TWI481724B - Manufacturing method of non - directional electromagnetic steel sheet - Google Patents

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Description

無方向性電磁鋼板之製造方法
本發明係關於無方向性電磁鋼板之製造方法，詳而言之，係關於鋼板輥軋方向的磁通密度優異的無方向性電磁鋼板之製造方法。
近年來，在節省包含電力之各種能源的世界潮流中，對於電氣機器之高效率化、小型化的要求越來越高。結果，作為電氣機器之鐵心材料等而被廣泛使用之無方向性電磁鋼板也是，為了達成電氣機器的小型化、高效率化，其磁特性的提昇，亦即高磁通密度化、低鐵損化逐漸成為不可缺的課題。
針對該要求，在無方向性電磁鋼板方面，以往是藉由將所添加的合金元素最佳化，又進一步將冷軋前的結晶粒徑增大，或將冷軋減縮率最佳化等，而謀求高磁通密度化，另一方面，藉由添加電阻增加元素或減少板厚等，而謀求低鐵損化。
然而，混合動力汽車等的驅動馬達，基於提昇良率的觀點，是採用分割鐵心。該分割鐵心，不是像以往那樣從材料鋼板以一體的方式衝切出鐵心，而是將鐵心分割成幾個部分，以各部分的齒部之長邊方向成為鋼板輥軋方向的方式進行衝切，再組裝成鐵心。在該分割鐵心，由於讓磁通集中之齒部的長邊方向成為電磁鋼板的輥軋方向，為了謀求馬達特性的提昇，電磁鋼板輥軋方向的特性變得極為重要。
作為提高輥軋方向的磁通密度之材料，例如有Goss方位與輥軋方向一致之方向性電磁鋼板。但在方向性電磁鋼板，由於是經由二次再結晶過程而製造，其製造成本高，目前在分割鐵心上幾乎沒有被採用。因此，在低價的無方向性電磁鋼板方面，如果能讓輥軋方向的磁通密度提高的話，應能成為分割鐵心的最佳材料。
作為因應於上述要求的技術，例如在專利文獻1揭示一種無方向性電磁鋼板之製造方法，係將含有C：0.002mass%以下、Si：0.1mass%以上但未達0.8mass%、Al：0.3~2.0mass%、Mn：0.1~1.5mass%、且Si+2Al-Mn：2%以上之鋼實施熱軋後，實施熱軋板退火而使平均結晶粒徑成為300μm以上，將一次冷軋設定成減縮率85~95%而形成最終板厚，於700~950℃實施10秒~1分之精加工退火。
此外，在專利文獻2揭示一種板厚0.15~0.3mm的分割鐵心用無方向性電磁鋼板，係對含有C：0.005mass%以下、Si：2~4mass%、Al：超過1mass%且2mass%以下之熱軋板實施退火後，進行一次冷軋，接著實施再結晶退火，藉此具有平均結晶粒徑為40~200μm的再結晶組織，而且具有以下磁特性，亦即輥軋方向(L方向)和90°方向(C方向)的磁通密度B50 (C)、輥軋方向(L方向)和45°方向(X方向)的磁通密度B50 (X)及板厚t(mm)符合下式：
B50 (C)/B50 (X)≧-0.5333×t2 +0.3907×t+0.945。
專利文獻1：日本特開2004-332042號公報
專利文獻2：日本特開2008-127600號公報
依據專利文獻1的方法，藉由控制熱軋板退火後的結晶粒徑和冷軋的減縮率，可獲得輥軋方向及其板面內垂直方向之磁特性優異的電磁鋼板。但在該方法，為了獲得300μm以上的冷軋前結晶粒徑，必須顯著減少鋼內的雜質含量，而在高溫(例示為1000~1050℃)下進行熱軋板退火等，存在著製造性、成本面的問題。此外，在專利文獻2的方法，熱軋板退火溫度必須採用高溫(超過900℃，例示為920~1100℃)，且必須大量添加Al，而存在著製造面及成本面的問題。
於是，本發明是有鑑於上述習知技術所存在的問題點而開發完成的，其目的是為了提供一種可顯著提高鋼板輥軋方向的磁通密度之無方向性電磁鋼板之有利製造方法。
本發明人等，為了解決上述課題而進行深入的探討。結果發現，藉由含有適當量以上的C，且將輥軋成最終板厚後的冷軋鋼板以比習知精加工退火的昇溫速度更快的速度進行加熱，能顯著提高鋼板輥軋方向的磁特性，而到達本發明的完成。
亦即，本發明的無方向性電磁鋼板之製造方法，是使用含有C：0.01~0.1mass%、Si：4mass%以下、Mn：0.05~3mass%、Al：3mass%以下、S：0.005mass%以下、N：0.005mass%以下，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所構成的鋼胚，將該鋼胚實施熱軋、冷軋、精加工退火之無方向性電磁鋼板之製造方法，是實施加熱時的平均昇溫速度為100℃/秒以上、均熱溫度在750~1100℃的溫度範圍之精加工退火。
本發明的製造方法所使用之上述鋼胚較佳為，進一步含有Sn及Sb當中任1種或2種個別為0.005~0.1mass%以下。
此外，本發明的製造方法較佳為，在上述精加工退火後實施脫碳退火。
依據本發明，可提供一種鋼板輥軋方向具有優異磁特性之無方向性電磁鋼板。因此，將本發明的鋼板適用在分割鐵心、變壓器用鐵心等的在輥軋方向要求優異磁特性的用途時，有助於馬達和變壓器的效率之大幅提昇。
首先說明，成為開發本發明的動機之實驗。
為了調查精加工退火加熱時的昇溫速度對鋼板輥軋方向的磁通密度之影響，是使用基本成分組成含有C：0.0025mass%及0.02mass%，且進一步含有Si：3.3mass%、Mn：0.1mass%、Al：0.001mass%、N：0.0019mass%、S：0.0010mass%之鋼胚，將該鋼胚以1100℃加熱30分後，實施熱軋而成為板厚2.6mm的熱軋板，實施1000℃×30秒的熱軋板退火後，實施1次冷軋而成為最終板厚0.35mm的冷軋板，之後，將該冷軋板在直接通電加熱爐內讓昇溫速度在30~300℃/秒的範圍內改變而進行加熱，實施900℃×10秒的精加工退火後，於露點30℃的環境氣氛中實施850℃×30秒的脫碳退火而製作出無方向性電磁鋼板。
從如此般製得的各無方向性電磁鋼板切出輥軋方向(L方向)：180mm×輥軋直角方向(C方向)：30mm的試驗片，根據單板磁特性試驗測定L方向的磁通密度B50-L ，結果如第1圖所示。從第1圖可知，藉由將含有C：0.02mass%之冷軋板以昇溫速度100℃/秒以上加熱而實施精加工退火，可提高輥軋方向的磁通密度。
接著，為了調查C含量對輥軋方向的磁通密度之影響，是使用含有C：0.005~0.5mass%的範圍，且進一步含有Si：3.3mass%、Mn：0.15mass%、Al：0.001mass%、N：0.0022mass%、S：0.0013mass%之鋼胚，將該鋼胚以1100℃加熱30分後，實施熱軋成為板厚2.3mm的熱軋板，實施1000℃×30秒的熱軋板退火後，進行1次冷軋而成為最終板厚0.35mm的冷軋板，之後，將該冷軋板在直接通電加熱爐內以昇溫速度20℃/秒及300℃/秒進行加熱，而實施950℃×10秒的精加工退火後，在露點30℃的環境氣氛中實施850℃×30秒的脫碳退火而製作出無方向性電磁鋼板。
從如此般製得的各無方向性電磁鋼板，與上述實驗同樣地採取輥軋方向(L方向)：180mm×輥軋直角方向(C方向)：30mm的試驗片，測定L方向的磁通密度B50-L ，結果顯示於第2圖。從第2圖可知，藉由將含有C：0.01mass%以上之冷軋板以昇溫速度100℃/秒以上進行加熱而實施精加工退火，可提高輥軋方向的磁通密度。
上述理由雖然目前尚不明確，但可看出，藉由使C含量為0.01mass%以上，可增加固溶C量，而在冷軋時容易形成變形帶，當退火後Goss組織會成長，又藉由進行急速加熱而抑制(111)方位成長的結果，使在輥軋方向朝向(110)方位、(100)方位之結晶組織成長，而能提高輥軋方向的磁通密度。根據此結果可知，為了提高輥軋方向的磁通密度，必須使精加工退火加熱時的昇溫速度成為100℃/秒以上，此外，基於確保精加工退火前之固溶C的觀點，材料鋼板中的C含量必須為0.01mass%以上。
本發明是以上述認知為基礎，進一步探討而開發完成的。
接下來說明本發明的無方向性電磁鋼板之成分組成之限定理由。
C：0.01~0.1mass%
固溶於鋼中的C，容易將冷軋時導入的差排固定而形成變形帶。該變形帶，藉由精加工退火時的再結晶能使Goss方位{110}<001>優先成長，因此具有讓輥軋方向的磁特性提昇的效果。為了獲得該固溶C效果，冷軋前的鋼板中C含量必須為0.01mass%以上。另一方面，若製品鋼板中的固溶C過多，會產生磁後效應而使磁特性降低，因此必須在冷軋後的退火步驟實施脫碳而使C降低至0.005mass%以下，但若鋼中的C含量超過0.1mass%，利用上述脫碳退火可能無法充分地進行脫碳。因此，C設定在0.01~0.1mass%的範圍。較佳為0.015~0.05mass%的範圍。更佳下限為0.02mass%。又脫碳退火只要在急速加熱後即可，不論在哪個時點進行皆可。
Si：4mass%以下
Si，可提高鋼的固有電阻，是為了改善鐵損特性而添加的元素，為了獲得其效果，較佳為添加1.0mass%以上。另一方面，若添加量超過4mass%，會使鋼硬質化，而造成輥軋變困難，因此上限為4mass%。較佳為1.0~4.0mass%的範圍。更佳下限為1.5mass%。
Mn：0.05~3mass%、
Mn，是為了防止起因於S之熱軋時發生龜裂之必要元素，為了獲得其效果，必須添加0.05mass%以上。另一方面，若添加量超過3mass%，會導致原料成本上昇。因此，Mn設定在0.05~3mass%的範圍。更佳上限為2.5mass%。又Mn會使固有電阻昇高，當謀求進一步降低鐵損的情況宜為1.5mass%以上，當更重視加工性、製造性的情況宜為2.0mass%以下。
Al：3mass%以下
Al，與Si同樣的，可提高鋼的固有電阻而具有改善鐵損特性的效果，是按照需要而添加的元素。但若添加量超過3mass%，會使輥軋性降低，因此上限為3mass%。更佳為2.5mass%以下。此外，Al，當更重視鐵損的情況宜為1.0mass%以上，當更重視加工性、製造性的情況宜為2.0mass%以下。又Al的添加，並不是必須的，即使是未添加的情況，通常也能以不可避免的雜質的形式而少量存在著。
S：0.005mass%以下、N：0.005mass%以下
S及N，是不可避免地混入鋼中之雜質元素，若個別超過0.005mass%會使磁特性降低。因此，在本發明，S，N含量分別限制在0.005mass%以下。
本發明之無方向性電磁鋼板，除上述必須成分以外，也能以下述範圍來含有Sn及Sb。
Sn：0.005~0.1mass%、Sb：0.005~0.1mass%
Sn及Sb，不僅能改善精加工退火後的集合組織而提高輥軋方向的磁通密度，且能防止鋼板表層的氧化、氮化而抑制鋼板表層之微細粒生成，具有防止磁特性降低的效果。為了發揮該效果，較佳為將Sn及Sb中之任1種或2種添加0.005mass%以上。但該等元素的含量，若任一個超過0.1mass%，會阻礙結晶粒的成長，反而導致磁特性降低。因此，較佳為Sn及Sb分別以0.005~0.1mass%的範圍進行添加。
又本發明的無方向性電磁鋼板，上述成分以外的剩餘部分是Fe及不可避免的雜質。但在不阻害本發明效果的範圍內可允許以下的情況，亦即含有上述成分以外的元素，或以雜質的形式含有未達上述下限量的上述任意添加成分。
接下來說明本發明的無方向性電磁鋼板之製造方法。
本發明的無方向性電磁鋼板之製造方法較佳為，將符合本發明之具有上述成分組成的鋼，使用旋轉爐、電爐、真空脫氣装置等而經由通常公知的精煉過程進行熔製，藉由連續鑄造法或造塊-分塊輥軋法製成鋼胚，將該鋼胚經由通常公知的方法實施熱軋，按照需要實施熱軋板退火，冷軋成最終板厚的冷軋板後，實施精加工退火、脫碳退火，進一步按照需要而被覆各種絕緣被膜，而成為製品。又在該製造方法，迄冷軋為止，只要材料成分組成符合本發明的成分組成即可，除此外沒有特別的限制，可採用通常公知的製造過程。此外，上述熱軋板退火，不須在高溫進行，850~1000℃左右就足夠了，但並不排除在此範圍外實施之熱軋板退火。
說明以下冷軋以後之製造方法。
冷軋
冷軋，可採用1次冷軋，或隔著中間退火之2次以上的冷軋。又只要是無方向性電磁鋼板製造時之通常的減縮率(約50%以上)的話，藉由採用上述成分組成，可確保能導入變形帶。
精加工退火
精加工退火之昇溫速度，必須從300℃至800℃以100℃/秒以上進行加熱。這是因為，當昇溫速度未達100℃/秒，對磁特性不利之(111)方位的集合組織會成長。較佳為200℃/秒以上。上限沒有特別的限定，以500℃/秒左右以下較為實用。
此外，均熱溫度必須在750~1100℃的範圍。下限溫度只要是再結晶溫度以上的溫度即可，但為了利用連續退火產生充分的再結晶，必須設定在750℃以上。另一方面，若均熱溫度超過1100℃，再結晶粒變得粗大化，退火爐的負荷變大，因此並不理想。較佳為800~1050℃的範圍。
此外，均熱保持時間只要是能讓再結晶充分進行的時間即可，例如能以5秒以上為標準。另一方面，若超過120秒，其效果達飽和，因此宜為120秒以下。
又關於退火後的冷卻條件，只要是通常的條件即可，並沒有特別的限制。此外，關於讓上述精加工退火加熱時的昇溫速度成為100℃/秒以上的方法也是，並沒有特別的限制，例如可適當地採用直接通電加熱法或介電加熱法等。
脫碳退火
上述精加工退火後的鋼板，之後實施脫碳退火，為了減少固溶C量而防止磁後效應，較佳為將鋼中C含量減少至0.0050mass%以下。若C含量超過0.0050mass%，可能會使製品鋼板產生磁後效應。該脫碳退火的條件可為通常公知的條件，例如可在露點30℃以上之氧化性環境氣氛下，以800~850℃×10~30秒的條件進行。
又該脫碳退火，可接續於精加工退火後而連續進行，或是另外在其他的作業線進行。脫碳退火後的鋼板較佳為，之後按照需要來形成各種的絕緣被膜，而製成製品。
實施例
將表1所記載的成分組成構成之No.1~29的鋼，經由通常公知的精煉過程熔製後，連續鑄造成鋼材(鋼胚)，將鋼胚以1080℃×30分的條件加熱後，熱軋成板厚2.4mm的熱軋板。接著，對該熱軋板實施900℃×30秒的熱軋板退火後，經由1次冷軋成為最終板厚0.35mm的冷軋板，之後，在直接通電加熱爐內，以30℃/秒以上的各種昇溫速度進行加熱，實施以表1所示的溫度保持10秒均熱的精加工退火，之後實施850℃×30秒(露點：30℃)的脫碳退火，製作成無方向性電磁鋼板。
接著，從上述般製得的各無方向性電磁鋼板切出L：180mm×C：30mm的L方向試驗片而進行單板磁特性試驗，測定L方向的磁通密度B50 (以5000A/m磁化時的磁通密度)，將其測定結果一併記載於表1。從表1的結果可知，將符合本發明的成分組成之鋼板以符合本發明的條件實施精加工退火後的鋼板，L方向的B50 (B50-L )都在1.75T以上，而能獲得高磁通密度。
依據本發明，可提供在鋼板輥軋方向具有優異的磁特性之無方向性電磁鋼板。因此，將本發明的鋼板適用在分割鐵心、變壓器用鐵心等的在輥軋方向要求優異磁特性的用途時，有助於馬達和變壓器的效率之大幅提昇。
第1圖係顯示精加工退火時的昇溫速度(橫軸：℃/秒)對輥軋方向的磁通密度B50-L (縱軸：T)的影響之曲線圖。
第2圖係顯示C含量(橫軸：mass%)對輥軋方向的磁通密度B50-L (縱軸：T)的影響之曲線圖。

Claims (3)

  1. 一種無方向性電磁鋼板之製造方法，是使用含有C：0.01~0.1mass%、Si：4mass%以下、Mn：1.5~3mass%、Al：3mass%以下、S：0.005mass%以下、N：0.005mass%以下，剩餘部分為Fe及不可避免的雜質所構成的鋼胚，將該鋼胚實施熱軋、冷軋、精加工退火之無方向性電磁鋼板之製造方法，所實施的精加工退火，加熱時的平均昇溫速度為100℃/秒以上，均熱溫度在750~1100℃的溫度範圍。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無方向性電磁鋼板之製造方法，其中，上述鋼胚進一步含有Sn及Sb當中任1種或2種個別為0.005~0.1mass%以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之無方向性電磁鋼板之製造方法，其中，在上述精加工退火後，實施脫碳退火。
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