JP4018790B2

JP4018790B2 - 高周波用無方向性電磁鋼板およびその製造方法

Info

Publication number: JP4018790B2
Application number: JP02886998A
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: 1998-02-10
Filing date: 1998-02-10
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: JPH11229095A

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、特に高周波で用いられる優れた固有抵抗を有するモータコア用素材およびその製造方法を提供する。
【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、高速プリンター用ステッピングモータなどに更なる消費電力の低減が求められている。また、従来のＯＮ−ＯＦＦ制御でなく、インバータ制御による低周波から高周波までの可変速モータが殆どになってきているため、周波数の広い範囲に渡って優れた電磁鋼板が求められるようになってきた。
【０００３】
従来、無方向性電磁鋼板の製造技術としては、高周波鉄損を改善する目的で、Ｓｉ，Ａｌを増加させて電気抵抗（以下、固有抵抗と称す）を増やすこと、また、製品板厚を極力薄くすることが行われてきた。しかしながら、問題点は、多量のＳｉ＋Ａｌ量よる鋼板の脆性であった。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以外に有効な元素も検討されてきたが、実用化はされなかった。
【０００４】
例えば、Ｃｒに着眼した技術がある。年代を追って述べると、米国特許３，６１５，３６７号公報には、９〜２０％Ｃｒ−０．０１〜３％Ｓｉ and/or Ａｌ−Ｆｅによる耐蝕性に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った。Ｔｉは、本発明者らの調査では鉄損、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て、この公報記載の成分系では高周波における鉄損値が十分ではなかった。
【０００５】
また、特公昭３９−２０６４４号公報には、１１．５〜２０％Ｃｒ−１〜６％Ｓｉ and/or ０．５〜５％Ｔｉ−Ｆｅの耐蝕性軟磁性材料が提案されている。しかしながら、この鋼はＡｌを含有しない成分系であるため高周波磁気特性が十分でなく、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｏ等の高価な元素も含むため製造コストがかさむという問題もあった。
【０００６】
Ｃｒの耐蝕性のみに注目した技術としては、特公昭５０−３７１３５号公報に８〜１８％Ｃｒ−０．３〜０．７５％Ｓｉ−Ｆｅが提案されている。また特公昭５１−１６４６号公報では８〜１８％Ｃｒ−０．３〜０．７５％Ｓｉ−Ｆｅ系のステンレス電磁鋼板が提案されている。そして特公昭５６−１５７０５号公報には１〜５．５％Ｃｒ−１〜３．５％Ｓｉ−Ｆｅ系の耐候性電磁鋼板の製造方法が開示されている。しかし、これら上記の３件はいずれもＡｌを含まないため、高周波磁気特性が十分ではなかった。
【０００７】
一方、特公平２−３８６４６号公報における５．５〜１１．５％Ｃｒ−１．５〜３．５％Ｓｉ−０〜１％Ａｌ−Ｆｅ系の高硬度耐蝕性電磁鋼板の製造方法、特開平５−２９５４３７号公報における４〜１３％Ｃｒ−２〜４％Ｓｉ−０〜２％Ａｌ−Ｆｅ系の耐蝕性電磁鋼板の急冷凝固による製造方法、特開平７−２６３２４号公報における同様の４〜１３％Ｃｒ−２〜４％Ｓｉ−０〜２％Ａｌ−Ｆｅ系の急冷凝固による耐蝕性電磁鋼板の製造方法の３件等の発明は、いずれも製品での結晶粒径が大きいため高周波磁気特性が十分ではなかった。
【０００８】
そして、以上に述べた特許のいずれも、耐蝕性の観点から電磁開閉器（マグネットスイッチ）などの特殊用途に限定されており、高周波用途には着眼されることがなかった。
【０００９】
Ｃｒの固有抵抗に注目した技術としては、特開平８−４７２３５号公報記載のものがある。この技術は９％以上の高Ｃｒ系の高電気抵抗を利用したステッピングモータ用素材に関するものである。しかしながら、この素材においてフェライト相を安定化させるのに必須であるとされるＴｉは、我々の調査では鉄損、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て、この公報記載の成分系では高周波における鉄損値が十分ではなかった。
【００１０】
なお、所謂、電熱材料として古くから２０〜２６％Ｃｒ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｆｅ系の固有抵抗が１２０〜１５０μΩ−ｃｍ程度のものが得られることが知られていたようで、例えばＪＩＳＣ２５２０（１９８６）に記載があるが、その電磁鋼板としての鉄損や磁束密度に関して調査されたことはないようである。以上に示した従来技術においてはその殆どの成分系がＣｒ含有量を５．５％以上としており、磁束密度の低下と添加コストが問題であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の点に鑑み、少ないＣｒ量を利用して、優れた高周波鉄損と磁束密度を有する高周波用途に優れた無方向性電磁鋼板を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ ≦０．００５％、Ｃｒ：３．０〜５．５％、
Ｓｉ：０．５〜４％、Ａｌ：０．１〜５％、
Ｍｎ≦３％、Ｐ ≦０．３％、
Ｓ ≦０．００５％、Ｎ ≦０．００５％、
Ｔｉ≦０．００８％、Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、フェライト平均結晶粒径が１０〜１７０μｍであることを特徴とする高周波用無方向性電磁鋼板。
【００１３】
（２）質量％で、
Ｃ ≦０．００５％、Ｃｒ：３．０〜５．５％、
Ｓｉ：０．５〜４％、Ａｌ：０．１〜５％、
Ｍｎ≦３％、Ｐ ≦０．３％、
Ｓ ≦０．００５％、Ｎ ≦０．００５％、
Ｔｉ≦０．００８％、Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる熱延板を焼鈍した後に冷延し、次いで連続焼鈍を行ってフェライト平均結晶粒径を１０〜１７０μｍとすることを特徴とする高周波用無方向性電磁鋼板の製造方法。
【００１４】
本発明のポイントは、以下の３点である。
▲１▼：Ｃｒ含有量、Ａｌ含有量、Ｓｉ含有量と鋼板の固有抵抗値との関係を従来よりも正確に把握したことにより、ＣｒとＡｌ，Ｓｉとを併用して低Ｃｒであっても高い固有抵抗値を備えた成分系を実現したこと。
▲２▼：高Ｃｒ系のステンレス鋼板でよく使用されるＴｉ，Ｓ，Ｎなどは、電磁鋼板としての高周波特性を劣化させるため添加を避けたこと。
▲３▼：Ｃｒを添加しても、従来のＳｉやＡｌ鋼に比べて脆性破壊が起きにくいこと。
【００１５】
以下、▲１▼のＣｒ，Ａｌ，Ｓｉと固有抵抗との関係について詳述する。
重量比で、Ｓｉ≦４％、Ａｌ≦５％、Ｍｎ≦３％、Ｃｒ≦１５％の範囲で、成分を変更した真空溶解インゴットを２１本製造してから熱延を行い、固有抵抗を測定し、重回帰分析を行って、重相関係数０．９８の以下の結果を得た。
ρ( μΩ-cm)=19.3+2.7Cr+14.2Si+11.9Al+0.7Cr ×Al+0.2Cr×Si
【００１６】
即ちＳｉとＡｌとは、従来知られていた通り固有抵抗の改善効果がそれぞれ大きいが、Ｃｒ単独では固有抵抗を向上させる効果が小さい。また、特にＡｌ量との交互作用がＣｒにはあって、Ｃｒ量とＡｌ量との積算値が固有抵抗に大きく寄与することが分かった。なお、Ｓｉ量についても若干ではあるが、Ｃｒ量との積算値が固有抵抗に寄与する。
【００１７】
なお、従来の固有抵抗を与える式は、ＵＳスチールのカタログにあったとされる以下のものであった。
ρ( μΩ-cm)=10.45+6.0C+11.6Si+13.2Al+4.5Mn+13.7P+10.4S
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
まず、本発明鋼の成分系について説明する。
Ｃ量は０．００５％以下とする。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。
【００１９】
Ｃｒ量は、３．０〜５．５％とする。Ｃｒは前述の如く、単独でも、またＡｌやＳｉとの交互作用によっても固有抵抗を増大させて有効である。３．０％未満では、固有抵抗向上が小さいので、また、５．５％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３．０〜５．５％とする。
【００２０】
Ｓｉ量は０．５〜４％とする。Ｓｉ量は多い方が固有抵抗が増大して鉄損が減少するが、０．５％未満では熱延中や焼鈍中にαγ変態が生じて磁気特性が劣化し、また４％超では、鋼板の生産ラインでの破断等の脆性に問題が生じるので、Ｓｉ量は０．５〜４％とする。
【００２１】
Ａｌ量は０．１〜５％とする。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％未満では鉄損の減少が十分でなく、５％超では脆性に問題が生じるので、Ａｌ量は０．１〜５％とする。
【００２２】
Ｍｎ量は３％以下とする。Ｍｎも固有抵抗を増大させて鉄損を減少させるが、３％を超えると脆性に問題が生じるので３％以下とする。
【００２３】
Ｐ量は０．３％以下とする。Ｐも固有抵抗を増大させて鉄損を減少させるが、０．３％を超えると脆性問題が生じるので０．３％以下とする。
【００２４】
Ｓ量は０．００５％以下とする。Ｓ量が０．００５％を超えるとＭｎＳ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０．００５％以下とする。
【００２５】
Ｎ量は０．００５％以下とする。Ｎ量が０．００５％超では、ブリスターと称されるふくれ状の表面欠陥が生じるためである。
【００２６】
Ｔｉ量は０．００８％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０．００８％である。
【００２７】
Ｎｂ量は０．００８％以下とする。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。
【００２９】
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℃が好ましい。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。
【００３０】
次に、熱間圧延によって得られた熱延板に焼鈍を行う。熱延板の焼鈍をしたほうが、磁束密度が向上して、ヒステリシス損の低減が可能であるため、特に低周波（３００Ｈｚ以下）での鉄損が優れている。熱延板の焼鈍温度は従来の７００〜１２００℃が好ましい。
【００３１】
熱延板焼鈍の前、もしくは後に酸洗を行い、次いで冷延を施す。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。公知のように温度１００〜３００℃での温間圧延することも磁束密度を改善するので好ましい。板厚は、高周波磁気特性改善のため薄いほうが良く、０．１〜０．６mmが好ましい。
【００３２】
冷延後は脱脂して、連続焼鈍に供する。焼鈍の温度は７００℃以上の高温が好ましく、特に結晶粒径を１０〜１７０μｍに制御する必要がある。結晶粒径が１０μｍ未満では鋼板の鉄損が十分に低減できず、結晶粒径が１７０μｍ超では鋼板の磁束密度が劣化するため好ましくない。そしてこのような範囲の結晶粒径を有する結晶組織はフェライト組織である必要がある。変態組織では高周波鉄損が劣化するためである。連続焼鈍の温度条件は成分や時間によって変動するが、例えば均熱２０秒では６５０〜１１５０℃の温度範囲である。また、この連続焼鈍では、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。
【００３３】
以上のような連続焼鈍の後は、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。一方、用いられる製品によっては積層しない無方向性電磁鋼板もあり、そのような場合には鋼板表面ままで出荷される。錆び防止のために防錆油を塗油する場合もある。
【００３４】
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。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
Ｃ量を、０．００１％に固定して、各種成分を変更した鋼塊を真空溶解で作製し、加熱温度を１０００℃として、熱延を行い２．５mm厚の熱延板を得た。その後、１０００℃で３０秒の窒素中焼鈍を行ってから、酸洗し、タンデムで冷延して０．３５mm厚さの冷延鋼板を得た。この冷延鋼板に８５０〜９５０℃×１０秒の連続焼鈍を行って、全ての平均結晶粒径を５０〜６０μｍに揃えて、有機質（エポキシ樹脂）と無機質（水酸化マグネシウムとクロム酸）混合被膜被膜１g/ｍ²を３００℃で焼き付けてから、固有抵抗と高周波磁気特性を測定した。磁性は、エプスタイン装置でＪＩＳＣ２５５０に準じて測定した。結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】

【００３７】
Ｃｒ添加でＡｌ，Ｓｉ量との交互作用効果も手伝って優れた固有抵抗が得られた。また、高周波鉄損と磁束密度は、更に、Ｓｉ，Ａｌ，Ｓ，Ｔｉ，Ｎｂを本発明範囲に制御したもので良好なものを得た。
【００３８】
［実施例２］
実施例１の実験No. ７の５．４％Ｃｒ冷延板を用いて、焼鈍の温度を水素中で変えて結晶粒径を制御した。なお、均熱時間は２０秒とした。次いで、クロム酸とエポキシ樹脂混合被膜を焼き付けして、表２に示す結果を得た。
【００３９】
【表２】

【００４０】
表２に示すように、製品の結晶粒径が本発明範囲で、優れた高周波鉄損と磁束密度が得られた。
【００４１】
【発明の効果】
以上の如く、少ないＣｒ量を利用して、優れた高周波鉄損と磁束密度を有する高周波用途に優れた無方向性電磁鋼板を提供することができた。

Claims

質量％で、
Ｃ ≦０．００５％、
Ｃｒ：３．０〜５．５％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ａｌ：０．１〜５％、
Ｍｎ≦３％、
Ｐ ≦０．３％、
Ｓ ≦０．００５％、
Ｎ ≦０．００５％、
Ｔｉ≦０．００８％、
Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、フェライト平均結晶粒径が１０〜１７０μｍであることを特徴とする高周波用無方向性電磁鋼板。
質量％で、
Ｃ ≦０．００５％、
Ｃｒ：３．０〜５．５％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ａｌ：０．１〜５％、
Ｍｎ≦３％、
Ｐ ≦０．３％、
Ｓ ≦０．００５％、
Ｎ ≦０．００５％、
Ｔｉ≦０．００８％、
Ｎｂ≦０．００８％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる熱延板を焼鈍した後に冷延し、次いで連続焼鈍を行ってフェライト平均結晶粒径を１０〜１７０μｍとすることを特徴とする高周波用無方向性電磁鋼板の製造方法。