JP6480446B2 - 無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板、およびこれから製造された部品、並びに無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板、およびこれから製造された部品、並びに無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気技術アプリケーション用の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板、およびこのような電磁鋼片または電磁鋼板から製造された電気技術部品、並びに無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板の製造方法に関する。
無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板は、技術的用語では「NO電磁鋼片または電磁鋼板」もしくは英語圏においては「NGO電磁鋼片」(NGO=Non Grain Oriented)とも呼ばれ、回転する電気機器の鉄芯中の磁束を強めるために用いられる。このような鋼板の典型的な使用例は電気モーターや発電機である。
このような機械の効率を上げるには、最大限の回転速度や、最大限の作動中の部品それぞれの回転直径を得ることが目標とされる。このトレンドの結果、ここで問題となるタイプの電磁鋼片や電磁鋼板から製造される電気関連部品は、大きな機械的負荷を受け、現在入手可能なグレードのNO電磁鋼片では達成できない。
米国特許第5,084,112号は、降伏強度が少なくとも60kg−f/mm(約589MPa)であり、鉄と不可避的不純物とに加え、最大0.04%のC、2.0−4.0%未満のSi、最大2.0%のAl、最大0.2%のP、そして「Mn、Ni」の群のうち少なくとも一つの元素とを(重量%で)含み、MnとNiの含有量の合計が少なくとも0.3%で最大10%である鋼から製造される、NO電磁鋼片または電磁鋼板を開示している。
炭窒化物の形成から強度の増加を得るために、米国特許第5,084,112号により知られる鋼は、「Ti、V、Nb、Zr」の群のうち少なくとも一つの元素を含み、TiまたはVが存在する場合には、鋼の、Cの含有量%Cと不可避的なNの含有量%Nに対するTiの含有量%TiとVの含有量%Vは、[0.4×(%Ti+%V)]/[4×(%C+%N)]の条件を満足するよう、意図されている。当該鋼中のリンの存在も強度増加効果に寄与する。しかし、高いリンの含有量の存在は、粒界の脆化を惹起しうるため、注意が必要である。この深刻とされる問題に対処するために、追加的な0.001−0.007%のBの含有が提案されている。
米国特許第5,084,112号によると、このような組成の鋼がスラブへと鋳造されて、これらが次に加熱片へと熱間圧延され、これが任意でアニーリングされ、次に酸洗され、そして特定の最終的な厚さをもつ冷却片へと冷間圧延される。最後に、得られた冷却片は、少なくとも650℃、しかし900℃より低いアニーリング温度で、再結晶アニーリングされる。
鋼中に、有効量のTiとPさらにB、N、C、MnおよびNiが同時に存在している場合には、米国特許第5,084,112号により製造されたNO電磁鋼片または電磁鋼板は、少なくとも70.4kg−f/mm(688MPa)の降伏強度を有する。しかしそれと同時に、シート厚が0.5mm、1.5テスラの分極(polarization)、周波数50Hzの場合のヒステリシス損失P1.5は少なくとも6.94W/kgである。このような高いヒステリシス損失は現代の電気技術アプリケーションにおいて許容できない。さらに、多くのこのようなアプリケーションの場合に、高い周波数でのヒステリシス損失は非常に顕著となる。
よい電磁的特性をもつ高強度無方向性電磁鋼板の使用上信頼できる製造を可能にすることを意図した別の方法は特開2005−264315より知られている。この方法により製造された電磁鋼板は、最大50容量%のマルテンサイトを有する支配的なフェライト微細構造を有し、鉄と不可避的不純物とに加えて、最大0.0400%のC、0.2−6.5%のSi、0.05−10.0%のMn、最大0.30%のP、最大0.020%のS,最大15%のAl、最大0.0400%のNを(重量%で)含有し、さらに、析出物形成元素として、「Ni、Mo、Ti,Nb,CoそしてW」の群のうち一つか二つもしくはそれ以上の元素を、それぞれの場合において最大10.0重量%の量で含有する。加えて、Zr、Cr、B、Cu、Zn、MgそしてSnも同様に析出物形成元素としてそれぞれの場合において最大10重量%の量で鋼中に存在してもよい。前述の元素から形成された鋼中の析出物は、20/μmより高い個数密度および最大0.050μmの直径の、金属間化合物の形態をとるよう意図されている。この場合の鋼の組成は、Fe、Zr、そしてSiの析出物が多くの場合に二元構造をとるように、それぞれ選ばれている。
上述の従来技術に対して、本発明の目的は、強度が増加され、特により高い降伏強度を有し、同時に良好な磁気的特性、特に高い周波数での低いヒステリシス損失をもつNO電磁鋼片または電磁鋼板、そしてこのような鋼板または鋼片から製造された電気技術アプリケーション用の部品であって、部品を提供することである。加えて、このようなNO電磁鋼片または電磁鋼板の製造方法が提供されるべきである。
NO電磁鋼片または電磁鋼板に関しては、この目的は請求項1に記載の組成を有するNO電磁鋼片または電磁鋼板の発明により達成される。
よって、電気技術アプリケーション用の部品を提供する前述の目的を達成するための手段は、そのような部品が本発明にかかる電磁鋼片または電磁鋼板から製造されることである。
最後に、製造方法に関する前述の目的は、少なくとも請求項11に特定された作業ステップが、本発明の電磁鋼片または電磁鋼板の製造時に、順番に実施されることにより達成される。
本発明の好ましい改良が従属の請求項において規定され、本発明の一般的な概念とともに、以下に詳細に説明されている。
本発明の一形態による電気技術アプリケーション用の無方向性電磁鋼片または電磁鋼板は、したがって、2.0−4.5%のSi、0.03−0.3%のZrと、任意で最大2.0%のAl、特に最大1.5%のAl、最大1.0%のMn、最大0.01%のC、特に最大0.006%のC、特に好ましくは最大0.005%のC、最大0.01%のN、特に最大0.006%のN、最大0.01%のS、特に最大0.006%のS、最大0.015%のP、特に最大0.006%のPとを(重量%で)含有し、残りは鉄と不可避的不純物を含有する、鋼から製造される。
本発明にとって、Fe−Si−Zr三元析出物が電磁鋼片または電磁鋼板の微細構造中に存在することが決め手となる。これらは本発明において、析出硬化または粒子硬化により鋼の強度を増加させる。
Materials Science International Team、MSIT(登録商標),and,Du,Yong,Xiong,Wei、Zhang,Weiwei,Chen、Hailin,Sun、Weihua:Iron−Silicon−Zirconium.Effenburg,Gunter,Ilyenko,Svitlana(ed.).SpringerMaterials−The Landolt−Bornstein Database.Springer−Verlag Berlin Heidelberg,2009.DOI:10.1007/978−3−540−70890−2_29 Crystallographic and Thermodynamic Dataに記述されているように、鉄、ジルコニウムおよびケイ素の三元析出物は六つの異なる相で生じる。
より強度を増加させるには、関係するFe−Si−Zr析出物を空間的な程度においてできるだけ精密に形成することが好ましい。よって、本発明によると、これらの平均直径は100nmよりかなり小さいことが好ましい。このような小さいFe−Si−Zr析出物は、本発明の種類のNO電磁鋼片または電磁鋼板の強度を著しく増加させ、同時にモーター構造等のアプリケーションにとって重要である高い周波数帯における磁気的特性を殆んど害することがない。したがって、これらが小さいことによって、本発明において用いられるFe−Si−Zr析出物は、ブロッホ壁の動きをわずかに妨げるのみであり、したがって従来の、より強くない電磁鋼片または電磁鋼板と比較して、せいぜいヒステリシス損失P1.0とP1.5をわずかに増加させるに過ぎない。ブロッホ壁とは、異なる磁性をもつ磁区の間の遷移領域である。
本発明における無方向性の電磁鋼片は、SiとZrを、目的のFe−Si−Zr析出物が生じるように調節された量で含有する。これには、一方では少なくとも2.0重量%のSiが要求され、少なくとも1.6重量%、特に少なくとも2.4重量%のSiを含有すると、特に信頼できる運用条件の点で、望ましい分量と分布のFe−Si−Zr析出物が生じる。本発明のNO電磁鋼片または電磁鋼板の特性への悪影響を避けるために、Siの含有量は最大4.5重量%、至適には上限の3.5重量%、特に3.4重量%、を超えない含有量に制限される。
所望の三元Zr析出物を形成するために、0.03重量%の含有量が要求される。この効果が特に確実に発揮されるために、少なくとも0.07重量%のZr、特に0.08重量%のZrが、本発明における鋼に添加されてもよい。0.3重量%より多いZr含有量では、Zrの十分な含有量の存在による、顕著な特性の向上は見られなかった。本発明の電磁鋼片または電磁鋼板におけるZrの優位な効果は、この観点から、Zrの含有量が0.25重量%に制限されることで得られる。
本発明の電磁鋼片または電磁鋼板を構成する鋼は、その特性を調整するために公知の方法で添加される、さらなる合金元素を含有してもよい。これに適した元素の中で、特に本書に特定された全体量にAlとMnが含有される。
本発明は、強度増加のために炭化物、窒化物、炭窒化物に頼らなくてもよいので、本発明の電磁鋼板または電磁鋼片中のCとNの含有量は最小限とすることができる。これはCまたはNの含有量が高いために生じる、磁気の劣化のリスクを排除する。
本発明のこれらの含有量の結果、本発明の組成を有する電磁鋼片または電磁鋼板は、0.5mmの場合、1.0テスラの分極、周波数400Hzでのヒステリシス損失P1.0/400が最大65W/kgである。一方、0.35mmの厚さの場合は、1.0テスラの分極、周波数400Hzでの本発明による電磁鋼片もしくは電磁鋼板のヒステリシス損失P1.0/400が最大45W/kgである。同時に、本発明の組成を有する電磁鋼片または電磁鋼板は、従来の組成の強度増加措置の取られていない電磁鋼片または電磁鋼板と比較して、降伏強度が少なくとも20MPa増加する。この場合の強度は析出物の精密さに伴って増加する。さらに精密化された析出物によって100−200MPaの強度増加を実現できる。
本発明による方法は、本発明にかかる、無方向性電磁鋼片または電磁鋼板の運用上信頼できる製造を実現できるように考案された。
この目的のため、まず上述の組成を有する本発明の電磁鋼片または電磁鋼板を製造するための加熱片が提供され、次にそれが冷間圧延され、冷却片として、それが最終的にアニーリングされる。最終的にアニーリングされて得られた冷却片は、本発明の一形態の組成の電磁鋼片または電磁鋼板となり、その強度は微細構造中のFe−Si−Zr析出物の存在により、従来のNO電磁鋼片または電磁鋼板と比較して向上しており、したがって特に実用上高い動的負荷に晒される、電気部品やサブアセンブリの製造に適している。
本発明により提供される加熱片の製造は、最大限従来の方法で実施できる。このため、まず本発明により特定される組成(Si:2.0−4.5重量%、Zr:0.03−0.3重量%、Al:最大2.0重量%、Mn:最大1.0重量%、C:最大0.01重量%、N:最大0.01重量%、S:最大0.01重量%、P:最大0.015重量%、残部は鉄と不可避的不純物)の溶融された鋼は、予備材料、従来の製造方法においてはスラブや薄い板、へと鋳造され得る。本発明の析出物成型プロセスは、固化後にのみ生じるため、原理的には溶けた鋼を鋳片へと鋳造し、その後に加熱片へと熱間圧延してもよい。
この方法により製造された予備材料は、次に予備材料温度1020℃乃至1300℃まで加熱される。このためには、必要であれば、鋳造の熱を用いて再加熱または目的の温度に保つようにしてもよい。
この方法により加熱された予備材料は、次に厚さが一般的に1.5−4mm、特に2−3mmの加熱片へと熱間圧延される。この場合の熱間圧延工程は従来から知られたように最終圧延ラインにおいて初期熱間圧延温度の1000−1150℃から始まり、最終熱間圧延温度の700−920℃、特に780−850℃で終わる。
得られた加熱片は次にコイリング温度へと冷却され、コイルへと巻回される。この場合のコイリング温度は、次に行われる冷間圧延行程における問題を避けるため、この時点では強度増加粒子の析出物の析出が回避されるように理想的に選択される。実践では、このためのコイリング温度は、例えば最大700℃である。
選択的に、加熱片は加熱片アニーリングにかけられてもよい。
提供された加熱片は、典型的には0.15−1.1mm、特に0.2−0.65mmの範囲の厚さの冷却片へと冷間圧延される。
最後の最終的なアニーリングは、本発明の強度増加のために用いられるFe−Si−Zr粒子の形成へ決定的な影響を与える。これに関して、最終的なアニーリングのアニーリング条件を変化させることで、より高い強度やより低いヒステリシス損失を得るために、材料特性を自由に最適化することができる。
本発明の組成を有する冷却片を、最終アニーリングする行程から連続して行われる二段階アニーリングによって、降伏強度が350−500MPaの範囲であり、ヒステリシス損失P1.0/400が厚さ0.3mmの鋼片においては35W/kgよりも少なく、厚さ0.5mmの鋼片においては45W/kgよりも少ない、本発明の無方向性電磁鋼片または電磁鋼板が、特に実施上信頼できる方法で得られる。
第一段階では、冷却片はアニーリング温度900−1150℃で1−300秒アニーリングされる。次に、アニーリングの第二段階では冷却片は600−800℃で50−120秒保たれる。そして、前記冷却片は100℃より低い温度へと冷却される。上述の最終的なアニーリング行程を経ると、アニーリングの第一段階においてすでに存在した可能性のあるFe−Si−Zr析出物は溶解され、微細構造の完全な再結晶が得られる。さらなるアニーリング段階では、特に意図されるFe−Si−Zr粒子の析出が生じる。
さらに、得られた無方向性電磁鋼片または電磁鋼板は、最終的に従来のストレスリリーフアニーリングをしてもよい。最終処理装置による処理工程によっては、このストレスリリーフアニーリングは、すでにコイルの状態において本発明のNO電磁鋼片または電磁鋼板のメーカーによって行われているか、または最終処理装置により処理されたブランクがまず本発明の方法により製造された電磁鋼片または電磁鋼板から切り出された後にストレスリリーフアニーリングにかけられてもよい。
本発明は以下の実施形態において、さらに詳細に説明される。
図1は、以下の行程により製造された電磁鋼片または電磁鋼板の最終アニーリングの際の望ましい温度プロファイルを示す図である。
以下に説明された試験は、それぞれ実験室環境で行われた。まず、本発明の組成を有する二つの溶鋼Zr1とZr2と、二つの比較例の溶鋼Ref1とRef2とを溶融してインゴットへと鋳造した。Zr1、Zr2、Ref1、Ref2の組成は表1に与えられている。Zrの有効量がないことの例外を除いて、通常の許容される限度の組成の範囲において、合金元素は、比較溶鋼Ref1と本発明にかかる溶鋼Zr1と一致し、比較溶鋼Ref2のそれらは本発明の実施例の溶鋼Ref2と一致する。
前記インゴットは1250℃へと加熱され、初期圧延温度1020℃、最終圧延温度840℃で、厚さ2mmの加熱片へと圧延された。各加熱片は620℃のコイリング温度Tcoilへと冷却した。その後、コイル状態で一般的な冷却プロセスが行われた。
本発明に係るZr1、Zr2の鋼合金からなる試験片のいくつかと、比較溶鋼Ref1、Ref2の試験片とは、温度740℃で2時間加熱片アニーリングにかけられ、その後、それぞれ最終的な厚さ0.5mmまたは0.3mmの冷却片へと冷間圧延した。
一方で、本発明に係るZr1、Zr2の鋼合金からなる加熱片と、比較溶鋼Ref1、Ref2の加熱片の、さらなる試験片が、それぞれ加熱片アニーリングを行わずに、0.3mmまたは0.5mmの厚さの冷却片へと冷間圧延された。
それぞれの場合で、冷間圧延の後に最終アニーリングが行われ、ここでは各冷却試験片を始めに室温から昇温速度10K/sで105秒間アニーリング温度1090℃へと加熱する。次に、試験片を15秒間アニーリング温度で保ち、その後、冷却速度20K/sで700℃の中間温度へと冷却した。これらの試験片はこの中間温度で60秒間保たれた。その後に二段階冷却プロセスが行われ、ここでは試験片を、始めにゆっくり5℃/sで第二の中間的な温度580℃へと冷却し、この第二の中間温度へ到達した後に、早い冷却速度30℃/sで室温へと冷却する。
表2において、機械的、および磁気的特性が以下のように与えられている:加熱片アニーリングを行った、厚さ0.5mmの、本発明に係る溶鋼Zr1またはZr2からなる試験片と、比較溶鋼Ref1、Ref2の試験片の、上降伏点ReH、下降伏点ReL、引っ張り強さR、平均降伏強度Reと引っ張り強度Rmの比Re/Rm、一様伸びA、周波数50Hzで測定したヒステリシス損失P1.0(1.0Tの分極でのヒステリシス損失)、周波数50Hzで測定したヒステリシス損失P1.5(1.5Tの分極でのヒステリシス損失)、そして同じく50Hzの周波数で測定した分極J2500(磁界強度2500A/mでの分極)、同じく50Hzの周波数で測定した分極J5000(磁界強度5000A/m での分極)、加えて周波数400Hzと1kHzにおけるヒステリシス損失P1.0(1.0Tの分極でのヒステリシス損失)。
表3において、加熱片アニーリングを行っていない、厚さ0.5mmの、本発明に係る溶鋼Zr1またはZr2からなる試験片、および比較溶鋼Ref1、Ref2の試験片の、同様の情報が与えられている。
表4において、加熱片アニーリングを行った、厚さ0.3mmの、本発明に係る溶鋼Zr2からなる試験片、または比較溶鋼Ref2の試験片の対応する値が与えられており、表5において、加熱片アニーリングを行っていない、厚さ0.3mmの、本発明に係る溶鋼Zr2からなる試験片、または比較溶鋼Ref2の試験片の対応する値が与えられている。
本発明の組成と製造方法の試験片は、比較溶鋼と比べて下降伏点ReLがそれぞれ20−80MPa高いことがわかった。一方で、試験片のうち加熱片アニーリングを行ったものと行っていないもの間に大きな差はなかった。
周波数50Hzでは、本発明に係る鋼から製造した試験片は、比較溶鋼から製造した試験片に比べて、いくらかヒステリシス損失が高い。一方で、本発明の鋼が想定したアプリケーションにおいて特に重要な、400Hzと1kHzの、より高い周波数においては本発明の試験片と比較試験片のヒステリシス損失はほとんど変わらなかった。
結果として、本発明は、大幅な強度の増加と共に、優れた磁気的特性を有する電気機器用の電磁鋼板や電磁鋼片を、これを得るために提供が高価または製造が困難な合金元素や複雑な製造工程の実施なしに、提供するために用いることができる。
Figure 0006480446
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Claims (11)

  1. 電気技術アプリケーション用の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板であって、鉄と、不可避的不純物とに加えて、重量%で、
    Si:2.0−4.5%、
    Zr:0.03−0.3%、
    Al:最大2.0%、
    Mn:最大1.0%、
    C:最大0.01%、
    N:最大0.01%、
    S:最大0.01%
    P:最大0.006%
    のみから成る鋼から製造され、
    前記電磁鋼片もしくは電磁鋼板の微細構造に、Fe−Si−Zrの三元析出物が存在することを特徴とする、無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  2. Siの含有量が少なくとも2.5重量%であることを特徴とする、請求項1に記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  3. Siの含有量が最大3.5重量%であることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  4. Zrの含有量が少なくとも0.08重量%であることを特徴とする、請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  5. Zrの含有量が最大0.25%であることを特徴とする、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  6. Cの含有量が最大0.006%であることを特徴とする、請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  7. Nの含有量が最大0.006%であることを特徴とする、請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  8. Sの含有量が最大0.006%であることを特徴とする、請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  9. 1.0テスラの分極(polarization)、振動数400Hzでの、ヒステリシス損失P1.0/400が、0.5mmの厚さの電磁鋼片もしくは電磁鋼板においては最大65W/kgであり、0.3mmの厚さの場合は最大45W/kgであることを特徴とする、請求項1から請求項8までのいずれかに記載の無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板。
  10. 請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の形態の電磁鋼片または電磁鋼板から製造されたことを特徴とする、電気技術アプリケーション用の部品。
  11. 微細構造にFe−Si−Zrの三元析出物が存在する、無方向性の電磁鋼片または電磁鋼板の製造方法において、
    a)鉄と、不可避的不純物とに加えて、重量%で、
    Si:2.0−4.5%、
    Zr:0.03−0.3%、
    Al:最大2.0%、
    Mn:最大1.0%、
    C:最大0.01%、
    N:最大0.01%、
    S:最大0.01%
    P:最大0.006%
    のみから成る、加熱片を提供するステップと、
    b)前記加熱片を冷却片へと冷間圧延するステップと、
    c)前記冷却片を最終的にアニーリングするステップと、を含む
    ことを特徴とする方法。
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