JP7469694B2 - 無方向性電磁鋼板およびその製造方法 - Google Patents

無方向性電磁鋼板およびその製造方法 Download PDF

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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に関する。
近年、モータの駆動システムの発達により、駆動電源の周波数制御が可能となってきた。それに伴い、可変速運転または商用周波数以上での高速回転を行うモータに対する需要が増加している。高速回転を行うモータを構成するロータに作用する遠心力は、回転速度の２乗に比例して大きくなる。そのため、高速モータのロータとして用いられる鋼材には、益々の高強度化が要求されている。
また、ハイブリッド自動車もしくは電気自動車の駆動モータ、またはエアコンのコンプレッサモータなどで採用が増加している埋め込み磁石型インバータ制御モータでは、ロータ外周部にスリットを設けて磁石を埋設している。このため、モータの高速回転時の遠心力により、ロータ外周とスリットとの間などの狭いブリッジ部には、応力が集中する。そこで、ロータに使用されるコア材料には、遠心力で変形破壊しないだけの強度が求められている。
加えて、高速回転モータでは、高周波磁束により渦電流が発生し、モータ効率が低下すると共に、発熱が生じる。この発熱量が多くなると、ロータ内に埋め込まれた磁石が減磁されることから、高周波域での鉄損が低いことも求められる。
鋼板の強度を向上させる方法としては、固溶強化、析出強化、結晶粒微細強化および複合組織強化などを活用する方法が知られている。しかし、これらの方法の多くでは、磁気特性が劣化したり、冷間圧延時の加工性が劣化したりするため、一般的には強度と磁気特性との高度の両立は極めて難しい。
これらを背景に、例えば、特許文献１～３では、優れた磁気特性と高い強度とを実現するための試みがなされている。
日本国特開２００４－３００５３５号公報 日本国特開２００７－１８６７９１号公報 日本国特開２０１２－１４０６７６号公報
しかしながら、近年、電気自動車またはハイブリッド自動車のモータに求められる省エネルギー特性を実現するには、特許文献１～３で開示されているような技術では、低鉄損化が不十分であり、かつ高コストであった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高い強度および優れた磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を低コストで安定的に提供することを目的とする。
本発明は、下記の無方向性電磁鋼板およびその製造方法を要旨とする。
（１）母材の化学組成が、質量％で、
Ｃ：０．００５０％以下、
Ｓｉ：３．８～５．０％、
Ｍｎ：０．２％を超えて２．０％未満、
Ｐ：０．０３０％以下、
Ｓ：０．００３０％以下、
Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％未満、
Ｎ：０．０００５～０．００３０％、
Ｔｉ：０．００５０％未満、
Ｎｂ：０．００５０％未満、
Ｚｒ：０．００５０％未満、
Ｖ：０．００５０％未満、
Ｃｕ：０．２０％未満、
Ｎｉ：０．５０％未満、
Ｓｎ：０～０．１０％、
Ｓｂ：０～０．１０％、
残部：Ｆｅおよび不純物であり、
下記（ｉ）式を満足し、
前記母材の平均結晶粒径が、１０～７０μｍであり、
引張強さが６５０ＭＰａ以上である、
無方向性電磁鋼板。
Ｓｉ＋０．５×Ｍｎ≧４．３ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）である。
（２）引張強さが６６０ＭＰａ以上である、
上記（１）に記載の無方向性電磁鋼板。
（３）前記化学組成が、質量％で、
Ｓｎ：０．００５～０．１０％、および、
Ｓｂ：０．００５～０．１０％、
から選択される１種または２種を含有する、
上記（１）または（２）に記載の無方向性電磁鋼板。
（４）前記母材の表面に絶縁被膜を有する、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板。
（５）上記（１）から（４）までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
上記（１）から（３）までのいずれかに記載の化学組成を有する鋼塊に対して熱間圧延を施し、次いで以下の工程１または工程２を行い、
（工程１）熱延板焼鈍を行わずに、冷間圧延および仕上焼鈍を順に行う。
（工程２）９５０℃以下の温度で熱延板焼鈍を行い、次いで前記冷間圧延および前記仕上焼鈍を順に行う。
前記仕上焼鈍は、均熱温度を７５０～１０００℃とし、均熱時間を１～３００ｓとして行う、
無方向性電磁鋼板の製造方法。
本発明によれば、高い強度および優れた磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を低コストで安定的に得ることができる。
本発明者らが上記の課題を解決するために、鋭意検討を行った結果、以下の知見を得るに至った。
Ｓｉ、ＭｎおよびＡｌは、鋼の電気抵抗を上昇させて渦電流損を低減させる効果を有する元素である。また、これらの元素は、鋼の高強度化にも寄与する元素である。
上記の元素の中でも、Ｓｉは電気抵抗の上昇に最も効率的に寄与する元素であり、強度の上昇にも最も効率的に寄与する元素である。ＡｌもＳｉと同様、電気抵抗を効率的に上昇させる効果を有する。しかしながら、ＡｌはＳｉとともに大量に添加すると鋼の靱性を低下させ、加工性を劣化させるという問題がある。それに対して、Ｍｎは、ＳｉおよびＡｌに比べて電気抵抗を上昇させる効果は低いものの、加工性の劣化を生じさせにくい利点がある。
これらのことから、本実施形態においては、ＳｉおよびＭｎの含有量を適切な範囲に調整することで、高強度化および磁気特性の向上を達成しつつ、加工性を確保する。
さらに、高強度化と磁気特性の向上のためには、結晶粒径の制御も重要である。高強度化の観点からは、鋼中の結晶は細粒であることが望ましい。
また、電気自動車およびハイブリッド自動車用の駆動モータならびにエアコンのコンプレッサ用モータの鉄心材料として使用する無方向性電磁鋼板の磁気特性では、鉄損、特に高周波域での鉄損を改善する必要がある。鉄損は主にヒステリシス損と渦電流損とからなっている。ここで、ヒステリシス損を低減するためには結晶粒は粗大化させることが好ましく、渦電流損を低減するためには結晶粒は微細化させることが好ましい。すなわち、両者の間にはトレードオフの関係が存在する。
そこで本発明者らが、さらに検討を重ねた結果、高強度化および高周波鉄損の低減を達成するための好適な粒径の範囲があり、ＡｌおよびＮの含有量を適切な範囲に調整することが必要であることを見出した。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板は上記の知見に基づいてなされたものである。以下、本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の各要件について詳しく説明する。
１．全体構成
本発明に係る無方向性電磁鋼板は、特に高い強度を有するため、ロータに好適であり、また磁気特性にも優れることから、ステータにも好適である。また、本発明に係る無方向性電磁鋼板は、以下に説明する母材の表面に絶縁被膜を備えていることが好ましい。
２．母材の化学組成
各元素の限定理由は下記のとおりである。なお、以下の説明において含有量についての「％」は、「質量％」を意味する。また、本実施形態において、「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
Ｃ：０．００５０％以下
Ｃ（炭素）は、鉄損劣化を引き起こす元素である。Ｃ含有量が０．００５０％を超えると、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。したがって、Ｃ含有量は０．００５０％以下とする。Ｃ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３５％以下であるのがより好ましい。なお、Ｃは鋼板の高強度化に寄与することから、その効果を得たい場合には、Ｃ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。
Ｓｉ：３．８～５．０％
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、高周波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、鋼板の高強度化にも有効な元素である。一方、Ｓｉ含有量が過剰であると、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。したがって、Ｓｉ含有量は３．８～５．０％とする。Ｓｉ含有量は３．９％以上であるのが好ましく、４．０％以上であるのがより好ましい。また、Ｓｉ含有量は４．８％以下であるのが好ましく、４．５％以下であるのがより好ましい。
Ｍｎ：０．２％を超えて２．０％未満
Ｍｎ（マンガン）は、鋼の電気抵抗を上昇させて渦電流損を低減し、高周波鉄損を改善するために有効な元素である。しかし、Ｍｎ含有量が過剰であると、磁束密度の低下が顕著となる。したがって、Ｍｎ含有量は０．２％を超えて２．０％未満とする。Ｍｎ含有量は０．３％以上であるのが好ましく、０．４％以上であるのがより好ましく、０．５％超であることがより好ましく、０．６％以上であることがより好ましい。また、Ｍｎ含有量は１．８％以下であるのが好ましく、１．７％以下であるのがより好ましく、１．５％未満であるのがより好ましく、１．４％以下であるのがより好ましく、１．２％以下であることがより好ましく、１．０％以下であることがより好ましい。
本発明においては、ＳｉおよびＭｎの含有量を適切に制御することによって、鋼の電気抵抗を確保する。そのため、ＳｉおよびＭｎの含有量がそれぞれ上記の範囲内であることに加えて、下記の（ｉ）式を満足する必要がある。（ｉ）式左辺値は、４．４以上であるのが好ましく、４．５以上であるのがより好ましい。
Ｓｉ＋０．５×Ｍｎ≧４．３ ・・・（ｉ）
但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）である。
式（ｉ）の趣旨は以下の通りである。
上述したように、本実施形態においては、ＳｉおよびＭｎの含有量を適切な範囲に調整することで、高強度化および磁気特性の向上を達成しつつ、加工性を確保する。まず、Ｓｉに着目すると、Ｓｉは鋼の電気抵抗を上昇させて渦電流損を低減させ、高周波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、鋼板の高強度化にも有効な元素である。一方、Ｓｉ含有量が過剰であると、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。このような観点から、Ｓｉ含有量は３．８～５．０％とされる。
Ｓｉ含有量の範囲と式（ｉ）とを対比すると、Ｓｉの含有量が４．３～５．０％となる場合、Ｍｎ含有量に関わらず式（ｉ）が満たされることになる。したがって、この場合、（本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の他の要件が満たされることを前提として）良好な磁気特性が得られることになる。さらに、Ｓｉ含有量が本実施形態の要件を満たすので、無方向性電磁鋼板が高強度となる。一方、Ｓｉは加工性という観点からは不利な元素であるものの、Ｓｉ含有量が少なくとも５．０％以下であることから、加工性も良好となる。
一方で、Ｓｉ含有量が３．８％以上４．３％未満となる場合、Ｓｉ含有量のみでは式（ｉ）が満足されない。つまり、Ｓｉのみでは所望の磁気特性が得られない可能性がある。そこで、不足する磁気特性をＭｎで補うようにする。つまり、Ｍｎ含有量を０．２％超２．０％未満となる範囲内で高めて式（ｉ）が満たされるようにする。これにより、無方向性電磁鋼板の磁気特性が高まる。一方、Ｓｉが３．８％以上となっているので、無方向性電磁鋼板の強度も高くなる。加工性に関しては、Ｓｉ含有量が４．３％未満となるので、上述した場合（すなわち、Ｓｉ含有量が４．３％以上となる）場合よりも加工性が向上する傾向にある。ここで、Ｍｎは加工性に影響を与えにくいので、式（ｉ）が満たされるようにＭｎ含有量を高めたとしても、加工性が低下しにくい。また、Ｍｎ含有量を高めることは、Ｓｉほどではないが強度を高くする効果がある。
このように、本実施形態では、Ｓｉ含有量及びＭｎ含有量が上述した数値範囲内の値となり、かつ式（ｉ）が満たされるように設定されるので、無方向性電磁鋼板の高強度化および磁気特性の向上を達成しつつ、加工性を確保することができる。
Ｐ：０．０３０％以下
Ｐ（リン）は、不純物として鋼中に含まれ、その含有量が過剰であると、鋼板の延性が著しく低下する。したがって、Ｐ含有量は０．０３０％以下とする。Ｐ含有量は０．０２５％以下であるのが好ましく、０．０２０％以下であるのがより好ましい。
Ｓ：０．００３０％以下
Ｓ（硫黄）は、ＭｎＳの微細析出物を形成することで鉄損を増加させ、鋼板の磁気特性を劣化させる元素である。したがって、Ｓ含有量は０．００３０％以下とする。Ｓ含有量は０．００２５％以下であるのが好ましく、０．００２０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｓ含有量の極度の低減は製造コストの増加を招くおそれがあるため、Ｓ含有量は０．０００１％以上であるのが好ましく、０．０００３％以上であるのがより好ましく、０．０００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％未満
Ａｌ（アルミニウム）は、Ｎと結合してＡｌＮを形成して安定した結晶粒の微細化に有効な元素である。この効果を発揮させるためには、０．００５％以上含有する必要がある。一方、０．０５０％以上を含有すると結晶粒の微細化効果が減少する。したがって、Ａｌ含有量は０．００５％以上０．０５０％未満とする。Ａｌ含有量は０．００８％以上であるのが好ましく、０．０１０％以上であるのがより好ましく、０．０１５％以上であるのがより好ましく、０．０２０％以上であることがより好ましい。また、Ａｌ含有量０．０４８％以下であるのが好ましく、０．０４５％以下であるのがより好ましい。なお、本明細書において、Ａｌ含有量は、母材に含まれる全Ａｌの含有量を意味する。
Ｎ：０．０００５～０．００３０％
Ｎ（窒素）は、Ａｌと結合してＡｌＮを形成し、安定した結晶粒の微細化に有効な元素である。一方、大量に含有すると過剰なＡｌＮが形成されて鉄損劣化を招く。したがって、Ｎ含有量は０．０００５～０．００３０％とする。Ｎ含有量は０．０００７％以上であるのが好ましく、０．００１０％以上であるのがより好ましい。また、Ｎ含有量は０．００２７％以下であるのが好ましく、０．００２５％以下であるのがより好ましい。
Ｔｉ：０．００５０％未満
Ｔｉ（チタン）は、不可避的に混入する元素であり、炭素または窒素と結合して析出物（炭化物、窒化物）を形成しうる。炭化物または窒化物が形成された場合には、これらの析出物そのものが磁気特性を劣化させる。さらには、仕上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。したがって、Ｔｉ含有量は０．００５０％未満とする。Ｔｉ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましく、０．００２０％以下であるのがさらに好ましい。なお、Ｔｉ含有量の極度の低減は製造コストの増加を招くおそれがあるため、Ｔｉ含有量は０．０００５％以上であるのが好ましい。
Ｎｂ：０．００５０％未満
Ｎｂ（ニオブ）は、炭素または窒素と結合して析出物（炭化物、窒化物）を形成することで高強度化に寄与する元素であるが、これらの析出物そのものが磁気特性を劣化させる。したがって、Ｎｂ含有量は０．００５０％未満とする。Ｎｂ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましく、０．００２０％以下であるのがさらに好ましい。Ｎｂ含有量は低ければ低いほど好ましく、測定限界以下であるのが好ましい。
Ｚｒ：０．００５０％未満
Ｚｒ（ジルコニウム）は、炭素または窒素と結合して析出物（炭化物、窒化物）を形成することで高強度化に寄与する元素であるが、これらの析出物そのものが磁気特性を劣化させる。したがって、Ｚｒ含有量は０．００５０％未満とする。Ｚｒ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましく、０．００２０％以下であるのがさらに好ましい。Ｚｒ含有量は低ければ低いほど好ましく、測定限界以下であるのが好ましい。
Ｖ：０．００５０％未満
Ｖ（バナジウム）は、炭素または窒素と結合して析出物（炭化物、窒化物）を形成することで高強度化に寄与する元素であるが、これらの析出物そのものが磁気特性を劣化させる。したがって、Ｖ含有量は０．００５０％未満とする。Ｖ含有量は０．００４０％以下であるのが好ましく、０．００３０％以下であるのがより好ましく、０．００２０％以下であるのがさらに好ましい。Ｖ含有量は低ければ低いほど好ましく、測定限界以下であるのが好ましい。
Ｃｕ：０．２０％未満
Ｃｕ（銅）は、不可避的に混入する元素である。意図的なＣｕの添加は、鋼板の製造コストを増加させる。したがって、本発明においては積極的に添加する必要はなく、不純物レベルでよい。Ｃｕ含有量は、製造工程において不可避的に混入しうる最大値である０．２０％未満とする。Ｃｕ含有量は０．１５％以下であるのが好ましく、０．１０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｃｕ含有量の下限値は、特に限定されるものではないが、Ｃｕ含有量の極度の低減は製造コストの増加を招くおそれがある。そのため、Ｃｕ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００３％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｎｉ：０．５０％未満
Ｎｉ（ニッケル）は、不可避的に混入する元素である。しかし、Ｎｉは、鋼板の強度を向上させる元素でもあるため、意図的に添加してもよい。ただし、Ｎｉは高価であるため、意図的に添加する場合は、その含有量を０．５０％未満とする。Ｎｉ含有量は０．４０％以下であるのが好ましく、０．３０％以下であるのがより好ましい。なお、Ｎｉの含有量の下限値は、特に限定されるものではないが、Ｎｉ含有量の極度の低減は製造コストの増加を招くおそれがある。そのため、Ｎｉ含有量は０．００１％以上であるのが好ましく、０．００３％以上であるのがより好ましく、０．００５％以上であるのがさらに好ましい。
Ｓｎ：０～０．１０％
Ｓｂ：０～０．１０％
Ｓｎ（スズ）およびＳｂ（アンチモン）は、表面に偏析し焼鈍中の酸化および窒化を抑制することで、低い鉄損を確保するのに有用な元素である。また、結晶粒界に偏析して集合組織を改善し、磁束密度を高める効果もある。そのため、必要に応じてＳｎおよびＳｂの少なくとも一方を含有させてもよい。しかしながら、これらの元素の含有量が過剰であると、鋼の靱性が低下して冷間圧延が困難となる可能性がある。したがって、ＳｎおよびＳｂの含有量は、それぞれ０．１０％以下とする。ＳｎおよびＳｂの含有量は、それぞれ０．０６％以下であるのが好ましい。なお、上記の効果を得たい場合には、ＳｎおよびＳｂの少なくとも一方の含有量を、０．００５％以上とするのが好ましく、０．０１０％以上とするのがより好ましい。
本発明の無方向性電磁鋼板の母材の化学組成において、残部はＦｅおよび不純物である。ここで「不純物」とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
なお、不純物元素として、ＣｒおよびＭｏの含有量に関しては、特に規定されるものではない。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板では、これらの元素を０．５％以下で含有しても、本発明の効果に特に影響はない。また、ＣａおよびＭｇをそれぞれ０．００２％以下の範囲で含有しても、本発明の効果に特に影響はなく、希土類元素（ＲＥＭ）を０．００４％以下の範囲で含有しても、本発明の効果に特に影響はない。
Ｏも不純物元素であるが、０．０５％以下の範囲で含有しても、本発明の効果に影響はない。Ｏは、焼鈍工程において混入することもあるため、スラブ段階（すなわち、レードル値）の含有量においては、０．０１％以下の範囲で含有しても、本発明の効果に特に影響はない。
また、上記の元素の他に、Ｐｂ、Ｂｉ、Ａｓ、Ｂ、Ｓｅ、などの元素が含まれうるが、それぞれの含有量が０．００５０％以下の範囲であれば、本発明の効果を損なうものではない。
上述した母材の化学成分は、一般的な分析方法によって測定すればよい。例えば、鋼成分は、ＩＣＰ－ＡＥＳ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ－Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて測定すればよい。なお、ＣおよびＳは燃焼－赤外線吸収法を用い、Ｎは不活性ガス融解－熱伝導度法を用い、Ｏは不活性ガス融解－非分散型赤外線吸収法を用いて測定すればよい。
３．結晶粒径
上述のように、高強度化の観点からは、鋼中の結晶は細粒であることが望ましい。加えて、ヒステリシス損を低減するためには結晶粒は粗大化させることが好ましく、渦電流損を低減するためには結晶粒は微細化させることが好ましい。
母材の平均結晶粒径が１０μｍ未満では、ヒステリシス損が著しく悪化し磁気特性の改善が困難になる。一方、平均結晶粒径が８０μｍを超えると、鋼の強度が低下する。したがって、母材の平均結晶粒径は、１０～８０μｍとする。平均結晶粒径は１２μｍ以上であるのが好ましく、１４μｍ以上であるのがより好ましい。また、平均結晶粒径は７０μｍ以下であるのが好ましく、６０μｍ以下であるのがより好ましい。
なお、本発明において、母材の平均結晶粒径は、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って求めるものとする。
４．磁気特性
本発明に係る無方向性電磁鋼板において、磁気特性に優れるとは、鉄損Ｗ１０／４００が低く、磁束密度Ｂ５０が高いことを意味する。ここで、上記の磁気特性は、ＪＩＳ Ｃ ２５５０－１（２０１１）に規定されたエプスタイン法に則して、測定することとする。
５．機械的特性
本発明に係る無方向性電磁鋼板において、高い強度を有するとは、引張強さが６５０ＭＰａ以上であることを意味するものとする。引張強さは６６０ＭＰａ以上であるのが好ましい。ここで、引張強さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に準拠した引張試験を行うことで、測定することとする。
６．絶縁被膜
上述のように、本発明に係る無方向性電磁鋼板においては、母材の表面に絶縁被膜が形成されていることが好ましい。無方向性電磁鋼板は、コアブランクを打ち抜いたのち積層され使用されるため、母材の表面に絶縁被膜を設けることで、板間の渦電流を低減することができ、コアとして渦電流損を低減することが可能となる。
絶縁被膜の種類については特に限定されず、無方向性電磁鋼板の絶縁被膜として用いられる公知の絶縁被膜を用いることが可能である。このような絶縁被膜として、例えば、無機物を主体とし、さらに有機物を含んだ複合絶縁被膜を挙げることができる。ここで、複合絶縁被膜とは、例えば、クロム酸金属塩、リン酸金属塩、または、コロイダルシリカ、Ｚｒ化合物、Ｔｉ化合物等の無機物の少なくともいずれかを主体とし、微細な有機樹脂の粒子が分散している絶縁被膜である。特に、近年ニーズの高まっている製造時の環境負荷低減の観点からは、リン酸金属塩、ＺｒもしくはＴｉのカップリング剤、または、これらの炭酸塩もしくはアンモニウム塩を出発物質として用いた絶縁被膜が好ましく用いられる。
ここで、絶縁被膜の付着量は、特に限定するものではないが、例えば、片面あたり２００～１５００ｍｇ／ｍ２程度とすることが好ましく、片面あたり３００～１２００ｍｇ／ｍ２とすることがより好ましい。上記範囲の付着量となるように絶縁被膜を形成することで、優れた均一性を保持することが可能となる。なお、絶縁被膜の付着量を、事後的に測定する場合には、公知の各種測定法を利用することが可能であり、例えば、水酸化ナトリウム水溶液浸漬前後の質量差を測定する方法、または検量線法を用いた蛍光Ｘ線法等を適宜利用すればよい。
７．製造方法
本発明に係る無方向性電磁鋼板の製造方法については特に制限されるものではないが、例えば、上述した化学成分を有する鋼塊に対して、熱間圧延を施し、ついで、以下の工程１または工程２を行うことによって製造することが可能である。
（工程１）熱延板焼鈍を行わずに、冷間圧延および仕上焼鈍を順に行う。
（工程２）９５０℃以下の温度で熱延板焼鈍を行い、次いで冷間圧延および仕上焼鈍を順に行う。
また、絶縁被膜を母材の表面に形成する場合には、上記仕上焼鈍の後に絶縁被膜の形成が行われる。以下、各工程について、詳細に説明する。
＜熱間圧延工程＞
上記の化学組成を有する鋼塊（スラブ）を加熱し、加熱された鋼塊に対して熱間圧延を行い、熱延板を得る。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、１０５０～１２５０℃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、母材の最終板厚を考慮して、例えば、１．５～３．０ｍｍ程度とすることが好ましい。
＜熱延板焼鈍工程＞
その後、鋼板の磁束密度を上昇させることを目的として、熱延板焼鈍を実施してもよい。つまり、工程１では熱延板焼鈍工程は省略される。工程２では熱延板焼鈍工程を行う。熱延板焼鈍工程を行う場合、９５０℃を超える高温の焼鈍を行うと冷間圧延時に破断が生じるおそれがある。したがって、焼鈍温度は９５０℃以下とする。連続焼鈍の場合には、熱延鋼板に対して、７００～９５０℃で１０～１５０ｓの均熱による焼鈍を行うことが好ましい。均熱条件は、８００～９３０℃で１０～１５０ｓとすることがより好ましい。
また、箱焼鈍の場合には、熱延鋼板に対して６００～８５０℃で３０ｍｉｎ～２４ｈの均熱による焼鈍が好ましい。より好ましくは、６５０～８００℃で１ｈ～２０ｈ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、上記の熱延板焼鈍工程を省略してもよい（工程１）。
＜酸洗工程＞
上記熱延板焼鈍の後には、酸洗が実施されてもよい。当該酸洗により、母材の表面に生成したスケール層が除去される。ここで、酸洗に用いられる酸の濃度、酸洗に用いる促進剤の濃度、酸洗液の温度等の酸洗条件は、特に限定されるものではなく、公知の酸洗条件とすることができる。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。この場合、熱延板焼鈍後に酸洗を実施する必要はない。熱延板焼鈍を省略した場合、熱間圧延後の熱延板からスケール層を除去する目的で、熱延板に上記酸洗を行ってもよい。
＜冷間圧延工程＞
工程１では熱間圧延工程後、工程２では上記酸洗の後（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になる場合もある。）に、冷間圧延が実施される。冷間圧延では、例えば母材の最終板厚が０．１０～０．３５ｍｍとなるような圧下率で、スケール層の除去された酸洗板が圧延される。
＜仕上焼鈍工程＞
上記冷間圧延の後には、仕上焼鈍が実施される。本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法では、仕上焼鈍には、連続焼鈍炉を使用することが好ましい。仕上焼鈍工程は、母材の平均結晶粒径を制御するために、重要な工程である。
ここで、仕上焼鈍条件については、均熱温度を７５０～１０００℃とし、均熱時間を１～３００ｓとし、雰囲気をＨ２の割合が１０～１００体積％であるＨ２および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３０℃以下とすることが好ましい。
均熱温度が７５０℃未満の場合には、未再結晶組織が増加し、鉄損が劣化して好ましくなく、均熱温度が１０００℃を超える場合には、強度不足となり、鉄損も劣化するため、好ましくない。均熱温度は、より好ましくは７６０～９８０℃であり、さらに好ましくは７７０～９６０℃である。雰囲気中のＨ２の割合は、より好ましくは１５～９０体積％である。雰囲気の露点は、より好ましくは２０℃以下であり、さらに好ましくは１０℃以下である。
＜絶縁被膜形成工程＞
上記仕上焼鈍の後には、絶縁被膜の形成工程が実施されてもよい。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および乾燥を行えばよい。
なお、絶縁被膜が形成される母材の表面は、処理液を塗布する前に、アルカリなどによる脱脂処理、または塩酸、硫酸、リン酸などによる酸洗処理など、任意の前処理を施してもよいし、これら前処理を施さずに仕上焼鈍後のままの表面であってもよい。
以上述べた通り、本実施形態によれば、ＳｉおよびＭｎの含有量を適切な範囲（すなわち式（ｉ）に示される範囲）に調整することで、無方向性電磁鋼板の高強度化および磁気特性の向上を達成しつつ、加工性を確保することができる。さらには、母材の平均結晶粒径が１０～８０μｍとなっているので、この点でも無方向性電磁鋼板の強度を高めつつ、磁気特性を高めることができる。このように、本実施形態では、特許文献１のようなＮｉ及びＣｕ、特許文献２のようなＴｉ及びＶ、特許文献３のようなＣａ等の高価な特殊元素を多量に添加せずに、無方向性電磁鋼板の高強度化および磁気特性の向上を達成しつつ、加工性を確保することができる。さらに、本実施形態では、低コストのＡｌの適量添加により、冷間圧延時の加工性確保と、仕上げ焼鈍時の結晶粒径制御が容易となり、製品歩留まりが向上する。したがって、高い強度および優れた磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を低コストで安定的に提供することができる。
以下、実施例によって本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表１に示す化学組成を有するスラブを１１５０℃に加熱した後、仕上温度８５０℃、仕上板厚２．０ｍｍにて熱間圧延を施し、６５０℃で巻取って熱延鋼板とした。一部の試験Ｎｏ．では、得られた熱延鋼板に対して、表２に示す焼鈍温度で熱延板焼鈍を施し、酸洗により表面のスケールを除去した。熱延板焼鈍での均熱時間は全て３０ｓとした。こうして得られた酸洗板（熱延板焼鈍を省略した場合には熱延鋼板のスケールを除去した酸洗板）を、冷間圧延により板厚０．２５ｍｍの冷延鋼板とした。
さらに、Ｈ２：２５％、Ｎ２：７５％、露点０℃の混合雰囲気にて、以下の表２に示すような平均結晶粒径となるように、仕上焼鈍条件（均熱温度（焼鈍温度）および均熱時間）を変えて焼鈍した。具体的には、平均結晶粒径が大きくなるように制御する場合には、均熱温度をより高く、および／または、均熱時間をより長くした。また、平均結晶粒径が小さくなるように制御する場合は、その逆とした。具体的な均熱温度（焼鈍温度）及び均熱時間を表２に示す。その後、絶縁被膜を塗布して、無方向性電磁鋼板を製造し試験材とした。
また、上記の絶縁被膜は、リン酸アルミニウムおよび粒径０．２μｍのアクリル－スチレン共重合体樹脂エマルジョンからなる絶縁被膜を所定付着量となるよう塗布し、大気中、３５０℃で焼付けることで形成した。
Figure 0007469694000001
Figure 0007469694000002
得られた各試験材について、化学組成を上述した測定方法で確認したところ、スラブの化学組成とほぼ同様であることが確認できた。さらに、ＪＩＳ Ｇ ０５５１（２０１３）「鋼－結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って、母材の平均結晶粒径を計測した。また、各試験材の圧延方向および幅方向からエプスタイン試験片を採取し、ＪＩＳ Ｃ ２５５０－１（２０１１）に則したエプスタイン試験により、磁気特性（鉄損Ｗ１０／４００、磁束密度Ｂ５０）を評価した。磁束密度Ｂ５０は、１．６０Ｔ以上を合格レベルとし、鉄損Ｗ１０／４００は、２２．０Ｗ／ｋｇ以下を合格レベルとした。さらに、各試験材から、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に従い、長手方向が鋼板の圧延方向と一致するようにＪＩＳ５号引張試験片を採取した。そして、上記試験片を用いてＪＩＳ Ｚ ２２４１（２０１１）に従い引張試験を行い、引張強さを測定した。引張強さは６５０ＭＰａ以上を合格レベルとした。上記の結果を表２に併せて示す。
鋼板の化学組成および仕上げ焼鈍後の平均結晶粒径が本発明の規定を満足する試験Ｎｏ．３、４、６、７、９、１０、１３～１７、２０、２２～３０、３７では、鉄損および磁束密度に優れ、特に鉄損が低く、かつ、６５０ＭＰａ以上の高い引張強さを有していることが分かった。特に、各化学成分の含有量が好ましい範囲内の値となっている場合、これらの特性のいずれかがさらに良好になる傾向があった。
それらに対して、比較例である試験Ｎｏ．１、２、５、８、１１～１２、１８、１９、２１、３１～３６では、磁気特性および強度の少なくともいずれかが劣るか、靱性が著しく劣化し製造が困難となった。
具体的には、試験Ｎｏ．１では、Ｓｉ含有量が規定範囲より低いため、引張強さが劣る結果となった。また、化学組成が規定を満足する試験Ｎｏ．２～５を比較すると、Ｎｏ．２では、平均結晶粒径が規定より小さいために鉄損が劣っており、試験Ｎｏ．５、３５、３６では、平均結晶粒径が規定より大きいため引張強さが劣る結果となった。
また、試験Ｎｏ．８では、Ｓｉ含有量が規定範囲を超え、試験Ｎｏ．１２では、Ｐ含有量が規定範囲を超え、試験Ｎｏ．１８では熱延板焼鈍温度が規定範囲を超えたため、靱性が劣化して冷間圧延時に破断し、平均結晶粒径、引張強さおよび磁気特性の測定を実施できなかった。さらに、試験Ｎｏ．１１、３４では、Ｍｎ含有量が規定範囲を超えたため、磁束密度が劣る結果となった。試験Ｎｏ．３２では、Ｍｎ含有量が規定範囲を下回ったため、鉄損が劣る結果となった。
試験Ｎｏ．１９では、Ａｌ含有量が規定範囲を下回り、試験Ｎｏ．２１、３３では、Ａｌ含有量が規定範囲を超えたため、平均結晶粒径の調整が困難で、引張強さが劣る結果となった。試験Ｎｏ．３１では、（ｉ）式を満足しないため、鉄損が劣る結果となった。
以上のように、本発明によれば、高い強度および優れた磁気特性を有する無方向性電磁鋼板を低コストで安定的に得ることができる。

Claims (5)

  1. 母材の化学組成が、質量％で、
    Ｃ：０．００５０％以下、
    Ｓｉ：３．８～５．０％、
    Ｍｎ：０．２％を超えて２．０％未満、
    Ｐ：０．０３０％以下、
    Ｓ：０．００３０％以下、
    Ａｌ：０．００５％以上０．０５０％未満、
    Ｎ：０．０００５～０．００３０％、
    Ｔｉ：０．００５０％未満、
    Ｎｂ：０．００５０％未満、
    Ｚｒ：０．００５０％未満、
    Ｖ：０．００５０％未満、
    Ｃｕ：０．２０％未満、
    Ｎｉ：０．５０％未満、
    Ｓｎ：０～０．１０％、
    Ｓｂ：０～０．１０％、
    残部：Ｆｅおよび不純物であり、
    下記（ｉ）式を満足し、
    前記母材の平均結晶粒径が、１０～７０μｍであり、
    引張強さが６５０ＭＰａ以上である、
    無方向性電磁鋼板。
    Ｓｉ＋０．５×Ｍｎ≧４．３ ・・・（ｉ）
    但し、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（質量％）である。
  2. 引張強さが６６０ＭＰａ以上である、
    請求項１に記載の無方向性電磁鋼板。
  3. 前記化学組成が、質量％で、
    Ｓｎ：０．００５～０．１０％、および、
    Ｓｂ：０．００５～０．１０％、
    から選択される１種または２種を含有する、
    請求項１または請求項２に記載の無方向性電磁鋼板。
  4. 前記母材の表面に絶縁被膜を有する、
    請求項１から請求項３までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の無方向性電磁鋼板を製造する方法であって、
    請求項１から請求項３までのいずれかに記載の化学組成を有する鋼塊に対して熱間圧延を施し、次いで以下の工程１または工程２を行い、
    （工程１）熱延板焼鈍を行わずに、冷間圧延および仕上焼鈍を順に行う。
    （工程２）９５０℃以下の温度で熱延板焼鈍を行い、次いで前記冷間圧延および前記仕上焼鈍を順に行う。
    前記仕上焼鈍は、均熱温度を７５０～１０００℃とし、均熱時間を１～３００ｓとして行う、
    無方向性電磁鋼板の製造方法。
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