TW201402834A - 無方向性電磁鋼板的製造方法 - Google Patents

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Abstract

將包含：C：0.005mass%以下、Si：4mass%以下、Mn：0.03~3mass%、Al：3mass%以下、P：0.03~0.2mass%、S：0.005mass%以下以及N：0.005mass%以下，含有0.0005~0.01mass%的Ca且Ca對於S的原子比(Ca(mass%)/40)/(S(mass%)/32)為0.5~3.5的範圍，剩餘部分為Fe及無法避免的雜質所構成的扁鋼胚，進行熱軋、熱軋板退火、冷軋後，實施以平均升溫速度100℃/sec以上加熱到至少740℃的再結晶退火，藉此製造出高磁通密度且低鐵損的無方向性電磁鋼板。

Description

無方向性電磁鋼板的製造方法
本發明是關於無方向性電磁鋼板的製造方法，具體來說是關於製造高磁通密度且低鐵損的無方向性電磁鋼板的方法。
近年來以電力為首的各種消耗性能源的減少的世界潮流之中，在電子機器的領域，也強烈需求高效率化或小型化。無方向性電磁鋼板，廣泛使用為電氣機器的鐵芯材料，為了達成電氣機器的高效率化或小型化，不可缺少的是無方向性電磁鋼板的高品質化，也就是不可缺少高磁通密度化、低鐵損化。
為了因應對於無方向性電磁鋼板的上述要求，習知主要添加Si或Al等的提高電阻的元素來提高原有阻抗、或減少板厚度來減低渦電流損，藉此達到低鐵損化。
在無方向性電磁鋼板，除了上述方法之外，藉由將冷軋前的結晶粒徑粗大化、或使冷軋下壓率最適當化等，藉此達到高磁通密度化。這個理由是因為在旋轉機 或小型變壓器，無法忽視因為電流流動於捲繞於鐵芯的線圈所產生的銅損，所以為了減少該銅損，使用能以更低的激磁電流來達成同一磁通密度的高磁通密度材的方式很有效。
於是認為如果研究出高磁通密度且低鐵損的無方向性電磁鋼板，則能大幅有助於電氣機器的高效率化或小型化。作為製造該高磁通密度且低鐵損的無方向性電磁鋼板的方法，例如在專利文獻1，揭示有：將Sn以0.03~0.40%的範圍添加到含有0.1~3.5%的Si的鋼，來減低鐵損的技術；且在專利文獻2揭示有：藉由複合添加Sn與Cu，使需要磁性的{100}及{110}集合組織發達，抑制不需要的{111}集合組織，來得到低鐵損且高磁通密度的無方向性電磁鋼板。
[先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開昭55-158252號公報
[專利文獻2]日本特開昭62-180014號公報
藉由適用在上述專利文獻1或專利文獻2揭示的技術，將一次再結晶集合組織改善，而能得到優異的磁性特性。可是因為來自專家對於高品質化的要求日益嚴 格，所以上述的技術已無法充分因應現今的要求。
本發明鑒於習知技術的上述問題，其目的要提出一種製造高磁通密度且低鐵損的無方向性電磁鋼板的方法。
發明者們為了解決上述課題而仔細研究。結果發現：當將添加適當量的P及Ca的冷軋板進行再結晶退火(精加工退火)時，藉由將加熱時的升溫速度較習知更快速加熱，則能穩定地獲得高磁通密度且低鐵損的無方向性電磁鋼板，而開發出本發明。
根據上述發現，本發明提出一種無方向性電磁鋼板的製造方法，將包含：C：0.005mass%以下、Si：4mass%以下、Mn：0.03~3mass%、Al：3mass%以下、P：0.03~0.2mass%、S：0.005mass%以下以及N：0.005mass%以下，且含有0.0005~0.01mass%的Ca且Ca對於S的原子比(Ca(mass%)/40)/(S(mass%)/32)為0.5~3.5的範圍，剩餘部分為Fe及無法避免的雜質所構成的扁鋼胚，進行熱軋、熱軋板退火、冷軋後，藉由實施以平均升溫速度100℃/sec以上加熱到至少740℃的再結晶退火。
本發明的無方向性電磁鋼板的製造方法的上述扁鋼胚，除了上述成分組成之外，分別以0.003~0.5mass%的範圍含有從Sn及Sb之中選出的一種或兩種。
藉由本發明，能穩定提供具有優異磁性特性的無方向性電磁鋼板，所以尤其大幅有助於旋轉機或小型變壓器等的電氣機器的高效率化或小型化。
第1圖是顯示達到磁通密度B50的P含有量的影響的曲線圖。
第2圖是顯示達到鐵損W15/50的P含有量的影響的曲線圖。
第3圖是顯示達到磁通密度B50的Ca/S(原子比)的影響的曲線圖。
第4圖是顯示達到鐵損W15/50的Ca/S(原子比)的影響的曲線圖。
第5圖是顯示達到磁通密度B50的升溫速度的影響的曲線圖。
第6圖是顯示達到鐵損W15/50的升溫速度的影響的曲線圖。
首先為了研究達到磁性特性的P含有量的影響，而進行以下的實驗。
將含有：C：0.0025mass%、Si：3.0mass%、Mn： 0.10mass%、Al：0.001mass%、N：0.0019mass%、S：0.0020mass%及Ca：0.0025mass%且在P：0.01~0.5mass%的範圍變化的扁鋼胚，進行1100℃×30分鐘的再加熱後，進行熱軋作成板厚度2.0mm的熱軋板，在實施1000℃×30秒的熱軋板退火後，以一次冷軋作成板厚度0.35mm的冷軋板。之後將上述冷軋板，以直接通電加熱爐將升溫速度改變為30℃/sec與200℃/sec的兩個程度而加熱至740℃之後，再以30℃/sec升溫至1000℃而保持10秒後，實施進行冷卻的精加工退火(再結晶退火)。P含有量為0.35mass%與0.5mass%的鋼板，當冷軋時斷裂，所以未進到之後的步驟。
從所得到的冷軋退火板，採取L：180mm×C：30mm的L方向樣本及L：30mm×C：180mm的C方向樣本，以愛潑斯坦(Epstein)實驗來測定磁性特性(磁通密度B50、鐵損W15/50)，其結果顯示於第1圖及第2圖。
根據第1圖及第2圖，了解P含有量為0.03mass%以上且升溫速度為200℃/sec，可得到良好的磁性特性。其原因是因為藉由將P添加到0.03mass%以上，讓磁化容易軸的{100}<012>方位增加；或藉由將精加工退火時的達到740℃的升溫速度提高，讓對{100}<012>方位的整合度提高，且以之後的高溫退火讓{100}<012>方位成長，來得到良好的磁性特性。
接著為了研究達到磁性特性的Ca的影響，而 進行以下的實驗。
將含有：C：0.0028mass%、Si：3.3mass%、Mn：0.50mass%、Al：0.004mass%、N：0.0022mass%、P：0.08mass%及S：0.0024mass%且Ca的添加量在0.0001~0.015mass%的範圍變化的扁鋼胚，進行1100℃×30分鐘的再加熱後，進行熱軋作成板厚度1.8mm的熱軋板，在實施1000℃×30秒的熱軋板退火後，以一次冷軋作成板厚度0.25mm的冷軋板。之後將上述冷軋板，以直接通電加熱爐將升溫速度改變為30℃/sec與300℃/sec的兩個程度而加熱至740℃之後，再以30℃/sec升溫至1000℃而保持10秒後，實施進行冷卻的精加工退火(再結晶退火)。
從所得到的冷軋退火板，採取L：180mm×C：30mm的L方向樣本及L：30mm×C：180mm的C方向樣本，以愛潑斯坦(Epstein)實驗來測定磁性特性(磁通密度B50、鐵損W15/50)，其結果顯示於第3圖及第4圖。
根據第3圖及第4圖了解，Ca對於S的原子比，也就是((Ca/40)/(S/32))為0.5~3.5的範圍且升溫速度為300℃/sec可得到良好的磁性特性。理由是因為Ca將鋼中的S固定，有成為CaS析出的效果，而改善了熱軋板退火時的粒成長性，讓冷軋前的結晶粒徑粗大化，結果讓冷軋後的再結晶組織的磁化困難軸的{111}<112>方位減少。並且藉由將精加工退火(再結晶退 火)的加熱的升溫速度提高，讓{111}<112>方位更減少。結果讓磁化容易軸的{100}<012>方位增加，可得到大幅的磁性特性的提升。
接著為了研究達到磁性特性的升溫速度的影響，而進行以下的實驗。
將含有：C：0.0025mass%、Si：2.5mass%、Mn：0.20mass%、Al：0.001mass%、N：0.0025mass%、P：0.10mass%、S：0.0020mass%及Ca：0.003mass%的扁鋼胚，進行1100℃×30分鐘的再加熱後，進行熱軋作成板厚度1.8mm的熱軋板，在實施1000℃×30秒的熱軋板退火後，以一次冷軋作成板厚度0.30mm的冷軋板。之後將上述冷軋板，以直接通電加熱爐將升溫速度在30~300℃/sec的範圍進行各種變化而加熱至740℃之後，再以30℃/sec升溫至1020℃而保持10秒後，實施進行冷卻的精加工退火(再結晶退火)。
從所得到的冷軋退火板，採取L：180mm×C：30mm的L方向樣本及L：30mm×C：180mm的C方向樣本，以愛潑斯坦(Epstein)實驗來測定磁性特性(磁通密度B50、鐵損W15/50)，其結果顯示於第5圖及第6圖。
從第5圖及第6圖可看出，藉由使至740℃之前的升溫速度為100℃/sec以上，而可得到良好的磁性特性。這是要藉由提高升溫速度，抑制{111}粒的再結晶，藉由促進{110}粒、{100}粒的再結晶，讓磁性特性提升。 本發明是根據上述發現所開發出的。
接著針對本發明的無方向性電磁鋼板(製品板)的成分組成來說明。
C：0.005mass%以下
如果C含有超過0.005mass%的話，會引起磁氣時效而導致鐵損特性的惡化。因此讓C為0.005mass%以下。更好為0.003mass%以下。
Si：4mass%以下
Si雖然是為了提高鋼的原有阻抗而改善鐵損所添加的，而如果添加超過4mass%的話，很難進行軋製來製造。因此在本發明Si的上限為4mass%。更好為1~4mass%的範圍。
Mn：0.03~3mass%
Mn雖然是為了改善熱加工性所需要的元素，而小於0.03mass%則無法得到上述效果。另一方面添加超過3mass%，會導致飽和磁通密度的降低或原料成本的上升。因此Mn為0.03~3mass%的範圍。更好為0.05~2mass%的範圍。
Al：3mass%以下
Al與Si一樣，是為了提高鋼的原有阻抗，來改善鐵損所添加的，而添加超過3mass%，會使軋製性降低。因 此在本發明Al的上限為3mass%。更好為2mass%以下。Al也可不積極添加。
P：0.03~0.2mass%
P是用來增加磁化容易軸的{100}<012>方位，具有使磁性特性提升的效果，在本發明是必要的添加元素。上述效果，如第1圖、第2圖所示，能以0.03mass%以上的添加所獲得。可是添加超過0.2mass%，會妨礙冷軋性，很難進行軋製來製造。因此P為0.03~0.2mass%的範圍。更好為0.05~0.15mass%的範圍。
S：0.005mass%以下，N：0.005mass%以下
S及N，是混入於鋼中無法避免的雜質，如果含有超過0.0050mass%，則會導致磁性特性惡化，所以分別限制為0.0050mass%以下。最好S：0.004mass%以下，N：0.004mass%以下。
Ca：0.0005~0.01mass%且(Ca(mass%)/40)/(S(mass%)/32)：0.5~3.5
Ca的效果，是將S固定，促進在熱軋板退火的粒成長，將冷軋前的結晶粒徑粗大化，將冷軋後的再結晶組織的{111}<112>方位減低。Ca的添加量少於0.0005mass%，則上述效果不充分，另外添加超過0.01mass%則會導致CaS的過析出，讓磁滯損耗增加而不 適合。
並且為了確實得到Ca的上述效果，除了上述組成範圍之外，需要添加成讓Ca對於S的原子比(Ca(mass%)/40)/(S(mass%)/32))為0.5~3.5的範圍。Ca對於S的原子比小於0.5，則無法充分獲得上述效果，另一方面Ca對於S的原子比超過3.5的話，CaS的析出量會太多，讓磁滯損耗增加，反而讓鐵損增加。因此Ca對於S的原子比需要添加在0.5~3.5的範圍。更好為1~3的範圍。
本發明的無方向性電磁鋼板，除了上述成分之外，可進一步含有Sn：0.003~0.5mass%及Sb：0.003~0.5mass%之中的任一種或兩種。
Sn及Sb，不只改善集合組織使磁通密度提升，藉由防止鋼板表層的氧化或氮化以及其伴隨產生的表層微細粒，來防止磁性特性的惡化等，具有各種良好的作用效果。為了發現該效果，最好將Sn及Sb其中任一種以上含有0.003mass%以上。另一方面，添加超過0.5mass%，會妨礙結晶粒的成長，反而可能導致磁性特性的惡化。因此在添加Sn及Sb的情況，分別成為0.003~0.5mass%的範圍較佳。更好的添加量為分別0.005~0.4mass%的範圍。
本發明的無方向性電磁鋼板的上述成分以外的剩餘部分，為Fe及無法避免的雜質。
接著針對本發明的無方向性電磁鋼板的製造方法來說明。
本發明的無方向性電磁鋼板，是將調整成適合本發明的上述成分組成的鋼，在使用轉爐或電爐、真空脫氣設備等的精鍊程序熔製，以連續鑄造法或造塊-分塊軋製法作成扁鋼胚之後，將上述扁鋼胚進行熱軋作成熱軋板，實施熱軋板退火之後，進行冷軋，進行再結晶退火(精加工退火)的通常習知的方法來製造。在上述製程之中，在包含熱軋板退火的熱軋步驟之前的製造條件，只要用習知的條件即可，並沒有特別限制。因此，以下針對冷軋步驟以後的製造條件來說明。
從熱軋板退火後的熱軋板到最終板厚度的冷軋板的冷軋，採用一次冷軋或隔著中間退火的兩次以上的冷軋都可以。其下壓率也可與平常的無方向性電磁鋼板的製造程序相同。
上述冷軋板，之後雖然實施精加工退火(再結晶退火)，而本發明的製造方法，作為上述精加工退火的加熱條件，而需要急速加熱至再結晶溫度區域，具體來說，需要以平均加熱溫度100℃/sec以上急速加熱至室溫~740℃。如第5圖、第6圖所示，藉由以100℃/sec以上急速加熱，抑制{111}粒的再結晶，促進{110}粒或{100}粒的再結晶，所以改善磁性特性。到達室溫~740℃為止的加熱速度為150℃/sec以上較佳。
急速加熱的終點溫度，只要至少為再結晶完成的溫度740℃即可，也可為超過740℃的溫度。可是終點溫度越高溫，加熱所需要的設備成本或運轉成本會增 加，所以在製造成本方面較不適合。因此，在本發明，急速加熱的終點溫度至少為740℃。
急速加熱而再結晶的上述冷軋板，之後為了粒成長成預定大小的結晶粒，再使溫度上升實施均熱退火。此時的升溫速度、均熱溫度、均熱時間，依照在通常的無方向性電磁鋼板進行的退火條件進行即可，沒有特別限制。例如，到達740℃以上均熱溫度為止的升溫速度為1~50℃/sec，均熱溫度為800~1100℃，均熱溫度為5~120sec的範圍較佳。更好的均熱溫度為900~1050℃的範圍。
針對讓上述加熱時的升溫速度成為100℃/sec以上的方法，並沒有特別限制，例如，可以適當使用直接通電加熱法或導引加熱法等。
[實施例]
在將表1所示的各種成分組成的鋼熔製作成扁鋼胚後，進行1080℃×30分鐘的再加熱後，進行熱軋作成板厚度2.0mm，實施1000℃×30秒的熱軋板退火後，以一次的冷軋作成表2所示的最終板厚度t的冷軋板。
接著如表2所記載，以直接通電加熱爐，將升溫速度與急速加熱終點溫度進行各種改變而加熱，之後以30℃/sec同樣加熱至表2所示的均熱溫度，在保持10秒之後，實施進行冷卻的精加工退火(再結晶退火)而作成冷軋退火板。
從所得到的冷軋退火板，切出L：180mm×C：30mm的L方向樣本及C：180mm×L：30mm的C方向樣本，以愛潑斯坦(Epstein)實驗來測定磁性特性(磁通密度B50、鐵損W15/50)，其結果記載於表2。
從表1及表2可看出，完全符合本發明的條件所製造的無方向性電磁鋼板，具有高磁通密度且低鐵損的優異磁性特性。表2中的No.5的鋼板為P較高，而No.18的鋼板為Si較高，都在冷軋產生龜裂而斷裂，所以無法進到之後的步驟。

Claims (2)

  1. 一種無方向性電磁鋼板的製造方法，將包含：C：0.005mass%以下、Si：4mass%以下、Mn：0.03~3mass%、Al：3mass%以下、P：0.03~0.2mass%、S：0.005mass%以下以及N：0.005mass%以下，含有0.0005~0.01mass%的Ca且Ca對於S的原子比(Ca(mass%)/40)/(S(mass%)/32)為0.5~3.5的範圍，剩餘部分為Fe及無法避免的雜質所構成的扁鋼胚，進行熱軋、熱軋板退火、冷軋後，實施以平均升溫速度100℃/sec以上加熱到至少740℃的再結晶退火。
  2. 如申請專利範圍第1項的無方向性電磁鋼板的製造方法，其中上述扁鋼胚，除了上述組成成分之外，分別以0.003~0.5mass%的範圍含有從Sn及Sb之中選出的一種或兩種。
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