电力机械的小型铁心材料第一要求磁性良好。进而希望噪音性能良好,或者加工性优良。
首先,说到磁性。磁性受构成钢板的晶粒的取向的影响很大。尤其是,晶粒的易磁化方向即〔001〕方向平行于钢板面,对于得到优良的磁性上是必要的。
以往作为小型电力机械的铁心材料使用的钢板有:(1)一般用冷轧钢板或者使其脱碳的钢板,(2)添加Si,而且减少杂质,而降低铁损的无取向电工钢板,(3)利用二次再结晶,使具有高斯取向((110)〔001〕取向)的晶粒优先长大的单取向电工钢板,以及(4)使立方取向((100)〔001〕取向)完善的双取向电工钢板。
其中一般冷轧钢板及其脱碳钢板,或者无取向电工钢板,织构的完善弱,〔001〕方向与钢板面平行的晶粒的数目少。因此,和取向电工钢板相比,得不到良好的磁性。
另外,单取向电工钢板作为变压器的铁心材料,是最一般使用的。由在高斯取向聚集的晶粒构成的单取向电工钢板,易磁化〔001〕方向沿轧制方向高度聚集。因此,尤其沿轧制方向进行磁化时,显示优良的磁性。但是,在钢板面内也包含最难磁化的〔111〕方向。因此,在沿该方向进行磁化时,磁性是极差的。即,单取向电工钢板适合用于像变压器那样只要一个方向的磁性良好就可以的用途。但是,单取向电工钢板,对像马达或发电机的铁心材料那样在面内的所有方向需要良好的磁性的用途的使用是不利的。
很早就有人研究了通过二次再结晶使立方组织完善的双取向电工钢板的制造方法。例如,在特公昭35-2657号公报中公开了通过所谓的横向轧制,利用抑制剂使立方取向晶粒进行二次再结晶的方法。也就是说,沿一方向进行冷轧后,再沿与该方向垂直的方向施加冷轧的“横轧”,进行短时间退火和900~1300℃的高温退火,使之二次再结晶的方法。另外,在特开平4-362132号公报中公开了沿垂直于热轧方向以50~90%的压下率进行冷轧后,利用AlN使立方取向晶粒进行二次再结晶的方法。也就是说,在冷轧后,实施以一次再结晶为目的的退火,接着实施以二次再结晶和纯化为目的的最终成品退火,进行二次再结晶的方法。利用这些二次再结晶的方法,得到钢板面内的〔100〕方向沿轧制方向高度聚集的钢板。因此,轧制方向和垂直于轧制方向的磁性都良好。但是,与轧制方向成45°的方向成为难磁化的〔110〕方向,因而该方向的磁性低劣。
由以(100)面作为轧制面的晶体构成的钢板,在轧制面内大量存在易磁化的〔100〕方向,并且不存在难磁化的〔111〕方向。因此,相对以往使用的钢板,由以(100)面作为轧制面的晶体构成的钢板,能够有利地使用于在面内的所有方向需要良好的磁性的用途。特别是由轧制面平行于(100)面、〔001〕方向在轧制面内是无规则的(100)〔uvw〕取向的晶粒构成的钢板,在轧制面内完全没有磁性的各向异性。也就是说,作为马达用的材料是理想的。
从这样的认识出发,到目前为止已经试验了使(100)组织完善的方法。所谓使“(100)组织完善的方法”是指“大量地包含以(100)面作为轧制面的晶体”。
例如,在特公昭51-942号公报中公开了使冷轧压下率达到85%或以上、最好是90%或以上,在700~1200℃进行1分~1小时的长时间退火的方法。但是,该方法虽然在刚轧制之后(100)组织完善,但在由长时间退火产生的再结晶后,(111)组织也完善。因此,制品得不到优良的磁性。
另外,在特公昭57-14411号公报中公开了在冷轧后的再结晶时,控制从γ相向α相的相变区的冷却速度的方法。但是,该方法在再结晶时引起γ相变是前提,因此不能提高具有使α相稳定化作用的Si量。例如在不含C、Mn时,如果Si量约为2重量%或以上,就不会引起γ相变,因此不能使用该方法。也就是说,该方法是不能增加对降低铁损有利的Si量的不利的方法。
进而,在特开平5-5126号公报中公开了含有C0.006~0.020重量%的成分的钢进行冷轧后,加热至900~1100℃进行再结晶,然后再在900℃或以下进行再结晶退火的方法。通过该方法得到的磁性,按照该公报的实施例1,轧制方向和垂直轧制方向的磁通密度B50的平均值是1.66~1.68T左右。即,还不能说在钢板面内的〔001〕方向的聚集度高。
如以上所述,对无取向电工钢板的制造方法加以改进的以往方法,不能充分地使(100)组织完善。即,磁性的改善不充分。
作为层叠钢板而使用的小型变压器的代表形状,已知是如图1所示的EI铁心。
作为这样的EI铁心用材料,现在使用无取向电工钢板和取向电工钢板的两种钢板。
在使用无取向电工钢板时,与使用取向电工钢板时相比,铁心的磁性低劣。因为无取向电工钢板比取向电工钢板的钢板磁性水平低。但是,与取向电工钢板相比,无取向电工钢板的制造工艺简单、价格低,因此从经济的观点出发,使用无取向电工钢板。
除此之外,取向电工钢板的轧制方向的磁性良好,但垂直于轧制方向的磁性显著地劣化。在作为EI铁心使用时,磁通流跨越轧制方向和垂直于轧制的方向的两个方向。取向电工钢板与无取向电工钢板相比,铁心的磁性良好,但并未形成在磁性上有利的使用方法。
对磁性来说,认为轧制方向和垂直轧制方向的两个方向的磁性都良好的双取向电工钢板是最有利的。但是,以往的方法,在双取向电工钢板的制造中,需要生产率极低的横向轧制。因此不能够形成工业的大量生产。另外,像EI铁心这样的小型变压器铁心,磁通流对变成直角部分的影响小。即,与轧制方向成45°方向的磁性低劣的双取向电工钢板也不一定是理想的材料。
如上所述,以往的方法作为像EI铁心的小型变压器的铁心材料,没有提供理想的材料。
接着说到噪音性能。最近,特别从环境方面考虑,对噪音的限制更加严格,变压器等的噪音正在成为大的问题。因此,降低变压器的噪音已经成为必要条件。
为此,变压器的制造厂,对一般认为是噪音的主要因素的磁致伸缩特性保持极大的关心,正在要求材料制造厂降低磁致伸缩。因此,在材料制造厂也应该适应这种要求,对降低电工钢板的磁致伸缩付出大的努力。
磁致伸缩是由磁化钢板时的90°磁畴壁移动和旋转磁化引起的。因此,减少90°的磁畴,对减低磁致伸缩是有效的。
取向电工钢板,通过利用抑制剂等提高晶粒位向的取向性,在提高磁性的同时,达到减低磁致伸缩。磁致伸缩的减低使180°的磁畴增加,减少了90°磁畴。
为了进一步减低磁畴,以往还曾尝试实施能够赋予张力的涂膜或绝缘涂层的方法。该方法是利用对钢板施加拉应力时,180°的磁畴宽度就变窄,90°的磁畴减少的现象。也就是说,是在高温烘烤钢板上的绝缘涂层,利用钢板和绝缘涂层的热膨胀系数的差,对钢板付加张力,来减低磁致伸缩的方法。
例如,在特公昭53-28375号公报中公开了使用胶态氧化硅、磷酸铝和铬酸酐制作张力涂层的方法。另外,在特公平5-77749号公报中公开了在钢板上附着TiC、TiN和Ti(C,N)中的至少1种的极薄层而付加张力的方法。但是,这些张力膜和张力涂层几乎都是玻璃质或者陶瓷质的,因此非常硬,冲裁加工时容易剥落。因此,现状是,仅专门使用于几乎不要求冲裁加工性的单取向电工钢板,而对冲裁加工性是重要的必要条件的电工钢板几乎不使用。
Fe-Si合金中的Si量如果接近6重量%,Fe-Si合金的磁致伸缩常数λ100和λ111大致变为0、不发生磁致伸缩的性质是已知的。利用该性质,为了改善磁致伸缩特性,也正在尝试增加Si量的方法。
例如,在特开昭62-227078号公报中公开了使Si渗入Si含量不到4重量%的钢板中,接着使Si沿板厚方向扩散而得到高硅钢板的方法。但是,钢中的Si量增加时,钢板的二次加工性就显著地劣化,因此,难以通用于冲裁钢板而制造的马达铁心等。而且,该方法在硅的渗入时产生不匀,特别在板厚方向出现差不多不能忽视的不均匀性。其结果,难以控制磁性和磁致伸缩。
另外,在特开平9-275021号公报和特开平9-275022号公报中公开了,通过使无取向电工钢板的直流磁致伸缩的绝对值达到1.5×10-6或以下,得到低噪音铁心的方法。在该方法中写明,为了使直流磁致伸缩的绝对值达到1.5×10-6或以下,必须含有4.0~7.0重量%的Si。但是,如果含有这样多量的Si,二次加工性就显著地劣化。因此,难以适用于冲裁钢板而制造的马达铁心等。
最后说到加工性。特别在以密勒指数(100)〔001〕表示的立方位向晶粒所占的比例多的钢板中,推测加工性显著地劣化。这样的钢板以双取向电工钢板为代表,但如果和单取向电工钢板或无取向电工钢板进行比较,由加工产生的磁性劣化大,这就等于加工性劣化。
其原因是,以往的利用二次再结晶的双取向电工钢板的晶粒直径远远大于无取向电工钢板。因此,在切断或冲裁加工时,端部容易发生变形,容易引入大的应变。另外,通过高温的成品退火,形成以镁橄榄石为主的硬质氧化膜。该硬质氧化膜使端部的应变变大。由于这些应变使磁性劣化。
作为对策,在特开平5-275222号公报中提出了利用酸洗、研磨等减少表面的非磁性的氧化物。但是,这样不仅减少了表面的非金属物质,而且也使钢板彼此间的绝缘性降低。在此情况下,磁通密度变高,但铁损增加,因此作为铁心材料是不合适的。另外,在酸洗或研磨等中,或不均匀地去除氧化物,或引入应变,使铁损劣化。
另一方面,同样以二次再结晶制造的单取向电工钢板,通过在表面形成的镁橄榄石被膜和二氧化硅—磷酸盐系涂层,对钢板付加张力。其结果,能够缓和应变的影响。
但是,如果将这样的张力涂层用于双取向电工钢板时,虽然提高L方向和C方向中的某一方向的磁性,但另一方向的磁性却劣化。工业的制造的多晶体双取向电工钢板在晶粒取向上存在偏差。因此,只有〔001〕方向的聚集大的L方向和C方向中的某一个方向的特性,通过张力涂层优先地得到改善,而另一方向的特性劣化。
关于这些双取向电工钢板的加工性的问题,根据其机理,是适合于立方晶粒占的比例多的钢板的问题。
如以上所述,从磁性、经济上及其他的特性方面考虑,目前还没有制造出特别适用于电气机械的小型铁心的电工钢板。
为了达到上述的目的,本发明人反复进行了深入的研究。其结果,在试行错误之后,开发了最适合小型变压器等用途的电工钢板,从而达到完成本发明。
以下,就历来的实验结果说明本发明。
采用连续铸造制成含有C:0.010%(重量百分率,或以下相同)、Si:2.5%、Mn:0.05%、Al:0.0080%、N:8ppm和O:12ppm,其余由铁构成的,不含抑制剂成分的组成的钢锭A。将该扁钢坯加热至1120℃后,通过热轧,轧成2.8mm厚的热轧板。在1150℃的氮气气氛中、在各种温度将该热轧板进行1分钟均热,实施热轧板退火后,进行急冷,接着,在230℃进行冷轧,轧成0.35mm的最终板厚。该冷轧板在氢:75体积%、氮:25体积%,露点:35℃的气氛中,在920℃进行均热20秒的再结晶退火。使C降低至0.0020%。该再结晶退火板进行最终成品退火。以50℃/h从常温加热至750℃、以5℃/h从750℃加热至900℃,并在900℃保持50小时的方法进行最终成品退火。
通过观察成品退火板的显微组织可知,在任何热轧板退火温度都完成了二次再结晶。另外,测定成品退火后的轧制方向(L)和垂直于轧制方向(C)的磁通密度(B50)。使用得到的制品板制作EI铁心,测定其铁损(W15/50)。
图2A中表示热轧板退火温度对制品板的L方向和C方向的磁通密度B50之比B50(L)/B50(C)的影响,在图2B中表示热轧板退火温度对制品板的L方向和C方向的磁通密度B50的影响。
如图2B所示,在热轧板退火温度低时,L方向的磁通密度比C方向的磁通密度显著地高。但是,若热轧板退火温度变高,C方向的特性提高,和L方向的特性成为同等。
下面,在图3中表示制品板的L、C方向的磁通密度比B50(L)/B50(C)对EI铁心的铁损的影响。
如图3所示,在B50(L)/B50(C)是1.005~1.100的范围,即L方向的磁通密度比C方向的磁通密度稍微高时,EI铁心的铁损成为1.9W/kg或以下的良好值。这是新的认识。
发明人认为这样的磁通密度的变动是由钢板的织构的差别引起的。并且接着使用劳厄X射线衍射法,进行各个制品板的二次再结晶晶粒的取向测定。测定在100mm×280mm的区域进行,求出各晶粒的取向。
在图4中表示在制品板中,热轧板退火温度对与高斯取向的偏移角是20°以内的晶粒(高斯晶粒)的面积率和与立方取向的偏移角是20°以内的晶粒(立方晶粒)的面积率的影响。由该图可知,在钢锭A中,热轧板退火温度如果是950℃或以上,立方取向附近的晶粒成为比立方取向附近的晶粒更多混合存在的状态。
在图2中,在磁通密度的比处于1.005~1.100范围的热轧板退火温度:950~1200℃,按照图4,自立方取向的偏移角是20°以内的晶粒的比率是50~80%,保持自高斯取向的偏移角是20°以内的结晶取向的二次再结晶晶粒的比率是6~20%。
下面,发明人为了证实上述的认识,即L方向的磁通密度比C方向稍微高时,EI铁心的铁损是最良好的,对以往的电工钢板进行了调查。即,使用和钢锭A的制品板相同板厚:0.35mm、含有Si:2.5%、高斯取向聚集的单取向电工钢板及立方取向高度聚集的双取向电工钢板的制品板,制作相同的EI铁心,测定单板的磁通密度和组装后的铁损。得到的结果和钢锭A进行比较,示于图5A和图5B中。
如图5所示,EI铁心的铁损,使用从钢锭A得到的电工钢板时比使用单取向电工钢板或双取向电工钢板时优良。再者,L方向和C方向的磁通密度的比,在钢锭A中是1.015。与此相对,在单取向电工钢板中,是1.331,在双取向电工钢板中,是1.002,都是上述的最佳范围:1.005~1.100以外。
该结果是根据,在从发明人的实验得到的、L方向和C方向的磁通密度的比处于1.005~1.100的范围时,即L方向比C方向稍微高时,EI铁心的铁损是最良好的。
为了参考,使用劳厄X射线衍射法,对单取向电工钢板和双取向电工钢板的各制品板都进定二次再结晶晶粒的取向测定。对100mm×280mm区域进行测定,求出各晶粒的取向。
在单取向电工钢板的制品板中,自二次再结晶晶粒的高斯取向的偏移角是20°以内的二次再结晶晶粒的存在频度是96%。另外,在双取向电工钢板的制品板中,自二次再结晶晶粒的立方取向的偏移角是20°以内的二次再结晶晶粒的存在频度是90%。
这样的单取向和双取向电工钢板的制品板中的高度取向聚集,显著地增加磁性的各向异性。在磁性的各向异性大时,磁通的流向各个方向发生变化的小型EI铁心的铁损劣化。与此相反,像由钢锭A产生的制品板那样,具有在保持自立方取向的偏移角是20°以内的晶粒适度完善、自高斯取向的偏移角是20°以内的结晶取向少量地混合存在的织构时,EI铁心的铁损良好。这被推断为,因为轧制方向和垂直于轧制方向的两个方向的磁性良好,而且除此以外的方向的磁性降低较小。
这样,就形成以下的新认识,即,使用钢锭A,通过最终成品退火时的二次再结晶使立方组织和高斯组织的两种组织适度地完善,使轧制方向的磁通密度和垂直于轧制方向的磁通密度的比达到1.005~1.100,借此有效地减少EI小型变压器的铁损。
进而,发明人为了了解最终成品退火时的加热速度的影响,进行了以下的实验。
将钢锭A加热到1150℃,通过热轧轧成2.8mm厚的热轧板。在1180℃的氮气气氛中将该热轧板均热1分钟后,进行急冷,在250℃进行冷轧,轧成0.35mm的最终板厚。该冷轧板在氢:75体积%、氮气:25体积%、露点:35℃的气氛中,在920℃进行均热20秒的再结晶退火,使C降低至0.0020%或以下。对该再结晶退火板进行变化加热速度的成品退火。即以50℃/h从常温升温至750℃,以进行各种不同的加热速度从750℃升温至900℃,在900℃保持50小时的方法进行该成品退火。
对成品退火板的轧制方向(L方向)和垂直于轧制方向(C方向)的磁通密度进行了调查。另外,使用得到的制品板制作EI铁心,测定其铁损(W15/50),再使用劳厄X射线衍射法,进行各个制品板的二次再结晶晶粒的取向测定。对100mm×280mm区域进行测定,求出立方取向附近的晶粒和高斯取向附近的晶粒的存在频度。
在图6A中表示最终成品退火时的750℃或以上温度区的加热速度对制品板中的L方向和C方向的磁通密度B50的比B50(L)/B50(C)的影响。在图6B中表示最终成品退火时的750℃或以上温度区的加热速度对制品板中的L方向和C方向的磁通密度B50的影响。
按照图6A,在加热速度是30℃/h或以下时,L方向和C方向的磁通密度的比是1.100或以下。如果加热速度超过30℃/h,C方向的磁通密度降低,而磁通密度的比已经超过1.100。
另外,在图7中,表示L方向和C方向的磁通密度的比对EI铁心的铁损的影响。按照图7,在磁通密度的比超过1.100时,EI铁心的铁损急剧地劣化。
在图8中表示调查的结果,该结果是关于在制品板中,在最终成品退火时的750℃或以上的温度区的加热速度对具有与高斯取向的偏移角是20°以内的结晶取向的晶粒和与立方取向的偏移角是20°以内的晶粒的面积率的影响。
按照图8,存在加热速度越大,立方取向附近的晶粒越减少,高斯取向附近的晶粒越增加的倾向。另外,在加热速度是30℃/h或以下时得到良好的铁损,但按照图8可知,立方取向附近的晶粒的面积率是50~80%,高斯取向附近的晶粒的面积率处于6~20%的范围。
如以上所述,成品退火板的二次再结晶晶粒的取向随750℃或以上的温度区的加热速度而变化。并且知道,通过使750℃或以上的温度区的加热速度达到30℃/h或以下,可以得到具有轧制方向的磁通密度和垂直于轧制方向的磁通密度的比满足1.005~1.100、对降低EI铁心的铁损具有最合适的织构的钢板。
接着,通过实验调查了噪音特性。
采用连续铸造制造含有C:240ppm、Si:3.24重量%、Mn:0.14重量%、Al:70ppm、Se:8ppm、S:11ppm、N:10ppm、O:12ppm,其余基本上是铁组成的扁钢坯B。该扁钢坯在1100℃加热20分钟后,通过热轧轧成板厚:2.6mm的热轧板。对该热轧板进行热轧板退火,此后通过冷轧轧成0.35mm的最终板厚,再进行再结晶退火。再结晶退火在900℃的均热温度、在气氛中的氮气量进行各种变化的条件下进行。对该再结晶退火板进行成品退火,作为制品板。
对得到的制品板进行显微组织观察。其结果可知,钢板的二次再结晶率随再结晶退火时的氮气量而变化。
在图9中表示再结晶退火时的氮气量对制品板的二次再结晶率的影响。按照图9可知,在氮气量不到5体积%时,二次再结晶率低。
关于再结晶退火时的氮气量对二次再结晶率影响的机制还不清楚。被推断为,由再结晶退火时的氮气气氛产生的钢板的氮化促进了二次再结晶。
接着,调查了再结晶退火温度对二次再结晶的影响。在由扁钢坯B的制造过程中,变化再结晶退火温度而得到制品板。再结晶退火气氛中的氮气量是50体积%。利用激光多普勒法测定所得钢板的轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩。
在图10中表示再结晶退火温度对制品板的轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和的影响。按照图10,再结晶退火温度在800~1000℃的范围时,轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩成为7.5×10-6或以下的小值。
另外,观察在该实验中得到的钢板的显微组织。其结果可知,由于再结晶温度不同,在二次再结晶率上有差异。在图11中,表示再结晶退火温度对制品板的二次再结晶率的影响。按照图11可知,在再结晶退火温度是800~1000℃时,完全发生二次再结晶。
从以上的实验结果可知,通过良好的二次再结晶,轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩特性提高。因此,下面详细地调查已二次再结晶的钢板的织构。
在表1中表示在由扁钢坯B制成的制品板中,关于良好的进行二次再结晶时,再结晶退火条件、得到的制品板的轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和以及轧制方向和(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率。
按照表1可知,磁致伸缩是8.0×10-6的制品板,轧制方向和(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率处于30~70%的范围。
进而,由各种成分系的扁钢坯,和由扁钢坯B产生的制品板相同的进行制造,调查良好地进行二次再结晶的钢板。在图12中表示和(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率对制品板的磁致伸缩的影响。
按照图12可知,在和(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率满足30~70%的范围时,轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和是8.0×10-6或以下。
虽然该机制不一定清楚,但可按以下那样考虑。在〔100〕方向向轧制方向和垂直于轧制方向的聚集度不到30%时,180°的磁畴减少,而磁致伸缩增加。另一方面,在〔100〕方向在轧制方向的聚集度超过70%时,由于聚集度过高,〔010〕方向向垂直于轧制方向的聚集度也升高,其结果90°的磁畴增加。
为了评价轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和对激磁时的噪音值的影响,进行以下的实验。从具有各种磁致伸缩特性的取向电工钢板和无取向电工钢板冲裁直径:150mm的环状试样,在750℃进行2小时的消除应力退火。将退火的环状试样层叠,制成铁心。以频率:50Hz、激磁磁通密度:1.5T使这些铁心进行激磁,用铁心的正上方100mm位置的扩音器测定噪音。
在图13中表示电工钢板的轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和对激磁时的噪音值的影响。按照图13可知,在磁致伸缩的和是8.0×10-6或以下时,噪音减小到40分贝或以下。
虽然该机制不一定清楚,但可以像以下那样考虑。在小型铁心的场合,激磁方向不仅涉及钢板的轧制方向,也涉及钢板的所有方向。因此,不用说轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩特性恶化,噪音也变大。即使轧制方向的磁致伸缩特性良好,如果垂直于轧制方向的磁致伸缩特性恶化,垂直于轧制方向的磁致伸缩就大,噪音也变大。
另外,根据以下的认识使加工性最佳化。
使加工应变增大的钢板表面的氧化物,主要是通过成品退火形成的。成品退火,以二次再结晶和作为抑制剂含有AlN等时的纯化为目的。成品退火通常在1200℃的高温进行,因此不能避免铁基体成分的氧化。另外,越是高温,钢板的变形就越大,也越容易发生钢板彼此间的粘附。因此,需要多量的退火分离剂。
但是,退火温度越高,在钢板表面形成的氧化物越增加。另外,退火分离剂越多,由于包含在退火分离剂中的水分或氧,也同样越使在钢板表面形成的氧化物增加。
因此,如果预先从钢的成分中去除需要纯化的抑制剂成分,就不需要成品退火时的纯化。也就是说,使退火温度降低,就可能抑制氧化物的发生。
发明人探索了从不含抑制剂成分的含Si钢得到立方取向的二次再结晶组织的方法。即,以降低Al、O、N、S、Se等抑制剂成分的扁钢坯作为原材料,反复进行热轧、热轧板退火、冷轧、再结晶退火和成品退火的实验。
其结果,开发了由在立方取向聚集的二次再结晶组织构成的双取向电工钢板的制造方法,已在特愿平11-289523号说明书中提出。
接着,发明人对改进上述的技术、在冲裁加工后磁性劣化少、可以得到良好的铁心特性的条件进行了探索。首先着眼于表面,在使表面氧化物量更加减低的同时,排除这样的氧化物和来自在表面被覆成形的绝缘涂层赋予的张力产生的恶劣影响,达到磁性的更加提高。为此,使成品退火气氛进行各种变化,并且制造成变化被覆的绝缘涂层的种类和厚度的制品板。从制品板通过冲裁制作小型的EI铁心,评价其磁性。
其结果,在试行错误之后,研制出在后述的铁基体表面的氧化物和绝缘涂层的条件下,即使在冲裁加工后,也能得到良好铁心特性的电工钢板。
从实验结果可知,通过形成以立方组织作为主体、使高斯组织少量完善的织构,轧制方向的磁通密度和垂直于轧制方向的磁通密度的比成为1.005~1.100,作为EI铁心的材料成为最佳的组织。关于其理由,虽然不一定清楚,但发明人认为如下。
作为得到这样的织构的制造条件,在原材料中含有C:0.003~0.08%左右是有效的。因为固溶C的影响,在轧制时交叉滑移增加,促进变形带的形成,使立方取向晶粒或高斯取向晶粒的再结晶核增加。另外,冷轧时的至少1道次的轧制温度上升至100~250℃,也使交叉滑移增加,促进变形带的形成,对增加立方取向晶粒或高斯取向晶粒的再结晶核是有效的。
如根据先前所述的实验所认识,在950~1200℃的温度范围进行热轧板退火是有效的。据认为,在此情况下,冷轧前的晶粒变得粗大,抑制了自晶界的再结晶核的形成,再结晶退火后的(111)面组织减少。(111)面组织容易被高斯取向晶粒消耗,因此一般已知,对使高斯取向晶粒优先地进行二次再结晶有用。因此认为,减少(111)面组织,对减低高斯取向的二次再结晶晶粒是有效的。
另外,(100)〔011〕取向晶粒在热轧板退火后特别优先发生晶粒长大。而且,该(100)〔011〕取向晶粒是在冷轧时取向不变化的稳定取向。于是即使在再结晶后,(100)〔011〕取向也增加。并且知道,(100)〔011〕取向晶粒难以被高斯取向晶粒蚕食。因此认为,(100)〔011〕取向的增加,抑制高斯取向晶粒的长大,取而代之,立方取向晶粒优先地长大。
另外,已经知道存在以下的倾向,即,在最终成品退火时的加热速度小时,主要是立方取向晶粒完善,在加热速度大时,高斯取向晶粒完善。据认为,这是由于,加热速度对于到二次再结晶晶粒的长大开始的潜伏时间的影响,随着结晶取向而不同。但是,本质的机制尚不清楚。
在本发明中,关于即使使用不含抑制剂成分的钢锭,也发现二次再结晶的理由,可如以下考虑。
关于(110)〔001〕取向晶粒,即高斯取向晶粒发生二次再结晶的机制,到目前为止发明人反复进行了深入的研究。其结果发现,一次再结晶组织中的位向差是20~45°的晶界起到重要的作用,已经进行了报道(Acta Materialvol.45,p85(1997))。所谓位向差是指为了重复相邻晶体的晶格所必要的最小旋转角。
在图4中,表示对于保持各种的晶粒取向的各个晶粒周围的晶界来说,关于对晶界位向差是20~45°的晶界全体的比例(%)进行调查的结果。已进行解析的对象是,取向电工钢板的即将二次再结晶前的一次再结晶组织。
在图14中使用是欧拉角(Ф1、Ф、Ф2)的Ф2=45°断面表示结晶取向空间。在图14中示意地表示高斯取向等主取向。
按照图14,关于在高斯取向晶粒周围的位向差是20~45°的晶界的存在频度,高斯取向保持最高的频度。根据C.G.Dunn等得到的实验数据(AIMETransaction 188卷(1949)368页),位向差是20~45°的晶界是高能晶界。高能晶界,晶界内的自由空间大,形成杂乱结构。晶界扩散是通过晶界原子发生移动的过程。因此,晶界中的自由空间大的高能晶界,晶界扩散迅速。
伴随称为抑制剂的析出物的扩散控制引起的长大,发生二次再结晶,是众所周知的。在高能晶界上的析出物在成品退火中优先进行粗化。也就是说,在高能晶界如果优先地发生钉扎移动,就开始晶界移动,高斯晶粒长大。
发明人进一步发展了所述的研究。其结果发现,二次再结晶的本质的因素在于一次再结晶组织中的高能晶界的分布状态。而且还发现,抑制剂的作用是产生高能晶界和其他的晶界的移动速度差。
因此,根据该理论,即使不使用抑制剂,通过产生晶界的移动速度差,也能够发生二次再结晶。
存在于钢中的杂质元素,容易在晶界偏析,尤其显著地偏析在高能晶界。因此认为,在多量地含有杂质元素时,不产生高能晶界和其他晶界的移动速度差。
因此,通过原材料的高纯度化,如果排除这样的杂质元素的影响,高斯取向晶粒的二次再结晶就成为可能。这是因为能够期待依存于高能晶界结构的本来的移动速度差显著化。
基于以上的考察,发明人查明了,即使在不含抑制剂成分的扁钢坯中,通过原材料的高纯度化也能够发生二次再结晶。
在本发明中不使用抑制剂的技术的情况下,二次再结晶晶粒的取向也包括(100)〔001〕附近取向。即,和含有抑制剂进行二次再结晶的技术不同。
在不含抑制剂时,热轧后或者热轧板退火后的结晶组织显著地粗化。因此,推断为,在冷轧后的再结晶退火时核生成的(111)面组织减少。已知(111)面组织作为有利于高斯取向晶粒长大的组织。推断为,由于这样的组织减少,(100)〔001〕取向晶粒代替高斯取向晶粒,发生二次再结晶。但是,本质的机制还不清楚。
接着,说明本发明的构成重要条件的限定理由。
首先,从提高磁性的方面出发,说明限定成分组成的理由。
Si:2.0~8.0%
Si是提高电阻、改善铁损有用的元素。如果含量不到2.0%,缺乏这种改善效果,并且发生γ相变。由于γ相变,在热轧后和最终成品退火后成为相变组织,得不到良好的磁性。另一方面,如果Si量超过8.0%,制品的二次加工性恶化,进而饱和磁通密度也降低。因此,Si量限制在2.0~8.0%的范围。
Mn:0.005~3.0%
Mn是为了改善热加工性所必须的元素。在Mn不到0.005%时,缺乏其添加效果。另一方面,如果超过3.0%,二次再结晶变得困难。因此,Mn量限制在0.005~3.0%的范围。
Al:0.0010~0.020%
在本发明中,通过微量地含有Al,良好地表现成品退火时的二次再结晶,使立方取向晶粒适度地完善。但是,如果含量不到0.0010%,立方取向和高斯取向的聚集度就降低,磁通密度降低。另一方面,即使超过0.020%,立方取向和高斯取向的聚集度也同样降低,得不到所希望的磁性。因此,Al规定为以0.0010~0.020%的范围含有。
微量的Al在表层形成致密的氧化层,虽然认为对抑制成品退火时的表面氧化或氮化的进行发挥有效的作用,但还不十分清楚。
在本发明中,作为原材料成分,应尽量减低氮。因此,和以往的以AlN作为抑制剂进行二次再结晶的单取向电工钢板的制造方法不同。
Se和S最好分别是100ppm或以下,O和N最好分别是50ppm或以下。因为Se、S、O和N都是极大地阻碍发生二次再结晶。而且是残存在铁基体中使铁损劣化的有害元素。Se和S更好是50ppm或以下,最好是30ppm或以下。另外,O和N最好是30ppm或以下。这些元素都难以在以后的工序中去除,因此最好在钢水成分中预先降低。
以上,说明了必须成分和限制成分,但在本发明中,除此之外,可以适当地含有以下所述的元素。
首先,为了提高磁通密度可以添加Ni。但是,如果添加量不到0.01重量%,磁性的提高量小。另一方面,如果超过1.50重量%,二次再结晶晶粒的完善不充分,得不到满足的磁性。因此,添加量规定为0.01~1.50重量%。
另外,为了改善铁损,可以添加Sn:0.01~1.50重量%、Sb:0.005~0.50重量%、Cu:0.01~1.50重量%、Mo:0.005~0.50重量%、Cr:0.01~1.50重量%。在这些元素的添加量都比上述的范围少时,没有改善铁损的效果。另一方面,在添加量多时,二次再结晶晶粒不完善,导致铁损的劣化。因此,规定为上述的添加量。
在本发明中,进而关于轧制方向(L方向)和垂直于轧制方向(C方向)的磁通密度B50必须满足以下的范围。
即,L方向和C方向的磁通密度同时是B50≥1.7T,而且不可缺少的是,它们的磁通密度比B50(L)/B50(C)控制在1.005或以上、1.100或以下的范围。这是为了特别有效地降低像EI铁心的小型变压器的铁损。
磁通密度B50不到1.70T时,磁滞损耗增大,铁损恶化。另外,B50(L)/B50(C)超出1.005或以上、1.100或以下的范围时,铁心内部的磁化方向旋转的部分的铁损增大,铁心整体的铁损恶化。因此,磁通密度必须满足上述条件。
另外,为了得到像上述的磁性,控制构成制品板的晶粒的取向是有效的。
即,关于构成钢板的晶粒的取向,重要的是,自立方取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率是50%或以上、80%或以下,而且自高斯取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率是6%或以上、20%或以下的范围。通过达到这样的织构,能够有效地同时将L方向和C方向的磁通密度控制在B50≥1.7T,而且将B50(L)/B50(C)控制在1.005或以上、1.100或以下的范围。
接着,从改善噪音特性的方面说明限定理由。
与(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率:30~70%
在与(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率不到30%时,〔100〕取向向轧制方向和垂直于轧制方向的聚集度变低,这些方向的磁致伸缩特性恶化。另一方面,面积率如果超过70%,轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩增加。并且,如果(100)〔001〕取向高度地聚集,〔110〕取向就沿和轧制方向成45°的方向聚集,在小型电气机械铁心中导致磁性的劣化。这是因为,虽然轧制方向和垂直于轧制方向的磁性良好,但在和轧制方向成45°的方向,磁性显著地劣化。
由于这样的理由,与(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率规定为30~70%。
以50Hz的交流、在1.5T进行激磁时的轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和:8×10-6或以下
磁致伸缩是噪音的主要原因。这是因为,以50Hz的交流、在1.5T进行激磁时的轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和如果超过8×10-6,噪音就变得非常大。
另外,为了防止由加工引起的劣化的构成重要条件的限定理由如下。
重要的是,钢板表面的氧化物,按氧量换算,每一面抑制在1.0g/m2或以下。该表面氧化物主要在成品退火时形成。
按氧量换算,如果氧化物量超过1.0g/m2,在切断或者冲裁加工时的切断面的变形大。也就是说,在切断部周围导入大的应变,而导致铁损显著地劣化。
该氧化物是钢中成分和退火分离剂成分的单独或者复合氧化物。主要是镁橄榄石、二氧化硅、氧化铝、氧化镁或者它们的尖晶石型化合物。
这样的氧化物除了成品退火之外,也在脱碳退火或平坦化退火等热处理中形成。但是,也包括该场合,按最终的氧量换算,必须抑制在1.0g/m2或以下。
另外,在铁基体表面为了提高绝缘性,必须被覆形成绝缘涂层。关于表面的氧化物和该绝缘涂层对铁基体施加的合计张力,最好是5MPa或以下。这是因为,该张力如果大于5MPa,L方向和C方向中的〔100〕取向的聚集度低的方向的磁性劣化。
为了使这种张力小,使氧化物和绝缘涂层的厚度小、作为绝缘涂层材料使用烘烤温度低的材料、使热膨张系数或者杨氏模量小的绝缘涂层是有效的。
下面,说明本发明的制造方法。
首先,说明原材料成分。
C:0.08重量%或以下
C 促进晶粒内的局部变形,促进立方和高斯组织的完善,对提高磁性是有效的。如果含量不到0.003%,变形带的生成效果小,因而磁通密度降低。另一方面,如果超过0.08%,在再结晶退火时难以去除。并且在热轧板退火时引起部分的γ相变,难以使冷轧前晶粒粗化。因此,C量限定在0.003~0.08%的范围。
关于除此之外的原材料成分,和关于制品的限定理由相同。
采用通常的铸锭法或连续铸造法,铸造调整成上述的最佳成分组成的钢水,形成扁钢坯。另外,也可以使用直接铸造法,直接制造100mm或以下厚度的薄铸坯。
扁钢坯以通常的方法加热后,进行热轧。再者,铸造后也可以不再加热,直接供给热轧。另外,以薄铸坯进行铸造时,也可以省略热轧。
扁钢坯的加热温度在能够热轧的最低温度即1100℃左右就足够了。因为在原材料成分中不含抑制剂,因此不需要高温加热以使抑制剂固溶。
接着,对热轧板实施热轧板退火。为了使立方组织和高斯组织在制品板中适度地完善,热轧板退火温度必须达到950℃或以上、1200℃或以下。在热轧板退火温度不到950℃时,冷轧前的晶粒不粗化,制品板中的立方组织和高斯组织的完善降低,得不到所希望的磁性。另一方面,如果超过1200℃,制品板的高斯组织的完善降低,磁通密度的各向异性劣化。因此,热轧板退火温度必须达到950℃或以上、1200℃或以下。
热轧板退火后,根据需要,进行***中间退火的1次或以上的冷轧,然后进行兼顾脱碳的再结晶退火。在再结晶退火中,使C降低至不引起磁时效的50ppm或以下,最好降低至30ppm或以下。
热轧板退火对提高磁性是有用的。同样,在冷轧之间加进中间退火,对磁性的稳定化是有用的。但是,这两种工艺都使生产成本升高。因此,热轧板退火或中间退火的取舍选择和退火温度及时间的决定,取决于经济上的考虑和使一次再结晶晶粒直径达到适当范围的必要性。
为了在成品退火后使(100)〔001〕组织长大,重要的是,使最终冷轧前的平均晶粒直径达到200μm或以上,而且使压下率达到60~90%的范围。另外,这样的冷轧在150℃或以上的温度进行,在发生立方取向的二次再结晶上是有效的。另外,也可以使用以横向轧制或低张力扩大钢带宽度的轧制条件的冷轧。
再结晶退火,如上所述,在退火温度不到800℃,或超过1000℃时,都阻碍二次再结晶的进行。另外,氮量不到5体积%,也对二次再结晶的进行带来恶劣的影响。如果不进行二次再结晶,各式各样取向的晶粒大量存在,因而磁致伸缩特性劣化。因此,在本发明中,在800~1000℃的温度范围、而且在气氛中的氮量是5体积%或以上的条件下进行再结晶退火。
最终冷轧后或者再结晶退火后,也可以并用通过渗硅法增加Si量的技术。
此后,根据需要,使用退火分离剂。作为退火分离剂,最合适的是二氧化硅、氧化铝、氧化镁等耐火物粉末的浆或者胶态溶液。另外,最好采用静电涂布等干式涂布法使这些耐火物粉末附着在钢板上的方法。因为在成品退火气氛中不包含水分。进而,利用喷镀等使这些耐火物***在表面形成涂层的钢板的方法也可以使用。
接着,通过实施最终成品退火,使二次再结晶组织完善。
在最终成品退火中极重要的是,使750℃或以上温度区的平均加热速度达到30℃/h或以下,加热至800℃或以上温度,并保持10小时或以上,使立方取向组织和高斯取向组织在制品板中完善。如果750℃或以上的平均加热速度超过30℃/h,立方组织减少,而高斯组织增加,得不到所希望的磁性。再者,至750℃的加热速度对磁性不产生大的影响,因此可以是任意的条件。另外,应该进行控制加热的温度如果不到800℃,二次再结晶晶粒的完善不充分,磁性劣化。因此,这样的控制加热必须进行至800℃或以上。
进而,即使对于二次再结晶晶粒的完善并不必要,但在必须以镁橄榄石被膜作为底被膜的场合,加热至1100℃左右是没有问题的。
为了提高加工性,在铁基体表面形成的氧化物,按氧量换算,每一面必须规定为1g/m2或以下。为此,成品退火气氛必须是露点≤10℃、O2≤0.1体积%。另外,为了抑制氧化物的生成,成品退火温度必须是1100℃或以下,最好是900℃或以下。为了将这样的成品退火温度限定在900℃或以下,由于使发生二次再结晶的温度降低,因此最好将Al限制在不到0.01重量%。
在层叠钢板而使用时,最终成品退火后,为了改善铁损,在钢板表面实施绝缘涂层是有效的。
为此目的,绝缘涂层可以是由2种或以上的被膜构成的多层被膜,并且根据用途也可以施以混合树脂等的涂层。
进而,以赋予张力的磷酸盐为主体的绝缘涂层对降低铁损或噪音是有效的。
另一方面,为了通过涂层改善加工性,下面示出所希望的绝缘涂层处理。
为了减小钢板所受到的张力,有效的是:使氧化物和绝缘涂层的厚度小,作为绝缘涂层材料使用烘烤温度低的材料,以及使用热膨胀系数或者杨氏模量小的绝缘涂层。
关于绝缘涂层的种类,只要施加的张力是5MPa或以下的,就没有特别的限制。例如,有机树脂涂层、或者由有机树脂和无机成分构成的半有机涂层是合适的。作为无机成分,可举出选自磷酸、磷酸盐、铬酸、铬酸盐、重铬酸盐、硼酸、硅酸盐、二氧化硅和氧化铝中的1种或者2种或以上。含有这些有机树脂的绝缘涂层,抑制切断、冲裁加工时切断部的应变,因此有防止加工后的铁损劣化的效果,是合适的。
关于这样的有机树脂涂层或半有机树脂涂层的膜厚,最好是0.5μm或以上、5μm或以下程度。下限从确保层间绝缘性的方面,而上限从减低张力和防止所占面积率降低的方面确定。
另外,也可以使用由选自磷酸盐和铬酸、铬酸盐、重铬酸盐、硼酸中的1种或2种或以上成分构成的无机玻璃质的涂层。在无机玻璃质涂层的情况下,为了使张力达到5MPa或以下,最好使烘烤温度达到400℃或以下,涂层的厚度,每一面是2μm或以下。为了提高耐热性,也可以含有若干量的二氧化硅或者氧化铝的微粉末或胶体。
实施例1
采用连续铸造制造含有C:0.009%、Si:2.4%、Mn:0.02%、Al:0.012%、Se:3ppm、S:14ppm、O:10ppm和N:9ppm,其余实质上为Fe的组成的扁钢坯。该扁钢坯在1100℃加热20分钟,通过热轧轧成3.0mm的热轧板。在表2所示的均热温度,对该热轧板进行30秒的热轧板退火后,在150℃进行冷轧,轧成0.35mm的最终板厚。在氢:75体积%、氮:25体积%、露点:20℃的气氛中,在930℃,对该冷轧板实施10秒的再结晶退火,使C降低至10ppm。该退火板在(50%N2+50%Ar)的混合气氛中进行以50℃/h的加热速度加热至750℃、以表2所示的各种加热速度从750℃或以上加热至950℃,然后在950℃保持30小时的成品退火。在该成品退火板上涂布混合重铬酸铝、乳液树脂、乙二醇形成的涂布液,在300℃进行烘烤,作为制品板。
在L方向、C方向测定这样得到的制品板的磁通密度B50。另外,将制品板进行冲裁加工,制作EI铁心,测定其铁损。使用劳厄X射线衍射法,在100mm×280mm范围测定制品板的结晶取向。从结晶取向测定结果求出立方取向和高斯取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率。在表2中同时表示所得到的结果。
按照表2可知,No.1~6得到极优良的EI铁心铁损。No.1~6的轧制方向(L方向)和垂直于轧制方向(C方向)的磁通密度B50同时是B50≥1.70T,而且磁通密度的比B50(L)/B50(C)满足1.005或以上、1.100或以下。另外,在No.1~6中,自立方取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率满足50%或以上、80%或以下,而且自高斯取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率满足6%或以上、20%或以下。
实施例2
采用连续铸造制造含有C:0.022%、Si:3.3%、Mn:0.52%、Al:0.0050%、Se:5ppm、S:5ppm、O:15ppm和N:10ppm,其余实质上为Fe的组成的扁钢坯。该扁钢坯在1200℃加热20分钟,通过热轧轧成3.2mm的热轧板。该热轧板在1050℃,进行20秒的热轧板退火。该热轧退火板在常温进行冷轧,轧成1.5mm的中间厚度,然后在1000℃进行30秒的中间退火,接着以常温的冷轧轧成0.28mm的最终板厚。该冷轧板在氢:75体积%、氮:25体积%、露点:40℃的气氛中,在850℃进行均热30秒的再结晶退火,使C降低至10ppm。该再结晶退火板在氩气氛中,以70℃/h加热至750℃、以10℃/h从750℃加热至820℃、在820℃保持100小时的成品退火。在该成品退火板上涂布混合重铬酸铝、乳液树脂、乙二醇形成的涂布液,在300℃进行烘烤,作为制品板。对制品板进行和实施例1相同的测定。在表3中示出得到的结果。
如表3所示,按照本发明的方法,能够得到L方向和C方向的磁通密度B50同时是B50≥1.70T、而且B50(L)/B50(C)满足1.005或以上、1.100或以下的、最适合作为EI铁心用材料的电工钢板。
另外,这样的电工钢板形成自立方((100)〔001〕)取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率满足50%或以上80%或以下、而且自高斯((110)〔001〕)取向的位向差是20°以内的晶粒的面积率满足6%或以上20%或以下的织构。
实施例3
表4所示各种成分组成的扁钢坯在1160℃加热后,通过热轧轧成2.8mm厚的热轧板。该热轧板在1100℃进行均热60秒的热轧板退火,在250℃的温度进行冷轧,轧成0.50mm的最终板厚。该冷轧板在氢:75体积%、氮:25体积%、露点:35℃的气氛中,在900℃进行均热20秒的兼顾脱碳的再结晶退火,使钢板中的C减低至20ppm。该再结晶退火板在氮气气氛中,以2.5℃/h升温至750~950℃,在950℃进行成品退火。在该成品退火板上涂布混合磷酸铝、重铬酸钾、硼酸形成的涂布液,在300℃进行烘烤,作为制品板。对该制品板进行和实施例1相同的测定。得到的结果示于表5中。
如表5所示,满足本发明的成分组成范围、而且L方向和C方向的磁通密度及其比B50(L)/B50(C)满足合适范围的No.1~8,在EI铁心中得到良好的铁损。
实施例4
采用连续铸造制造表6所示各种成分组成的扁钢坯。该扁钢坯在1100℃加热20分钟后,通过热轧轧成2.6mm厚的热轧板。该热轧板在1100℃进行60秒的热轧板退火后,通过温轧轧成0.35mm的最终板厚。该轧制板在氮:50体积%、氢:50体积%的气氛中,进行退火温度是900℃的再结晶退火,再进行成品退火,作为制品板。
在L方向和C方向测定这样得到的制品板的磁通密度B50。另外,使用劳厄X射线衍射法,求出和(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率。并且,使用激光多普勒法测定轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩。
将制品板冲裁成直径:150mm的圆环状,在750℃进行2小时的消除应力退火。将该冲裁退火板层叠,制作铁心,测定噪音。以频率50Hz、激磁磁通密度:1.5T将该铁心激磁,使用安装在铁心的正上方100mm的位置的扩音器进行噪音测定。得到的结果一并示于表6中。
正如表6所清楚地表明,使用满足本发明的成分中范围的扁钢坯No.1~4,在合适的再结晶退火条件下制成的制品板,磁性、磁致伸缩特性和噪音特性都优良。
实施例5
采用连续铸造制造含有C:220ppm、Si:3.25重量%、Mn:0.16重量%、Al:80ppm、Se:12ppm、S:11ppm、N:9ppm和O:13ppm,其余基本上为Fe组成的、不含抑制剂的扁钢坯。该扁钢坯在1100℃加热20分钟,通过热轧轧成规定板厚的热轧板。该热轧板在进行热轧板退火,此后通过温轧轧成0.35mm的最终厚度。该轧制板在表7所示的各种条件下进行再结晶退火,在氮气气氛中进行成品退火。这样得到的制品板和实施例4进行相同的调查。得到的结果一并示于表7中。
正如表7所清楚地表明,在退火温度:800~1000℃、气氛中的氮量:5体积%或以上的条件下进行再结晶退火的No.4~6、8~12、14~15的制品板,磁性、磁致伸缩特性、噪音特性都优良。
实施例6
采用连续铸造制造含有Si:3.1重量%、C:0.012重量%、Mn:0.1重量%、Al:0.009重量%、N:10ppm、O:13ppm、S:5ppm和Se:4ppm,其余实质上为Fe组成的扁钢坯。该扁钢坯进行热轧,轧成厚度:2.7mm的热轧板。该热轧板在1140℃进行均热60秒的热轧板退火,再在270℃进行冷轧,轧成0.35mm的最终板厚。最终冷轧前的平均晶粒直径是280μm。该冷轧板在40%H2、60%N2、露点:50℃的气氛中,在920℃进行均热30秒的再结晶退火,使钢中的C降低至0.002重量%。此后,在该再结晶退火板的表面静电涂布以3∶1的比例混合二氧化硅粉末和氧化铝粉末形成的退火分离剂,卷取成板卷状,进行成品退火。以5小时从常温升温至800℃、以25小时从800℃升温至950℃,再在950℃保持36小时后,通过炉冷进行成品退火。此时,使导入炉内的气氛中的水蒸气量进行各种变化,控制在钢板表面形成的氧化物量。将该成品退火板的退火分离剂洗净除去后,一边对钢带施加张力,一边在5%H2-95%N2气氛中,在840℃进行60秒的平坦化退火。在该平坦化退火板表面形成在由重铬酸镁、硼酸构成的无机成分中分散有机树脂的半有机涂层,使涂层的厚度为1.0μm。通过上述的过程,得到由粒径:约20mm的立方取向聚集的二次再结晶晶粒构成的电工钢板。
在L方向和C方向测定这样得到的制品板的磁通密度B50。接着,使用冲裁加工由该钢板制造EI-48型的EI铁心试样,测定1.5T、50Hz时的铁损。在图8中表示所得到的结果和钢板表面的氧密度的关系。如图8所示,在按氧换算量,钢板表面的氧化物量抑制在1.0g/m2或以下的No.1~3中,EI铁心的铁损特性优良,能够抑制加工后的特性劣化。
实施例7
在和实施例6相同地制造、按氧换算量钢板表面的氧化物量是0.4g/m2的立方取向的二次再结晶晶粒构成的钢板上,变化厚度地被覆无机质的涂层。该涂层是在由磷酸铝、铬酸钾、硼酸构成的溶液中混合胶态二氧化硅,在800℃烘烤形成厚度1μm的被膜。在此,如果增加胶态二氧化硅的含量,涂层的热膨胀系数就变小,在钢板上赋予的张力增加。在该钢板上施加0~6MPa的压缩应力,测定磁致伸缩,以磁致伸缩急剧增加时的压缩应力作为对钢板施加的张力。
在表9中示出在钢板的L、C方向测定的磁通密度B50、使用爱泼斯坦铁损试验测定的沿L方向、C方向以1.5T、50Hz进行激磁时的铁损结果。
正如表9所清楚地表明,如果对钢板赋予的张力超过5Mpa,C方向的铁损大幅度地劣化,这是不佳的。与此相对,所赋予的张力大小如果是5MPa或以下,特别是3MPa或以下,C方向的铁损劣化就变得极小,得到良好的铁损特性。
不添加胶态二氧化硅、在350℃烘烤的涂层或在实施例6中使用的半有机涂层,对钢板几乎不赋予张力。因此,涂层被覆后的铁损也得到L方向平均:1.22W/kg,C方向平均:1.45W/kg的良好结果。
实施例8
对表10所示成分组成构成的扁钢坯,将条件进行各种变化,进行热轧、热轧板退火、冷轧、再结晶退火和成品退火,制成0.35mm厚的电工钢板。该成品退火板进行平坦化退火和绝缘涂层被覆处理。
使用爱泼斯坦铁损试验评价这些试样在1.5T、50Hz交流电流激磁时的铁损。铁损测定使用沿L方向和C方向切取的爱泼斯坦铁损试样各一半。在从同一成分钢的各种制造条件得到的试样中,铁损最低的测定结果示于表10中。另外,在相同制造条件的试样的L方向和C方向测定的磁通密度B50也示于表10中。
如表10所示,满足本发明的成分组成范围的No.1~5都得到良好的铁损。与此相对,C、Mn、Al、S、Se、O、N的任一个脱离合适范围者,铁损都增大,作为铁心材料都是不合适的。
实施例9
以表10的No.1成分作为基本成分,对仅变更Al含量的钢的二次再结晶开始温度进行了调查。从进行到再结晶退火之前的钢板上切取长:400mm、宽:50mm的试样装入有800~1200℃的温度差的电炉,并保持50小时。保持后,进行宏观组织腐蚀,通过比较与有无二次再结晶对应的温度,评价二次再结晶开始温度。得到的结果示于表11中。
如表11所示,通过使Al达到0.02重量%或以下,引起二次再结晶。尤其,在Al含量不到0.01重量%时,二次再结晶开始温度变低,在更低的温度的成品退火成为可能。因此,将Al含量规定为不到0.01重量%,对减低在钢板表面生成的氧化物量是极有利的。
在实施例1~3中,说明了作为本发明的电工钢板的用途,制造EI铁心的情况,但本发明的用途不一定仅限于像EI铁心这样的小型变压器。
本发明的电工钢板,轧制方向和垂直于轧制方向的磁性比无取向电工钢板格外优良,因此即使在通常的马达中使用,也能够得到高的效率。
再者,本发明钢,与按照以往技术制造的双取向电工钢板相比,作为原材料不使用抑制剂,并且作为制造过程不需要实施横向轧制。因此,本发明钢的磁性虽然比以往的双取向电工钢板稍差,但具有能够以低成本进行大量生产的优点。
按照本发明得到的电工钢板,和以往的单取向电工钢板或双取向电工钢板相比,磁性的各向异性小。因此,作为铁心内部的磁通的方向变化大的小型马达或发电用的铁心材料是最合适的。
进而,通过不仅提高轧制方向而且提高垂直于轧制方向的磁致伸缩特性,能够得到噪音特性优良的电工钢板。或者通过按氧量换算将铁基体表面的氧化物量抑制在1.0g/m2或以下,能够得到由加工引起的特性劣化小的电工钢板。
表1
No. | 退火温度(℃) | 氮的比例(体积%) |
轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩之和λp-p(×10-6) |
与(100)〔001〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率(%) |
1 |
800 |
25 |
7.9 |
43.1 |
2 |
800 |
100 |
7.5 |
32.7 |
3 |
850 |
50 |
6.8 |
46.8 |
4 |
850 |
100 |
7.0 |
39.5 |
5 |
900 |
5 |
6.8 |
50.1 |
6 |
900 |
50 |
5.2 |
68.2 |
7 |
900 |
80 |
6.1 |
65.3 |
8 |
900 |
100 |
5.9 |
60.2 |
9 |
950 |
50 |
5.8 |
62.4 |
10 |
950 |
100 |
6.3 |
58.5 |
11 |
1000 |
50 |
7.2 |
53.1 |
12 |
1000 |
100 |
7.5 |
35.4 |
表2
No. |
热轧薄钢板的退火温度(℃) |
最终成品退火的加热速度(℃/h) |
在L方向的磁通密度:B50(T) |
在C方向的磁通密度:B50(T) |
磁通密度的比:B50(L)/B50(C) |
立方晶粒的面积率(%) |
高斯晶粒的面积率(%) |
EI铁心的铁损:W15/50(W/kg) | 备注 |
1 |
975 |
10 |
1.903 |
1.878 |
1.013 |
71 |
13 |
1.85 |
本发明例 |
2 |
1075 |
10 |
1.923 |
1.874 |
1.026 |
75 |
11 |
1.82 |
本发明例 |
3 |
1125 |
10 |
1.914 |
1.854 |
1.032 |
72 |
9 |
1.86 |
本发明例 |
4 |
1175 |
10 |
1.923 |
1.874 |
1.026 |
75 |
11 |
1.82 |
本发明例 |
5 |
1100 |
2.5 |
1.933 |
1.904 |
1.015 |
77 |
15 |
1.78 |
本发明例 |
6 |
1100 |
15 |
1.893 |
1.871 |
1.012 |
68 |
11 |
1.87 |
本发明例 |
7 |
700 |
5 |
1.863 |
1.612 |
1.156 |
25 |
45 |
2.45 |
比较例 |
8 |
1250 |
5 |
1.833 |
1.674 |
1.094 |
35 |
3 |
2.32 |
比较例 |
9 |
1100 |
50 |
1.883 |
1.685 |
1.117 |
22 |
41 |
2.30 |
比较例 |
表3
在L方向的磁通密度:B50(T) |
在C方向的磁通密度:B50(T) |
磁通密度的比:B50(L)/B50(C) |
立方晶粒的面积率(%) |
高斯晶粒的面积率(%) |
EI铁心的铁损:W15/50(W/kg) | 备注 |
1.913 |
1.870 |
1.023 |
75 |
11 |
1.95 |
本发明例 |
表4
No. |
C(重量%) |
Si(重量%) |
Mn(重量%) |
Ni(重量%) |
Sn(重量%) |
Sb(重量%) |
Cu(重量%) |
Mo(重量%) |
Cr(重量%) |
O(ppm) |
N(ppm) |
Al(ppm) |
Se(ppm) |
S(ppm) |
1 |
0.043 |
3.35 |
0.15 |
0.50 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
13 |
8 |
50 |
5 |
15 |
2 |
0.028 |
3.20 |
0.11 |
0.25 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
15 |
14 |
90 |
3 |
9 |
3 |
0.011 |
3.24 |
0.10 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
11 |
12 |
160 |
4 |
7 |
4 |
0.053 |
3.43 |
0.35 |
痕量 |
0.10 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
11 |
13 |
70 |
3 |
23 |
5 |
0.005 |
3.15 |
0.03 |
痕量 |
痕量 |
0.03 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
10 |
10 |
20 |
2 |
8 |
6 |
0.032 |
3.25 |
0.50 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
0.20 |
痕量 |
痕量 |
18 |
18 |
30 |
5 |
19 |
7 |
0.040 |
3.59 |
0.35 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
0.05 |
痕量 |
11 |
7 |
90 |
6 |
16 |
8 |
0.063 |
3.30 |
0.05 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
0.30 |
9 |
17 |
40 |
17 |
15 |
9 |
0.001 |
3.30 |
0.21 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
10 |
21 |
150 |
3 |
14 |
10 |
0.150 |
3.10 |
0.34 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
17 |
11 |
50 |
5 |
9 |
11 |
0.025 |
3.35 |
3.05 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
15 |
22 |
20 |
3 |
16 |
12 |
0.040 |
3.33 |
0.12 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
10 |
10 |
340 |
3 |
11 |
13 |
0.033 |
3.20 |
0.19 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
60 |
14 |
20 |
5 |
10 |
14 |
0.015 |
3.39 |
0.14 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
15 |
65 |
30 |
4 |
9 |
15 |
0.035 |
3.40 |
0.15 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
8 |
10 |
40 |
90 |
8 |
16 |
0.050 |
3.20 |
0.22 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
痕量 |
6 |
13 |
50 |
4 |
110 |
表5
No. |
在L方向的磁通密度:B50(L)(T) |
在C方向的磁通密度:B50(C)(T) |
磁通密度的比:B50(L)/B50(C) |
立方晶粒的面积率(%) |
高斯晶粒的面积率(%) |
EI铁心的铁损:W15/50(W/kg) | 备注 |
1 |
1.907 |
1.845 |
1.034 |
70 |
10 |
1.50 |
本发明例 |
2 |
1.902 |
1.9871 |
1.017 |
76 |
14 |
1.44 |
本发明例 |
3 |
1.886 |
1.854 |
1.017 |
65 |
8 |
1.56 |
本发明例 |
4 |
1.856 |
1.833 |
1.013 |
63 |
11 |
1.45 |
本发明例 |
5 |
1.900 |
1.883 |
1.009 |
77 |
7 |
1.50 |
本发明例 |
6 |
1.878 |
1.848 |
1.016 |
66 |
13 |
1.48 |
本发明例 |
7 |
1.865 |
1.824 |
1.022 |
65 |
8 |
1.52 |
本发明例 |
8 |
1.858 |
1.828 |
1.016 |
55 |
10 |
1.48 |
本发明例 |
9 |
1.802 |
1.632 |
1.105 |
33 |
18 |
2.33 |
比较例 |
10 |
1.788 |
1.603 |
1.154 |
23 |
10 |
2.45 |
比较例 |
11 |
1.698 |
1.655 |
1.026 |
33 |
5 |
2.41 |
比较例 |
12 |
1.733 |
1.654 |
1.048 |
(二次再结晶缺陷) |
2.75 |
比较例 |
13 |
1.666 |
1.604 |
1.039 |
(二次再结晶缺陷) |
2.85 |
比较例 |
14 |
1.709 |
1.601 |
1.067 |
(二次再结晶缺陷) |
2.75 |
比较例 |
15 |
1.701 |
1.621 |
1.049 |
(二次再结晶缺陷) |
2.83 |
比较例 |
16 |
1.698 |
1.631 |
1.041 |
(二次再结晶缺陷) |
2.80 |
比较例 |
表6
No. | C(重量%) | Si(重量%) | Mn(重量%) | Al(Ppm) | Se(ppm) | S(ppm) | O(ppm) | N(ppm) | B50(L)(T) | B50(C)(T) | B50(L)/B50(C) |
与(100)〔01〕取向的位向差是15°以内的晶粒的面积率(%) |
轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩的和(λp-p:×10-6) |
噪音(分贝) |
1 |
0.023 |
3.14 |
0.15 |
80 |
11 |
11 |
20 |
7 |
1.91 |
1.83 |
1.044 |
51.5 |
7.5 |
38.4 |
2 |
0.032 |
3.21 |
0.55 |
20 |
8 |
12 |
17 |
9 |
1.90 |
1.82 |
1.044 |
64.0 |
7.0 |
35.6 |
3 |
0.024 |
3.29 |
0.10 |
60 |
11 |
8 |
13 |
18 |
1.90 |
1.81 |
1.050 |
48.7 |
7.7 |
37.7 |
4 |
0.018 |
3.10 |
0.30 |
130 |
12 |
7 |
11 |
12 |
1.91 |
1.84 |
1.038 |
65.8 |
5.0 |
33.9 |
5 |
0.120 |
3.30 |
0.03 |
110 |
8 |
12 |
13 |
12 |
1.92 |
1.59 |
1.208 |
8.3 |
10.4 |
52.1 |
6 |
0.010 |
3.25 |
0.12 |
500 |
5 |
7 |
12 |
10 |
1.92 |
1.63 |
1.178 |
16.4 |
12.4 |
46.1 |
7 |
0.019 |
3.22 |
0.20 |
20 |
130 |
10 |
9 |
11 |
1.94 |
1.58 |
1.228 |
3.5 |
13.8 |
55.0 |
8 |
0.022 |
3.21 |
0.09 |
30 |
9 |
65 |
15 |
14 |
1.93 |
1.60 |
1.206 |
6.7 |
15.6 |
53.2 |
9 |
0.030 |
3.19 |
0.10 |
20 |
10 |
5 |
55 |
14 |
1.92 |
1.61 |
1.193 |
12.1 |
13.8 |
51.6 |
10 |
0.022 |
3.24 |
0.28 |
90 |
7 |
11 |
15 |
78 |
1.91 |
1.63 |
1.172 |
13.5 |
10.4. |
47.6 |
表7
No. |
退火温度(℃) |
氮的比例(体积%) |
B50(L)(T) |
B50(C)(T) |
B50(L)/B50(C) |
立方取向的晶粒面积率(%) |
轧制方向和垂直于轧制方向的磁致伸缩的和λp-p(×10-6) |
噪音(分贝) |
1 |
700 |
50 |
1.79 |
1.73 |
1.035 |
3.6 |
15.6 |
51.7 |
2 |
750 |
50 |
1.82 |
1.76 |
1.034 |
9.1 |
13.8 |
52.4 |
3 |
800 |
0 |
1.83 |
1.75 |
1.046 |
5.2 |
12.9 |
48.6 |
4 |
800 |
50 |
1.91 |
1.82 |
1.049 |
45.6 |
7.7 |
39.7 |
5 |
800 |
80 |
1.91 |
1.81 |
1.055 |
47.2 |
6.8 |
37.6 |
6 |
850 |
50 |
1.92 |
1.85 |
1.038 |
60.3 |
6.5 |
36.9 |
7 |
900 |
0 |
1.78 |
1.73 |
1.029 |
7.5 |
9.0 |
46.2 |
8 |
900 |
25 |
1.92 |
1.86 |
1.032 |
52.3 |
7.1 |
38.1 |
9 |
900 |
50 |
1.93 |
1.87 |
1.032 |
68.4 |
5.0 |
34.5 |
10 |
900 |
80 |
1.93 |
1.87 |
1.032 |
61.2 |
6.2 |
36.0 |
11 |
900 |
100 |
1.93 |
1.88 |
1.027 |
62.3 |
7.1 |
34.0 |
12 |
950 |
50 |
1.92 |
1.84 |
1.043 |
65.6 |
6.8 |
37.7 |
13 |
1000 |
0 |
1.84 |
1.76 |
1.045 |
12.3 |
11.1 |
47.3 |
14 |
1000 |
50 |
1.90 |
1.82 |
1.044 |
69.6 |
7.0 |
38.3 |
15 |
1000 |
80 |
1.90 |
1.81 |
1.050 |
62.7 |
6.9 |
36.7 |
16 |
1050 |
50 |
1.79 |
1.72 |
1.041 |
21.3 |
14.4 |
52.1 |
表8
No. |
氧化物量(g/m2) |
B50(L)(T) |
B50(C)(T) |
B50(L)/B50(C) |
铁损:W15/50(W/kg) |
1 |
0.1 |
1.92 |
1.83 |
1.049 |
1.85 |
2 |
0.4 |
1.92 |
1.83 |
1.049 |
1.89 |
3 |
1.0 |
1.91 |
1.81 |
1.055 |
1.93 |
4 |
1.3 |
1.90 |
1.80 |
1.056 |
2.22 |
5 |
2.1 |
1.90 |
1.79 |
1.061 |
2.35 |
表9
No. | 张力(MPa) | B50(L)(T) | B50(C)(T) |
B50(L)/B50(C) |
在L方向的铁损:W15/50(W/kg) |
在C方向的铁损:W15/50(W/kg) |
1 |
0.7 |
1.93 |
1.85 |
1.043 |
1.24 |
1.43 |
2 |
1.1 |
1.93 |
1.85 |
1.043 |
1.23 |
1.44 |
3 |
2.2 |
1.94 |
1.85 |
1.049 |
1.20 |
1.46 |
4 |
3.0 |
1.94 |
1.83 |
1.060 |
1.18 |
1.51 |
5 |
3.7 |
1.95 |
1.82 |
1.071 |
1.10 |
1.65 |
6 |
4.8 |
1.95 |
1.80 |
1.083 |
1.00 |
1.81 |
7 |
5.2 |
1.95 |
1.77 |
1.102 |
0.99 |
2.15 |
8 |
6.4 |
1.95 |
1.75 |
1.114 |
0.92 |
2.63 |
表10
No. |
Si(重量%) |
C(重量%) |
Mn(重量%) |
Al(ppm) |
S(ppm) |
Se(ppm) |
O(ppm) |
N(ppm) |
B50(L)(T) |
B50(C)(T) |
B50(L)/B50(C) |
铁损:W15/50(W/kg) |
1 |
3.1 |
0.012 |
0.10 |
0.009 |
5 |
4 |
13 |
10 |
1.92 |
1.83 |
1.049 |
1.35 |
2 |
3.2 |
0.004 |
0.10 |
0.008 |
4 |
4 |
15 |
12 |
1.92 |
1.78 |
1.079 |
1.42 |
3 |
3.2 |
0.075 |
0.09 |
0.007 |
6 |
3 |
14 |
11 |
1.94 |
1.77 |
1.096 |
1.44 |
4 |
3.1 |
0.010 |
0.11 |
0.018 |
3 |
8 |
12 |
10 |
1.92 |
1.82 |
1.055 |
1.49 |
5 |
3.1 |
0.012 |
2.80 |
0.005 |
8 |
6 |
16 |
11 |
1.90 |
1.81 |
1.050 |
1.39 |
6 |
3.2 |
0.090 |
0.10 |
0.009 |
6 |
3 |
12 |
10 |
1.98 |
1.58 |
1.253 |
1.82 |
7 |
3.1 |
0.011 |
3.40 |
0.008 |
6 |
6 |
14 |
11 |
1.77 |
1.73 |
1.023 |
2.53 |
8 |
3.1 |
0.012 |
0.11 |
0.024 |
6 |
6 |
14 |
11 |
1.76 |
1.72 |
1.023 |
2.34 |
9 |
3.2 |
0.012 |
0.10 |
0.009 |
34 |
2 |
14 |
10 |
1.81 |
1.73 |
1.046 |
1.93 |
10 |
3.3 |
0.009 |
0.11 |
0.007 |
7 |
35 |
12 |
15 |
1.75 |
1.69 |
1.036 |
1.89 |
11 |
3.3 |
0.010 |
0.10 |
0.009 |
6 |
4 |
37 |
13 |
1.73 |
1.69 |
1.024 |
1.88 |
12 |
3.1 |
0.014 |
0.10 |
0.007 |
7 |
5 |
12 |
33 |
1.63 |
1.76 |
1.040 |
2.13 |
表11
No. |
Al含量(重量%) |
B50(L)(T) |
B50(C)(T) |
B50(L)/B50(C) |
二次再结晶开始温度(℃) |
1 |
0.002 |
1.92 |
1.83 |
1.049 |
825 |
2 |
0.005 |
1.91 |
1.80 |
1.061 |
835 |
3 |
0.007 |
1.91 |
1.81 |
1.055 |
845 |
4 |
0.009 |
1.93 |
1.82 |
1.060 |
853 |
5 |
0.010 |
1.93 |
1.81 |
1.066 |
925 |
6 |
0.018 |
1.90 |
1.79 |
1.061 |
973 |
7 |
0.024 |
1.79 |
1.71 |
1.047 |
无二次再结晶 |