JP7273945B2 - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、無方向性電磁鋼板およびその製造方法（ＮＯＮ－ＯＲＩＥＮＴＥＤ ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ ＳＴＥＥＬ ＳＨＥＥＴ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ）に関する。具体的には、鋼板にＰ、Ｃｒ、Ｍｇ元素を適正量添加し、Ｓｎ、Ｓｂを添加し、鋼板の内部に内部酸化層を形成して、絶縁特性、加工性および磁性に優れた無方向性電磁鋼板およびその製造方法に関する。
エネルギー節約、微細埃発生低減および温室ガス低減など地球環境改善のために電気エネルギーの効率的な使用が大きな問題となっている。現在発電される全体電気エネルギーの５０％以上が電動機で消費されているため、電気の効率的な使用のためには電動機の高効率化が必至である。最近、環境にやさしい自動車（ハイブリッド、プラグインハイブリッド、電気車、燃料電池車）分野が急激に発展するに伴って高効率駆動モータへの関心が高まっており、同時に、家電用高効率モータ、重電機用スーパープレミアムモータなど高効率化に対する認識および政府の規制が続いており、効率的な電気エネルギー使用のための要求が強まっている。
一方、モータの素材として用いられる電磁鋼板は、渦電流損失を低減するために薄い鋼板を複数枚に積み上げて製作し、この時、各鋼板は絶縁が維持されて電流が流れない状態にするため、塗布により電磁鋼板の表面に絶縁コーティングを行なっている。通常、絶縁コーティングは有機、無機複合物質で構成されている。この絶縁コーティングは、積層された上下鋼板間の絶縁を維持させて渦電流損失を低減させるため、厚く塗布して鋼板を完全絶縁させるとモータ効率がさらに向上するという利点がある。しかし、絶縁コーティング層の厚さが増加すると、占積率の低下でモータ効率が低下し、打抜時に粉塵等異物の形成により金型損傷が発生して生産性が低下する問題点があった。
したがって、絶縁コーティングを最小限に塗布してコーティング層の厚さを薄くしながらも絶縁性を確保する必要がある。従来、素地鋼板の内部に酸化層を形成する技術が一部提案されている。しかし、Ｐ、ＣｒおよびＭｇを適正量添加せず、目的の絶縁特性および磁性を十分に確保できず限界があった。
本発明の目的は、絶縁特性、加工性および磁性に優れた無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供することにある。具体的には、鋼板にＰ、Ｃｒ、Ｍｇ元素を適正量添加し、鋼板の内部に内部酸化層を形成して、絶縁特性、加工性に優れており、同時に、Ｓｎ、Ｓｂを添加して磁性に優れた無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供しようとするものである。
本発明による無方向性電磁鋼板は、重量％で、Ｓｉ：２．５～６．０％、Ａｌ：０．２～３．５％、Ｍｎ：０．２～４．５％、Ｃｒ：０．０１～０．２％、Ｐ：０．００５～０．０８％、Ｍｇ：０．０００５～０．０５％、並びに残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記式１を満足し、素地鋼板の内部に０．２～５μｍの厚さの内部酸化層が形成され、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上をさらに含む。
［式１］
－２．５≦［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００≦６．５
（式１中、［Ｐ］、［Ｃｒ］および［Ｍｇ］はそれぞれ、Ｐ、ＣｒおよびＭｇの含有量（重量％）を示す。）
［式１］
－２．５≦［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００≦６．５
（式１中、［Ｐ］、［Ｃｒ］および［Ｍｇ］はそれぞれ、Ｐ、ＣｒおよびＭｇの含有量（重量％）を示す。）
ＳｎおよびＳｂの合計量が０．００５～０．１重量％であることを特徴とする。
Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％を含むことを特徴とする。
内部酸化層は、素地鋼板の表面から素地鋼板の内部方向に５μｍ以下の範囲に形成されることを特徴とする。
内部酸化層は、Ｃｒ２Ｏ３またはＭｇＯのうちの１種以上の酸化物を含むことを特徴とする。
内部酸化層と素地鋼板との界面の平均粗さは１～５μｍであることを特徴とする。
素地鋼板の表面に接して、素地鋼板の内部方向に形成された表面酸化層をさらに含むことを特徴とする。
内部酸化層および表面酸化層は、酸素を０．０５重量％以上含むことを特徴とする。
内部酸化層の厚さが表面酸化層の厚さより厚いことを特徴とする。
無方向性電磁鋼板の比抵抗は４５μΩ・ｃｍ以上であることを特徴とする。
無方向性電磁鋼板は、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶのうちの１種以上をそれぞれ０．００４重量％以下でさらに含むことを特徴とする。
本発明による無方向性電磁鋼板の製造方法は、重量％で、Ｓｉ：２．５～６．０％、Ａｌ：０．２～３．５％、Ｍｎ：０．２～４．５％、Ｃｒ：０．０１～０．２％、Ｐ：０．００５～０．０８％、Ｍｇ：０．０００５～０．０５％、並びに残部はＦｅおよび不可避不純物を含み、式１を満足し、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上をさらに含むスラブを製造する段階、スラブを加熱する段階、スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、；熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、および冷延板を最終焼鈍する段階を含み、最終焼鈍する段階は、昇温速度１５℃／秒以上で昇温する急速昇温段階、一般昇温段階および均熱段階を含み、急速昇温段階は、露点温度－１０～６０℃で行われることを特徴とする。
スラブは、ＳｎおよびＳｂの合計量が０．００５～０．１重量％であることを特徴とする。
スラブは、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％を含むことを特徴とする。
急速昇温段階は、冷延板を４５０～６００℃まで昇温することを特徴とする。
一般昇温段階は、昇温速度が１～１５℃／秒であり、露点温度－５０～－２０℃で行われることを特徴とする。
均熱段階の均熱温度は８５０～１０５０℃であることを特徴とする。
本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板は、鋼板にＰ、Ｃｒ、Ｍｇ元素を適正量添加し、鋼板の内部に内部酸化層を形成して、絶縁特性、加工性および磁性に優れた無方向性電磁鋼板にできる。また、絶縁層の厚さを最小化することができる。これによって占積率が上昇し、無方向性電磁鋼板から製造されるモータの効率を改善できる。最終的に環境にやさしい自動車用モータ、高効率家電用モータ、スーパープレミアム級の電動機を製造することができる。同時に、無方向性電磁鋼板は、鋼板にＳｎ、Ｓｂ元素を添加して磁性を向上させることができる。
第１、第２および第３などの用語は、多様な部分、成分、領域、層および／またはセクションを説明するために使用される。これらの用語は、ある部分、成分、領域、層またはセクションを他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するために使用される。ここでの専門用語は、単に特定の実施例を言及するためのものである。単数形態は、言及がないないなら複数形態も含む。「含む」は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分の存在や付加を除外するものではない。
ある部分が他の部分の「上に」ある場合、これは、他の部分の上にあるか、その間に他の部分が伴っていてもよい。ある部分が他の部分の「真上に」ある場合、その間に他の部分は介在しない。特に言及しない限り、％は重量％であり、１ｐｐｍは０．０００１重量％である。本発明の一実施例において、追加の元素をさらに含む場合、追加の元素の追加量だけ、残部の鉄（Ｆｅ）を代替している。
以下、本発明の実施例を、実施できる程度に詳しく説明する。
本発明の一実施例では、無方向性電磁鋼板内の組成、特に主要添加成分であるＰ、Ｃｒ、Ｍｇの範囲を最適化し、鋼板の内部に内部酸化層を形成して、絶縁特性、加工性を改善する。同時に、Ｓｎ、Ｓｂを適正量添加することによって、磁性を改善する。本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板は、重量％で、Ｓｉ：２．５～６．０％、Ａｌ：０．２～３．５％、Ｍｎ：０．２～４．５％、Ｃｒ：０．０１～０．２％、Ｐ：０．００５～０．０８％、Ｍｇ：０．０００５～０．０５％、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上、並びに残部はＦｅおよび不可避不純物からなる。
まず、無方向性電磁鋼板の成分限定の理由から説明する。
Ｓｉ：２．５～６．０重量％
ケイ素（Ｓｉ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を低くする役割を果たし、過度に少なく添加される場合、高周波鉄損の改善効果が不十分になる。逆に、過度に多く添加される場合、材料の硬度が上昇して冷間圧延性が極度に悪化して生産性および打抜性が低下する。したがって、前述した範囲でＳｉを添加する。具体的には、Ｓｉは２．６～４．５重量％含むことができる。
ケイ素（Ｓｉ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を低くする役割を果たし、過度に少なく添加される場合、高周波鉄損の改善効果が不十分になる。逆に、過度に多く添加される場合、材料の硬度が上昇して冷間圧延性が極度に悪化して生産性および打抜性が低下する。したがって、前述した範囲でＳｉを添加する。具体的には、Ｓｉは２．６～４．５重量％含むことができる。
Ａｌ：０．２～３．５重量％
アルミニウム（Ａｌ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を低くする役割を果たし、過度に少なく添加されると、高周波鉄損の低減に効果がなく、窒化物が微細に形成されて磁性を低下させることがある。逆に、過度に多く添加されると、製鋼と連続鋳造などの全工程上に問題を生じて生産性を大きく低下させることがある。したがって、前述した範囲でＡｌを添加することができる。さらに具体的には、Ａｌを０．４～３．３重量％含むことができる。
アルミニウム（Ａｌ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を低くする役割を果たし、過度に少なく添加されると、高周波鉄損の低減に効果がなく、窒化物が微細に形成されて磁性を低下させることがある。逆に、過度に多く添加されると、製鋼と連続鋳造などの全工程上に問題を生じて生産性を大きく低下させることがある。したがって、前述した範囲でＡｌを添加することができる。さらに具体的には、Ａｌを０．４～３．３重量％含むことができる。
Ｍｎ：０．２～４．５重量％
マンガン（Ｍｎ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を改善し、硫化物を形成させる役割を果たし、過度に少なく添加されると、ＭｎＳが微細に析出して磁性を低下させることがある。逆に、過度に多く添加されると、磁性に不利な｛１１１｝集合組織の形成を助長して磁束密度が減少することがある。したがって、前述した範囲でＭｎを添加することができる。さらに具体的には、Ｍｎを０．３～３．５重量％含むことができる。
マンガン（Ｍｎ）は、材料の比抵抗を高めて鉄損を改善し、硫化物を形成させる役割を果たし、過度に少なく添加されると、ＭｎＳが微細に析出して磁性を低下させることがある。逆に、過度に多く添加されると、磁性に不利な｛１１１｝集合組織の形成を助長して磁束密度が減少することがある。したがって、前述した範囲でＭｎを添加することができる。さらに具体的には、Ｍｎを０．３～３．５重量％含むことができる。
比抵抗４５μΩ・ｃｍ以上
比抵抗は、１３．２５＋１１．３×（［Ｓｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｎ］／２）から計算された値である。この時、［Ｓｉ］、［Ａｌ］、［Ｍｎ］はそれぞれ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎの含有量（重量％）を示す。比抵抗が高いほど、鉄損を低くする役割を果たす。比抵抗が低すぎると、鉄損が劣位で高効率モータとしての使用は困難である。さらに具体的には、比抵抗は５０～８０μΩ・ｃｍであってもよい。
比抵抗は、１３．２５＋１１．３×（［Ｓｉ］＋［Ａｌ］＋［Ｍｎ］／２）から計算された値である。この時、［Ｓｉ］、［Ａｌ］、［Ｍｎ］はそれぞれ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎの含有量（重量％）を示す。比抵抗が高いほど、鉄損を低くする役割を果たす。比抵抗が低すぎると、鉄損が劣位で高効率モータとしての使用は困難である。さらに具体的には、比抵抗は５０～８０μΩ・ｃｍであってもよい。
Ｃｒ：０．０１～０．２重量％
クロム（Ｃｒ）は、耐食性元素として表面層に濃縮されて耐食性を向上させ、酸化層の生成を抑制する役割を果たす。Ｃｒが過度に少なく含まれると、酸化が急激に進んで内部酸化層の形成を制御しにくい。Ｃｒが過度に多く含まれると、逆に、酸化が抑制されて、内部酸化層が形成されにくくなる。さらに具体的には、Ｃｒを０．０１５～０．１５重量％含むことができる。
クロム（Ｃｒ）は、耐食性元素として表面層に濃縮されて耐食性を向上させ、酸化層の生成を抑制する役割を果たす。Ｃｒが過度に少なく含まれると、酸化が急激に進んで内部酸化層の形成を制御しにくい。Ｃｒが過度に多く含まれると、逆に、酸化が抑制されて、内部酸化層が形成されにくくなる。さらに具体的には、Ｃｒを０．０１５～０．１５重量％含むことができる。
Ｐ：０．００５～０．０８重量％
リン（Ｐ）は、表面に濃縮されて、内部酸化層の分率を制御する役割を果たす。Ｐの添加量が少なすぎると、均一な内部酸化層の形成が困難になる。Ｐの添加量が多すぎると、Ｓｉ系酸化物の融点が変動して、内部酸化層が急激に形成される。したがって、前述した範囲でＰの含有量を制御することができる。さらに具体的には、Ｐを０．００５～０．０７重量％含むことができる。
リン（Ｐ）は、表面に濃縮されて、内部酸化層の分率を制御する役割を果たす。Ｐの添加量が少なすぎると、均一な内部酸化層の形成が困難になる。Ｐの添加量が多すぎると、Ｓｉ系酸化物の融点が変動して、内部酸化層が急激に形成される。したがって、前述した範囲でＰの含有量を制御することができる。さらに具体的には、Ｐを０．００５～０．０７重量％含むことができる。
Ｍｇ：０．０００５～０．０５重量％
マグネシウム（Ｍｇ）は、酸化性雰囲気でＣｒ、Ｐの表面濃縮をはかる役割を果たす。Ｍｇが過度に少なく含まれる時、前述した役割を適切に果たすことができない。Ｍｇを過度に多く含むと、Ｃｒ、Ｐの過度な表面濃縮により内部酸化層が厚く形成されて磁性の劣化を生じる。したがって、前述した範囲でＭｇの含有量を制御することができる。さらに具体的には、Ｍｇを０．００１～０．０３重量％含むことができる。本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板は、下記の式１を満足する。
マグネシウム（Ｍｇ）は、酸化性雰囲気でＣｒ、Ｐの表面濃縮をはかる役割を果たす。Ｍｇが過度に少なく含まれる時、前述した役割を適切に果たすことができない。Ｍｇを過度に多く含むと、Ｃｒ、Ｐの過度な表面濃縮により内部酸化層が厚く形成されて磁性の劣化を生じる。したがって、前述した範囲でＭｇの含有量を制御することができる。さらに具体的には、Ｍｇを０．００１～０．０３重量％含むことができる。本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板は、下記の式１を満足する。
［式１］
－２．５≦［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００≦６．５
（式１中、［Ｐ］、［Ｃｒ］および［Ｍｇ］はそれぞれ、Ｐ、ＣｒおよびＭｇの含有量（重量％）を示す。）
［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００の値が－２．５未満では内部酸化層の形成がほとんど起こらず、これに対し、６．５を超える時、内部酸化層が過度に形成されて、適切な範囲内で制御される必要がある。さらに具体的には、［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００の値は－１．５～１．０になる。
－２．５≦［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００≦６．５
（式１中、［Ｐ］、［Ｃｒ］および［Ｍｇ］はそれぞれ、Ｐ、ＣｒおよびＭｇの含有量（重量％）を示す。）
［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００の値が－２．５未満では内部酸化層の形成がほとんど起こらず、これに対し、６．５を超える時、内部酸化層が過度に形成されて、適切な範囲内で制御される必要がある。さらに具体的には、［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００の値は－１．５～１．０になる。
Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上
スズ（Ｓｎ）は、鋼板の表面および結晶粒界に偏析して、焼鈍時の表面酸化を抑制し、集合組織を改善する役割を果たす。Ｓｎが過度に少なく添加されると、その効果が十分でないことがある。Ｓｎが過度に多く添加されると、結晶粒界に偏析して、靭性を低下させて磁性改善対比の生産性が低下するので、好ましくない。さらに具体的には、Ｓｎは０．０２～０．０７重量％含まれる。
アンチモン（Ｓｂ）は、鋼板の表面および結晶粒界に偏析して、焼鈍時の表面酸化を抑制し、集合組織を改善する役割を果たす。Ｓｂが過度に少なく添加されると、その効果がなく、０．０５％を超えると、結晶粒界に偏析して、材料の靭性を低下させて磁性改善対比の生産性が低下するので、好ましくない。さらに具体的には、Ｓｂは０．０１～０．０３重量％含まれる。ＳｎおよびＳｂは、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上が含まれる。つまり、Ｓｎが０．０１～０．０８重量％含まれるか、Ｓｂが０．００５～０．０５重量％含まれるか、Ｓｎが０．０１～０．０８重量％およびＳｂが０．００５～０．０５重量％同時に含まれてもよい。Ｓｎが０．０１～０．０８重量％およびＳｂが０．００５～０．０５重量％同時に含まれる方が、磁性の面で最も優れている。ＳｎおよびＳｂの合計量は０．００５～０．１重量％であってもよい。前述した範囲で酸化層の形成および磁性の改善が最も効果的であるからである。ＳｎとＳｂとの合計量が少なすぎる場合、磁性の改善効果が十分でないことがある。ＳｎとＳｂとの合計量が多すぎると、酸化層の厚さが薄くなって、絶縁特性が劣化し、微細な介在物が形成されて磁性が劣化する。さらに具体的には、ＳｎおよびＳｂの合計量は０．０１５～０．０９重量％がよい。
スズ（Ｓｎ）は、鋼板の表面および結晶粒界に偏析して、焼鈍時の表面酸化を抑制し、集合組織を改善する役割を果たす。Ｓｎが過度に少なく添加されると、その効果が十分でないことがある。Ｓｎが過度に多く添加されると、結晶粒界に偏析して、靭性を低下させて磁性改善対比の生産性が低下するので、好ましくない。さらに具体的には、Ｓｎは０．０２～０．０７重量％含まれる。
アンチモン（Ｓｂ）は、鋼板の表面および結晶粒界に偏析して、焼鈍時の表面酸化を抑制し、集合組織を改善する役割を果たす。Ｓｂが過度に少なく添加されると、その効果がなく、０．０５％を超えると、結晶粒界に偏析して、材料の靭性を低下させて磁性改善対比の生産性が低下するので、好ましくない。さらに具体的には、Ｓｂは０．０１～０．０３重量％含まれる。ＳｎおよびＳｂは、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上が含まれる。つまり、Ｓｎが０．０１～０．０８重量％含まれるか、Ｓｂが０．００５～０．０５重量％含まれるか、Ｓｎが０．０１～０．０８重量％およびＳｂが０．００５～０．０５重量％同時に含まれてもよい。Ｓｎが０．０１～０．０８重量％およびＳｂが０．００５～０．０５重量％同時に含まれる方が、磁性の面で最も優れている。ＳｎおよびＳｂの合計量は０．００５～０．１重量％であってもよい。前述した範囲で酸化層の形成および磁性の改善が最も効果的であるからである。ＳｎとＳｂとの合計量が少なすぎる場合、磁性の改善効果が十分でないことがある。ＳｎとＳｂとの合計量が多すぎると、酸化層の厚さが薄くなって、絶縁特性が劣化し、微細な介在物が形成されて磁性が劣化する。さらに具体的には、ＳｎおよびＳｂの合計量は０．０１５～０．０９重量％がよい。
その他の不純物
前述した元素以外にも、炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）などの不可避に混入される不純物が含まれる。
Ｎは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと結合して窒化物を形成し、結晶粒成長性を低下させる役割を果たす。Ｃは、Ｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどと反応して微細な炭化物を作って結晶粒成長性および磁区移動を妨げる役割を果たす。Ｓは、硫化物を形成して結晶粒成長性を劣化させる。このように不純物元素をさらに含む場合、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶのうちの１種以上をそれぞれ０．００４重量％以下で含むことができる。
前述した元素以外にも、炭素（Ｃ）、硫黄（Ｓ）、窒素（Ｎ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）などの不可避に混入される不純物が含まれる。
Ｎは、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖと結合して窒化物を形成し、結晶粒成長性を低下させる役割を果たす。Ｃは、Ｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖなどと反応して微細な炭化物を作って結晶粒成長性および磁区移動を妨げる役割を果たす。Ｓは、硫化物を形成して結晶粒成長性を劣化させる。このように不純物元素をさらに含む場合、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶのうちの１種以上をそれぞれ０．００４重量％以下で含むことができる。
本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板は、内部に内部酸化層を形成して、絶縁特性、加工性および磁性が同時に優れた効果を得ることができる。図１を参照して、本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板の構造を説明する。図１の無方向性電磁鋼板は単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるものではない。したがって、無方向性電磁鋼板の構造を多様に変形することができる。
図１に示すように、本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板１００は、素地鋼板１０の内部に内部酸化層１１が形成される。このように内部酸化層１１が形成されることによって、絶縁層２０を薄く形成しても、適切な絶縁特性を確保することができる。内部酸化層１１は、素地鋼板１０の内部に形成される。素地鋼板１０の外部に形成される絶縁層２０とは区分される。具体的には、内部酸化層１１は、素地鋼板１０の表面から素地鋼板１０の内部方向に５μｍ以下の範囲に形成される。素地鋼板１０の内部方向に５μｍ以下の範囲は図１にｇで表示されている。つまり、素地鋼板１０の表面から内部酸化層１１の最内面までの距離が５μｍ以下であってもよい。内部酸化層１１が過度に素地鋼板１０の内側に形成されると、つまり、図１のｇが大きすぎると、目的の絶縁特性を得ることができず、むしろ磁性特性が劣化する問題が発生する。図１のｇの最小値は内部酸化層１１の厚さになり、図１のｇが内部酸化層１１の厚さｄ１に等しい場合、内部酸化層１１が鋼板の表面に接して形成されることを意味する。
内部酸化層１１の厚さｄ１は０．２～５μｍであってもよい。内部酸化層１１の厚さｄ１が薄すぎると、目的の絶縁特性を適切に確保できなくなる。内部酸化層１１の厚さｄ１が厚すぎると、鋼板の磁性が劣化する問題が発生する。さらに具体的には、内部酸化層１１の厚さは１～３μｍであってもよい。
内部酸化層１１は、素地鋼板１０と合金成分が同一であるが、酸素を０．０５重量％以上含むという点から、酸素を極微量含む素地鋼板１０とは区別される。前述のように、素地鋼板１０は、Ｃｒ、Ｍｇを含むため、内部酸化層１１における酸素およびＣｒ、Ｍｇが反応して、Ｃｒ２Ｏ３またはＭｇＯのうちの１種以上の酸化物を形成することができる。さらに具体的には、内部酸化層１１は、酸素を０．１重量％以上含むことができる。
図１では、内部酸化層１１と素地鋼板１０との界面が平らに表されているが、実質的には、図２のように非常に粗く形成される。これは、製造過程で素地鋼板１０の内部に酸素が急激に流入し、基地鉄が酸化しながら生成されるからであり、粗く形成された方が、絶縁において有利である。さらに具体的には、内部酸化層１１と素地鋼板１０との界面の平均粗さは１～５μｍであってもよい。この時、界面は、内部酸化層１１の上面および下面をすべて意味する。このように内部酸化層１１の表面に粗さが存在しているため、本発明の一実施例において、内部酸化層１１の厚さｄ１は、測定位置によって異なり、内部酸化層１１の厚さｄ１とは、鋼板全体に対する平均厚さを意味するのである。
図１に示すように、本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板１００は、素地鋼板１０の表面に接して、素地鋼板１０の内部方向に形成された表面酸化層１２をさらに含んでもよい。表面酸化層１２は、素地鋼板１０と合金成分が同一であるが、酸素を０．０５重量％以上含むという点から、素地鋼板１０と区別される。また、表面酸化層１２は、内部酸化層１１よりも素地鋼板１０の表面側に形成されるという点から、内部酸化層１１とも区別される。表面酸化層１２は、素地鋼板１０の表面に接して非常に薄く形成され、内部酸化層１１の厚さｄ１が表面酸化層１２の厚さｄ２より厚い。内部酸化層１１の厚さｄ１が厚く形成されてこそ、適切な絶縁特性および磁性を確保することができる。さらに具体的には、内部酸化層１１が表面酸化層１２の厚さｄ２の２倍以上厚い。
図１に示すように、内部酸化層１１と表面酸化層１２との間に間隙が形成される。さらに具体的には、その間隙ｇ－ｄ１－ｄ２は０．５～３μｍであってもよい。内部酸化層１１と表面酸化層１２との間に適切な間隙が形成されてこそ、絶縁特性および磁性をさらに確保することができる。間隙が形成された場合、図１に示されるように、素地鋼板１０、内部酸化層１１、素地鋼板１０、表面酸化層１２の順に層が形成される。このような間隙は、酸化性の高いＣｒ、Ｐ、Ｍｇが表面付近の特定部位に濃縮されるために形成される。
図１に示すように、素地鋼板１０上には絶縁層２０がさらに形成される。絶縁層２０は、素地鋼板１０の表面上、つまり、素地鋼板１０の外部に形成されるものであって、前述した内部酸化層１１および表面酸化層１２とは区別される。本発明の一実施例において、内部酸化層１１が適切に形成されたため、絶縁層２０の厚さを薄く形成しても十分な絶縁性を確保することができる。絶縁層２０の厚さを薄く形成して、占積率が増加し、打抜時に金型の損傷が低減される。具体的には、絶縁層２０の厚さは０．７～１．０μｍになる。絶縁層２０については無方向性電磁鋼板技術分野にて広く知られているので、詳しい説明は省略する。
本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板は、上述のように、絶縁特性および磁性を同時に確保することができる。絶縁特性は、絶縁層２０の厚さ１μｍを基準として、５．０Ωｃｍ２以上になる。具体的には、６．０Ωｃｍ２以上になる。また、５０００Ａ／ｍの磁場で誘導される磁束密度Ｂ５０は１．６４Ｔ以上になる。さらに具体的には、磁束密度Ｂ５０は１．６５Ｔ以上になる。０．２５ｍｍの厚さを基準として、４００Ｈｚの周波数で１．０Ｔの磁束密度を誘起した時の鉄損Ｗ１０／４００は１５．０Ｗ／ｋｇ以下であってもよい。さらに具体的には、鉄損Ｗ１０／４００は１４．７Ｗ／ｋｇ以下であってもよい。
本発明の一実施例による無方向性電磁鋼板の製造方法は、重量％で、Ｓｉ：２．５～６．０％、Ａｌ：０．２～３．５％、Ｍｎ：０．２～４．５％、Ｃｒ：０．０１～０．２％、Ｐ：０．００５～０．０８％、Ｍｇ：０．０００５～０．０５％、並びに残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、式１を満足し、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％のうちの１種以上をさらに含むスラブを製造する段階；スラブを加熱する段階；スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階；熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、および冷延板を最終焼鈍する段階を含む。
以下、各段階別に具体的に説明する。
まず、スラブを製造する。スラブ内の各組成の添加比率を限定した理由は前述した無方向性電磁鋼板の組成の限定理由と同一であるので、繰り返しの説明を省略する。後述する熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、最終焼鈍などの製造過程でスラブの組成は実質的に変動しないので、スラブの組成と無方向性電磁鋼板の組成とが実質的に同一である。次に、スラブを加熱する。具体的には、スラブを加熱炉に装入して１１００～１２５０℃に加熱する。１２５０℃を超える温度で加熱する時、析出物が再溶解して、熱間圧延後に微細に析出する。
まず、スラブを製造する。スラブ内の各組成の添加比率を限定した理由は前述した無方向性電磁鋼板の組成の限定理由と同一であるので、繰り返しの説明を省略する。後述する熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延、最終焼鈍などの製造過程でスラブの組成は実質的に変動しないので、スラブの組成と無方向性電磁鋼板の組成とが実質的に同一である。次に、スラブを加熱する。具体的には、スラブを加熱炉に装入して１１００～１２５０℃に加熱する。１２５０℃を超える温度で加熱する時、析出物が再溶解して、熱間圧延後に微細に析出する。
加熱されたスラブは、２～２．３ｍｍに熱間圧延して熱延板に製造される。熱延板を製造する段階で、仕上げ圧延温度は８００～１０００℃であってもよい。熱延板を製造する段階の後、熱延板を熱延板焼鈍する段階をさらに含んでもよい。この時、熱延板の焼鈍温度は８５０～１１５０℃であってもよい。熱延板の焼鈍温度が８５０℃未満であれば、組織が成長しなかったり微細に成長して磁束密度の上昇効果が少なく、焼鈍温度が１１５０℃を超えると、磁気特性がむしろ低下し、板形状の変形によって圧延作業性が悪くなる。さらに具体的には、温度範囲は９５０～１１２５℃であってもよい。さらに具体的には、熱延板の焼鈍温度は９００～１１００℃である。熱延板焼鈍は、必要に応じて磁性に有利な方位を増加させるために行われるものであり、省略も可能である。
次に、熱延板を酸洗し、所定の板厚さとなるように冷間圧延する。熱延板の厚さに応じて異なって適用可能であるが、７０～９５％の圧下率を適用して、最終厚さが０．２～０．６５ｍｍとなるように冷間圧延することができる。最終冷間圧延された冷延板は、最終焼鈍を実施する。この時、適切な内部酸化層形成のために、最終焼鈍する段階は、急速昇温段階、一般昇温段階および均熱段階を含む。急速昇温段階は、冷延板を１５℃／秒以上の高い加熱速度で昇温する段階である。昇温速度が十分でなければ、内部酸化層が適切に形成できない。さらに具体的には、急速昇温段階は、冷延板を１５℃／秒～３０℃／秒の速度で昇温することができる。
急速昇温段階は、露点温度－１０～６０℃で行われる。このような酸化性雰囲気により内部酸化層が適切に形成できる。露点温度が低すぎると、内部酸化層が形成されにくい。逆に、露点温度が高すぎると、内部酸化層が過度に厚く形成されて、磁性に劣り、打抜時に粉塵などが発生して、生産性に劣る。急速昇温段階は、冷延板を４５０～６００℃まで昇温する段階を意味する。
次に、一般昇温段階は、急速昇温した冷延板を均熱温度まで昇温させる段階である。具体的には、一般昇温段階の開始温度は４５０～６００℃であり、終了温度は８５０～１０５０℃である。前述した急速昇温段階で内部酸化層が適切に形成されたため、一般昇温段階では、昇温速度を高めたり、雰囲気を酸化性雰囲気に制御する必要がない。具体的には、一般昇温段階は、昇温速度が１～１５℃／秒であり、露点温度－５０～－２０℃で行われる。
次に、均熱段階は、８５０～１０５０℃の均熱温度で３０秒～３分間焼鈍することができる。均熱温度が高すぎると、結晶粒の急激な成長が発生して磁束密度と高周波鉄損が低下する。さらに具体的には、９００～１０００℃の均熱温度で最終焼鈍することができる。最終焼鈍過程で、前の段階の冷間圧延段階で形成された加工組織がすべて（つまり、９９％以上）再結晶される。
以後、絶縁層を形成する段階をさらに含んでもよい。厚さを薄く形成することを除けば、一般的な方法を用いて絶縁層を形成することができる。絶縁層の形成方法については無方向性電磁鋼板技術分野にて広く知られているので、詳しい説明は省略する。
以下、本発明の好ましい実施例および比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例に過ぎず、本発明が下記の実施例に限定されるものではない。
実施例１
表１のように組成されるスラブを製造した。表１に記載の成分以外の、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉなどはすべて０．００３重量％に制御した。スラブを１１５０℃に加熱し、８５０℃で熱間仕上げ圧延して板厚さ２．０ｍｍの熱延板を製作した。熱間圧延された熱延板は１１００℃で４分間焼鈍した後、酸洗した。その後、冷間圧延して板厚さを０．２５ｍｍにした後、最終焼鈍を実施した。５００℃までの急速昇温段階の昇温速度および露点条件を表２にまとめた。以後、１０００℃まで昇温し、１０００℃で４５秒間維持した。以後、１μｍの厚さの絶縁層を形成した。
表１のように組成されるスラブを製造した。表１に記載の成分以外の、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉなどはすべて０．００３重量％に制御した。スラブを１１５０℃に加熱し、８５０℃で熱間仕上げ圧延して板厚さ２．０ｍｍの熱延板を製作した。熱間圧延された熱延板は１１００℃で４分間焼鈍した後、酸洗した。その後、冷間圧延して板厚さを０．２５ｍｍにした後、最終焼鈍を実施した。５００℃までの急速昇温段階の昇温速度および露点条件を表２にまとめた。以後、１０００℃まで昇温し、１０００℃で４５秒間維持した。以後、１μｍの厚さの絶縁層を形成した。
絶縁特性はフランクリンテスターで測定し、磁性はＳｉｎｇｌｅ Ｓｈｅｅｔ ｔｅｓｔｅｒを用いて圧延方向および垂直方向の平均値で決定し、表２にまとめた。
表１および表２に示すように、実施例の鋼種および急速昇温時の昇温速度および露点条件を満足する実施例は、適切な内部酸化層が形成され、絶縁抵抗特性および磁性がすべて優れていることを確認することができる。
これに対し、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｇを適正量含まない鋼種２、７、１１、１２、１３は、磁性特性に劣ることを確認することができる。特に、鋼種１１、１３は、急速昇温時の昇温速度および露点条件を満足しても、内部酸化層が適切に形成されておらず、絶縁抵抗特性にも劣ることを確認することができた。特に、鋼種１３は、Ｐ、Ｍｇを含まないことから、Ｃｒが少なく含まれているにもかかわらず、内部酸化層が適切に形成されないことを確認することができる。
これに対し、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｇを適正量含まない鋼種２、７、１１、１２、１３は、磁性特性に劣ることを確認することができる。特に、鋼種１１、１３は、急速昇温時の昇温速度および露点条件を満足しても、内部酸化層が適切に形成されておらず、絶縁抵抗特性にも劣ることを確認することができた。特に、鋼種１３は、Ｐ、Ｍｇを含まないことから、Ｃｒが少なく含まれているにもかかわらず、内部酸化層が適切に形成されないことを確認することができる。
一方、鋼種４、６、９は、Ｐ、Ｃｒ、Ｍｇを適正量含んでいるものの、急速昇温時の昇温速度および露点条件を満足しておらず、適切な内部酸化層が形成されなかった。内部酸化層が過度に薄く形成された鋼種４、６は、絶縁抵抗特性が特に劣り、内部酸化層が過度に厚く形成された鋼種９は、磁性特性が非常に劣っていた。
図２には、鋼種３で製造した無方向性電磁鋼板の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真を示した。図２に示されるように、内部酸化層が適切に形成されることを確認することができる。
図２には、鋼種３で製造した無方向性電磁鋼板の断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真を示した。図２に示されるように、内部酸化層が適切に形成されることを確認することができる。
実施例２
表３のように組成されるスラブを製造した。表３に記載の成分以外の、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉなどはすべて０．００３重量％に制御した。スラブを１１５０℃に加熱し、８５０℃で熱間仕上げ圧延して板厚さ２．０ｍｍの熱延板を製作した。熱間圧延された熱延板は１１００℃で４分間焼鈍した後、酸洗した。その後、冷間圧延して板厚さを０．２５ｍｍにした後、最終焼鈍を実施した。５００℃までの急速昇温段階の昇温速度および露点条件を表２にまとめた。以後、１０００℃まで昇温し、１０００℃で４５秒間維持した。以後、１μｍの厚さの絶縁層を形成した。絶縁特性はフランクリンテスターで測定し、磁性はＳｉｎｇｌｅ Ｓｈｅｅｔ ｔｅｓｔｅｒを用いて圧延方向および垂直方向の平均値で決定し、表４にまとめた。
表３のように組成されるスラブを製造した。表３に記載の成分以外の、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉなどはすべて０．００３重量％に制御した。スラブを１１５０℃に加熱し、８５０℃で熱間仕上げ圧延して板厚さ２．０ｍｍの熱延板を製作した。熱間圧延された熱延板は１１００℃で４分間焼鈍した後、酸洗した。その後、冷間圧延して板厚さを０．２５ｍｍにした後、最終焼鈍を実施した。５００℃までの急速昇温段階の昇温速度および露点条件を表２にまとめた。以後、１０００℃まで昇温し、１０００℃で４５秒間維持した。以後、１μｍの厚さの絶縁層を形成した。絶縁特性はフランクリンテスターで測定し、磁性はＳｉｎｇｌｅ Ｓｈｅｅｔ ｔｅｓｔｅｒを用いて圧延方向および垂直方向の平均値で決定し、表４にまとめた。
表３および表４に示すように、実施例の鋼種および急速昇温時の昇温速度および露点条件を満足する実施例は、適切な内部酸化層が形成され、絶縁抵抗特性および磁性がすべて優れていることを確認することができる。
ＳｎおよびＳｂのうちの１種を過剰含む鋼種１５、１８、２２は、内部酸化層が適切に形成されておらず、絶縁抵抗特性に劣ることを確認することができる。同時に、磁性に劣っているが、これは、Ｓｎ、Ｓｂの過剰添加によって微細介在物が形成され、これによって磁性が劣化したと分析される。
ＳｎおよびＳｂとも極少量含む鋼種２３は、磁性に劣ることを確認することができる。
ＳｎおよびＳｂのうちの１種を過剰含む鋼種１５、１８、２２は、内部酸化層が適切に形成されておらず、絶縁抵抗特性に劣ることを確認することができる。同時に、磁性に劣っているが、これは、Ｓｎ、Ｓｂの過剰添加によって微細介在物が形成され、これによって磁性が劣化したと分析される。
ＳｎおよびＳｂとも極少量含む鋼種２３は、磁性に劣ることを確認することができる。
本発明は、この実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造できる。
１００ 無方向性電磁鋼板
１０ 素地鋼板
１１ 内部酸化層
１２ 表面酸化層
２０ 絶縁層
１０ 素地鋼板
１１ 内部酸化層
１２ 表面酸化層
２０ 絶縁層
Claims (15)
- 重量％で、Ｓｉ：２．５～６．０％、Ａｌ：０．２～３．５％、Ｍｎ：０．２～４．５％、Ｃｒ：０．０１～０．２％、Ｐ：０．００５～０．０８％、Ｍｇ：０．０００５～０．０５％、並びに残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記式１を満足し、素地鋼板の内部に０．２～５μｍの厚さの内部酸化層が形成され、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０２重量％のうちの１種以上をさらに含むことを特徴とする無方向性電磁鋼板。
［式１］
－１．４≦［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００≦０．９
（式１中、［Ｐ］、［Ｃｒ］および［Ｍｇ］はそれぞれ、Ｐ、ＣｒおよびＭｇの含有量（重量％）を示す。） - 前記ＳｎおよびＳｂの合計量が０．００５～０．１重量％であることを特徴とする請求項１に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記内部酸化層は、前記素地鋼板の表面から素地鋼板の内部方向に５μｍ以下の範囲に形成されたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記内部酸化層は、Ｃｒ２Ｏ３またはＭｇＯのうちの１種以上の酸化物を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記素地鋼板の表面に接して、前記素地鋼板の内部方向に形成された表面酸化層をさらに含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記内部酸化層および表面酸化層は、酸素を０．０５重量％以上含むことを特徴とする請求項６に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記内部酸化層の厚さが前記表面酸化層の厚さより厚いことを特徴とする請求項６または７に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記無方向性電磁鋼板の比抵抗は４５μΩ・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
- 前記無方向性電磁鋼板は、Ｃ、Ｓ、Ｎ、Ｔｉ、ＮｂおよびＶのうちの１種以上をそれぞれ０．００４重量％以下でさらに含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板。
- 重量％で、Ｓｉ：２．５～６．０％、Ａｌ：０．２～３．５％、Ｍｎ：０．２～４．５％、Ｃｒ：０．０１～０．２％、Ｐ：０．００５～０．０８％、Ｍｇ：０．０００５～０．０５％、並びに残部はＦｅおよび不可避不純物からなり、下記式１を満足し、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０２重量％のうちの１種以上をさらに含むスラブを製造する段階、
前記スラブを加熱する段階、
前記スラブを熱間圧延して熱延板を製造する段階、
前記熱延板を冷間圧延して冷延板を製造する段階、および
前記冷延板を最終焼鈍する段階を含み、
前記最終焼鈍する段階は、昇温速度１５℃／秒以上で昇温する急速昇温段階、
一般昇温段階および均熱段階を順に行い、
前記急速昇温段階は、前記冷延板を４５０～６００℃まで昇温し、
前記一般昇温段階は、開始温度は４５０～６００℃であり、終了温度は８５０～１０５０℃であり、
前記急速昇温段階は、露点温度－１０～６０℃で行われ、
素地鋼板の内部に０．２～５μｍの厚さの内部酸化層が形成されることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
［式１］
－１．４≦［Ｐ］／［Ｃｒ］－［Ｍｇ］×１００≦０．９
（式１中、［Ｐ］、［Ｃｒ］および［Ｍｇ］はそれぞれ、スラブ内のＰ、ＣｒおよびＭｇの含有量（重量％）を示す。） - 前記スラブは、ＳｎおよびＳｂの合計量が０．００５～０．１重量％であることを特徴とする請求項１１に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記スラブは、Ｓｎ：０．０１～０．０８重量％およびＳｂ：０．００５～０．０５重量％を含むことを特徴とする請求項１１または１２に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記一般昇温段階は、昇温速度が１～１５℃／秒であり、露点温度－５０～－２０℃で行われることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板
の製造方法。 - 前記均熱段階の均熱温度は８５０～１０５０℃であり、
前期均熱温度で３０秒～３分間焼鈍することを特徴とする請求項１１から１４のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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