TWI484048B

TWI484048B - Non - directional electromagnetic steel plate

Info

Publication number: TWI484048B
Application number: TW102124697A
Authority: TW
Inventors: Masafumi Miyazaki; Hideaki Yamamura; Kazuto Kawakami
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2015-05-11
Also published as: TW201502285A

Description

無方向性電磁鋼板

技術領域

本發明係有關於一種使用於馬達之鐵芯等高頻用途的高等級之無方向性電磁鋼板，其係一種可減少能量損失，並促進電性機器之效率以助於節省能量，特別是弛力退火後之鐵損優異的無方向性電磁鋼板。

背景技術

近年來，由防止地球暖化之觀點來看，正在追求節省能源，於冷暖器具之馬達或電動車之主馬達等領域中，正追求更加降低消費電力。該等馬達係多使用於高旋轉，故對作為馬達素材之無方向性電磁鋼板(以後，稱為「鋼板」)要求於較以往之商用頻率50Hz~60Hz高的頻率400Hz~800Hz領域中改善鐵損。

改善無方向性電磁鋼板於高頻域中之鐵損的方法，一般係進行例如，專利文獻1所記載地，藉由增加Si或Al之含量以增加電阻。另，最近為削減成本，有使用Ti含量高之Si或Al的合金原料作為便宜之合金原料的情形。

隨著Si或Al含量的增加，於合金原料中不可避免地含有與該等元素之親和性高的Ti，故不可避免地於鋼板中混入Ti。鋼板中之Ti為0.001質量%以上時，將於鋼板中生成大量之TiN、TiS、TiC等直徑數十nm左右的微細Ti夾雜物。鋼板中微細之Ti夾雜物將於鋼板退火時阻礙結晶粒的成長，使磁性劣化。

因此，需極力降低鋼板中之Ti夾雜物。其方法之一係使用不純物之Ti含量少的合金原料。但是，於使用該方法時，有導致合金原料之成本上升的問題。又，降低鋼板中之N、S、C亦係降低Ti夾雜物的方法之一，以現在的技術可藉由真空除氣處理等充分地降低S或C。然而，為降低鋼板中之S或C則需長時間的處理，將導致生產性下降。又，為不使N混入熔鋼中，亦可考慮強化密封精煉容器，但強化密封將導致成本上升，甚至有即使進行如此之處理仍無法避免N混入熔鋼的問題。

先前技術文獻專利文獻

專利文獻1：日本專利特開2007-16278號公報

專利文獻2：日本專利特開2005-336503號公報

專利文獻3：日本專利特公昭54-36966號公報

專利文獻4：日本專利特開2006-219692號公報

發明概要

本發明可藉由通常方法之製造步驟，以低成本與優異之生產性進行製造，目的係提供一種退火時之結晶粒成長性優異，且高頻鐵損良好的無方向性電磁鋼板。

用以解決前述課題之本發明要旨係如下述。

(1)一種無方向性電磁鋼板，含有：C：0.01質量%以下、Si：1.0質量%以上3.5質量%以下、Al：0.1質量%以上3.0質量%以下、Mn：0.1質量%以上2.0質量%以下、P：0.1質量%以下、S：0.005質量%以下、Ti：0.001質量%以上0.01質量%以下、N：0.005質量%以下、及Y：大於0.05質量%且0.2質量%以下，剩餘部分係鐵及不可避免的不純物。

(2)如(1)記載之無方向性電磁鋼板，其更具有選自於下述群組之1種或2種以上群組的元素：選自於由Cu：0.5質量%以下、及Cr：20質量%以下所構成群組中的1種或2種之第1群組、選自於由Sn及Sb所構成群組中的1種或2種並合計0.3質量%以下的第2群組、令Ni：1.0質量%以下之第3群組、及令Ca：0.01質量%以下之第4群組。

利用本發明製成之無方向性電磁鋼板因鋼板中之微細Ti夾雜物少，故退火時的結晶粒成長性良好，高頻域中之鐵損優異。此外，可以低成本與優異之生產性進行製造，並可改善馬達特性，有助於節省能源。

圖1所示者係鋼板中之Y含量與弛力退火後之產品樣本的Ti夾雜物含量及結晶粒徑之關係。

用以實施發明之形態

於無方向性電磁鋼中添加適量之Y時，將抑制鋼板中微細之TiN、TiS、TiC等Ti夾雜物的生成，顯著地減少該等Ti夾雜物之個數密度。藉此，由致力調查之結果可知抑制鋼之結晶粒的成長受到緩和，可大幅地改善結晶粒成長性。另，Y係釔，原子序數39之元素，稀土元素的一種。

以下，詳細地說明添加Y之效果。

藉由以下順序進行使用有真空熔解之實驗室實驗。首先，熔解包含基本成分之C：0.0019質量%~0.0032質量%、Si：2.7質量%~3.1質量%、Al：0.2質量%~0.46質量%、Mn：0.3質量%~0.5質量%、P：0.03質量%~0.05質量%、S：0.0022質量%~0.0035質量%、Ti：0.002質量%~0.005質量%、及N：0.0018質量%~0.0033質量%，並經於Y：0質量%~0.25質量%之範圍內改變成分之各種熔鋼。並且，於使鑄錠凝固後，依序進行熱軋延、熱軋延板退火、冷軋延、完工退火、弛力退火的實驗作為實驗室實驗，製造厚度0.35mm之產品樣本。接著，藉由以下方法，進行夾雜物及結晶粒的調查。

首先，說明夾雜物之調査方法。最初自表面將樣本研磨至適當的厚度，並將樣本表面作成鏡面。之後，於施行後述蝕刻後，使用場致發射型掃描式電子顯微鏡與能量分散型分光分析器調查夾雜物。該調査中，針對直徑10nm至500nm之夾雜物，分析夾雜物之組成，並計算單位觀察面積內之夾雜物的個數。此外，藉由ASTM E127：Annual Book of ASTM Standards Vol.03.03,(1995)所示之DeHoff式換算成樣本之每單位體積的夾雜物之個數密度。另，以上方法係為一例，亦可由樣本作成複製品或薄膜，再以其進行調査、或亦可使用穿透式電子顯微鏡。

蝕刻方法可使用例如，黒澤等(黒澤文夫、田口勇、松本龍太郎：日本金屬學會誌，43(1979),p.1068)所記載的方法。藉由該方法於非水溶性溶劑中電解腐蝕樣本，於殘留夾雜物之情況下僅熔解鋼後，萃取夾雜物。又，於測定結晶粒徑時，鏡面研磨樣本之截面，並施行硝太蝕劑蝕刻使結晶粒顯現後，測定平均結晶粒徑。

圖1所示者係在上述實驗下，產品樣本之Y含量與Ti夾雜物量及結晶粒徑之關係。另，於圖1中，以虛線表示Y含量與Ti夾雜物量之關係，以實線表示Y含量與結晶粒徑之關係。此處，經觀察之Ti夾雜物的種類有TiN、TiS及TiC。該等Ti夾雜物分別之生成溫度相異，TiN係以1000℃以上生成、TiS係以900℃以上、小於1000℃生成、TiC係以700℃以上800℃以下生成。該等Ti夾雜物通常係以結晶粒界或差排等作為析出位置，大量地生成數十nm左右的微細夾雜物，阻礙鋼之結晶粒的成長。

實驗結果，可知於鋼板中含有大於0.05質量%之 Y時，產品樣本之Ti夾雜物的個數密度將顯著地減少，可知將大幅地改善鋼之結晶粒的成長性。

此處，於添加有Y時，於鋼板中觀察到直徑數百 nm之Y氧化物及Y氧硫化物之Y夾雜物，但作為如此之Y夾雜物存在的Y量並未超過0.01質量%。因此，於添加大於0.01質量%時，可推測於鋼板中固溶有Y。鋼板中之Y含量大於0.01質量%時，推測隨著經固溶之Y量增加，Ti夾雜物之個數密度係單調地減少。並且，可知鋼板中之Y含量大於0.05質量%時，鋼板中之Ti夾雜物的個數密度將顯著地變少。另，雖不清楚藉由Y抑制Ti夾雜物的機制，但可視為於鋼板中固溶Y時，鋼板中之Ti的活性下降，抑制了Ti夾雜物生成。另，該效果係Y特有，於其他稀土元素中並未確認如此之效果。

藉由上述實驗，發現為顯著地減少Ti夾雜物，鋼板中之Y含量的所需範圍係大於0.05質量%。另一方面，產品樣本中之Y含量大於0.2質量%時，結晶粒界之Y的偏析將變得顯著，結晶粒界脆化，於產品樣本表面產生鑄疵。

因此，藉於鋼板中含有大於0.05質量%之Y，充分地抑制Ti析出物，並使鋼板中之Y含量為0.2質量%以下，抑制Y之粒界偏析，對於用以製造結晶粒成長性良好、磁性良好，且表面品質良好之無方向性電磁鋼板係為重要。

以上所述之Y的效果係可抑制鋼板中之Ti夾雜物者，換言之，於熱軋延板退火或冷軋延板完工退火中有助於抑制TiN、TiS等，於弛力退火時有助於抑制TiC。

接著，說明本發明之成分的限定理由。

[C]

C不僅於鋼板中形成TiC使磁性劣化，藉由析出C磁性衰減將變得顯著，故將C含量之上限設為0.01質量%。因C含量之下限以越少越佳，並未特別限定，亦可含有0質量%。

[Si]

Si係減少鐵損之元素。Si含量若低於下限之1.0質量%將無法充分地減少鐵損。另，由更加減少鐵損的觀點來看，Si含量之下限以1.5質量%為佳，較佳者係2.0質量%。又，Si含量大於上限之3.5質量%時因加工性將顯著地不良，故將上限設為3.5質量%。另，Si含量之上限的較佳值係進行冷軋延之加工性更為良好的3.3質量%，更佳的值為3.1質量%，更為佳之值係3.0質量%。

[Al]

Al與Si同樣係減少鐵損之元素。A1含量若低於下限之0.1質量%將無法充分地減少鐵損。又，Al含量大於上限之3.0質量%時，成本將顯著地增加。由鐵損之觀點來看，Al含量之下限以0.2質量%為佳，較佳者係0.3質量%，更佳者為0.4質量%。又，由成本之觀點來看，Al含量之上限以2.5質量%為佳，較佳者係2.0質量%，更佳者為1.8質量%。

[Mn]

Mn可使鋼板硬度增加，為改善衝孔性，可添加Mn0.1 質量%以上。另，由經濟性來看，係將Mn含量之上限設為2.0質量%。

[P]

P可提高材料之強度，為改善加工性，係含有P。但，過剩地含有P時，因冷軋延之加工性下降，故將P含量設為0.1質量%以下。另，因於鋼板之製造過程中不可避免地將混入P，故未設置P含量之下限，通常，由製鋼成本之觀點來看，以未小於0.0001質量%為佳。

[Y]

Y於固溶狀態下對鋼板中之Ti產生作用，抑制Ti夾雜物的生成。Y含量大於0.05質量%時可得到該效果。又，Y含量越多，該效果越明確，故以0.055質量%以上為佳，以0.06質量%以上更佳。但，Y含量過剩時，鋼板中Y將於結晶粒界偏析，結晶粒界脆化，因產生鑄疵等引起製品品質劣化。因此，Y含量存在有上限，若為0.2質量%以下將可抑制結晶粒界之Y的偏析。Y含量之上限值以0.15質量%以下為佳，較佳者係0.12質量%以下。

[S]

S將成為TiS或MnS等硫化物，將使結晶粒成長性惡化、使鐵損惡化。為防止該等S含量之上限係0.005質量%，較佳之上限係0.003質量%。S含量之下限以越少越佳，故並未特別限定，亦可含有0質量%。

[N]

N將成為TiN等氮化物使鐵損惡化，故可容許之N含量的上限係設為0.005質量%。另，N含量之上限以0.003質量%為佳，較佳者係0.0025質量%，更佳者為0.002質量%。又，由抑制氮化物之觀點來看，N儘量以越少越佳。因此，並未特別限定N含量之下限，但為無限制地趨近於0質量%於工業上之限制為大，故以將N含量之下限設為大於0質量%為佳。另，於工業製造製程中於可進行脫氮之範圍中，N含量之下限係以0.001質量%為佳。此外，於極端地進行有脫氮時，將N含量降低至0.0005質量%可更加抑制氮化物而較佳。

[Ti]

Ti將生成TiN、TiS、TiC等微細夾雜物，使結晶粒成長性惡化，使鐵損惡化。雖可利用本發明抑制Ti夾雜物，但可容許之Ti含量上限係0.01質量%。又，藉由前述理由，上限以0.005質量%為佳。另，Ti含量低於0.001質量%時，Ti析出物將變得過少，結晶粒成長之阻礙效果將無實質上之問題。另一方面，Ti含量小於0.001質量%之合金原料係高價，故成本上升。因此，本發明之抑制Ti夾雜物所需的下限可容許作為不純物而不可避免地混入至0.001質量%。另，特別是於使用便宜之合金原料時，有於合金原料中含有0.002質量%以上之Ti的情形，此時，特別以本技術係為有效。

除了以上所述之成分以外的元素，只要不會大幅地影響效果，亦可含有其他元素，作為本發明範圍。以下，說明選擇元素。另，該等含量之下限值即使為微量仍以含有為佳，故均大於0質量%。

[Cu]

Cu可提升耐蝕性，並提高比電阻，改善鐵損。但，Cu含量過剩時，因將於製品板表面產生鑄疵等損害表面品質，故Cu含量以0.5質量%以下為佳。

[Cr]

Cr可提升耐蝕性，並提高比電阻，改善鐵損。但，過剩地添加Cr時，因成本變高，故以將Cr含量之上限設為20質量%為佳。

[Sn]及[Sb]：Sn及Sb係偏析元素，妨礙使磁性惡化之(111)面的集合組織，改善磁性。該等元素可僅使用1種，亦可組合2種使用，發揮前述效果。但，Sn及Sb之合計大於0.3質量%時，因冷軋延之加工性惡化，故以將Sn及Sb合計之上限設為0.3質量%為佳。

[Ni]

Ni可使有利磁性之集合組織發達，改善鐵損。但，因過剩地添加Ni將使成本變高，故以將Ni含量之上限設為1.0質量%為佳。

[Ca]

Ca係脫硫元素，於鋼板中固定S，防止或抑制TiS或MnS等硫化物夾雜物生成。但，Ca含量大於0.01質量%時，將產生耐火材料之溶損等問題而不佳，故以將Ca含量之上限設為0.01質量%為佳。

另外，不可避免的不純物，有例如含有以下之元素的情形，只要均於以下所示之範圍內的話即無問題。

[Zr]

Zr即使係微量仍將阻礙結晶粒成長，使弛力退火後之鐵損惡化。於儘量減少時，通常Zr含量係0.01質量%以下，Zr含量於該範圍時不會產生有害作用，並無問題。

[V]

V將形成氮化物或碳化物，阻礙磁壁移動或結晶粒成長。於儘量減少時，通常V含量係0.01質量%以下，V含量於該範圍時不會產生有害作用，並無問題。

[Nb]

Nb將形成氮化物或碳化物，阻礙磁壁移動或結晶粒成長。於儘量減少時，通常Nb含量係0.01質量%以下，Nb含量於該範圍時不會產生有害作用，並無問題。

[Mg]

Mg係脫硫元素，與鋼板中之S反應形成硫化物，固定S。含量變多時雖可強化脫硫效果，但Mg含量大於0.05質量%時，因過剩之Mg硫化物將妨礙結晶粒成長。通常，Mg含量係0.05質量%以下，Mg含量於該範圍時不會產生有害作用，並無問題。

[O]

藉由鋼板中之O將形成氧化物。但，本發明中含有0.1質量%以上之Al，係經充分地脫氧，故鋼板中之O含量係0.005質量%以下。O含量於該範圍中，將不會產生利用氧化物之磁壁移動或阻礙結晶粒成長等有害作用，並無問題。

[B]

B係粒界偏析元素，又可形成氮化物。藉由該氮化物將妨礙粒界移動，鐵損惡化。於儘量減少時，通常B含量係0.005質量%以下，B含量於該範圍時不會產生有害作用，並無問題。

接著，說明本發明之無方向性電磁鋼板的製造方法。於製鋼階段中，藉由轉爐或2次精煉爐等通常方法精煉，於所期之組成範圍內熔製。之後，藉由連續鑄造或鑄錠鑄造鑄造扁胚(slab)等扁鋼胚。之後，熱軋延所得之扁鋼胚，並視需要於1100℃~1300℃之範圍內對熱軋延板進行熱軋延板退火。接著，藉由一次之冷軋延、或隔著850℃~1000℃之中間退火的二次以上之冷軋延完成製品的厚度。然後，於800℃~1100℃之範圍內完工退火，塗布絕緣皮膜，得到製品。又，視情況，於700℃~800℃之範圍內進行弛力退火。

如以上所述，依據本發明，可不需變更製造步驟地抑制鋼板中之Ti夾雜物的個數密度為0.3×10¹⁰ 個/mm³ 以下，以0.2×10¹⁰ 個/mm³ 以下為佳，更佳者係0.1×10¹⁰ 個/mm³ 以下。藉此，可製造結晶粒成長性良好之無方向性電磁鋼板。

實施例

以下依據本發明效果說明實施例。另，該等實驗之條件等係用以確認本發明之可實施性及效果所採用的例，本發明並未受該等例所限定。

首先，準備含有C：0.0015質量%、Si：2.9質量%、Mn：0.5質量%、P：0.09質量%、S：0.002質量%、Al： 0.43質量%、及N：0.0022質量%，並含有如表1所示之各種元素，剩餘部分係由鐵及不可避免的不純物所構成之成分的鋼。此外，藉由轉爐及真空除氣裝置精煉該等成分之鋼並注入澆斗，經由漏斗，利用浸嘴將熔鋼供給至鑄模內連續鑄造，得到扁鋼胚。另，於使其含有Y時，係於真空除氣槽內添加金屬Y。之後，熱軋延扁鋼胚，將所得之熱軋延板以1150℃熱軋延板退火，並冷軋延作成厚度0.35mm。並且，以950℃進行完工退火30秒鐘後，塗布絕緣皮膜作成製品，再以750℃進行弛力退火2小時。

藉由前述方法調查製品板之析出物及結晶粒徑，製品板之鐵損係將製品板切斷成25cm長度後藉由JIS-C-2550所示之愛普斯坦(Epstein)法調査。同樣地於表1表示調査結果。

如表1所示，本發明例之No.6~No.21中，製品板中的TiN、TiS及TiC等Ti夾雜物數(個數密度)均係0.3×10¹⁰ 個/mm³ 以下。又，該等樣本之結晶粒徑係100μm以上，結晶粒成長性良好，鐵損值相對於No.22以外之比較例係良好。

另一方面，比較例No.1~No.5係低於Y含量大於 0.05質量%、0.2質量%以下之範圍的下限者，又，比較例No.23係大於Ti含量0.001質量%以上、0.01質量%以下之範圍的上限者。此外，比較例No.24、25係使用Y以外之稀土元素取代Y者。該等比較例於製品板中均產生大量TiN、TiS及TiC等Ti夾雜物，結晶粒成長性及鐵損值較本發明例差。又，比較例No.22係大於Y含量大於0.05質量%、0.2質量%以下之範圍的上限者，於製品板之結晶粒界發現有Y之偏析，製品板表面產生鑄疵，表面品質差。

產業上之可利用性

如以上說明，藉由充分地控制無方向性電磁鋼板中內含之TiN、TiS及TiC的析出，可得到良好之磁性，可滿足使用者之需求並對節能有貢獻。

Claims

一種無方向性電磁鋼板，其特徵在於，含有：C：0.01質量%以下、Si：1.0質量%以上3.5質量%以下、Al：0.1質量%以上3.0質量%以下、Mn：0.1質量%以上2.0質量%以下、P：0.1質量%以下、S：0.005質量%以下、Ti：0.001質量%以上0.01質量%以下、N：0.005質量%以下、及Y：大於0.05質量%且0.2質量%以下，剩餘部分係鐵及不可避免的不純物。
如請求項1之無方向性電磁鋼板，其更具有選自於下述群組之1種或2種以上群組的元素：選自於由Cu：0.5質量%以下、及Cr：20質量%以下所構成群組中的1種或2種之第1群組、選自於由Sn及Sb所構成群組中的1種或2種並合計0.3質量%以下的第2群組、令Ni：1.0質量%以下之第3群組、及令Ca：0.01質量%以下之第4群組。