JP7473862B1 - 無方向性電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

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Abstract

mass%で、C:0.005%以下、Si:3.0~5.0%、Al:3.0%以下、Mn:3.0%以下およびCu:0.01~0.5%を含有するスラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍し、冷間圧延して冷延板とした後、仕上焼鈍を施して無方向性電磁鋼板を製造する際、上記仕上焼鈍の、加熱帯の鋼板温度が500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点DHを-20℃以下、加熱帯の鋼板温度温が800℃超から均熱温度までの領域および均熱帯における炉内雰囲気の露点DSを-40℃以下とし、かつ、上記露点DHと露点DSがDH>DSの関係を満たすよう制御し、仕上焼鈍後の鋼板表面の酸化を抑制することで、Siを多く含有するハイグレード材において、低鉄損の無方向性電磁鋼板を安定して得る。

Description

本発明は、主に回転機の鉄心材料に使用される無方向性電磁鋼板の製造方法に関するものである。
無方向性電磁鋼板(けい素鋼板)は、主にモータの鉄心材料に使用される軟磁性材料であり、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減するため、合金元素としてSiが多く添加されている。無方向性電磁鋼板は、産業用の誘導モータに使用されるケースが多いため、従来はSi含有量が3.0mass%未満で、板厚が0.5mm~0.35mmのいわゆるローグレード材が多用されていた。このグレードは、非磁性元素であるSiの含有量が比較的低いため、磁束密度が高いという特徴があり、誘導モータの励磁電流と銅損を低減するのに有利であった。また、板厚が比較的厚いため、鉄鋼メーカーにおいても、連続圧延や連続焼鈍ラインにおける生産性が高く、安価に製造できるという利点もあった。
一方、近年、気候変動対策としてCO排出量を削減するため、自動車の電動化が急激に進んでいる。電気自動車は、内燃機関に代わって大型モータにより駆動されるため、自動車の電動化には大量の電磁鋼板が必要となる。また、電気自動車の駆動モータは、小型・軽量化が要求されるため、界磁方法として強力な希土類永久磁石が採用され、かつ、高出力化のため、高速回転が志向されている。そのため、電気自動車の駆動モータで発生する損失は、銅損よりも鉄損が支配的であり、鉄心材料である電磁鋼板には、鉄損の低減がより強く要求されるようになってきている。
上記の理由から、電気自動車の駆動モータに用いられる無方向性電磁鋼板には、従来のローグレード材に代わり、Si含有量が3.0mass%以上で板厚が0.3mm以下のハイグレード材が使用されるようになってきている。このような電気自動車用の電磁鋼板には、極めて低い鉄損値が要求されるため、製造条件の変動によるわずかな鉄損のばらつきも製品歩留まりに大きく影響する。そのため、鉄損を変動させるような要因は極力排除しなければならない。
無方向性電磁鋼板の鉄損を低減する技術として、例えば、特許文献1には、仕上焼鈍の冷却過程において板幅中央部の温度が600℃に冷却されるまで、全板幅の温度を板幅中央部の温度±20℃以内に保ちながら冷却することで板幅方向の鉄損の変動を抑制する技術が提案されている。
特開昭63-047333号公報
ところで、無方向性電磁鋼板を製造する仕上焼鈍設備には、通常、板幅方向の冷却ガスの流量を調整する機構が備わっており、オペレータは鋼板温度を均一化するように板幅方向のガス流量を調整することが可能となっている。しかしながら、特許文献1に記載の方法、すなわち冷却中の鋼板の板幅方向の温度を均一化する技術のみでは、無方向性電磁鋼板の鉄損を安定して低減することはできないという問題があった。
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、Siを多量に含有するハイグレード材において、鉄損が従来よりも低い無方向性電磁鋼板を安定して製造する方法を提案することにある。
発明者らは、上記課題を解決するため、鋼素材中に含まれる不純物と仕上焼鈍条件が鉄損特性に及ぼす影響に着目して鋭意検討を重ねた。その結果、従来技術でSiを多く含有するハイグレード材の鉄損を十分に低減することができなかった理由は、仕上焼鈍において鋼板表面に酸化物層が形成されるためであること、そして、上記仕上焼鈍における鋼板表面の酸化物層の形成を抑制する、すなわち、鋼板表面の酸化を抑制するためには、鋼成分としてCuを添加するとともに、仕上焼鈍における加熱帯および均熱帯の炉内雰囲気の露点を適正に制御することが重要であることを見出し、本発明を開発するに至った。
上記知見に基づく本発明は、C:0.005mass%以下、Si:3.0~5.0mass%、Al:3.0mass%以下、Mn:3.0mass%以下、P:0.10mass%以下、S:0.005mass%以下、N:0.005mass%以下、Cu:0.01~0.5mass%およびO:0.005mass%以下を含有し、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スラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍し、1回の冷間圧延もしくは中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延して冷延板とした後、加熱帯、均熱帯および冷却帯を有する連続焼鈍設備を用いて仕上焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造方法において、上記仕上焼鈍の、加熱帯の鋼板温度が500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dを-20℃以下、加熱帯の鋼板温度が800℃超から均熱温度までの領域および均熱帯における炉内雰囲気の露点Dを-40℃以下とし、かつ、上記露点Dと露点DがD>Dの関係を満たすよう制御することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法を提案する。
本発明の上記無方向性電磁鋼板の製造方法は、上記仕上焼鈍の冷却帯の鋼板温度が均熱温度から500℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dを-40℃以下と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の製造方法に用いる上記スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記A~J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。

・A群;Sn:0.005~0.20massおよびSb:0.005~0.20mass%のうちの少なくとも1種
・B群;Ca:0.001~0.010mass%、Mg:0.0002~0.005mass%およびREM:0.001~0.05mass%のうちの少なくとも1種
・C群;Cr:0.01~3.0mass%
・D群;Ni:0.01~1mass%
・E群;Mo:0~0.050mass%およびB:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
・F群;Ti:0~0.010mass%、Nb:0~0.0050mass%、V:0~0.050mass%、Pb:0~0.0020mass%、Zr:0~0.050mass%、Ta:0~0.0020mass%、W:0~0.050mass%、Se:0~0.0050mass%およびBi:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
・G群;As:0~0.020mass%
・H群;Zn:0~0.010mass%
・I群;Co:0~0.10mass%
・J群;Ge:0~0.030mass%およびGa:0~0.030mass%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の製造方法に用いる上記スラブは、転炉または電炉から出鋼した後、さらに成分調整した溶鋼を連続鋳造して製造した厚さが30mm以上300mm以下のスラブであることを特徴とする。
本発明によれば、鉄損が極めて低い無方向性電磁鋼板を安定して製造することができる。したがって、本発明によれば、電気自動車用の駆動モータに用いて好適な鉄心材料を提供することが可能となる。
仕上焼鈍後の鋼板表面の酸素目付量が鉄損W17/200に及ぼす影響を示すグラフである。 仕上焼鈍設備の、加熱帯の500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dと、加熱帯の鋼板温度が800℃超から均熱温度までの領域および均熱帯の炉内雰囲気の露点Dが鋼板表面の酸素目付量に及ぼす影響を示すグラフである。 Cu含有量が仕上焼鈍後の鋼板表面の酸素目付量に及ぼす影響を示すグラフである。 仕上焼鈍設備の冷却帯における雰囲気の露点Dが仕上焼鈍後の鋼板表面の酸素目付量に及ぼす影響を示すグラフである。
まず、本発明を開発する契機となった実験について説明する。
<実験1>
C:0.0015mass%、Si:3.32mass%、Mn:0.51mass%、P:0.009mass%、S:0.0012mass%、Al:0.63mass%、N:0.0015mass%、Cu:0.05mass%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スラブを熱間圧延して板厚1.8mmの熱延板とした。次いで、上記熱延板に、均熱温度が980℃の熱延板焼鈍を施し、酸洗して脱スケールし、冷間圧延して、板厚0.25mmの冷延板とした。その後、加熱帯、均熱帯および冷却帯を有する連続焼鈍設備(仕上焼鈍設備)を用いて、加熱過程の500℃から均熱温度までの間の昇温速度を15℃/sとし、均熱温度を980℃、均熱時間を20sとする仕上焼鈍を施した。この際、加熱帯および均熱帯の炉内雰囲気はvol%比でH:N=20:80の混合ガスとし、均熱帯の炉内雰囲気の露点は-35℃とした。また、冷却帯の炉内雰囲気はNガスとし、均熱温度から500℃までの間の冷却速度は15℃/sとした。なお、本発明の仕上焼鈍における上記昇温速度および冷却速度は、それぞれ平均昇温速度、平均冷却速度である(以降、同様)。
斯くして得た仕上焼鈍後の鋼板について、鉄損特性を評価したところ、製造タイミングによって鉄損値が大きく変動していることがわかった。この変動は、特に、磁束密度が高く、周波数が高い測定条件で顕著であった。そこで、本発明では、特に鉄損値の変動が顕著であった最大磁束密度1.7T、周波数200Hzにおける鉄損W17/200で鉄損特性を評価することとした。なお、上記の鉄損測定条件は、モータの励磁電流が高く、かつ、回転数が高い状態に相当し、電気自動車の場合では、例えば比較的高速で登坂を行う場合に対応する。鉄損が高いと、モータコアの温度が上昇して、希土類磁石が減磁してしまうという問題が生じる。
発明者らは、鉄損W17/200が製造タイミングによって大きく変動する原因を調査するため、仕上焼鈍後の鋼板について酸素含有量の分析を行った。そして、得られた酸素量から出鋼時の酸素含有量(0.0012mass%)を差し引いた後、鋼板表面(両面)1m当たりの酸素量(単位:g/m)に換算した。なお、本発明では、この酸素量を「酸素目付量」と称する。
図1に、酸素目付量と鉄損W17/200との関係を示した。この図から、鉄損値が高い鋼板では、上記した酸素目付量が高くなっており、特に酸素目付量が0.06g/m超えの領域で鉄損値が高くなっていることがわかる。そこで、酸素目付量の高い鋼板の断面をSEMで観察したところ、鋼板の表層付近にSiやAlの酸化物が確認され、これらが鉄損増加の原因となっているものと推定された。
上記の現象について、発明者らは以下のように考えている。通常の商用周波数帯における鉄損測定条件(W15/50など)では、表層付近に僅かな酸化層があっても、透磁率が低いため、この領域はあまり励磁されず、鉄損に及ぼす影響は小さい。しかし、最大磁束密度が高い測定条件では、鋼板表層付近の透磁率が低い領域も励磁され、また、周波数が高くなると表皮効果で鋼板表面の磁束密度も高くなり易い。そのため、W17/200では僅かな表層酸化物でも鉄損に大きな悪影響を及ぼすようになる。
そこで、発明者らは、鉄損の増加を抑制するため、まず、加熱帯、均熱帯および冷却帯を有する連続焼鈍設備を用いた仕上焼鈍条件に着目してさらに検討を重ねた。具体的には、上記仕上焼鈍設備の加熱帯と均熱帯の炉内雰囲気を別々に制御することを着想し、その影響を確認する実験を行った。
上記の実験結果について、加熱帯および均熱帯の炉内雰囲気の露点が、鋼板表面の酸素目付量に及ぼす影響として図2に示した。なお、図中に示した露点Dは、加熱帯の鋼板温度が500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点であり、また、露点Dは、加熱帯の鋼板温度が800℃超から均熱温度までの領域と均熱帯における炉内雰囲気の露点である。この図から、上記露点Dが-20℃以下、露点Dが-40℃以下、かつ、上記DとDが、D>Dの関係を満たしているときに、鋼板表面の酸素目付量を0.06g/m以下に低減できていることがわかる。なお、本発明では、以降、上記した加熱帯の鋼板温度が500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dのことを「加熱帯の露点D」、加熱帯の鋼板温度が800℃超から均熱温度までの領域および均熱帯における炉内雰囲気の露点Dのことを「均熱帯の露点D」と称する。
上記のように、加熱帯の露点D>均熱帯の露点Dの関係を満たしている場合に、鋼板表面の酸素目付量を低減できる理由については、発明者らは、以下のように考えている。加熱初期の雰囲気の露点が高い場合には、鋼板表面にごく薄いバリア性が高いSi,Al酸化物が形成され、これによって、均熱帯における酸化が却って抑制されることになるためであると推定している。
<実験2>
次に、発明者らは、鋼板中に含まれる、不純物が鋼板表面の酸素目付量に及ぼす影響を調査する以下の実験を行った。
上記<実験1>と同じ成分組成を有し(Cuを除く)、かつ、Cuを0.003~0.5mass%の範囲で種々に変化して含有するスラブを熱間圧延して板厚1.6mmの熱延板とし、均熱温度1020℃の熱延板焼鈍を施した後、酸洗してスケールを除去した。次いで、上記酸洗後の熱延板を冷間圧延して板厚0.25mmの冷延板とした後、加熱過程における500℃から均熱温度までの間の昇温速度を25℃/s、均熱温度を1010℃、均熱時間を10sとする仕上焼鈍を施した。この際、仕上焼鈍における、加熱帯および均熱帯の炉内雰囲気はvol%比でH:N=30:70の混合ガスとし、加熱帯の露点Dは-35℃、均熱帯の露点Dは-50℃とした。また、冷却帯の炉内雰囲気はNガスとし、均熱温度から500℃までの間の冷却速度は-30℃/sとした。
次いで、上記仕上焼鈍後の鋼板から、サンプル材を採取し、<実験1>と同様にして鋼板表面の酸素目付量を測定した。図3に、Cu含有量が鋼板表面の酸素目付量に及ぼす影響を示した。この図から、Cuを0.01mass%以上添加することで、仕上焼鈍における鋼板表面の酸化が顕著に抑制されることわかった。
このメカニズムはまだ十分に明らかとなっていないが、CuはFeよりも酸化され難い元素であるため、大気酸化や酸洗によって地鉄表面に濃化し、仕上焼鈍でバリア性の高い酸化膜の形成を促進する役割を果たしていると考えられる。なお、図3にはCu:0.10~0.50mass%の結果は示されていないが、上記範囲では酸素目付量に大きな変動はなく、0.005g/m程度であった。
<実験3>
次いで、発明者らは、仕上焼鈍の冷却帯における炉内雰囲気の露点が、仕上焼鈍後の鋼板表面の酸目付量に及ぼす影響を調査する以下の実験を行った。
C:0.0011mass%、Si:3.54mass%、Mn:0.56mass%、P:0.005mass%、S:0.0009mass%、Al:0.81mass%、N:0.0012mass%、Cu:0.05mass%およびO:0.0006mass%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スラブを熱間圧延して板厚1.7mmの熱延板とした。次いで、上記熱延板に、均熱温度900℃の熱延板焼鈍を施し、酸洗して脱スケールした後、冷間圧延して板厚0.25mmの冷延板とした。次いで、上記冷延板に、加熱過程における500℃から均熱温度までの間の昇温速度を30℃/sとし、均熱温度を1000℃、均熱時間を5sとする仕上焼鈍を施した。この際、仕上焼鈍の加熱帯、均熱帯の雰囲気はvol%でH:N=20:80の混合ガスとし、加熱帯の露点Dは-35℃、均熱帯の露点Dは-54℃とした。また、冷却帯の雰囲気はNガスとし、均熱温度から500℃までの間の冷却速度を15℃/sとし、上記冷却帯の炉内雰囲気の露点Dを0℃~-70℃の範囲で種々に変化させた。
次いで、上記仕上焼鈍後の鋼板から、サンプル材を採取し、<実験1>と同様にして鋼板表面の酸素目付量を測定し、その結果を図4に示した。この図から、冷却帯の炉内雰囲気の露点Dが-40℃を超えると、酸素目付量が急激に上昇しており、上記露点Dを-40℃以下に制御することで、鋼板表面の酸素目付量をより低減することができることがわかった。
本発明は、上記の知見に基づき、さらに検討を重ねて開発したものである。
次に、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)が有すべき成分組成について説明する。
C:0.005mass%以下
Cは、製品板中に多量に含有していると磁気時効の原因となり、モータの高温長時間の使用により炭化物が析出して鉄損が増加する原因となる。そのため、Cは0.005mass%以下に制限する。好ましくは0.003mass%以下である。
Si:3.0~5.0mass%
Siは、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減する元素である。電気自動車用の駆動モータでは、極めて低い鉄損が要求されるため、3.0mass%以上の添加を必要とする。しかし、5.0mass%を超えると、冷間圧延することが著しく困難になるため、上限は5.0mass%とする。好ましいSiの範囲は3.5~4.5mass%である。
Mn:3.0mass%以下
Mnは、熱間加工性を改善する元素であるとともに、鋼の比抵抗を高めて、鉄損を低減する元素でもある。そのため、必要に応じて添加することができる。好ましくは0.01mass%以上である。しかし、3.0mass%を超えると、却って磁束密度が低下したり、鉄損が悪化したりするため、上限は3.0mass%とする。好ましいMnの範囲は0.3~2.0mass%である。
P:0.10mass%以下
Pは、鋼を硬化して脆化させる元素であり、特に0.10mass%を超えると、冷間圧延することが困難になる。そのため、本発明では、Pの含有量は0.10mass%以下に制限する。好ましくは0.03mass%以下である。なお、Pを、鋼の強度向上や打ち抜き加工性の改善に利用する場合は、0.03~0.07mass%の範囲で添加するのが好ましい。
S:0.005mass%以下
Sは、硫化物を形成して粒成長を阻害し、鉄損を増加させる有害元素である。特に0.005mass%を超えると、上記影響が顕著となるため、0.005mass%以下に制限する。好ましくは0.003mass%以下である。
Al:3.0mass%以下
Alは、Siと同様、鋼の比抵抗を高めて、鉄損を低減する元素であるため、必要に応じて添加することができる。しかし、3.0mass%を超えると、冷間圧延することが著しく困難になるため、上限は3.0mass%とする。好ましくは0.3~2.0mass%の範囲である。
N:0.005mass%以下
Nは、窒化物を形成して粒成長を阻害し、鉄損を増加させる有害元素である。特に0.005mass%を超えると、上記影響が顕著になるため、0.005mass%以下に制限する。好ましくは0.003mass%以下である。
Cu:0.01~0.5mass%
Cuは、仕上焼鈍における鋼板表面の酸化を抑制して鉄損の上昇を抑制する効果がある。上記効果は、0.01mass%以上の添加で得られる。しかし、0.5mass%を超えると、上記効果が飽和し、合金コストが高くなることに加え、熱間脆性が起きやすくなる。そのため、Cuは0.01~0.5mass%の範囲とする。好ましくは0.02~0.2mass%の範囲である。
なお、Cuは、原材料から不可避的に混入してくるトランプエレメントの一種であり、製鋼工程で投入するスクラップがCu源となることが知られている。電炉でスクラップを溶解してスラブを製造する場合は、Cuを添加しなくてもCu含有量が高くなるため、原料コストを低減することができる。また、電炉を用いる方法は、COの排出量を削減する観点からも好ましい。
O:0.005mass%以下
Oは、酸化物を形成して粒成長を阻害し、鉄損を増加させる有害元素である。特に上記影響は0.005mass%を超えると顕著になるため、0.005mass%以下に制限する。好ましくは0.003mass%以下である。
本発明に用いる鋼素材は、上記した成分以外の残部は、実質的にFeおよび不可避的不純物である。ただし、本発明では、磁気特性や機械的特性の改善を目的として、さらに下記のA~J群のうちから選ばれる少なくとも1群の成分を含有してもよい。
A群;Sn:0.005~0.20massおよびSb:0.005~0.20mass%のうちの少なくとも1種
SnおよびSbは、集合組織を改善して鉄損を低減するのに有効な元素である。上記効果はそれぞれ0.005mass%以上の添加で得られる。しかし、それぞれ0.20mass%を超えると、上記効果が飽和する。そのため、SnおよびSbは、少なくとも1種を0.005~0.20mass%の範囲で添加するのが好ましい。より好ましくは、それぞれ0.01~0.10mass%の範囲である。
B群;Ca:0.001~0.010mass%、Mg:0.0002~0.005mass%およびREM:0.001~0.05mass%のうちの少なくとも1種
Ca,MgおよびREMは、安定な硫化物を形成し、微細な硫化物を低減することで粒成長性を改善し、鉄損を低減する元素である。いずれも、上記下限値未満では、上記効果が十分に得られず、一方、上記上限値を超えると上記効果が飽和する。そのため、Ca,MgおよびREMは、Ca:0.001~0.010mass%、Mg:0.0002~0.005mass%およびREM:0.001~0.05mass%のうちの少なくとも1種を含有するのが好ましい。より好ましくは、Ca:0.002~0.005mass%、Mg:0.0005~0.002mass%およびREM:0.005~0.03mass%の範囲である。
C群;Cr:0.01~3.0mass%
Crは、鋼の比抵抗を高めて鉄損を低減する元素である。上記効果を得るためには0.01mass%以上添加するのが好ましい。一方、3.0mass%を超える添加は、鉄損を悪化するだけでなく、原料コストの上昇を招くため、上限は3.0mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.03~2.0mass%の範囲である。
D群;Ni:0.01~1mass%
Niは、鋼の靭性を改善する元素である。上記効果を得るためには0.01mass%以上添加するのが好ましい。一方、1mass%を超えると、上記効果が飽和するだけでなく、原料コストの上昇を招くため、上限は1mass%とする。より好ましくは0.05~0.5mass%の範囲である。
E群;Mo:0~0.050mass%およびB:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
MoおとびBは、いずれも鋼の脆性破壊を抑制する効果がある。上記効果を確実に得るためには、Moは0.001mass%以上、Bは0.0001mass%以上添加するのが好ましい。一方、Moは、添加量が0.050mass%を超えると炭化物が析出して鉄損が増加するようになる。また、Bは、添加量が0.0020mass%を超えると窒化物が析出して鉄損が増加するようになる。そのため、添加量の上限値は、Mo:0.050mass%、B:0.0020mass%とするのが好ましい。より好ましい範囲は、Mo:0.010~0.030mass%、B:0.0003~0.0010mass%である。
F群;Ti:0~0.010mass%、Nb:0~0.0050mass%、V:0~0.050mass%、Pb:0~0.0020mass%、Zr:0~0.050mass%、Ta:0~0.0020mass%、W:0~0.050mass%、Se:0~0.0050mass%およびBi:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
Ti、Nb、V、Pb、Zr、Ta、W、SeおよびBiは、いずれも鋼の加工性を改善したり高強度化に寄与したりする元素であるため適宜添加することができる。上記効果を確実に得るためには、Ti、V、ZrおよびWは、それぞれ0.001mass%以上、Nb、Pb、Ta、SeおよびBiは、それぞれ0.0001mass%以上添加するのが好ましい。しかし、上記元素は、いずれも鉄損を増加する元素であるため、上限は、Ti:0.010mass%、Nb:0.0050mass%、V:0.050mass%、Pb:0.0020mass%、Zr:0.050mass%、Ta:0.0020mass%、W:0.050mass%、Se:0.0050mass%およびBi:0.0020mass%とするのが好ましい。より好ましい範囲は、Ti:0.003~0.006mass%、Nb:0.0005~0.0030mass%、V:0.005~0.020mass%、Pb:0.0003~0.0010mass%、Zr:0.005~0.020mass%、Ta:0.0003~0.0010mass%、W:0.005~0.020mass%、Se:0.0005~0.0030mass%およびBi:0.0003~0.0010mass%である。
G群;As:0~0.020mass%
Asは、鋼の硬度を高める効果があり、機械特性の調整のため添加することができる。上記効果を確実に得るためには0.001mass%以上添加するのが好ましい。しかし、Asは、鋼を脆化させる元素でもあり、特に0.020mass%を超えると脆化が著しくなるため、上限は0.020mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.003~0.010mass%の範囲である。
H群;Zn:0~0.010mass%
Znは、介在物を粗大化させることにより鉄損を改善効果がある。上記効果を確実に得るためには0.001mass%以上添加するのが好ましい。しかし、Znは、蒸気圧が高く0.010mass%を超えて添加することは製造コストの上昇を招くため、上限は0.010mass%とするのが好ましい。より好ましくは0.002~0.006mass%の範囲である。
I群;Co:0~0.10mass%
Coは、磁束密度を向上させる効果がある元素である。上記効果を確実に得るためには0.001mass%以上添加するのが好ましい。しかし、Coは、高価な元素であり、過剰な添加は製造コストの上昇を招くため、上限は0.10mass%とするのが好ましい。より好ましい範囲は0.01~0.05mass%である。
J群;Ge:0~0.030mass%およびGa:0~0.030mass%のうちの少なくとも1種
GeおよびGaは、集合組織を改善させる効果があるので添加することができる。上記効果を確実に得るためには、それぞれ0.001mass%以上添加するのが好ましい。しかし、いずれの元素も0.030mass%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0.030mass%とするのが好ましい。より好ましい範囲はそれぞれ0.003~0.010mass%である。
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)は公知の方法で製造することができる。例えば、転炉や電炉等を用いて得た溶鋼に、必要に応じてさらに真空脱ガス処理等の二次精錬を施して、上記した本発明に適合する成分組成に調整した鋼を溶製した後、連続鋳造法で厚さが30mm以上300mm以下のスラブとする。厚さが30mm未満のスラブは、連続鋳造法で製造することが難しく、一方、300mmを超えるスラブは、熱間圧延することが困難となる。好ましいスラブ厚は、100~250mmの範囲である。
なお、COの排出量を削減する観点からは、鋼原料(鉄源)として高炉銑を使用せず、スクラップを用いる電炉法が好ましい。また、スクラップを電炉で溶解してスラブを製造する場合は、スクラップ中に含まれるCuに起因してCu含有量が高くなるため、Cu添加コストを低減できるという利点もある。なお、鉄源としてスクラップの他に直接還元鉄を用いてもよい。
次いで、上記スラブは、所定の温度に加熱し、熱間圧延して熱延板とする。ここで、上記熱間圧延に先立って行うスラブの加熱温度は1000~1200℃の範囲とするのが好ましい。1200℃を超えると、析出物の一部が固溶して鉄損が増加するようになる。一方、1000℃未満では、変形抵抗が高くなり、熱間圧延することが困難となる。
また、熱延板の厚さは1.0~3.0mmの範囲とするのが好ましい。熱延板の厚さが1.0mm未満では、熱間圧延後の鋼板形状を良好に保つことが難しく、一方、3.0mmを超えると、冷間圧延することが難しくなる。また、連続鋳造機と圧延設備を一体化した公知の薄スラブキャスタを用いて熱間圧延してもよい。
次いで、上記熱延板に熱延板焼鈍を施す。熱延板焼鈍の均熱温度は、800~1100℃の範囲とするのが好ましい。800℃未満では、熱延板の再結晶が不十分となり、磁気特性の改善効果が十分に得られない。一方、1100℃を超えると、磁気特性の改善効果が飽和してしまう。より好ましくは900~1050℃の範囲である。
次いで、上記熱延板焼鈍後の鋼板は、酸洗等で脱スケールした後、冷間圧延して、最終板厚(製品板厚)の冷延板とする。上記最終板厚は、0.30mm以下とするのが好ましい。0.30mmを超えると渦電流損が高くなり、優れた鉄損が得られない。より好ましくは0.25mm以下である。一方、板厚が薄くなるほど鉄損は低減するが、圧延ライン等での生産性が大きく低下するため、板厚の下限は0.10mm程度とするのが好ましい。
なお、冷間圧延に用いる圧延機は、リバース圧延機やタンデム圧延機など、公知の設備を用いることができる。また、磁気特性の改善や冷延負荷を低減する観点から、複数回の冷間圧延とし、その間で中間焼鈍を施してもよい。中間焼鈍の均熱温度は900~1100℃の範囲内とするのが好ましい。900℃未満では、磁気特性の改善効果が小さく、1100℃超えでは、磁気特性改善効果が飽和してしまう。
次いで、上記の最終板厚とした冷延板は、加熱帯、均熱帯および冷却帯からなる連続焼鈍設備(仕上焼鈍設備)を用いて仕上焼鈍を施した後、必要に応じて絶縁被膜を被成して製品板とする。ここで、上記仕上焼鈍は、均熱温度が900~1100℃、均熱時間が1~120sの条件で行うのが好ましい。均熱温度が900℃未満では、粒成長が不十分となり、優れた鉄損が得られない。一方、1100℃を超えると、鉄損低減効果が飽和するだけでなく、熱エネルギーコストの上昇を招く。また、均熱時間が1s未満では、板幅方向の温度分布を均一化することが難しく、一方、120sを超えると鉄損低減効果が飽和する。また、仕上焼鈍設備の加熱帯、均熱帯および冷却帯の炉内雰囲気は、公知の非酸化性の雰囲気ガスを用いることができる。例えば、Hガス、Nガス、Arガス、COガスや、上記したガス2種以上からなる混合ガスなどを好適に用いることができる。
ここで、本発明において重要なことは、仕上焼鈍設備の加熱帯および均熱帯の雰囲気の露点制御を適切に行う必要があるということである。具体的には、加熱帯の露点D、すなわち、加熱帯の鋼板温度が500℃から800℃までの領域における雰囲気の露点を-20℃以下、均熱帯の露点Ds、すなわち、加熱帯の鋼板温度が800℃超から均熱温度までの領域と均熱帯における雰囲気の露点を-40℃以下とし、かつ上記露点DとDがD>Dの関係を満たしていることが必要である。各領域の雰囲気の露点が上記上限値を超えると、鋼板表面が酸化し、鉄損が増加してしまう。また、D≦Dとなった場合には、加熱中にバリア性の高い酸化膜が形成されなくなり、高温域で内部酸化が促進されるため、やはり鉄損が増加してしまう。なお、それぞれの温度領域内で露点に変動がある場合には、各温度領域の露点の最高値をD、Dとする。
なお、加熱帯の露点Dの好ましい範囲は-40℃以上-25℃以下である。また、加熱帯の露点Dが上記好ましい範囲内にある場合、均熱帯の露点Dの好ましい範囲は-40℃以下である。なお、DおよびDの下限値は特に規定しないが、工業用ガスを用いる連続焼鈍ラインでは、雰囲気の露点を-70℃より低く下げるのは困難であるため、-70℃程度とするのが好ましい。
また、仕上焼鈍の冷却帯における炉内雰囲気の露点Dの制御も重要であり、上記露点Dは、-40℃以下に制御することが好ましい。ここで、上記露点Dは、鋼板温度が均熱温度から500℃まで冷却する領域の炉内雰囲気の露点とする。露点Dを-40℃以下に制御することで、鋼板表面の酸素目付量を安定して低減することができるので、鉄損をより低減することができる。露点Dは、より好ましくは-45℃以下、さらに好ましくは-50℃以下である。なお、上記領域内で露点に変動がある場合には、その領域内の露点の最高値をDと見做す。
上記のようにして仕上焼鈍を施した鋼板は、その後、必要に応じて絶縁被膜を被成して製品板とする。上記絶縁被膜は、無機、有機、無機と有機の混合のいずれでもよく、特に制限はない。
高炉銑を鉄源として転炉から出鋼した溶鋼に、真空脱ガス処理装置を用いて二次精錬して、表1に示した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に調整した鋼を溶製した後、連続鋳造法で厚さが140mmのスラブを製造した。また、スクラップを鉄源として電炉から出鋼した溶鋼についても、上記と同様にしてスラブを製造した(表1のNo.19)。次いで、上記スラブを1100℃の温度で30min間加熱した後、熱間圧延して板厚1.6mmの熱延板とし、980℃×30sの熱延板焼鈍を施した。次いで、上記熱延板焼鈍後の鋼板を酸洗してスケールを除去した後、1回の冷間圧延で最終板厚0.25mmの冷延板とした。ただし、表1のNo.18の鋼板は、1回目の冷間圧延で中間板厚1.1mmまで圧延した後、1100℃×30sの中間焼鈍を施した後、2回目の冷間圧延をして最終板厚の冷延板とした。
次いで、上記冷延板に、加熱帯、均熱帯および冷却帯を有する連続焼鈍設備を用いて、同じく表1に記載の条件で仕上焼鈍を施し、製品板とした。上記仕上焼鈍においては、加熱帯および均熱帯の雰囲気をvol%比でH:N=30:70の混合ガスとし、500℃から均熱温度までの間の昇温速度を20℃/sとして、表1に示した均熱温度まで加熱し、上記均熱温度に10s間保持した後、冷却した。上記冷却は、窒素ガス雰囲気下で行い、均熱温度から500℃までの間の冷却速度は20℃/sとした。この際、加熱帯の500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点D、加熱帯の800℃超から均熱温度までの領域と均熱帯における炉内雰囲気の露点D、および、冷却帯の均熱温度から500℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dを表1に示すように種々に変化させた。
斯くして得た仕上焼鈍後の鋼板(製品板)から、長さ方向を圧延方向とする、幅:30mm×長さ:280mmの試験片を採取し、エプスタイン試験で鉄損W17/200を測定し、鉄損W17/200が15.5W/kg以下のものを発明例、15.5W/kg超えを比較例とした。また、仕上焼鈍後の鋼板(製品板)について化学分析で酸素含有量を測定し、これを前述した方法で鋼板表面の酸素目付量に換算した。
上記測定の結果を表1に併記した。この結果から、本発明の条件を満たして製造した鋼板は、いずれも鋼板表面の酸素目付量が低く、良好な鉄損値を示していることがわかる。なお、表1のNo.20の鋼板は、電炉で出向した鋼から製造したものであるが、Cuを特別に添加することなく、スクラップから混入したCuで0.045mass%のCu含有量が得られており、本発明の効果が得られている。また、No.19の鋼板は、冷間圧延の途中で中間焼鈍を施したものであるが、集合組織の改善により、鉄損値がより改善されている。
Figure 0007473862000001
Figure 0007473862000002
Figure 0007473862000003
Figure 0007473862000004

Claims (5)

  1. C:0.005mass%以下、Si:3.0~5.0mass%、Al:3.0mass%以下、Mn:3.0mass%以下、P:0.10mass%以下、S:0.005mass%以下、N:0.005mass%以下、Cu:0.01~0.5mass%およびO:0.005mass%以下を含有し、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スラブを熱間圧延し、熱延板焼鈍し、1回の冷間圧延もしくは中間焼鈍を挟む2回以上の冷間圧延して冷延板とした後、加熱帯、均熱帯および冷却帯を有する連続焼鈍設備を用いて仕上焼鈍を施す無方向性電磁鋼板の製造方法において、
    上記仕上焼鈍の、加熱帯の鋼板温度が500℃から800℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dを-20℃以下、加熱帯の鋼板温度が800℃超から均熱温度までの領域および均熱帯における炉内雰囲気の露点Dを-40℃以下とし、かつ、上記露点Dと露点DがD>Dの関係を満たすよう制御することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
  2. 上記仕上焼鈍の冷却帯の鋼板温度が均熱温度から500℃までの領域における炉内雰囲気の露点Dを-40℃以下と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の製造方法。
  3. 上記スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記A~J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に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。

    ・A群;Sn:0.005~0.20massおよびSb:0.005~0.20mass%のうちの少なくとも1種
    ・B群;Ca:0.001~0.010mass%、Mg:0.0002~0.005mass%およびREM:0.001~0.05mass%のうちの少なくとも1種
    ・C群;Cr:0.01~3.0mass%
    ・D群;Ni:0.01~1mass%
    ・E群;Mo:0~0.050mass%およびB:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
    ・F群;Ti:0~0.010mass%、Nb:0~0.0050mass%、V:0~0.050mass%、Pb:0~0.0020mass%、Zr:0~0.050mass%、Ta:0~0.0020mass%、W:0~0.050mass%、Se:0~0.0050mass%およびBi:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
    ・G群;As:0~0.020mass%
    ・H群;Zn:0~0.010mass%
    ・I群;Co:0~0.10mass%
    ・J群;Ge:0~0.030mass%およびGa:0~0.030mass%のうちの少なくとも1種
  4. 上記スラブは、上記成分組成に加えてさらに、下記A~J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2に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。

    ・A群;Sn:0.005~0.20massおよびSb:0.005~0.20mass%のうちの少なくとも1種
    ・B群;Ca:0.001~0.010mass%、Mg:0.0002~0.005mass%およびREM:0.001~0.05mass%のうちの少なくとも1種
    ・C群;Cr:0.01~3.0mass%
    ・D群;Ni:0.01~1mass%
    ・E群;Mo:0~0.050mass%およびB:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
    ・F群;Ti:0~0.010mass%、Nb:0~0.0050mass%、V:0~0.050mass%、Pb:0~0.0020mass%、Zr:0~0.050mass%、Ta:0~0.0020mass%、W:0~0.050mass%、Se:0~0.0050mass%およびBi:0~0.0020mass%のうちの少なくとも1種
    ・G群;As:0~0.020mass%
    ・H群;Zn:0~0.010mass%
    ・I群;Co:0~0.10mass%
    ・J群;Ge:0~0.030mass%およびGa:0~0.030mass%のうちの少なくとも1種
  5. 上記スラブは、転炉または電炉から出鋼した後、さらに成分調整した溶鋼を連続鋳造して製造した厚さが30mm以上300mm以下のスラブであることを特徴とする請求項1~のいずれか1項に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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