TW201443246A - 磁特性優良的無方向性電磁鋼板 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種無方向性電磁鋼板，含有0.01 mass%以下的C、1 mass%~4 mass%的Si、0.05 mass%~3 mass%的Mn、0.03 mass%~0.2 mass%的P、0.01 mass%以下的S、0.004 mass%以下的Al、0.005 mass%以下的N及0.003 mass%以下的As，較佳為進而含有選自0.001 mass%~0.1 mass%的Sb及0.001 mass%~0.1 mass%的Sn之中的一種或兩種，或者進而含有選自0.001 mass%~0.005 mass%的Ca及0.001 mass%~0.005 mass%的Mg之中的一種或兩種，具有高磁通密度，且其各向異性小。

Description

磁特性優良的無方向性電磁鋼板
本發明是有關於一種磁特性優良的無方向性電磁鋼板，特別是有關於一種高磁通密度的無方向性電磁鋼板。
近年來，由於對節能的要求高漲，故開始使用高效率感應馬達(induction motor)。在上述馬達中，為了提高效率，增加鐵心積厚，或提高線圈的填充率。此外，關於用於鐵心的電磁鋼板，亦正在推進自現有的低級別材料向鐵損更低的高級別材料的轉換。
然而，在此種感應馬達芯材中，自減少銅損的角度考慮，對於作為原材料的鋼板，除了要求鐵損低以外，亦要求設計磁通密度下的勵磁有效電流(exciting effective electric current)低。為了減少勵磁電流，有效的是提高芯材的磁通密度。
此外，在近年來迅速推廣普及的混合動力汽車或電動汽車中所使用的驅動馬達中，在發動時或加速時需要高扭矩(torque)，因此期望更進一步提高磁通密度。
作為高磁通密度的電磁鋼板，例如，在專利文獻1中， 揭示有一種在Si≦4mass%的鋼中添加有0.1mass%~5mass%的Co的無方向性電磁鋼板。
[現有技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2000-129410號公報
但是，Co非常昂貴，因此當將專利文獻1中所記載的材料應用於馬達的芯材時，存在製造成本顯著上升的問題。因此，期望開發一種不導致製造成本上升而提高磁通密度的無方向性電磁鋼板。
又，在用於馬達的無方向性電磁鋼板中，當馬達旋轉時，勵磁方向在板面內旋轉，因此不僅軋製方向(rolling direction)(L方向)的磁特性，而且與軋製方向垂直的方向(C方向)的磁特性亦會對馬達特性造成影響。因此，在無方向性電磁鋼板中，迫切期望不僅L方向及C方向的磁特性優良，而且L方向及C方向的磁特性的差異小，即，各向異性小。
本申請案發明是鑒於現有技術的上述問題而開發的，其目的在於提供一種不導致製造成本上升而磁通密度高的無方向性電磁鋼板。
發明者等人為了解決上述問題而反覆潛心研究。其結果獲知，在已減少Al的鋼中添加P，進而減少As，藉此無需特殊的添加元素即可提高磁通密度，從而開發出本發明。
即，本發明是一種無方向性電磁鋼板，包括如下的成分組成：含有0.01mass%以下的C、1mass%~4mass%的Si、0.05mass%~3mass%的Mn、0.03mass%~0.2mass%的P、0.01mass%以下的S、0.004mass%以下的Al、0.005mass%以下的N及0.003mass%以下的As，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。
本發明的無方向性電磁鋼板的特徵在於：除了上述成分組成以外，進而含有選自0.001mass%~0.1mass%的Sb及0.001mass%~0.1mass%的Sn之中的一種或兩種。
又，本發明的無方向性電磁鋼板的特徵在於：除了上述成分組成以外，進而含有選自0.001mass%~0.005mass%的Ca及0.001mass%~0.005mass%的Mg之中的一種或兩種。
又，本發明的無方向性電磁鋼板的特徵在於：軋製方向(L方向)的磁通密度B50L和與軋製方向垂直的方向(C方向)的磁通密度B50C的比(B50L/B50C)為1.05以下。
又，本發明的無方向性電磁鋼板的特徵在於：板厚為0.05mm~0.30mm。
根據本發明，可廉價地提供一種具有高磁通密度的無方向性電磁鋼板，因此可適合用作高效率感應馬達、要求高扭矩的混合動力汽車或電動汽車的驅動馬達、要求高發電效率的高效率發電機的芯(core)材料等。
圖1是表示Al及P的含量對磁通密度B50所造成的影響的曲線圖。
圖2是表示Al及P的含量對磁通密度的各向異性(B50L/B50C)所造成的影響的曲線圖。
圖3是表示As的含量對磁通密度B50所造成的影響的曲線圖。
圖4是表示As的含量對磁通密度的各向異性(B50L/B50C)所造成的影響的曲線圖。
以下，對完成本發明的開發的實驗進行說明。
首先，為了調查P對鐵損所造成的影響，在實驗室內對鋼進行熔解而製成鋼塊之後，進行熱軋製(hot rolling)而製成板厚為1.6mm的熱軋板，上述鋼是相對於含有0.0025mass%的C、3.05mass%的Si、0.25mass%的Mn、0.0021mass%的S、0.30mass%的Al及0.0021mass%的N的鋼(添加Al的鋼)，以及含有0.0022mass%的C、3.00mass%的Si、0.24mass%的Mn、0.0018mass%的S、0.002mass%的Al及0.0020mass%的N的鋼(無Al鋼)的兩種鋼，使P在微量(trace，tr.)~0.15mass%的範圍內發生各種變化進行添加而成。其次，在上述熱軋板上實施1000℃×30sec的熱軋板退火，進行酸洗，並進行冷軋製而製成板厚為0.20mm的冷軋板，並在20vol%H2-80vol%N2氣氛(atmosphere)下實施1000℃×10sec的最終退火。
自如此獲得的冷軋退火板提取寬30mm×長280mm的試驗片，利用愛普斯坦法(Epstein's method)測定磁通密度B50，並將其結果設為P含量與磁通密度B50的關係而示於圖1。此處，所謂磁通密度B50，是指利用長邊方向為軋製方向的試驗片以及長邊方向為與軋製方向垂直的方向的試驗片各一半量而測定的磁化力為5000A/m時的磁通密度。由上述圖1可知，在添加Al的鋼中，即使添加P亦未觀察到磁通密度的提高，但是在無Al鋼中，藉由添加0.03mass%以上的P，磁通密度得到提高。
如上所述，僅在無Al鋼中藉由添加P而可獲得磁通密度提高的效果，其理由尚未充分明確，但可認為藉由P在晶粒界進行偏析而具有提高磁通密度的效果。另一方面，可認為原因在於在添加Al的鋼中，藉由添加Al而會對冷軋前的P的偏析行為造成某些影響，從而抑制P向晶粒界的偏析。
其次，關於在上述實驗中所獲得的添加Al的鋼及無Al鋼的兩種冷軋退火板，測定軋製方向(L方向)的磁通密度B50L以及與軋製方向垂直的方向(C方向)的磁通密度B50C，調查P的含量對磁通密度的各向異性所造成的影響。再者，在本發明中，使用軋製方向(L方向)的磁通密度B50L及與軋製方向垂直的方向(C方向)的磁通密度B50C的比(B50L/B50C)，作為表示上述各向異性的指標。其意味著上述值越接近於1，各向異性越小。而且，本發明的開發目標是將上述比(B50L/B50C)設為1.05以下。再者，以下，將上述軋製方向(L方向)的磁通密度B50L及與軋製方向 垂直的方向(C方向)的磁通密度B50C的比(B50L/B50C)亦僅稱為「各向異性(B50L/B50C)」。
圖2中，表示P的含量與各向異性(B50L/B50C)的關係。由上述圖2可知，在無Al鋼中，藉由添加P而使各向異性減少，並且，藉由將P的添加量設為0.03mass%以上，可將各向異性的指標B50L/B50C減少至開發目標1.05以下。
如上所述，藉由在無Al鋼中添加P而使各向異性得到改善，其理由目前尚未充分明確，但已推測出藉由P向晶界的偏析而會在織構組織(texture)中產生某些變化，從而磁通密度的各向異性減少。
其次，為了調查已添加P的鋼的製造穩定性，對含有0.0020mass%的C、3.00mass%的Si、0.20mass%的Mn、0.06mass%的P、0.0012mass%的S、0.002mass%的Al及0.0018mass%的N的鋼進行10爐次(charge)出鋼，並進行熱軋製而製成板厚為1.6mm的熱軋板，並且實施1000℃×30sec的熱軋板退火，進行酸洗，並進行冷軋製而製成板厚為0.35mm的冷軋板之後，在20vol%H2-80vol%N2氣氛下實施1000℃×10sec的最終退火(finish annealing)。
對如此獲得的冷軋退火板調查磁通密度B50後發現，B50的測定結果發生大幅偏差。因此，對低磁通密度的材料進行成分分析後認為，含有0.0020mass%~0.0035mass%的As，As在晶界進行偏析，而P的晶界偏析得到抑制，其結果使得磁通密度下降。
As被認為通常是自廢料(scrap)混入進來的雜質，伴隨著近年來廢料的使用比率提高，不僅混入進來的量，而且混入進來的不均性亦在逐漸增大，因此導致如上所述的結果。
其次，為了調查As對磁通密度所造成的影響，在實驗室內對鋼進行熔解而製成鋼塊之後，進行熱軋製而製成板厚為1.6mm的熱軋板，接著對上述熱軋板實施1000℃×30sec的熱軋板退火，進行酸洗，並進行冷軋製而製成板厚為0.35mm的冷軋板，並在20vol%H2-80vol%N2氣氛下實施1000℃×10sec的最終退火，上述鋼是相對於0.0015mass%的C、3.10mass%的Si、0.15mass% Mn、0.05mass%的P、0.0009mass%的S、0.30mass%的Al及0.0018mass%的N的鋼(添加Al的鋼)，以及0.0016mass%的C、3.00mass%的Si、0.15mass%的Mn、0.05mass%的P、0.0009mass%的S、0.002mass%的Al及0.0020mass%的N的鋼(無Al鋼)的兩種鋼，使As在tr.~0.008mass%的範圍內發生變化進行添加而成。
自如此獲得的冷軋退火板提取寬30mm×長280mm的試驗片，利用愛普斯坦法(Epstein's method)測定磁通密度B50，並將其結果設為As含量與磁通密度B50的關係而示於圖3。由上述圖3可知，當As的含量大於0.003mass%時，磁通密度下降。
其次，利用在上述實驗中所獲得的試驗片，測定B50L及B50C，將As的含量與(B50L/B50C)的關係示於圖4。由上述圖4可知，當將As的含量設為0.003mass%以下時，磁通密度的各 向異性縮小，從而可將各向異性的指標(B50L/B50C)設為目標值1.05以下。可認為其理由在於，當減少As時，As向晶界的偏析量減少，同樣地作為偏析元素的P向晶界的偏析則得到促進，其結果使得織構組織得到改善，從而由圖2表明的藉由添加P而獲得的各向異性減少效果得到進一步提昇。
本發明是基於上述新穎的見解而開發的。
其次，對本發明的無方向性電磁鋼板中的成分組成進行說明。
C：0.01mass%以下
C若在製品板中含有超過0.01mass%，則會引起磁老化(magnetic aging)，因此上限設為0.01mass%。較佳為0.005mass%以下。
Si：1mass%~4mass%
Si是有效提高鋼的比電阻(specific resistance)而減少鐵損的元素，因此在本發明中添加1mass%以上。另一方面，若大於4mass%，則勵磁有效電流顯著增大。因此，本發明將Si設為1mass%~4mass%的範圍。較佳為Si的下限為2.0mass%，上限為3.5mass%。
Mn：0.05mass%~3mass%
為了防止熱軋製時的脆性，需要添加0.05mass%以上的Mn。但是，若大於3mass%，則飽和磁通密度下降，從而磁通密度下降。因此，Mn設為0.05mass%~3mass%的範圍。較佳為Mn的下限 為0.05mass%，上限為2.0mass%。
P：0.03mass%~0.2mass%
P是本發明中的重要元素之一，如由上述圖1所知，藉由在將Al減少至0.004mass%以下的鋼中添加0.03mass%以上的P，而具有提高磁通密度的效果。但是，若添加超過0.2mass%，則鋼會發生硬質化，從而難以進行冷軋製，因此上限設為0.2mass%。較佳為P的下限為0.05mass%，上限為0.10mass%。
S：0.01mass%以下
S是形成MnS等硫化物，阻礙晶粒成長，從而使鐵損增加的有害元素，因此將上限設為0.01mass%。再者，S亦為晶界偏析型的元素，若S增多，則會有抑制P的晶界偏析的傾向，因此自促進P的晶界偏析的角度考慮，較佳為0.0009mass%以下。
Al：0.004mass%以下
Al是本發明中的重要元素之一，若含有超過0.004mass%，則無法藉由上述P的添加而獲得磁通密度提高的效果，因此將上限設為0.004mass%。較佳為0.002mass%以下。
N：0.005mass%以下
N是形成氮化物，阻礙晶粒成長，從而增加鐵損的有害元素，因此將上限設為0.005mass%。較佳為0.003mass%以下。
As：0.003mass%以下
As是本發明中的重要元素之一，且如上所述，在少量添加Al、P的鋼中，是在晶界進行偏析而抑制P的晶界偏析，從而使 磁通密度下降的有害元素。因此，在本發明中，將As的含量限制在0.003mass%以下。較佳為0.002mass%以下，更佳為0.001mass%以下。
本發明的無方向性電磁鋼板除了上述成分以外，可進而在下述範圍內含有Sb及Sn之中的一種或兩種。
Sb：0.001mass%~0.1mass%、Sn：0.001mass%~0.1mass%
Sb是晶界偏析元素，具有提高磁通密度的效果，但對P偏析所造成的影響少，因此可在0.001mass%~0.1mass%的範圍內進行添加。
另一方面，Sn是晶界偏析元素，但對P偏析所造成的影響少，反而具有促進晶粒內的變形帶的形成，提高磁通密度的效果，因此可在0.001mass%~0.1mass%的範圍內進行添加。Sb及Sn的更佳的下限為0.005mass%，更佳的上限為0.05mass%。
本發明的無方向性電磁鋼板除了上述成分以外，可進而在下述範圍內含有Ca及Mg之中的一種或兩種。
Ca：0.001mass%~0.005mass%、Mg：0.001mass%~0.005mass%
Ca及Mg具有使硫化物粗大化而促進晶粒成長，從而減少鐵損的效果，因此可分別在0.001mass%~0.005mass%的範圍內進行添加。Ca及Mg的更佳的下限為0.0015mass%，更佳的上限為0.003mass%。
再者，本發明的無方向性電磁鋼板中，上述成分以外的 剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。但是，只要在不損害本發明的作用效果的範圍內，亦允許含有其他元素。
其次，對本發明的無方向性電磁鋼板的製造方法進行說明。
本發明的無方向性電磁鋼板的製造方法對除了需要將鋼成分、特別是將Al、P及As控制在上述成分組成範圍內以外的條件並無特別限制，可在與通常的無方向性電磁鋼板相同的條件下進行製造。例如，可利用如下方法來製造：利用轉爐(converter furnace)或除氣處理裝置等，對適合於本發明的成分組成的鋼進行鑄錠(ingot)，並藉由連續鑄造或鑄塊(ingot casting)-分塊軋製(blooming rolling)等而製成鋼原材料(扁鋼坯(slab))之後，進行熱軋製，並視需要進行熱軋板退火，繼而藉由一次冷軋製或夾插中間退火的兩次以上的冷軋製而形成為規定的板厚，然後進行最終退火。
[實施例]
對經轉爐吹煉的熔融鋼(molten steel)進行除氣處理而鑄錠成具有表1所示的各種成分組成的鋼之後，進行連續鑄造而製成扁鋼坯，並進行1140℃×1hr的再加熱之後，進行將精軋製溫度設為800℃的熱軋製，在610℃的溫度下捲成圈(coil)，從而製成板厚為1.6mm的熱軋板。接著，對上述熱軋板在100vol%N2氣氛下實施1000℃×30sec的熱軋板退火之後，進行冷軋製而製成板厚為0.25mm的冷軋板，並在20vol%H2-80vol%N2氣氛下，同 樣地在表1所示的條件下實施最終退火而製成冷軋退火板。
自如此獲得的冷軋退火板，自軋製方向(L方向)及與軋製方向垂直的方向(C方向)切出寬30mm×長280mm的愛普斯坦試驗片，依據JIS C2550，分別測定鐵損W10/400及磁通密度B50、各向異性(B50L/B50C)，並將其結果一併記載於表1中。
由表1的結果可知，將鋼成分、特別是將Al、P及As的含量控制在本發明的範圍內的無方向性電磁鋼板不僅磁通密度B50均優良而達1.68T以上，而且各向異性(B50L/B50C)均小至1.05以下。
[產業上之可利用性]
本發明的無方向性電磁鋼板由於磁通密度高，因此除了混合動力汽車、電動汽車中所使用的驅動馬達以外，亦可適用於高效率的感應馬達、空調的壓縮機用馬達(compressor motor)。

Claims (5)

  1. 一種無方向性電磁鋼板，包括如下的成分組成：含有0.01mass%以下的C、1mass%~4mass%的Si、0.05mass%~3mass%的Mn、0.03mass%~0.2mass%的P、0.01mass%以下的S、0.004mass%以下的Al、0.005mass%以下的N及0.003mass%以下的As，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的無方向性電磁鋼板，其中除了上述成分組成以外，進而含有選自0.001mass%~0.1mass%的Sb及0.001mass%~0.1mass%的Sn之中的一種或兩種。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的無方向性電磁鋼板，其中除了上述成分組成以外，進而含有選自0.001mass%~0.005mass%的Ca及0.001mass%~0.005mass%的Mg之中的一種或兩種。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的無方向性電磁鋼板，其軋製方向(L方向)的磁通密度B50L和與軋製方向垂直的方向(C方向)的磁通密度B50C的比(B50L/B50C)為1.05以下。
  5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的無方向性電磁鋼板，其板厚為0.05mm~0.30mm。
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