コストの問題から上限を500ppm(0.05%)とするのが好ましい。鉄損の観点より、望ましくは10ppm(0.001%)以上、50ppm(0.005%)以下とするのが好ましい。
【0039】
以上の鉄損低減効果はSbと同様な表面偏析型元素であるSnを10ppm以上添加した場合にも認められた。さらには、Snを50ppm超えで添加すると、鉄損が若干増大した。但し、Snを600ppmまで添加してもSn無添加鋼と比べると鉄損は良好である。
【0040】
以上の理由によりSn添加量は10ppm(0.001%)以上とし、コストの問題から上限を500ppm(0.05%)とするのが好ましい。鉄損の観点より、望ましくは10ppm(0.001%)以上、50ppm(0.005%)以下とするのが好ましい。
【0041】
さらに、SbとSnを複合添加した場合にも上記と同様の効果が得られた。すなわち、Sb+Snで10ppm以上添加した場合に鉄損が低下し、Sb+Snで50ppm超え添加した場合に若干の鉄損増大が認められた。但し、Sb+Snを600ppmまで添加してもSb+Sn無添加鋼と比べると鉄損は良好である。
【0042】
以上の理由によりSbとSnを複合添加した場合にはSb+Snで10ppm(0.001%)以上とし、コストの問題から上限を500ppm(0.05%)とするのが好ましい。鉄損の観点より、望ましくは10ppm(0.001%)以上、50ppm(0.005%)以下とするのが好ましい。
【0043】
次に、成分の限定理由について説明する。Siは従来の加速器用材料ではほとんど添加されていないが、この場合、渦電流損が増大し、直流偏磁下での鉄損が増大することとなる。このため、本発明では固有抵抗を上げるためSi量は0.2%以上、好ましくは0.5%以上添加する。一方、Si量の上限は1.5%とする(但し、1.5%は除く)。
【0044】
AlはSiと同様、固有抵抗を上げるために有効な元素であるが、2%を超えると飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度が低下すると共に直流偏磁下での鉄損が増大するため上限を2%とする。
【0045】
Cは磁気時効の問題があり、また炭化物を形成し磁気特性を劣化させるため0.005%以下とする。
【0046】
Mnは熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために、0.05%以上必要であるが、1.5%超えになると磁束密度を低下させるので0.05〜1.5%とする。
【0047】
Pは0.2%を超えて添加すると鋼板が硬くなるため0.2%以下とする。
【0048】
Nは、含有量が多い場合にはAlN等の窒化物の析出量が多くなり、鉄損を増大させるため0.005%以下とする。
【0049】
Tiは、含有量が多い場合には微細な炭窒化物の析出量が多くなり、鉄損を増大させるため0.005%以下とするのが好ましい。
【0050】
本発明において板厚は0.35〜1mmとするのが好ましい。板厚0.35mm未満では必要な磁束を得るための積み枚数が増大し、コアの製造工程、コスト等が不利になる。一方、板厚が1mmを超えた場合には渦電流損増大に起因し直流偏磁下での鉄損が増大する。
【0051】
次に本発明の鋼板の製造方法について説明する。
本発明の鋼板を得るには、例えば、転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造、熱間圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温度は特に規定する必要はなく、通常でかまわない。また、熱延後の熱延板焼鈍は行っても良いが必須ではない。次いで一回の冷間圧延、もしくは中間焼鈍をはさんだ2回以上の冷間圧延により所定の板厚とした後に、最終焼鈍を行う。
【0052】
ここで、結晶粒径は、平均結晶粒径のことであり、例えば、仕上焼鈍温度を800℃〜1000℃程度として仕上焼鈍を行うことにより本発明で規定する範囲とすることができる。
【0053】
【実施例】
(実施例1)
転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し、表2の成分に鋳造後、1140℃×1hrのスラブ加熱を行った後、板厚2.5mmまで熱間圧延を行った。ここで熱延仕上げ温度は800℃とし、巻取り温度は610℃とした。巻取り後、75%H2-25%N2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施した。その後、表2に示す板厚まで冷間圧延を行い、10%H2-90%N2雰囲気で表2に示す条件において仕上焼鈍を行った。
【0054】
磁気特性は幅55mm長さ300mmの単板試験片を圧延方向(L方向)および圧延方向と直角の方向(C方向)から切り出し、ΔB=1.0T、Bm=0.5T、交流周波数40Hzで直流偏磁鉄損を測定した。また、磁束密度B50はBm=0.5T一定とし、ΔBを変化させた際の磁界の強さのピークが5000A/mとなった際の磁束密度の最大値を測定した。各鋼板の磁気特性を表2に併せて示す。なお、表2において各磁気特性(鉄損、磁束密度)値は、L方向とC方向の平均値である。
【0055】
【表2】
【0056】
表2より、本発明鋼において、直流偏磁下での磁気特性に優れた材料が得られることがわかる。
一方、比較鋼では鉄損が高いかもしくは磁束密度が低くなっている。
【0057】
(実施例2)
転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理し、表3の成分に鋳造後、1210℃×1hrのスラブ加熱を行った後、板厚2.5mmまで熱間圧延を行った。ここで熱延仕上げ温度は800℃とし、巻取り温度は610℃とした。巻取り後、75%H2-25%N2雰囲気で830℃×3hrの熱延板焼鈍を施した。その後、表3に示す板厚まで冷間圧延を行い、10%H2-90%N2雰囲気で表3に示す条件において仕上焼鈍を行った。
【0058】
磁気特性は幅55mm長さ300mmの単板試験片を圧延方向(L方向)および圧延方向と直角の方向(C方向)から切り出し、ΔB=1.0T、Bm=0.5T、交流周波数40Hzで直流偏磁鉄損を測定した。また、磁束密度B50はBm=0.5T一定とし、ΔBを変化させた際の磁界の強さのピークが5000A/mとなった際の磁束密度の最大値を測定した。なお、表3において各磁気特性(鉄損、磁束密度)値は、L方向とC方向の平均値である。
【0059】
【表3】
【0060】
表3より、本発明鋼において、直流偏磁下での磁気特性に優れた材料が得られることがわかる。
一方、比較鋼では鉄損が高いかもしくは磁束密度が低くなっている。
【0061】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば直流偏磁下での磁気特性に優れ、透磁率が高い鋼板を得ることができる。
【0062】
本発明により得られる鋼板は、加速器をはじめとする直流偏磁下で使用されるコアおよびヨーク材として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】直流偏磁測定時の磁束密度波形を示す図
【図2】結晶粒径と鉄損との関係を示すグラフ。
【図3】S量と鉄損との関係を示すグラフ
【図4】Sb添加量と鉄損との関係を示すグラフ
Claims (4)
- mass%で、C:0.005%以下、P:0.2%以下、Si:0.2〜1.5%(但し、1.5%は除く)、Mn:0.05〜1.5%、Al:2%以下、S:0.02%以下、N:0.005%以下を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなり、結晶粒径が50〜300μmであることを特徴とする直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
- さらに、Ti:0.005%以下、S:0.0009mass%以下のうちの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
- さらに、Sb、Snのうちの1つ以上を合計で0.001〜0.05mass%含むことを特徴とする請求項1または2に記載の直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
- 板厚が0.35〜1mmであることを特徴とする請求項1ないし3記載の直流偏磁下で使用される電磁鋼板。
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