JP2000256751A

JP2000256751A - 鉄損の低い無方向性電磁鋼板の製造方法

Info

Publication number: JP2000256751A
Application number: JP5536399A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Oda; 善彦尾田; Yasushi Tanaka; 靖田中; Nobuo Yamagami; 伸夫山上
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】鉄損の低い電磁鋼板を低コストで製造する方
法を提供する。【解決手段】重量％で、Ｃ：0.005％以下、Si：4.0％
以下、Mn：0.05〜1.0％、Ｐ：0.1％以下、Ｎ：0.005％
以下（０を含む）、Ｓ：0.0009％以下（０を含む）、A
l：1.0％以下、SbとSnの少なくとも一方を、Sb+Sn/2で
0.001〜0.05％含有し、残部が実質的にFeよりなる鋼
を、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延を経て仕上焼鈍を
施すことにより無方向性電磁鋼板を製造するに際し、前
記熱延板焼鈍を、焼鈍温度を800〜1000℃とし、露点が
−20℃以上20℃以下で窒素分圧20％以上の水素窒素混合
雰囲気中で行うことを特徴とする鉄損の低い無方向電磁
鋼板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機器等に使用
される鉄損の低い無方向性電磁鋼板の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気機器の省エネルギーや小型化
といった観点より、磁束密度が高く鉄損の低い電磁鋼板
が求められている。電磁鋼板は積層して用いられるた
め、その表面性状の管理が重要であり、このような観点
から、 Si+Al量が１〜３％程度の中・高級グレードの無
方向性電磁鋼板においては熱延板焼鈍を施すことが一般
的となっている。この熱延板焼鈍時の雰囲気は、100％
Ｈ₂とすることも可能であるが、大幅なコストアップを
招くため、25％Ｎ₂-75％Ｈ₂雰囲気、さらには合理化の
観点から50％Ｎ₂-50％Ｎ₂雰囲気での焼鈍が行われるよ
うになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな窒素を含有する雰囲気にて熱延板焼鈍を施した中・
高級グレード材においては、仕上げ焼鈍板において表層
窒化が認められ、このために、充分な低鉄損化が図られ
ていないのが現状である。

【０００４】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたものであり、鉄損の低い電磁鋼板を低コスト
で製造する方法を提供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、鋼中の
Ｓ含有量を所定値以下にすると共に、Sb、Snを添加し、
さらに水素窒素混合雰囲気にて行われる熱延板焼鈍時の
露点を制御することにより、熱延板焼鈍時に発生する鋼
板表層部の窒化を抑制し、これにより、鉄損を低減させ
ることである。

【０００６】すなわち、前記課題は、重量％で、Ｃ：0.
005％以下、Si：4.0％以下、Mn：0.05〜1.0％、Ｐ：0.1
％以下、Ｎ：0.005％以下（０を含む）、Ｓ：0.0009％
以下（０を含む）、Al：1.0％以下、SbとSnの少なくと
も一方を、Sb+Sn/2で0.001〜0.05％含有し、残部が実質
的にFeよりなる鋼を、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延
を経て仕上焼鈍を施すことにより無方向性電磁鋼板を製
造するに際し、前記熱延板焼鈍を、焼鈍温度を800〜100
0℃とし、露点が−20℃以上20℃以下で窒素分圧20％以
上の水素窒素混合雰囲気中で行うことを特徴とする鉄損
の低い無方向電磁鋼板の製造方法（請求項１）により解
決される。

【０００７】ここに、「残部が実質的にFeである」と
は、本発明の作用効果をなくさない限り、不可避不純物
をはじめ他の微量元素を含むものが権利範囲に入ること
を意味する。なお、表を含む以下の説明において、鋼の
組成を示す％は全て重量％を意味し、ppmも重量ppmを意
味する。

【０００８】（発明に至る経緯とＳ含有量、熱延板焼鈍
条件、Sb・Sn含有量の限定理由）本発明の内容を実験結
果に基づいて説明する。最初に、鉄損に及ぼすS量の影
響を調査するため、Ｃ：0.0015％、Si：2.85％、Mn：0.
20％、Ｓ：１〜16ppm、Ｐ：0.01％、Al：0.35％、Ｎ：
0.0017％を含有する鋼を実験室にて真空溶解し、熱延
後、酸洗を行った。引き続きこの熱延板に露点−40℃、
50％Ｈ₂−50％Ｎ₂雰囲気中で850℃×３hrの熱延板焼鈍
を施した。その後、板厚0.35mmまで冷間圧延し、25％Ｈ
₂−75％Ｎ₂雰囲気中で900℃×１min間の仕上焼鈍を行っ
た。

【０００９】図１に、このようにして得られたサンプル
の鉄損Ｗ_18/50の関係を×印で示す。ここで、磁束密度
1.8Ｔの鉄損で評価を行った理由は、近年、高効率モー
タ小型化、高トルク化の観点から1.8Ｔ程度の高磁場域
でモータが駆動されるようになっているためである。な
お、磁気測定は25cmエプスタイン法により行った。

【００１０】従来の常識からは、Ｓ＝10ppm以下ではMn
Ｓ低減による粒成長性の向上により、鉄損は大幅に低下
することが予想されたが、本実験の結果、図１に示すよ
うに、鉄損低下割合は小さいことが分かった。

【００１１】本発明者らは、Ｓを10ppm以下とした場合
に鉄損の低減割合が小さいのは、何らかの組織的要因に
よるものでないかと考え、仕上げ焼鈍後のサンプルにつ
いて光学顕微鏡にて組織観察を行った。その結果、Ｓ≧
10ppmの領域では窒化層は軽微であるのに対し、Ｓ＜10p
pmの領域では顕著な窒化層が認められ、さらに本窒化層
が熱延板焼鈍時に主に生じていることも判明した。

【００１２】上記、Ｓ低減に伴う窒化反応促進の原因に
関しては次のように考えられる。すなわち、Ｓは表面お
よび粒界に濃化しやすい元素であることから、Ｓ≧10pp
mの領域では、Ｓが鋼板表面へ濃化し、熱延板焼鈍時の
窒素吸着を抑制しており、一方、Ｓ＜10ppmの領域では
Ｓによる窒素吸着の抑制効果が低下したためと考えられ
る。

【００１３】ここで熱延板焼鈍時の窒化を抑制するため
には焼鈍雰囲気を真空もしくは100％Ｈ₂とすることが効
果的であるが、いずれも大幅なコストアップは避けられ
ない。そこで、本発明者らは25〜50％程度の窒素分圧下
においても良好な特性を達成すべく検討を行った。

【００１４】図１に、前記×印で示したサンプルの成分
に40ppmのSbを添加したサンプルについて同一の条件で
試験をした結果を△印で示す。図１において、各△印に
対応する点のＳ量は、左から順に、１ppm、３ppm、5.5p
pm、7.2ppm、９ppm、10.7ppm、12.6ppm、14.8ppmであ
る。Sbの鉄損低減効果に着目すると、S＞10ppmの領域で
は、Sb添加により鉄損は0.1W/kg程度しか低下しない
が、S＜10ppmの領域では、鉄損の臨界的な低下が認めら
れ始め、Ｓ＝９ppmでほぼ臨界的効果が飽和することが
わかる。この間の鉄損の低下は、0.6Ｗ/kg程度に達す
る。以上のことから本発明ではＳを９ppm以下に限定す
る。

【００１５】次に、本発明者らはＳを９ppm以下とし、S
b添加を行った材料の更なる鉄損低減の可能性について
検討するため、本材料の組織観察を行った。その結果、
Sbフリー鋼に比べ表層窒化は若干軽微となっているもの
の、完全に窒化を抑制するまでには至らないことが判明
した。本発明者らはこれまで極低Ｓ材へのSb添加が効果
的であることを見いだしているが、この窒化抑制効果を
得るためには窒素含有雰囲気での焼鈍前にSbを鋼板表面
に偏析させることが重要と考えている。しかし、本実験
のように熱延板焼鈍前に酸洗を行うプロセスにおいて
は、巻取り時に表面偏析したSbが酸洗除去されるため、
熱延板焼鈍時の窒化抑制を完全に行うことは困難であ
る。

【００１６】ところで、熱延板焼鈍前に酸洗を行わない
と、表層に存在するスケールが熱延板焼鈍時の窒化を促
進するため、大幅に鉄損が増大することとなる。このた
め、熱延→酸洗→熱延板焼鈍の順で行われるプロセスを
前提として、鉄損低減手法について検討を進めた。

【００１７】検討の結果、本発明者らは窒化層が形成さ
れる前に酸化膜を形成させれば、酸化被膜が熱延板焼鈍
時の窒化形成のバリアになるのではないかと考え、熱延
板焼鈍時に積極的に酸化膜を形成させるような高露点で
焼鈍を行うことの有効性に関する実験を行った。

【００１８】まず最初に、Ｃ：0.0026％、Si：2.70％、
Mn：0.20％、Ｐ：0.020％、Al：0.30％、Ｓ：0.0004
％、Ｎ：0.0020％、Sb：40ppmを含有する鋼を実験室に
て真空溶解し、熱延後、酸洗を行った。引き続きこの熱
延板に、露点０℃、窒素分圧を50％(残部水素)とした雰
囲気中で、830℃×３hrの熱延板焼鈍を施した。その
後、板厚0.35mmまで冷間圧延し、25％Ｈ₂-75％Ｎ₂雰囲
気で、900℃×１min間の仕上焼鈍を行った。

【００１９】結果を図１に○で示す。各○印に対応する
点のＳ量は、左から順に、１ppm、3.5ppm、5.5ppm、７p
pm、９ppm、11ppm、13.3ppm、14.9ppmである。これよ
り、露点を０℃とすると、露点が−40℃の場合と比べて
鉄損が大幅に低下することが判明した。この際の熱延板
焼鈍後の組織を詳細に観察すると、露点−40℃の材料に
比べ露点０℃の材料では表層窒化層の程度が大幅に軽減
されていることが明らかとなった。

【００２０】さらに露点の適性範囲を検討するため、
Ｃ：0.0026％、Si：2.75％、Mn：0.20％、Ｐ：0.010
％、Al：0.30％、Ｓ：0.0004％、Ｎ：0.0020％とし、S
b：40ppmとした鋼を実験室にて真空溶解し、熱延後、酸
洗し、窒素分圧を50％(残部水素)とした雰囲気中で、露
点を約−40℃から約＋30℃まで変化させて850℃×３hr
の熱延板焼鈍を行った後、板厚0.35mmまで冷間圧延し、
25％Ｈ₂−75％Ｎ₂雰囲気で900℃×１min間の仕上焼鈍を
行い、鉄損の評価を行った。

【００２１】その結果を図２に示す。図２において、各
データに対応する点の露点は、左から、-42℃、-37℃、
-26℃、-20℃、４℃、23℃、35℃である。これより、露
点が−25℃を超えると、鉄損が臨界的に低下し始め、−
20℃において、臨界性は飽和することが分かる。この際
の鉄損の低下は、0.4Ｗ/kgに達している。

【００２２】ただし、露点が＋20℃をこえると、磁気特
性上は問題がないものの、鋼板表面に酸化物が多く形成
され、ピックアップとよばれる表面性状の不良の要因と
なり易い。以上を勘案して、本発明においては、熱延板
焼鈍時の露点は−20℃以上20℃以下とする。また、熱延
板焼鈍時の窒素分圧が20％未満では、焼鈍時の大幅なコ
ストアップとなるため、窒素分圧を20％以上とする。

【００２３】さらに、熱延板焼鈍温度が800℃未満では
磁束密度が低下するため、下限を800℃とする。一方、1
000℃を超えた場合には熱延板結晶粒径が粗大化し、冷
圧時に板破断が生じやすくなるため上限を1000℃とす
る。

【００２４】次にSbの最適添加量を調査するため、Ｃ：
0.0026％、Si：2.75％、Mn：0.20％、Ｐ：0.010％、A
l：0.30％、Ｓ：0.0004％、Ｎ：0.0020％としSb量をtr.
〜600ppmの範囲で変化させた鋼を実験室にて真空溶解
し、熱延後、酸洗し、熱延板焼鈍をおこなった。ここで
熱延板焼鈍条件は、焼鈍雰囲気：50％Ｈ₂-50％Ｎ₂、温
度：850℃×３hrとした。その後、板厚0.35mmまで冷間
圧延を行い、25％Ｈ₂-75％Ｎ₂雰囲気にて900℃×１min
の仕上焼鈍を行った。図３に、Sb量と鉄損Ｗ_18/50の関
係を示す。図３にて○印に対応する点のSb量はは、左か
ら、０ppm、５ppm、10ppm、28ppm、45ppm、60ppm、84pp
m、96ppm、200ppm、430ppm、600ppmである。

【００２５】図３より、Sb量が５ppmを超えると鉄損が
臨界的に低下し始め、10ppmで臨界的変化が飽和してい
ることが分かる。ここで、Sbフリー材で鉄損が高い原因
は以下のように考えられる。すなわち、Sbフリー材にお
いても高露点の熱延板焼鈍により、熱延板焼鈍時の窒化
は効果的に防止できる。しかし、この熱延板焼鈍時に形
成された酸化膜は冷圧時に欠落もしくはひび割れの発生
等により鋼板表面を完全に覆うことはできなくなる。こ
のため、仕上げ焼鈍時の窒化抑制に対しては効果的でな
い。このため、Sbフリー鋼では仕上焼鈍時に表層窒化が
生じ鉄損が増大することとなる。

【００２６】これに対し、Sb添加鋼では熱延板焼鈍時の
高露点焼鈍により熱延板焼鈍時の窒化が効果的に抑制さ
れ、さらに仕上焼鈍時の窒化を、熱延板焼鈍時に表面偏
析したSbが効果的に抑制することから低鉄損材を得るこ
とが可能となる。以上のように、本発明は単なる熱延板
高露点焼鈍からは予想できない低鉄損材の製造を低コス
トで可能とするものである。

【００２７】図３より、Sbをさらに添加し、Sb＞50ppm
となった場合には、鉄損は再び増大することもわかる。
このSb＞50ppmの領域での鉄損増大原因を調査するた
め、光学顕微鏡による組織観察を行った。その結果、表
層細粒組織は認められなかったものの、平均結晶粒径が
若干小さくなっていた。この原因は明確ではないが、Sb
が粒界に偏析しやすい元素であるため、Sbの粒界ドラッ
グ効果により粒成長性が低下したものと考えられる。

【００２８】但し、Sbを600ppmまで添加してもSbフリー
鋼と比べると鉄損は良好である。以上のことより、本発
明においては、Sb含有量はは10ppm以上とし、コストの
問題から上限を500ppmとする。また鉄損の観点より、10
ppm以上、50ppm以下とすることが望ましい。

【００２９】以上の鉄損低減効果はSbと同様な表面偏析
型元素であるSnを20ppm以上添加した場合にも認めら
れ、100ppm以上の添加で鉄損が若干増大した。このこと
よりｍ本発明においては、Sn含有量は20ppm以上とし、
コストの問題から上限を1000ppmとする。また鉄損の観
点より、20ppm以上、100ppm以下とすることが望まし
い。

【００３０】さらに、SbとSnを複合添加した場合にもSb
+Sn/2で10ppm以上添加した場合に鉄損が低下し、Sb+Sn/
2で50ppm以上添加した場合に若干の鉄損増大が認められ
た。このことよりSbとSnを複合添加した場合にはSb+Sn/
2で10ppm以上とし、コストの問題から上限を500ppmとす
る。また鉄損の観点より、10ppm以上、50ppm以下とする
ことが望ましい。

【００３１】（その他の成分の限定理由）次に、成分の
限定理由について説明する。Ｃ：Ｃは磁気時効の問題があるため0.005％以下とす
る。 Si： Siは鋼板の固有抵抗を上げるために有効な元素で
あるが、4.0％を超えると飽和磁束密度の低下に伴い磁
束密度が低下するため上限を4.0％とする。 Mn： Mnは熱間圧延時の赤熱脆性を防止するために、0.
05％以上必要であるが、1.0％以上になると磁束密度を
低下させるので0.05〜1.0％とする。Ｐ：Ｐは鋼板の打ち抜き性を改善するために必要な元
素であるが、0.1％を超えて含有させると鋼板が脆化す
るため0.1％以下とする。Ｎ：Ｎは、含有量が多い場合にはAlＮの析出量が多く
なり、AlＮが粗大となった場合においても粒成長性が低
下し鉄損を増大させるため0.005％以下とする。 Al： Alは微量に添加すると微細なAlＮを生成し磁気特
性を劣化させるものの、1.0％以上になると磁束密度を
低下させるため上限は1.0％以下とする。

【００３２】（製造方法）本発明においては、熱延板焼
鈍以外の製造プロセスは通常の無方向性電磁鋼板を製造
する方法でかまわない。すなわち、転炉で吹練した溶鋼
を脱ガス処理し所定の成分に調整し、引き続き鋳造、熱
間圧延を行う。熱間圧延時の仕上焼鈍温度、巻取り温度
は特に規定する必要はなく、通常、無方向性電磁鋼板を
製造するときに適用される温度範囲でかまわない。ま
た、熱延後の熱延板焼鈍後、１回の冷間圧延、もしくは
中間焼鈍をはさんだ２回以上の冷間圧延により所定の板
厚とした後に、最終焼鈍を行う。

【００３３】

【実施例】表１に示す鋼を用い、転炉で吹練した後に脱
ガス処理を行うことにより所定の成分に調整後鋳造し、
スラブを1160℃で１hr加熱した後、板厚2.0mmまで熱間
圧延を行った。熱延仕上げ温度は800℃、巻取り温度は6
10℃とし、酸洗後、表２に示す条件で熱延板焼鈍を施し
た。その後、板厚0.35mmまで冷間圧延を行い、表２に示
す仕上焼鈍条件で焼鈍を行った。表１と表２のNo.は対
応しており、表１のNo.に対応する鋼に、表２における
同じNo.の熱延板焼鈍等を行い、結果を得たことを示す
ものである。

【００３４】磁気測定は25cmエプスタイン試験片を用い
て行った。各鋼板の磁気特性を表１に併せて示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】これより、鋼の成分を本発明の範囲とし、
熱延板焼鈍の雰囲気を本発明の範囲に制御したNo.１〜N
o.15の場合に、仕上焼鈍後の鉄損の低い鋼板が得られる
ことがわかる。

【００３８】これに対し、No.16の鋼板は、ＳとSb+Sn量
が本発明の範囲を外れており、No.17の鋼板は、さらに
露点も本発明の範囲を外れているので、鉄損Ｗ_18/50が
高くなっている。また、No.18の鋼板は、Sb+Sn量が本発
明の範囲を外れており、No.19の鋼板は、さらに露点も
本発明の範囲を外れているので、鉄損Ｗ_18/50が高くな
っている。

【００３９】No.20の鋼板は、成分値は本発明の範囲に
入っているので、前記No.16〜No.19の鋼板に対しては鉄
損Ｗ_18/50が低いが、露点が本発明の範囲より低いの
で、本発明法によって製造された鋼に比しては、鉄損Ｗ
_18/50が高くなっている。

【００４０】No.21の鋼板は、成分値は本発明の範囲に
入っているので、前記No.16〜No.19の鋼板に対しては鉄
損Ｗ_18/50が低いが、熱延板焼鈍温度が本発明の範囲よ
り低いので、やはり、本発明法によって製造された鋼に
比しては、鉄損Ｗ_18/50が高くなっている。

【００４１】No.22の鋼板は、Ｃ含有量が本発明の範囲
より高いので、鉄損Ｗ_18/50が、本発明法によって製造
された鋼に比して高い他、磁気時効の問題を有してい
る。No.23の鋼板は、Ｎ含有量が本発明の範囲より高い
ので、鉄損Ｗ_18/50が、本発明法によって製造された鋼
に対して比して、高くなっている。No.24の鋼板は、Si
含有量が本発明の範囲より高く、No.25の鋼板は、Al含
有量が本発明の範囲より高く、No.25の鋼板は、Al含有
量が本発明の範囲より高いので、いずれも、鉄損Ｗ
_18/50は低いものの、磁束密度Ｂ₅₀が、本発明法によっ
て製造された鋼に対して比して、低くなっている。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、Ｓ含有量をＳ：0.0009％以下（０を含む）、Sb+Sn/
2を0.001〜0.05％とする他、所定の成分を所定の範囲と
した鋼を、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延をへて仕上
焼鈍を施す無方向性電磁鋼板を製造するに際して、前記
熱延板焼鈍を、焼鈍温度を800〜1000℃とし、露点が−2
0℃以上20℃以下で窒素分圧20％以上の水素窒素混合雰
囲気中で行っているので、特に鉄損の低い無方向電磁鋼
板を、安価に得ることが可能となる。

【００４３】この鋼板は、電気材料等の鉄損の低い性質
が要求される用途に広く使用するのに好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】鋼中Ｓ量と鉄損との関係を示す図である。

【図２】熱延板焼鈍時の露点と仕上焼鈍後の鉄損の関係
を示す図である。

【図３】鋼中Sb量と鉄損との関係を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山上伸夫東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 4K033 AA01 CA02 CA03 CA08 CA09 FA01 FA03 FA10 FA12 HA01 JA07 KA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Ｃ：0.005％以下、Si：4.0％
以下、Mn：0.05〜1.0％、Ｐ：0.1％以下、Ｎ：0.005％
以下（０を含む）、Ｓ：0.0009％以下（０を含む）、A
l：1.0％以下、SbとSnの少なくとも一方を、Sb+Sn/2で
0.001〜0.05％含有し、残部が実質的にFeよりなる鋼
を、熱間圧延、熱延板焼鈍、冷間圧延を経て仕上焼鈍を
施すことにより無方向性電磁鋼板を製造するに際し、前
記熱延板焼鈍を、焼鈍温度を800〜1000℃とし、露点が
−20℃以上20℃以下で窒素分圧20％以上の水素窒素混合
雰囲気中で行うことを特徴とする鉄損の低い無方向電磁
鋼板の製造方法。