TW201343928A

TW201343928A - 電磁鋼板

Info

Publication number: TW201343928A
Application number: TW102102654A
Authority: TW
Inventors: Takeshi Imamura; Minoru Takashima; Tatsuhiko Hiratani
Original assignee: Jfe Steel Corp
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2013-11-01
Also published as: WO2013111751A1; IN2014CN03416A; EP2808414A4; RU2571672C1; KR20140075005A; CN104053804A; TWI473886B; US10584406B2; EP2808414B1; CN104053804B; JP5867713B2; JP2013155397A; US20150013850A1; KR101620768B1; EP2808414A1

Abstract

一種電磁鋼板，含碳未滿0.010質量百分比，及矽1.5~10質量百分比，其餘為鐵及不可避免的不純物之成分組成所構成，鋼板之集合組織之主方位為＜111＞／／ND且前述主方位之隨機強度比為5以上；較佳者為｛111｝＜112＞方位之隨機強度比為10以上；進而更佳者為｛310｝＜001＞方位之隨機強度比為3以下；更佳者為矽濃度在板厚方向上具有表層側高，中心部低的濃度梯度，而且，矽濃度的最高值為5.5質量百分比以上，最高值與最低值之差為0.5質量百分比以上之提高以高頻勵磁的芯的直流重疊特性之電磁鋼板。

Description

電磁鋼板

本發明係關於以高頻來勵磁之電抗器(reactor)用的芯材等之電磁鋼板。

一般而言，電磁鋼板的鐵損，會隨著勵磁頻率變高而急激地上升係屬已知。然而，變壓器或電抗器(reactor)的驅動頻率，因鐵芯的小型化或高效率化，實際上已高頻率化。因此，電磁鋼板的鐵損導致的發熱會成為問題的場合越來越多。

要減低鋼版的鐵損，提高矽含量提高鋼的固有電阻的的方法是有效的。但是鋼中的矽含量超過3.5質量百分比的話，加工性顯著降低，在利用從前的壓延法之電磁鋼板的製造方法上，會變得難以製造。因此，提出了種種製造高矽含量的鋼板的方法。例如，於專利文獻1，揭示了在1023~1200℃的溫度將含有四氯化矽的無氧化性氣體吹往鋼板面進行浸矽處理，得到矽含量高的電磁鋼板的方法。此外，於專利文獻2，揭示了把加工性差的4.5~7質量百分比之高矽鋼，藉由使連續式熱間壓延之壓延條件進行最佳化而進行壓延，得到冷間壓延性良好的熱延板的方法。

作為增加矽含量以外之減低鐵損的方法，還有減低板厚是有效的。把高矽鋼作為素材以壓延法製造鋼板的場合，要減低板厚有其極限。在此，把低矽鋼冷間壓延至特定的最終板厚為止之後，在含有四氯化矽的氛圍中進行浸矽處理，增加鋼中的矽含量的方法已被開發，已經工業化。此方法，揭示了可以對板厚方向之矽濃度賦予梯度，所以對於高勵磁頻率之鐵損減低是有效的(參照專利文獻3~5)。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特公平05-049745號公報

[專利文獻2]日本特公平06-057853號公報

[專利文獻3]日本特許第3948113號公報

[專利文獻4]日本特許第3948112號公報

[專利文獻5]日本特許第4073075號公報

然而，電磁鋼板作為電抗器(reactor)用芯材使用的場合，如前所述鐵損特性雖然重要，但直流重疊特性也極為重要。此處，所謂前述直流重疊特性，是指使芯材的勵磁電流增加的場合電感降低的特性，即使增加電流所導致的電感減少也相當少者，在特性上是較佳的。

於使用電磁鋼板的芯材，為了使直流重疊特性為良好，進行著在芯材設置空隙(gap)。亦即，不變更電磁鋼板自身的特性，藉由芯材的設計而調整直流重疊特性。但是，在最近，被要求著進而改善直流重疊特性。那是因為提高直流重疊特性的話，可以減少芯材的體積，產生可以減低體積以及重量之好處。特別是被搭載於混合燃料車等地芯材，重量的減少直接連結到燃料費的節約，所以強烈地被期待著直流重疊特性的提高。

然而，到目前為止，提高電磁鋼板自身的直流重疊特性的嘗試幾乎沒有進行，現狀是不得不依賴如前所述的芯材設計來改善。

本發明矽有鑑於前述先前技術所抱著的前述問題點而完成的發明，其目的在於提供可以提高以高頻勵磁的芯材的直流重疊特性之電磁鋼板。

本案發明人等，為了解決前述課題而反覆地銳意檢討。結果，發現了藉由最佳化鋼板的集合組織，使鋼板的集合組織的主方位為<111>//ND，可以提高芯材的直流重疊特性，從而完成本發明的開發。

亦即，本發明之電磁鋼板，特徵為含碳未滿0.010質量百分比，及矽1.5~10質量百分比，其餘為鐵及不可避免的不純物之成分組成所構成，鋼板之集合組織之主方位為<111>//ND且前述主方位之隨機強度比為5以上。

此外，本發明之電磁鋼板，特徵為{111}<112>方位之隨機強度比為10以上。

本發明之電磁鋼板，特徵為{310}<001>方位之隨機強度比為3以下。

此外，本發明之電磁鋼板，特徵為矽濃度在板厚方向上具有表層側高，中心部低的濃度梯度，而且矽濃度的最高值為5.5質量百分比以上，最高值與最低值之差為0.5質量百分比以上。

此外，本發明之電磁鋼板，特徵為除了前述成分組成以外，進而含有Mn：0.005~1.0質量百分比、Ni：0.010~1.50質量百分比、Cr：0.01~0.50質量百分比、Cu：0.01~0.50質量百分比、P：0.005~0.50質量百分比、Sn：0.005~0.50質量百分比、Sb：0.005~0.50質量百分比、Bi：0.005~0.50質量百分比、Mo：0.005~0.100質量百分比以及Al：0.02~6.0質量百分比之中的1種或2種以上。

根據本發明的話，藉由最佳化鋼板的結合組織，可以提供直流重疊特性優異的電磁鋼板。亦即，藉由使用本發明的電磁鋼板於鐵芯材料，可以實現即使小體積也具有優異的高頻之鐵損特性的電抗器芯材。

圖1係顯示製造方法的不同導致的電抗器芯材的直流重疊特性的變化之圖。

圖2係顯示製造方法的不同導致的製品板的集合組織的變化之圖(Bunge’sODF形式， 2=45°剖面)。

首先，說明成為開發本發明的契機之實驗。

把含有碳0.0044質量百分比，矽3.10質量百分比的鋼厚板(slab)加熱至1200℃，熱間壓延，成為2.4mm的熱延板後，以下列A~C之3個條件，製作出最終板厚為0.10mm的冷延板。

．A：對前述熱延板施以1000℃×100秒之熱延板退火(燒鈍，annealing)，在第1回之冷間壓延成為1.0mm之中間板厚，施以1000℃×30秒之中間退火後，在第2回之冷間壓延成為最終板厚0.10mm之冷延板。

．B：在對前述熱延板施以1000℃×100秒之熱延板退火後，以1回冷間壓延形成最終板厚0.10mm之冷延板。

．C：不對前述熱延板施以熱延板退火後，而以1回冷間壓延形成最終板厚0.10mm之冷延板。

接著，把前述3種類之冷延板，在10vol% SiCl₄+90vol% N₂氛圍中施以1200℃×120秒之浸矽處理(最後修整退火)，成為板厚方向之矽量為6.5質量百分比之均勻的鋼板。

使用如此得到的前述3種鋼板，製作電抗器用的芯材，依據JIS C5321記載的方法測定了直流重疊特性。又，前述電抗器用芯材重量係900克，於2處所設置1mm的間隙的形狀。

於圖1顯示前述直流重疊特性的測定結果。由此結果，可知藉由改變素材鋼板的製造條件，可以改變直流重疊特性，此外，A~C之製造條件之中，以C的條件所製造的鋼板，伴隨著直流電流的增加之電感的減少量最少，亦即，以C之條件製造的鋼板，具有最良好的直流重疊特性。

在此，本案發明人針對前述3種鋼板的集合組織進一步進行了調查。又，結合組織，以X線繞射正極點測定法測定鋼板表層部，由所得到的資料以離散法計算ODF，其結果顯示於圖2。又，圖2中所示之〔X〕，說明了鋼板的理想方位。

此處應該注意的是，直流重疊特性良好的以C條件製造的鋼板，<111>//ND方位高度發達，特別是{111}<112>方位具有很高的峰值。另一方面，{310}<001>方位則是越少的話，直流重疊特性越好。又，前述ND指的是板面垂直方向(Normal Direction)。

鋼板的集合組織改變導致直流重疊特性改變的理由，仍未被充分理解，本案發明人認為應該是如下原因所致。

如前所述，於先前技術，為了提高直流重疊特性，在芯材設置間隙。此間隙的設定，只會使芯材難以勵磁。在此，檢討前述實驗時，直流重疊特性良好的C條件之鋼板，<111>//ND方位顯著發達，但此方位，是在板面上容易磁化軸亦即<100>軸不存在的方位，亦即在勵磁方向上難以磁化的方位。亦即，應該是此勵磁的困難性，提高了直流重疊特性。此外，這樣思考的話，{310}<001>方位，在板面上具有容易磁化軸，所以也可說明越少的話直流重疊特性越良好。

又，在本發明，直流重疊特性的評估，是以電感(直流電流0〔A〕之電感)減半為1/2時之直流電流值來進行的。將此評估基準，適用於前述圖1的話，A條件製造的鋼板為52〔A〕，B條件製造的鋼板為69〔A〕，C條件製造的鋼板為90〔A〕，以C的條件製造的鋼板直流重疊特性最為良好。

本發明係立足於前述見解而開發之發明。

其次，說明相關於本發明的電磁鋼板(製品板)的成分組成。

本發明的電磁鋼板具有碳：未滿0.010質量百分比(以下，亦簡稱mass%)、矽：1.5~10mass%的成分組成是必要的。

碳：未滿0.010mass%

碳，引起磁氣時效效應，導致磁氣特性劣化，所以越少越好。但是，碳的過度減低，會招致製造成本的上升。在此，碳限制於磁氣時效上不會成為問題之未滿0.010mass%。較佳者為未滿0.0050mass%。

矽：1.5~10mass%

矽，是提高鋼的比電阻，改善鐵損特性所必需的元素，在本發明，為了得到前述效果，有必要含有1.5mass%以上。但是，使含有超過10mass%的話，飽和磁束密度顯著降低，反而會招致直流重疊特性的降低。因此，本發明，矽設定於1.5~10mass%之範圍。又，此處之矽量，是全板厚之平均值。

又，使用於電抗器的電源，通常為高頻電源。此處，由提高高頻鐵損特性的觀點來看，前述矽含量的範圍中以3mass%以上為較佳。更佳者為6.0mass%以上。另一方面，由確保高的飽和磁束密度的觀點來看，矽的上限以7mass%為較佳。

此外，本發明之電磁鋼板，矽濃度在板厚方向上具有表層側高，中心部低的濃度梯度，而且矽濃度的最高值為5.5質量百分比以上，最高值與最低值之差為0.5質量百分比以上為較佳。其理由，是在高頻因為具有磁束聚集於接近鋼板表面的性質，所以由減低高頻鐵損的觀點來看，以提高板厚表層側的矽濃度為較佳。進而，結晶格子會隨著矽原子的固溶而收縮，所以減低中心部的矽含量，在板厚方向賦予矽的濃度梯度的場合，於鋼板表層部會產生拉伸應力。此拉伸應力，具有減低鐵損的效果，所以藉由賦予矽的濃度梯度，可期待大幅提高磁氣特性。為了得到前述效果，板厚表層的矽濃度的最高值，與板厚中心部的矽濃度的最低值之差以0.5mass%以上為佳。更佳者為矽濃度的最高值為6.2mass%以上，最高值與最低值的差為1.0mass%以上。

本發明之電磁鋼板，除了前述碳、矽以外的其餘部分，為鐵以及無可避免的不純物。但是，以熱間加工性的改善，或是鐵損、磁束密度等磁氣特性的改善為目的，以在下列的範圍內含有Mn，Ni，Cr，Cu，P，Sn，Sb，Bi，Mo及Al為較佳。

Mn：0.005~1.0mass%

錳，為了改善熱間壓延時的加工性以含有0.005~1.0mass%之範圍為較佳。未滿0.005mass%的話，前述加工性改善效果很小，另一方面，超過1.0mass%的話，飽和磁束密度會降低。

Ni：0.010~1.50mass%

鎳係提高磁氣特性的元素所以含有0.010~1.50mass%之範圍為較佳。未滿0.010mass%的話，前述磁氣特性的提高效果很小，另一方面，超過1.50mass%的話，飽和磁束密度會降低。

Cr：0.01~0.50mass%，Cu：0.01~0.50mass%，P：0.005~0.50mass%及Al：0.02~6.0mass%之中所選擇的1種或2種以上

這些，均為對於鐵損的減低為有效的元素，為了得到那樣的效果，以在前述範圍內含有1種或2種以上為較佳。含有量比前述下限值更少的場合，沒有鐵損減低的效果，另一方面，超過前述上限值的話，飽和磁束密度會變低所以不佳。

Sn：0.005~0.50mass%、Sb：0.005~0.50mass%、Bi：0.005~0.50mass%，Mo：0.005~0.100mass%之中所選擇的1種或2種以上

這些，均為對於磁樹密度的提高為有效的元素，為了得到那樣的效果，以在前述範圍內含有1種或2種以上為較佳。含有量比前述下限值更少的場合，沒有磁束密度提高的效果，另一方面，超過前述上限值的話，反而飽和磁束密度會變低所以不佳。

其次，針對本發明之電磁鋼板的集合組織進行說明。

本發明的此案磁鋼板，集合組織之主方位為<111>//ND且前述主方位之隨機強度比為5以上是必要的。如前所述，<111>//ND方位，是板面上容易磁化軸之<100>軸不存在的難磁化方位，所以此方位越發達，直流重疊特性會變得良好，在<111>//ND方位之隨機強度比未滿5時，無法充分得到前述效果。<111>//ND之隨機強度比，能夠以X線繞射正極點測定法測定鋼板的集合組織，計算ODF，以Bunge形式表示的場合之Φ=55°、 2=45°下，藉由平均 1由0°至90°為止而求出。又，較佳的 <111>//ND之隨機強度比為6.5以上。

進而，本發明之電磁鋼板，在<111>//ND方位之中，以{111}<112>方位隨機強度比為10以上是較佳的。{111}<112>方位，係<111>//ND方位之中的代表性方位，因為藉由使{111}<112>方位隨機強度比為10以上，可以使<111>//ND方位之隨機強度比為5以上。又，較佳之{111}<112>方位的隨機強度比為13以上。

此外，本發明之電磁鋼板，較佳者為{310}<001>方位之隨機強度比為3以下。{310}<001>方位，如前所述，於版面上具有容易磁化軸，所以對於直流重疊特性的改善，是越少越好。更佳之{310}<001>方位的隨機強度比為2以下。

其次，針對本發明之電磁鋼板的製造方法進行說明。

本發明之電磁鋼板，可以利用一般的電磁鋼板的製造方法來製造。亦即，熔製調整為前述之特定成分組成的鋼作為鋼厚板，熱間壓延，對所得到的熱延板因應必要施以熱延板退火之後，進行1回或者是夾著中間退火進行2回以上的冷間壓延成為最終板厚的冷延板，施以最後修整退火，因應必要塗布絕緣覆膜而製造。

由前述熔鋼製造鋼厚板的方法，使用造塊-分塊壓延法，連續鑄造法之任一種皆可，此外，以直接鑄造法製造100mm以下的厚度的薄鑄片的方法亦可採用。前述鋼厚片，通常進行再加熱而供熱間壓延，但鑄造之後不再加熱而直接進行熱間壓延亦可。此外，於薄鑄片的場合，進行熱間壓延亦可，省略熱間壓延，直接進行到以後的步驟亦可。

又，熱間壓延厚的熱延板退火可以施行，但如圖1所示，不實施熱壓延板退火者，直流重疊特性變得良好，因此以不實施為較佳。

熱間壓延後，或者進而實施熱延板退火的熱延板，其後，進行1回或者夾著中間退火進行2回以上的冷間壓延成為最終板厚的冷延板。又，冷間壓延，以越低溫下進行<111>//ND方位越增加所以較佳。此外，鋼板的最終板厚(最後修整厚度)由減低鐵損的觀點來看以越薄越佳，較佳者為0.20mm以下，更加者為0.10mm以下。進而，冷間壓延的壓下率，由增加<111>//ND方位的觀點來看，以使最終冷間壓延的壓下率為70%以上為佳。

其後，施以最終修整退火。此時，為了減低鐵損，以已知的方法施以浸矽處理，以使鋼板中的矽量增加為較佳，進而，於前述浸矽處理，矽濃度在板厚方向上表層部變高，中心部較低地賦予濃度梯度為更佳。

如前所述，使{111}//ND方位高度發達之本發明的電磁鋼板，採用與從前的電磁鋼板相反的製造方法，例如不施以熱延板退火或中間退火，此外，不在低溫進行冷間壓延(例如，大量淋上壓延油或冷卻水使鋼板溫度冷卻至10℃以下)，而且把冷延壓下率提高至96%程度等之製造方法所得到者，並非由先前技術所能容易得到的。

[實施例1]

熔製含有C：0.0047mass%、Si：1.24mass%、Mn：0.15mass%，其餘為Fe及無法避免的不純物所構成的成分組成之鋼，連續鑄造成為鋼厚板之後，將該鋼厚板加熱至1220℃，熱間壓延成為板厚1.8mm之熱延板。接著，將此熱延板，以下列之3條件，製做為最終板厚0.10mm的冷延板。

．A：對熱延板施以1050℃×75秒之熱延板退火後，在第1回之冷間壓延成為1.0mm，施以1000℃×30秒之中間退火後，在第2回之冷間壓延成為最終板厚0.10mm之冷延板。

．B：在對熱延板施以1050℃×75秒之熱延板退火後，以1次冷間壓延形成最終板厚0.10mm之冷延板。

．C：不對熱延板施以熱延板退火後，而以1回冷間壓延形成最終板厚0.10mm之冷延板。

接著，把製造條件不同的前述3種冷延板，在10vol% SiCl₄+90vol% Ar氣氛圍中，施以1150℃×60秒之浸矽處理(最終修整退火)。前述浸矽處理厚的鋼板，矽濃度在板厚方向上變化，鋼板表層部的矽濃度的最高值為6.5mass%，板厚中心部的矽濃度的最低值與素材鋼幾乎相同，為1.3mass%(最高值與最低值之差為5.2mass%)，全板厚平均之矽濃度為2.9mass%。又，前述A~C之製造條件完全未導致矽濃度以及矽濃度分布的差異。

使用如此得到的前述3種鋼板，製作電抗器用的芯材，依據JIS C5321記載的方法測定了直流重疊特性。又，前述電抗器用芯材，係重量900克，於2處所設置1mm的間隙的形狀，測定到的直流重疊特性係以電感減半為初期電感(直流電流0〔A〕之電感)的1/2時之直流電流值來評估的。

此外，由前述3種鋼板採取樣本，以X線繞射正極點測定法測定其集合組織，以離散法計算ODF，算出<111>//ND方位、{111}<112>方位以及{310}<001>方位之隨機強度比。

前述直流重疊特性與隨機強度比之測定結果顯示於表1。由表1，以B及C條件製造之滿足本發明的鋼板，<111>//ND方位之隨機強度比為5以上，可知直流重疊特性良好。

[實施例2]

熔製含矽1.1~4.5mass%之範圍，其他成分含有表2所記載之量，其餘為鐵及無法避免的不純物所構成的鋼，連續鑄造成為鋼厚板厚，將該鋼厚板加熱至1200℃，熱間壓延成為板厚1.8mm的熱延板，酸洗除去氧化垢之後，以1回冷間壓延最終修整為最終板厚0.10mm的冷延板。其後，在15vol% SiCl₄+85vol% N₂氣體氛圍中施以1150℃×300秒之浸矽處理(最終修整退火)。但是表2的鋼板No.2，氛圍為100vol% N₂氣體施以最終修整退火，未被施以浸矽處理。又，前述浸矽處理厚的鋼板，矽濃度在板厚方向都幾乎為均一，其矽量併記於表2。此外，為了慎重，對於矽以外的成分也進行了成分分析，結果確認了是與素材時幾乎相同的組成。

使用如此得到的前述各種鋼板，製作電抗器用的芯材，依據JIS C5321記載的方法測定了直流重疊特性。又，前述電抗器用芯材重量係900克，於2處所設置1mm的間隙的形狀。此外，直流重疊特性，是以電感(直流電流0〔A〕之電感)減半為1/2時之直流電流值來進行了評估。

把前述直流重疊特性的測定結果併記於表2。由該表可之滿足本發明的成分組成的發明例之鋼板，直流重疊特性均為良好。

此外，為了慎重，由前述浸矽處理後的鋼板採取樣本，以X線繞射正極點測定法測定集合組織，以離散法計算ODF，由其結果算出各方位的隨機強度比的結果，確認了除了鋼板No.2以外，所有的鋼板<111>//ND方位為5以上，{111}<112>方位為10以上，{310}<001>方位為3以下。

[實施例3]

熔製含有C：0.0062mass%、Si：2.09mass%、Mn：0.08mass%、P：0.011mass%、Cr：0.03mass%及Sb：0.035mass%，其餘為Fe及無法避免的不純物所構成的成分組成之鋼，連續鑄造成為鋼厚板之後，將該鋼厚板加熱至1150℃，熱間壓延成為板厚2.2mm之熱延板。接著，進行酸洗除去表面氧化垢之後，以1回冷間壓延，經最後修整為最終板厚0.10mm之冷延板。其後，在10vol% SiCl₄+90vol% Ar氣氛圍中，施以1200℃×30秒之浸矽處理(最終修整退火)，進而為了促進往Si內部之擴散，改變Si濃度梯度，而在N₂氛圍中施加了在1200℃保持表3所記載的時間之擴散退火。但是，浸矽處理條件對於所有鋼板為相同，所以全板厚平均之矽濃度沒有差異，均為3.70質量百分比。

使用如此得到的鋼板，製作電抗器用的芯材，依據JIS C5321記載的方法測定了直流重疊特性。又，前述電抗器用芯材，係重量900克，於2處所設置1mm的間隙的形狀，測定到的直流重疊特性係以電感減半為初期電感(直流電流0〔A〕之電感)的1/2時之直流電流值來評估的。其結果併記於表3。

進而，以EPMA測定鋼板板厚方向的矽濃度分布，求出矽量的最高值與最低值以及其差(△Si)合併記於表3。又，為了慎重，由所得到的鋼板採取樣本，以X線繞射正極點測定法測定集合組織，由所得到的資料以離散法計算ODF，由其結果算出各方位的隨機強度比的結果，確認了<111>//ND方位為5以上，{111}<112>方位為10以上，{310}<001>方位為3以下。

由表3，可知滿足本發明的條件之鋼板的直流重疊特性均為良好，其中以滿足矽量的最高值為5.5mass%以上且△Si為0.5mass%以上的鋼板，直流重疊特性更為良好。

Claims

一種電磁鋼板，其特徵為含碳未滿0.010質量百分比，及矽1.5~10質量百分比，其餘為鐵及不可避免的不純物之成分組成所構成，鋼板之集合組織之主方位為<111>//ND且前述主方位之隨機強度比為5以上。
如申請專利範圍第1項之電磁鋼板，其中前述電磁鋼板，{111}<112>方位之隨機強度比為10以上。
如申請專利範圍第1或2項之電磁鋼板，其中前述電磁鋼板，{310}<001>方位之隨機強度比為3以下。
如申請專利範圍第1~3項之任一項之電磁鋼板，其中前述電磁鋼板，矽濃度在板厚方向上具有表層側高，中心部低的濃度梯度，而且矽濃度的最高值為5.5質量百分比以上，最高值與最低值之差為0.5質量百分比以上。
如申請專利範圍第1~4項之任一項之電磁鋼板，其中前述電磁鋼板，除了前述成分組成以外，進而含有Mn：0.005~1.0質量百分比、Ni：0.010~1.50質量百分比、Cr：0.01~0.50質量百分比、Cu：0.01~0.50質量百分比、P：0.005~0.50質量百分比、Sn：0.005~0.50質量百分比、Sb：0.005~0.50質量百分比、Bi：0.005~0.50質量百分比、Mo：0.005~0.100質量百分比以及Al：0.02~6.0質量百分比之中的1種或2種以上。