JP2819994B2 - 優れた磁気特性を有する電磁鋼板の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大型回転機用の鉄心材
料として優れた磁気特性を有する電磁鋼板の製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発電機や大型モーターのような大型の回
転機用鉄心には、鋼板の圧延方向（Ｌ方向）と圧延直角
方向 (Ｃ方向）の磁気特性のバランスが重要である。一
般には、ハイグレードの無方向性電磁鋼板と方向性電磁
鋼板が使用されている。

【０００３】しかし、無方向性電磁鋼板を用いるとＬ方
向の磁気特性が十分とは言えず、この特性改善が課題と
なっている。一方、方向性電磁鋼板を用いると磁気特性
の異方性が強く、Ｌ方向の磁気特性は優れているがＣ方
向の磁気特性が極端に悪いため、やはり現状では十分に
満足できる磁気特性とはなっていない。加えて、方向性
電磁鋼板の製造には脱炭焼鈍や1200℃前後の高温での仕
上焼鈍が必要であるため、極めてコストが高いものとな
る。

【０００４】以上のような問題を解決するために、いく
つかの提案がなされている。例えば特開平５−9666号公
報には、Ｃ:0.01 ％以下、Si:1.5〜3.0 ％、Mn:1.0〜3.
0 ％、酸可溶性Al:0.003〜0.015 ％を含有する鋼スラブ
から製造された鋼板を用い、二次再結晶のための焼鈍を
窒素含有雰囲気で行うことにより、脱炭焼鈍や1050℃を
超える高温焼鈍を施すことなく低コストで、良好な磁気
特性を有する方向性電磁鋼板を製造する方法が示されて
いる。

【０００５】しかしこの方法は、Ｃ方向の磁気特性が極
端に悪いという方向性電磁鋼板の欠点の解消を目的とす
るものではない。

【０００６】特開平５−70833 号公報には、スラブ加熱
温度1150〜1250℃で熱間圧延を行い、次いで中間焼鈍を
含む１〜２回の冷間圧延を行った後、脱炭焼鈍を施し、
その後必要に応じて 0.5〜5.0 ％の圧下率で冷間圧延を
施した後、連続焼鈍を行う磁気特性の異方性のバランス
に優れた電磁鋼板の製造方法が示されている。

【０００７】しかしこの場合も、一般の方向性電磁鋼板
に比べると異方性は減少しているが、鉄損のＣ／Ｌ（Ｃ
方向の鉄損Ｗ_15/50 をＬ方向のそれで割った値）が２倍
を超えるレベルにあり、異方性の改善が十分に行われて
いるとは言えない。しかも、この方法では脱炭焼鈍や場
合により２〜３回の冷間圧延が必要であり、十分なコス
ト低減効果がない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、鉄損
のＣ／Ｌが2.0 以下で極度の異方性がなく、しかもＬ方
向とＣ方向の鉄損がともに低いレベルにある、回転機用
の鉄心材料として優れた磁気特性を有する電磁鋼板を低
コストで製造する方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は次の製造
方法にある。

【００１０】重量％で、Ｃ:0.010％以下、Si:2.5〜4.0
％、Mn:2.0〜4.0 ％、Ｓ: 0.01％以下、酸可溶性Al:0.0
03％未満、Ｎ:0.001〜0.010 ％を含有し、残部はFeおよ
び不可避的不純物からなる鋼スラブを、下記〜の工
程で処理することを特徴とする、鉄損が低く圧延方向と
圧延直角方向の磁気特性のバランスに優れた電磁鋼板の
製造方法。

【００１１】 熱間圧延を行う工程 熱間圧延のまま、または熱間圧延後に焼鈍してから、
冷間圧延を行う工程 連続焼鈍により一次再結晶を起こさせる工程 N₂含有雰囲気中で 800〜950 ℃の温度域に４〜100 時
間保持し、二次再結晶を起こさせる工程 H₂雰囲気中で 800〜1000℃の温度域に４〜100 時間保
持し、純化する工程 本発明が狙いとする適度の磁気特性の異方性は、焼鈍時
の二次再結晶により形成された集合組織の影響によるも
のである。この二次再結晶は、一般にインヒビターと呼
ばれる析出物により、結晶粒の成長が抑制された状況下
で、ミラー指数の｛１１０｝＜００１＞で表示されるゴ
ス方位の結晶粒が選択的に成長する現象である。

【００１２】通常の方向性電磁鋼板においては、析出物
のインヒビター効果が極めて強く、ゴス方位集積度の高
い二次再結晶が発生する。このため、この場合はＬ方向
の磁気特性は著しく良好になるが、Ｃ方向のそれは極端
に劣化する。

【００１３】本発明は次の知見に基づくものである。す
なわち、Si、Mnの各含有量の制御と二次再結晶焼鈍の雰
囲気の制御により、適量のインヒビター析出物（MnSi
N₂）を分散させて比較的弱いインヒビター効果を生じさ
せ、二次再結晶のゴス方位への集積度を適正化すると、
Ｌ方向とＣ方向の磁気特性の比が小さく、かつＬ方向と
Ｃ方向の平均の磁気特性は高水準のものが得られる。

【００１４】

【作用】本発明の方法の対象となる鋼スラブの化学組
成、製造工程および製造条件を前記のように限定した理
由を説明する。以下、％は重量％を意味する。

【００１５】（１）スラブの組成 Ｃ：0.010 ％以下 製品中のＣは鉄損に悪影響を及ぼすため、Ｃ含有量はス
ラブの段階で 0.010％以下、望ましくは0.005 ％以下と
する必要がある。製品段階で残存したＣは炭化物を生成
し、これが磁壁移動の障害物となり、鉄損が増加するか
らである。

【００１６】Si： 2.5〜4.0 ％ Siは磁気特性に大きな影響を与える元素であり、その含
有量が増加するほど鋼板の電気抵抗が上昇して渦電流損
が低下し、結果として鉄損が減少する。しかし、Si含有
量が4.0 ％を超えると加工性が劣化して冷間圧延が困難
となる。一方、2.5 ％未満では鋼板の電気抵抗が低く、
鉄損の低減ができない。よって、Si含有量の範囲は 2.5
〜4.0 ％とした。

【００１７】Mn： 2.0〜4.0 ％ MnはSiと同様に鋼板の電気抵抗を上昇させるのに有効な
元素であるが、Mn含有量が2.0 ％未満ではその効果が小
さい。またMnは、インヒビター析出物であるMnSiN₂を形
成し、二次再結晶焼鈍で、本発明の狙いとする適度の異
方性を有する磁気特性が得られる集合組織の形成に不可
欠な元素である。この作用もMn含有量が2.0 ％以上で顕
著となるので、この面からも2.0 ％以上とした。一方、
Mn含有量が4.0 ％を超えると鋼中に生成するMnSiN₂の分
散状態が不適切になり、良好な磁気特性が得られない。
よって、Mn含有量の範囲は、 2.0〜4.0 ％とした。

【００１８】Ｓ：0.01％以下 ＳはMnと結合してMnS を形成する。本発明では焼鈍時の
集合組織を制御する主要なインヒビター析出物として、
MnSiN₂を用いる。したがって、一般の方向性電磁鋼板の
ようにMnS をインヒビターとして使用しないので、Ｓを
多量に含有させる必要はない。製品段階で多量のMnS 粒
子が鋼中に残存すると鉄損の劣化をもたらす。このた
め、Ｓ含有量は0.01％以下とした。なお、鉄損低減の観
点から望ましいのは0.005 ％以下である。

【００１９】酸可溶性Al（sol.Al）： 0.003％未満 Alを含有させるとMnSiN₂の形成が妨げられ、析出物はAl
N や（Al、Si、Mn）窒化物に変化し、インヒビター効果
が強くなりすぎて二次再結晶時に所望の集合組織が得ら
れない。このようなAlの悪影響はsol.Al含有量として0.
003 ％を超えると顕著となるので、0.003 ％未満とし
た。

【００２０】Ｎ： 0.001〜0.010 ％ Ｎはインヒビター窒化物を形成するために必要な元素で
ある。Ｎ含有量がスラブ段階で0.001 ％未満では窒化物
の析出量が不足し、所望のインヒビター効果が得られな
い。一方、0.010 ％を超えるとその効果は飽和する。よ
って、スラブ段階でのＮ含有量の範囲は 0.001〜0.010
％とした。

【００２１】（２）製造工程および製造条件 素材の鋼スラブは上記の組成を持つものである。これは
転炉、電気炉などで溶製し、必要があれば真空脱ガスな
どの処理を施した溶鋼を、連続鋳造でスラブとしたも
の、またはインゴットにして分塊圧延しスラブとしたも
ののいずれでもよい。

【００２２】(a)第の工程（熱間圧延） 熱間圧延の条件については特に制約はないが、望ましい
のは、加熱温度1100〜1270℃、仕上温度 700〜950 ℃で
ある。

【００２３】(b)第の工程（熱延板焼鈍、冷間圧延） 熱延板は、所定の製品板厚まで冷間圧延する。このと
き、冷間圧延開始前に焼鈍（いわゆる熱延板焼鈍）を行
ってもよい。この熱延板焼鈍は、析出物の分散状態の適
正化と熱延板の再結晶によるミクロ組織の均質化を促進
し、二次再結晶の発生を安定化するのに有効である。

【００２４】熱延板焼鈍を連続焼鈍で行う場合は 750〜
1100℃で10秒から５分の均熱、箱焼鈍で行う場合は 600
〜850 ℃で30分〜24時間の均熱とするのが望ましい。

【００２５】 (c)第の工程（仕上焼鈍前の連続焼鈍、一次再結晶焼
鈍） 後述する仕上焼鈍で安定した二次再結晶を発生させるた
めには、急速加熱による一次再結晶が必要である。この
ために連続焼鈍が有効であり、焼鈍温度は 700〜1000℃
とするのが望ましい。

【００２６】 (d)第の工程（仕上焼鈍の中の第一の焼鈍、すなわち
二次再結晶焼鈍） 仕上焼鈍は、二次再結晶を目的とする前半の焼鈍（第一
の焼鈍）とその後の析出物の除去（純化）を目的とする
焼鈍（第二の焼鈍）とに分けられる。

【００２７】適度のゴス方位集積度を持つ二次再結晶を
発生させるためには、二次再結晶の発生する温度域でイ
ンヒビター強度を適切に制御することが重要である。

【００２８】二次再結晶焼鈍において、 800〜950 ℃の
温度域で４〜100 時間保持するのは、この温度域で最も
適切なインヒビター強度が得られ、適度にゴス方位へ集
積した二次再結晶が発生するからである。800 ℃未満で
はインヒビターの効果、すなわち粒成長抑制力が強すぎ
て二次再結晶が発生しない。一方、950 ℃を超える温度
域ではインヒビター強度が弱すぎて二次再結晶が発生せ
ず、一次再結晶粒の正常粒の成長が進行するだけであ
る。

【００２９】800〜950 ℃の温度域での保持時間が４時
間未満では、二次再結晶の発生に十分ではない。一方、
100 時間を超える保持は意味がなく、経済的にも不利で
ある。これらの理由で、二次再結晶焼鈍の条件を 800〜
950 ℃の温度域で４〜100 時間保持とした。

【００３０】二次再結晶焼鈍の雰囲気は窒素含有雰囲気
とすることが必要である。窒素含有ガスの場合には、雰
囲気ガスによる鋼板の窒化が生じてMnSiN₂の析出量が増
加し、適正なインヒビター効果が生じ、適度にゴス方位
へ集積した二次再結晶が発生するからである。ところ
が、100 ％H₂雰囲気の場合には、二次再結晶が発生する
800〜950 ℃の温度域で脱窒反応が進行してMnSiN₂が徐
々に減少し、インヒビター効果が弱すぎて二次再結晶が
発生しない。

【００３１】望ましい窒素含有率の範囲はvol.％で５〜
100 ％であり、残部は水素である。窒素含有率がvol.％
で５％未満では窒化反応が十分進行せず、インヒビター
強度が弱くなる場合があるからである。

【００３２】 (e)第の工程（仕上焼鈍の中の第二の焼鈍、すなわち
純化焼鈍） インヒビターである析出物（MnSiN₂）の存在は、二次再
結晶の発生には必須の条件であるが、析出物は磁壁の移
動を阻害するため、磁気特性には有害である。したがっ
て、二次再結晶が完了した後は、純化により析出物を除
去する必要がある。この目的で行う脱窒焼鈍が純化焼鈍
工程である。

【００３３】脱窒反応を進行させるためには、H₂雰囲気
( 工業的な意味での純水素雰囲気 )中で 800〜1000℃の
温度域で４〜100 時間保持する焼鈍が必要である。800
℃未満では脱窒反応が進行せず、一方、1000℃を超える
温度では脱窒効果が飽和し、経済的に不利である。

【００３４】純化焼鈍時間が４時間未満では、十分な脱
窒は行われない。一方、100 時間を超える保持を行って
も、脱窒効果はほとんど飽和するので意味がない。

【００３５】なお、仕上焼鈍の前に焼鈍時の焼付防止の
ために焼鈍分離剤を塗布することは、通常の方向性電磁
鋼板の製造の場合と同じである。仕上焼鈍後の工程とし
てはやはり同様に、焼鈍分離剤を除去した後、必要に応
じて絶縁コーティングを施したり、平坦化焼鈍を行うこ
とになる。

【００３６】

【実施例】（試験１） 転炉で溶製し、真空処理で成分調整した後、連続鋳造し
て得たＣ:0.0032 ％、Si:2.63 ％、Mn:2.12 ％、Ｓ:0.0
05％、sol.Al:0.0008 ％、Ｎ:0.0045 ％を含有し、残部
はFeおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、1220℃
に加熱して仕上温度835 ℃で熱間圧延し、板厚2.3mm に
仕上げた。

【００３７】次に、酸洗により脱スケールしてから、67
0 ℃で10時間均熱の箱焼鈍方式の熱延板焼鈍を行った
後、0.35mmに冷間圧延し、875 ℃で30秒均熱の連続焼鈍
で一次再結晶させた。次いで、焼鈍分離剤を塗布してか
ら、表１に示す条件で仕上焼鈍を行った。

【００３８】

【表１】

【００３９】仕上焼鈍は40℃/hの加熱速度で二次再結晶
焼鈍の均熱温度まで昇温し、二次再結晶焼鈍の均熱完了
後に雰囲気を純化焼鈍条件に切り換えて、40℃/hの加熱
速度で純化焼鈍の均熱温度まで昇温し、純化焼鈍の均熱
完了後、40℃/hの冷却速度で室温まで冷却した。

【００４０】次に、焼鈍分離剤を除去後、850 ℃で30秒
均熱の平坦化のための連続焼鈍を行い、コーティングを
施して製品とした。これらの製品のＬ方向とＣ方向から
エプスタイン試験片を採取した。エプスタイン試験片は
一般のフルプロセス無方向性電磁鋼板と同様に、応力除
去焼きなましを実施せずに磁気測定（鉄損Ｗ_15/50 と磁
束密度Ｂ₅₀の測定）に供した。

【００４１】本発明で定める磁気特性の目標値として、
鉄損のＣ／Ｌ比が 2.0以下、Ｌ方向、Ｃ方向の鉄損Ｗ
_15/50 の平均値が2.3 (W/kg)以下、同じく磁束密度Ｂ₅₀
の平均値が1.70 (T)以上であるものを良好とした。

【００４２】

【表２】

【００４３】本発明で定める条件を満たす試験番号２、
３では、鉄損のＣ／Ｌ比は1.87および1.85と2.0 以下で
あり、またＬ、Ｃ両方向の鉄損の平均値が2.08および2.
02 (W/kg) と小さく、磁束密度の平均値は1.745 および
1.74(T) と大きく、いずれも良好である。

【００４４】これに対し、二次再結晶焼鈍の均熱温度が
本発明で定める範囲外である比較例の試験番号１および
試験番号４、ならびに二次再結晶焼鈍の雰囲気を本発明
で定める範囲外の100 ％H₂とした試験番号５では、Ｌ、
Ｃ両方向の鉄損の平均値は 2.695〜3.03 (W/kg) と大き
く、またＬ、Ｃ両方向の磁束密度の平均値も1.64〜1.66
(T)と小さく、磁気特性に劣る。

【００４５】仕上焼鈍の全工程の雰囲気を窒素含有雰囲
気とした比較例の試験番号６では、純化ができていない
ため鉄損の平均値が2.455 (W/kg)と大きく、磁気特性に
劣る。

【００４６】（試験２） 表３に示す化学組成の４種類の鋼を対象として試験１と
同様の方法で板厚2.3mm の熱延板に仕上げた。これらの
板を860 ℃で１分間均熱する連続焼鈍方式の熱延板焼鈍
を行い、酸洗して脱スケールの後、冷間圧延により板厚
0.35mmとした。

【００４７】

【表３】

【００４８】これらの冷延板を875 ℃で30秒間均熱する
連続焼鈍で一次再結晶させた後、焼鈍分離剤を塗布して
仕上焼鈍を施した。仕上焼鈍は、50％H₂＋50％N₂雰囲気
中で加熱速度40℃/hで二次再結晶焼鈍の均熱温度である
880 ℃まで昇温し、８時間の均熱完了後に雰囲気を100
％H₂に切り換えて、さらに24時間均熱する純化焼鈍を実
施し、その後40℃/hの冷却速度で室温まで冷却した。

【００４９】このようにして得られた鋼板に、焼鈍分離
剤を除去後、800 ℃で30秒間均熱する平坦化のための連
続焼鈍を行い、コーティングを施して製品とした。これ
らの製品のＬ方向とＣ方向からエプスタイン試験片を採
取した。これらの試験片を用いて試験１と同じ方法で磁
気特性を調査した。結果を表４に示す。

【００５０】

【表４】

【００５１】本発明で定める範囲の成分組成を有する試
験番号９は、鉄損のＣ／Ｌ比は1.94と 2.0以下の範囲内
にあり、異方性が良好である。また、Ｌ、Ｃ両方向の鉄
損および磁束密度の平均値は1.97 (W/kg) および1.725
(T)と磁気特性も良好である。これに対し、比較例の試
験番号７は、Mn含有量が0.85％と低いため、Ｌ、Ｃ両方
向の鉄損および磁束密度の平均値は、3.085(W/kg) およ
び1.64 (T)と磁気特性に劣る。また、試験番号８は、Si
含有量が1.42％と低いため、Ｌ、Ｃ両方向の鉄損および
磁束密度の平均値は、3.315(W/kg) および1.655(T)と磁
気特性に劣る。さらに、試験番号10は、sol.Alが0.006
％と高いため、インヒビター効果によるゴス方位の集積
度の高い二次再結晶が発生し、鉄損のＣ／Ｌ比は3.47と
非常に異方性が大きい。

【００５２】（試験３） 転炉で溶製し、真空処理で成分調整した後、連続鋳造し
て得たＣ:0.0045 ％、Si:3.08 ％、Mn:2.56 ％、Ｓ:0.0
03％、sol.Al:0.001％、Ｎ:0.0045 ％を含有し、残部は
Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、1210℃に
加熱して仕上温度845 ℃で熱間圧延し、板厚2.1mm に仕
上げた。

【００５３】次に、酸洗により脱スケールしてから、厚
さ0.50mmに冷間圧延し、875 ℃で30秒間均熱する連続焼
鈍で一次再結晶させた。次いで、焼鈍分離剤を塗布して
から表５に示す条件で仕上焼鈍を行った。

【００５４】

【表５】

【００５５】仕上焼鈍は、雰囲気を15％Ｈ₂ ＋85％Ｎ₂
（試験番号11）および100 ％Ｈ₂ （試験番号12）として
40℃/hの加熱速度で880 ℃まで昇温して16時間の二次再
結晶焼鈍を行い、続いて雰囲気を100 ％H₂に切り換え
て、さらに24時間均熱する純化焼鈍を施し、その後40℃
/hの冷却速度で室温まで冷却した。次に、焼鈍分離剤を
除去後、800 ℃で30秒均熱の平坦化のための連続焼鈍を
行い、コーティングを施して製品とした。これらの製品
を用いて試験１と同じ方法で磁気特性を調査した。これ
らの測定結果を表５に併せて示す。

【００５６】表５から、二次再結晶焼鈍の雰囲気を水素
雰囲気（試験番号12、比較例）から窒素を含む雰囲気
（試験番号11、発明例）とすることにより、Ｌ、Ｃ両方
向の鉄損の平均値は3.355(W/kg) から2.23(W/kg) に小
さくなり、磁束密度の平均値は1.625 (T) から1.71 (T)
に高くなり、磁気特性が改善された。これは、二次再結
晶焼鈍の雰囲気を水素雰囲気とすると、二次再結晶が発
生しないためであると考えられる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の方法によれば、鉄損のＣ／Ｌが
2.0 以下で極度の異方性がなく、しかもＬ方向とＣ方向
の鉄損および磁束密度の平均値がともに低いレベルにあ
る電磁鋼板を低コストで製造することができる。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で、Ｃ:0.010％以下、Si:2.5〜4.0
   ％、Mn:2.0〜4.0 ％、Ｓ: 0.01％以下、酸可溶性Al:0.0
   03％未満、Ｎ:0.001〜0.010 ％を含有し、残部はFeおよ
   び不可避的不純物からなる鋼スラブを、下記〜の工
   程で処理することを特徴とする、鉄損が低く圧延方向と
   圧延直角方向の磁気特性のバランスに優れた電磁鋼板の
   製造方法。 熱間圧延を行う工程 熱間圧延のまま、または熱間圧延後に焼鈍してから、
   冷間圧延を行う工程 連続焼鈍により一次再結晶を起こさせる工程 N₂含有雰囲気中で 800〜950 ℃の温度域に４〜100 時
   間保持し、二次再結晶を起こさせる工程 H₂雰囲気中で 800〜1000℃の温度域に４〜100 時間保
   持し、純化する工程