TWI468533B

TWI468533B - Non - directional electromagnetic steel plate

Info

Publication number: TWI468533B
Application number: TW101119515A
Authority: TW
Inventors: Takeaki Wakisaka
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2015-01-11
Also published as: TW201348464A

Description

無方向性電磁鋼板

發明領域

本發明係有關於一種無方向性電磁鋼板，其係適於作為如電動車或雙動力汽車等以高速旋轉或高頻電波驅動之馬達鐵芯的材料。

發明背景

近年，電動車及雙動力汽車已經大量普及，該等使用於汽車的驅動用馬達在高速旋轉化方向進展的同時，也藉由反向器在高頻電波驅動化上有所進展。為了要高速旋轉化且高頻電波驅動化，一般會要求在用來作為馬達鐵芯之無方向性電磁鋼板中減低高頻電波鐵損。

為了減低無方向性電磁鋼板的高頻電波鐵損，減小板厚並藉由高合金化使其具備高比電阻。然而，若減小板厚，則就鋼鐵製造者而言，將降低生產力；而就馬達製造者而言，將增加進行打孔的成本及使其積層的成本。進一步而言，也會有因薄型化而造成之中心剛性低下、難以固定積層等的問題。因此，必須從所要求之鐵損特性與成本的平衡來挑選板厚。

與高合金化相較之下，為了提高比電阻，一般使用Si、Al及Mn。然而，若添加Si及Al將提高鋼板的硬度而有鋼板脆化、生產力惡化的問題，故添加量有其上限。又，添加Mn時，鋼板之硬度上昇幅度雖小，但提高比電阻的效果與Si及Al相較之下約是一半左右。進一步而言，由於在熱軋步驟中將引起紅熱脆性的問題，故添加量有其上限。

在此，作為提高比電阻之其他技術，例如在專利文獻1中，揭示有將Cr添加1.5%~20%來提高比電阻的技術。添加Cr時比電阻的上升效果約與Mn相同程度，但若添加量在20%以下則鋼板的硬度不會提高這麼多，脆化的憂慮低。又，不同於Mn，其紅熱脆性的問題也較少。

然而，電動車及雙動力汽車的驅動馬達並非僅使用於高速行駛，在起動時及爬坡時的低速高轉矩行駛也要使用，又，考慮到要求高效率之高頻率行駛領域係在其等之中間的速度。因此，就馬達鐵芯用的電磁鋼板而言，不僅要求在高頻電波數下的鐵損減低，還要求在低頻電波數下的鐵損減低。

然而，發明者等針對上揭專利文獻中所揭示的技術詳細地檢討後，在專利文獻1的技術中，一定的頻率以上，例如在3000Hz下的鐵損雖良好，但在例如800Hz等的低頻率下卻會有隨著Cr添加量增加而有鐵損惡化的問題點。又，視製品的板厚，就可知鐵損開始惡化之頻率的變化。

習知技術文獻專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2001-26823號公報

專利文獻2：日本專利特開2003-183788號公報

專利文獻3：日本專利特開2002-317254號公報

專利文獻4：日本專利特開2002-115035號公報

發明概要

本發明系有鑑於前述問題點而成者，其目的在於提供一種無方向性電磁鋼板，其係在大範圍的頻率下鐵損均優異者。

在此，發明者等為了解決上述問題而反覆致力檢討的結果，獲得這樣的見解：藉由使Si、Al及Cr的質量%的比與製品的板厚滿足一定的公式，就可達成所期望的目的。即，本發明的重點構成係如下所述。

(1)一種無方向性電磁鋼板，其特徵在於其含有C：0.005質量%以下、S：0.003質量%以下、N：0.003質量%以下、Si：2.0質量%以上且未滿4.5質量%、Al：0.15質量%以上且未滿2.5質量%、及Cr：0.3質量%以上且未滿5.0質量%，且剩餘部分由Fe及不可避之不純物所構成；於表面側具有含厚度0.01μm以上且0.5μm以下之Cr氧化物的層，並且進一步滿足以下第1及第2式：10質量%≦2[Si]+2[Al]+[Cr]<15質量%………式1

(2[Al]+[Cr])/2[Si]-10t² ≦0.35………式2

(在此，[Si]、[Al]、[Cr]係各為前述無方向性電磁鋼板之Si含量、Al含量、Cr含量(質量%)，t為前述無方向性電磁鋼板的板厚(mm)。)

(2)一種如(1)所記載之無方向性電磁鋼板，其係進一步滿足以下第3式。

(2[Al]+[Cr])/2[Si]-5t² ≦0.35………式3

(3)一種如(1)所記載之無方向性電磁鋼板，其係進一步含有Mn：0.2質量%以上1.5質量%以下。

依據本發明，可提供一種在較廣頻率範圍內鐵損優異之無方向性電磁鋼板。

用以實施發明之形態

以下，詳細地說明本發明。首先，針對本發明中成分組成範圍的限定理由進行說明。

Si係用於使鋼板的比電阻增加、渦流損失減低，藉以減低高頻電波鐵損的有效元素；Si含量係設為2質量%以上且未滿4.5質量%。未滿2質量%時無法充分增加比電阻，而無法充分地獲得減低鐵損的效果。另一方面，由於Si可降低鋼板的飽和通量密度之故，若超過4.5質量%則飽和通量密度將會顯著降低，屬無方向性電磁鋼板之材料特性指標之一的B50(勵磁磁化力5000A/m下的磁通量密度)將顯著降低。

Al與Si相同，係用於使鋼板的比電阻增加、降低高頻電波鐵損之有效元素，Al含量係設在0.3質量%以上且未滿2.5質量%。未滿0.3質量%則無法充分增加比電阻，而無法充分獲得減低鐵損的效果。另一方面，由於Al將降低鋼板的飽和通量密度，若超過2.5質量%則飽和通量密度將明顯降低，B50的降低顯著。

Cr與Si、Al相較之下有效電荷雖較小，但係用於增加鋼板的比電阻、減低高頻電波鐵損有效的元素；Cr含量係設為0.3質量%以上且未滿5質量%。未滿0.3質量%則無法充分增加比電阻，而無法充分獲得減低鐵損的效果。另一方面，由於Cr將降低鋼板的飽和通量密度，若超過5質量%則飽和通量密度將明顯降低，B50的降低顯著。

又，在Si、Al及Cr的質量%關係中，係令其滿足10質量%≦2[Si]+2[Al]+[Cr]<15質量%的條件。在此，[Si]、[Al]、[Cr]係各為無方向性電磁鋼板的Si含量、Al含量、Cr含量(質量%)。2[Si]+2[Al]+[Cr]未滿10質量%時，3000Hz的鐵損會變得太大。另一方面，若超過15質量%，則鋼板的飽和通量密度將明顯降低，而B50的降低顯著。再者，相對於Cr將Si及Al之比重設定為2倍，係根基於用Cr時有效電荷小。

Si、Al、Cr之質量%比：(2[Al]+[Cr])/2[Si]係相對於製品板厚與作為目的之頻率，而設成滿足於以下所說明之固定公式。本發明者等重複進行實驗的結果，發現即使提高Si含量，磁滯損耗也不會惡化得很嚴重，但若提高Al及Cr的含量，磁滯損耗就會急遽惡化。其結果，發現即便是同等的比電阻及板厚，亦即為同等的渦流損失，若(2[Al]+[Cr])/2[Si]的比率變大則鐵損將惡化，即磁滯損耗將惡化。

又，進一步實驗的結果，即便是磁滯損耗的比率增加之低頻電波數的領域，或高頻電波數的領域，若板厚變小而渦流損失減低，該傾向就變得更加顯著。一般認為，渦流損失係頻率的平方與板厚的平方成比例，磁滯損耗雖與頻率的一次方成比例但與板厚無關。在此，基於實驗數據導出了以下的公式：(2[Al]+[Cr])/2[Si]-10t² ≦0.35

在此，t係製品之無方向性電磁鋼板的板厚(mm)。

又，為了使在較低頻電波數的領域(例如，400Hz)中鐵損良好，宜進一步使其滿足下式之條件。

(2[Al]+[Cr])/2[Si]-5t² ≦0.35

C、S、N對本發明之無方向性電磁鋼板而言為不純物元素，希望其量越少越好。

C係在鋼板中以碳化物形式析出，係使結晶粒的成長性及鐵損惡化的元素。因此，將C含量設為0.005質量%以下。若超過0.005質量%，則結晶粒的成長性將惡化，且鐵損將惡化。為了進一步抑制磁老化，宜設為0.003質量%以下。下限雖無特別限定，但在一般製造方法中，要設為0.001質量%以下是困難的。

S在鋼板中以硫化物形式析出，係使結晶粒的成長性及鐵損惡化的元素。因此，S含量係設為0.003質量%以下。若超過0.003質量%，則結晶粒的成長性將惡化，且鐵損將惡化。下限雖無特別限定，但在一般製造方法中，要設為0.0005質量%以下是困難的。

N含量係設在0.003質量%以下。若超過0.003質量%則會產生被稱為氣泡(blister)的起泡狀表面缺陷。下限雖無特別限定，但在一般的製造方法中，要設為0.001質量%以下是困難的。

又，亦可視目的含有其他的元素。

在包含Mn時，宜將Mn含量設為1.5質量%以下。雖然Mn的有效電荷亦小而會增加鋼板的比電阻，但若超過1.5質量%則會有脆化的可能性。下限雖無特別限定，但從抑制硫化物之微細析出的觀點看來，更宜為0.2質量%以上。

此外，為了磁特性之提高等目的而使其含有周知的添加元素也無妨。作為其例子，就Sn、Cu、Ni、Sb而言亦可在0.20質量%以下含有至少1種。

接下來，針對具有以上特徵之無方向性電磁鋼板的製造方法進行說明。

首先，鑄造由與以上所說明之製品的成分相同的成分所構成之液態鋼來製作平板，將所製作的平板再加熱並進行熱軋而獲得熱軋板。再者，可在製作平板時利用急冷凝固法來製作薄平板，亦可將薄鋼板直接鑄造來獲得熱軋板。

接著，對所獲得之熱軋板進行一般的酸洗處理，其後再進行冷軋而獲得冷軋板。再者，以提高磁特性為目的時，在進行酸洗處理前亦可實施熱軋板退火。熱軋板退火可為連續退火或分批退火，在可獲得適合於磁特性提高之結晶粒徑的溫度及時間下進行。

冷軋一般雖以往復或串列來進行，但由於森吉米爾冷軋機等往復軋機可獲得高磁通量密度而為佳。又，由於Si及Al太多則鋼板會脆化之故，從脆性斷裂對策的點看來，以溫軋的方式亦可。然後，利用冷軋來輥軋至製品的板厚。從高頻電波鐵損低減的觀點看來，宜將其厚度設為0.1mm~0.35mm。又，在冷軋中，亦可插入一次以上的中間退火。

利用冷軋形成製品的板厚後，實施加工退火。加工退火時，需要用於再結晶及晶粒成長所需之足夠的溫度，一般是在800℃~1100℃實施。藉由該加工退火，在鋼板的表面形成Cr氧化層。

Cr氧化物係具有薄且非常緻密的結構，一般認為其在鋼板表面形成後，將防止其後的氧入侵、抑制Si及Al的內部氧化。由於鋼板中的Si及Al容易被氧化之故，若在高溫下氧在鋼板中擴散而發生內部氧化，就會妨礙晶域壁運動而使磁滯損耗惡化。進一步，若發生內部氧化，則將因非磁性氧化層的存在而減少讓磁通量通過的實效的截面積，而非所欲地提高磁通量密度，渦流損失亦會惡化。又，高頻電波時由於磁通量會因集膚效應而往鋼板表層附近集中之故，前述的影響變得更加顯著。

考慮到以上各點，使形成於鋼板表面之Cr氧化層的厚度介於0.01μm以上且0.5μm以下。Cr氧化層的厚度未滿0.01μm時，防止氧入侵而抑制Si及Al之內部氧化的效果不充足。又，Cr氧化層的厚度若超過0.5μm，則會開始對磁特性產生壞影響。將Cr氧化層的厚度設定在0.01μm以上且0.5μm以下，則在冷軋後的加工退火中，將其退火整體設定為低氧勢，且即便在升溫時也設為低氧勢。例如，將升溫時的300℃~500℃設為P_H2O /P_H2 ≦10^-3 。

加工退火之後，塗布以一般絕緣為目的之皮膜並燒接。皮膜若為絕緣性者，則無論是全有機、全無機、有機質與無機質的混合之任一者都不會妨礙本發明的效果，故無特別限定。

實施例

接下來，針對本發明者等所進行的實驗進行說明。該等實驗中的條件等係用於確認本發明之實施可能性及效果而採用的例子，本發明並非受限於該等例子者。

(實施例1)

首先，準備含有C：0.002質量%、S：0.002質量%、N：0.002質量%及Mn：0.3質量%，且中Si、Al、Cr係以下的表1所示之組成的熱軋板，並進行酸洗，利用冷軋獲得厚度為0.25mm的冷軋板。接下來，以表1所示條件來控制氧勢，在1000℃下實施加工退火，獲得無方向性電磁鋼板。

接下來，從所獲得的無方向性電磁鋼板切出磁性測定用的樣品，測定3000Hz、1T的鐵損W10/3000與800Hz、1T的鐵損W10/800。進一步，切出觀察用樣品，觀察無方向性電磁鋼版的截面。就觀察方法而言，係使用SEM及GDS，測定Cr氧化層的厚度。其結果，Cr氧化層的厚度係如表1所示。又，試料No.1~No.3任一者皆為2[Si]+2[Al]+[Cr]=10、(2[Al]+[Cr])/2[Si]-10t² =0.053。在以下的表2中表示鐵損的測定結果。

如表2所示，本發明例之試料No.1在3000Hz、800Hz兩種頻率下的鐵損優異。另一方面，比較例的試料No.2雖係與試料No.1相同成分，但由於加工退火之升溫時的氧勢高之故，Cr氧化層的厚度為0.8μm，鐵損W10/3000、鐵損W10/800與試料No.1相較下皆變大。又，試料No.3由於含量少，無法檢出Cr氧化層，故推定其厚度未滿0.01μm。其結果，推定為生成Si及Al之內部氧化層者鐵損W10/3000、鐵損W10/800與試料No.1相較下皆變大。

(實施例2)

首先，準備含有C：0.002質量%、S：0.002質量%、N： 0.002質量%及Mn：0.3質量%，且中Si、Al、Cr係以下的表3所示之成分A~成分L之熱軋板，並進行酸洗，利用冷軋獲得厚度為0.15mm~0.30mm的冷軋板。接下來，在乾氫氣體環境中，實施1000℃的加工退火。此時的氧勢P_H2O /P_H2 在升溫時之300~500℃時設為3×10^-4 ，在均熱中設為1×10^-4 ，而獲得無方向性電磁鋼板。

接下來，從所獲得之無方向性電磁鋼板切出磁性測定用的樣品，測定3000Hz、1T之鐵損W10/3000；800Hz、1T之鐵損W10/800：與400Hz、1T之鐵損W10/400。又，藉由與實施例1相同的順序測定Cr氧化層之厚度時，Cr氧化層的厚度在所有的試料中係在0.01μm~0.5μm範圍內。首先，在以下的表4及表5中表示鐵損W10/3000及鐵損W10/800的測定結果。再者，針對各個試料計算(2[Al]+[Cr])/2[Si]-10t² 時，可獲得表示於以下的表4及表5之結果。

如表4及表5所示，由於屬比較例成分A~C的試料為2[Si]+2[Al]+[Cr]<10質量%，若與相同板厚者比較，則鐵損W10/3000大。針對成分D~L的試料，任一者皆係2[Si]+2[Al]+[Cr]≧10質量%，鐵損W10/3000與相同板厚的成分A~C之試料相較下為小。然而，(2[Al]+[Cr])/2[Si]-10t² >0.35的試料若與相同板厚者相較下鐵損W10/800變大。

在以下之表6及表7中表示鐵損W10/3000及鐵損W10/400的測定結果。再者，針對各試料計算(2[Al]+[Cr])/2[Si]-5t² 時，可獲得以下的表6及表7所示之結果。

如表6及表7所示，就成分D~L而言，雖然任一者皆2[Si]+2[Al]+[Cr]≧10質量%，(2[Al]+[Cr])/2[Si]-5t² >0.35的試料若與相同板厚者相較下，鐵損W10/400變大。

產業上之可利用性

依據本發明，係可利用於如電動車及雙動力汽車等高速旋轉及高頻電波所驅動之馬達鐵芯的材料。

Claims

一種無方向性電磁鋼板，其特徵在於其含有C：0.005質量%以下、S：0.003質量%以下、N：0.003質量%以下、Si：2.0質量%以上且未滿4.5質量%、Al：0.15質量%以上且未滿2.5質量%、及Cr：0.3質量%以上且未滿5.0質量%，且剩餘部分由Fe及不可避之不純物所構成；於表面側具有含厚度在0.01μm以上且0.5μm以下之Cr氧化物的層，並且進一步滿足以下第1及第2式：10質量%≦2[Si]+2[Al]+[Cr]<15質量%......式1 (2[Al]+[Cr])/2[Si]-10t² ≦0.35......式2(在此，[Si]、[Al]、[Cr]係各為前述無方向性電磁鋼板之Si含量、Al含量、Cr含量(質量%)，t為前述無方向性電磁鋼板的板厚(mm))。
如申請專利範圍第1項之無方向性電磁鋼板，其係進一步滿足以下第3式：(2[Al]+[Cr])/2[Si]-5t² ≦0.35......式3。
如申請專利範圍第1項之無方向性電磁鋼板，其係進一步含有Mn：0.2質量%以上且1.5質量%以下。
如申請專利範圍第1至3項中任一項之無方向性電磁鋼板，其係在加工退火中，將升溫時的300℃~500℃的氧勢設為10^-3 以下而製造者。