JP6900889B2 - 無方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
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。
[2]残部のFeの一部に換えて、更に、Sn:0.005%〜0.10%、Sb:0.005%〜0.10%の少なくとも1種を含有する、[1]に記載の無方向性電磁鋼板。
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、渦電流損を低減させることが行われる。ここで、同一の含有量(質量%)で合金元素を添加することを考えた場合に、Siが、電気抵抗を上昇させやすく、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の含有量が4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。
以下では、まず、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の地鉄11について、詳細に説明する。
C(炭素)は、不可避的に含有される(すなわち、含有量が0%超となる)元素であるとともに、鉄損劣化を引き起こす元素である。Cの含有量が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の含有量を、0.0050%以下とする。Cの含有量は、好ましくは、0.0040%以下であり、更に好ましくは、0.0030%以下である。Cの含有量は、少なければ少ないほど良いが、Cの含有量を0.0005%よりも低減させようとすると、いたずらにコストアップを招くのみである。従って、Cの含有量は、好ましくは、0.0005%以上である。
Si(ケイ素)は、鋼の電気抵抗を上昇させて渦電流損を低減させ、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。高強度化は、モータの高速回転時の変形抑制及び疲労破壊抑制といった観点から重要である。かかる効果を十分に発揮させるためには、2.5%以上のSiを含有させることが必要である。一方、Siの含有量が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る(すなわち、冷間圧延性が低下する。)。従って、Siの含有量は、4.0%以下とする。Siの含有量は、好ましくは、2.8%以上3.9%以下であり、更に好ましくは、3.0%以上3.8%以下である。
Mn(マンガン)は、鋼の加工性を劣化させずに電気抵抗を上昇させることで渦電流損を低減し、鉄損を改善するために有効な元素である。また、Mnは、Siよりも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、高強度化に寄与できる元素である。かかる効果を十分に発揮させるためには、1.0%以上のMnを含有させることが必要である。一方、Mnの含有量が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の含有量は、3.3%以下とする。Mnの含有量は、好ましくは、1.2%以上3.0%以下であり、更に好ましくは、1.4%以上2.8%以下である。
P(リン)は、不可避的に含有される(すなわち、含有量が0%超となる)元素であるとともに、本実施形態の対象となる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。かかる加工性の劣化は、Pの含有量が0.030%を超えた場合に顕著となる。従って、Pの含有量は、0.030%以下とする。Pの含有量は、好ましくは、0.001%以上0.020%以下であり、更に好ましくは、0.001%以上0.010%以下である。
S(硫黄)は、不可避的に含有される元素であるとともに、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。しかしながら、本実施形態では、鋼中に存在する比較的粗大な介在物(すなわち、直径が1μm〜3μmの介在物)の中で、SiO2とMnSとの複合介在物の比率(個数割合)を40%以上とすることにより、Sの含有量が高くとも微細MnSの析出量を低減して、脱硫コストの低減が可能である。従って、コスト低減の観点から、Sの含有量は0.0010%以上とする。Sの含有量は、好ましくは、0.0015%以上であり、更に好ましくは、0.0020%以上である。一方、Sの含有量が0.0100%を超えると、鋼中におけるMnSの体積分率が多くなりすぎて、磁気特性が劣化する。そのため、Sの含有量は、0.0100%以下とする。Sの含有量は、好ましくは、0.0080%以下であり、更に好ましくは0.0060%以下である。
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で渦電流損を低減し、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ため、Alを積極的に含有させることはしない。Alの含有量が0.0030%を超える場合には、鋼中に微細な窒化物が析出して熱延板焼鈍工程や仕上焼鈍工程での結晶粒成長を阻害し、磁気特性を劣化させる。従って、Alの含有量は、0%超0.0030%以下とする。一方、Alの含有量を0.0001%よりも低減させようとすると、いたずらにコストアップを招くのみである。従って、Alの含有量は、好ましくは、0.0001%以上0.0025%以下であり、更に好ましくは、0.0003%以上0.0020%以下である。
N(窒素)は、不可避的に含有される(すなわち、含有量が0%超となる)元素であるとともに、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の含有量は、0.0040%以下とする必要がある。Nの含有量は、少なければ少ないほど良いが、Nの含有量を0.0001%よりも低減させようとすると、いたずらにコストアップを招くのみである。従って、Nの含有量は、0.0001%以上とすることが好ましい。Nの含有量は、好ましくは、0.0001%以上0.0030%以下であり、更に好ましくは、0.0003%以上0.0020%以下である。
Ti(チタン)は、上記MnやSiの原材料中に不可避的に含有される元素であり、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。そのため、従来、地鉄中のTi含有量を極力少なくするために、高純度化されたMnやSiの原材料を利用することが行われてきた。しかしながら、本発明者が検討を行った結果、以下で説明するSiO2とMnSの結合した複合介在物が存在する場合には、Tiが含有されていたとしても、焼鈍中の結晶粒の成長を阻害せずに、粒成長性を保持可能であることが明らかとなった。その原因はまだ明確ではないが、生成したTiN、TiC、Ti酸化物等の微小析出物がSiO2とMnSとの複合介在物と結合することで粗大化されて、より大きな析出物が生成されたためと考えられる。微小析出物と複合介在物とが結合した、より大きな析出物が生成されることで、原材料の過度の高純度化を図らなくともよくなる。その結果、本実施形態では、より高性能の無方向性電磁鋼板をより低コストで製造することが可能となる。
合金元素であるSiは、フェライト相促進元素(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、変態点を有しない成分系を実現して、地鉄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ことが求められる。
[Sb:0.005%〜0.10%]
Sn(スズ)及びSb(アンチモン)は、表面に偏析し焼鈍中の酸化や窒化を抑制することで、低い鉄損を確保するのに有用な任意添加元素である。従って、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、かかる効果を得るために、残部のFeの一部に換えて、Sn又はSbの少なくとも何れか一方を、任意添加元素として地鉄中に含有させてもよい。かかる効果を十分に発揮させるためには、Sn又はSbの含有量を、それぞれ0.005%以上とすることが好ましい。一方、Sn又はSbの含有量がそれぞれ0.10%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可能性がある。従って、Sn又はSbの含有量は、それぞれ0.10%以下とすることが好ましい。Sn又はSbを地鉄中に含有させる場合に、Sn又はSbの含有量は、より好ましくは、それぞれ0.01%以上0.05%以下である。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10において、地鉄11中には、直径1μm〜3μmの介在物が、1mm2あたり1〜100個存在する。直径が1μm〜3μmの範囲内である介在物は、無方向性電磁鋼板10の地鉄11中において、インヒビターとなりにくく、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10において、結晶粒成長性に与える悪影響は少ない。地鉄11中における、直径1μm〜3μmの介在物が、1mm2あたりに1つも存在しない場合には、結晶粒成長性を保持することが困難となるため、好ましくない。一方、地鉄11中における、直径1μm〜3μmの介在物が、1mm2あたり100個を超えて存在する場合には、介在物そのものの磁気特性に与える悪影響が顕著となるため、好ましくない。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10において、地鉄11中における直径1μm〜3μmの介在物の個数は、好ましくは、1mm2あたり5〜70個である。
すなわち、製品板(仕上焼鈍板)の圧延方向に平行な断面(L断面)において、公知の方法に則して、走査型電子顕微鏡(SEM)により形態観察と寸法測定を行い、SEMに付帯したエネルギー分散型X線分析装置(EDS)にて組成分析することで、地鉄11中に存在する介在物を評価することができる。
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における厚みt)は、渦電流損を低減させて鉄損を低減するために、0.50mm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0.50mm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。
無方向性電磁鋼板の磁気特性を向上させるためには、鉄損を低減することが重要であるが、かかる鉄損は、渦電流損とヒステリシス損とから構成されている。地鉄11の表面に絶縁被膜13を設けることで、鉄心として積層された電磁鋼板間の導通を抑制して鉄心の渦電流損を低減することが可能となり、無方向性電磁鋼板10の実用的な磁気特性を更に向上させることが可能となる。
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ものとなる。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。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板10の製造方法は、以下の製法方法に限定されるものではないが、図3を参照しながら、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、上記化学組成を有する鋼塊(スラブ)を製鋼工程で製造する(ステップS101)。ここで、転炉での一次精錬の後の二次精錬工程において、脱酸剤としてAlを使用せずに、Siを主体とした脱酸を実施し、その後、合金元素を添加して所定の組成に調整することが好ましい。脱酸剤として、Siを主に使用することにより、SiO2とMnSとが結合した複合介在物を、所望の個数割合で形成させることが可能となる。
次に、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、上記の化学組成を有する鋼塊(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、熱延板を得る(ステップS103)。ここで、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。また、熱間圧延後の熱延板の板厚についても、特に規定するものではないが、地鉄の最終板厚を考慮して、例えば、1.4mm〜3.5mm程度とすることが好ましい。なお、かかる熱間圧延工程は、鋼板の温度が700℃〜1050℃の範囲にあるうちに終了することが好ましい。なお、鋼塊の加熱温度は、より好ましくは、1050℃〜1250℃であり、熱間圧延の終了温度は、より好ましくは、750℃〜1000℃である。
上記熱間圧延の後には、熱延板焼鈍が実施される(ステップS105)。ここで、熱延板焼鈍の均熱条件については、特に規定するものではないが、例えば、連続焼鈍の場合には、熱延鋼板に対して、900℃〜1150℃で、10秒〜10分の均熱による焼鈍が好ましい。より好ましくは、950℃〜1100℃で10秒〜10分の均熱である。箱焼鈍の場合には、熱延鋼板に対して、700℃〜950℃で、30分〜24時間の均熱による焼鈍が好ましい。より好ましくは、750℃〜900℃で30分〜24時間の均熱である。なお、熱延板焼鈍工程を実施した場合と比較して磁気特性は劣ることとなるが、コスト削減のために、かかる熱延板焼鈍工程を省略しても良い。
上記熱延板焼鈍の後には、酸洗が実施される(ステップS107)。これにより、熱延板焼鈍により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。なお、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、冷間圧延が実施される(ステップS109)。かかる冷間圧延では、地鉄の最終板厚が0.10mm以上0.50mm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。
上記冷間圧延の後には、仕上焼鈍が実施される(ステップS111)。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、かかる仕上焼鈍は、連続焼鈍炉を使用する。ここで、仕上焼鈍条件については、特に規定するものではないが、例えば、均熱温度を、700℃〜1100℃とし、均熱時間を、1秒〜300秒とし、雰囲気を、H2の割合が10体積%〜100体積%であるH2及びN2の混合雰囲気(すなわち、H2+N2=100体積%)とし、雰囲気の露点を20℃以下とすることが好ましい。均熱温度は、より好ましくは、750℃〜1050℃であり、雰囲気中のH2の割合は、より好ましくは、15体積%〜90体積%であり、雰囲気の露点は、より好ましくは、10℃以下であり、更に好ましくは、0℃以下である。
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S113)。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。
まず、以下の表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製造した。ここで、製鋼工程において、試験番号1、8は、脱酸剤としてAlを使用し、脱酸後に合金を添加して組成を調整した。また、試験番号2、3、4、5、6、7、9、10、11、12、13、14、及び、15は、脱酸剤としてSiを使用し、脱酸後に合金を添加して組成の調整を行った。また、表1には、製鋼工程終了時におけるOの含有量をあわせて示した。ここで、表1に示した各化学組成について、CとSは、燃焼−赤外吸収法により測定したものであり、それ以外の元素は、スパーク放電発光分析法により測定したものである。
まず、以下の表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製造した。ここで、製鋼工程において、試験番号16、17は、脱酸剤としてSiを使用し、脱酸後に合金を添加して組成の調整を行った。また、表2には、製鋼工程終了時におけるOの含有量をあわせて示した。ここで、表2に示した各化学組成について、CとSは、燃焼−赤外吸収法により測定したものであり、それ以外の元素は、スパーク放電発光分析法により測定したものである。
下の表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製造した。ここで、製鋼工程において、試験番号20は、脱酸剤としてAlを使用し、脱酸後に合金を添加して組成を調整した。また、試験番号18、19は、脱酸剤としてSiを使用し、脱酸後に合金を添加して組成の調整を行った。また、表3には、製鋼工程終了時におけるOの含有量をあわせて示した。ここで、表3に示した各化学組成について、CとSは、燃焼−赤外吸収法により測定したものであり、それ以外の元素は、スパーク放電発光分析法により測定したものである。
11 地鉄
13 絶縁被膜
Claims (2)
- 質量%で、
C:0%超〜0.0050%以下
Si:2.5%〜4.0%
Mn:1.0%〜3.3%
P:0%超〜0.030%以下
S:0.0010%〜0.0100%以下
Sol.Al:0%超〜0.0030%以下
N:0%超〜0.0040%以下
Ti:0.0005%〜0.0100%
を含有し、
Si−0.5×Mn:2.0%以上
であり、残部が、Fe及び不純物からなり、
鋼中に、直径1μm〜3μmの介在物が、1mm2あたり1〜100個存在し、
前記直径1μm〜3μmの介在物のうち、SiO2とMnSとが結合した複合介在物の個数割合が、40%以上である、無方向性電磁鋼板。 - 残部のFeの一部に換えて、更に、
Sn:0.005%〜0.10%
Sb:0.005%〜0.10%
の少なくとも1種を含有する、請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
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