JP7444275B2 - 無方向性電磁鋼板とその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、磁気特性に優れる、具体的には、高周波領域における渦電流損が低い無方向性電磁鋼板とその製造方法に関するものである。
電気自動車ＥＶ、ハイブリッド自動車ＨＥＶ等の駆動モータや、高効率エアコンのコンプレッサ用モータ等は、高効率化のみならず、省スペース化、軽量化の観点から、モータの小型化が要求され、かつ、出力を確保するために高速回転化が指向されている。上記のモータの鉄心材料には、主として軟磁性材料である無方向性電磁鋼板が用いられている。
鉄心材料の励磁周波数は、モータの回転数に比例するため、高速モータの設計においては、高速回転に伴う鉄損の増加とモータ効率の低下が問題となる。また、これらのモータは、正弦波ではなく、インバータを用いたＰＷＭ制御で駆動されることが多い。そのため、鉄心の励磁波形には１～１０ｋＨｚ程度の高調波が含まれており、この高調波に起因する鉄損の増加も問題となる。これらの問題を解決するため、鉄心材料である無方向性電磁鋼板には、高周波領域における鉄損の低減が強く求められている。
無方向性電磁鋼板の鉄損Ｗは、ヒステリシス損Ｗｈと渦電流損Ｗｅとの和であり、それぞれが周波数の１乗、２乗に比例するため、高周波領域では渦電流損Ｗｅが支配的となる。その対策として、従来から高合金化による渦電流損の低減が検討されてきた（例えば、特許文献１、２参照）。
しかし、高合金化は、無方向性電磁鋼板の高周波領域での鉄損低減に有効な手段であるが、鋼の強度も上昇してしまうため、冷間圧延することが困難になるという別の問題が発生する。そこで、上記特許文献１では冷間圧延に温間圧延を採用することが、また、上記特許文献２では、鋼の強度上昇を抑えるためにＭｎを活用することが提案されている。
特開２０１４－２１０９７８号公報 特開２００８－２３１５０４号公報
しかしながら、上記特許文献１で提案された温間圧延は、圧延開始時の鋼板温度を上げ過ぎると、圧延後の鋼板形状が悪化するという問題があり、工業生産に適用するには限界があった。また、上記特許文献２で提案されたＭｎを活用する方法は、鉄損低減効果を十分に得るには多量のＭｎ添加が必要になるため、原料コストが上昇したり、Ｍｎ炭化物の生成により鉄損が不安定になり易くなったりする等の問題がある。
本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高合金化以外の手段によって高周波領域における渦電流損を低減し、もって、高周波領域において低鉄損の無方向性電磁鋼板を提供するとともに、その有利な製造方法を提案することにある。
発明者らは、上記の課題を解決するべく、方向性電磁鋼板で活用されている鋼板に引張応力を付与して鉄損を低減する技術に着目し、この技術を無方向性電磁鋼板の渦電流損の低減に活用することについて鋭意検討を重ねた。その結果、製品鋼板に残留する応力の値を適切な範囲に制御することで高周波域の渦電流損を低減し得ることを見出し、本発明を開発するに至った。
上記知見に基づく本発明は、フェライトの平均粒径が５０μｍ以上で、かつ、Ｘ線応力測定法で測定した鋼板表面および板厚中心部における板幅方向の圧縮残留応力σＳ、σＣが、それぞれ２．０ＭＰａ以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板である。ここで、上記Ｘ線応力測定法には、α－Ｆｅ（２１１）ピークを用いた２θ－ｓｉｎ２ψ法を用いる。
本発明の上記無方向性電磁鋼板は、Ｃ：０～０．００５０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．０～５．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０～３．０ｍａｓｓ％、Ｐ：０～０．２ｍａｓｓ％、Ｓ：０～０．００５０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０～３．０ｍａｓｓ％、Ｎ：０～０．００５０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０～３．０ｍａｓｓ％およびＯ：０～０．００５０ｍａｓｓ％を含有し、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を特徴とする。
また、本発明の上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ～Ｄ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
記
・Ａ群；Ｓｎ：０～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０～０．２０ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
・Ｂ群；Ｃａ：０～０．０１ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０～０．０１ｍａｓｓ％およびＲＥＭ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
・Ｃ群；Ｃｕ：０～０．５ｍａｓｓ％およびＮｉ：０～０．５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
・Ｄ群；Ｇｅ：０～０．０５ｍａｓｓ％、Ａｓ：０～０．０５ｍａｓｓ％およびＣｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
また、本発明の上記無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、下記Ｅ～Ｉ群のうちの少なくとも１群の成分を含有することを特徴とする。
記
・Ｅ群；Ｔｉ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｖ：０～０．０１０ｍａｓｓ％およびＴａ：０～０．００２ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
・Ｆ群；Ｂ：０～０．００２ｍａｓｓ％およびＧａ：０～０．００５％のうちの少なくとも１種
・Ｇ群；Ｐｂ：０～０．００２ｍａｓｓ％
・Ｈ群；Ｚｎ：０～０．００５ｍａｓｓ％
・Ｉ群；Ｍｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％およびＷ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
また、本発明は、上記のいずれかに記載の成分組成を有するスラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延し、連続焼鈍炉で仕上焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造方法であって、上記仕上焼鈍の最高到達温度を９００℃以上、かつ、上記仕上焼鈍の冷却過程における（最高到達温度－５０℃）の温度から５００℃までの平均冷却速度を４０℃／ｓ以上とし、上記仕上焼鈍の前後における圧延方向の塑性伸び率ε（％）と仕上焼鈍の均熱時間ｔ（ｓ）から定義されるパラメータε／ｔを０．１０以上とすることを特徴とする上記のいずれかに記載の無方向性電磁鋼板の製造方法を提案する。ここで、上記塑性伸び率εは、公称歪の伸び率である。
本発明によれば、高周波領域における渦電流損、ひいては高周波域の鉄損を低減した無方向性電磁鋼板を安定して提供することが可能となる。したがって、本発明は、高周波領域で使用されるＥＶ、ＨＥＶ等の駆動モータや、高効率エアコンのコンプレッサ用モータ等の高効率化や小型化に大いに寄与する。
仕上焼鈍における塑性伸び率ε（％）と均熱時間ｔ（ｓ）との比ε／ｔと、鋼板の圧延方向および板幅方向の渦電流損Ｗｅ１／５ｋとの関係を示すグラフである。 仕上焼鈍における塑性伸び率ε（％）と均熱時間ｔ（ｓ）との比ε／ｔと、鋼板表面および板厚中心部における板幅方向の圧縮残留応力σＳ、σＣとの関係を示すグラフである。
本発明を開発する契機となった実験について説明する。
方向性電磁鋼板の分野では、鋼板の圧延方向に引張応力を印加することで磁区が細分化され、渦電流損が低減することが知られている。そこで、発明者らは、無方向性電磁鋼板の渦電流損を低減する方法として、製品鋼板に残留応力を付与することに着目した。そして、上記製品鋼板に残留応力を導入する方法として仕上焼鈍での張力焼鈍を採用し、残留応力が鉄損特性に及ぼす影響を以下の実験により調査した。
Ｃ：０．００１５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．３７ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．４０ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００９ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．９１ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１８ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．０２ｍａｓｓ％およびＯ：０．００１２ｍａｓｓ％を含有し、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鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造して鋼塊とした。その後、熱間圧延して板厚１．５ｍｍの熱延板とした。次いで、上記熱延板に、Ｎ２雰囲気中で１０００℃×３０ｓの熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して板厚０．３ｍｍの冷延板とした。その後、ｖｏｌ％比でＨ２：Ｎ２＝３：７の混合ガス雰囲気中で、冷延板の圧延方向に１～１０ＭＰａの引張応力を印加しながら、仕上焼鈍を施した。上記仕上焼鈍では、最高到達温度を１０００℃とし、最高到達温度～（最高到達温度－１０℃）の温度域に１～３０ｓ間保持する均熱処理し、その後、（最高到達温度－５０℃）の温度から５００℃までを平均冷却速度５０℃／ｓでガス冷却し、製品板とした。この際、仕上焼鈍前の鋼板表面に板幅方向にケガキ線を導入し、仕上焼鈍の前後におけるケガキ線の間隔を測定し、その差から圧延方向の塑性伸び率ε（％）を求めた。ここで、上記塑性伸び率εは、公称歪の伸び率である。なお、本発明では、上記最高到達温度～（最高到達温度－１０℃）の温度域に滞留する時間を均熱時間と定義する。
上記のようにして得た製品板から、幅：３０ｍｍ×長さ：１００ｍｍのエプスタイン試験片を圧延方向および板幅方向のそれぞれから切り出し、単板磁気測定法により、最大磁束密度が０．１Ｔ、周波数ｆが５０～５ｋＨｚの範囲における鉄損Ｗを測定した。
次いで、測定した上記周波数ｆと鉄損値Ｗとの関係から、ヒステリシス損Ｗｈと渦電流損Ｗｅの分離を、以下に説明する二周波法を用いて行った。まず、５０～１０００Ｈｚの範囲におけるＷ／ｆとｆの関係をプロットし、最小自乗法でＷ／ｆ＝ａｆ＋ｂの近似式を求めた。ここで、係数ａと切片ｂは定数である。上記切片ｂは、１周期あたりのヒステリシス損になるので、上記切片ｂに周波数ｆを掛けることで、上記周波数ｆにおけるヒステリシス損Ｗｈ（ｆ）が得られる。一方、渦電流損Ｗｅ（ｆ）は、周波数ｆにおける鉄損実測値Ｗから上記ヒステリシス損Ｗｈ（ｆ）を差し引く、すなわち、Ｗｅ（ｆ）＝Ｗ－Ｗｈ（ｆ）で求める。なお、本実験では、高調波による鉄損増加の指標として、最大磁束密度０．１Ｔ、周波数５ｋＨｚにおける渦電流損Ｗｅ１／５ｋに注目して結果の解析を行った。
図１は、仕上焼鈍における塑性伸び率ε（％）と均熱時間ｔ（ｓ）とから定義されるパラメータε／ｔと、鋼板の圧延方向および板幅方向の渦電流損Ｗｅ１／５ｋの関係を示したものである。この図から、ε／ｔを０．１０以上することで、圧延方向のＷｅ１／５ｋは若干増加するが、板幅方向のＷｅ１／５ｋが大きく低減し、圧延方向および板幅方向の平均鉄損値が低減することがわかる。
次いで、発明者らは、上記のようにε／ｔを０．１０以上することで渦電流損が低減する原因について検討した。その結果、この渦電流損の低減は、製品板の残留応力と相関が強いことがわかった。ここで、上記残留応力は、Ｘ線応力測定法で測定した値であり、具体的には、Ｘ線測定装置としてリガク社製ＭＳＦ－２Ｍを用いた。Ｘ線源はＣｒ管球（ｋβフィルタ：Ｖ）、出力は３０ｋＶ×４ｍＶとし、試験片表面の７ｍｍ×７ｍｍの領域に対して２θ－ｓｉｎ２ψ法（並傾法ψ一定法）でＸ線スキャンを行い、α－Ｆｅ（２１１）に相当する２θ＝１５６．４°付近の強度分布を測定した。ψ角は１２、１６、２０、２４、２８、３２、３６、４０、４４および４８°とし、ψの揺動角は±３°の範囲とした。次いで、上記測定した強度分布でピークを示した回折角２θを、それぞれのψ角度における回折角２θとして２θ－ｓｉｎ２ψ線図にプロットし、その直線の傾きを最小自乗法で求め、次式；
σ＝３１７．９１・Δ２θ／Δｓｉｎ２ψ
を用いて残留応力σ（ＭＰａ）を求めた。なお、２θ－ｓｉｎ２ψ法では、Ｘ線の走査面を変えることで、試料面内の任意の方向の応力を測定することができる。残留応力σの測定は、試験片の表面と板厚中心部の２箇所で行い、表面の残留応力をσＳ、板厚中心部の残留応力をσＣとした。なお、板厚中心部の測定は、試験片の片方の表面から中心部まで、化学研磨で除去して行った。ここで、上記した残留応力σが正の値である場合は、材料に圧縮残留応力が存在することを、逆に、負の値である場合は、材料に引張残留応力が存在していることを意味する。
上記のようにして測定して得た鋼板表面および板厚中心部における板幅方向の圧縮残留応力σＳ、σＣと、板幅方向の鉄損Ｗｅ１／５ｋとの関係を図２に示す。この図２と、前述した図１から、圧縮の残留応力が高くなると、板幅方向のＷｅ１／５ｋが低くなることがわかる。
このメカニズムは、まだ十分に明らかとなっていないが、発明者らは、次のように考えている。
鋼板に引張応力を印加しながら仕上焼鈍を行った場合、高温においては、再結晶・粒成長と並行して塑性変形が進行する。ここで、塑性変形する際の降伏応力は、結晶方位によって異なるため、多結晶体では各結晶粒に導入される塑性歪量が均一ではなく、結晶粒ごとに変化する。そこで、磁化容易軸である＜１００＞に引張の残留応力が、その他の磁化困難軸である＜１１０＞、＜１１１＞、＜１１２＞などに圧縮の残留応力が発生するような状態を作り出すことができれば、磁区は細分化されて渦電流損は低下すると考えられる。そして、このような条件は、仕上焼鈍の張力焼鈍で実現されていると考えられる。ただし、仕上焼鈍の張力焼鈍では、再結晶や回復で残留応力・歪が開放されないよう、高温かつ短時間で塑性変形させた後、急冷することが重要であると考えられる。
本発明は、上記の新規な知見に基づき開発したものである。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板が有すべき成分組成について説明する。
Ｃ：０～０．００５０ｍａｓｓ％
Ｃは、製品板において、磁気時効により炭化物を形成し、鉄損を劣化させる成分である。そこで、上記磁気時効を抑制するため、Ｃは０～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲とする。好ましくは０．０００１～０．００２０ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｓｉ：２．０～５．０ｍａｓｓ％
Ｓｉは、鋼の比抵抗を高めて、鉄損を低減する効果がある。また、固溶強化により鋼の強度を高める効果もある。上記低鉄損と高強度を達成する観点から、Ｓｉの下限は２．０ｍａｓｓ％とする。一方、Ｓｉが５．０ｍａｓｓ％を超えると圧延することが困難になるため、上限は５．０ｍａｓｓ％とする。好ましくは３．５～５．０ｍａｓｓ％の範囲である。特に優れた鉄損と製造性のバランスを確保する観点からは３．５～４．５ｍａｓｓ％の範囲であることがより好ましい。
Ｍｎ：０～３．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、鋼の比抵抗を高めて、鉄損を低減する効果がある。しかし、３．０ｍａｓｓ％を超えると、炭窒化物の析出により却って鉄損が悪くなるため、Ｍｎは０～３．０ｍａｓｓ％の範囲で添加する。なお、上記鉄損低減効果を確実に得るためには０．３ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましく、上限は、炭窒化物の生成を抑制する観点から２．０ｍａｓｓとするのが好ましい。
Ｐ：０～０．２ｍａｓｓ％
Ｐは、鋼の強度調整に用いられる成分であり、適宜、添加することができる。しかし、Ｐが０．２ｍａｓｓ％を超えると鋼が脆化して圧延が困難になる。よって、Ｐの含有量は０～０．２ｍａｓｓ％の範囲とする。なお、強度調整のためにＰを活用しない場合は、０．０２ｍａｓｓ％未満とするのが好ましく、一方、利用する場合は０．０２～０．１０ｍａｓｓ％の範囲とするのが好ましい。
Ｓ：０～０．００５０ｍａｓｓ％
Ｓは、微細硫化物を析出して粒成長を阻害し、鉄損を増加させる有害成分である。特に０．００５０ｍａｓｓ％を超えると上記悪影響が顕著になるため、Ｓの含有量は０～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲とする。好ましい上限は０．００２０ｍａｓｓ％である。
Ａｌ：０～３．０ｍａｓｓ％
Ａｌは、鋼の比抵抗を高めて、鉄損を低減する効果がある。また、固溶強化により鋼の強度を高める効果もある。しかし、３．０ｍａｓｓ％を超えると、圧延することが困難になるため、Ａｌの含有量は０～３．０ｍａｓｓ％の範囲とする。好ましくは１．２～３．０ｍａｓｓ％の範囲である。特に優れた鉄損と製造性のバランスを確保する観点からは、１．２～２．５ｍａｓｓ％の範囲とするのがより好ましい。一方、Ａｌは、鋳造・凝固時に空洞を生じ易くする成分であるため、リサイクル性を重視する場合は０．０１ｍａｓｓ％以下に制限するのが好ましい。
Ｎ：０～０．００５０ｍａｓｓ％
Ｎは、微細窒化物を析出して粒成長を阻害し、鉄損を増加させる有害成分である。特に、０．００５０ｍａｓｓ％を超えると上記悪影響が顕著になるため、Ｎの含有量は０～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲とする。好ましい上限値は０．００２０ｍａｓｓ％である。
Ｃｒ：０～３．０ｍａｓｓ％
Ｃｒは、鋼の比抵抗を高め、鉄損を低減する効果がある。しかし、３．０ｍａｓｓ％を超えると炭窒化物の析出により、却って鉄損が悪化するため、Ｃｒの含有量は０～３．０ｍａｓｓ％の範囲とする。なお、Ｃｒが０．３ｍａｓｓ％未満では、上記鉄損低減効果が小さいため、鉄損を重視する場合には、０．３ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。また、炭窒化物の生成を抑制する観点からは、上限は２．０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｏ：０～０．００５０ｍａｓｓ％
Ｏは、酸化物系介在物を形成して粒成長を阻害し、鉄損を増加させる有害成分であり、特に、０．００５０ｍａｓｓ％を超えると上記悪影響が顕著になる。よって、Ｏの含有量は０～０．００５０ｍａｓｓ％の範囲とする。なお、好ましい上限は０．００２０ｍａｓｓ％である。
本発明の無方向性電磁鋼板は、要求特性に応じて、上記成分に加えてさらに、以下の成分を含有してもよい。
Ｓｎ：０～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０～０．２０ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
ＳｎおよびＳｂは、再結晶集合組織を改善し、鉄損を低減する効果があり、適宜、添加することができる。しかし、０．２０ｍａｓｓ％を超えて添加しても、上記効果が飽和するため、上限は、それぞれ０．２０ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、それぞれ０．００５～０．０１ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｃａ：０～０．０１ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０～０．０１ｍａｓｓ％およびＲＥＭ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
Ｃａ、ＭｇおよびＲＥＭ（希土類金属）は、安定な硫化物を形成して微細な硫化物を減少させるので、粒成長性を改善し、鉄損を改善する効果がある。しかし、過剰な添加は却って鉄損の増加を招く。従って、添加する場合は、それぞれの上限をＣａ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０１０ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．０５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくはＣａ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５～０．００３ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００５～０．０３ｍａｓｓ％の範囲である。
また、本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分に加えてさらに、以下の成分を以下の範囲で含有してもよい。
Ｃｕ：０～０．５ｍａｓｓ％およびＮｉ：０～０．５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
ＣｕおよびＮｉは、鋼の靭性を高めるのに有効な成分であり、適宜、添加することができる。しかし、それぞれ０．５ｍａｓｓ％を超えて添加しても、上記効果が飽和するため、上限は、それぞれ０．５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくはそれぞれ０．０１～０．１ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｇｅ：０～０．０５ｍａｓｓ％、Ａｓ：０～０．０５ｍａｓｓ％およびＣｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
Ｇｅ，ＡｓおよびＣｏは、磁束密度を高め、鉄損を低減するのに有効な成分であり、適宜、添加することができる。しかし、それぞれ０．０５ｍａｓｓ％を超えて添加しても、上記効果が飽和するため、上限は、それぞれ０．０５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。より好ましくは、それぞれ０．００２～０．０１ｍａｓｓ％の範囲である。
さらに、本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分に加えてさらに、以下の成分を以下の範囲で含有してもよい。
Ｔｉ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｖ：０～０．０１０ｍａｓｓ％およびＴａ：０～０．００２ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
Ｔｉ，Ｎｂ，ＶおよびＴａは、微細な炭窒化物を形成し、鉄損を増加させる有害成分であり、特に、上記の上限値を超えると悪影響が顕著になる。よって、Ｔｉ，Ｎｂ，ＶおよびＴａは、それぞれＴｉ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｖ：０～０．０１０ｍａｓｓ％およびＴａ：０～０．００２ｍａｓｓ％の範囲で含有するのが好ましい。なお、より好ましい上限値はＴｉ：０．００２ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．００２ｍａｓｓ％、Ｖ：０．００５ｍａｓｓ％およびＴａ：０．００１ｍａｓｓ％である。
Ｂ：０～０．００２ｍａｓｓ％およびＧａ：０～０．００５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
ＢおよびＧａは、微細な窒化物を形成し、鉄損を増加させる有害成分であり、特に、上記上限値を超えると悪影響が顕著になる。よって、ＢおよびＧａは、それぞれＢ：０～０．００２ｍａｓｓ％、Ｇａ：０～０．００５ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。なお、より好ましい上限値はＢ：０．００１ｍａｓｓ％およびＧａ：０．００２ｍａｓｓ％である。
Ｐｂ：０～０．００２ｍａｓｓ％
Ｐｂは、微細なＰｂ粒子を形成し、鉄損を増加させる有害成分であり、特に、０．００２ｍａｓｓ％を超えると上記悪影響が顕著になる。よって、Ｐｂは０～０．００２ｍａｓｓ％の範囲で含有するのが好ましい。なお、より好ましい上限値は０．００１ｍａｓｓ％である。
Ｚｎ：０～０．００５ｍａｓｓ％
Ｚｎは、微細な介在物を増加し、鉄損を増加する有害成分であり、特に、０．００５ｍａｓｓ％を超えると上記悪影響が顕著になる。よって、Ｚｎの含有量は０～０．００５ｍａｓｓ％の範囲で含有するのが好ましい。なお、より好ましい上限値は０．００３ｍａｓｓ％である。
Ｍｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％およびＷ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
ＭｏおよびＷは、微細炭化物を形成し、鉄損を増加する有害成分であり、特に、上記上限値を超えて含有すると上記悪影響が顕著になる。よって、ＭｏおよびＷは、それぞれＭｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％、Ｗ：０～０．０５ｍａｓｓ％の範囲で含有するのが好ましい。なお、より好ましい上限値はＭｏ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｗ：０．０２ｍａｓｓ％である。
本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分以外の残部は、実質的にＦｅおよび不可避的不純物である。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板について説明する。
フェライト平均粒径：５０μｍ以上
本発明の無方向性電磁鋼板は、鉄損を低減するためには、フェライトの平均粒径が５０μｍ以上であることが必要である。フェライト粒径が５０μｍ未満では、鉄損増加によるモータ効率の低下が問題になる。好ましくは８０μｍ以上である。なお、上記平均粒径は、板幅方向に垂直な断面（圧延方向断面）をナイタール等でエッチングして現出させたミクロ組織について切断法で測定した平均粒径の値（試験線の１結晶当たりの平均線分長）である。
σＳ：２．０ＭＰａ以上、σＣ：２．０ＭＰａ以上
本発明の無方向性電磁鋼板は、Ｘ線応力測定法で求めた鋼板表面における板幅方向の圧縮残留応力σＳおよび板厚中心部における圧縮残留応力σＣが、いずれも２．０ＭＰａ以上であることが必要である。好ましくはσＳ：５ＭＰａ以上、σＣ：５ＭＰａ以上である。ここで、上記Ｘ線応力測定方法は、α－Ｆｅ（２１１）ピークを用いた２θ－ｓｉｎ２ψ法であり、測定された圧縮応力は、Ｆｅの｛２１１｝面の格子間隔から計算される値である。ここで検出される圧縮応力は、Ｆｅの｛２１１｝面の格子間隔から計算される値であり、各結晶粒の磁化容易軸＜１００＞には逆に引張応力が印加されていると考えられる。なお、残留圧縮応力の値が１００ＭＰａを超えると、一部の結晶粒内でミクロ降伏が発生するようになるため、上限は１００ＭＰａとするのが好ましい。
なお、本発明で導入される残留応力は、板厚方向でほぼ均一であることが必要である。これは、板厚方向で残留応力が変動すると、本発明の効果が得られないからである。例えば、ショットブラストで鋼板表層に圧縮応力を付与した場合、板厚中心部には逆に引張応力が発生するため、本発明の効果は得られない。
次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板の製造に用いる鋼素材（スラブ）は、転炉または電気炉等で溶製した溶鋼に真空脱ガス処理等の二次精錬を施して上記した成分組成に調整した後、連続鋳造法または造塊・分塊圧延法により製造することができる。
次いで、上記スラブは、公知の方法・条件で熱間圧延して熱延板とし、必要に応じて熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、１回の冷間圧延または中間焼鈍を挟む２回以上の冷間圧延により最終板厚（製品板厚）の冷延板とする。
次いで、上記冷延板に、所望の磁気特性を付与するため、連続焼鈍炉を用いて仕上焼鈍を施す。この仕上焼鈍の条件は、鉄損低減と生産性を両立させる観点から、最高到達温度は９００～１１００℃、均熱時間は１～１２０ｓの範囲とするのが好ましい。より好ましい最高到達温度は９５０～１０５０℃、均熱時間は１～３０ｓの範囲である。また、仕上焼鈍時の雰囲気は、酸化を抑制する観点から、乾燥Ｈ２－Ｎ２混合雰囲気などの還元性雰囲気とするのが好ましい。
ここで、本発明の効果を得るために最も重要なことは、上記仕上焼鈍の前後における圧延方向の塑性伸び率ε（％）と仕上焼鈍の均熱時間ｔ（ｓ）から定義されるパラメータε／ｔを０．１０以上とする必要があるということである。上記パラメータε／ｔが０．１０未満では、εが小さ過ぎて十分な残留応力が鋼板に導入されないか、ｔが大き過ぎて回復により残留応力が消失してしまうからである。好ましいε／ｔは０．１５以上である。
なお、仕上焼鈍中の塑性変形挙動は、鋼板の成分組成や仕上焼鈍条件（焼鈍温度、昇温時間）、ライン張力によって変化する。そのため、特に、高温強度が高いＳｉやＡｌを多く含む鋼板では、焼鈍温度を高めたり、ライン張力を強めたりすることでε／ｔを高めることができる。
さらに、上記仕上焼鈍で重要なことは、高温域で鋼板に導入した残留応力を室温まで残留させるため、均熱処理した後の冷却過程における、（最高到達温度－５０℃）の温度から５００℃までの平均冷却速度を４０℃／ｓ以上とする必要があるということである。上記温度範囲における平均冷却速度が４０℃／ｓ未満の場合、回復によって高温で導入された残留応力が開放されてしまうため、本発明の効果が得られない。好ましくは５０℃／ｓ以上である。
上記仕上焼鈍後の鋼板は、必要に応じて、絶縁被膜を塗布して製品板とする。上記絶縁被膜は、公知の有機もしくは無機または有機＋無機の被膜を適用することができ、いずれも本発明の効果を損なうことはない。
Ｃ：０．０００９ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．６５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００８ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．３６ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１２ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．１ｍａｓｓ％、Ｓｎ：０．０２ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．０１ｍａｓｓ％およびＯ：０．００１１ｍａｓｓ％を含有し、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鋼を常法の精錬プロセスで溶製し、連続鋳造して鋼素材（スラブ）とした。次いで、上記スラブを１０８０℃の温度に３０ｍｉｎ間加熱した後、熱間圧延して板厚１．５ｍｍの熱延板とした。次いで、上記熱延板に９３０℃×２０ｓの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して最終板厚（製品板厚）０．２５ｍｍの冷延板とした。次いで、上記冷延板に、連続焼鈍炉で、表１に示す種々の条件の仕上焼鈍を施した。この際、前述した方法で、仕上焼鈍前後の塑性伸び率ε（％）を測定した。
斯くして得た仕上焼鈍板から、板幅方向を長さ方向とする幅：３０ｍｍ×長さ：２８０ｍｍの試験片を採取し、エプスタイン試験にて鉄損Ｗ１／５ｋを測定し、前述した方法で、０．１Ｔ、５ｋＨｚにおける渦電流損Ｗｅ１／５ｋの値を算出した。また、上記試験片を用いて１．５Ｔ、５０Ｈｚにおける鉄損Ｗ１５／５０の測定も行った。また、前述した方法で、仕上焼鈍板の板幅方向の残留応力σＳおよびσＣを測定した。
上記測定の結果を表１に併記した。この結果から、本発明に適合する条件で製造した無方向性電磁鋼板は、いずれも渦電流損Ｗｅ１／５ｋおよび鉄損Ｗ１５／５０が低い値を示した。これに対して、Ｎｏ．１～４および１３～１７の鋼板は、仕上焼鈍のε／ｔまたは冷却速度が適正でなかったため、所望の残留応力が得られず、渦電流損Ｗｅ１／５ｋを低減できていない。また、Ｎｏ．２０および２１の鋼板は、仕上焼鈍板にショットピーニングで鋼板表面に残留応力（圧縮応力）を導入した例であり、σＳが圧縮応力となり、渦電流損Ｗｅ１／５ｋは却って増加した。また、Ｎｏ．２２の鋼板は、仕上焼鈍の最高到達温度が９００℃未満であったため、フェライト粒径が微細化し、渦電流損Ｗｅ１／５ｋは良好であるが、鉄損Ｗ１５／５０が悪化している。
Figure 0007444275000001
表２に示す種々の成分を含有し、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を常法の精錬プロセスで溶製し、連続鋳造して鋼素材（スラブ）とした。次いで、上記スラブを１１５０℃の温度に３０ｍｉｎ間加熱した後、熱間圧延して板厚１．８ｍｍの熱延板とした。その後、上記熱延板に、９５０℃×１０ｓの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して最終板厚（製品板厚）０．２０ｍｍの冷延板とした。次いで、上記冷延板に、連続焼鈍炉で、最高到達温度を１０２０℃、均熱時間を１０ｓとする均熱処理後、（最高到達温度－５０℃）の温度から５００℃までの平均冷却速度を５５℃／ｓとする条件で仕上焼鈍を施した。この際、鋼板に付与するライン張力を１～１０ＭＰａの範囲で種々に変化させ、前述した方法で、仕上焼鈍前後の塑性伸び率ε（％）を測定した。
斯くして得た仕上焼鈍板から板幅方向を長さ方向とする幅：３０ｍｍ×長さ：２８０ｍｍの試験片を採取し、エプスタイン試験にて鉄損Ｗ１／５ｋを測定し、前述した方法で、０．１Ｔ、５ｋＨｚにおける渦電流損Ｗｅ１／５ｋの値を算出した。また、上記試験片を用いて１．５Ｔ、５０Ｈｚにおける鉄損Ｗ１５／５０の測定も行った。また、前述した方法で、仕上焼鈍板の板幅方向の残留応力σＳおよびσＣを測定した。
上記測定の結果を表２に併記した。なお、鉄損は、同じ板厚の鋼板でも、鋼の比抵抗に影響するＳｉおよびＡｌの含有量によって大きく変化することから、下記式；
Ｗ＝（１２２×ｔ）／（Ｓｉ＋Ａｌ）
ここで、ｔ：板厚（ｍｍ）、Ｓｉ、Ａｌ：それぞれの含有量（ｍａｓｓ％）
で定義する鉄損基準値Ｗで渦電流損Ｗｅ１／５ｋの優劣を評価した。この結果から、本発明に適合する条件で製造した無方向性電磁鋼板は、いずれも渦電流損Ｗｅ１／５ｋおよび鉄損Ｗ１５／５０が低い値を示した。
Figure 0007444275000002
Figure 0007444275000003
Figure 0007444275000004

Claims (4)

  1. Ｃ：０～０．００５０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．０～５．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０～３．０ｍａｓｓ％、Ｐ：０～０．２ｍａｓｓ％、Ｓ：０～０．００５０ｍａｓｓ％、Ａｌ：０～３．０ｍａｓｓ％、Ｎ：０～０．００５０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０～３．０ｍａｓｓ％およびＯ：０～０．００５０ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
    フェライトの平均粒径が５０μｍ以上で、かつ、
    Ｘ線応力測定法で測定した鋼板表面および板厚中心部における板幅方向の圧縮残留応力σＳ、σＣが、それぞれ２．０ＭＰａ以上であることを特徴とする無方向性電磁鋼板。ここで、上記Ｘ線応力測定法には、α－Ｆｅ（２１１）ピークを用いた２θ－ｓｉｎ２ψ法を用いる。
  2. 上記成分組成に加えてさらに、下記Ａ～Ｉ群のうちの少なくとも１群の成分を含有す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。
    記
    ・Ａ群；Ｓｎ：０～０．２０ｍａｓｓ％およびＳｂ：０～０．２０ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
    ・Ｂ群；Ｃａ：０～０．０１ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０～０．０１ｍａｓｓ％およびＲＥＭ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
    ・Ｃ群；Ｃｕ：０～０．５ｍａｓｓ％およびＮｉ：０～０．５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
    ・Ｄ群；Ｇｅ：０～０．０５ｍａｓｓ％、Ａｓ：０～０．０５ｍａｓｓ％およびＣｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
    ・Ｅ群；Ｔｉ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０～０．００５ｍａｓｓ％、Ｖ：０～０．０１０ｍａｓｓ％およびＴａ：０～０．００２ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
    ・Ｆ群；Ｂ：０～０．００２ｍａｓｓ％およびＧａ：０～０．００５％のうちの少なくとも１種
    ・Ｇ群；Ｐｂ：０～０．００２ｍａｓｓ％
    ・Ｈ群；Ｚｎ：０～０．００５ｍａｓｓ％
    ・Ｉ群；Ｍｏ：０～０．０５ｍａｓｓ％およびＷ：０～０．０５ｍａｓｓ％のうちの少なくとも１種
  3. 請求項１に記載の成分組成を有するスラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延し、連続焼鈍炉で仕上焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造方法であって、
    上記仕上焼鈍の最高到達温度を９００℃以上、かつ、
    上記仕上焼鈍の冷却過程における（最高到達温度－５０℃）の温度から５００℃までの平均冷却速度を４０℃／ｓ以上とし、
    上記仕上焼鈍の前後における圧延方向の塑性伸び率ε（％）と仕上焼鈍の均熱時間ｔ（ｓ）から定義されるパラメータε／ｔを０．１０以上とすることで、
    フェライトの平均粒径を５０μｍ以上とし、かつ、
    Ｘ線応力測定法で測定した鋼板表面および板厚中心部における板幅方向の圧縮残留応力σＳ、σＣをそれぞれ２．０ＭＰａ以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。ここで、上記塑性伸び率εは、公称歪の伸び率であり、上記Ｘ線応力測定法には、α－Ｆｅ（２１１）ピークを用いた２θ－ｓｉｎ２ψ法を用いる。
  4. 請求項２に記載の成分組成を有するスラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延し、連続焼鈍炉で仕上焼鈍する無方向性電磁鋼板の製造方法であって、
    上記仕上焼鈍の最高到達温度を９００℃以上、かつ、
    上記仕上焼鈍の冷却過程における（最高到達温度－５０℃）の温度から５００℃までの平均冷却速度を４０℃／ｓ以上とし、
    上記仕上焼鈍の前後における圧延方向の塑性伸び率ε（％）と仕上焼鈍の均熱時間ｔ（ｓ）から定義されるパラメータε／ｔを０．１０以上とすることで、
    フェライトの平均粒径を５０μｍ以上とし、かつ、
    Ｘ線応力測定法で測定した鋼板表面および板厚中心部における板幅方向の圧縮残留応力σＳ、σＣをそれぞれ２．０ＭＰａ以上とすることを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。ここで、上記塑性伸び率εは、公称歪の伸び率であり、上記Ｘ線応力測定法には、α－Ｆｅ（２１１）ピークを用いた２θ－ｓｉｎ２ψ法を用いる。
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