JP4068731B2

JP4068731B2 - 高級無方向性電磁鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP4068731B2
Application number: JP28549898A
Authority: JP
Inventors: 高英島津; 茂和大場; 浩明佐藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2018-10-07
Also published as: JP2000119822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無方向性電磁鋼板の高級グレード、特に商用周波数域の鉄損特性が優れたモータコア及び小型トランス用素材、並びにその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境の観点から、近年のエネルギー多消費文明の弊害が問題視されている。このため、無方向性電磁鋼板の使用される電気機器の分野でいえば、冷暖房機器のモータ、電気自動車用のメインモータ、産業用の大型モータや電気蛍光燈などの小型トランスなどに更なる消費電力の低減が求められている。この消費電力の改善のためには、無方向性電磁鋼板の鉄損を下げることが最も有効であることが知られている。
【０００３】
１９００年、イギリスでBarretら（Sci.Trans.Roy.Dublin Soc.7(1900)67）の鉄にＳｉを添加することで鉄損が飛躍的に向上することの発見、Hadfieldの１９０３年米国特許７４５，８２９でのＳｉまたはＡｌを添加する効果の権利化から、今日まで１００年近くが経過している。この間の歴史を振り返ってみると、１９００年からの数年は、急激な鉄損改善が認められたものの、ここ数十年は鉄損が殆ど向上していないことに気づかされる（例えば、Bolling:Stal u. Eisen 102,Ｎｏ．17(1982)833 ）。
【０００４】
鉄損が近年、向上しなかった理由は、Ｓｉ＋Ａｌ量を増加すれば鉄損が改善されることは分かっているが、Ｓｉ＋Ａｌ量が４％を超えると鋼板の冷間での脆性問題が、壁となって立ちふさがっていたためであった。即ち、特に冬場などには熱延板焼鈍後の鋼板の曲げ変形が加わる個所で割れたり、冷延のミルで破断したりとの生産障害が非常に重要な問題であった。このため、Ｓｉ、Ａｌ以外にＭｎ、Ｓｎ等も検討されてきたが、脆化問題のため実用化はされなかった。
【０００５】
今日の最高級無方向性電磁鋼板は、本出願人で製造販売されている。その磁気特性の典型値は、カタログによれば、０．５０mm厚の５０Ｈ２３０が鉄損Ｗ_10/50 ＝０．９６ｗ／kg，Ｗ_15/50＝２．２６ｗ／kg，Ｂ₅₀＝１．６７Ｔ、０．３５mm厚の３５Ｈ２１０がＷ_10/50＝０．８１ｗ／kg，Ｗ_15/50＝２．００ｗ／kg，Ｂ₅₀＝１．６６Ｔである。これらの成分は、いずれも３．３％Ｓｉ−１．１％Ａｌ系である。ＳｉとＡｌをこれ以上に増量することは、脆性の問題から出来なかった。
【０００６】
従来、Ｃｒに着眼された技術がある。米国特許３，６１５，３６７号公報には、９〜２０％Ｃｒ−０．０１〜３％Ｓｉａｎｄ／ｏｒＡｌ−Ｆｅによる耐食性＋優れた鉄損コアが提案されている。しかしながら、Ｔｉ≧０．０２％が必須であることが問題であり、我々の調査ではＴｉは鉄損、特にヒステリシス損を大きく増大させるために非常に有害な元素であった。また、合金元素を多量に含有するため、望みの高磁束密度を得ることが出来なかった。また、耐食性軟磁性材料または電磁ステンレス鋼板として、その後、多くのＣｒ添加鋼が提案された。しかしながら、これらの鋼は、従来の無方向性電磁鋼板としての鉄損、磁束密度の両者に対して優れたものを提供する技術ではなかった。特公平２−３８６４６号公報では、０．５mm厚でＷ_10/50１．０７ｗ／kg（Ｗ_15/50が約２．５５ｗ／kg）また、特開平５−２９５４３７号公報では、同じく０．５mm厚でＷ_15/50が約２．６ｗ／kgのものが報告されているのみで、Ｗ_15/50≦２．４ｗ／kgを切るレベルのものは得られていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の点に鑑み、従来のＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系の高級無方向性電磁鋼板の製造の悩みであった冷間での脆化を懸念することなく、製造が可能で、なお且つ、従来並みまたは、それを凌駕する優れた磁気特性を有する、新たなＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃｒ系の高級無方向性電磁鋼板を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ ≦０．００３％、Ｃｒ：１〜５％、Ｓｉ：１〜４％、
Ａｌ：０．１〜４％、Ｍｎ≦１．５％、Ｐ ≦０．１％、
Ｓ ≦０．００２％、Ｎ ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００６％、
Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、かつ７％≦２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ≦１７％を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、フェライト平均結晶粒径が１００〜２００μｍで、０．５mm厚では鉄損Ｗ_{１５／５０}≦２．４w／kgであることを特徴とする高級無方向性電磁鋼板。
（２）質量％で、
Ｃ ≦０．００３％、Ｃｒ：１〜５％、Ｓｉ：１〜４％、
Ａｌ：０．１〜４％、Ｍｎ≦１．５％、Ｐ ≦０．１％、
Ｓ ≦０．００２％、Ｎ ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００６％、
Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、かつ７％≦２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ≦１７％を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる熱延板を焼鈍して、冷延し、次いで連続焼鈍を行って、フェライト平均結晶粒径を１００〜２００μｍとして、０．５mm厚では鉄損Ｗ_{１５／５０}≦２．４w／kgであることを特徴とする高級無方向性電磁鋼板の製造方法。
【０００９】
本発明のポイントは、以下の四点である。第一点は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｒの同時含有が、固有抵抗を大きく増加させ鉄損を改善することである。ちなみに、Ｆｅ−Ｃｒ系での１％Ｃｒ当たりの固有抵抗増加しろは、２．４μΩ−ｃｍに留まるが、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ−Ｃｒ系でのそれは４．２μΩ−ｃｍに跳ね上がる。第二に、従来のＳｉやＡｌ量を脆性限界ギリギリまで増加させなくても、Ｃｒ添加によって固有抵抗を従来並み又はそれ以上に確保できるので、脆性に特に悪影響するＳｉを少し減量しても鉄損を確保することが可能となったので、脆化問題が無くなり、安定的に工業生産することが出来ることである。第三に、高Ｃｒ系の電磁ステンレス鋼板などに良く使用されるＴｉ，Ｓ，Ｎなどは、鉄損を著しく劣化させるので含有量を少なくすることである。第四に、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｒの量バランスで鉄損と磁束密度の制御を行うことである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
Ｃ量を０．００３％以下と限定する。理由は、これを超えるＣ量では磁気時効に問題があるためである。
【００１１】
Ｃｒ量は、１〜５％とする。Ｃｒは、単独では固有抵抗の増加代が小さいが、ＡｌやＳｉとの交互作用によって固有抵抗を増大させて有効である。１％未満では、固有抵抗向上が小さいので、鉄損が不満である。また、５％を超えると磁束密度の劣化が大きくなることと添加コストが嵩むので避ける。このため、Ｃｒ量は１〜５％に制限する。
【００１２】
Ｓｉ量は１〜４％に限定する。Ｓｉ量は多い方が、固有抵抗が増大して鉄損が減少する。１％未満では、固有抵抗が不足で磁気特性が劣化し、また、４％超では、鋼板の生産ラインでの破断等の脆性問題が生じるので避けなければならない。
【００１３】
Ａｌ量を０．１〜４％に制限する。Ａｌも固有抵抗を増加させて、鉄損を減少させるが、Ａｌ量が０．１％未満では、鉄損が不満であり、４％超では脆性問題が生じるので避ける。
【００１４】
Ｍｎ量を１．５％以下とする。Ｍｎも固有抵抗が増大して、鉄損が減少するが、１．５％を超えると添加コストの問題があるため避ける。
【００１５】
Ｐは０．１％以下とする。Ｐも固有抵抗が増大して、鉄損が減少するし、製品剛性を改善するが、０．１％を超えるとスラブ割れなどの脆性問題が生じるので避ける。
【００１６】
Ｓ量は０．００２％以下とする。Ｓ量が０．００２％を超えると、ＭｎＳやＣｕ₂Ｓなどの硫化物が増え、製品での磁壁移動を阻害して磁気特性を劣化させるので避けなければならない。
【００１７】
Ｎ量は０．００３％以下に制限する。０．００３％を超えると、ブリスターと称されるフクレ状の表面欠陥が生じるし、窒化物によって鉄損が劣化するためである。
【００１８】
Ｔｉ量は０．００６％以下とする。Ｔｉは、窒化物、硫化物、酸化物、炭化物またはそれらの複合体を形成して磁気特性を劣化させる。その限界が０．００６％である。
【００１９】
Ｎｂ量は０．００８％以下に制限する。Ｎｂも、窒化物、硫化物、酸化物、炭化物またはそれらの複合体を形成して磁気特性を劣化させるが、その限界が０．００８％である。
【００２０】
これら、Ｓ，Ｎ，Ｔｉ，Ｎｂ量は、従来のＣｒ添加系として知られている公知の成分量に比べて、かなり少ないが、この成分限界量を超えては、本願発明目的の優れた鉄損に到達することが出来ないので、特に注意して溶鋼を精製することが重要である。この極めて高純度な鋼のみが、Ｃｒ添加系の鉄損特性を、従来の無方向性電磁鋼板にないレベルにまで改善するのである。
【００２１】
Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｒ３者の量バランスは、７％≦２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ≦１７％を満足しなければならない。２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒが７％未満では鉄損が不満で、１７％超では磁束密度が満足されない。なお、Ｓｉ量とＡｌ量に係数の２が掛かっているのは、Ｃｒ量の２倍程度が磁性に効果があるとの意味である。
【００２３】
熱延のスラブ加熱は特に制限しないが、微細析出物を防止する目的で低温が良く、９５０〜１２００℃が好ましく、次いで、通常の熱間圧延を行うが、熱延板の厚みは、通常の０．８〜３．０mmで良い。
【００２４】
次いで、熱延板の焼鈍を行う。熱延板の焼鈍は、製品での集合組織を改善して磁束密度を向上させるために実施する。連続焼鈍でもバッチ焼鈍でも可能である。焼鈍温度は、高い方が磁束密度の面から好ましいが、鉄損にはさほど効かない。連続焼鈍の場合は、通常の８００〜１２００℃であって、バッチ焼鈍では、通常の６５０〜１０００℃が好ましい。
【００２５】
次いで、酸洗コイルを冷延する。冷延は、通常のレバースまたはタンデムで行われるが、ゼンジマーミルなどのレバースのほうが、知られているように高磁束密度が得られるので好ましい。板厚は、従来の０．２〜０．６５mmが好ましい。
【００２６】
冷延後は、脱脂して、通常の連続焼鈍に供される。焼鈍の温度は、８００℃以上の高温が好ましく、特に粒径を１００〜２００μｍに制御する必要がある。１００μｍ未満では、鉄損が満足されない。また、２００μｍ超では、磁束密度が劣化して不可である。結晶はフェライト組織である必要があり、変態組織では鉄損が劣化する。温度条件としては、当然、成分や時間によって変動するが、例えば均熱２０秒では８５０−１１５０℃の温度範囲である。また、この焼鈍で鋼板の表面酸化による高磁場鉄損の劣化を防止するため、特開昭５６−１６６２３号公報にあるように水素＋窒素混合の還元性雰囲気が好ましい。この焼鈍の後は、通常、有機質と無機質との混合、全有機または無機質の絶縁被膜を塗布、焼付けする。
【００２７】
なお、従来のように冷延と焼鈍を数回繰り返しで製造することも可能ではあるが、コスト面では不利である。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
各種成分に調整した鋼塊をラボ真空溶解で鋳造し、加熱温度を１０００℃として、熱延を行い、１．８mm厚の熱延板を得た。次いで、１０００℃で３０秒の窒素中焼鈍を行ってから、一部のサンプルで鋼板の繰返し曲げ試験を実施した。繰返し曲げ試験は、半径５mmの円弧の繰返し９０°巻き付けて破断が生じる曲げ回数を記録した。従来、１回の曲げで破断が発生すれば、経験的に生産ラインの圧延などで破断などの生産障害が起きることが知られている。次いで、酸洗、タンデムで冷延して０．５０mmとしてから、１０５０℃×５−６０秒の焼鈍を行って、全ての平均結晶粒径を１５０〜１６０μｍに揃えて、有機質（エポキシ樹脂）と無機質（水酸化マグネシュウムとクロム酸）混合被膜１ｇ／ｍ^２を３００℃で焼き付けてから、１００mm角ＳＳＴで磁気特性を測定し、Ｌ、Ｃ平均化した。結果を表１に示す。なお、成分組成は、製品での絶縁皮膜除去した鋼板の分析値である。
【００２９】
【表１】

【００３０】
実験Ｎｏ．１〜１６にＳｉ，Ａｌ，Ｃｒ量の磁性への効果を示した。本発明の成分、並びに２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ量が下限を切れば、鉄損Ｗ_15/50が不満で２．４ｗ／kgを超え、また、上記の値が上限を外れると磁束密度が１．５７Ｔ未満に劣化することが分かる。なお、実験Ｎｏ．５に示すように、Ｓｉ−Ａｌ系では、ＳｉとＡｌ量を多くすれば鉄損が改善されるが、繰返し曲げ回数が少なく、常に脆化の問題があることが分かる。実験Ｎｏ．１７〜２９については、不純物の影響を調査したもので、Ｓ，Ｎ，Ｔｉ，Ｎｂ量が、発明範囲を外れると鉄損が大きく劣化することが分かる。実験Ｎｏ．３０，３１，３４，３５は、２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ量を変化させた時の磁性について調査したもので、２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒが７〜１７％の範囲のもののみ、優れた鉄損と磁束密度が同時に得られることが分かる。
【００３１】
［実施例２］
１．８４％Ｓｉ、２．１３％Ａｌ、１．６４％Ｃｒ、０．００１９％Ｃ、０．１９％Ｍｎ、０．０３％Ｐ、０．０００６％Ｓ、０．００１２％Ｎ、０．００１％Ｔｉ、０．００２％Ｎｂ、０．０００７％Ｖ、０．０００１％Ｂ、０．５％Ｃｕ、０．０５％Ｎｉ、０．０３％Ｓｎ、０．０１％Ｍｏ、２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ＝１３．２６であるＡスラブと１．３８％Ｓｉ、１．４８％Ａｌ、１．８９％Ｃｒ、０．００２２％Ｃ、０．４１％Ｍｎ、０．０１％Ｐ、０．００１４％Ｓ、０．０００７％Ｎ、０．００３％Ｔｉ、０．００１％Ｎｂ、０．００２６％Ｖ、０．０００２％Ｂ、０．０２％Ｃｕ、０．０３％Ｎｉ、０．００１％Ｓｎ、０．００１％Ｍｏ、２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ＝１０．３７であるＢスラブを鋳造し、１０００℃で加熱した熱延し、１．７mm厚の熱延板を得た。これを、９００℃×３０秒均熱してから、酸洗後、冷延して、０．３５mm厚とした。次いで、脱脂してから、温度条件を表２のように変更した均熱40秒の水素中焼鈍を実施した。次いで、クロム酸とエポキシ樹脂混合被膜を片面当たり２ｇ／ｍ²焼き付けして、表２を得た。磁性は、エプスタン装置でＪＩＳＣ２５５０に準じて測定した。
【００３２】
【表２】

【００３３】
表２に示すように、製品の結晶粒径が本発明範囲で、優れた鉄損と磁束密度が得られた。
【００３４】
［実施例３］
従来例の不純物が多い場合と本発明の高純度鋼の製品板厚毎の到達鉄損のレベル差を明らかにする目的で、実施例１の本発明例Ｎｏ．９、１７、２１、２４、２７と比較例Ｎｏ．１８、２２、２５、２８の熱延焼鈍板を０．２〜０．６５mmに冷延し、１０５０℃×５−１００秒の焼鈍を行って、全ての平均結晶粒径を１２０〜１３０μｍに揃えて、有機質（エポキシ樹脂）と無機質（水酸化マグネシュウムとクロム酸）混合被膜被膜２ｇ／ｍ²を３５０℃で焼き付けてから、１００mm角ＳＳＴで鉄損特性を測定し、Ｌ、Ｃ平均化した。結果を図１に示す。
従来の比較例に比べて、成分組成を厳密に制御した本発明例の鉄損が優れていることが分かる。なお、磁束密度Ｂ５０は、全て１．６Ｔ以上であった。本発明例は、数式で表すと、板厚をｔ（mm）として、以下の形となる。
Ｗ_15/50（ｗ／kg） ≦ １．３３３ｔ＋１．７３４
【００３５】
【発明の効果】
以上の如く、脆性問題をＣｒ添加によって解決した、優れた鉄損と磁束密度を有するＳｉ−Ａｌ−Ｃｒ系の無方向性電磁鋼板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】板厚と鉄損との関係を示す図面である。

Claims

質量％で、
Ｃ ≦０．００３％、Ｃｒ：１〜５％、Ｓｉ：１〜４％、
Ａｌ：０．１〜４％、Ｍｎ≦１．５％、Ｐ ≦０．１％、
Ｓ ≦０．００２％、Ｎ ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００６％、
Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、かつ７％≦２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ≦１７％を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなり、フェライト平均結晶粒径が１００〜２００μｍで、０．５mm厚では鉄損Ｗ_{１５／５０}≦２．４ｗ／kgであることを特徴とする高級無方向性電磁鋼板。
質量％で、
Ｃ ≦０．００３％、Ｃｒ：１〜５％、Ｓｉ：１〜４％、
Ａｌ：０．１〜４％、Ｍｎ≦１．５％、Ｐ ≦０．１％、
Ｓ ≦０．００２％、Ｎ ≦０．００３％、Ｔｉ≦０．００６％、
Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、かつ７％≦２Ｓｉ＋２Ａｌ＋Ｃｒ≦１７％を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる熱延板を焼鈍して、冷延し、次いで連続焼鈍を行って、フェライト平均結晶粒径を１００〜２００μｍとして、０．５mm厚では鉄損Ｗ_{１５／５０}≦２．４ｗ／kgであることを特徴とする高級無方向性電磁鋼板の製造方法。