JP6453683B2

JP6453683B2 - 軟磁性用線材、棒鋼及び軟磁性鋼部品

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Publication number: JP6453683B2
Application number: JP2015060449A
Authority: JP
Inventors: 昌之坂田; 千葉　政道; 政道千葉; 慶増本; 森田　晋也; 晋也森田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-03-24
Filing date: 2015-03-24
Publication date: 2019-01-16
Anticipated expiration: 2035-03-24
Also published as: JP2016180146A

Description

本発明は、軟磁性部品に使用される鋼材に関し、特に高い磁気特性を有するとともに、熱間での製造性に優れた軟磁性鋼材に関する。

例えば自動車用の電磁部品にて磁気回路を構成する鋼部品には、低い外部磁界で容易に磁化し得る特性に加えて、保磁力の小さいことが要求される。このため、前記鋼部品の材料として、部品内部の磁束密度が外部磁界に応答し易い軟磁性鋼材が一般に用いられている。

近年、自動車の低燃費化や快適性向上を目的に、電子・電磁制御部品の活用が増加しており、より磁気特性に優れた電装部品の需要が高まってきている。

前記電装部品のうち、磁気応答性や消費電力低減を最重視する部品には、例えばＣ量が約０．０１質量％以下の極低炭素鋼が用いられている。

軟磁性鋼材としての使用を目的とした極低炭素鋼の例として、特許文献１では、鋼材成分と鋼組織を制御することによって、交流磁気特性に優れ且つ低磁歪を実現できる軟磁性鋼材を提供している。

特許文献２では、ＭｎＳの析出形態を制御することで、磁気特性を劣化させずに、冷間鍛造と切削加工による部品成形性を向上させている。

特許文献３では、酸化物の表面に硫化物が存在する複合析出物を分散させることで、優れた磁気特性と被削性を両立させている。

特許文献４では、Ｍｎ／Ｓの比率を制御することで、ばらつきの少ない優れた磁気特性を確保したまま被削性を向上させている。

特許文献５ではＴｉ系介在物を鋼中に生成させることで良好な被削性を付与した軟磁性鋼材を提供している。

特許文献６では鋼中のＮ量に対するＢ量の割合を制御して固溶ＮをＢＮとして固定することによって、安定にかつ優れた磁気特性を確保できると共に、冷間鍛造時に寸法精度良く加工することのできる軟磁性鋼材を提供している。

しかしながら、いずれの発明においても合金元素の添加を行っているため、製造性は確保できるものの、磁気特性については、ＪＩＳＣ２５０４で定めるＳＵＹ−０の直流磁気特性のすべてを安定的に満足するレベルには至っていない。

特開２００９−０８４６４６号公報特開２００３−０５５７４５号公報特開２００４−１９０１２２号公報特開２００７−０４６１２５号公報特開２００６−１５２３５５号公報特開２００７−２３８９７０号公報

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は磁気焼鈍を施すことによりＪＩＳＣ２５０４で定めるＳＵＹ−０の直流磁気特性のすべてを満足するとともに、製造性を確保、すなわち連続鋳造工程、分塊圧延工程、熱間圧延工程において割れを発生させずに安定的に製造することが可能な軟磁性用線材または棒鋼を提供することにある。

上記課題を達成することのできた本発明の軟磁性用線材又は棒鋼とは、質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０１％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％、
Ｍｎ：０．００５〜０．１％、
Ｐ：０．００１〜０．０３％、
Ｓ：０．００１〜０．０３％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有すると共に、
さらにＴｉ：０．０１〜０．０５％及びＣａ：０．００１〜０．００５％の１種又は２種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる点に要旨を有する。
本発明は、更に上記線材又は棒鋼から得られた軟磁性鋼部品も包含する。

本発明によれば、磁気焼鈍を施すことによりＪＩＳＣ２５０４で定めるＳＵＹ−０の直流磁気特性のすべてを満足するとともに、連続鋳造工程、分塊圧延工程、熱間圧延工程において割れを発生させずに安定的に製造することが可能である、すなわち熱間延性に優れた軟磁性用線材または棒鋼が得られる。従って、優れた磁気特性を安定して発揮する自動車、電車、船舶および家電製品等の各種電装部品を、生産性良く提供できる。

図１は、熱間延性の評価に用いた試験片の形状を示した図である。図２は、連続鋳造工程を想定した熱間延性評価のための引張試験でのヒートパターンを示したグラフである。図３は、分塊圧延工程及び熱間圧延工程を想定した熱間延性評価のための引張試験でのヒートパターンを示したグラフである。図４は、磁気特性の評価に用いた試験片の形状を示した図である。

本発明者らは、磁気特性に優れる軟磁性鋼材について研究を重ねた。その結果、極低炭素鋼では、Ｍｎ含有量を極力低減することが磁気特性の向上に有効であることを見出した。しかし、Ｍｎの低減はＦｅＳの発生により熱間延性が低下するため、鋼の製造工程である連続鋳造、分塊圧延および熱間圧延工程において割れの発生につながる。そこで、ＴｉまたはＣａを適正な範囲で添加すれば、極低炭素鋼のＭｎ含有量を極力低減しても熱間延性が優れ、製造工程において割れを生じることなく安定的に生産することができることを見出した。

本発明の軟磁性用線材又は棒鋼の化学成分について以下に説明する。以下、化学成分組成は全て質量％で示す。

Ｃ：０．００１〜０．０１％
Ｃは鋼材の強度と延性のバランスを支配する元素であり、添加量を低減するほど強度は低下し、延性は向上する。鋼材を効率良く製造する観点から、Ｃ量の下限は０．００１％とした。Ｃ量は、好ましくは０．００３％以上であり、より好ましくは０．００５％以上である。しかしＣは鋼中に固溶してひずみ時効効果を生じるので低Ｃが望ましく、磁気特性の面からも低Ｃが好ましい。こうしたことを考慮し、Ｃ量の上限は０．０１％とした。Ｃ量は、好ましくは０．００９％以下であり、より好ましくは０．００８％以下である。

Ｓｉ：０．５〜１．５％
Ｓｉは溶製時に脱酸剤として用いられるものであり、またＦｅの磁気異方性を低減する為、磁気特性の向上に重要な元素である。とくに、印加磁界が１００Ａ／ｍ程度の低磁界側での磁束密度の向上に有効であり、Ｓｉ量の下限を０．５％と定めた。Ｓｉ量は、好ましくは０．７％以上であり、より好ましくは０．８％以上である。しかし、Ｓｉ量が過剰であると鋼材の強度が著しく上昇し、鋼材の延性が低下し脆化する。そこで本発明では、Ｓｉ量の上限を１．５％と定めた。Ｓｉ量の好ましい上限は１．３％以下であり、より好ましくは１．２％以下である。

Ｍｎ：０．００５〜０．１％
Ｍｎは溶製時に脱酸剤、脱硫剤として有効に作用するが、鋼材の磁気特性を低下させることから低減することが望ましいため、本発明ではＭｎの上限０．１％とする。Ｍｎ量は、好ましくは０．０８％以下であり、より好ましくは０．０５％以下である。

尚、効率よく鋼材を製造する観点から、Ｍｎの下限は０．００５％と定めた。

Ｐ：０．００１〜０．０３％
Ｐは不純物として含有するため、Ｐ量を過剰に低減することはコストの上昇を招く。そこでＰ量の下限値は０．００１％と定めた。しかし、Ｐは粒界偏析を起こして磁気特性を低下させる元素であるため、上限を０．０３％とした。尚、Ｐ量の好ましい上限は０．０２％以下であり、より好ましくは０．０１％以下である。

Ｓ：０．００１〜０．０３％
Ｓは不純物として含有するため、Ｓ量を過剰に低減することはコストの上昇を招くため、下限値は０．００１％と定めた。しかし、ＳはＦｅＳを形成し熱間脆性を引き起こすばかりでなく、結晶粒界に偏析し磁気特性を低下させる元素であるため、Ｓ量は０．０３％を上限として定めた。Ｓ量の好ましい上限は０．０２％以下であり、より好ましくは０．０１％以下である。

Ａｌ：０．００１〜０．１％
Ａｌは、脱酸材として有効に作用するが、過剰に添加されると鋼材の磁気特性を低下させることから極力低減することが好ましい。そのため、本発明ではＡｌの上限を０．１％とする。Ａｌ量は、好ましくは０．０５％以下であり、より好ましくは０．０２％以下である。

尚、効率良く鋼材を製造する観点から、Ａｌの下限は０．００１％と定めた。

Ｎ：０．００１〜０．０１％
Ｎは、不純物として含有し、Ｎ量を過剰に低減することはコスト上昇を招くとともに、Ｎ量の過剰な低減はＣ量の調整が製法上困難になることから、下限を０．００１％と定めた。Ｎは鋼中に固溶してひずみ時効効果を生じるので低Ｎが望ましく、磁気特性の面からも低Ｎが好ましい。こうしたことを考慮し、Ｎ量の上限は０．０１％とした。好ましくは０．００８％以下であり、より好ましくは０．００６％以下である。

Ｔｉ：０．０１〜０．０５％
Ｔｉは、ＴｉＯ₂を形成することによる脱酸作用を有するとともに、ＴｉＳまたはＴｉＳ₂を形成することによる脱硫作用を有する為、ＦｅＳの生成を抑制し熱間脆性を改善することができる。上記の効果を十分に発揮するためには、Ｔｉを０．０１％以上含有させる必要がある。Ｔｉ量は、好ましくは０．０２％以上であり、より好ましくは０．０２５％以上である。しかし、Ｔｉ量が過剰になるとＴｉＣまたはＴｉＮが大量に析出し、磁気特性の低下を招くことから、上限を０．０５％と定めた。Ｔｉ量は、好ましくは０．０４％以下であり、より好ましくは０．０３５％以下である。

Ｃａ：０．００１〜０．００５％
Ｃａは、ＣａＯを形成することによる脱酸作用を有するとともに、ＣａＳを形成することによる脱硫作用を有する為、ＦｅＳの生成を抑制し熱間脆性を改善することができる。上記の効果を十分に発揮するためには、０．００１％以上含有させる必要がある。好ましくは０．００１５％以上である。しかし、Ｃａ量が過剰になるとその効果は飽和し、コストの増加を招くだけでなく、磁性不純物として磁気特性を低下させることから、上限は０．００５％と定めた。Ｃａ量は、好ましくは０．００４％以下であり、より好ましくは０．００３％以下である。Ｔｉ及びＣａはいずれか一方だけ用いても良いし、両方用いても良い。

本発明の線材及び棒鋼の化学成分は上記の通りであって、残部はＦｅおよび不可避的不純物であり、該不可避的不純物として、原料、資材、製造設備等の状況によって持ち込まれる元素が許容される。

本発明の線材及び棒鋼の常温での機械特性は特に制限されないが、部品成型性を確保するためには、硬さＨＶは１９５以下であることが好ましく、部品強度を確保するためには、ＨＶは１１０以上であることが好ましい。また、本発明の線材又は棒鋼から得られた軟磁性鋼部品も本発明に含まれ、より詳細には、磁気特性を安定して発揮する自動車、電車、船舶および家電製品等の各種電装部品等が挙げられる。

本発明に係る軟磁性用線材及び棒鋼は、上記化学成分を有する溶鋼を取鍋からタンディッシュに注入し、次いでモールド内に連続的に注入し、モールド内で冷却し凝固を完了させ鋳片としてピンチロールにより連続的に引き抜かれることにより製造された後、分塊圧延および熱間圧延工程を経て常温に冷却することにより製造される。

尚、軟磁性用線材及び棒鋼の製造におけるその他の製造条件は特に制限されないが、例えば下記条件で分塊圧延および熱間圧延を行うことで製造することができる。

分塊圧延に際して行う加熱を１１００〜１３００℃とし、仕上げ温度を８５０℃以上とすることが挙げられる。

分塊圧延後は放冷し、５５０℃以下まで冷却することが挙げられ、水をかけて冷却してもよい。

熱間圧延に際して行う加熱を１０００〜１２００℃とし、仕上げ温度を７５０℃以上とすることが挙げられる。

熱間圧延後の冷却速度を０．５〜１０℃／秒とすることが挙げられる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することももちろん可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

表１に示す化学成分組成の鋼を溶製し、これらの鋳造片に１１００℃で圧延若しくは熱間鍛造を行って、直径４２ｍｍの棒材とした。その後、１２００℃で１時間の焼ならし処理を行って、該棒材の熱間延性と磁気特性および硬さ（ＨＶ）を評価した。熱間延性の評価には、切削加工により作製した図１に示す試験片を用いた。また、磁気特性の評価には切削加工により作製した図４に示す試験片を用いた。

（１）熱間延性の評価
本実施例では、本発明の棒鋼及び線材を製造する際の連続鋳造工程、分塊圧延工程及び熱間圧延工程を、上記棒材を以下で説明するヒートパターンで熱処理して引張試験を行うことにより模擬しており、該引張試験の際の絞り（％）により、熱間延性、すなわち連続鋳造工程、分塊圧延工程、及び熱間圧延工程において割れ等の発生しない特性を評価した。試験片は、上記棒材の長手方向が図１の試験片の長手方向となるように採取し、図２および図３のヒートパターンで引張試験をおこなった。図２では、室温から１３００℃まで１０℃／時間で昇温し、１３００℃で５分保持した後、Ｔ１℃までを５℃／秒で降温し、Ｔ１℃で２分保持し、その後０．０１ｍｍ／秒の引張速度で引張試験を行い、破断後はガス急冷を行う。図３では、室温から１１００℃まで１０℃／時間で昇温し、１１００℃で５分保持した後、Ｔ２℃までを５℃／秒で降温し、Ｔ２℃で２分保持し、その後１５ｍｍ／秒の引張速度で引張試験を行い、破断後はガス急冷を行う。図２中のＴ１は７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃、１１００℃の５水準で行い、図３中のＴ２は７００℃、８００℃、９００℃、１０００℃の４水準で行った。

加熱温度が比較的高く引張速度が比較的遅い図２の条件は連続鋳造工程を想定しており、絞り値が２０％以下の場合は連続鋳造性工程において割れが発生する可能性が高いと判断し、絞り値が２０％より高い場合、連続鋳造工程における熱間延性に優れると判断した。

加熱温度が比較的低く引張速度が比較的速い図３の条件は分塊圧延工程および熱間圧延工程を想定しており、絞り値が７０％以下の場合は分塊圧延工程および熱間圧延工程において割れが発生する可能性が高いと判断し、絞り値が７０％より高い場合、分塊圧延工程および熱間圧延工程における熱間延性に優れると判断した。

上記連続鋳造工程における熱間延性と分塊圧延工程および熱間圧延工程における熱間延性の両方が優れる場合、熱間延性が優れ、製造工程において割れを生じることなく安定的に生産することができると判断した。

（２）磁気特性の評価
磁気特性の評価は次のようにして評価した。試料の円周方向と上記棒材の円周方向とが平行となるように、図４に示すような外形３８ｍｍ×内径３０ｍｍ×厚さ４ｍｍのリング状試料を採取し、これらに８５０℃−３時間の磁気焼鈍を施し磁化印加用コイルと磁束検出用コイルを巻き線した後、自動磁化測定装置（理研電子株式会社製直流磁気測定装置ＢＨＳ−４０ＣＤ）を用い、ＪＩＳＣ２５０４に則ってＨ−Ｂ曲線を測定し、保磁力および磁束密度を求めた。

磁気特性の評価は、ＪＩＳＣ２５０４で定めるＳＵＹ−０の直流磁気特性を満たす場合において磁気特性が優れると判断した。

（３）硬さ（ＨＶ）の測定
硬さの測定は、ビッカース硬度計を用いて、荷重１０ｋｇｆで前記棒材の横断面のＤ／４位置を４点測定し、その平均値を求めた。なお、Ｄは棒材の直径を意味する。

熱間延性の評価結果、磁気特性の評価結果及び硬さの測定結果を表２に示す。これらの結果から、次のように考察できる。

試料Ｎｏ．１〜５は、本発明で規定される要件を満足する例であり、連続鋳造工程を想定した引張試験でも分塊圧延工程および熱間圧延工程を想定した引張試験でも高い延性を示すとともに、優れた磁気特性を発揮しＳＵＹ−０の直流磁気特性をすべて満たしており、磁気特性と製造性を両立できている。更に、硬さはＨＶ１１０〜１９５の範囲であり部品成型性と強度も両立できている。

これに対し、試料Ｎｏ．６はＣ量が多くなっているので、保磁力および磁束密度がＳＵＹ−０を満足できない。

試料Ｎｏ．７はＳｉ量が少ないため、保磁力および磁束密度がＳＵＹ−０を満足できない。

試料Ｎｏ．８は、Ｓｉ量が過剰になっているので、材料の延性が低下し、熱間延性が悪くなっている。

試料Ｎｏ．９は、Ｍｎ量が過剰になっているため、磁気特性が低下し、保磁力がＳＵＹ−０を満足できない。

試料Ｎｏ．１０は、Ｐ量が過剰になっているため、熱間延性が悪くなっており、磁気特性においてもＳＵＹ−０を満足できない。

試料Ｎｏ．１１は、Ｓ量が過剰になっているため、ＦｅＳが生成し材料が脆化しており、熱間延性が悪くなっている。

試料Ｎｏ．１２はＡｌ量が過剰な例である。ＡｌＮが析出し、結晶粒を微細化するため保磁力がＳＵＹ−０を満足できない。

試料Ｎｏ．１３はＴｉとＣａどちらの元素も無添加の例である。脱硫が不十分で鋼中にＦｅＳが析出し、熱間延性が低下し絞りが悪くなっている。

試料Ｎｏ．１４、１５はそれぞれＴｉ添加量をＣａ添加量が過剰に添加されている例である。これらの元素が多すぎると磁気特性が劣化し、保磁力がＳＵＹ−０を満足できない。

Claims

質量％で、
Ｃ：０．００１〜０．０１％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％、
Ｍｎ：０．００５〜０．１％、
Ｐ：０．００１〜０．０３％、
Ｓ：０．００１〜０．０３％、
Ａｌ：０．００１〜０．１％、
Ｎ：０．００１〜０．０１％を含有すると共に、
さらにＴｉ：０．０１〜０．０５％及びＣａ：０．００１〜０．００５％の１種又は２種を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる軟磁性用線材又は棒鋼。
請求項１に記載の線材又は棒鋼から得られた軟磁性鋼部品。