JP6870791B2 - 無方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
前記表層部が、質量%で、
Si:2.5〜7.0%、
Mn:0.50%以下、ならびに
P:0.010〜0.100%、Sn:0.001〜0.10%、およびSb:0.001〜0.10%からなる群より選択される1または2以上を含み、
残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
内層部が、質量%で、
Si:1.5〜5.0%、
Mn:0.01〜0.50%、ならびに
P:0.010〜0.100%、Sn:0.001〜0.10%、およびSb:0.001〜0.10%からなる群より選択される1または2以上を含み、
残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記無方向性電磁鋼板の板厚:tが0.01〜0.35mmであり、
前記tに対する前記表層部の合計厚さ:t1の比率として定義される複層比t1/tが0.10〜0.70であり、
前記表層部におけるSi含有量:[Si]1と、内層部におけるSi含有量:[Si]0との差([Si]1−[Si]0)として定義されるΔSiが1.0〜4.5質量%であり、かつ、
板厚中心位置(t/2)におけるMn含有量:[Mn]0と、前記無方向性電磁鋼板の表面から、深さ(1/10)tの位置までの領域における平均Mn含有量:[Mn]1との差([Mn]0−[Mn]1)として定義されるΔMnが0.01〜0.40質量%である、無方向性電磁鋼板。
図1は、本発明の一実施形態における無方向性電磁鋼板の構造を示す模式図である。また、図2は、無方向性電磁鋼板の板厚方向における、Si含有量プロファイルの例を示す模式図である。図2における縦軸は板厚方向の位置を示しており、0が無方向性電磁鋼板の一方の表面を、tが該無方向性電磁鋼板の他方の表面を、それぞれ表している。
まず、前記表層部と内層部の成分組成について説明する。なお、以下の説明において、各元素の含有量を表す「%」は、特に断らない限り「質量%」を表すものとする。
まず、前記表層部の成分組成について説明する。本発明においては、無方向性電磁鋼板の一方の面に設けられた第1の表層部と他方の面に設けられた第2の表層部の両者が、以下に述べる成分組成を有する。一般的には、第1の表層部の成分組成と第2の表層部の成分組成は同一とすればよいが、両者が異なっていてもよい。また、ここで表層部における元素の含有量とは、1つの表層部における当該元素の平均含有量を指すものとする。
Siは、鋼板の電気抵抗を高め、渦電流損を低減する作用を有する元素である。表層部のSi含有量([Si]1)が2.5%未満であると、効果的に渦電流損を低減することができない。そのため、表層部のSi含有量は2.5%以上、好ましくは3.0%以上、より好ましくは3.5%超とする。一方、表層部のSi含有量が7.0%を超えると、飽和磁化の低下により磁束密度が低下し、また、製造性が低下する。そのため、表層部のSi含有量は7.0%以下、好ましくは6.5%以下、より好ましくは6.0%以下とする。なお、上述したように、表層部におけるSi含有量が2.5〜7.0%であるとは、第1の表層部における平均Si含有量が2.5〜7.0%であり、かつ第2の表層部における平均Si含有量が2.5〜7.0%であることを意味する。第1の表層部におけるSi含有量と第2の表層部におけるSi含有量とは同じであっても、異なっていてもよい。他の元素についても同様である。
Mn含有量が0.50%を超えると磁歪の増加、透磁率の低下によって鉄損が増加することに加え、コストが増加する。そのため、Mn含有量は0.50%以下とする。一方、前記の観点からは、Mn含有量は低いほどよいため、Mn含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。
Pを添加することにより、集合組織が大きく改善し、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損を低下させることができる。Pを添加する場合、前記効果を得るためにP含有量を0.010%以上とする。一方、P含有量が0.100%を超えると効果が飽和することに加えて、製造性の低下を招く。そのため、P含有量は0.100%以下とする。
Pと同様に、Snを添加することにより、集合組織が大きく改善し、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損を低下させることができる。Snを添加する場合、前記効果を得るためにSn含有量を0.001%以上とする。一方、Sn含有量が0.10%を超えると効果が飽和することに加えて、製造性の低下およびコストの上昇を招く。そのため、Sn含有量は0.10%以下とする。
PおよびSnと同様に、Snを添加することにより、集合組織が大きく改善し、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損を低下させることができる。Sbを添加する場合、前記効果を得るためにSb含有量を0.001%以上とする。一方、Sb含有量が0.10%を超えると効果が飽和することに加えて、製造性の低下およびコストの上昇を招く。そのため、Sb含有量は0.10%以下とする。
Cは粒界強化元素であり、Cを含有させることで鋼板の伸びを向上させることができる。そのため、任意にCを含有することができる。しかし、Cを多量に含有すると、時効によって炭化物が析出し、鉄損の増加につながる。そのため、Cを含有する場合、C含有量を0.0090%以下とする。一方、C含有量の下限はとくに限定されず0%であってよい。しかし、Cの添加効果を高めるという観点からは、C含有量を0.0015%以上とすることが好ましい。
Sは、MnSなどの硫化物を形成し、粒成長を抑制する元素である。そのため、Sを添加することにより、1000℃以上といった高温での焼鈍における結晶粒の成長に起因する渦電流損の増加を抑制することができる。しかし、S含有量が0.0050%を超えると、SとMnとの反応により固溶Mnが減少し、板厚方向のMn分布にばらつきが生じるため、効率よく鉄損を低減することができなくなる可能性がある。そのため、Sを添加する場合、S含有量を0.0050%以下とする。一方、S含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。しかし、渦電流損をさらに低減するという観点からは、S含有量を0.0010%以上とすることが好ましい。
Alは、窒化物を形成し、粒成長を抑制する元素である。そのため、Alを添加することにより、1000℃以上といった高温での焼鈍における結晶粒の成長に起因する渦電流損の増加を抑制することができる。しかし、Al含有量が0.10%を超えると、窒化物が過剰に形成される結果、ヒステリシス損がかえって増加する。そのため、Alを添加する場合、Al含有量を0.10%以下とする。一方、Al含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。しかし、渦電流損をさらに低減するという観点からは、Al含有量を0.0030%以上とすることが好ましい。
Ti、Nb、V、およびZrは、窒化物や炭化物を形成し、粒成長を抑制する元素である。そのため、Ti、Nb、V、およびZrからなる群より選択される少なくとも1つを添加することにより、1000℃以上といった高温での焼鈍における結晶粒の成長に起因する渦電流損の増加を抑制することができる。しかし、これらの元素それぞれの含有量が0.030%を超えると、窒化物および/または炭化物が過剰に形成される結果、ヒステリシス損がかえって増加する。そのため、これらの元素を添加する場合、各元素の含有量を0.030%以下とする。一方、これらの元素の含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。しかし、渦電流損をさらに低減するという観点からは、添加する元素の含有量をそれぞれ0.0020%以上とすることが好ましい。
Si:2.5〜7.0%、
Mn:0.50%以下、ならびに
P:0.010〜0.100%、Sn:0.001〜0.10%、およびSb:0.001〜0.10%からなる群より選択される1または2以上、
C:0〜0.0090%、
S:0〜0.0050%、
Al:0〜0.10%、および
Ti、Nb、V、およびZrからなる群より選択される少なくとも1つ:それぞれ0〜0.030%
を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有することができる。
次に、内層部の成分組成について説明する。ここで内層部における元素の含有量とは、Si量の平均値の位置として決定した表層部と内層部の境界の板厚内部側における当該元素の平均含有量を指すものとする。
Siは、鋼板の電気抵抗を高め、渦電流損を低減する作用を有する元素である。内層部のSi含有量([Si]0)が1.5%未満であると、渦電流損が増加する。そのため、内層部のSi含有量は1.5%以上とする。一方、内層部のSi含有量が5.0%を超えると、無方向性電磁鋼板を用いて作製したモータコアの打ち抜き時にコアが割れるといった問題が生じる。そのため、内層部のSi含有量は5.0%以下、好ましくは4.0%以下とする。
Mnは、無方向性電磁鋼板の製造過程において熱間圧延時の赤熱脆性を抑制する効果を有する元素である。内層部のMn量は、浸珪処理した場合でも、スラブの段階での量とほぼ同じとなることから、前記効果を得るために、内層部のMn含有量を0.01%以上とする。一方、Mn含有量が0.50%を超えると磁歪の増加、透磁率の低下によって鉄損が増加することに加え、コストが増加する。そのため、Mn含有量は0.50%以下とする。
Pを添加することにより、集合組織が大きく改善し、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損を低下させることができる。Pを添加する場合、前記効果を得るためにP含有量を0.010%以上とする。一方、P含有量が0.100%を超えると効果が飽和することに加えて、製造性の低下を招く。そのため、P含有量は0.100%以下とする。内層部におけるP含有量は、表層部におけるP含有量と同じであってもよく、異なっていてもよい。
Pと同様に、Snを添加することにより、集合組織が大きく改善し、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損を低下させることができる。Snを添加する場合、前記効果を得るためにSn含有量を0.001%以上とする。一方、Sn含有量が0.10%を超えると効果が飽和することに加えて、製造性の低下およびコストの上昇を招く。そのため、Sn含有量は0.10%以下とする。内層部におけるSn含有量は、表層部におけるSn含有量と同じであってもよく、異なっていてもよい。
PおよびSnと同様に、Snを添加することにより、集合組織が大きく改善し、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損を低下させることができる。Sbを添加する場合、前記効果を得るためにSb含有量を0.001%以上とする。一方、Sb含有量が0.10%を超えると効果が飽和することに加えて、製造性の低下およびコストの上昇を招く。そのため、Sb含有量は0.10%以下とする。内層部におけるSb含有量は、表層部におけるSb含有量と同じであってもよく、異なっていてもよい。
Cは粒界強化元素であり、Cを含有させることで鋼板の伸びを向上させることができる。そのため、任意にCを含有することができる。しかし、Cを多量に含有すると、時効によって炭化物が析出し、鉄損の増加につながる。そのため、Cを含有する場合、C含有量を0.0090%以下とする。一方、C含有量の下限はとくに限定されず0%であってよい。しかし、Cの添加効果を高めるという観点からは、C含有量を0.0015%以上とすることが好ましい。
Sは、MnSなどの硫化物を形成し、粒成長を抑制する元素である。そのため、Sを添加することにより、1000℃以上といった高温での焼鈍における結晶粒の成長に起因する渦電流損の増加を抑制することができる。しかし、S含有量が0.0050%を超えると、SとMnとの反応により固溶Mnが減少し、板厚方向のMn分布にばらつきが生じるため、効率よく鉄損を低減することができなくなる可能性がある。そのため、Sを添加する場合、S含有量を0.0050%以下とする。一方、S含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。しかし、渦電流損をさらに低減するという観点からは、S含有量を0.0010%以上とすることが好ましい。
Alは、窒化物を形成し、粒成長を抑制する元素である。そのため、Alを添加することにより、1000℃以上といった高温での焼鈍における結晶粒の成長に起因する渦電流損の増加を抑制することができる。しかし、Al含有量が0.10%を超えると、窒化物が過剰に形成される結果、ヒステリシス損がかえって増加する。そのため、Alを添加する場合、Al含有量を0.10%以下とする。一方、Al含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。しかし、渦電流損をさらに低減するという観点からは、Al含有量を0.0030%以上とすることが好ましい。
Ti、Nb、V、およびZrは、窒化物や炭化物を形成し、粒成長を抑制する元素である。そのため、Ti、Nb、V、およびZrからなる群より選択される少なくとも1つを添加することにより、1000℃以上といった高温での焼鈍における結晶粒の成長に起因する渦電流損の増加を抑制することができる。しかし、これらの元素それぞれの含有量が0.030%を超えると、窒化物および/または炭化物が過剰に形成される結果、ヒステリシス損がかえって増加する。そのため、これらの元素を添加する場合、各元素の含有量を0.030%以下とする。一方、これらの元素の含有量の下限はとくに限定されず、0%であってよい。しかし、渦電流損をさらに低減するという観点からは、添加する元素の含有量をそれぞれ0.0020%以上とすることが好ましい。
Si:1.5〜5.0%、
Mn:0.01〜0.50%、ならびに
P:0.010〜0.100%、Sn:0.001〜0.10%、およびSb:0.001〜0.10%からなる群より選択される1または2以上、
C:0〜0.0090%、
S:0〜0.0050%、
Al:0〜0.10%、および
Ti、Nb、V、およびZrからなる群より選択される少なくとも1つ:それぞれ0〜0.030%
を含み、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有することができる。
t:0.01〜0.35mm
無方向性電磁鋼板の板厚:tが0.01mm未満であると、該無方向性電磁鋼板の製造における冷間圧延、焼鈍が困難となり、著しくコストアップする。そのため、tは0.01mm以上、好ましくは0.05mm以上とする。一方、tが0.35mmを超えると渦電流損が大きくなり、全鉄損が増加する。そのため、tは0.35mm以下、好ましくは0.30mm以下とする。
本発明では、表層部におけるSi含有量:[Si]1と、内層部におけるSi含有量:[Si]0との差([Si]1−[Si]0)として定義されるΔSiを1.0〜4.5質量%とする。以下、その理由について説明する。
本発明では、板厚中心位置(t/2)におけるMn含有量:[Mn]0と、前記無方向性電磁鋼板の表面から、深さ(1/10)tの位置までの領域における平均Mn含有量:[Mn]1との差([Mn]0−[Mn]1)として定義されるΔMnを0.01〜0.4質量%とする。ここで、[Mn]1は、無方向性電磁鋼板の板厚方向におけるMnの濃度分布を電子線マイクロアナライザ(EPMA)により求め、得られた濃度分布から算出する。以下、ΔMnを上記範囲とする理由について説明する。
無方向性電磁鋼板の板厚:tに対する前記表層部の合計厚さ:t1の比率(t1/t)(以下、「複層比」という場合がある)が磁気特性に与える影響について検討するために、0.05から0.8の間の様々な複層比を有する無方向性電磁鋼板を以下の手順で作製し、その磁気特性を評価した。ここで、「表層部の合計厚さ」とは、無方向性電磁鋼板の両側に設けられている表層部の厚さの和を指す。
偏析元素であるP、Sn、およびSbの少なくとも1つを適量添加し、無方向性電磁鋼板における{100}面を増加させるとともに{111}面を減少させることにより、該無方向性電磁鋼板の面内に磁化しやすくなる。そしてその結果、磁束密度が向上するとともにヒステリシス損がさらに低下する。したがって、磁気特性をさらに向上させるという観点からは、{111}面集積度に対する{100}面集積度の比{100}/{111}を0.55以上とすることが好ましい。また、前記{100}/{111}が過度に大きくなるとコアの加工性が低下するおそれがある。したがって、加工性向上の観点からは、{100}/{111}を0.90以下とすることが好ましい。なお、ここで{100}/{111}は、無方向性電磁鋼板の表面から板厚の1/4の深さの面における方位分布関数(ODF)のΦ2=45°断面における、{111}面集積度に対する{100}面集積度の比{100}/{111}と定義する。
本発明の無方向性電磁鋼板は、特に限定されることなく、任意の方法で製造することができる。以下、本願発明の無方向性電磁鋼板の製造方法の例について説明する。
本発明の一実施形態においては、浸珪拡散処理を用いて上記無方向性電磁鋼板を製造することができる。具体的には、まず、Si、Mn、ならびにP、Sn、およびSbからなる群より選択される1以上を含み、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板に対して、浸珪処理を施す。前記浸珪処理では、例えば、化学気相蒸着法(CVD法)により前記鋼板の表面にSiを堆積させる。前記CVD法による浸珪処理においては、四塩化ケイ素などのSi含有ガスをSi源として使用する。前記浸珪処理は、所定の浸珪処理温度で、所定の浸珪処理時間行う。なお、前記浸珪処理に供する鋼板は、板厚方向に略均一な成分組成を有する通常の鋼板であってよい。
また、他の製造方法としては、Si含有量およびMn含有量の異なる鋼素材をクラッドする方法が挙げられる。前記鋼素材の成分組成は、例えば、成分の異なる材料を転炉で吹練し、溶鋼を脱ガス処理することによって調整することができる。
得られた無方向性電磁鋼板をカーボンモールドに埋め込み、EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)を用いて板厚方向断面におけるSi含有量分布を測定した。鋼板の全板厚におけるSi含有量の平均値を算出し、前記平均値よりもSi濃度が高い部分を表層部、低い部分を内層部とした。得られた結果から、表層部における平均Si含有量:[Si]1および内層部におけるSi含有量:[Si]0を求めた。なお、内層部におけるSi含有量:[Si]0は、浸珪処理前のスラブにおけるSi含有量と同じであった。得られた[Si]1および[Si]0から、([Si]1−[Si]0)として定義されるΔSiを算出した。なお、EPMAを用いた測定においては、Si含有量が既知である浸珪処理前の鋼スラブにおける測定結果に基づいて、測定され強度からSi含有量を算出した。。
上記ΔSiの測定と同様の手順でEPMAを用いた測定を行い、板厚方向断面におけるMn含有量分布を求めた。得られた結果から以下の値を算出した。
・表層部における平均Mn含有量
・内層部における平均Mn含有量
・板厚中心位置(t/2)におけるMn含有量:[Mn]0
・鋼板表面から、深さ(1/10)tの位置までの領域における平均Mn含有量:[Mn]1
次いで、得られた無方向性電磁鋼板のそれぞれについて、磁気特性を測定した。前記測定は、JIS C 2550−1に準じて、25cmエプスタイン枠を用いて行った。前記磁気特性としては、1.0T、400Hzにおける鉄損:W10/400(W/kg)、1.0T、1kHzにおける鉄損:W10/1k(W/kg)、1.0T、2kHzにおける鉄損:W10/2k(W/kg)、および磁界の強さ5000A/mにおける磁束密度:B50を測定した。測定結果を表3に示した。
W10/400≦19−0.3/t−0.6[Si]…(1)
W10/1k≦55−0.4/t−2[Si]…(2)
W10/2k≦140−0.9/t−5[Si]…(3)
ここで、
t:板厚、
t1:表層部の合計厚さ
[Si]:全板厚における平均Si含有量
・上記(1)〜(3)式の表件を満たさない場合:不可(×)
・上記(1)、(2)式の条件を満たす場合:良(○)
・上記(1)〜(3)式の条件を満たす場合:優(◎)
また、得られた無方向性電磁鋼板の集合組織を調査するため、無方向性電磁鋼板の表面から板厚の1/4の深さの面における方位分布関数のΦ2=45°断面における、{111}面集積度に対する{100}面集積度の比{100}/{111}を測定した。具体的には、無方向性電磁鋼板の表面から板厚1/4まで化学研磨し、X線を用いて、ODF(結晶方位分布(Orientation Distribution Function)解析を行った。測定結果を表1に併記する。
10 内層部
20 表層部
Claims (3)
- 内層部と、前記内層部の両側に設けられた表層部からなる無方向性電磁鋼板であって、
前記表層部が、質量%で、
Si:2.5〜7.0%、
Mn:0.50%以下、ならびに
P:0.010〜0.100%、Sn:0.001〜0.10%、およびSb:0.001〜0.10%からなる群より選択される1または2以上を含み、
残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
内層部が、質量%で、
Si:1.5〜5.0%、
Mn:0.01〜0.50%、ならびに
P:0.010〜0.100%、Sn:0.001〜0.10%、およびSb:0.001〜0.10%からなる群より選択される1または2以上を含み、
残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
前記無方向性電磁鋼板の板厚:tが0.01〜0.35mmであり、
前記tに対する前記表層部の合計厚さ:t1の比率として定義される複層比t1/tが0.10〜0.70であり、
前記表層部におけるSi含有量:[Si]1と、内層部におけるSi含有量:[Si]0との差([Si]1−[Si]0)として定義されるΔSiが1.0〜4.5質量%であり、かつ、
板厚中心位置(t/2)におけるMn含有量:[Mn]0と、前記無方向性電磁鋼板の表面から、深さ(1/10)tの位置までの領域における平均Mn含有量:[Mn]1との差([Mn]0−[Mn]1)として定義されるΔMnが0.01〜0.40質量%である、無方向性電磁鋼板。 - 前記ΔMnが0.05〜0.40質量%である、請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
- さらに、前記無方向性電磁鋼板の表面から板厚の1/4の深さの面における方位分布関数のΦ2=45°断面において、{111}面集積度に対する{100}面集積度の比{100}/{111}が0.55〜0.90である集合組織を有する、請求項1または2に記載の無方向性電磁鋼板。
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