JP7350063B2 - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
それだけでなく、モータの回転子として用いられる素材には、強度以外にも高周波によって発生する渦流損失を低減させる必要がある。しかしながら、強度を向上させるために、高強度炭素鋼で一体型回転子を作ると、回転子の渦流損失が大きくなってモータの全体的な効率が低減してしまう。
したがって、高強度特性と低鉄損特性をすべて満足させる電磁鋼板の製造技術に関する研究が求められるようになってきた。その一環として、鋼にフェライト以外の組織を形成して強度を向上させる技術と、特殊合金元素を添加させて強度を向上させる技術、冷間圧延あるいは追加加工前の状態での結晶粒サイズを大きく制御して、鉄損特性と強度特性を両立させようとする技術が提案されている。
しかし、フェライト以外の組織を形成する技術は、パーライトやマルテンサイト、オーステナイトの非磁性異常組織が鋼内部に存在することによって鉄損および磁束密度が急激に劣化し、回転子に用いると、モータの効率が急激に減少するという欠点がある。特殊合金元素を添加する技術も、磁性が急激に劣化する問題が発生し、使い道によっては限界が発生する。また、冷間圧延前の結晶粒サイズを大きく制御する技術の場合には、未再結晶組織が多い高強度電磁鋼板ではその効果がわずかであり、効果的な磁気的特性の向上が得られない虞がある。
〔式1〕
[Mn]≧1450×[S]-0.8
(式1中、[Mn]および[S]は、それぞれMnおよびSの含有量(重量%)を示す。)
Ti:0.003重量%以下、Nb:0.003重量%以下、およびCu:0.1重量%以下のうちの1種以上をさらに含むことができる。
直径1nm~0.1μmの硫化物の密度が25万/mm2以下であってもよい。
硫化物は、MnS、またはMnSおよびCuSを含むことができる。
5000A/mの磁場で誘導される磁束密度(B50)が1.61T以上であり、500MPa以上の降伏強度を有することができる。
750℃の温度で2時間行う応力除去焼鈍後、測定された鉄損(W10/400)が12W/kg以下であってもよい。
〔式1〕
[Mn]≧1450×[S]-0.8
(式1中、[Mn]および[S]は、それぞれMnおよびSの含有量(重量%)を示す。)
スラブは、Ti:0.003重量%以下、Nb:0.003重量%以下、およびCu:0.1重量%以下のうちの1種以上をさらに含むことができる。
スラブを1,100℃~1,250℃に加熱することができる。
熱延板を製造する段階の後、前記熱延板を850~1200℃の温度で焼鈍する熱延板焼鈍段階をさらに含むことができる。
最終焼鈍する段階の後、700~900℃の温度範囲で焼鈍する応力除去焼鈍段階をさらに含むことができる。
また、本発明の無方向性電磁鋼板は、鋼内部の硫化物を効果的に低くすることによって、応力除去焼鈍工程で結晶成長を図ることで、応力除去焼鈍後に鉄損の低い無方向性電磁鋼板を得ることができる。
さらに、本発明の無方向性電磁鋼板は、応力除去焼鈍前は磁束密度と降伏強度特性を安定的に確保することができる。
また、本発明の無方向性電磁鋼板は、高効率モータ、特に自動車用駆動モータのような永久磁石挿入型モータに最適化された特性を提供することができる。
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これはまさに他の部分の上にあるか、その間に他の部分が伴ってもよい。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分が介在しない。
他に定義しないが、ここに使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞書に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有すると追加解釈され、定義されない限り、理想的または非常に公式的な意味で解釈されない。
本発明の一実施例において、鋼成分に追加元素をさらに含むとの意味は、追加元素の追加量だけ、残部の鉄(Fe)を代替して含むことを意味する。
以下、本発明の実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施例に限定されない。
炭素(C)は、最終的に製造される電磁鋼板で磁気時効を起こして使用中に磁気的特性を低下させるため、0.004重量%以下で含有されることが好ましい。Cの含有量が低いほど磁気的特性が改善できるため、さらに好ましくは、0.003重量%以下である。
ケイ素(Si)は、比抵抗を増加させて鉄損中の渦流損失を低くする成分として添加する。また、Siは添加される場合、素材の強度を増加させる効果がある。Siが過度に少なく添加されると、前述した効果が十分に発揮されないことがある。さらに、Siが過度に多く含まれると、冷間圧延性が低下して板破断が生じることがある。さらに好ましくは、Siは2.6~3.5重量%である。
リン(P)は、比抵抗を増加させ、集合組織を改善して磁性を向上させるために添加する。ただし、過剰添加時には冷間圧延性が悪化するため、Pの含有量は0.1重量%以下に制限することが好ましい。さらに好ましくは、Pは0.005~0.05重量%である。
アルミニウム(Al)は、比抵抗を増加させて渦流損失を低くするのに有効な成分であり、Siより低い効果があるが、添加時に強度を上げる効果がある。Alが過度に少なく添加されると、AlNが微細に析出して磁性が劣化しうる。逆に、Alが過度に多く添加されると、加工性が劣化しうる。さらに好ましくは、Alは0.5~1.5重量%である。
窒素(N)は、内部に微細で長いAlN析出物を形成して結晶粒成長を抑制して鉄損を劣位にするため、できる限り少なく含有させることが好ましい。本発明の一実施例では、N含有量を0.003重量%以下に制限する。さらに好ましくは、Nは0.002重量%以下でである。
硫黄(S)は、微細な析出物であるMnSおよびCuSを形成して、結晶成長を妨げて磁気特性を悪化させるため、低く管理することが好ましい。本発明の一実施例では、S含有量を0.003重量%以下に制限する。さらに好ましくは、Sは0.002重量%以下である。
マンガン(Mn)は、過度に少なく添加されると、微細なMnS析出物を形成して結晶成長を抑制し、それによって磁性を悪化させる。したがって、適正量添加して、MnS析出物が粗大に形成されるようにすることが好ましい。また、Mnを適正量添加すると、S成分がより微細な析出物であるCuSとして析出するのを防止して磁性の劣化を防止することができる。しかし、Mnが過度に添加されると、むしろ磁性を低下させることがある。したがって、前述した範囲にMnがある。さらに好ましくは、Mnは0.2~2.3重量%である。
〔式1〕
[Mn]≧1450×[S]-0.8
(式1中、[Mn]および[S]は、それぞれMnおよびSの含有量(重量%)を示す。)
式1に示すように、Mnが多量添加される場合、S析出物を安定化させて、熱間圧延工程および熱延板焼鈍工程で電磁鋼板に再溶解するのを抑制することによって、微細析出物の発生を抑制することができる。好ましくは、直径1nm~0.1μmの硫化物の密度が25万/mm2以下であることがよい。この時、硫化物つまり、S析出物の直径は、硫化物と同一の面積を有する仮想の円に対する直径を意味する。基準面は特に限定しないが、圧延面(ND面)と平行な面である。さらに好ましくは、硫化物の密度は1万/mm2~24万/mm2であることがよい。
クロム(Cr)は、比抵抗を増加させて鉄損を向上させる元素として知られているが、本発明の一実施例では、磁束密度を劣位にし、特に応力除去焼鈍後に鉄損を劣位にし、その添加を最大限に抑制する。さらに好ましくは、Crは0.001~0.2重量%である。
チタン(Ti)とニオブ(Nb)は、微細なTi(Nb)CN析出物を形成して結晶粒成長を抑制する。TiおよびNbが0.003重量%超過で含有される場合、多量の微細な析出物が発生して集合組織を悪くして磁性を悪化させ、応力除去焼鈍工程で結晶成長を抑制するため、TiおよびNbの含有量は0.003重量%以下に制限する。
前述した元素以外にも、不可避に混入する不純物が含まれる。残部は鉄(Fe)であり、前述した元素以外に追加元素が添加される時、残部の鉄(Fe)を代替して含む。
結晶粒径と強度は反比例する傾向があり、できる限り結晶粒径を小さく維持することによって、強度の向上に寄与することができる。また、硫化物が応力除去焼鈍過程で結晶粒成長を遅延させて、応力除去焼鈍過程後に鉄損を悪化させることがある。本発明の一実施例では、硫化物の密度を小さく制御するために前述した式1を提案し、結晶粒径の制御と式1の制御により無方向性電磁鋼板の強度および磁性を同時に両立させることができる。さらに好ましくは、平均結晶粒径は1~18μmである。
好ましくは、5000A/mの磁場で誘導される磁束密度(B50)が1.61T以上であり、500MPa以上の降伏強度を有することができる。さらに好ましくは、磁束密度(B50)が1.64~1.75Tであり、降伏強度が550~750MPaである。
まず、スラブを加熱する。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限定の理由と同一であるため、繰り返される説明を省略する。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ため、スラブの組成と無方向性電磁鋼板の組成が実質的に同一である。
スラブを加熱炉に装入して1,100~1,250℃に加熱する。1,250℃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しうる。
スラブを加熱して、2.0~2.3mmに熱間圧延を実施し、熱間圧延された熱延板を巻取る。巻取られた熱延板は、必要に応じて熱延板焼鈍を実施する。熱延板に製造される。
最終焼鈍雰囲気は、水素10~30体積%および窒素70~90体積%を含む雰囲気で行われる。
重量%で、下記表1および表2並びに、残部Feおよび不可避不純物からなるスラブを製造した。スラブを1130℃に再加熱した後、2.0mmに熱間圧延して熱延板を製造した。製造された各熱延板は620℃で巻取った後、空気中で冷却し、1020℃で2分間熱延板焼鈍を実施した。次に、熱延板を酸洗した後、0.25mmの厚さとなるように冷間圧延を実施した。次に、冷延板は水素20体積%、窒素80体積%の雰囲気条件下、下記表2に与えられた温度で1分間最終焼鈍を実施した後、磁性および機械的特性を分析して、下記表3にまとめた。応力除去焼鈍前の特性のうち、降伏強度はKS 13B規格の試験片を製作して引張実験を実施し、0.2%オフセット(offset)での値に決定し、析出物の密度は透過電子顕微鏡の複製法を用いて測定し、磁束密度(B50)は60×60mm2サイズの単板測定器を用いて圧延方向と圧延直角方向に測定し、これを平均して求め、平均結晶粒径は光学顕微鏡写真から平均結晶粒の面積を求めて平方根を取って決定した。応力除去焼鈍後の鉄損(W10/400)は、鋼板を750℃の温度で2時間応力除去焼鈍した後、60×60mm2サイズの単板測定器を用いて圧延方向と圧延直角方向に測定し、これを平均して求めた。
これに対し、Mn、Sの含有量の条件を満足しない場合、応力除去焼鈍前/後の磁性、特に、応力除去焼鈍後の鉄損特性が劣位になることを確認できる。
また、最終焼鈍温度が低すぎて、未結晶組織が多量存在する場合(未結晶組織90体積%以上)、磁束密度が顕著に劣位になることを確認できる。
さらに、最終焼鈍温度が高すぎて、平均結晶粒径が大きすぎる場合、降伏強度が顕著に劣位になることを確認できる。
また、Crを多量添加した鋼種Cの場合、応力除去焼鈍前/後の磁性が劣位になることを確認できる。
Claims (7)
- 重量%で、C:0.004%以下(0%を除く)、Si:2.5~4.0%、P:0.1%以下(0%を除く)、Al:0.3~2.0%、N:0.003%以下(0%を除く)、S:0.003%以下(0%を除く)、Mn:0.15~2.5%、Cr:0.001~0.2%、Cu:0.1%以下、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、
平均結晶粒径が1~18μmであり、
直径1nm~0.1μmの硫化物の密度が25万/mm 2 以下であり、
前記硫化物は、MnS、またはMnSおよびCuSを含み、
5000A/mの磁場で誘導される磁束密度(B 50 )が1.64~1.75Tであり、降伏強度が550~750MPaであり、
750℃の温度で2時間行う応力除去焼鈍後、測定された鉄損(W 10/400 )が10~11.5W/kgであることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
〔式1〕
[Mn]≧1450×[S]-0.8
(式1中、[Mn]および[S]は、それぞれMnおよびSの含有量(重量%)を示す。) - Ti:0.003重量%以下、およびNb:0.003重量%以下、のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
- 重量%で、C:0.004%以下(0%を除く)、Si:2.5~4.0%、P:0.1%以下(0%を除く)、Al:0.3~2.0%、N:0.003%以下(0%を除く)、S:0.003%以下(0%を除く)、Mn:0.15~2.5%、Cr:0.001~0.2%、Cu:0.1%以下、並びに、残部はFeおよび不可避不純物からなり、
下記式1を満足する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、
前記熱延板を圧下率70~95%で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710~820℃の温度で最終焼鈍する段階を含み、
製造された無方向性電磁鋼板は、平均結晶粒径が1~18μmであり、
直径1nm~0.1μmの硫化物の密度が25万/mm 2 以下であり、
前記硫化物は、MnS、またはMnSおよびCuSを含み、
5000A/mの磁場で誘導される磁束密度(B 50 )が1.64~1.75Tであり、
降伏強度が550~750MPaであり、
750℃の温度で2時間行う応力除去焼鈍後、測定された鉄損(W 10/400 )が10~11.5W/kgであることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
〔式1〕
[Mn]≧1450×[S]-0.8
(式1中、[Mn]および[S]は、それぞれMnおよびSの含有量(重量%)を示す。) - 前記スラブは、Ti:0.003重量%以下、およびNb:0.003重量%以下、のうちの1種以上をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記スラブを1,100℃~1,250℃に加熱することを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記熱延板を製造する段階の後、前記熱延板を850~1,200℃の温度で焼鈍する熱延板焼鈍段階をさらに含むことを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれか一項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
- 前記最終焼鈍する段階の後、700~900℃の温度範囲で焼鈍する応力除去焼鈍段階をさらに含むことを特徴とする請求項3乃至請求項6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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