JP5972540B2

JP5972540B2 - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP5972540B2
Application number: JP2011181842A
Authority: JP
Inventors: 裕俊多田; 田中　一郎; 一郎田中; 屋鋪　裕義; 裕義屋鋪
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: JP2013044008A

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板に関する。より詳しくは、本発明は、エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータおよび発電機など、主に高効率モータの鉄心に使用することが好適な無方向性電磁鋼板に関する。

地球温暖化ガスを削減する必要性から、自動車、家電製品等の分野では消費エネルギーの少ない製品が開発されている。例えば、自動車分野においては、ガソリンエンジンとモータとを組み合わせた駆動系を持つハイブリッド自動車やモータ駆動の電気自動車等の低燃費自動車がある。また、家電製品分野においては、年間電気消費量の少ない高効率エアコンや冷蔵庫等がある。これらに共通する技術はモータであり、モータの高効率化が重要な技術となっている。モータの高効率化のために、鉄心材料である無方向性電磁鋼板の鉄損低減と磁束密度向上が要求されている。

鉄損低減の手段としては、板厚を低減する手段やＳｉやＡｌなどの比抵抗を増加させる作用を有する合金元素の含有量を増加させる手段が一般的である。しかしながら、板厚低減に伴って製造が困難となるため、板厚の低減による鉄損低減には限界がある。また、合金元素量の増加に伴って磁束密度が低下するため、単に合金元素量を増加させたのではモータの高効率化を達成することはできない。

また、磁束密度を向上させる手段としては、Ｐを積極的に添加する手段が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に開示された発明は、磁束密度を向上させることにより、あるいはさらなる合金元素量の増加による鉄損低減を可能にすることにより、モータの高効率化に寄与する非常に優れた発明である。

特開２００５−２００７５６号公報

しかしながら、近年のさらなるモータの高効率化の要求により、より一層の磁束密度の向上を可能にする手段が求められている。
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、その課題はエアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータおよび発電機など、主に高効率モータ鉄心に使用することが好適な、磁気特性が良好な無方向性電磁鋼板を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、磁束密度に及ぼすＰの影響のみならず、磁束密度に及ぼすＰと他の元素との相互作用の影響について新たに着目し、これらの相互作用を利用することによりさらなる磁束密度の向上を図ることを新たに着想し、鋭意検討を行った。その結果、Ｓを微量に含有させたうえで、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量の上限を規制することにより、Ｐ添加による磁束密度の向上作用が効果的に高められることを新たに知見した。本発明はこれらの新たな知見に基づくものであり、その要旨は以下のとおりである。

すなわち、本発明は、質量％で、Ｓｉ：１．５％以上２．５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以上１．０％以下、Ｍｎ：０．０５％以上３．０％以下、Ｐ：０．０３％以上０．２０％以下、Ｓ：０．００１０％以上０．００５０％以下、Ｃ：０．００５０％以下、Ａｓ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｖ：０．００３０％以下、Ｚｒ：０．００３０％以下およびＮ：０．００５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるとともに、下記式（１）および（２）を満足する化学組成を有し、平均結晶粒径が６０μｍ以上１８０μｍ以下である鋼組織を有することを特徴とする無方向性電磁鋼板を提供する。
Ｓｉ＋ｓｏｌ．Ａｌ＋０．５×Ｍｎ≧２．０（１）
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１８（２）
ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。

本発明に係る無方向性電磁鋼板により、モータ効率の向上が期待できる。また、本発明に係る無方向性電磁鋼板を製造する際には特殊な設備を要しないため、製造コスト面でも優れている。

以下、本発明の無方向性電磁鋼板における各構成について詳細に説明する。

１．化学組成
まず、鋼板の化学組成の限定理由について説明する。なお、各元素の含有量を示す「％」は、特に断りのない限り「質量％」を意味するものである。

Ｓｉ、ｓｏｌ．Ａｌ、Ｍｎは、鋼板の比抵抗を高めて鉄損を低減させるのに有効な元素である。したがって、Ｓｉ含有量は１．５％以上、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は０．１％以上、Ｍｎ含有量は０．０５％以上とし、さらに下記式（１）を満足するものとする。中でも、下記式（３）を満足することが好ましい。
Ｓｉ＋ｓｏｌ．Ａｌ＋０．５×Ｍｎ≧２．０（１）
Ｓｉ＋ｓｏｌ．Ａｌ＋０．５×Ｍｎ≧２．３（３）
（ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。）
一方、これらの元素を過剰に含有させると鋼板が硬化し、冷間圧延での破断率が増加する。したがって、Ｓｉ含有量は２．５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ含有量は２．０％以下、Ｍｎ含有量は３．０％以下とする。

Ｐは、集合組織を改善して磁気特性を向上させる作用を有する。したがって、Ｐ含有量は０．０３％以上とする。好ましくは０．０４％以上である。一方、Ｐ含有量が過剰になると、Ｐの粒界偏析が顕著となり冷間圧延での破断率が増加する。したがって、Ｐ含有量は０．２０％以下とする。好ましくは、０．１５％以下である。

Ｓは、一般に不純物として鋼中に含有される元素であり、鋼中のＭｎと結合して微細なＭｎＳを形成し、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害して磁気特性を劣化させることから、従来はその含有量を低減することが求められてきた元素である。しかしながら、上述した本発明者らの検討によって、Ｓを微量に含有させたうえで、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量の上限を規制することにより、Ｐ添加による磁束密度の向上作用が効果的に高められることが初めて明らかとなった。したがって、Ｓ含有量は０．００１０％以上とする。一方、Ｓ含有量が過剰になると、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害し、磁気特性の劣化が顕著となる。したがって、Ｓ含有量は０．００５０％以下とする。好ましくは０．００３５％以下である。

Ｃは、不純物として含有され、磁気特性を劣化させる元素である。このため、Ｃ含有量は０．００５０％以下とする。好ましくは０．００３５％以下である。

Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、ＶおよびＺｒは、不純物として含有され、磁気特性を劣化させる元素である。したがって、Ａｓ含有量は０．００５０％以下、Ｎｂ含有量は０．００３０％以下、Ｔｉ含有量は０．００３０％以下、Ｖ含有量は０．００３０％以下、Ｚｒ含有量は０．００３０％以下とする。好ましくは、Ａｓ含有量は０．００３５％以下、Ｎｂ含有量は０．００２０％以下、Ｔｉ含有量は０．００２０％以下、Ｖ含有量は０．００２０％以下、Ｚｒ含有量は０．００２０％以下である。

Ｎは、不純物として含有され、Ａｌなどと結合して微細な介在物を形成し、焼鈍時の結晶粒の成長を阻害し、磁気特性を劣化させる元素である。したがって、Ｎ含有量は０．００５０％以下とする。好ましくは０．００３５％以下である。

不純物元素であるＳ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの含有量を低減することで、鉄損が低減されることは従来から知られていた。しかしながら、上述した本発明者らの検討によって、Ｓを微量に含有させたうえで、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量の上限を規制することにより、Ｐ添加による磁束密度の向上作用が効果的に高められることが初めて明らかとなった。したがって、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量は下記式（２）を満足するものとする。中でも、下記式（４）を満足することが好ましく、下記式（５）を満足することがさらに好ましい。
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１８（２）
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１６（４）
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１４（５）
（ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。）

２．平均結晶粒径
結晶粒径は、大き過ぎても小さ過ぎても鉄損が劣化する。したがって、平均結晶粒径は６０μｍ以上１８０μｍ以下とする。
なお、平均結晶粒径は、縦断面組織写真において、板厚方向および圧延方向について切断法により測定した結晶粒径の平均値を用いればよい。この縦断面組織写真としては光学顕微鏡写真を用いることができ、例えば、５０倍や１００倍の倍率で撮影した写真を用いればよい。

３．板厚
エアコンや冷蔵庫などのコンプレッサーモータ、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動モータおよび発電機の高効率化のためには、鉄心材料である無方向性電磁鋼板は、高周波域における鉄損が低いものが望ましい。鉄損は、板厚が薄いほど低減されるため、板厚は０．３５ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに好ましくは０．３０ｍｍ以下である。一方、過度の薄肉化は鋼板やモータの生産性を著しく低下させる。したがって、板厚は０．１０ｍｍ以上とすることが好ましい。さらに好ましくは０．１５ｍｍ以上である。

４．製造方法
本発明の無方向性電磁鋼板は、一般的な無方向性電磁鋼板の製造方法により作製することができる。一般的な無方向性電磁鋼板の製造方法としては、例えば、上記化学組成を有するスラブに、熱間圧延、酸洗、熱延板焼鈍を施した後に、冷間圧延によって仕上げ板厚とし、仕上げ焼鈍を施す製造方法が挙げられる。
酸洗は、熱間圧延後に施してもよく、熱延板焼鈍後に施してもよい。
また、１回の冷間圧延によって仕上げ板厚としてもよく、中間焼鈍を含む２回の冷間圧延によって仕上げ板厚としてもよい。この際、熱延板焼鈍を施さずに、中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延にて仕上げ板厚としてもよく、熱延板焼鈍を施した後に、中間焼鈍を挟む２回の冷間圧延にて仕上げ板厚としてもよい。
以下、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法における各工程について説明する。

（１）熱間圧延
熱間圧延工程における諸条件は特に規定されるものではないが、熱間圧延工程における製造コストの観点から、熱延板の板厚は１．４ｍｍ以上とすることが好ましい。さらに好ましくは１．６ｍｍ以上である。一方、冷間圧延工程におけるコストの観点から、熱延板の板厚は３．５ｍｍ以下とすることが好ましい。さらに好ましくは３．０ｍｍ以下である。

（２）熱延板焼鈍
熱延板焼鈍工程における諸条件は特に規定されるものではないが、再結晶を促進して優れた磁気特性を確保する観点から、焼鈍温度は７３０℃以上とすることが好ましく、焼鈍時間は１時間以上とすることが好ましい。一方、設備への負荷や製造コストの観点から、焼鈍温度は８５０℃以下とすることが好ましく、焼鈍時間は１００時間以下とすることが好ましい。

（３）冷間圧延
冷間圧延工程における諸条件は特に規定されるものではないが、圧下率が高い方がＰ添加による磁束密度向上効果が大きくなるため、圧下率は８０％以上とすることが好ましい。さらに好ましくは８５％以上である。

（４）仕上げ焼鈍
仕上げ焼鈍工程における諸条件は特に規定されるものではないが、十分な粒成長を促して優れた磁気特性を確保する観点から、焼鈍温度は９００℃以上とすることが好ましく、焼鈍時間は１秒間以上とすることが好ましい。一方、設備への負荷や製造コストの観点から、焼鈍温度は１１８０℃以下とすることが好ましく、焼鈍時間は３００秒間以下とすることが好ましい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

以下、実施例および比較例を例示して、本発明を具体的に説明する。

［実施例１］
下記表１に示す化学組成を有するスラブに熱間圧延を施して板厚２．０ｍｍの熱延鋼板とし、酸洗を施した。これらの酸洗鋼板を７８０℃で５〜１５時間保持する熱延板焼鈍を施して、平均結晶粒径を９０μｍに揃えた。これの熱延焼鈍板に冷間圧延を施して仕上げ板厚０．３０ｍｍの冷延鋼板とした。このとき、一部は冷間圧延にて破断した。破断が生じなかった冷延鋼板に１０８０℃の温度で２０秒間保持する仕上げ焼鈍を施して、平均結晶粒径９３〜１２９μｍの無方向性電磁鋼板を得た。

これらの無方向性電磁鋼板について、磁化力５０００Ａ／ｍで磁化した際の磁束密度Ｂ₅₀を測定した。ここで、鋼板Ｎｏ．１はＰがほとんど添加されていない基準材であり、この基準材のＢ₅₀と鋼板Ｎｏ．２〜１０のＢ₅₀との差ΔＢ₅₀を算出して、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果の大きさを評価した。ΔＢ₅₀が大きくなるほどＰ添加によるＢ₅₀の向上効果が大きくなることを意味している。また、Ｐ含有量が多いほどΔＢ₅₀は大きくなるため、その点を考慮して、下記式（６）よりＸを算出し、Ｘが０以上であることを目標特性とした。
Ｘ＝ΔＢ₅₀−０．４×（Ｐ−０．０１）（６）
（ここで、式中のＰは鋼中のＰ含有量（単位：質量％）を示す。）
平均結晶粒径および磁気測定の結果を表１に併せて示す。

鋼板Ｎｏ．３、４、９および１０は、Ｓを微量に含有させることと、Ｓ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量を所定の範囲内とすることにより、冷間圧延前の結晶粒径が同等でも、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果を高めることができた。
鋼板Ｎｏ．２はＳ含有量が低いため、鋼板Ｎｏ．５はＳ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、ＺｒおよびＮの合計含有量が高いため、鋼板Ｎｏ．６はＴｉ、ＶおよびＮの含有量が高いため、鋼板Ｎｏ．７はＺｒ含有量が高いため、鋼板Ｎｏ．８はＡｓおよびＮの含有量が高いため、いずれもＸ＜０となり、所望の磁気特性を得られなかった。また、鋼板Ｎｏ．１１はＰ含有量が多いために、冷間圧延にて破断した。

［実施例２］
下記表２に示す化学組成を有するスラブに熱間圧延を施して板厚１．６〜２．２ｍｍの熱延鋼板とし、酸洗を施した。これらの酸洗鋼板に７６０〜８００℃で１０〜３０時間保持する熱延板焼鈍を施した。これらの熱延焼鈍板に冷間圧延を施して仕上げ板厚０．２０〜０．３５ｍｍの冷延鋼板とした。これらの冷延鋼板に９５０〜１１３０℃で２０〜９０秒間保持する仕上げ焼鈍を施して、平均結晶粒径７５〜１５６μｍの無方向性電磁鋼板を得た。

これらの無方向性電磁鋼板について、磁束密度Ｂ₅₀を測定した。ここで、鋼板Ｎｏ．１２′は、鋼板Ｎｏ．１２と同じ製造条件で製造されたものであり、Ｐがほとんど添加されておらず、鋼板Ｎｏ．１２とはＰ含有量のみが異なり、Ｐ添加によるＢ₅₀の向上効果の大きさを測定するための基準材に相当する。同様に、鋼板Ｎｏ．１３′、１４′、１５′、１６′はそれぞれ鋼板Ｎｏ．１３、１４、１５、１６の基準材に相当する。各基準材のＢ₅₀と鋼板Ｎｏ．１２〜１６のＢ₅₀との差ΔＢ₅₀を算出した。また、上記式（６）よりＸを算出し、Ｘが０以上であることを目標特性とした。
表３に、製造条件、平均結晶粒径、および磁気測定の結果を示す。

Ｓｉ、ｓｏｌ．Ａｌ、Ｍｎ、およびＳ、Ａｓ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎの不純物元素の量が所定の範囲内であれば、所望のＰ添加によるＢ₅₀向上効果を得ることができた。

Claims

質量％で、Ｓｉ：１．５％以上２．５％以下、ｓｏｌ．Ａｌ：０．１％以上１．０％以下（ただし、１．０％を除く）、Ｍｎ：０．０５％以上３．０％以下、Ｐ：０．０３％以上０．２０％以下、Ｓ：０．００１５％以上０．００５０％以下、Ｃ：０．００５０％以下、Ａｓ：０．００５０％以下、Ｎｂ：０．００３０％以下、Ｔｉ：０．００３０％以下、Ｖ：０．００３０％以下、Ｚｒ：０．００３０％以下およびＮ：０．００２６％以上０．００５０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不純物からなるとともに、下記式（１）および（２）を満足する化学組成を有し、平均結晶粒径が６０μｍ以上１８０μｍ以下である鋼組織を有することを特徴とする無方向性電磁鋼板。
Ｓｉ＋ｓｏｌ．Ａｌ＋０．５×Ｍｎ≧２．０（１）
Ｓ＋Ａｓ＋Ｎｂ＋Ｔｉ＋Ｖ＋Ｚｒ＋Ｎ≦０．０１８（２）
（ここで、式中の各元素記号は鋼中の各元素の含有量（単位：質量％）を示す。）