JP5675950B2 - 優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法 - Google Patents

優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法 Download PDF

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Description

発明の分野
本発明は、一般に、無方向性電気鋼の製造方法に関し、特定的には、優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法に関し、高効率無方向性珪素鋼の製造に係る高いコストや長い製造周期などの従来技術の欠点に対処するものである。
背景
電力産業および電気機器産業の進展に伴い、電気機械製品は、小型化、高精度化、および高効率化にに向けた開発が行われている。通常の冷間圧延シリコン鋼板からなる鉄心は、様々な要件を満たすことが難しい。このため、通常の冷間圧延シリコン鋼板の代わりとして、鉄損が低く磁気誘導が高い一連の効率的無方向性電気鋼製品を開発する取り組みが重要となっており、これにより、体積および重量を減らし、鉄鋼および銅の消費を節約し、電気機械製品の効率を向上させることができる。
高効率無方向性珪素鋼の主な磁気特性は、磁気誘導が高い点にある。従来の製造処理の特徴は、熱間圧延の後、熱間圧延された板には焼準が施され、これにより、熱間圧延された板の構造が均質化され、再結晶化粒子が増加し、波形形状による欠陥が防止され、その一方で粒子および分離された物質がより粗くなり、成分(110)および成分(100)の密度が高まり、成分(111)が減少し、これによって磁気特性が大幅に向上する点にある。磁気誘導を増進させるために、焼準温度は、通常は950℃よりも高く設定される。しかし、熱間圧延された板に焼準を施すと、製造コストが高まり、製造周期が長くなるという問題が起こる。
中国特許第1288070号は、無方向性珪素鋼を開示している。この無方向性珪素鋼の組成は、C:≦0.008%、Si:0.2%〜2.50%、Mn:0.15%〜0.8%、Al残留量:〜1.50%、B残留量:〜0.0035%、P+Sn/Sb:0.08%〜0.45%、S:≦0.003%、およびN:≦0.003%であり、残りは、Feおよび不可避的不純物である。高効率電気機械の鉄心は、低温熱間圧延、単一冷間圧延、および乾燥気体焼鈍または蒸気焼鈍の処理によって製造される。
日本特許出願公開第2004−169141号は、1.8%≦(Si+2Al)≦5%の組成を有する高級鉄鋼からなる熱間圧延板の焼準を省略した製造に関し、REM、Mg、およびCaのうちの1種または2種を鉄鋼製造の際に加える必要があり、その一方でTi含有量をTi≦0.003%となるように厳格に制御する必要がある。熱間圧延の際には、950℃以上で仕上圧延を行ない、700℃以下で巻き取りを行なう必要がある。この製造の欠点は、熱間圧延処理の条件が厳しいこと、仕上圧延の温度が高いこと、および実際の製造時の作業および制御が難しいことにある。
熱間圧延板のための焼鈍を省略した処理に関する特許としては、さらに日本特許出願公開第2008−260980号があり、1.5%〜3.5%、(%Si+%Al)≧1.9%のSi含有量を必要とする、高いSi含有量の鉄鋼群に属する鉄鋼の組成体系を要件とする。熱間圧延の際には、スラブの加熱温度は高く、1230℃〜1320℃である。仕上圧延温度は1050℃以上であり、巻き取り温度は700℃以下である。この処理の欠点は、熱間圧延板のスラブの熱間圧延温度が高過ぎること、ならびにMnSおよびAlNが熱間圧延処理の際に薄く分散して分離する傾向があり、これによって磁気特性が悪化し、表面スケールを除去し難くなることである。
概要
本発明の目的は、優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼を製造する方法を提供することにある。この方法は、磁気特性を確保するという前提条件の下、所望の金属組織構造をもたらすために有利な要素を加え、不利な要素の含有量を制御し、熱間圧延の際の空気冷却時間制御を高温巻き取りと調和させることによって、比較的低いコストで高効率電気鋼の製造を実施する。
上記の目的を達成するために、本発明の解決手法は、
優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法に関し、この製造方法は、
1)製錬および鋳造ステップを備え、
無方向性珪素鋼は、重量比率で、C≦0.0040%、Si:0.1%〜0.8%、Al:0.002%〜1.0%、Mn:0.10%〜1.50%、P:≦0.2%、Sb:0.04%〜0.08%、S≦0.0030%、N≦0.0020%、およびTi≦0.0020%の化学組成を有し、残りはFeおよび不可避的不純物であり、
上記の組成に基づく溶鋼は、製錬され、鋳造によりビレットとなり、さらに、
2)熱間圧延および酸洗ステップを備え、
スラブの加熱温度は1100℃〜1150℃であり、仕上圧延温度は860℃〜920℃であり、圧延の後、熱間圧延された製品は空気冷却され、この空気冷却の空気冷却時間tは、(2+30×Sb%)s≦t≦7sであり、その後に、≧720℃の温度で巻き取りが行なわれ、さらに、
3)冷間圧延ステップを備え、
目標厚さを有する冷間圧延板を70%〜78%の圧下率で形成するための圧延が行なわれ、さらに、
4)焼鈍ステップを備え、
冷間圧延板が≧15℃/sの加熱速度で800℃〜1000℃に加熱され、保持時間は10秒〜25秒である。
焼鈍雰囲気は、(体積比30%〜70%)H +(体積比70%〜30%)N であり、露点は−25℃〜−40℃に制御される。
本発明の組成設計においては、以下の点を考慮する。
Si:これはフェライトに溶解して置換固溶体を形成し、マトリックス抵抗率を増加させるとともに鉄損を低減させることができ、電気鋼の最も重要な合金化要素である。しかし、Siは、磁気誘導を悪化させる。Si含有量が特定量に達した場合、継続して含有量を増加させると、鉄損を減少させる効果が弱まる。本発明において、Si含有量は0.1%〜0.8%である。含有量を0.8%より大きくすると、B50が高い電磁誘導の要件を満たすことが難しくなる。
Al:これはフェライトに溶解してマトリックス抵抗率を増加させることが可能であり、結晶粒子を粗くし、鉄損を低減させる一方で、酸素を除去し、窒素を固定することができる。しかし、最終的な鉄鋼板の表面層に酸化を引き起こす傾向がある。Al含有量が1.5%より大きくなると、製錬、鋳造、および機械加工が困難となり、電磁誘導が低減される。
Mn:SiおよびAlと同様に、これは鉄鋼の抵抗性を高め、鉄損を低減させ、不可避の含有物Sとともに安定したMnSを形成することができる。これにより、磁性に対するSによる危害をなくし、高温脆性を防ぐ。Mnもまたフェライトに溶解して置換固溶体を形成し、鉄損を低減させる。したがって、Mn含有量を0.1%以上とする必要がある。本発明において、Mn含有量は、0.10%〜1.50%である。Mn含有量が0.1%より小さいと、不明瞭な有益な効果がもたらされる。Mn含有量が1.5%より大きいと、Ac1温度および再結晶化温度が低下し、加熱処理の際にα−γ相変換が引き起こされ、好ましい構造が悪化する。
P:これは、0.2%以下である。鉄鋼板の製造可能性は、特定量のPを鉄鋼に加えることによって向上し得る。しかし、P含有量が0.2%を超えると、鉄鋼板の冷間圧延製造可能性が悪化する。
S:製造可能性および磁性の両方に対して悪影響を及ぼす。Sは、Mnとともに精細なMnS粒子を形成し、最終生成焼鈍粒子の成長を妨げ、磁性を著しく悪化させる。Sは、低融点FeSおよびFeS、またはFeとの共晶混合物を形成することができ、これにより、高温脆性を引き起こす。本発明において、S含有量は、0.003%以下である。含有量が0.003%を上回ると、MnSなどの硫化物の沈殿量が大きく増加し、これにより、粒子の成長が妨げられ、鉄損が悪化する。本発明においてSの最適な制御範囲は、0.002%以下である。
C:これは磁性に対して悪影響を及ぼし、粒子の成長を強く妨げる要素である。一方で、Cはγ相領域を拡大する要素である。Cを過度に含有すると、αおよびγ相領域の変換量が焼準の際に増加し、これにより、Ac1点が大きく低減され、結晶構造が精細化し、鉄損が増加する。本発明においては、C≦0.004%であり、最適な範囲はC≦0.002%である。
N:これは、AlNなどの精細な分散性窒化物を生成し、粒子の成長を著しく妨げ、鉄損を悪化させる傾向がある。本発明においては、N≦0.0020%であり、含有量が0.0020%を超えると、粒子の成長が著しく妨げられ、鉄損が悪化する。
Sb:これは活性要素であり、表面層または表面層の粒界においてクラスタ化が発生した場合、Sbは、表面層の酸化を減少させ、粒界に沿って鉄鋼基材に向けて活性酸素が貫通することを防ぎ、金属組織構造を向上させ、成分(100)および成分(110)の増加を促し、成分(111)を減少させ、B50効果を大幅に向上させる。本発明において行なわれた研究によれば、Sbは、0.04%〜0.08%の範囲において、磁気特性を向上させる効果が最も顕著となる。
電気機械の高効率電気鋼に関する研究において、電気鋼に金属Sbが加えられると、構造成分{100}<uvw>が増加することが見出された。Sbは、電気鋼の磁性を高めるのに有効な要素である。金属Sbは、粒界を区分けし、再結晶化されたフェライトの粒子の成長に対して選択的に影響を及ぼし、これによって(111)粒子の成長を妨げるため、圧延された材料における(111)粒子の数は、後にSbを追加するに伴って徐々に消失する。
本発明は、Sb粒界の分離に対する熱間圧延処理の影響について深く研究したものであり、好ましい構造の向上に対してSbが与える影響は、熱間圧延の後の冷却の進行とは切り離せないことが見出された。Sbの好ましい効果を最大限に活かすためには、約700℃でゆっくりと冷却する、または約700℃の特定の温度で特定の期間維持する必要がある。約700℃の範囲は、単に、Sbが無方向性電気鋼において強力な粒界分離を引き起こす温度である。
図1および図2を参照すると、ビレットは、基本的な組成としてSi:0.26%、Al:0.52%、Mn:0.65%、P:0.08%、Sb:0.055%、C:<0.0030%、およびN:<0.0020%を含み、異なる空気冷却時間で熱間圧延処理が施され、720℃の高温で巻き取られ、冷間圧延され、860℃で焼鈍が施される。空気冷却時間が3.5Sから7Sの範囲にある場合、磁気特性は良好なレベルにある。
図3および図4を参照すると、巻き取り温度と熱間圧延板の磁気特性とは密接に関わっている。高温巻き取りにより、熱間圧延板の中心部分における繊維組織が減り、縁部において再結晶化層が厚くなり得る。本発明は、熱間圧延板が0.1%〜0.8%のSi含有量を有する場合において、720℃より高い温度で巻き取り処理を行なった後、熱間圧延板の中心部における繊維組織が基本的に消失することを発見した。
高効率無方向性珪素鋼の従来の製造方法と比較すると、本発明の方法は、熱間圧延板の焼準工程を省き、従来の処理と同等の磁気特性を得ることができる。鉄損は、4.5W/kg以下に達し、磁気誘導は、1.78T以上に達する。一方で、分離要素Sbが加えられ、巻き取り処理の後の空気冷却時間が(2+30×Sb%)s≦t≦7sで製造が行なわれる。これにより、熱間圧延層流のための冷却水の消費を大幅に減らすことができる。本発明を適用することで、様々なタイプの鉄鋼の製造期間を縮めるだけでなく、電気鋼の製造コストもまた下げることができる。
この方法によって製造された高効率モータのための鉄鋼は、安定した性能を有する。中国特許第1288070と比較すると、本発明は、Snの添加を伴わない。この中国特許における磁気特性と比較すると、本発明における鉄鋼の類似のタイプの鉄損は、0.2W/kg〜1.5W/kgほど低く、磁気誘導は、20〜100ガウスほど高い。通常の冷間圧延無方向性珪素鋼に類似の成分を備えた場合と比較し、本発明は、0.1W/kg〜0.2W/kgほど低い鉄損を達成し、0.1T以上高い磁気誘導を達成する。
Si:0.26%であり、Sb:0.055%である場合において、熱間圧延処理の後の空気冷却時間と磁気特性との間の関係を示す図である。 Si:0.26%であり、Sb:0.055%である場合において、熱間圧延処理の後の空気冷却時間と磁気特性との間の関係を示す図である。 650℃の巻き取り温度下において、Si:0.26%であり、Sb:0.055%である場合における熱間圧延板の金属組織構造の写真を示す図である。 720℃の巻き取り温度下において、Si:0.26%であり、Sb:0.055%である場合における熱間圧延板の金属組織構造の写真を示す図である。
詳細な説明
本発明は、実施例に関連付けて以下に詳細に説明される。
製錬された後、表1に示される組成を有する鋳造されたビレットは、加熱、粗圧延、仕上圧延、高温巻き取り、酸洗、および70%〜78%の圧下率での単一冷間圧延が施され、0.5mmの厚さを有する圧延鋼板が形成され、その後、冷間圧延された圧延鋼板は、最終製品を形成するために異なる温度で最終的な焼鈍が施される。表2は、表1における化学組成を有する様々なタイプの鉄鋼を製造するための本発明に係る方法を示し、エプスタインのスクエア法およびサークル法によって測定された最終製品の結果を示す。
表2からわかるように、仕上げ巻き取り温度、巻き取り温度、および焼鈍温度が同じ環境下において、Sbが付加されず、圧延された後に空気冷却を行なわない比較例と比べると、実施例における組成の磁気特性は比較的高く、その鉄損は0.1W/kg〜0.4W/kgほど低く、そのB50は、比較例よりも0.2T以上高い。
表3に基づいて処理される表1の実施例の組成の磁気特性を測定することによって、磁気検出の結果が表3に示される。
上の表からわかるように、高温巻き取りが施されていない比較例1〜4の磁気特性は、高温巻き取りが施されている実施例の鉄鋼のタイプの磁気特性よりも大幅に低い。
表4に基づいて処理される表1の実施例1の組成の磁気特性を測定することによって、表4には磁気検出結果が示される。
上の表からわかるように、熱間圧延の後の空気冷却時間の制御は、最終製品の磁気特性に影響を与える重要な要因であることがわかる。空気冷却時間は、短か過ぎても長過ぎても最終製品の磁気特性に対してマイナス要因となる。本発明において、圧延の後の空気冷却時間tは、(2+30×Sb%)s≦t≦7sの範囲内に制御され、これにより、最終製品の磁気特性が最高の状態となる。
まとめると、本発明は、良好な磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法に関し、その特徴は、鉄鋼の製造処理の際に特定量のSbおよび粒界分離要素を加えること、熱間圧延の後の空気冷却時間を(2+30×Sb%)s≦t≦7sとなるように制御することによって熱間圧延板の空気冷却処理を制御し、一方で熱間圧延板の焼準を高温巻き取りに置き換えることにあり、これにより、高い性能の高効率電気鋼を得て、高いコストや長い製造周期などの従来の高効率無方向性電気鋼の製造方法への問題に対する解決策を得る。

Claims (2)

  1. 優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法であって、
    1)製錬および鋳造ステップを備え、
    無方向性珪素鋼は、重量比率で、C≦0.0040%、Si:0.1%〜0.8%、Al:0.002%〜1.0%、Mn:0.10%〜1.50%、P:≦0.2%、Sb:0.04%〜0.08%、S≦0.0030%、N≦0.0020%、およびTi≦0.0020%の化学組成を有し、残りはFeおよび不可避的不純物であり、上記の組成に基づく溶鋼は、製錬され、鋳造によりビレットとなり、さらに、
    2)熱間圧延および酸洗ステップを備え、
    スラブの加熱温度は1100℃〜1150℃であり、仕上圧延温度は860℃〜920℃であり、圧延の後、熱間圧延された製品は空気冷却され、この空気冷却の空気冷却時間tは、(2+30×Sb%)s≦t≦7sであり、その後に、≧720℃の温度で巻き取りが行われ、さらに、
    3)冷間圧延ステップを備え、
    目標厚さを有する冷間圧延板を70%〜78%の圧下率で形成するための圧延が行なわれ、さらに、
    4)焼鈍ステップを備え、
    冷間圧延板が≧15℃/sの加熱速度で800℃〜1000℃に加熱され、保持時間は10秒〜25秒である、製造方法。
  2. 焼鈍雰囲気は、(体積比30%〜70%)H +(体積比70%〜30%)N であり、露点は−25℃〜−40℃に制御される、請求項1に記載の優れた磁気特性を有する高効率無方向性珪素鋼の製造方法。
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