CN102753718A - 无方向性电磁钢板 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无方向性电磁钢板，其含有Cr：0.3质量%～5.3质量%、Si：1.5质量%～4质量%、Al：0.4质量%～3质量%及W：0.0003质量%～0.01质量%。C含量为0.006质量%以下，Mn含量为1.5质量%以下，S含量为0.003质量%以下，N含量为0.003质量%以下，剩余部分包含Fe及不可避免的杂质。

Description

无方向性电磁钢板
技术领域
本发明涉及适合电动机的铁芯材料的无方向性电磁钢板。
背景技术
近年来，从节能化的要求出发，在使用无方向性电磁钢板的电器设备的领域，对于冷暖气设备的电动机、电动汽车用的驱动电机等一直要求进一步降低耗电量。此外，作为电动机驱动的控制，取代电流的ON-OFF控制，将变换器产生的高次谐波重叠得到的PWM（脉冲宽度调制：pulse widthmodulation）波形控制成为主流。因此，对于无方向性电磁钢板，要求优良的高频特性。
以往，以改善无方向性电磁钢板的高频铁损为目的，通过增加Si、Al及Cr的含量使固有电阻上升，并尽量减薄无方向性电磁钢板的厚度。由此，能够降低涡电流损失。
但是，在含有Cr的无方向性电磁钢板中，在制造过程、制造后的加工过程等中，因Cr系碳化物析出，铁损上升而劣化。在制造过程的退火中有时Cr系碳化物析出。此外，在使用无方向性电磁钢板的用户中，有时进行冲裁油的燃烧消失、用于制造***铁芯的热压配合、消除应力退火等。这些加工等在200℃～750℃左右的比较低的温度下进行，此时有时Cr系碳化物在晶界析出。
因而，为了抑制含有Cr的无方向性电磁钢板中的Cr系碳化物析出，提出了含有Mo的技术（专利文献1）。但是，在该技术中，高价Mo的含量为0.05质量%以上，使材料成本显著上升。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-294417号公报
专利文献2：日本特开2007-162062号公报
专利文献3：日本特开平6-108149号公报
专利文献4：日本特开2002-241907号公报
专利文献5：日本特表2007-516345号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明的目的在于，提供一种能够在抑制成本上升的同时，进一步提高高频特性的无方向性电磁钢板。
用于解决问题的手段
本发明的要旨如下。
（1）一种无方向性电磁钢板，其特征在于，其含有：
Cr：0.3质量%～5.3质量%、
Si：1.5质量%～4质量%、
Al：0.4质量%～3质量%、及
W：0.0003质量%～0.01质量%；
C含量为0.006质量%以下，
Mn含量为1.5质量%以下，
S含量为0.003质量%以下，
N含量为0.003质量%以下，
剩余部分包含Fe及不可避免的杂质。
（2）根据上述（1）所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步含有选自以下元素中的至少一种：
Mo：0.001质量%～0.03质量%、
Ti：0.0005质量%～0.007质量%、及
Nb：0.0002质量%～0.004质量%。
（3）根据上述（1）或（2）所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步含有选自以下元素中的至少一种：
V：0.0005质量%～0.005质量%、
Zr：0.0003质量%～0.003质量%、
Cu：0.001质量%～0.2质量%、
Sn：0.001质量%～0.2质量%、
Ni：0.001质量%～0.2质量%
Sb：0.001质量%～0.2质量%。
稀土类元素：0.0002质量%～0.004质量%、及
Ca：0.0005质量%～0.006质量%。
发明效果
根据本发明，即使含有Cr，由于含有适当量的W，因而能够在避免脆化的同时增大固有电阻，同时通过以低成本抑制Cr系碳化物析出及磁时效，能够提高高频特性。
具体实施方式
Cr与Si及Al同样，使无方向性电磁钢板的固有电阻增大。此外，Cr与Si及Al不同，难以使无方向性电磁钢板脆化。另一方面，在含有Cr的无方向性电磁钢板中，特别是在Cr含量为0.3质量%以上的无方向性电磁钢板中，在200℃～700℃左右的温度下Cr系碳化物容易析出。Cr系碳化物在晶界以薄片状析出，成为磁壁移动的阻碍。因此，特别是使400Hz以上的高频铁损显著劣化。Cr系碳化物在750℃以上的高温下不析出，而在200℃～700℃左右的低温下析出。
因而，本发明人等对抑制（Cr、Fe）7C3等Cr系碳化物析出的技术进行了锐意研究。其结果是，判明：在除了Cr以外还含有W的无方向性电磁钢板中，通过W和Cr的相互作用，可抑制Cr系碳化物析出，抑制铁损劣化。其理由在目前虽不明确，但可认为是由于在Cr系碳化物的析出行为中，作为碳化物形成元素的W发挥有效的作用。另外，还判明：除Cr及W以外，如果含有Mo、Ti及/或Nb，则通过这些元素和Cr的相互作用，可进一步抑制Cr系碳化物析出。其理由在目前虽不明确，但可认为是由于在Cr系碳化物的析出行为中，作为碳化物形成元素的Mo、Ti及/或Nb发挥有效的作用。
再有，详细情况后述，如果在Cr含量低的无方向性电磁钢板中含有W，则析出W系碳化物，即使进行800℃～1100℃左右的温度下的再结晶退火，也阻碍结晶的生长，得不到所希望的尺寸的晶粒。关于Mo、Ti及Nb也同样。所以，重要的是Cr含量在规定值以上。再有，如上所述，由于Cr系碳化物析出的温度低，所以在800℃～1100℃左右的温度下的再结晶退火中，Cr系碳化物不析出。因此，Cr系碳化物难以阻碍晶粒生长。
此外，本发明人等发现：在含有适量的Cr及W的无方向性电磁钢板中，还可抑制例如200℃以下的所谓磁时效，即抑制Fe3C（渗碳体）析出。本发明人等还发现：如果进一步含有适量的Mo、Ti及/或Nb，则可进一步抑制Fe3C析出。该磁时效是伴随着电动机的旋转中的温度上升铁损缓慢劣化的现象，因此非常优选预先难产生磁时效。
以下，对本发明的实施方式进行更详细的说明。
本实施方式的无方向性电磁钢板含有Cr：0.3质量%～5.3质量%、Si：1.5质量%～4质量%、Al：0.4质量%～3质量%及W：0.0003质量%～0.01质量%。此外，C含量为0.006质量%以下，Mn含量为1.5质量%以下，S含量为0.003质量%以下，N含量为0.003质量%以下。另外，剩余部分包含Fe及不可避免的杂质。
如果C含量超过0.006质量%，即使含有适量的W等也难以充分控制Cr系碳化物析出。而且，因析出的Cr系碳化物的影响高频特性、特别是低温下的高频特性劣化。此外，C还成为磁时效的原因。所以，将C含量规定为0.006质量%以下。另一方面，要使工业上C含量降低到低于0.0005质量%，需要很高的成本。因此，C含量优选0.0005质量%以上。
Cr在避免脆化的同时使无方向性电磁钢板的固有电阻增大。如果Cr含量低于0.3质量%，则难以充分得到此效果。此外，如果Cr含量低于0.3质量%，则W等的碳化物容易析出，容易阻碍再结晶退火中的晶粒生长。另一方面，如果Cr含量超过5.3质量%，即使含有适量的W等，也难以充分抑制Cr系碳化物析出。而且，因析出的Cr系碳化物的影响，高频特性、特别是低温下的高频特性劣化。因此，将Cr含量规定为0.3质量%～5.3质量%。再有，为了充分得到上述效果，Cr含量优选为0.5质量%以上，更优选为1.6质量%以上。此外，为了降低Cr系碳化物的析出，Cr含量优选为5.0质量%以下，更优选为2.5质量%以下，进一步优选为2.1质量%以下。
Si通过使固有电阻增大改善高频铁损。如果Si含量低于1.5质量%，则难以充分得到此效果。另一方面，如果Si含量超过4质量%，则因脆化难以进行冷加工。因此，将Si含量规定为1.5质量%～4质量%。再有，为了进一步降低高频铁损，Si含量优选为超过2质量%。
Al通过使固有电阻增大改善高频铁损。如果Al含量低于0.4质量%，则难以充分得到此效果。另一方面，如果Al含量超过3质量%，则因脆化难以进行冷加工。此外，有Al含量越高因磁通密度下降而越劣化的倾向。因此，将Al含量规定为0.4质量%～3质量%。
如果Mn含量超过1.5质量%，则脆性显著。因此，将Mn含量规定为1.5质量以下。另一方面，如果Mn含量在0.05质量%以上，则通过有效地使固有电阻增大可使铁损减少。因此，Mn含量优选为0.05质量%以上。
如果S含量超过0.003质量%，则MnS等硫化物的形成变得显著，随之阻碍磁壁的移动，使磁特性劣化。因此，将S含量规定为0.003质量%以下。另一方面，要使工业上S含量降低到低于0.0002质量%，则需要很高的成本。因此，S含量优选为0.0002质量%以上。
如果N含量超过0.003质量%，则氮化物的形成变得显著，随之磁特性劣化。此外，如果N含量超过0.003质量%，则在铸造钢时有时产生被称为泡疤的气泡状的表面缺陷。因此，将N含量规定为0.003质量%以下。另一方面，要使工业上N含量降低到低于0.0004质量%，需要很高的成本。所以，N含量优选为0.0004质量%以上。
W与C反应形成碳化物，抑制Cr系碳化物析出。W还能够抑制磁时效。如果W含量低于0.0003质量%，则难以充分得到这些效果，大量Cr系碳化物在晶界等析出。另一方面，如果W含量超过0.01质量%，则W系碳化物的量过剩，磁性降低。因此，将W含量规定为0.0003质量%～0.01质量%。为了进一步抑制Cr系碳化物析出，W含量优选为0.0005质量%以上。此外，只要W含量为0.005质量%，就能够充分抑制Cr系碳化物析出，因此从成本方面出发W含量优选为0.005质量%以下。再有，在Si含量为2质量%以下的无方向性电磁钢板中，如果Cr含量低于0.3质量%，则伴随着W系碳化物析出阻碍晶粒生长，使磁性降低。所以，在Si含量为2质量%以下的无方向性电磁钢板中含有W的情况下，Cr含量在0.3质量%以上是重要的。
根据如此的本实施方式的无方向性电磁钢板，即使含有Cr，由于含有适当量的W，因而能够在避免脆化的同时增大固有电阻，同时通过以低成本抑制Cr系碳化物析出及磁时效，能够提高高频特性。所以，本实施方式适合高频用途。
在几乎不含Cr的低Si系的无方向性电磁钢板中，阻碍伴随着W系碳化物析出的晶粒生长，但在本实施方式中，由于含有0.3质量%以上的Cr，因此W系碳化物非常难析出。因此，通过积极地应用W，能够抑制Cr系碳化物析出，改善磁特性。
再有，本实施方式的无方向性电磁钢板优选进一步含有选自Mo：0.001质量%～0.03质量%、Ti：0.0005质量%～0.007质量%及Nb：0.0002质量%～0.004质量%中的至少一种。
Mo与W同样，与C反应形成碳化物，抑制Cr系碳化物析出。Mo还能够抑制磁时效。如果Mo含量低于0.001质量%，则难以充分得到这些效果。另一方面，如果Mo含量超过0.03质量%，则Mo系碳化物的量过剩，磁性降低。因此，Mo含量优选为0.001质量%～0.03质量%。为了进一步抑制Cr系碳化物析出，Mo含量更优选为0.002质量%以上。此外，只要Mo含量为0.02质量%，就能够充分抑制Cr系碳化物析出，因此从成本方面出发Mo含量更优选为0.02质量%以下。
Ti也与W同样，与C反应形成碳化物，抑制Cr系碳化物析出。Ti还能够抑制磁时效。如果Ti含量低于0.0005质量%，则难以充分得到这些效果。另一方面，如果Ti含量超过0.007质量%，则Ti系碳化物的量过剩，磁性降低。所以，Ti含量优选为0.0005质量%～0.007质量%。为了进一步抑制Cr系碳化物析出，Ti含量更优选为0.0007质量%以上。此外，为了抑制Ti系碳化物的过剩析出，Ti含量更优选为0.005质量%以下。
Nb也与W同样，与C反应形成碳化物，抑制Cr系碳化物析出。Nb还能够抑制磁时效。如果Nb含量低于0.0002质量%，则难以充分得到这些效果。另一方面，如果Nb含量超过0.004质量%，则Nb系碳化物的量过剩，阻碍再结晶退火中的晶粒生长。所以，Nb含量优选为0.0002质量%～0.004质量%。为了进一步抑制Cr系碳化物析出，Nb含量更优选为0.0003质量%以上。此外，为了抑制Nb系碳化物的过剩析出，Nb含量更优选为0.0035质量%以下。
再有，如上所述，Mo、Ti及Nb呈现与W同样的作用，但W与Mo、Ti及Nb相比更有效。此外，如果含有上述范围的Mo、Ti及/或Nb，则与不含这些中任何元素时相比较，更难产生W系碳化物对再结晶退火中的晶粒生长的阻碍。所以，优选含有选自Mo、Ti及Nb中的至少一种，特别优选含有全部这3种元素。因为在除W以外还含有Mo、Ti及/或Nb的情况下，可特别有效地抑制Cr系碳化物析出及渗碳体析出（磁时效）。
再有，在本实施方式的无方向性电磁钢板中，也可以进一步含有选自V：0.0005质量%～0.005质量%、Zr：0.0002质量%～0.003质量%、Cu：0.001质量%～0.2质量%、Sn：0.001质量%～0.2质量%、Ni：0.001质量%～0.2质量%、Sb：0.001质量%～0.2质量%、REM（稀土类元素）：0.0002质量%～0.004质量%及Ca：0.0005质量%～0.006质量%中的至少一种。
V也与W同样，与C反应形成碳化物，抑制Cr系碳化物析出。如果V含量低于0.0005质量%，则难以充分得到此效果。另一方面，即使V含量超过0.005质量%，也得不到与含量相符的效果，而且使成本显著上升。此外，有时因V系碳化物的量过剩而阻碍再结晶退火中的晶粒生长。所以，V含量优选为0.0005质量%～0.005质量%。
Zr也与W同样，与C反应形成碳化物，抑制Cr系碳化物析出。如果Zr含量低于0.0002质量%，则难以充分得到此效果。另一方面，即使Zr含量超过0.003质量%，也得不到与含量相符的效果，而且使成本显著上升。此外，有时因Zr系碳化物的量过剩而阻碍再结晶退火中的晶粒生长。所以，Zr含量优选为0.0002质量%～0.003质量%。
Cu、Sn、Ni及Sb改善结构。关于这些元素的各种，如果含量低于0.001质量%，则难以充分得到此效果，如果含量超过0.2质量%，则使成本增大。所以，Cu、Sn、Ni及Sb的含量分别优选为0.001质量%～0.2质量%。
REM及Ca通过形成粗大的硫氧化物使S无害化。在REM含量低于0.0002质量%时及Ca含量低于0.0005质量%时，难以充分得到此效果。另一方面，在REM含量超过0.004质量%时及Ca含量超过0.006质量%时，成本增大。所以，REM含量优选为0.0002质量%～0.004质量%，Ca含量优选为0.0005质量%～0.006质量%。
如此，如果还含有V及/或Zr，则能够进一步抑制Cr系碳化物析出，能够进一步地抑制例如750℃以下的低温下的磁时效。此外，这些W、Mo、Ti、Nb、V、Zr等元素能够通过添加到钢水中等含有在无方向性电磁钢板中。因此，对这样的无方向性电磁钢板进行工业化生产也是非常可能的。
接着，对制造无方向性电磁钢板的方法进行说明。
首先，用通常的方法，通过调整成分，制作上述组成的钢水，从该钢水制作铸坯（板坯），进行板坯加热，然后进行热轧。板坯的加热温度没有特别的限定，但为了抑制微细析出物的形成，例如优选为950℃～1230℃左右的低温。通过热轧得到的热轧板的厚度虽没有特别的限制，但规定为例如0.8mm～3.0mm左右。
接着，根据需要进行热轧板的退火（热轧板退火）。通过进行热轧板退火，能够提高磁通密度，降低磁滞损耗。热轧板的退火温度虽没有特别的限制，但优选规定为例如800℃～1100℃左右。
然后，进行冷轧。通过冷轧得到的冷轧板的厚度虽没有特别的限制，但为得到更高的高频磁特性，优选为例如0.1mm～0.35mm左右的薄厚度。如果将冷轧板的厚度规定为超过0.35mm，则涡电流损失增大，高频铁损容易劣化。此外，如果将冷轧板的厚度规定为低于0.1mm，则生产性容易下降。
在冷轧后，进行冷轧板的脱脂，通过进行再结晶退火使晶粒生长。在再结晶退火中，例如进行连续退火。退火温度虽没有特别的限制，但规定为例如800℃～1100℃左右。再结晶退火后的晶粒的粒径优选为30μm～120μm左右。再有，在本实施方式中，关于再结晶退火的结果，优选钢板的整面形成铁素体单相的再结晶组织。
接着，通过进行规定的涂布液的涂布及烧结，作为形成绝缘被膜的绝缘被膜，形成例如有机绝缘被膜、无机绝缘被膜或含有无机物质及有机物质的混合绝缘被膜。
如此能够制造无方向性电磁钢板。
制造的无方向性电磁钢板例如在发货后在用户处进行加工。在此加工中，例如进行制成铁芯用形状的冲裁、层叠、热压配合、700℃～800℃左右的消除应力退火等。通过这些一连串的加工，能够形成电动机的铁芯。此外，有时将没有进行层叠后的消除应力退火的无方向性电磁钢板称为流程加工材（日语原文为“フロプロセス材”），有时将进行了消除应力退火的无方向性电磁钢板称为半加工材。
实施例
接着，对本发明人等进行的实验进行说明。这些实验中的条件等是为了确认本发明的可实施性及效果而采用的例子，本发明并不限定于这些例子。
首先，采用实验室的真空炉，制作含有表1及表2所示成分、剩余部分包含Fe及不可避免的杂质的钢水，然后进行该钢水的铸造，得到钢原料。表1中用粗线围住的数值表示该数值在本发明规定的范围之外。接着，进行钢原料的热轧，得到厚度为2mm的热轧板。然后，在1000℃下，在N2气体气氛中进行1分钟的热轧板退火。接着，进行酸洗及冷轧，得到厚度为0.30mm的冷轧板。接着，在50%的H2气及50%的N2气的混合气体气氛中进行再结晶退火。在该再结晶退火中，在1000℃下进行30秒钟的均热处理。然后，从再结晶退火后的钢板冲裁一边的长度为100mm的试样。
Figure BDA00002003835600101
然后，对各试样进行铁损及磁通密度的测定。作为铁损，测定了频率为400Hz、最大磁通密度为1.0T的条件下的铁损（W10/400）。此外，算出了沿轧制方向磁化时的值和沿与此方向垂直的方向（板宽方向）磁化时的值的平均值。此外，作为磁通密度，测定了频率为50Hz、最大磁化力为5000A/m的条件下的磁通密度（B50）。将这些结果示于表3的“热处理前”一栏。
在铁损及磁通密度的测定后，在450℃下，在N2气体气氛中进行2小时退火。然后，再次对各试样进行铁损及磁通密度的测定。将测定结果示于表3的“热处理后”一栏。
表3
Figure BDA00002003835600131
如表3所示，在属于本发明的范围的试样No.1～No.2、No.6～No.8、No.12～No.15、No.17～No.21、No.24～No.27、No.29～No.32、No.34～No.37、No.39～No.43及No.45～No.50中，在热处理前后，得到了低的铁损。也就是说，在热处理前，因得到足够尺寸的晶粒而能够得到低的铁损，在热处理后，通过抑制Cr系碳化物析出等能够维持低的铁损。另外，从试样No.43和试样No.45～No.50的比较的结果得知：在含有选自Cu、Sn、Ni、Sb、REM、Ca之中的至少一种时，磁通密度提高。
另一方面，在试样No.3～No.4中，因C含量过高而伴随着热处理析出大量碳化物，铁损的劣化显著。在试样No.5中，因Cr含量过低铁损较大。在试样No.9～No.10中，因Cr含量过高而伴随着热处理析出大量碳化物，铁损的劣化显著。在试样No.11中，因W含量过低而伴随着热处理析出大量Cr系碳化物，铁损的劣化显著。在试样No.16中，因W含量过高铁损较大。在试样No.22～No.23中，因Mo含量过高铁损较大。在试样No.28中，因Ti含量过高铁损较大。在试样No.33中，因Nb含量过高铁损较大。在试样No.38中，因V含量过高而过剩地析出V系碳化物，阻碍再结晶退火中的晶粒生长，与V以外的成分同等的试样No.34～No.37相比铁损增高。在试样No.44中，因Zr含量过高而过剩地析出Zr系碳化物，阻碍再结晶退火中的晶粒生长，与Zr以外的成分同等的试样No.39～No.43相比铁损增高。再有，试样No.38及No.44的铁损本身低于一部分本发明例，但没有得到与含量相符的效果，成本显著上升。
此外，如表3所示，在只有W含量不同的试样No.11～No.16之间，在W含量低于本发明范围的下限的试样No.11中，伴随着热处理的铁损劣化显著。由此弄清楚：W抑制伴随着热处理的铁损劣化。此外，即使在W含量低的试样No.30～No.32中，由于含有适量的Mo、Ti及Nb，所以大部分伴随着热处理的铁损劣化被抑制。由此弄清楚：如果含有规定量的Mo、Ti及Nb，则效果特别大。另外，在试样No.34～No.37及No.39～No.43中，因含有适量的V及Zr而使铁损特别低。
产业上的可利用性
本发明例如能够用于电磁钢板制造产业及电磁钢板应用产业。

Claims (4)

1.一种无方向性电磁钢板，其特征在于，其含有：
Cr：0.3质量%～5.3质量%、
Si：1.5质量%～4质量%、
Al：0.4质量%～3质量%、及
W：0.0003质量%～0.01质量%；
C含量为0.006质量%以下，
Mn含量为1.5质量%以下，
S含量为0.003质量%以下，
N含量为0.003质量%以下，
剩余部分包含Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步含有选自以下元素中的至少一种：
Mo：0.001质量%～0.03质量%、
Ti：0.0005质量%～0.007质量%、及
Nb：0.0002质量%～0.004质量%。
3.根据权利要求1所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步含有选自以下元素中的至少一种：
V：0.0005质量%～0.005质量%、
Zr：0.0003质量%～0.003质量%、
Cu：0.001质量%～0.2质量%、
Sn：0.001质量%～0.2质量%、
Ni：0.001质量%～0.2质量%、
Sb：0.001质量%～0.2质量%、
稀土类元素：0.0002质量%～0.004质量%、及
Ca：0.0005质量%～0.006质量%。
4.根据权利要求2所述的无方向性电磁钢板，其特征在于，进一步含有选自以下元素中的至少一种：
V：0.0005质量%～0.005质量%、
Zr：0.0003质量%～0.003质量%、
Cu：0.001质量%～0.2质量%、
Sn：0.001质量%～0.2质量%、
Ni：0.001质量%～0.2质量%
Sb：0.001质量%～0.2质量%。
稀土类元素：0.0002质量%～0.004质量%、及
Ca：0.0005质量%～0.006质量%。
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