JPWO2016175121A1 - 無方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年4月27日に、日本に出願された特願2015−090617号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(2)上記(1)に記載の無方向性電磁鋼板は、前記成分組成が、単位質量%でNi:0.50〜3.00%、Ca:0.0005〜0.0100%、REM:0.0005〜0.0100%、からなる群から選択される1種または2種以上を含有してもよい。
表1に示す成分組成(単位:質量%)の鋼片を溶製し、仕上げ熱延開始温度F0Tと、仕上げ熱延終了温度FTと、熱延後の巻取温度CTとを表2に示す条件1〜3として、仕上げ厚さ2.3mmの熱延鋼板を製造した。これらの熱延鋼板を、焼鈍せずに酸洗し、次いで冷間圧延し、これにより厚さ0.35mmの冷延鋼板を得た。その後、この冷延鋼板に、1000℃で30秒均熱し、800〜400℃の温度範囲での平均冷却速度を20℃/秒として冷却する再結晶焼鈍を施して、再結晶鋼板を得た。さらにその後、再結晶鋼板に、400〜700℃の範囲内の種々の均熱温度で均熱時間60秒のCu析出焼鈍を施して、評価用鋼板を得た。
a:220mm
b:65mm
c:45mm
e:26.5mm
R:35mm
w:25mm
W:50mm
X:16mm
Y0:28mm
Z:26mm
τ:0.35mm
疲労試験片の長手方向は、評価用鋼板の圧延方向に一致させた。疲労試験では、最低荷重を3kgfで一定とし、周波数を20Hzとし、繰返し応力回数200万回で破断しない場合の最大応力を、評価用鋼板の疲労強度FSとした。
まず、本実施形態に係る鋼板の成分組成の限定理由について説明する。以下、成分組成に係る%は、質量%を意味する。
Cは、電磁鋼板の鉄損を大きくし、さらに磁気時効の原因にもなるので、電磁鋼板にとって有害な元素である。C含有量が0.0100%を超える場合、鉄損が増大し、また、磁気時効が著しくなるので、C含有量を0.0100%以下とする。C含有量は、好ましくは0.0050%以下、または0.0030%以下である。本実施形態に係る鋼板はCを必要としないので、C含有量の下限値は0%である。しかしながら、Cを除去するために多大なコストが必要とされる場合がある。従って、C含有量を0%超、0.0001%以上、0.0005%以上、または0.0010%以上としてもよい。
Siは、鋼の固有抵抗を増加させることにより、電磁鋼板の鉄損の低減に寄与する元素である。Si含有量が1.00%未満である場合、鉄損低減効果が十分に発現しないので、Si含有量は1.00%以上とする。Si含有量は、好ましくは2.00%以上、2.20%以上、または2.50%以上である。
Mnは、鋼の固有抵抗を高め、また、硫化物を粗大化して無害化する作用をなす元素である。Mn含有量が0.05%未満である場合、上述の効果が十分に発現しないので、Mn含有量は0.05%以上とする。Mn含有量は好ましくは0.10%以上、0.15%以上、または0.20%以上である。
Alは、脱酸効果を有し、また、大型のAlNとして析出することにより窒化物の微細析出を防ぐ作用をなす元素である。また、Alは、Si及びMnと同様に、鋼の固有抵抗を増加させ、鉄損の低減に寄与する元素でもある。
Cuは、本実施形態に係る鋼板において重要な元素である。金属Cuを鋼板中に微細に析出させることにより、鋼板の鉄損を増大させずに、鋼板の降伏強度(YS)、引張強度(TS)、及び、疲労強度(FS)を向上させる。Cu含有量が0.50%未満である場合、上述の効果が十分に発現しないので、Cu含有量は0.50%以上とする。Cu含有量は好ましくは0.80%以上、0.90%以上、または1.00%以上である。
Niは、熱延鋼板の疵を減少させる効果を有し、また、固溶強化による鋼板の機械強度の上昇にも有効であるので、本実施形態に係る鋼板に含有させてもよい。上述の効果を得るためには、Ni含有量を0.50%以上とすることが好ましく、0.80%以上、または1.00%以上とすることがさらに好ましい。ただし、Niは、高価な元素であり、製造コストを上昇させるので、Ni含有量は3.00%以下とすることが好ましく、2.60%以下、または2.00%以下とすることがさらに好ましい。
REM:0〜0.0100%
CaおよびREMは、鋳造での冷却段階で、鋼中のSをオキシサルファイドなどの介在物として析出させることにより、析出物を形成して鋼板の鉄損を増大させる元素であるSを無害化する効果を有する。この効果を得るために、Ca及びREMそれぞれを0.0005%以上含有させてもよい。Ca及びREMそれぞれの含有量のさらに好ましい下限値は、0.0010%、または0.0030%である。一方、Ca及びREMの含有量が過剰である場合、CaやREMを含む介在物量が増え、鉄損を劣化させる。従って、Ca及びREMそれぞれの含有量の上限値は0.0100%とすることが好ましく、0.009%、または0.008%とすることがさらに好ましい。なお「REM」との用語は、Sc、Yおよびランタノイドからなる合計17元素を指し、上記「REMの含有量」とは、これらの17元素の合計含有量を意味する。
Sb:0〜0.30%、
さらに、鋼板の磁気特性を改善するために、Sn及びSbなどを鋼板に含有させてもよい。磁気特性向上効果を得るためには、Sn及びSbそれぞれの含有量の下限値を0.03%とすることが好ましく、0.04%、または0.05%とすることがさらに好ましい。ただし、Sn及びSbは鋼を脆化させる場合があるので、Sn及びSbそれぞれの含有量の上限値は0.30%とすることが好ましく、0.20%、または0.15%とすることがさらに好ましい。
本実施形態に係る鋼板は、未再結晶組織を含まないフェライト粒からなる組織を有し、かつ、該フェライト粒内に析出した金属Cu粒子を含有する、低い鉄損と高い疲労強度を併せ持つ鋼板である。本実施形態に係る鋼板の組織、及び、金属Cu粒子の析出状態について、以下に説明する。
鋼板内に未再結晶組織が残留すると、鋼板の鉄損が著しく増大する。従って、本実施形態に係る鋼板の組織のほぼ全てをフェライトとし、このフェライトのほぼ全てを再結晶させることが必要である。しかし、約1.0面積%未満の、未再結晶組織を含まないフェライト粒以外の組織および介在物の含有は許容される。従って、本実施形態に係る鋼板の組織は、未再結晶組織を含まないフェライト粒を99.0面積%以上含むものと規定される。
フェライト粒の平均結晶粒径は、鋼板のヒステリシス損失を低減させるために、30μm以上とする必要がある。ただし、フェライト粒の平均結晶粒径が大きすぎる場合、十分に高い疲労強度が得られず、さらに、渦電流損失の増加により鉄損が劣化する場合もある。従って、フェライト粒の平均結晶粒径は180μm以下とする。フェライト粒の平均結晶粒径の下限値は好ましくは30μm、50μm、または70μmである。フェライト粒の平均結晶粒径の上限値は好ましくは、170μm、160μm、または150μmである。なお、フェライト粒の平均結晶粒径は、JIS G 0551「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法」に従って求めることができる。本実施形態に係る鋼板のフェライト粒の平均結晶粒径は、粒径測定が行われる切断面の方向によらず一定であるので、フェライト粒の平均粒径の測定の際に鋼板を切断する方向は、限定されない。
本実施形態に係る鋼板の金属Cu粒子とは、母材であるFeと合金または金属間化合物を実質的に形成せず、ほぼCuのみからなる粒子を意味する。本実施形態に係る鋼板のフェライト粒の内部には、平均粒径が2.0nm以上10.0nmであり、フェライト粒内で測定される個数密度が10,000〜10,000,000/μm3である金属Cu粒子が含まれる。さらに、前述の実験及びその結果から、本実施形態に係る鋼板においては、フェライト粒内に析出した金属Cu粒子のうち2%以上が、9R構造を持つことと規定される。以下に、本実施形態に係る鋼板の金属Cu粒子の状態について詳述する。
本実施形態に係る鋼板の金属Cu粒子は、転位の移動を妨げる手段として設けられる。しかしながら、粒径が小さすぎる金属Cu粒子は、転位の移動に対する抵抗力が小さい。従って、金属Cu粒子の平均粒径が小さすぎる場合、転位の移動が容易となる。一方、粒径が大きい金属Cu粒子は、転位の移動に対する抵抗力が大きいが、金属Cu粒子の平均粒径が大きすぎる場合、金属Cu粒子の個数密度が減少するので、粒子間距離が大きくなり、転位の移動が容易となる。転位が容易に移動する場合、YP、TS、及び、FSが低下する。更に、粒子径が磁壁厚程度の100nm以上の金属Cu粒子は、磁壁移動を妨げ、ヒステリシス損失を増加させる。従って金属Cu粒子の平均粒径が大きすぎる場合、鉄損が不良となる。一方、本発明者らが調査した結果、金属Cu析出粒子の平均粒径を10.0nm以下とすれば、粒径100nm以上の金属Cu析出粒子による鉄損の不良は許容範囲内となることがわかった。それ故、金属Cu析出粒子の平均粒径は2.0nm以上、10.0nm以下とする。金属Cu析出粒子の平均粒径は、好ましくは2.2nm以上、より好ましくは2.4nm以上、更に好ましくは2.5nm以上である。また、金属Cu析出粒子の平均粒径は、好ましくは9.0nm以下、より好ましくは8.0nm以下、さらに好ましくは7.0nm以下である。
単位体積当りの金属Cu粒子の個数は、Cu含有量と、析出処理前の状態と、析出サイズとに依存する。本実施形態に係る鋼板では、高い疲労強度を得るために、フェライト粒内の体積1μm3当たりの金属Cu粒子の個数は10,000/μm3以上とする。好ましくは100,000/μm3以上、より好ましくは500,000/μm3以上である。一方、金属Cu粒子の個数密度が大きすぎる場合、鋼板の磁気特性を劣化させるおそれがある。従って、フェライト粒内の金属Cu粒子の個数密度の下限値は10,000,000/μm3以下とする。
N=n/(A×d)
フェライト粒内の粒径2.0nm以上の金属Cu粒子の個数密度に対する、フェライト粒内のBCC構造を有する粒径2.0nm以上の金属Cu粒子の個数密度の割合(BCC粒子率):0%〜98%
上述されたように、本発明者らは、金属Cu粒子の結晶構造の種類が、転位の移動に対する金属Cu粒子の抵抗力に影響することを知見した。9R構造を有する金属Cu粒子(9R粒子)は、フェライト内の転位の移動に対する抵抗力が高い。何故なら、金属Cu粒子の周囲のフェライトの結晶構造はBCCだからである。転位は、結晶構造が異なる粒子の界面を通過しにくい。従って、9R粒子と、BCC構造を有するフェライトとの界面は、フェライト内での転位の移動に対する抵抗として働く。一方、BCC構造を有する金属Cu粒子(BCC粒子)とフェライトとの界面は、フェライト内を移動する転位に対する抵抗として働かない。従って、BCC粒子は、フェライト内の転位の移動に対する抵抗力が低い。
本実施形態に係る無方向性電磁鋼板の製造方法は、上述の成分組成を有するスラブを加熱する工程と、スラブを熱間圧延して熱延鋼板を得る工程と、熱延鋼板を巻き取る工程と、熱延鋼板を冷間圧延して冷延鋼板を得る工程と、冷延鋼板に第一焼鈍をして、再結晶鋼板を得る工程と、再結晶鋼板に第二焼鈍をして、結晶粒内に金属Cu粒子を析出させる工程を有する。熱間圧延工程においては、仕上げ熱延開始温度F0Tを1000℃以下とし、仕上げ熱延終了温度FTを900℃以下とする。巻取工程においては、巻取温度CTを500℃以下とする。第一焼鈍工程(再結晶工程)においては、均熱温度を850〜1100℃とし、均熱時間を10秒以上とし、均熱終了後の800〜400℃の温度範囲での平均冷却速度を10℃/秒以上とする。第二焼鈍工程(Cu析出工程)においては、均熱温度を450〜650℃とし、均熱時間を10秒以上とする。
CR=(800−400)/t
上の式において、CRとは800〜400℃の温度範囲での平均冷却速度であり、tとは鋼板の温度を800℃から400℃まで低下させるために要した時間(秒)である。
本実施形態に係る鋼板の製造方法においては、まず、本実施形態に係る鋼板と同じ成分組成を有するスラブを加熱する。スラブ加熱温度は1050〜1200℃が好ましい。スラブ加熱温度が1050℃未満であると、熱間圧延が困難になる。スラブ加熱温度が1200℃を超える場合、硫化物などが溶解し、熱延後の冷却過程で微細に析出し、冷延後の再結晶焼鈍で粒成長性が悪化し、良好な鉄損特性が得られない。
次いで、加熱されたスラブを熱間圧延することにより熱延鋼板を得る。熱延工程では、仕上げ熱延開始温度F0Tおよび仕上げ熱延終了温度FTの制御が必須である。従来技術によれば、冷間圧延終了後の焼鈍によってCuを析出させた高強度低鉄損の無方向性電磁鋼板の製造方法において、熱延条件は鋼板特性に影響しないものと考えられていた。技術常識によれば、熱間圧延時の温度履歴がCuの析出に及ぼす影響は、鋼板が焼鈍される際に消滅するからである。従って、従来技術によれば、Cu析出型高強度無方向性電磁鋼板の製造方法における熱延条件は特に限定されず、製造設備の稼働効率を最大化するように選択されてきた。しかしながら、前述の実験とその結果で示したように、高い疲労強度FSを有する電磁鋼板を得るためには、熱延条件を厳格に制御することが重要である旨を本発明者らは知見した。Cu析出条件が同じであれば、仕上げ熱延開始温度F0T、仕上げ熱延終了温度FT、巻取温度CTが低いほど、鋼板の疲労強度FSは向上する。この理由は、以下のように考えられる。
次いで、熱間圧延された鋼板を巻き取る。上述したように、熱延鋼板の巻取温度CTは、それが低いほど過飽和状態のCu量が増え、最終製品の機械強度の上昇に寄与する。更に、CTが高いと、巻取り後のコイル内でCuが析出し、熱延鋼板の靭性が低下する。従って、巻取温度CTは500℃以下とする。巻取温度CTは、好ましくは470℃以下であり、更に好ましくは450℃以下である。ただし、熱延鋼板の巻取温度CTが低すぎる場合、コイルの形状が劣化するので、巻取温度CTは350℃以上とする。
電磁鋼板の集合組織を改善し、高い磁束密度を得るために、熱延鋼板を冷間圧延する前に、熱延鋼板に熱延板焼鈍を施してもよい。熱延板焼鈍における好ましい均熱温度は750〜1100℃であり、均熱時間は10秒〜5分である。均熱温度が750℃未満、又は、均熱時間が10秒未満であると、集合組織を改善する効果が小さい。均熱温度が1100℃を超える場合、又は、均熱時間が5分を超える場合、消費エネルギーの上昇、付帯設備の劣化などで製造コストの上昇を招く。
更に、本実施形態に係る鋼板の製造方法では、熱延鋼板に冷間圧延を施して冷延鋼板とする。冷間圧延は1回で行ってもよいし、中間焼鈍を含む2回以上を行ってもよい。いずれにせよ、冷間圧延では、最終の圧下率を60〜90%、好ましくは65〜82%とする。これにより、最終製品において、鋼板面に{111}面が平行な結晶粒の割合が少なくなり、高磁束密度と低鉄損とを有する鋼板が得られる。
更に、本実施形態に係る鋼板の製造方法においては、冷延鋼板に焼鈍を施し、冷延鋼板の組織を再結晶させる。再結晶工程では、鋼板の組織を再結晶させるとともに、Cuを溶体化する。フェライト粒の平均結晶粒径を30μm以上とするために、また、Cuを固溶させるために、再結晶工程における均熱温度は850℃以上とする。再結晶工程における均熱温度は、好ましくは950℃以上である。
本実施形態に係る鋼板の製造方法においては、再結晶工程で得られる再結晶鋼板をさらに焼鈍し、結晶粒内に金属Cu粒子を析出させる。フェライト粒内に析出する金属Cu粒子の平均粒径、個数密度、および結晶構造を上述した範囲内に制御するためには、Cu析出工程における均熱温度を450〜650℃とし、均熱時間10秒以上とする必要がある。
Si含有量が不足した比較例B2は、析出強化が生じなかったので機械強度が損なわれ、さらに鉄損が増大した。
Si含有量が過剰であった比較例B3は、脆化によって圧延性が低下し、冷間圧延中に割れが生じた。
Mn含有量が不足した比較例B4は、鉄損が十分に低減されなかった。
Mn含有量が過剰であった比較例B5は、脆化によって圧延性が低下し、冷間圧延中に割れが生じた。
Al含有量が不足した比較例B6は、鉄損が十分に低減されなかった。
Al含有量が過剰であった比較例B7は、脆化によって圧延性が低下し、冷間圧延中に割れが生じた。
Cu含有量が不足した比較例B8は、金属Cu粒子がフェライト粒内に十分に析出せず、析出強化が生じなかったので、機械特性が不足した。
Cu含有量が過剰であった比較例B9は、熱間圧延中に鋼板表面に疵が生じた。
仕上げ熱延開始温度F0Tが高すぎ、且つ再結晶焼鈍における均熱温度が不足した比較例D2は、フェライト粒が微細化され過ぎたので、鉄損が十分に低減されなかった。
仕上げ熱延開始温度F0T及び再結晶焼鈍における均熱温度が高すぎた比較例D3は、フェライト粒の平均粒径が粗大化したので、機械強度が損なわれ、さらに磁気特性も不良であった。
再結晶焼鈍における温度が低く、均熱時間も不足した比較例D4は、フェライト粒が微細化され過ぎたので、鉄損が十分に低減されなかった。
再結晶焼鈍における均熱後の冷却速度が不足した比較例D5は、金属Cu粒子が粗大化し、金属Cu粒子の個数密度が不足したので、機械強度が損なわれた。また粗大Cu粒子が磁壁移動を妨げるので、比較例D5は鉄損も十分に低減されなかった。
Cu析出焼鈍における均熱時間が不足した比較例D6は、析出強化効果を有する金属Cu粒子が析出しなかったので、機械強度が損なわれた。
Cu析出焼鈍における均熱温度が低すぎた比較例D7は、析出強化効果を有する金属Cu粒子が析出しなかったので、機械強度が損なわれた。
Cu析出焼鈍における均熱温度が高すぎた比較例D8は、金属Cu粒子が粗大化し、金属Cu粒子の個数密度が不足したので、機械強度が損なわれた。また、粗大化したCuがヒステリシス損失を劣化させたので、比較例D8は鉄損も十分に低減されなかった。
滞留工程における滞留時間が不足した比較例D9は、Cu析出焼鈍における均熱時間が不足した比較例D6と同様に、析出強化効果を有する金属Cu粒子が析出しなかったので、機械強度が損なわれた。
Claims (2)
- 成分組成が、単位質量%で、
C:0〜0.0100%、
Si:1.00〜4.00%、
Mn:0.05〜1.00%、
Al:0.10〜3.00%、
Cu:0.50〜2.00%
Ni:0〜3.00%、
Ca:0〜0.0100%、
REM:0〜0.0100%、
Sn:0〜0.3%、
Sb:0〜0.3%、
S:0〜0.01%、
P:0〜0.01%、
N:0〜0.01%、
O:0〜0.01%、
Ti:0〜0.01%、
Nb:0〜0.01%、
V:0〜0.01%、
Zr:0〜0.01%、及び
Mg:0〜0.01%
を含有し、残部がFe及び不純物からなり、
組織が、99.0面積%以上の、未再結晶組織を含まないフェライト粒を含み、
前記フェライト粒の平均結晶粒径が30μm以上、180μm以下であり、
前記フェライト粒が、その内部に個数密度10,000〜10,000,000個/μm3の金属Cu粒子を含有し、
前記フェライト粒の内部の前記金属Cu粒子が、
前記金属Cu粒子の前記個数密度に対して2%〜100%の個数密度の、9R構造を有する析出粒子と、
前記金属Cu粒子の前記個数密度に対して0%〜98%の個数密度の、bcc構造を有する析出粒子と
を含み、
前記フェライト粒の内部の前記金属Cu粒子の平均粒径が2.0nm以上、10.0nm以下である
ことを特徴とする無方向性電磁鋼板。 - 前記成分組成が、単位質量%で
Ni:0.50〜3.00%、
Ca:0.0005〜0.0100%、
REM:0.0005〜0.0100%、
からなる群から選択される1種または2種以上を含有する
ことを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
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