JP4320794B2 - 圧延方向の磁気特性に優れた電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

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【0001】
この発明は、交流磁心に用いられる、圧延方向の磁気特性に優れた電磁鋼板製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
変圧器や電動機の鉄芯材料には、これら機器の高効率化や小型化をはかるために、磁束密度が高くかつ鉄損の低いことが要求される。この種の鉄芯材料に供する電磁鋼板としては、上記の要求を満足する、優れた特性を有するところから、Siを7wt%以下で含有するけい素鋼板が専ら用いられてきた。
【0003】
ここで、Siを含有させると鉄損が低減される反面、磁束密度は低下する。そして、磁束密度が低いと励磁電流が大きくなるため、鉄芯の巻線に起因した銅損が増加することになる。そこで、この銅損の増加を回避するために、透磁率を極力高くして一定磁界での磁束密度を高める技術の開発が進められてきた。しかし、材料固有の飽和磁束密度は上昇しないから、この種の改良には限界がある。
【0004】
一方、Si以外の合金元素については、磁気特性、機械的特性とくに加工性および合金コストのいずれかの特性においてSiよりも優れる元素もあるが、総合的にはSiに勝るものはないというのが一般的見解であった。しかしながら、発明者らがSi以外の合金元素について電磁鋼板への適用を鋭意検討したところ、Fe−P系の組成によって、電磁鋼板としてけい素鋼を凌駕する特性が得られることを究明し、先に特開平9−41101 号公報において提案した。ここに、高い飽和磁束密度を有し、従来材と対比した場合に、鉄損および磁束密度のいずれか一方が同一水準にあるときに残る他方の特性を格段に向上し得る、新たな電磁鋼組成が確立されたのである。
【0005】
さて、電磁鋼板は、使用時における磁化方向の電磁特性が優れるような集合組織を持つことが望ましい。好適な集合組織は、使用形態、すなわち鋼板のいずれの方向を磁化方向として使用するかによって異なり、一部のトランスのように主として圧延方向を磁化する場合、とくに圧延方向に<001>軸が揃うような集合組織が最適である。
【0006】
すなわち、集合組織は、板面(圧延面)に平行な結晶の面及び圧延方向と平行な結晶の軸によって規定され、現在の方向性電磁鋼板の集合組織は、板面に平行な面が{110}及び圧延方向と平行な軸が<001>である、{110}<001>方位、いわゆるゴス(Goss)方位となっている。このような結晶方位を優先的に成長させ、圧延方向に磁気特性を良好にした電磁鋼板は、いわゆる方向性けい素鋼板として広く製造市販されている。このような集合組織を上記Fe−P系の電磁鋼板においても得ることは、極めて有意義である。
【0007】
このような集合組織を得るために、主にけい素鋼を対象として種々の方法が提案されている。
例えば、Fe-Si の基本成分系にCを0.03〜0.10wt%程度、さらにインヒビター成分としてMnS やAlN 等を0.01〜0.05wt%程度添加した素材に複数回の圧延と焼鈍を繰り返し施し、ゴス方位をもつ結晶粒を優先的に成長、即ち二次再結晶させる、製造方法が一般的である。
【0008】
ここで、インヒビターは、二次再結晶の際にゴス方位の結晶粒を優先的に成長させるため、その前段での正常粒の成長を抑制することを目的として添加されるが、製品鋼板中に残存すると磁気特性に悪影響があるため、最終的には焼鈍によって除去しなければならない。同様に、Cは最終的にゴス方位を発達するのに必須とされているため鋼中に含有させるが、一方で鉄損を増大することから、通常は二次再結晶工程の前に脱炭除去することが必要となる。
【0009】
このように従来の製造方法は、磁気特性を確保するために極めて複雑かつコストのかかる工程を採用しており、工業上の生産性の観点からは大きな問題を抱えていた。そこで、インヒビター、さらにはCを添加することなくゴス方位に強く集積した集合組織が得られれば、産業上の意義は絶大であるが、そのような技術は知られていない。
【0010】
ちなみに、方向性電磁鋼板の製造過程において、熱間圧延後の鋼板の表層近傍には{110}〈001〉方位の結晶粒がある程度存在し、その後の冷間圧延や脱炭焼鈍等の工程でゴス方位の相対的な存在割合は増加するが、そのままで良好な磁気特性が得られるには到底至らない。すなわち、二次再結晶前の段階での{110}〈001〉方位への集積強度は、集合組織の方位分布関数から求めたランダム方位の場合との比で、高々5倍程度であり、しかも板厚全体にわたってではない。
【0011】
一方、無方向性電磁鋼板の範疇でも、集合組織の制御により圧延方向の電磁特性を向上させる試みがなされてきた。例えば、特開昭54−110121号公報には、冷延鋼板を急速昇温してα→γ変態させ、つぎに緩慢に冷却してγ→α変態させることにより、圧延面内に{110}面の集積度が上昇する旨が記載されている。しかしながら、その集積度はランダム方位にくらべて高々5倍程度であった。
【0012】
また、「材料とプロセス」第5巻(1992年)のp.1921 には、Sbを微量添加することにより、冷間圧延後の{110}〈001〉方位が増加する旨が記載されている。ただし、これはもともと僅少であったこの方位を高々ランダム方位の場合の存在割合程度に回復したにすぎず、本来のゴス方位に集積した集合組織には遠く及ばない。
【0013】
さらに、「Energy Efficient Electrical Steels」TMS-AIME (1980年)のp.193に記載されるAl添加2回冷延法や、「材料とプロセス」第5巻(1992年)p.923 に記載される中間焼鈍後にスキンパス圧延を追加する方法によっても、十分なゴス方位への集積は得られない。
しかも、これらの手法はいずれも工程が煩雑になり、製造コストの上昇をもたらすという欠点がある。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は{110}<001>方位に高度に集積した組織を二次再結晶によらずに得ることのできる電磁鋼板の製造方法提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、インヒビターを利用した二次再結晶によらずに{110}<001>方位に集積した集合組織を得るための手法について、鋭意研究を行ったところ、熱間仕上げ圧延において、圧延終了温度と1パスでの圧下率を制御し、通常の工程で採用されているよりも低温かつ1パスで強圧下する条件下で熱間仕上げ圧延を行うことによって、熱間圧延後に{110}<001>方位に集積した集合組織を形成できること、さらに、この素材を用いることで、二次再結晶を利用せずに{110}<001>方位粒を高度に集積させることが可能であることを見出し、この発明を完成するに至った。
【0018】
すなわち、この発明の要旨構成は以下のとおりである。
1. C:0.02wt%以下及びP:0.3〜1.2wt%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物である鋼スラブを熱間粗圧延後、圧下率(1パス):30%以上及び圧延終了温度:600〜800℃の条件下で熱間仕上げ圧延を行い、その後1回又は中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延若しくは温間圧延にて最終板厚とすることを特徴とする電磁鋼板の製造方法。
2. 上記1において、鋼スラブがさらにSi:0.05〜3%、Mn:0.1〜2wt%及びAl:0.1〜2wt%のうちから選んだ1種または2種以上を含有することを特徴とする電磁鋼板の製造方法。
3. 上記1又は2において、鋼スラブがさらにCr、Sn、Be、Ti、V、Zn、Ga、As、Se、Mo、Sb及びWのうちから選んだ1種または2種以上を合計で0.01〜5.0wt%含有することを特徴とする電磁鋼板の製造方法。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明を完成させるに至った経緯を説明する。
真空小型溶解炉にて、C:0.003wt %、P:0.48wt%、Mn:0.14wt%及びAl:0.18wt%からなる成分の鋼塊50 kg を溶解し、サイジングのために熱間粗圧延にて板厚5mmにした。この鋼板を1100℃にて30分間加熱した後、ロール径700 mmφの圧延機にて、周速800 m/min.、圧下率(1パス)84%、圧延終了温度を750 ℃にて熱間仕上げ圧延し、板厚0.8 mmの鋼板を製造し、この鋼板について、集合組織、磁気特性を調査した結果、{110}〈001〉方位への集積強度がランダム組織のそれの22倍と極めて高く、磁気特性もW15/50 で3.60W/kg、B50で 2.07Tと、今までにはない優れた磁気特性を有する鋼板が得られた。
【0020】
以上の実験結果に基づき、さらに詳細な研究を行った結果、P含有鋼を、通常の工程で採用されているよりも低温かつ1パスで強圧下する条件下で熱間仕上げ圧延することによって、熱延板の{110}〈001〉方位への集積度が顕著に向上すること、さらに、この素材を用いることで、二次再結晶を利用せずに{110}<001>方位粒を高度に集積させることが可能であることを見出し、この発明を完成するに至ったのである。
なお、ここでは、熱間圧延段階での{110}〈001〉方位への集積強度が、上述した熱間仕上げ圧延条件のみに依存し、その他の製造条件にはほとんど依存しないことも新たに判明した。
【0021】
以下に、この発明の鋼組成、鋼組織及び製造条件を限定した理由について説明する。
(1) 鋼組成
C:0.02wt%以下
Cは、Fe−P合金において、優れた磁気特性及び加工性を確保するのに、その含有量を抑制する必要がある。とくに、Cは結晶粒界に優先して出し、該粒界へのPの偏析を阻害するため、Pによるゴス方位の集積効果を弱めることになる。そこで、Cは、0.02wt%以下に抑制した。
【0022】
P:0.3 〜1.2 wt%
Pは、比抵抗を増大させ、渦電流損を低減させる効果があり、とくに比抵抗と磁束密度とをバランス良く向上する効果はSiよりも優れているため、この発明には必須の成分である。また、Pは結晶粒界に偏析し、この粒界から生成し易い{111}方位再結晶粒の生成を抑制することにより、粒内の変形帯からのゴス方位再結晶粒の生成を促進する。しかし、 0.3wt%未満ではこの効果が十分に得られず、一方 1.2wt%を超えると、磁束密度及び加工性の劣化が大きくなる。従って、Pの含有量を0.3 〜1.2 wt%とした。
【0023】
また、必要に応じて、さらにSi:0.05〜3wt%、Mn:0.1 〜2wt%及びAl:0.1 〜2wt%のうちから選んだ1種または2種以上を含有することができる。
Si:0.05〜3wt%
Siは、比抵抗を増大させ、渦電流損を低減させる効果があるが、0.05wt%未満ではこの効果が十分に得られず、一方3wt%を超えると、磁束密度及び加工性が低下する。従って、Siの含有量は0.05〜3wtの範囲とした。
【0024】
Mn:0.1 〜2wt%
Mnは、比抵抗を増大させ、渦電流損を低減させる効果があるが、0.1 wt%未満ではこの効果が十分に得られず、一方2wt%を超えると、磁束密度及び加工性が低下する。従って、Siの含有量は0.1 〜2wtの範囲とした。
【0025】
Al:0.1 〜2wt%
Alは、比抵抗を増大させ、渦電流損を低減させる効果があるが、0.1 wt%未満ではこの効果が十分に得られず、一方2wt%を超えると、磁束密度及び加工性が低下する。従って、Siの含有量は0.1 〜2wtの範囲とした。
【0026】
この発明では、上記以外の成分については特に限定はしないが、用途に応じて既知である種々の成分を適宜添加することが可能である。
例えば、磁気特性の改善を目的として、Cr,Sn,Be,Ti,V,Zn,Ga,As,Se,Mo,Sb 及びW等のフェライト形成元素を添加することができる。これらフェライト形成元素は、鉄の変態温度を上げて高温でオーステナイト相の析出を制限して、高温での粒成長性を改善してヒステリシス損失を抑制し、かつ電気抵抗を増加させて渦電流損失を抑制する。これらフェライト形成元素の添加量は、その1種または2種以上を合計で0.01〜5.0 wt%とすることが好ましい。なぜなら、添加量が0.01wt%未満では上記の効果が得られず、一方5.0 wt%をこえると、磁気特性が却って劣化するためである。
【0027】
(2) 鋼組織
この発明の電磁鋼板は、Fe−P系鋼において、{110}面が板面に平行で<001>軸が圧延方向に平行の方位を基準方位として、この基準方位に対する実際の結晶粒の{110}<001>方位のずれが回転角で±15°以内である、結晶粒が結晶粒全体の80%以上を占めることが、肝要である。すなわち、基準方位に対する実際の結晶粒の{110}<001>方位のずれとは、基準方位の{110}面に対する実際の結晶粒の{110}面のずれと、基準方位の<001>軸に対する実際の結晶粒の<001>軸のずれとを意味し、両方のずれを回転角で±15°以内とする。
【0028】
なお、回転角の測定は、圧延方向に垂直な断面をEBSD(Electron Back Scattering Diffraction) 法を用いて、全厚方向の結晶粒について、それらの面、方位を解析し、前記方位からのずれが±15°以内である結晶粒の比率により評価した。
【0029】
そして、基準方位に対する実際の結晶粒の{110}<001>方位のずれが回転角で±15°をこえると、磁束密度が極端に劣化し、また前記ずれが回転角で±15°以内である結晶粒の結晶粒全体に占める比率が、体積百分率で80%未満である場合にも、磁束密度が劣化する。
【0030】
(3) 製造条件
次に、この発明の製造方法について詳述する。
まず、熱間仕上げ圧延の終了温度を600 〜800 ℃で行うことが、肝要である。ここで、図1に、真空小型溶解炉にて、P:0.53wt%、C:0.003 wt%、Mn:0.01wt%及びAl:0.005wt%からなる成分の鋼塊を、最終1パスの圧下率を60%、仕上げ板厚を1.0 mmの熱間仕上げ圧延を圧延終了温度を変えて行った種々の鋼板を製造し、各鋼板の板厚中心部における{110}〈001〉方位への集積強度と圧延終了温度との関係を調査した結果について示す。
【0031】
図1から、圧延終了温度は、800 ℃を超えると、{110}〈001〉方位の集積が弱くなることがわかる。一方、圧延終了温度が600 ℃未満であると、圧延荷重が極端に増し圧延が困難となる。従って、圧延終了温度を600 〜800 ℃とする。
【0032】
また、熱間仕上げ圧延を圧下率(1パス):30%以上で行う必要がある。
ここに、図2は、上記組成の鋼塊を、圧延終了温度700 ℃で最終1パスの圧下率を10〜80%の範囲で変化させて仕上げ板厚1.0mm の熱間圧延を行った種々の鋼板を製造し、各鋼板の板厚中心部における{110}〈001〉方位への集積強度と最終1パスの圧下率との関係を示したものである。
【0033】
図2から、1パスの圧下率が30%未満であると、{110}〈001〉方位の集積が弱くなり、最終製品での磁気特性が劣化するため、熱間仕上げ圧延での圧下率は1パスで30%以上とする。
【0034】
この発明は、熱間圧延段階での{110}〈001〉方位への集積強度が、熱間仕上げ圧延条件のみに依存し、その他の製造条件にはほとんど依存しないことは既に上述した。従って、焼鈍、酸洗、冷間圧延若しくは温間圧延、及び絶縁皮膜形成条件等については特に限定せず、通常行われている範囲内で行うことができる。
【0035】
【実施例】
表1に示す成分組成の鋼を転炉で溶製し、連続鋳造によりスラブとした。次いで、スラブを1200℃に加熱し、熱間粗圧延後に、表2に示す条件に従って仕上げ圧延を行って1mm厚の熱延板を得た。その後、950 ℃で5分間の焼鈍を施し、酸洗、次いで冷間圧延を施して0.35mmの板厚に仕上げたのち、950 ℃で2分間の焼鈍を施した。
【0036】
かくして得られた各鋼板について、圧延方向に垂直の断面から任意に抽出した、総計200 個の結晶粒の方位を、EBSD(Electron Back Scattering Diffraction)にて測定し、基準方位からのずれが±15°以内の結晶粒の測定した全結晶粒に占める比率を求めた。また、4端子法による電気抵抗率及び振動試料法による磁束密度B50(印加磁界50kA/m)と、周波数:50Hz,磁束密度:1.5 Tにおける鉄損(W15/50 )とを測定した。これらの測定結果を、表2に併記する。さらに、表1には、冷間圧延を無欠陥で圧延できた場合を「○」、そして冷間圧延時に割れ等の欠陥が発生した場合を「×」として、表記した。
【0037】
【表1】
【0038】
【表2】
【0039】
表2から、基準方位からのずれが±15°以内の結晶粒が全体の80%以上になると、優れた磁気特性が得られることがわかる。また、表2における発明例と従来例または比較例との比較から、この発明に従って製造条件を規制することによって、基準方位からのずれが±15°以内の結晶粒の比率が増加することも明らかである。さらに、この発明に従って成分範囲を規制することによって、冷間加工性が改善されることも、表2に示すとおりである。
【0040】
【発明の効果】
この発明によれば、高水準の方向性電磁鋼板をFe−P系の成分において提供することができる。また、この発明の方法によれば、従来の方向性電磁鋼板の製造方法で必須であった二次再結晶を、利用することなしに結晶粒を{110}<001>方位に集積することができる。従って、従来技術では必須の工程であった脱炭焼鈍、二次再結晶焼鈍及び純化焼鈍の工程を省略できるため、大幅なコスト低減、製造時間の短縮及び省エネルギー化が図られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 板厚中心位置における{110}<001>方位への集積強度と圧延終了温度との関係を示す図である。
【図2】 板厚中心位置における{110}<001>方位への集積強度と1パスでの圧下率との関係を示す図である。

Claims (3)

  1. C:0.02wt%以下及びP:0.3〜1.2wt%を含有し、残部Feおよび不可避的不純物である鋼スラブを熱間粗圧延後、圧下率(1パス):30%以上及び圧延終了温度:600〜800℃の条件下で熱間仕上げ圧延を行い、その後1回又は中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延若しくは温間圧延にて最終板厚とすることを特徴とする電磁鋼板の製造方法。
  2. 請求項において、鋼スラブがさらにSi:0.05〜3%、Mn:0.1〜2wt%及びAl:0.1〜2wt%のうちから選んだ1種または2種以上を含有することを特徴とする電磁鋼板の製造方法。
  3. 請求項又はにおいて、鋼スラブがさらにCr、Sn、Be、Ti、V、Zn、Ga、As、Se、Mo、Sb及びWのうちから選んだ1種または2種以上を合計で0.01〜5.0wt%含有することを特徴とする電磁鋼板の製造方法。
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