JPWO2020158893A1 - 方向性電磁鋼板およびそれを用いた鉄心 - Google Patents
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Abstract
Description
そのためには、鋼板中の二次再結晶粒を{110}<001>方位(いわゆる、ゴス方位)に高度に揃えることや製品鋼板中の不純物を低減することが重要である。さらに、鋼板の表面に対して物理的な手法で不均一性を導入して、磁区の幅を細分化して鉄損を低減する技術、すなわち磁区細分化技術が開発されている。
また、特許文献5には、電子ビームの照射により磁区幅を制御する技術が提案されている。
さて、発明者らは、上記の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、最終製品板に細かい結晶粒を一定割合で発生させることにより、磁区細分化処理を適用しなくても鉄損特性に優れた方向性電磁鋼板が得られることを見出した。
<実験1>
質量%で、C:0.030%、Si:3.33%、Mn:0.15%、Al:0.0026%、N:0.0025%、S:0.0014%およびSb:0.08%を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブAと、C:0.031%、Si:3.27%、Mn:0.15%、Al:0.0020%、N:0.0021%およびS:0.0013%を含み、Sbは含有せず、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブBとを、連続鋳造にて製造し、1200℃で30分均熱するスラブ加熱を施した後、熱間圧延により2.2mmの厚さに仕上げた。ついで、乾燥窒素雰囲気下で1080℃、30秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延により0.23mmの板厚に仕上げた。さらに、乾燥窒素雰囲気下で昇温速度を20℃/sから1500℃/sまで種々変更して700℃まで加熱し、均熱せず直ちに平均100℃/sで室温まで冷却した。続いて50%H2-50%N2、露点50℃の湿潤雰囲気下で、850℃で150秒の脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施した。さらに、MgOを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、水素雰囲気下で1250℃で10時間保定する純化焼鈍を兼ねた二次再結晶焼鈍を行った。
得られたデータをもとに、鉄損と粒径2.0mm超5.0mm未満の結晶粒の個数(1cm2当たり)との関係について調査した結果を、図1に示す。
1点目は、Sbを含有する鋼スラブAでは、粒径2.0mm超5.0mm未満の結晶粒の個数が0.2〜5個/cm2の時に鉄損が良好なことである。
2点目は、Sbを含有しない鋼スラブBでは、粒径2.0mm超5.0mm未満の結晶粒の個数が非常に少なく0.2個/cm2未満であり、また鉄損の低減も望めないことである。
そもそも、方向性電磁鋼板の鉄損の大小は、二次再結晶粒内の磁区構造に大きく影響される。方向性電磁鋼板の二次再結晶粒は、そのほとんどが180°磁区と呼ばれる圧延方向にほぼ平行な磁区で構成されている。そして、その磁区の幅が鉄損特性に大きく影響し、幅が狭いほど鉄損が低減できる。例えば、鋼板に機械的な線状溝を付与する磁区細分化処理法がある。その方法は、溝を形成すると、溝断面の静磁エネルギーが増大するため、そのエネルギーの増大を、磁区幅を狭くすることで解消しようとする磁気特性を利用したものである。
上述するように、前記細粒は、粗大な二次再結晶粒との間で大きな方位差角を有するため、前記細粒と粗大な二次再結晶粒との粒界では磁区が不連続になる場合がある。この場合、磁極が発生し静磁エネルギーが増大する可能性があり、上記と同じ理由により磁区が細分化されることが推測される。これが前記細粒による鉄損低減のメカニズムであろうと考えている。
鋼スラブAはSbを含有し、これは偏析元素として知られている。このSbが、二次再結晶初期の段階で一次再結晶粒の粒界に偏析して粒界移動を抑制することで、一次再結晶粒が二次再結晶粒まで成長することを抑制し、その結果、細粒が発生したと推定される。一方、鋼スラブBではSbのような偏析元素が鋼中に含まれないため、二次再結晶初期で粒界移動が抑制されず、細粒は発生せずに粗大な二次再結晶粒のみが生じたと推測される。
よって、それら文献開示の低鉄損化技術と本発明の技術とは、技術的思想が本質的に異なり、利用する結晶粒の粒径およびその制御方法も異なるものと推測される。
上記実験1では、一般的な方向性電磁鋼板の製造方法とは異なり、冷間圧延後であって脱炭焼鈍前に、乾燥窒素雰囲気下で昇温速度を実験的に種々変更して700℃まで加熱し、均熱せず直ちに平均100℃/sで室温まで冷却する工程を追加している。この工程が二次再結晶時の細粒発生に寄与したと考えている。
実験1で使用した鋼スラブAを、1200℃で60分均熱するスラブ加熱を施した後、熱間圧延により2.4mmの厚さに仕上げた。その後、乾燥窒素雰囲気下で1000℃、30秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延により0.23mmの板厚に仕上げた。ついで、乾燥窒素雰囲気下で昇温速度:750℃/sで700℃まで加熱し、均熱せず直ちに平均70℃/sで室温まで冷却した。続いて55%H2-45%N2、露点55℃の湿潤雰囲気下で850℃、120秒の脱炭を兼ねた一次再結晶焼鈍を施した。さらに、MgOを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、水素雰囲気下で1100℃から1300℃までの種々の温度に保定する純化を兼ねた二次再結晶焼鈍を行った。このとき、保定温度までの昇温速度は平均で20℃/hとした。
方向性電磁鋼板の製品板の板厚は、一般に0.2〜0.5mm程度であり、その板厚より粒径が大きい粒は、基本的に板厚方向に貫通しているとみなされる。つまり、本発明の方向性電磁鋼板において、被膜を除去した鋼板の表裏面で観察できる粒径5mm以上の粗大な二次再結晶粒は全て「板厚方向に貫通している粒」とみなすことができる。
ある1個の粗大な二次再結晶粒の「鋼板表面側で露出する面積」とは、当該結晶粒を鋼板の表面側で観察した場合に、当該二次再結晶粒が露出して鋼板上で二次元(すなわち、平面)的に占める面積であり、より具体的には、鋼板表面上で観察される粒界で囲まれた部分の面積である。図2では、当該面積またはその投影面(当該面積の正射影)を実線の図形として示す。
当該二次再結晶粒の「裏面側で露出する面積」とは、表面側と同様にして、当該結晶粒を鋼板の裏面側で観察した場合に観察される、粒界で囲まれた部分の面積である。図2では、当該面積またはその投影面(当該面積の正射影)を破線の図形として示す。
「それらの投影面が一致する領域」とは、対象の二次再結晶粒の鋼板表面側で露出する面積と鋼板裏面側で露出する面積とを、板面(圧延面)に対して平行な一平面上にそれぞれ正射影として投影した場合に、それら正射影が重なり合う(一致する)部分である。図2では、当該領域を斜線部分で示す。
従って、「その鋼板表面側および裏面側でそれぞれ露出する面積のうち、それらの投影面が一致する領域の、該粗大な二次再結晶粒が露出した各面積に対する面積率」は、該二次結晶粒の鋼板表面側で露出する面積と鋼板裏面側で露出する面積とが、鋼板の圧延垂直方向(板厚方向)に重なり合う面積率である。その面積率は、図2に示す数式で算出される。この面積率が100%に近いほど、二次再結晶粒の粒界が鋼板圧延面に対し垂直に近いことを意味する。
図3から明らかなように、前記面積率が高いほど、鉄損が低く良好であることがわかる。
特許文献8によると、方向性電磁鋼板の製品板の打ち抜き性に関する記載があり、二次再結晶の粒界を板面に対して垂直方向に近づけることで、粒界をせん断する機会が減り、打ち抜き性を改善できると指摘されている。この場合は、二次再結晶焼鈍の保定時間を長時間化することで、粒界を垂直にさせているが、本実験2の様に、二次再結晶焼鈍の保定温度を高温化することでも同様の現象が起こると推定される。すなわち、保定温度高温化により、粒界が板面(圧延面)に対して垂直となり、上記面積率が増大して、鉄損が向上したと推定される。この推定によれば、粒界が垂直に近くなるほど、鉄損が低下すると考えられる。この理由は定かではないが、おそらくは、垂直な粒界ほど、粒内の磁区に乱れが少なく、鋼板が例示された際の磁壁の移動がスムーズとなり、鉄損が低減したと推定している。
上記実験2では、鉄損が良好となる上記面積率は95%以上であったが、そのような面積率を達成するには、二次再結晶焼鈍の保定温度を1260℃以上と極めて高温にすることが有効であった。
ただし、本発明では、製品板の鋼組織において細粒が発生していることが重要であり、その手段を規定するものではない。一例では、偏析元素を大量に含有すると、冷間圧延後であって脱炭焼鈍前に、速い昇温速度で700℃まで加熱し、均熱せずに直ちに急冷する工程を採用しなくても、細粒が増加して、本発明範囲内に入る製品板が得られる場合がある。
また、本発明の目的の一つは、磁区細分化処理によるコストアップを低減することであるため、製品板に磁区細分化処理を施すことはない。
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
1.成分組成は、質量%で、Si:1.5〜8.0%およびMn:0.02〜1.0%を含有し、かつSn:0.010〜0.400%、Sb:0.010〜0.400%、Mo:0.010〜0.200%およびP:0.010〜0.200%のうちから選んだ少なくとも一種を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
結晶粒が、粒径として5.0mm以上の粗大な二次再結晶粒と2.0mm超5.0mm未満の細粒と2.0mm以下の微細粒とからなり、該粗大な二次再結晶粒のうち板厚方向に貫通している粒について、その鋼板表面側および裏面側でそれぞれ露出する面積のうち、それらの投影面が一致する領域の、該粗大な二次再結晶粒が露出した各面積に対する面積率が95%以上であり、かつ該粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒を0.2〜5個/cm2の頻度で含む組織を有し、
鋼板に対する磁区細分化処理が施されていないことを特徴とする、方向性電磁鋼板。
4.前記1から3のいずれかに記載の方向性電磁鋼板を用いて作製された巻鉄心。
また、本発明によれば、偏析元素をさらに含有させ、かつ二次再結晶焼鈍の昇温速度と保定時間を適正化することで、高周波鉄損の低減と打ち抜き性の向上を両立させることができる。
Si:1.5〜8.0%
Siは、鋼の比抵抗を高め、鉄損を改善させるために必要な元素であるが、1.5%未満であるとその添加効果に乏しく、一方8.0%を超えると鋼の加工性が劣化し、圧延が困難となることから、Si量は1.5〜8.0%に限定される。好ましくは、2.5〜4.5%である。
Mnは、熱間加工性を良好にするために必要な元素であるが、0.02%未満であると効果に乏しく、一方1.0%を超えると製品板の磁束密度が低下するので、Mn量は0.02〜1.0%とする。好ましくは、0.04〜0.20%である。
すなわち、磁気特性を向上させる目的で、Cr:0.01〜0.50%、Cu:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜0.50%、Bi:0.005〜0.50%、Nb:0.001〜0.01%のうちから選んだ一種を単独または複合して添加することができる。それぞれ添加量が下限量より少ない場合には磁気特性向上効果がなく、一方上限量を超えると二次再結晶粒の発達が抑制され磁気特性が劣化する。
本発明の方向性電磁鋼板の製造方法は、一般的な電磁鋼板を製造する方法を利用できる。すなわち、所定の成分調整がなされた溶鋼を、通常の造塊法もしくは連続鋳造法でスラブを製造してもよいし、100mm以下の厚さの薄鋳片を直接鋳造法で製造してもよい。上述の、添加が好ましい成分(Si、Mn、偏析元素、任意成分元素)は、途中工程で加えることは困難であることから、溶鋼段階で添加することが好ましい。そのように製造されたスラブにおけるSi、Mn、偏析元素、および任意成分元素の各含有量は、製品板の成分組成でも保持される。
なお、スラブにおける不可避不純物C、Al、N、S、Se等の各含有量は、特に限定されないが、製品板で上述の不可避不純物レベルを達成するためには、例えばC:0.10%以下、Al:500ppm以下、N:100ppm以下、SおよびSe:各200ppm以下とすることが好ましい。
当該細粒の発生を確保する観点から、当該工程において、昇温速度は100〜3000℃/sの範囲とすることが好ましく、冷却速度は5〜200℃/sの範囲とすることが好ましい。
そして、本発明の方向性電磁鋼板は、磁区細分化処理を施していないため、巻鉄心製造時の歪取焼鈍により非耐熱型の歪が除去されることがなく、また耐熱型の磁区細分化による磁束密度の低下を回避することもできる。そのため、歪取焼鈍を経て製造される巻鉄心の材料として有用である。
以下、各測定方法を具体的に説明する。
製品板から切り取った全体面積336cm2(エプスタインサンプル4枚分)のサンプルを80℃の10%塩酸水溶液に180秒浸漬して、表裏面の被膜を除去して二次再結晶粒を露出させた。
二次再結晶粒が露出したサンプルの画像をスキャナーで300dpiの画質にて取り込み、画像解析ソフト(Adobe社製「Photoshop CS6」)で粒界を検出して、粒界のみの画像を作成した。この画像作成は、サンプルの表裏両面について行った。表面側の画像と裏面側の画像は色を変えて識別可能にし(例えば、表面側は赤色、裏面側は青色)、裏面側の画像のみを左右または上下を反転させて鏡像としてから、両方の画像を重ね合わせた。このようにして、表面側の粒界の正射影と裏面側の粒界の正射影とを、板面(圧延面)に対して平行な一平面上に写した。サンプルに含まれる粒径5.0mm以上の二次再結晶粒全てについて、表面側の粒界で囲まれた部分と裏面側の粒界で囲まれた部分とが図2のように同一平面上で重なり合う(一致する)部分を「投影面が一致する領域」として特定し、その面積(cm2)を算出した。当該面積を、該二次再結晶粒の表面側で面積と裏面側の粒界で囲まれた部分の面積との平均値で除して、投影面が一致する領域の面積率(%)を算出した。
上述のように画像解析ソフトを用いて取得した粒界のみの画像から、各粒の面積を算出し、それを円相当径として粒径を計算することによって、粒径5.0mm以上の粗大な二次再結晶粒、粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒、粒径2.0mm以下の微細粒の割合を求めた。
上記の方法で計算した粒径を元に、1cm2あたりに存在する粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒の個数をカウントした。
二次再結晶粒が露出したサンプルを20mm角に剪断し、得られた20mm角サンプル片に存在する粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒全ての結晶方位を測定した。結晶方位は、SEMに付帯するElectron Back-Scattering Pattern(EBSP)装置を用いて電子線後方散乱回折像から測定した。測定された結晶方位とゴス方位との間の方位差角の平均を計算によって求めた。
C:0.015%、Si:3.72%、Mn:0.05%、Al:0.020%、N:0.0070%およびSn:0.15%を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1300℃で45分均熱するスラブ加熱を施した後、熱間圧延により2.6mmの厚さに仕上げた。その後、乾燥窒素雰囲気下で950℃、60秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延で0.23mmの板厚に仕上げた。ついで、乾燥窒素雰囲気下で表1に示す昇温速度で700℃まで加熱し、均熱せず直ちに平均80℃/sの冷却速度で室温まで冷却した。続いて60%H2-40%N2、露点60℃の湿潤雰囲気下で850℃、90秒の脱炭焼鈍を兼ねた一次再結晶焼鈍を施した。さらに、MgOを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、水素雰囲気下で表1に示す温度で10時間保定する純化焼鈍を兼ねた二次再結晶焼鈍を行った。
また、本発明例の製品板について測定した粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒の結晶方位とゴス方位との間の方位差角の平均値は、いずれも33.5°であった。
同表から明らかなように、本発明範囲内の条件で、良好な鉄損特性が得られていることがわかる。
表2に示す成分を含み、残部はFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、sol.Alを150ppm以上含む場合には1320℃で50分均熱するスラブ加熱を施した後、あるいはsol.Alが150ppm未満の場合には1230℃で50分均熱するスラブ加熱を施した後、熱間圧延により2.0mmの厚さに仕上げた。その後、乾燥窒素雰囲気下で1125℃、20秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延で0.20mmの板厚に仕上げた。ついで、乾燥窒素雰囲気下で昇温速度700℃/sで720℃まで加熱し、均熱せず直ちに平均120℃/sの冷却速度で室温まで冷却した。続いて45%H2-55%N2、露点48℃の湿潤雰囲気下で830℃、140秒の脱炭焼鈍を施した。さらに、MgOを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、その後1275℃で10時間、水素雰囲気下で保定する純化焼鈍を兼ねた二次再結晶焼鈍を行った。二次再結晶焼鈍の昇温速度は20℃/hとした。
なお、表2中、下線は本発明の範囲外であることを示す。
また、この表裏面の被膜を除去したサンプルを用いて、製品板の地鉄成分を調べた結果を表3に併記する。表3中、下線は本発明の範囲外であることを示す。
また、本発明例の製品板について測定した粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒の結晶方位とゴス方位との間の方位差角の平均値は、いずれも26.9°であった。
Claims (4)
- 成分組成は、質量%で、Si:1.5〜8.0%およびMn:0.02〜1.0%を含有し、かつSn:0.010〜0.400%、Sb:0.010〜0.400%、Mo:0.010〜0.200%およびP:0.010〜0.200%のうちから選んだ少なくとも一種を含有し、残部はFeおよび不可避的不純物からなり、
結晶粒が、粒径として5.0mm以上の粗大な二次再結晶粒と2.0mm超5.0mm未満の細粒と2.0mm以下の微細粒とからなり、該粗大な二次再結晶粒のうち板厚方向に貫通している粒について、その鋼板表面側および裏面側でそれぞれ露出する面積のうち、それらの投影面が一致する領域の、該粗大な二次再結晶粒が露出した各面積に対する面積率が95%以上であり、かつ該粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒を0.2〜5個/cm2の頻度で含む組織を有し、
鋼板に対する磁区細分化処理が施されていないことを特徴とする、方向性電磁鋼板。 - 前記粒径2.0mm超5.0mm未満の細粒の結晶方位とゴス方位との間の方位差角の平均が15°以上であることを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 前記成分組成が、質量%で、さらに、Cr:0.01〜0.50%,Cu:0.01〜0.50%、Ni:0.01〜0.50%、Bi:0.005〜0.50%およびNb:0.001〜0.01%のうちから選んだ一種または二種以上を含有することを特徴とする請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の方向性電磁鋼板を用いて作製された巻鉄心。
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