JP6593555B2 - 無方向性電磁鋼板及び無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2017年01月16日に、日本に出願された特願2017−005213号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
また、更なる冷間圧延性の向上のためには、冷間圧延性の低下を招く可能性のあるP、Sn、Sbの含有量を低減することが求められる。一方で、本発明者らは、Sn及びSbの含有量を低減すると、仕上焼鈍時の窒化が促進され、磁気特性が低下する可能性があるとの知見も得た。このような知見をもとに、本発明者が更なる検討を行った結果、Sn及びSbの含有量を低減した場合であっても、磁気特性の低下を招くことなく、冷間圧延性をより一層向上させることが可能な方法に想到し、本発明を完成するに至った。
上記知見に基づき完成された本発明の要旨は、以下の通りである。
無方向性電磁鋼板においては、先だって説明したように、鉄損を低減するために、一般的には、鋼中に合金元素を含有させて鋼板の電気抵抗を上げて、渦電流損を低減させる。ここで、同一の含有量(質量%)の合金元素を含有させることを考えた場合に、Siが、電気抵抗を上昇させやすいので、鉄損の低減に有効な元素である。しかしながら、本発明者らによる検討の結果、Si含有量が4.0質量%を超える場合には、無方向性電磁鋼板の冷間圧延性が著しく低下することが明らかとなった。
また、更なる冷間圧延性の向上のためには、冷間圧延性の低下を招く可能性のあるP、Sn、Sbの含有量を低減することが求められる。しかしながら、本発明者らは、Sn及びSbの含有量の低減は、仕上焼鈍時の窒化を促進して、磁気特性を低下させる可能性があるとの知見も得た。本発明者らが更なる検討を行った結果、仕上焼鈍時に鋼板の表層部分を適度に酸化させて窒化を抑制することにより、冷間圧延性をより一層向上させるためにSn及びSbの含有量を低減した場合であっても、磁気特性の低下を抑制できるとの知見を得た。
図1は、本発明の実施形態に係る無方向性電磁鋼板の構造を模式的に示した図であり、図2は、本発明の実施形態に係る無方向性電磁鋼板の地鉄の構造を模式的に示した図である。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の地鉄11は、化学組成が、質量%で、C:0%超、0.0050%以下、Si:3.0%〜4.0%、Mn:1.0%〜3.3%、P:0%超、0.030%未満、S:0%超、0.0050%以下、sol.Al:0%超、0.0040%以下、N:0%超、0.0040%以下、O:0.0110%〜0.0350%、Sn:0%〜0.050%、Sb:0%〜0.050%、Ti:0%超、0.0050%以下、を含有し、残部がFe及び不純物からなり、Sn+Sb:0.050%以下、Si−0.5×Mn≧2.0%を満足する。
C(炭素)は、不可避的に含有される元素であるとともに、鉄損劣化(鉄損の増加)を引き起こす元素である。C含有量が0.0050%を超える場合には、無方向性電磁鋼板において鉄損劣化が生じ、良好な磁気特性を得ることができない。従って、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、C含有量を、0.0050%以下とする。C含有量は、好ましくは0.0040%以下であり、より好ましくは0.0030%以下である。C含有量は、少なければ少ないほど好ましいが、Cは不可避的に含有される元素であり、下限を0%超とする。また、C含有量を0.0005%よりも低減させようとすると、大幅なコストアップとなる。従って、C含有量は、0.0005%以上としてもよい。
Si(ケイ素)は、鋼の電気抵抗を上昇させることによって、渦電流損を低減させ、高周波鉄損を改善する元素である。また、Siは、固溶強化能が大きいため、無方向性電磁鋼板の高強度化にも有効な元素である。無方向性電磁鋼板において、高強度化は、モータの高速回転時の変形抑制や疲労破壊抑制といった観点から必要である。このような効果を十分に発揮させるためには、Si含有量を3.0%以上とすることが必要である。Si含有量は、好ましくは3.1%以上、より好ましくは3.2%以上である。
一方、Si含有量が4.0%を超える場合には、加工性が著しく劣化し、冷間圧延を実施することが困難となったり、冷間圧延の途中で鋼板が破断したりする(すなわち、冷間圧延性が低下する)。従って、Si含有量は、4.0%以下とする。Si含有量は、好ましくは3.9%以下であり、より好ましくは、3.8%以下である。
Mn(マンガン)は、電気抵抗を上昇させることによって、渦電流損を低減し、高周波鉄損を改善する元素である。また、Mnは、Siより固溶強化能は小さいものの、加工性を劣化させることなく、無方向性電磁鋼板の高強度化に寄与できる元素である。このような効果を十分に発揮させるためには、Mn含有量を1.0%以上とすることが必要である。Mn含有量は、好ましくは1.2%以上、より好ましくは1.4%以上である。
一方、Mn含有量が3.3%を超える場合には、磁束密度の低下が顕著となる。従って、Mn含有量は、3.3%以下とする。Mn含有量は、好ましくは3.0%以下であり、より好ましくは、2.8%以下である。
P(リン)は、Si及びMnの含有量が多い高合金鋼において、著しく加工性を劣化させて冷間圧延を困難にする元素である。従って、P含有量は、0.030%未満とする。P含有量は、好ましくは0.020%以下であり、より好ましくは、0.010%以下である。
P含有量は、少なければ少ないほど良いが、Pは不可避的に含有される元素であり、下限を0%超とする。P含有量を0.001%未満にしようとすると、大幅なコストアップを招く。従って、下限を0.001%以上とすることが好ましい。より好ましくは0.002%以上である。
S(硫黄)は、MnSの微細析出物を形成することで鉄損を増加させ、無方向性電磁鋼板の磁気特性を劣化させる元素である。そのため、S含有量は、0.0050%以下とする必要がある。S含有量は、好ましくは0.0040%以下であり、より好ましくは0.0035%以下である。
S含有量は、少なければ少ないほど好ましいが、Sは不可避的に含有される元素であり、下限を0%超とする。また、S含有量を0.0001%よりも低減させようとすると、大幅なコストアップを招く。従って、S含有量は、好ましくは0.0001%以上である。
Al(アルミニウム)は、鋼中に固溶されると、無方向性電磁鋼板の電気抵抗を上昇させることによって渦電流損を低減し、高周波鉄損を改善する元素である。しかしながら、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、Alよりも加工性を劣化させずに電気抵抗を上昇させる元素であるMnを積極的に含有させる。そのため、Alを積極的に含有させる必要はない。また、sol.Al(酸可溶性Al)含有量が0.0040%を超えると、鋼中に微細な窒化物が析出して熱延板焼鈍や仕上焼鈍での結晶粒成長が阻害され、磁気特性が劣化する。従って、sol.Al含有量は、0.0040%以下とする。sol.Al含有量は、好ましくは0.0030%以下、より好ましくは0.0020%以下である。
一方、Alは不可避的に含有される元素であり、下限を0%超とする。また、sol.Al含有量を0.0001%よりも低減させようとすると、大幅なコストアップを招く。従って、sol.Al含有量は、好ましくは0.0001%以上である。
N(窒素)は、鋼中で微細な窒化物を形成して鉄損を増加させ、無方向性電磁鋼板の磁気特性を劣化させる元素である。そのため、N含有量は、0.0040%以下とする必要がある。N含有量は、好ましくは0.0030%以下であり、より好ましくは0.0020%以下である。
一方、Nは不可避的に含有される元素であり、下限を0%超とする。また、N含有量は、少なければ少ないほど良いが、N含有量を0.0001%よりも低減させようとすると、大幅なコストアップを招く。従って、N含有量は、好ましくは0.0001%以上である。より好ましくは、0.0003%以上である。
後述する範囲にSn含有量及びSb含有量を低減すると、仕上焼鈍時の鋼板表面の窒化が促進される。O(酸素)は、仕上焼鈍時の窒化を防止するために、仕上焼鈍時に鋼中に導入される元素である。仕上焼鈍時の窒化を防止するためには、O含有量が0.0110%以上となるように酸素を鋼中に導入する必要がある。O含有量は、好ましくは0.0115%以上であり、より好ましくは0.0120%以上である。
一方、O含有量が0.0350%を超える場合には、酸素の導入により形成される鋼板表層部分の酸化層が厚くなり、磁気特性が劣化するので好ましくない。従って、O含有量は、0.0350%以下とする。O含有量は、好ましくは0.0330%以下であり、より好ましくは0.0300%以下である。
[Sb:0%〜0.050%]
Sn、Sbは必ずしも含有する必要はないので、下限は0%である。
Sn(スズ)及びSb(アンチモン)は、鋼板の表面に偏析して焼鈍中の窒化を抑制することで、低い鉄損を確保するのに有用な元素である。従って、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、このような効果を得るために、Sn及びSbの少なくとも何れか一方を地鉄11中に含有させることが好ましい。
具体的には、Sn含有量は、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは0.010%以上である。また、Sb含有量は、好ましくは0.005%以上であり、より好ましくは、0.010%以上である。
一方、Sn及びSbの含有量がそれぞれ0.050%を超える場合には、地鉄の延性が低下して冷間圧延が困難となる。従って、含有させる場合でも、Sn及びSbの含有量は、それぞれ0.050%以下とすることが好ましい。Sn含有量は、より好ましくは0.040%以下であり、更に好ましくは0.030%以下である。また、Sb含有量は、より好ましくは0.040%以下であり、更に好ましくは0.030%以下である。
Sn及びSbは、前述のように、地鉄11中に多く含有させすぎると冷間圧延性の低下の原因となる元素である。特に、Sn及びSbの合計含有量が0.050%を超えると、冷間圧延性の低下が顕著となる。従って、Sn及びSbの合計含有量は、0.050%以下とする。Sn及びSbの合計含有量は、好ましくは0.040%以下であり、より好ましくは0.030%以下である。
Ti(チタン)は、SiやMnの原材料中に不可避的に含有される。Tiは、地鉄中のC、N、Oなどと結合してTiN、TiC、Ti酸化物などの微小析出物を形成し、焼鈍中の結晶粒の成長を阻害して磁気特性を劣化させる元素である。従って、Ti含有量は0.0050%以下とする。好ましくは0.0040%以下、より好ましくは0.0030%以下である。
一方、Tiは不可避的に含有される元素であり、下限は0%超とする。Ti含有量を0.0003%未満にしようとすると大幅なコストアップになるので、Ti含有量を0.0003%以上とすることが好ましい。より好ましくは。0.0005%以上である。
本実施形態に係る方向性電磁鋼板では、上記のように各元素の含有量を制御した上で、Si含有量とMn含有量とが所定の関係性を満足するように制御する。
Siは、フェライト相形成促進元素(いわゆる、フェライトフォーマー元素)である一方で、合金元素であるMnは、オーステナイト相形成促進元素(いわゆる、オーステナイトフォーマー元素)である。従って、Si及びMnそれぞれの含有量に応じて、無方向性電磁鋼板の金属組織は変化し、無方向性電磁鋼板は、変態点を有する成分系となったり、変態点を有しない成分系となったりする。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、地鉄11における平均結晶粒径を適度に大きくすることが求められており、変態点を有しない成分系とすることは、結晶粒径を大きくするための有効な手段となる。そのため、変態点を有しない成分系となるように、Si及びMnのそれぞれの含有量は、所定の関係性を満たす必要がある。
一方、Si−0.5×Mnの上限値は、特に規定するものではないが、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板のSi含有量及びMn含有量の範囲から、Si−0.5×Mnの値は、3.5%を超えることはあり得ない。従って、Si−0.5×Mnの上限値は、実質的には、3.5%となる。
続いて、図2を参照しながら、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の地鉄11における酸素の分布状況について、詳細に説明する。
先だって簡単に言及したように、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10が製造される際には、仕上焼鈍時に、鋼板の表層部分を適度に酸化させる処理が行われる。仕上焼鈍時の酸化処理は、焼鈍雰囲気の露点を制御することで行われるので、酸素原子は、地鉄11の表面から地鉄11の内部に向かって浸透していく。その結果、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の地鉄11の表層部分には、図2に模式的に示したように、酸素が濃化した状態にある表層酸化部11aが形成され、表層酸化部11a以外の部位である母材部11bと、表層酸化部11aとは、酸素の含有量(O含有量)が異なることとなる。
上記のような、鋼板(地鉄11)の表面及び裏面から深さ方向に向かって10μm位置までを除いた板厚中央部分のO含有量は、地鉄11のもととなる鋼塊中でのO含有量であるともいえる。
・Ot(質量%):鋼板の板厚方向全体での平均O含有量
・O10μm(質量%):鋼板(地鉄)の表面及び裏面から深さ方向に向かって10μm位置までのO含有量
・Ob(質量%):鋼板(地鉄)の表面及び裏面から深さ方向に向かって10μm位置までを除去した部分のO含有量
・t(μm):地鉄の厚み
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10における地鉄11の板厚(図1及び図2における厚みt)は、渦電流損を低減させて高周波鉄損を低減するために、0.40mm以下とすることが好ましい。一方、地鉄11の板厚tが0.10mm未満である場合には、板厚が薄いために焼鈍ラインの通板が困難となる可能性がある。従って、無方向性電磁鋼板10における地鉄11の板厚tは、0.10mm以上、0.40mm以下とすることが好ましい。無方向性電磁鋼板10における地鉄11の板厚tは、より好ましくは、0.15mm以上、0.35mm以下である。
続いて、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10が有していることが好ましい絶縁被膜13について、簡単に説明する。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10は、上記のような構造を有することで、優れた磁気特性を示す。ここで、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の示す各種の磁気特性は、JIS C2550に規定されたエプスタイン法や、JIS C2556に規定された単板磁気特性測定法(Single Sheet Tester:SST)に則して、測定することが可能である。
続いて、図3を参照しながら、以上説明したような本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の製造方法について、簡単に説明する。
図3は、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法の流れの一例を示した流れ図である。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、まず、質量%で、C:0%超、0.0050%以下、Si:3.0%〜4.0%、Mn:1.0%〜3.3%、P:0%超、0.030%未満、S:0%超、0.0050%以下、sol.Al:0%超、0.0040%以下、N:0%超、0.0040%以下、O:0.0100%未満、Sn:0%〜0.050%、Sb:0%〜0.050%、Ti:0%超、0.0050%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなり、Sn+Sb:0.050%以下、Si−0.5×Mn:2.0%以上である鋼塊(スラブ)を加熱し、加熱された鋼塊について熱間圧延を行って、熱延鋼板を得る(ステップS101)。熱間圧延に供する際の鋼塊の加熱温度については、特に規定するものではないが、例えば、1050℃〜1300℃とすることが好ましい。鋼塊の加熱温度は、より好ましくは、1050℃〜1250℃である。
上記熱間圧延の後には、熱延板焼鈍(熱延鋼板に対する焼鈍)が実施される(ステップS103)。連続焼鈍の場合には、熱延鋼板に対して、例えば、750℃〜1200℃で、10秒〜10分の均熱を含む焼鈍を実施する。また、箱焼鈍の場合、熱延鋼板に対して、例えば、650℃〜950℃で、30分〜24時間の均熱を含む焼鈍を実施する。
上記熱延板焼鈍工程の後には、酸洗が実施される(ステップS105)。これにより、熱延板焼鈍の際に鋼板の表面に形成された、酸化物を主体とするスケール層が除去される。熱延板焼鈍が箱焼鈍である場合、脱スケール性の観点から、酸洗工程は、熱延板焼鈍前に実施することが好ましい。
上記酸洗工程の後(熱延板焼鈍が箱焼鈍で実施される場合は、熱延板焼鈍工程の後となる場合もある。)には、熱延鋼板に対し、冷間圧延が実施される(ステップS107)。冷間圧延では、地鉄の最終板厚が0.10mm以上0.40mm以下となるような圧下率で、スケールの除去された酸洗板が圧延される。
上記冷間圧延工程の後には、冷間圧延工程によって得られた冷延鋼板に対し、仕上焼鈍が実施される(ステップS109)。この仕上焼鈍工程では、仕上焼鈍後に冷延鋼板の板厚方向全体における平均O含有量が0.0110質量%以上0.0350質量%以下となるように、仕上焼鈍条件が制御される。そのため、仕上焼鈍工程は、昇温過程、均熱過程、冷却過程を含むが、本実施係形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法の仕上焼鈍工程では、それぞれの過程について、制御する必要がある。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、仕上焼鈍の昇温過程を、急速加熱とする。昇温過程の加熱を急速に行うことにより、地鉄11において、磁気特性に有利な再結晶集合組織が形成される。仕上焼鈍の昇温過程を急速加熱とする場合、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、仕上焼鈍は、連続焼鈍で実施することが好ましい。上記の平均加熱速度は、例えば、ガス燃焼による加熱の場合には直接加熱やラジアントチューブを用いた間接加熱を用いたり、その他に通電加熱又は誘導加熱等といった公知の加熱方法を用いたりすることで、実現することが可能である。
上記仕上焼鈍の後には、必要に応じて、絶縁被膜の形成工程が実施される(ステップS111)。ここで、絶縁被膜の形成工程については、特に限定されるものではなく、上記のような公知の絶縁被膜処理液を用いて、公知の方法により処理液の塗布及び乾燥を行えばよい。
表1に示す組成を含有し、残部がFe及び不純物からなる鋼スラブを、1150℃に加熱した後、熱間圧延にて2.0mm厚に圧延した。続いて、熱延鋼板を連続焼鈍式の焼鈍炉で、均熱温度が1000℃で均熱時間が40秒の熱延板焼鈍を行った後、冷間圧延を行って0.25mm厚の冷延鋼板とした。この冷延鋼板に対し、均熱温度が1000℃で均熱時間が15秒の仕上焼鈍を行った。その後、更にリン酸金属塩を主体とし、アクリル樹脂のエマルジョンを含む溶液を鋼板の両面に塗布及び焼き付けし、複合絶縁被膜を形成することで無方向性電磁鋼板を製造した。
表2に示す組成を含有し、残部がFe及び不純物からなる鋼スラブを、1160℃に加熱した後、熱間圧延にて2.0mm厚に圧延した。続いて、熱延鋼板を均熱温度が1000℃、均熱時間が40秒となる条件で連続焼鈍式の焼鈍炉で熱延板焼鈍した後、冷間圧延を行って0.25mm厚の冷延鋼板を得た。その後、この冷延鋼板に対し、均熱温度が1000℃、均熱時間が15秒となる条件で仕上焼鈍を行った。その後、更にリン酸金属塩を主体とし、アクリル樹脂のエマルジョンを含む溶液を鋼板の両面に塗布及び焼き付けし、複合絶縁被膜を形成することで無方向性電磁鋼板を製造した。
表3に示す組成を含有し、残部がFe及び不純物からなる鋼スラブを、1150℃に加熱した後、熱間圧延にて2.0mm厚に圧延した。続いて、熱延鋼板を均熱温度が1000℃、均熱時間が40秒となる条件で連続焼鈍式の焼鈍炉で熱延板焼鈍した後、冷間圧延を行って0.25mm厚の冷延鋼板を得た。その後、この冷延鋼板に、均熱温度が800℃、均熱時間が15秒となる条件で仕上焼鈍を行った。その後、更にリン酸金属塩を主体とし、アクリル樹脂のエマルジョンを含む溶液を鋼板の両面に塗布及び焼き付けし、複合絶縁被膜を形成することで無方向性電磁鋼板を製造した。続いて、得られた鋼板に対し、750℃×2hrの歪取焼鈍を施した。
11 地鉄
11a 表層酸化部
11b 母材部
13 絶縁被膜
Claims (3)
- 化学組成が、質量%で、
C:0%超、0.0050%以下、
Si:3.0%〜4.0%、
Mn:1.0%〜3.3%、
P:0%超、0.030%未満、
S:0%超、0.0050%以下、
sol.Al:0%超、0.0040%以下、
N:0%超、0.0040%以下、
O:0.0110%〜0.0350%、
Sn:0%〜0.050%、
Sb:0%〜0.050%、
Ti:0%超、0.0050%以下、
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
Sn+Sb:0.050%以下、
Si−0.5×Mn:2.0%以上であり、
表面及び裏面から深さ方向に10μmの位置までの範囲である表層部分を除いた板厚中央部分のO含有量が、0.0100%未満である
ことを特徴とする無方向性電磁鋼板。 - 請求項1に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法であって、
化学組成が、質量%で、C:0%超、0.0050%以下、Si:3.0%〜4.0%、Mn:1.0%〜3.3%、P:0%超、0.030%未満、S:0%超、0.0050%以下、sol.Al:0%超、0.0040%以下、N:0%超、0.0040%以下、O:0.0100%未満、Sn:0%〜0.050%、Sb:0%〜0.050%、Ti:0%超、0.0050%以下を含有し、残部がFe及び不純物からなり、Sn+Sb:0.050%以下、Si−0.5×Mn:2.0%以上である鋼塊を、熱間圧延して熱延鋼板とする熱間圧延工程と、
前記熱延鋼板を焼鈍する熱延板焼鈍工程と、
前記熱延板焼鈍工程後の前記熱延鋼板を冷間圧延して冷延鋼板とする冷間圧延工程と、
前記冷延鋼板に対して仕上焼鈍を施す仕上焼鈍工程と、
を含み、
前記仕上焼鈍工程では、仕上焼鈍後に前記冷延鋼板の板厚方向全体における平均O含有量が0.0110質量%以上0.0350質量%以下となるように、仕上焼鈍条件が制御される、
ことを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。 - 前記仕上焼鈍工程では、昇温時及び均熱時の雰囲気の露点が−10℃〜40℃の範囲内となるように制御される
ことを特徴とする請求項2に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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