JP6210182B1 - 無方向性電磁鋼板および無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

無方向性電磁鋼板および無方向性電磁鋼板の製造方法 Download PDF

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Abstract

インバータ励磁下においても鉄損に優れ、モータの鉄心として好適に用いることのできる無方向性電磁鋼板を提供する。特定の成分組成を有し、平均結晶粒径ｒが４０〜１２０μｍであり、結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の合計面積の、鋼板の断面積に対する面積率Ｒが２％以上であり、かつ、前記平均結晶粒径ｒ（μｍ）および前記面積率Ｒ（％）が下記（１）式の条件を満たす、無方向性電磁鋼板。Ｒ＞−２．４×ｒ＋２００ …（１）

Description

本発明は、モータの鉄心として使用したときに、インバータのスイッチングによって生じる高調波に起因する鉄損の増加が極めて小さい無方向性電磁鋼板（non-oriented electrical steel sheet）に関するものである。また、本発明は、前記特性を有する無方向性電磁鋼板の製造方法に関するものである。
電磁鋼板は、モータや変圧器等の鉄心材料として従来から広く用いられている材料である。近年、環境問題やコストダウンの観点から、種々の分野において省エネルギー化がクローズアップされており、電磁鋼板の低鉄損化が強く要求されている。
モータの分野では従来、正弦波交流によりモータを駆動させていたが、高効率化のため、インバータを用いたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によるモータの駆動が普及してきている。しかし、インバータを用いたＰＷＭ制御では、インバータのスイッチングに起因する高調波が重畳するため、鉄心でのエネルギー消費が増加することが分かっている。このことから、モータ用の無方向性電磁鋼板においては、インバータ励磁下での磁気特性を考慮した材料開発が行われている。
例えば、特許文献１には、無方向性電磁鋼板の板厚を０．３〜０．６ｍｍ、表面粗度Ｒａを０．６μｍ以下、固有抵抗を４０〜７５μΩ・ｃｍ、結晶粒径を４０〜１２０μｍに制御することで、インバータ制御コンプレッサーモータとして用いる際の効率を改善することが開示されている。
また、特許文献２には、１．５〜２０質量％のＣｒと、２．５〜１０質量％のＳｉとを含有し、板厚が０．０１〜０．５ｍｍである無方向性電磁鋼板が開示されている。特許文献２に開示された技術によれば、Ｃｒを添加することによって、多量のＳｉが存在することによる脆化を防ぎ、高周波励磁での用途に適した無方向性電磁鋼板を製造することができる。
特許文献３には、所定量のＭｏを含有する無方向性電磁鋼板が、特許文献４には、所定量のＷを含有する無方向性電磁鋼板が、それぞれ開示されている。特許文献３、４に開示された技術によれば、適正な量のＭｏやＷを添加することにより、Ｃｒが存在する場合であっても、Ｃｒ化合物の析出に起因する鉄損の低下を抑制することができる。
特開平１０−０２５５５４号公報 特開２００１−２７９４０３号公報 特開２００２−２９４４１７号公報 特許第４８６０７８３号公報
しかし、特許文献１に開示された技術には、固有抵抗を高めるためにＳｉ等の元素を多量に添加する結果、鋼板が脆化するという問題があった。また、さらなる低鉄損化のためには板厚を薄くする必要があるが、板厚を薄くすると製造途中での破断やモータ鉄心加工時の割れのリスクが高まるという問題があった。
また、特許文献２に開示された技術には、Ｓｉによる脆化は抑制できるものの、Ｃｒ化合物が析出することによって鉄損が増加してしまうという問題があった。
特許文献３、４に記載された技術には、ＭｏやＷを添加することでＣｒ化合物の析出は抑制できるものの、合金コストが高くなってしまうという問題があった。
さらに、上述した点に加えて、特許文献１〜４に開示されているような従来の技術には、インバータを用いたときの高調波による磁気特性劣化が大きく、励磁条件によってはモータの効率が著しく低下するという問題があった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、インバータ励磁下においても鉄損に優れ、モータの鉄心として好適に用いることのできる無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。また、本発明は、前記特性を有する無方向性電磁鋼板の製造方法を提供することを目的とする。
発明者等は、上記課題を解決するために検討を行った結果、無方向性電磁鋼板の結晶粒径を適正に制御することによって、インバータ励磁下での鉄損を低減できるという知見を得た。前記知見を得るために行った実験の一例について以下に説明する。
質量％で、
Ｃ ：０．００１３％、
Ｓｉ：３．０％、
Ｍｎ：１．４％、
Ｓｏｌ．Ａｌ：１．５％、
Ｐ ：０．２％、
Ｔｉ：０．０００６％、
Ｓ ：０．００１％、および
Ａｓ：０．０００６％を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する溶鋼を実験室で溶解し、鋳込んで鋼素材を得た。前記鋼素材に対して、次の（１）〜（５）の処理を順次施して、無方向性電磁鋼板を作製した。
（１）板厚２．０ｍｍへの熱間圧延、
（２）次の（２−１）および（２−２）からなる熱延板焼鈍（hot band annealing）
（２−１）均熱温度：１０００℃、均熱時間：２００ｓｅｃでの第１均熱処理、
（２−２）均熱温度：１１５０℃、均熱時間：３ｓｅｃでの第２均熱処理、
（３）酸洗、
（４）板厚０．３５ｍｍへの冷間圧延、および
（５）仕上焼鈍（final annealing）。
前記仕上焼鈍は、６００〜１１００℃の様々な温度で行い、それによって種々の平均結晶粒径を有する複数の無方向性電磁鋼板を作製した。また、前記仕上焼鈍の際の加熱は、加熱速度が１０℃／ｓｅｃである条件Ａと２００℃／ｓｅｃである条件Ｂの２条件で行った。以下、条件Ａで得られた無方向性電磁鋼板をグループＡ、条件Ｂで得られた無方向性電磁鋼板をグループＢと呼ぶ。前記仕上焼鈍の際の雰囲気は、Ｈ２：Ｎ２＝２：８、露点−２０℃（ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２＝０．００６）とした。
得られた無方向性電磁鋼板（仕上焼鈍板）のそれぞれを用いて、以下の手順で磁気特性評価用のリング試験片を作製した。まず、前記無方向性電磁鋼板をワイヤーカットにより外径１１０ｍｍ、内径９０ｍｍのリング状に加工した。カットされた前記無方向性電磁鋼板を２０枚積層し、さらに、１２０ターンの１次巻線と１００ターンの２次巻線を施すことでリング試験片とした。
次いで、前記リング試験片の磁気特性を、正弦波励磁下とインバータ励磁下の２条件で評価した。励磁条件は、最大磁束密度１．５Ｔ、基本周波数５０Ｈｚ、キャリア周波数１ｋＨｚ、変調率０．４とした。
正弦波励磁下での磁気特性を図１、インバータ励磁下での磁気特性を図２に示す。また、鉄損増加率Ｗｉｎｃと平均結晶粒径の関係を図３に示す。ここで、鉄損増加率とは、インバータ励磁下における鉄損と正弦波励磁下での鉄損との差を、正弦波励磁下における鉄損に対する比率で表したものであり、その定義の詳細については後述する。
図１〜３より分かるように、正弦波励磁下では、グループＡ、Ｂどちらの無方向性電磁鋼板においても、結晶粒径の増加に伴い鉄損が減少した。一方、インバータ励磁下では、正弦波励磁下のときよりも鉄損が大きかった。また、平均結晶粒径が小さい領域では、正弦波励磁下での結果と同様に、結晶粒径の増加に伴い鉄損が減少したが、平均結晶粒径が特定の値以上の領域では、平均結晶粒径の増加と共に鉄損が増加した。そして、グループＢの無方向性電磁鋼板は、正弦波励磁下ではグループＡの無方向性電磁鋼板と同程度の鉄損を有していたが、インバータ励磁下ではグループＡの無方向性電磁鋼板よりも小さい鉄損を示した。
また、グループＢの無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、同じ焼鈍温度で得られたグループＡの無方向性電磁鋼板よりも小さい傾向を示した。さらに結晶粒径の分布を調べたところ、グループＢの無方向性電磁鋼板には粗大な結晶粒と微細粒が混在しており、例えば、平均結晶粒径が１００μｍ程度である場合でも、粒径が６０μｍ以下である結晶粒が多く存在することが分かった。
グループＢの無方向性電磁鋼板のインバータ励磁下における鉄損が、グループＡの無方向性電磁鋼板よりも低くなる詳細なメカニズムは、現時点では明らかではない。しかし、結晶粒径の分布とインバータ励磁下での鉄損との関係をさらに調査した結果、結晶粒径が板厚の１／６以下となる微細粒が多く存在すると、インバータ励磁下での１次電流の最大値が小さくなり、鉄損が改善することが分かった。このことから、結晶粒径を適正な範囲に制御することでインバータ励磁下での鉄損を低減することが可能であるという考えに至った。
本発明は、上記知見に基づくものであり、その要旨構成は、次のとおりである。
１．質量％で、
Ｃ ：０．００５％以下、
Ｓｉ：４．５％以下、
Ｍｎ：０．０２〜２．０％、
Ｓｏｌ．Ａｌ：２．０％以下、
Ｐ ：０．２％以下、
Ｔｉ：０．００７％以下、
Ｓ ：０．００５％以下、ならびに
ＡｓおよびＰｂから選択される１種または２種：合計で０．０００５〜０．００５％、を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
平均結晶粒径ｒが４０〜１２０μｍであり、
結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の合計面積の、鋼板の断面積に対する面積率Ｒが２％以上であり、かつ、前記平均結晶粒径ｒ（μｍ）および前記面積率Ｒ（％）が下記（１）式の条件を満たす、無方向性電磁鋼板。
記
Ｒ＞−２．４×ｒ＋２００ …（１）
２．前記成分組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．０１〜０．２％およびＳｂ：０．０１〜０．２％から選択される１種または２種をさらに含む、上記１に記載の無方向性電磁鋼板。
３．前記成分組成が、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、および
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％から選択される１種または２種以上をさらに含む、上記１または２に記載の無方向性電磁鋼板。
４．板厚が０．３５ｍｍ以下である、上記１〜３のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
５．磁路断面積７０ｍｍ２のリング試験片に１次巻き数１２０ターン、２次巻き数１００ターンの巻線を施したリング試験片で、インバータを用いたＰＷＭ制御により最大磁束密度１．５Ｔ、基本周波数５０Ｈｚ、キャリア周波数１ｋＨｚ、変調率０．４の励磁を行い測定した鉄損Ｗｉｎｖと最大磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの正弦波交流により励磁を行い測定した鉄損Ｗｓｉｎとから計算される鉄損増加率Ｗｉｎｃ（％）＝１００（Ｗｉｎｖ−Ｗｓｉｎ）／Ｗｓｉｎが１００％以下である、上記１〜４のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
６．質量％で、
Ｃ ：０．００５％以下、
Ｓｉ：４．５％以下、
Ｍｎ：０．０２〜２．０％、
Ｓｏｌ．Ａｌ：２．０％以下、
Ｐ ：０．２％以下、
Ｔｉ：０．００７％以下、
Ｓ ：０．００５％以下、ならびに
ＡｓおよびＰｂから選択される１種または２種の合計：０．０００５〜０．００５％、を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼スラブを用意し、
前記鋼スラブを熱間圧延して熱延板とし、
前記熱延板に、均熱温度８００〜１１００℃、均熱時間５ｍｉｎ以下の条件で行う第１均熱処理と、均熱温度１１５０〜１２００℃、均熱時間５ｓｅｃ以下の条件で行う第２均熱処理からなる熱延板焼鈍を施し、
前記熱延板焼鈍された熱延板を、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延によって最終板厚を有する鋼板とし、
前記冷間圧延後の鋼板に対して仕上焼鈍を施すことを含み、
前記仕上焼鈍での、４００〜７４０℃における加熱速度が３０〜３００℃／ｓｅｃである、無方向性電磁鋼板の製造方法。
７．前記成分組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．０１〜０．２％およびＳｂ：０．０１〜０．２％から選択される１種または２種をさらに含む、上記６に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
８．前記成分組成が、質量％で、
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、および
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％から選択される１種または２種以上をさらに含む、上記６または７に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、インバータ励磁下においても鉄損に優れ、モータの鉄心として好適に用いることのできる無方向性電磁鋼板を得ることができる。
正弦波励磁下における鉄損と平均結晶粒径の関係を示す図である。 インバータ励磁下における鉄損と平均結晶粒径の関係を示す図である。 鉄損増加率Ｗｉｎｃと平均結晶粒径の関係を示す図である。 インバータ励磁下において鉄損が良好となる、面積率Ｒと平均結晶粒径ｒの範囲を示す図である。
［成分組成］
本発明においては、無方向性電磁鋼板、およびその製造に用いられる鋼スラブが、上記成分組成を有することが重要である。そこでまず、成分組成の限定理由を説明する。なお、成分に関する「％」表示は、特に断らない限り「質量％」を意味するものとする。
Ｃ：０．００５％以下
Ｃ含有量が０．００５％を超えると、磁気時効によって鉄損が低下する。したがって、Ｃ含有量は０．００５％以下とする。Ｃ含有量は０．００２０％以下とすることがより好ましく、０．００１５％以下とすることがより好ましい。一方、Ｃ含有量の下限は特に限定されないが、過度の低減は精錬コストの増大を招くため０．０００５％以上とすることが好ましい。
Ｓｉ：４．５％以下
Ｓｉは、鋼の電気抵抗率を増加させ、鉄損を低減する効果を有する元素である。インバータ励磁下では、渦電流損（eddy current loss）の比率が正弦波励磁下のときよりも大きくなるため、正弦波励磁下で使用する材料よりも電気抵抗率を高くすることが有効と考えられる。しかし、Ｓｉ含有量が４．５％を超えると、板が脆くなり冷間圧延の際に破断しやすくなる。そのため、Ｓｉ含有量は４．５％以下とする。なお、Ｓｉ含有量は４．０％以下とすることが好ましく、３．７％以下とすることがより好ましい。一方、Ｓｉ含有量の下限については特に限定されないが、Ｓｉの添加効果を高めるという観点からは、Ｓｉ含有量を２．５％以上とすることが好ましく、３．０％以上とすることがより好ましい。
Ｍｎ：０．０２〜２．０％
Ｍｎは、Ｓと結合することによって鋼の熱間脆性を低減する効果を有する元素である。
また、Ｍｎ含有量を増加することにより、ＭｎＳ等の析出物を粗大化し、粒成長性を改善することができる。さらに、Ｍｎは、電気抵抗率を増加させて鉄損を低減する効果も有している。前記効果を得るために、Ｍｎ含有量を０．０２％以上とする。Ｍｎ含有量は０．０５％以上とすることが好ましく、０．１０％以上とすることがより好ましく、０．３０％以上とすることがさらに好ましい。一方、２．０％を超えてＭｎを添加してもそれ以上効果の上昇が見込めないことに加えて、コストアップの要因となるため、Ｍｎ含有量は２．０％以下とする。Ｍｎ含有量は１．８％以下とすることが好ましく、１．６％以下とすることがより好ましく、１．４％以下とすることがさらに好ましい。
Ｓｏｌ．Ａｌ：２．０％以下
Ａｌは、ＡｌＮとして析出することにより、付近の粒成長を抑制し、微細な結晶粒を残す効果を有する元素である。さらにＡｌは、電気抵抗率を増加させて鉄損を低減する効果も有している。しかし、２．０％を超えて添加してもそれ以上効果の上昇が見込めない。したがって、Ａｌ含有量は２．０％以下とする。なお、Ａｌ含有量は１．５％以下とすることが好ましく、１．２％以下とすることがより好ましい。一方、Ａｌ含有量の下限は特に限定されないが、電気抵抗率を増加させるという観点からは０．００１０％以上とすることが好ましく、０．０１％以上とすることがより好ましく、０．１０％以上とすることがさらに好ましい。
Ｐ：０．２％以下
Ｐは、熱延板焼鈍の際に粒界偏析し、仕上焼鈍板の集合組織を改善する効果を有する元素である。しかし、０．２％を超えて添加してもそれ以上効果の上昇が見込めないことに加えて、板が脆くなり冷間圧延の際に破断しやすくなる。そのため、Ｐ含有量を０．２％以下とする。なお、Ｐ含有量は０．１％以下とすることが好ましく、０．０１０％以下とすることがより好ましい。一方、Ｐ含有量の下限は特に限定されないが、Ｐの添加効果を高めるという観点からは、Ｐ含有量を０．００１％以上とすることが好ましく、０．００４％以上とすることがより好ましい。
Ｔｉ：０．００７％以下
Ｔｉは、回復・再結晶を遅延させ、｛１１１｝方位粒を増加させる作用を有しており、磁束密度を低下させる有害元素である。Ｔｉ含有量が０．００７％を超えると悪影響が顕著になるため、Ｔｉ含有量は０．００７％以下とする。Ｔｉ含有量は０．００５％以下とすることが好ましい。一方、Ｔｉ含有量の下限は特に限定されないが、過度の低減は原料コストの増大を招くため０．０００１％以上とすることが好ましく、０．０００３％以上とすることがより好ましく、０．０００５％以上とすることがさらに好ましい。
Ｓ：０．００５％以下
Ｓ含有量が０．００５％を超えると、ＭｎＳ等の析出物が増加し、粒成長性が低下する。そのため、Ｓ含有量は０．００５％以下とする。なお、Ｓ含有量は０．００３％以下とすることが好ましい。一方、Ｓ含有量の下限は特に限定されないが、０．０００１％未満とすることは過度の製造コスト上昇を招くため、Ｓ含有量は０．０００１％以上とすることが好ましく、０．０００５％以上とすることがより好ましく、０．００１０％以上とすることがさらに好ましい。
ＡｓおよびＰｂから選択される１種または２種：合計０．０００５〜０．００５％
ＡｓおよびＰｂの少なくとも一方を、合計含有量で０．０００５％以上添加することにより、析出したＡｓおよびＰｂまたはそれらの化合物を核としてＡｌＮなどの析出物を成長させ、結晶粒径分布を適切に制御することが可能となる。そのため、ＡｓおよびＰｂの合計含有量を０．０００５％以上とする。ＡｓおよびＰｂの合計含有量は０．００１０％以上とすることが好ましい。一方、ＡｓおよびＰｂの合計含有量が０．００５％を超えると効果が飽和し、また、板が脆くなり冷間圧延で破断しやすくなる。そのため、ＡｓおよびＰｂの合計含有量は０．００５％以下とする。ＡｓおよびＰｂの合計含有量は０．００３％以下とすることが好ましく、０．００２％以下とすることがより好ましい。
本発明の一実施形態における無方向性電磁鋼板および鋼スラブの成分組成は、以上の成分に加え、残部のＦｅおよび不可避的不純物とからなる。
また、他の実施形態においては、上記成分組成が、Ｓｎ：０．０１〜０．２％およびＳｂ：０．０１〜０．２％から選択される１種もしくは２種をさらに含むことができる。
Ｓｎ：０．０１〜０．２％
Ｓｂ：０．０１〜０．２％
ＳｎおよびＳｂは、再結晶集合組織の｛１１１｝結晶粒を低減して、磁束密度を向上させる効果を有する元素である。ＳｎおよびＳｂを添加する場合、前記効果を得るために、ＳｎおよびＳｂの含有量を、それぞれ０．０１％以上とする。ＳｎおよびＳｂの含有量は、それぞれ０．０２％以上とすることが好ましい。一方、過剰に添加しても効果が飽和するため、ＳｎおよびＳｂを添加する場合、ＳｎおよびＳｂの含有量をそれぞれ０．２％以下とする。ＳｎおよびＳｂの含有量は、それぞれ０．１％以下とすることが好ましい。
また、他の実施形態においては、上記成分組成が、ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、およびＣａ：０．０００５〜０．００５％から選択される１種もしくは２種以上をさらに含むことができる。
ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％
Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％
Ｃａ：０．０００５〜０．００５％
ＲＥＭ（希土類金属）、Ｍｇ、およびＣａは、硫化物を粗大化させて、粒成長性を改善する効果を有する元素である。ＲＥＭ、Ｍｇ、およびＣａを添加する場合、前記効果を得るために、ＲＥＭ、Ｍｇ、およびＣａの含有量を、それぞれ０．０００５％以上とする。ＲＥＭ、Ｍｇ、およびＣａの含有量は、それぞれ０．００１０％以上とすることが好ましい。一方、過剰に添加するとかえって粒成長性が悪くなるため、ＲＥＭ、Ｍｇ、およびＣａを添加する場合、ＲＥＭ、Ｍｇ、およびＣａの含有量を、それぞれ０．００５％以下とする。ＲＥＭ、Ｍｇ、およびＣａの含有量は、それぞれ０．００３％以下とすることが好ましい。
［結晶粒径］
さらに、本発明においては、平均結晶粒径ｒを４０μｍ以上、１２０μｍ以下、結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の面積率Ｒ（以下、単に「面積率Ｒ」という場合がある）を２％以上とするとともに、前記平均結晶粒径ｒ（μｍ）および前記面積率Ｒ（％）が下記（１）式の条件を満たすことが重要である。これにより、インバータを用いたＰＷＭ制御下で励磁された場合における鉄損を低減することができる。以下、その限定理由について説明する。
Ｒ＞−２．４×ｒ＋２００ …（１）
・平均結晶粒径ｒ：４０〜１２０μｍ
図１、２に示したように、平均結晶粒径を４０〜１２０μｍとすることにより、正弦波励磁下とインバータ励磁下のいずれにおいても鉄損を低減することができる。さらに鉄損を低減するためには、平均結晶粒径ｒを６０μｍ以上とすることが好ましい。また、さらに鉄損を低減するためには、平均結晶粒径ｒを１００μｍ以下とすることが好ましい。なお、ここで平均結晶粒径ｒは、板幅方向中心位置で、圧延方向と平行に板厚方向に無方向性電磁鋼板を切断した断面において測定される平均結晶粒径とする。前記平均結晶粒径ｒは実施例に記載した方法で測定することができる。なお、モータ鉄心に使用されている無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径は、該鉄心の一部より切り出した試験片の断面において、上記と同様の測定を行って得られる平均結晶粒径の値とする。
・面積率Ｒ：２％以上、かつＲ＞−２．４×ｒ＋２００
結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の合計面積が鋼板の断面積に占める面積率Ｒが低いと、インバータ励磁下での一次電流の増大にともなって鉄損が増大する。そのため、前記面積率Ｒを、２％以上、かつＲ＞−２．４×ｒ＋２００とする。なお、インバータ励磁下における鉄損を一層低減するという観点からは、前記面積率Ｒ（％）および平均結晶粒径ｒ（μｍ）が、下記（２）式の関係を満たすことがより好ましく、下記（３）および（４）の関係を同時に満たすことがさらに好ましい。
−２．４×ｒ＋２８０＞Ｒ＞−２．４×ｒ＋２１０ …（２）
−２．４×ｒ＋２６０＞Ｒ＞−２．４×ｒ＋２３０ …（３）
８０≧Ｒ≧４０ …（４）
［板厚］
板厚：０．３５ｍｍ以下
本発明においては、無方向性電磁鋼板の板厚は特に限定されず、任意の厚さとすることができる。しかし、板厚を０．３５ｍｍ以下とすることで、渦電流損を低減することができる。インバータ励磁下では特に、高調波の影響で渦電流損の比率が大きくなるため、鋼板を薄くすることによる鉄損低減効果が高くなる。そのため、無方向性電磁鋼板の板厚を０．３５ｍｍ以下とすることが好ましい。なお、前記板厚は０．３０ｍｍ以下とすることがより好ましい。一方、板厚が過度に薄いと、履歴損（hysteresis loss）の増加量が渦電流損の低減量よりも大きくなり、かえって鉄損が増加する。そのため、無方向性電磁鋼板の板厚は０．０５ｍｍ以上とすることが好ましく、０．１５ｍｍ以上とすることがより好ましい。
［磁気特性］
上記のように成分組成および結晶粒径を制御することにより、インバータ励磁下における磁気特性に優れた無方向性電磁鋼板を得ることができる。本発明の無方向性電磁鋼板の磁気特性は特に限定されるものではないが、正弦波励磁下における鉄損をＷｓｉｎ、インバータ励磁下における鉄損をＷｉｎｖとしたとき、１００（Ｗｉｎｖ−Ｗｓｉｎ）／Ｗｓｉｎとして定義される鉄損増加率Ｗｉｎｃ（％）が１００％以下であることが好ましい。Ｗｉｎｃが大きいと、正弦波励磁下で優れた鉄損となる材料であっても、インバータにより制御されたモータの鉄心として用いたときの損失が大きくなってしまう。前記Ｗｉｎｃは、９０％以下であることがより好ましい。
なお、ここで前記ＷｓｉｎおよびＷｉｎｖは、それぞれ次の通りの定義とする。
・Ｗｓｉｎ：最大磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの正弦波交流により励磁を行い測定した鉄損。
・Ｗｉｎｖ：インバータを用いたＰＷＭ制御により最大磁束密度１．５Ｔ、基本周波数５０Ｈｚ、キャリア周波数１ｋＨｚ、変調率０．４の励磁を行い測定した鉄損。
また、インバータ励磁下での磁気特性は、正弦波励磁下での磁気特性と異なり、測定に用いる試験片の磁路断面積と巻き線のターン数に大きく影響される。そのため、上記ＷｓｉｎおよびＷｉｎｖは、磁路断面積は７０ｍｍ２、１次巻線を１２０ターン、２次巻線を１００ターンとした試験片を用いて測定される値とする。また、インバータによるＰＷＭ制御では、変調率とキャリア周波数が高調波成分の振幅や周波数に影響し鉄損が増減することから、Ｗｉｎｖの測定は、インバータの制御条件を変調率０．４、キャリア周波数１ｋＨｚとして行うものとする。
次に、本発明の一実施形態における無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。本発明においては、上記成分組成を有する鋼スラブに対し、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、および仕上焼鈍の各処理を施すことによって製造することができる。
［鋼スラブ］
熱間圧延に供される鋼スラブとしては、上記成分組成を有するものであれば任意のものを用いることができる。前記鋼スラブは、例えば、上記成分組成に調整された溶鋼から、通常の造塊−分塊法や連続鋳造法によって製造することができる。また、１００ｍｍ以下の厚さの薄鋳片を直接鋳造法で製造してもよい。Ｃ、Ａｌ、Ｂ、およびＳｅは製鋼プロセスで混入しやすい元素なので、厳格な管理が必要である。
［熱間圧延］
次いで、得られたスラブを熱間圧延して熱延板を得る。前記スラブは、加熱した後に熱間圧延に供することもできるし、鋳造後、加熱せずに直ちに熱間圧延に供することもできる。
［熱延板焼鈍］
上記熱間圧延の後、得られた熱延板に熱延板焼鈍を施す。本発明においては、前記熱延板焼鈍における均熱（soaking）が、第１均熱処理と第２均熱処理の２段階で行われる。以下、第１均熱処理と第２均熱処理の条件の限定理由を説明する。
（第１均熱処理）
Ｔ１：８００〜１１００℃
前記第１均熱処理における均熱温度Ｔ-１が８００℃未満であると、熱間圧延時に形成されたバンド組織が残留するため、リジングが発生しやすい。そのため、Ｔ１は８００℃以上とする。Ｔ１は８５０℃以上とすることが好ましく、９００℃以上とすることがより好ましい。一方、Ｔ１が１１００℃を超えると焼鈍コストが高くなる。そのため、Ｔ-１は１１００℃以下とすることが好ましく、１０５０℃以下とすることがより好ましい。
ｔ１：５ｍｉｎ以下
第１均熱処理における均熱時間ｔ１が過度に長いと生産性が低下するため、ｔ１は５ｍｉｎ以下とする。ｔ１は２ｍｉｎ以下とすることが好ましく、６０ｓｅｃ以下とすることがより好ましく、３０ｓｅｃ以下とすることがさらに好ましく、２０ｓｅｃ以下とすることが最も好ましい。一方、ｔ１の下限は特に限定されないが、第１均熱処理の効果を十分に得るという観点からは、ｔ１を５ｓｅｃ以上とすることが好ましい。
（第２均熱処理）
Ｔ２：１１５０〜１２００℃
第２均熱処理における均熱温度Ｔ２が１１５０℃以上であれば、鋼中の析出物を一旦固溶させて、冷却時に微細析出させることができる。そのため、Ｔ２は１１５０℃以上とする。一方、Ｔ２が１２００℃を超えると、焼鈍コストが高くなる。そのため、Ｔ２は１２００℃以下とする。
ｔ２：５ｓｅｃ以下
微細析出物を不均一に分布させるためには、第２均熱処理における均熱時間ｔ２を短くする必要がある。そのため、ｔ２を５ｓｅｃ以下とする。一方、一方、ｔ１の下限は特に限定されないが、第２均熱処理の効果を十分に得るという観点からは、ｔ２を１ｓｅｃ以上とすることが好ましく、２ｓｅｃ以上とすることがより好ましい。このように第２均熱処理を行うことで、ＡｓやＰｂの微量添加と相まって、微細析出物の分布がより不均一となり、その結果、仕上焼鈍後の結晶粒径を不均一なものとする効果がある。
前記熱延板焼鈍は、特に限定されず任意の方法で行うことができる。具体的には、熱延板を均熱温度Ｔ１まで加熱し、前記Ｔ１で均熱時間ｔ１の間保持し、次いで、該熱延板を均熱温度Ｔ２まで加熱し、前記Ｔ２で均熱時間ｔ２の間保持することにより、前記熱延板焼鈍を行うことができる。なお、バッチ焼鈍炉を用いた焼鈍は生産性が低いため、連続焼鈍炉を用いて前記熱延板焼鈍を行うことが好ましい。第２均熱処理後の冷却速度は磁気特性に影響を及ぼさないため特に限定されないが、例えば、１〜１００℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却することができる。
［冷間圧延］
次に、焼鈍された熱延板を冷間圧延して、最終板厚の冷延鋼板を得る。前記焼鈍された熱延板は、冷間圧延に先立って酸洗しておくことが好ましい。また、前記冷間圧延は、１回のみ行うこともできるし、中間焼鈍を挟んで２回以上行うこともできる。前記中間焼鈍は、任意の条件で行うことができるが、例えば、連続焼鈍炉を用いて、均熱温度８００〜１２００℃、均熱時間５ｍｉｎ以下の条件で行うことが好ましい。
前記冷間圧延の条件は特に限定されず、任意の条件で行うことができる。しかし、変形帯の形成を促進し、｛００１｝＜２５０＞集合組織を発達させるという観点からは、少なくとも１パスの圧延出側材料温度を１００〜３００℃とすることが好ましい。圧延出側材料温度を１００℃以上とすれば、｛１１１｝方位の発達を抑制できる。また、圧延出側材料温度を３００℃以下とすれば、集合組織のランダム化を抑制できる。なお、前記圧延出側材料温度は、放射温度計や接触式温度計で測定することができる。
また、前記冷間圧延における圧下率は特に限定されず、任意の値とすることができる。しかし、磁気特性向上の観点からは、最終冷間圧延の圧下率を８０％以上とすることが好ましい。最終冷間圧延の圧下率が８０％以上であれば、集合組織の先鋭性を高め、磁気特性をさらに改善することができる。一方、圧下率の上限は特に限定されないが、９８％を超えると圧延コストが顕著に増加するので、９８％以下とすることが好ましい。なお、圧下率は８５〜９５％とすることがより好ましい。なお、ここで「最終冷間圧延」とは、冷間圧延が１回のみ行われる場合には当該１回の冷間圧延を指し、冷間圧延が２回以上行われる場合には、それらの冷間圧延のうち最後の冷間圧延を指すものとする。
前記最終板厚は特に限定されないが、上述した無方向性電磁鋼板の板厚と同じとすればよい。なお、圧下率を高くするという観点からは、最終板厚を０．３５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．３０ｍｍ以下とすることがより好ましい。
［仕上焼鈍］
最終冷間圧延の後、仕上焼鈍を行う。前記仕上焼鈍における均熱温度は特に限定されず、目的の結晶粒径となるように調節すれば良い。前記均熱温度は、例えば、７００〜１１００℃とすることができる。また、前記仕上焼鈍における均熱時間は、特に限定されず、再結晶が進行するように適宜の時間行えばよい。前記均熱時間は、例えば、５ｓｅｃ以上とすることができる。一方、均熱時間が過度に長いと効果が飽和するとともに生産性が低下するため、均熱時間は１２０ｓｅｃ以下とすることが好ましい。
加熱速度：３０〜３００℃／ｓｅｃ
前記仕上焼鈍においては、４００〜７４０℃における加熱速度を３０〜３００℃／ｓｅｃとする。前記加熱速度を３０〜３００℃／ｓｅｃとすることにより、結晶粒の粒径を適正な分布にすることができる。前記加熱速度が３０℃／ｓｅｃ未満であると、結晶粒径の分布が先鋭化し、インバータ励磁下での鉄損に有利な大きさの結晶粒の数が急激に減少する。一方、前記加熱速度が３００℃／ｓｅｃより大きいと、微細な結晶粒を一定量残す効果が飽和することに加え、板形状にしぼりが発生する。また、膨大な電力が必要となるためコスト増となる。前記加熱速度は５０℃／ｓｅｃ以上とすることが好ましい。また、前記加熱速度は２００℃／ｓｅｃ以下とすることが好ましい。なお、前記加熱速度は４００〜７４０℃における平均加熱速度を意味する。また、均熱温度が７４０℃未満の場合、４００℃〜均熱温度までの平均加熱速度を前記加熱速度とみなす。
前記仕上焼鈍後、必要に応じて絶縁コーティングを施し、製品板とする。前記絶縁コーティングとしては、特に限定されず、無機コーティング、有機コーティング、無機−有機混合コーティングなど、任意のものを目的に応じて用いることができる。
（実施例１）
表１に示す成分組成を有する鋼を実験室で溶解し、鋳込んで鋼素材（スラブ）を得た。前記鋼素材に対して、次の（１）〜（５）の処理を順次施して、無方向性電磁鋼板を作製した。
（１）板厚２．０ｍｍへの熱間圧延、
（２）熱延板焼鈍、
（３）酸洗、
（４）冷間圧延、および
（５）均熱温度：８５０〜１１００℃、均熱時間：１０ｓでの仕上焼鈍。
前記（２）熱延板焼鈍においては、次の（２−１）および（２−２）からなる２段階の均熱処理を行った。
（２−１）均熱温度：Ｔ１（℃）、均熱時間：ｔ１（ｓｅｃ）での第１均熱処理、
（２−２）均熱温度：Ｔ２（℃）、均熱時間：ｔ２（ｓｅｃ）での第２均熱処理。
各工程における処理条件を表２に示す。なお、比較のため、いくつかの例においては第２均熱処理を行わなかった。第２均熱処理を行わない場合には、第１均熱処理を行った後、冷却した。
前記冷間圧延における最終板厚は、０．１７５、０．２５、または０．７０ｍｍとした。また、前記仕上焼鈍においては、７４０℃までの加熱を誘導加熱装置で行い、室温〜４００℃における加熱速度が２０℃／ｓｅｃ、４００〜７４０℃の加熱速度が２０〜２００℃／ｓｅｃとなるように出力を制御した。７４０℃以上の加熱は電気炉で行い、均熱温度までの平均加熱速度は１０℃／ｓｅｃとした。各無方向性電磁鋼板の仕上焼鈍条件を表２に示す。なお、仕上焼鈍の雰囲気はＨ２：Ｎ２＝２：８、露点−２０℃（ＰＨ２Ｏ／ＰＨ２＝０．００６）とした。
上記のようにして得た無方向性電磁鋼板（仕上焼鈍板）のそれぞれについて、以下の方法で結晶粒径と磁気特性を評価した。
［平均結晶粒径ｒ］
得られた無方向性電磁鋼板のそれぞれについて、平均結晶粒径ｒを測定した。前記測定は、板幅方向中心位置で、圧延方向と平行に板厚方向に無方向性電磁鋼板を切断した断面において行った。切断面を研磨、エッチングした後、光学顕微鏡で観察し、線分法によって１０００個以上の結晶粒の粒径を計測し、平均結晶粒径ｒを求めた。得られた値を表２に示した。
［面積率Ｒ］
上記平均結晶粒径ｒの測定と同様の方法で鋼板の断面観察を行い、結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の合計面積の、鋼板の断面積に対する面積率Ｒを求めた。得られた値を表２に示した。
［磁気特性］
得られた無方向性電磁鋼板のそれぞれを用いて、以下の手順で磁気特性評価用のリング試験片を作製した。まず、前記無方向性電磁鋼板をワイヤーカットにより外径１１０ｍｍ、内径９０ｍｍのリング状に加工した。カットされた前記無方向性電磁鋼板を、積層厚みが７．０ｍｍとなるように積層し、さらに、１２０ターンの１次巻線と１００ターンの２次巻線を施すことでリング試験片（磁路断面積７０ｍｍ２）とした。
次いで、前記リング試験片の磁気特性を、正弦波励磁下とインバータ励磁下の２条件で評価した。上記測定により得た以下の値を表２に示した。
・Ｗｓｉｎ：最大磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの正弦波交流により励磁を行い測定した鉄損
・Ｗｉｎｖ：インバータを用いたＰＷＭ制御により最大磁束密度１．５Ｔ、基本周波数５０Ｈｚ、キャリア周波数１ｋＨｚ、変調率０．４の励磁を行い測定した鉄損
・鉄損増加率Ｗｉｎｃ（％）＝１００（Ｗｉｎｖ−Ｗｓｉｎ）／Ｗｓｉｎ
Figure 0006210182
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表２に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす無方向性電磁鋼板は、インバータ励磁下における鉄損が優れていた。これに対して、本発明の条件を満たさない比較例の無方向性電磁鋼板は、鉄損増加率Ｗｉｎｃが１００％を超えており、インバータ励磁下における鉄損に劣っていた。
（実施例２）
表３に示す成分組成を有する鋼を実験室で溶解し、鋳込んで鋼素材を得た。前記鋼素材に対して、次の（１）〜（５）の処理を順次施して、無方向性電磁鋼板を作製した。
（１）板厚１．８ｍｍへの熱間圧延、
（２）熱延板焼鈍、
（３）酸洗、
（４）最終板厚０．３５ｍｍへの冷間圧延、および
（５）均熱温度：９００〜１０００℃、均熱時間：１０ｓでの仕上焼鈍。
前記（２）熱延板焼鈍においては、次の（２−１）および（２−２）からなる２段階の均熱処理を行った：
（２−１）均熱温度：１０００℃、均熱時間：１０ｓでの第１均熱処理、
（２−２）均熱温度：１１５０℃、均熱時間：３ｓでの第２均熱処理。
前記仕上焼鈍においては、７４０℃までの加熱を誘導加熱装置で行い、室温〜４００℃における加熱速度が２０℃／ｓｅｃ、４００〜７４０℃の加熱速度が３０〜３００℃／ｓｅｃとなるように出力を制御した。その他の条件は実施例１と同様とした。得られた無方向性電磁鋼板のそれぞれについて、実施例１と同様の方法で結晶粒径と磁気特性を評価した。各無方向性電磁鋼板の仕上焼鈍条件および評価結果を表４に示す。
Figure 0006210182
Figure 0006210182
表４に示した結果から分かるように、本発明の条件を満たす無方向性電磁鋼板は、インバータ励磁下における鉄損が優れていた。これに対して、本発明の条件を満たさない比較例の無方向性電磁鋼板は、鉄損増加率Ｗｉｎｃが１００％を超えており、インバータ励磁下における鉄損に劣っていた。
図４は、上記実施例１および実施例２のうち、鋼の成分組成が本願発明の条件を満たしているすべての無方向性電磁鋼板での結果を、横軸に平均結晶粒径ｒ、縦軸に面積率Ｒをとってプロットしたものである。なお、図４では、各発明例および比較例におけるインバータ励磁下での鉄損：Ｗｉｎｖを表５に示す評価基準に基づいて分類し、該当する分類に対応する記号を用いてプロットした。この図からも分かるように、Ｒとｒを適正な範囲に制御することにより、インバータ励磁下における鉄損に優れた無方向性電磁鋼板を得ることができる。
Figure 0006210182

Claims (8)

  1. 質量％で、
    Ｃ ：０．００５％以下、
    Ｓｉ：４．５％以下、
    Ｍｎ：０．０２〜２．０％、
    Ｓｏｌ．Ａｌ：２．０％以下、
    Ｐ ：０．２％以下、
    Ｔｉ：０．００７％以下、
    Ｓ ：０．００５％以下、ならびに
    ＡｓおよびＰｂから選択される１種または２種の合計：０．０００５〜０．００５％、を含有し、
    残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有し、
    平均結晶粒径ｒが４０〜１２０μｍであり、
    結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の合計面積の、鋼板の断面積に対する面積率Ｒが２％以上であり、かつ、前記平均結晶粒径ｒ（μｍ）および前記面積率Ｒ（％）が下記（１）式の条件を満たす、無方向性電磁鋼板。
    記
    Ｒ＞−２．４×ｒ＋２００ …（１）
  2. 前記成分組成が、質量％で、
    Ｓｎ：０．０１〜０．２％およびＳｂ：０．０１〜０．２％から選択される１種または２種をさらに含む、請求項１に記載の無方向性電磁鋼板。
  3. 前記成分組成が、質量％で、
    ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、
    Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、および
    Ｃａ：０．０００５〜０．００５％から選択される１種または２種以上をさらに含む、請求項１または２に記載の無方向性電磁鋼板。
  4. 板厚が０．３５ｍｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
  5. 磁路断面積７０ｍｍ2のリング試験片に１次巻き数１２０ターン、２次巻き数１００ターンの巻線を施したリング試験片で、インバータを用いたＰＷＭ制御により最大磁束密度１．５Ｔ、基本周波数５０Ｈｚ、キャリア周波数１ｋＨｚ、変調率０．４の励磁を行い測定した鉄損Ｗinvと最大磁束密度１．５Ｔ、周波数５０Ｈｚの正弦波交流により励磁を行い測定した鉄損Ｗsinとから計算される鉄損増加率Ｗinc（％）＝１００（Ｗinv−Ｗsin）／Ｗsinが１００％以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
  6. 無方向性電磁鋼板の製造方法であって、
    質量％で、
    Ｃ ：０．００５％以下、
    Ｓｉ：４．５％以下、
    Ｍｎ：０．０２〜２．０％、
    Ｓｏｌ．Ａｌ：２．０％以下、
    Ｐ ：０．２％以下、
    Ｔｉ：０．００７％以下、
    Ｓ ：０．００５％以下、ならびに
    ＡｓおよびＰｂから選択される１種または２種：合計で０．０００５〜０．００５％、を含有し、
    残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる成分組成を有する鋼スラブを用意し、
    前記鋼スラブを熱間圧延して熱延板とし、
    前記熱延板に、均熱温度８００〜１１００℃、均熱時間５ｍｉｎ以下の条件で行う第１均熱処理と、均熱温度１１５０〜１２００℃、均熱時間５ｓｅｃ以下の条件で行う第２均熱処理からなる熱延板焼鈍を施し、
    前記熱延板焼鈍された熱延板を、１回または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延によって最終板厚を有する鋼板とし、
    前記冷間圧延後の鋼板に対して仕上焼鈍を施すことを含み、
    前記仕上焼鈍での、４００〜７４０℃における加熱速度が３０〜３００℃／ｓｅｃであり、
    前記無方向性電磁鋼板の平均結晶粒径ｒが４０〜１２０μｍであり、
    結晶粒径が板厚の１／６以下である結晶粒の合計面積の、鋼板の断面積に対する面積率Ｒが２％以上であり、かつ、前記平均結晶粒径ｒ（μｍ）および前記面積率Ｒ（％）が下記（１）式の条件を満たす、無方向性電磁鋼板の製造方法。
    記
    Ｒ＞−２．４×ｒ＋２００ …（１）
  7. 前記成分組成が、質量％で、
    Ｓｎ：０．０１〜０．２％およびＳｂ：０．０１〜０．２％から選択される１種または２種をさらに含む、請求項６に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  8. 前記成分組成が、質量％で、
    ＲＥＭ：０．０００５〜０．００５％、
    Ｍｇ：０．０００５〜０．００５％、および
    Ｃａ：０．０００５〜０．００５％から選択される１種または２種以上をさらに含む、請求項６または７に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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