TW201443248A - 高頻率鐵損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，以質量%計，包含如下的成分組成：含有0.005%以下的C、1.5%~4%的Si、1.0%~5%的Mn、0.1%以下的P、0.005%以下的S、3%以下的Al、0.005%以下的N、0.0030%以下的Bi，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質；或者包含如下的成分組成：含有0.005%以下的C、1.5%~4%的Si、1.0%~5%的Mn、0.1%以下的P、0.005%以下的S、3%以下的Al、0.005%以下的N、0.0030%以下的Bi，進而含有選自0.0005%~0.005%的Ca及0.0002%~0.005%的Mg之中的一種或兩種，即使在大量含有Mn的情形時，亦具有穩定而優良的高頻率鐵損特性。

Description

高頻率鐵損特性優良的無方向性電磁鋼板
本發明是有關於一種高頻率鐵損特性優良的無方向性電磁鋼板。
混合動力汽車(hybrid automobile)或電動汽車(electric automobile)用的馬達自小型化、高效率化的角度考慮，是在400Hz~2kHz的高頻率範圍內受到驅動。對於此種高頻率馬達的芯材中所使用的無方向性電磁鋼板，期望高頻率時的鐵損低。
為了減少高頻率時的鐵損，有效的是減少板厚以及增大比電阻(specific resistance)。但是，減少板厚的方法存在如下問題：不僅由於材料的剛性下降而使得處理變難，而且由於鑽孔(punch)工時或裝載工時增加，故而生產性下降。與此相對，提高比電阻的方法則不存在如上所述的缺點，因此作為高頻率鐵損減少方法可謂理想。
為了提高比電阻，有效的是添加Si。但是，Si是固溶強化能力大的元素，因此存在如下問題，即，伴隨著Si添加量的增加，材料發生硬化，從而軋製性下降。作為解決上述問題的手段 之一，有添加Mn來代替Si的方法。與Si相比，Mn的固溶強化能力小，因此可一面抑制製造性的下降，一面減少高頻率鐵損。
作為有效利用上述Mn的添加效果的技術，例如在專利文獻1中，揭示有一種含有0.5質量百分比(質量%)~2.5質量%的Si、1.0質量%~3.5質量%的Mn、1.0質量%~3.0質量%的Al的無方向性電磁鋼板。又，在專利文獻2中，揭示有一種含有3.0質量%以下的Si、1.0質量%~4.0質量%的Mn、1.0質量%~3.0質量%的Al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2002-47542號公報
[專利文獻2]日本專利特開2002-30397號公報
但是，上述專利文獻1及專利文獻2所揭示的技術均存在如下問題：伴隨著Mn添加量的增加，磁滯損耗(hysteresis loss)增加，從而存在無法獲得所期望的鐵損減少效果的情況。
本發明是鑒於現有技術所具有的上述問題點而開發的，其目的在於提供一種即使在大量含有Mn的情形時，亦具有穩定而優良的高頻率鐵損特性的無方向性電磁鋼板。
發明者等人為了解決上述課題，著眼於鋼板中所含的雜質成分而反覆潛心研究。其結果發現，Mn添加量高的鋼的高頻率鐵損特性劣化的原因在於作為雜質而含有的Bi的存在，因此，藉 由抑制Bi的含量，即使Mn含量高亦可穩定地減少高頻率鐵損，從而開發出本發明。
基於上述見解的本發明是一種無方向性電磁鋼板，包括：含有0.005質量%以下的C、1.5質量%~4質量%的Si、1.0質量%~5質量%的Mn、0.1質量%以下的P、0.005質量%以下的S、3質量%以下的Al、0.005質量%以下的N、0.0030質量%以下的Bi，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質的成分組成。
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0.0005質量%~0.005質量%的Ca及0.0002質量%~0.005質量%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：除了上述成分組成以外，進而含有選自0.0005質量%~0.05質量%的Sb及0.0005質量%~0.05質量%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0.0005質量%~0.0030質量%的Mo。
又，本發明的無方向性電磁鋼板的特徵在於：Ti的含量為0.002質量%以下。
根據本發明，藉由抑制作為雜質而含有的Bi的含量，即使Mn的添加量高，亦可穩定地以良好的生產性製造高頻率鐵損特性優良的無方向性電磁鋼板。
圖1是表示Bi的含有對Mn含量與高頻率鐵損W10/400的關係所造成的影響的曲線圖。
圖2是表示Bi含量與高頻率鐵損W10/400的關係的曲線圖。
首先，對成為本發明的開發契機的實驗進行說明。
在實驗室內對鋼進行熔解而製成鋼塊，並進行熱軋製(hot rolling)，在100vol%N2環境下實施1000℃×30sec的熱軋板退火之後，進行冷軋製而製成板厚為0.30mm的冷軋板，並在20vol%H2-80vol%N2環境中實施1000℃×30sec的成品退火(finish annealing)，上述鋼是以含有0.0016質量%的C、3.35質量%的Si、0.013質量%的P、0.0004質量%的S、1.4質量%的Al及0.0018質量%的N的鋼為基質(base)，且使Mn在0.1質量%~5.2質量%的範圍內進行各種變化而添加於其中而成。
圖1的●符號是將上述實驗結果表示為Mn添加量與鐵損W10/400的關係者。由上述結果可知，若Mn未滿1質量%，則鐵損隨著Mn添加量的增大而下降，若Mn為1質量%以上則鐵損下降變緩，若Mn超過4質量%，則鐵損反而增加。為了調查其原因，利用穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)對含有2質量%的Mn的鋼板進行觀察，結果在晶界(grain boundary)中觀察到粒狀的Bi。
因此，為了進一步調查Bi對磁特性所造成的影響，在 實驗室內對鋼進行熔解，與上述實驗同樣地製成冷軋退火板，測定鐵損W10/400，上述鋼是以含有0.0014質量%的C、3.33質量%的Si、1.2質量%的Al、0.014質量%的P、0.0006質量%的S、0.0020質量%的N且Bi的含量為0.0010質量%以下的高純度鋼為基質，且使Mn在0.1質量%~5.2質量%的範圍內進行各種變化而添加於其中而成。
在圖1中利用▲符號來表示如此獲得的實驗結果。由上述結果可知，在使用已減少Bi的高純度鋼的冷軋退火板中，越提高Mn添加量，相對於以●符號表示的鋼板，鐵損越下降。又，利用TEM對含有2質量%的Mn的鋼板進行觀察，結果在晶界中未觀察到粒狀的Bi。由上述結果推測出，上述●符號的鋼板中的伴隨著Mn添加量的增加而引起的鐵損增大的原因在於因Bi的微細析出而導致的磁滯損耗的增加。
另一方面，在Mn未滿1質量%的鋼板中，雖觀察到因Bi的減少而獲得的鐵損的改善效果，但其比例小，其理由尚未充分明確，但可認為疑似原因在於在提高Mn含量的鋼中，晶粒成長的驅動力因Mn的溶質牽引(solute drag)而下降，因此晶粒成長容易因微量的Bi的存在而受到較大影響。
Bi通常為自廢料(scrap)混入進來的雜質，伴隨著近年來廢料的使用比率提高，不僅混入進來的量在逐漸增大，而且混入進來的不均性亦在逐漸增大。可認為如上所述的Bi含量的增加在Mn含量低的電磁鋼板中不會成為大問題，但在Mn含量高的 鋼中，則由於晶粒成長性因Mn的溶質牽引(solute drag)而下降，因此因微量的Bi而受到較大影響。
其次，為了調查Bi含量對鐵損所造成的影響，在實驗室內對鋼進行熔解，與上述實驗同樣地製成板厚為0.30mm的冷軋退火板，測定鐵損W10/400，上述鋼是以含有0.0022質量%的C、3.20質量%的Si、1.7質量%的Mn、1.3質量%的Al、0.014質量%的P、0.0005質量%的S、0.0020質量%的N的鋼為基質，且使Bi的含量在微量(trace，tr.)~0.0045質量%的範圍內進行各種變化而添加於其中而成。
圖2中，將上述實驗結果表示為Bi含量與鐵損W10/400的關係。由上述圖2可知，Bi含量為0.0030質量%以下(30質量ppm以下)時鐵損大幅下降。可認為其原因在於藉由減少Bi，而使得晶粒成長性提高。由上述結果可知，為了抑制Bi對晶粒成長所造成的不良影響，需要將Bi的含量減少至0.0030質量%以下。本發明是基於上述新穎的見解者。
其次，對本發明的無方向性電磁鋼板的成分組成進行說明。
C：0.005質量%以下
C是與Mn形成碳化物的元素，若超過0.005質量%，則上述Mn系碳化物的量增加而阻礙晶粒成長，因此將上限設為0.005質量%。較佳為0.002質量%以下。
Si：1.5質量%~4質量%
Si是有效提高鋼的比電阻而減少鐵損的元素，因此添加1.5質量%以上。另一方面，若添加超過4質量%，則磁通密度(magnetic flux density)下降，因此上限設為4質量%。較佳為Si的下限為2.0質量%，上限為3.0質量%。
Mn：1.0質量%~5質量%
Mn不會大幅損害加工性，而是有效提高鋼的比電阻，從而減少鐵損，在本發明是重要成分，添加1.0質量%以上。為了進一步獲得鐵損減少效果，較佳為添加1.6質量%以上。另一方面，若添加超過5質量%，則會使磁通密度下降，因此上限設為5質量%。較佳為Mn的下限為2質量%，上限為3質量%。
P：0.1質量%以下
P是固溶強化能力大的元素，若含量超過0.1質量%，則鋼板過於硬質化而製造性下降，因此限制在0.1質量%以下。較佳為0.05質量%以下。
S：0.005質量%以下
S為不可避免的雜質，若含量超過0.005質量%，則會因MnS的析出而阻礙晶粒成長，使得鐵損增大，因此上限設為0.005質量%。較佳為0.001質量%以下。
Al：3質量%以下
Al與Si同樣，是有效提高鋼的比電阻而減少鐵損的元素，若添加超過3質量%，則磁通密度下降，因此上限設為3質量%。較佳為2質量%以下。但是，若Al的含量未滿0.1質量%，則會 析出微細的AlN而阻礙晶粒成長，使得鐵損增加，因此較佳為下限設為0.1質量%。
N：0.005質量%以下
N是自大氣中滲入至鋼中的不可避免的雜質，當含量多時，會因AlN的析出而阻礙晶粒成長，使得鐵損增加，因此將上限限制在0.005質量%。較佳為0.003質量%以下。
Bi：0.0030質量%以下
Bi在本發明中是對高頻率鐵損特性造成不良影響的應重要管理的元素，如由上述圖2所知，若Bi的含量超過0.0030質量%，則鐵損急遽增大。因此，Bi限制在0.0030質量%以下。較佳為0.0010質量%以下。
本發明的無方向性電磁鋼板較佳為除了上述成分組成以外，進而含有Ca及Mg中的任一種或兩種。
Ca：0.0005質量%~0.005質量%
Ca是藉由形成硫化物，與Bi複合析出而粗大化，從而有效抑制Bi的惡劣影響，減少鐵損的元素。為了獲得上述效果，較佳為添加0.0005質量%以上。但是，若添加超過0.005質量%，則CaS的析出量變得過多，鐵損反而增加，因此較佳為上限設為0.005質量%。更佳為Ca的下限為0.001質量%，上限為0.004質量%。
Mg：0.0002質量%~0.005質量%
Mg是藉由形成氧化物，與Bi複合析出而粗大化，從而有效抑制Bi的惡劣影響，減少鐵損的元素。為了獲得上述效果，較佳 為添加0.0002質量%以上。但是，難以超過0.005質量%而添加，胡亂地添加只會導致成本上升，因此較佳為上限設為0.005質量%。更佳為Mg的下限為0.001質量%，上限為0.004質量%。
又，本發明的無方向性電磁鋼板較佳為除了上述成分組成以外，進而含有以下的成分。
Sb：0.0005質量%~0.05質量%，Sn：0.0005質量%~0.05質量%
Sb及Sn具有改善織構(texture)，提高磁通密度的效果，因此可單獨或複合地分別添加0.0005質量%以上。更佳為0.01質量%以上。但是，添加超過0.05質量%會導致鋼板的脆化，因此較佳為上限設為0.05質量%。更佳為Sb的下限及Sn的下限分別為0.01質量%，Sb的上限及Sn的上限分別為0.04質量%。
Mo：0.0005質量%~0.0030質量%
Mo具有使所形成的碳化物粗大化而減少鐵損的效果，因此較佳為添加0.0005質量%以上。但是，添加0.0030質量%以上會導致碳化物的量變得過多，鐵損反而增加，因此較佳為上限設為0.0030質量%。更佳為Mo的下限為0.0010質量%，上限為0.0020質量%。
Ti：0.002質量%以下
Ti是形成碳氮化物的元素，若含量多，則碳氮化物的析出量變得過多而阻礙晶粒成長，使得鐵損增大。因此，在本發明中，Ti較佳為限制在0.002質量%以下。更佳為0.001質量%以下。
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，即允許含有其他元素。
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只要將鋼板的成分組成設為上述本發明的範圍內而進行製造，則對於除此以外的條件無特別限制，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)，並藉由連續鑄造或錠塊(ingot casting)-分塊軋製等而製成鋼原材料(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，然後進行成品退火。
[實施例]
對經轉爐吹煉的鋼水(molten steel)進行除氣處理而鑄錠成具有表1所示的成分組成的鋼之後，進行連續鑄造而製成扁鋼坯，並進行1100℃×1hr的扁鋼坯加熱之後，進行將熱軋製結束溫度設為800℃的熱軋製，在610℃的溫度下捲成圈(coil)，從而製成板厚為1.8mm的熱軋板。接著，對上述熱軋板在100vol%N2環境中實施1000℃×30sec的熱軋板退火之後，進行冷軋製而製成板厚為0.35mm的冷軋板，並在20vol%H2-80vol%N2環境中，實 施980℃×15sec的成品退火而製成冷軋退火板。
自如此獲得的冷軋退火板，自軋製方向及軋製直角方向切出寬30mm×長280mm的愛普斯坦試驗片，依據JIS C2550，測定鐵損W10/400及磁通密度B50，並將其結果一併記載於表1-1~表1-2中。
如由表1-1~表1-2所知，滿足本發明的成分組成的鋼板、特別是已減少Bi的鋼板，儘管Mn含量高，但高頻率鐵損特性仍優良。

Claims (5)

  1. 一種無方向性電磁鋼板，包括：含有0.005質量%以下的C、1.5質量%~4質量%的Si、1.0質量%~5質量%的Mn、0.1質量%以下的P、0.005質量%以下的S、3質量%以下的Al、0.005質量%以下的N、0.0030質量%以下的Bi，且剩餘部分為Fe及不可避免的雜質的成分組成。
  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0.0005質量%~0.005質量%的Ca及0.0002質量%~0.005質量%的Mg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0.0005質量%~0.05質量%的Sb及0.0005質量%~0.05質量%的Sn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，其中除了上述成分組成以外，進而含有0.0005質量%~0.0030質量%的Mo。
  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，其中Ti的含量為0.002質量%以下。
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