JP4276391B2

JP4276391B2 - 高級無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP4276391B2
Application number: JP2001201496A
Authority: JP
Inventors: 憲人阿部; 浩明佐藤; 定信廣神
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: JP2003013190A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄リサイクルを可能にする成分系を前提として、鉄損の優れた高級無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
地球資源が枯渇するかも知れないとの近未来的な状況の中で、いろいろな分野で資源の再利用の動きが急である。このため、鉄鋼業でも各種の鉄スクラップ−例えば、自動車、洗濯機、エアコンなど−を製鉄原料として利用する必要が生じてきている。このためには、従来、有害とされてきたＣｕ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｓｎなどを積極的に利用する必要性が生じている。
周知の如く、無方向性電磁鋼板には１００年の歴史があるが、そこで払われてきた工業的な努力は、ＳｉとＡｌ以外の不純物とされるＣ，Ｓ，Ｎ，Ｔｉ，Ｎｂなどを如何に低減するかの歴史に尽きると言っても過言ではない。このため、鉄リサイクルで増加するＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒなども、特に高級品には必要ないものとして長い間考えられてきた。
【０００３】
一方で、同じ地球資源問題から、エネルギーの無駄づかいをなくそうとの動きも強まっている。モータの分野でも、例えば、一般家庭用のエアコンに見られるように、消費電力低下による電気代が安いものが求められている。このため、無方向性電磁鋼板には鉄損が少ないものが求められている。
特開平７−２６８５６８号公報および特開平１１−２９３３３８号公報で、我々は、これらＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒの有効活用技術を提案した。しかしながら、特に製品板厚の薄くて、且つ、ＳｉとＡｌ量とが多い成分系で、高周波鉄損のバラツキが大きい問題があった。その原因は不明であった。
なお、特開平８−９７０２３号公報では、Ｓｂを添加することで、酸化層を少なくして磁気特性を改善することが開示されている。しかし、Ｓｂは高価な上、人体に有害でもあること、また、酸化層を少なくした状態においても磁気特性、特に高周波鉄損特性が改善されない場合があった。
【０００４】
【課題を解決するための課題】
本発明は上記の点に鑑み、地球環境問題からの鉄スクラップの積極活用と同時に、課題であった、高級無方向性電磁鋼板の高周波鉄損を改善する無方向性電磁鋼板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成からなる。
（１）質量％で、
Ｃ ≦０．００４％、Ｓｉ：１．６〜３．５％、
Ｍｎ≦１％、Ｐ ≦０．０５％、
Ｓ ≦０．００３５％、Ａｌ：０．１〜３％、
Ｎ ≦０．００４％、Ｃｕ：０．０５〜１％、
Ｎｉ：０．００５〜０．２％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％、
Ｓｎ：０．００３〜０．１％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、製品厚み０．１〜０．４mm、平均結晶粒径が４０〜１７０μｍで、絶縁被膜を除去した表面状態での鋼板表面の内部酸化量と外部酸化量が下式で表されることを特徴とする高級無方向性電磁鋼板。
鋼板表面の内部酸化量×０．２０／板厚≦２００
２０≦鋼板表面の外部酸化量×０．２０／板厚≦５００
ただし、酸化量はＴ−Ｏで表す：ppm 、板厚：mm
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明者らは、いわゆる熱延板焼鈍を有する無方向性電磁鋼板の製造方法において、種々の研究を鋭意重ねた結果、絶縁被膜を除去した表面状態での鋼板表面の内部酸化量と外部酸化量を規定することによって、鉄損特性の優れた高級無方向性電磁鋼板を製造することに成功した。
【０００７】
本発明者らは、高周波励磁における鉄損の改善を考える場合、主磁束が鋼板表面近傍を流れることから、鋼板表面をいかに制御するかが重要であると考えた。特に本発明のＣｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒ複合含有系では、鋼板表面の酸化が生じ易い。そこで焼鈍条件変更による酸化を抑制することを志向したが、高周波鉄損が大きく改善されない結果となり、詳細な調査をした。その結果、焼鈍雰囲気中の窒素が鋼中に進入して、窒化による鉄損劣化が生じていることが明らかになった。
そこで、本発明者らは、鋼板の窒化を防ぐとともに、鉄損に影響をおよぼしにくいような酸化の形態制御を検討した。その結果、適度な外部酸化層は、窒化を防止するとともに、地鉄界面の凹凸が内部酸化層と比べて、極めて少ないため、主磁束が鋼板表面近傍を流れる高周波励磁における鉄損の改善を図ることに成功した。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
Ｃ量を０．００４％以下に規定したのは、これを超える量では磁気時効が生じるからである。
【０００９】
Ｓｉ量を１．６〜３．５％に規定したが、Ｓｉは鉄損を小さくするのに有効で、１．６％未満では高周波鉄損が不満である。また，3.5%超では、冷間脆化で打ち抜きの鋼板割れが生じるので、避ける。
【００１０】
Ｍｎ量は、１％以下とする。Ｍｎは熱間割れを防止する作用があるが、多すぎると添加コストの問題もあるので、１％以下とする。
【００１１】
Ｐ量は、０．０５％以下に制限する。Ｐも結晶粒成長を阻害して、製品結晶粒径を細粒化するため少ない方が好ましいが、この限界が０．０５％である。
【００１２】
Ｓ量は、０．００３５％以下とする。Ｓは、硫化物を形成して高周波鉄損を劣化させる。この限界が０．００３５％である。
【００１３】
Ａｌ量は、０．１〜３％とする。Ａｌは鉄損を小さくするが、０．１％未満では鉄損が不満で、また、３％超では、冷間脆化で打ち抜きの鋼板割れが生じるので、避ける。
【００１４】
Ｎ量は、０．００４％以下とする。Ｎは、窒化物を形成して鉄損を劣化させる。この限界が、０．００４％である。
【００１５】
Ｃｕ量は、０．０５〜１％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は、０．０５％以上のＣｕであり、また、１％を越えるとＣｕへげと称される熱延での鋼板表面割れが発生するので避ける。特にこのＣｕへげは、Ｓｎが０．００３％以上含有される系で発生しやすいので注意を要する。
【００１６】
Ｎｉ量は、０．００５〜０．２％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は、０．００５％以上のＮｉであり、また、０．２％を越えると結晶粒成長が阻害されるため不可とする。
【００１７】
Ｃｒ量は、０．０１〜０．２％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は、０．０１％以上のＣｒであり、また、実用上、鉄スクラップから０．２％を越えることはないので、０．０１〜０．２％とする。
【００１８】
Ｓｎ量は、０．００３〜０．１％とする。鉄スクラップの有効活用の意味は、０．００３％以上のＳｎであり、また、実用上、鉄スクラップから０．１％を越えることはないので、上限を０．１％とする。
【００１９】
その他の元素として、集合組織を改善するための公知のＢ，Ｍｏなどを添加しても本発明として有害なものではない。但し、添加コストの問題があるので、それぞれ０．１％以下が好ましい。また、公知の有害元素、Ｔｉ，Ｎｂは０．０１％以下が好ましい。また、本発明は高価なＳｂを添加しないので、製鋼作業の不可避的不純物としてのＳｂ量は、０．０１％未満である。
【００２０】
製鋼で上記の成分に調整された連続鋳造スラブは、通常の熱間圧延を行われて熱延板とされる。
【００２１】
熱延板は、次いで、焼鈍されても良いし焼鈍されなくても良い。熱延板焼鈍を実施したほうが、磁束密度が改善されるが本発明の目的は鉄損改善なので、熱延板焼鈍を省略することも可能である。熱延板焼鈍は、通常の８００〜１２００℃が好ましい。
【００２２】
次いで、冷延を行ってから、焼鈍を実施する。焼鈍後の鋼板の平均結晶粒径は、４０μｍ以上、１７０μｍ以下とする。４０μｍ未満でも、１７０μｍ超でも高周波鉄損が悪くなる。結晶粒径を制御するためには、通常の温度×時間制御をすればよい。
【００２３】
本発明のポイントである鋼板表面の内部酸化量は、下式の範囲に制御する必要がある。
鋼板表面の内部酸化量×０．２０／板厚≦２００
ただし、鋼板表面の内部酸化量はＴ−Ｏで表す：ppm 、板厚：mm
鋼板表面の内部酸化量が上記範囲を越えると、鉄損の劣化が大きいためである。ここでいう鋼板表面の内部酸化量とは、図１（ａ）に示すような、地鉄合金内に拡散し、固溶した酸素が、主として溶媒金属より酸化されやすい溶質金属と反応した量のことで、Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎなどがリッチの酸化層のことである。
【００２４】
鋼板表面の内部酸化量に関係する酸化層は、地鉄と境界面の凹凸が一般的に大きいので、基本的に磁束の流れを阻害して、鉄損を著しく劣化させると考えられる。したがって、その量は少なければ少ないほどよいと考えられる。即ち、鋼板表面の内部酸化量×０．２０／板厚≦２００を逸脱すると、ヒステリシス損失が著しく増大して、鉄損を著しく劣化すると考えられる。なお、内部酸化量の下限についてはゼロも含み、内部酸化がゼロで外部酸化のみの状態でも本発明は含まれる。
【００２５】
さらに鋼板表面の外部酸化量は、下式の範囲に制御する必要がある。
２０≦鋼板表面の外部酸化量×０．２０／板厚≦５００
ただし、鋼板表面の外部酸化量はＴ−Ｏで表す：ppm 、板厚：mm
鋼板表面の外部酸化量が上記範囲を越えると、鉄損の劣化が大きいためである。ここでいう鋼板表面の外部酸化量とは、図１（ｂ）に示すような、地鉄合金内の溶質元素の外方拡散によって生じる酸化層の量のことである。
【００２６】
鋼板表面の外部酸化量は上述したように、ある適正範囲があるが、２０≦鋼板表面の外部酸化量×０．２０／板厚を逸脱した場合は、鋼板に焼鈍雰囲気からの窒化が生じ、これが磁束の流れを阻害して、鉄損を著しく劣化させていると考えられる。
一方、鋼板表面の外部酸化量×０．２０／板厚≦５００を逸脱した場合は、鋼板断面に占める非磁性物としての割合が多くなるため、鉄損特性に影響を及ぼすと考えられる。
【００２７】
これらの鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量は、鋼板断面の研磨面をＳＥＭ−ＥＤＡＸで、５０００倍以上の倍率で、まず、それぞれの酸化層として同定して、その後、その部分を化学分析することによって得ることができる。具体的には、製品板全体のＴ−Ｏ量を分析して、その後ＳＥＭ−ＥＤＡＸで、鋼板表面の酸化層が外部酸化層か内部酸化層かを観察する。ＳＥＭ−ＥＤＡＸの観察結果、内部酸化層と外部酸化層が共存している場合は、酸洗で外部酸化層を除去した後のＴ−Ｏ量を分析して、内部酸化量とし、前記製品板全体のＴ−Ｏ量との差を外部酸化量とした。なお、鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量を制御する方法としては、例えば、ＰＨ₂Ｏ／ＰＨ₂制御がある。
【００２８】
鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量が、鉄損特性に影響を及ぼす理由を、本発明者らは以下のように考えている。
【００２９】
鋼板表面の内部酸化量に関係する酸化層は、地鉄と境界面の凹凸が一般的に大きいので、基本的に磁束の流れを阻害して、鉄損を著しく劣化させると考えられる。したがって、その量は少なければ少ないほどよいと考えられる。即ち、上述した範囲を逸脱すると、ヒステリシス損失が著しく増大して、鉄損を著しく劣化すると考えられる。
【００３０】
一方、鋼板表面の外部酸化量は上述したように、ある適正範囲があるが、適正酸化量未満の場合は、鋼板に焼鈍雰囲気からの窒化が生じ、これが磁束の流れを阻害して、鉄損を著しく劣化させていると考えられる。
【００３１】
しかし、適正量以上では、鋼板断面に占める非磁性物としての割合が多くなるため、鉄損特性に影響を及ぼすと考えられる。
【００３２】
再結晶焼鈍後は、通常の絶縁皮膜が塗布乾燥されて出荷される。出荷された後は、打ち抜き、積層固定され、そのまま、または焼鈍されて（特に固定子が、磁性改善のために焼鈍される場合がある）モータコアや小型トランスコアとなる。
以下、実施例で説明する。
【００３３】
【実施例】
（実施例１）
３０kg真空溶解を実施して、表１に示す各種成分のインゴットを作成した。これを１０５０℃に加熱してから、１０mm厚の鋼片に分塊した。次いで、更に、１０５０℃に加熱してから、１．８mmの熱延板を作成した。次いで、１１００℃で３０秒均熱の窒素中焼鈍を行ってから大気中放冷した。酸洗後、冷延して０．３５mm厚とした。次いで、脱脂して、１０００℃で３０秒の焼鈍を、ＰＨ₂０／ＰＨ₂を０．０１〜０．５０に変化させて実施した。１００mm角試料を切り出してから、圧延方向とそれと直角の方向の４００Ｈz 鉄損を測定し、平均して表１に示した。また、鋼板断面の平均結晶粒径を圧延方向の直線をよこぎる結晶粒径の粒界個数をカウントして求めた。さらにＳＥＭ−ＥＤＡＸで、鋼板表面の酸化層が内部酸化層か外部酸化層であるかを同定して、化学分析によって、その量を調べた。定量化は、次の通りに行った。まず、製品板全体のＴ−Ｏ量(total酸素量) を分析して、その後ＳＥＭ−ＥＤＡＸで、鋼板表面の酸化層が外部酸化層か内部酸化層かを観察する。ＳＥＭ−ＥＤＡＸの観察結果、内部酸化層と外部酸化層が共存している場合は、酸洗で外部酸化層を除去した後のＴ−Ｏ量を分析して、内部酸化量とし、前記製品板全体のＴ−Ｏ量との差を外部酸化量とした。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１に示すように、本発明の成分範囲を外れるもの、内部および外部酸化量をはずれるものは、鉄損特性が不良となった。なお、製品での成分分析も実施したが、インゴットでの分析結果と同じであった。
【００３６】
（実施例２）
質量％で、０．００３５％Ｃ、２．２％Ｓｉ、０．１８％Ｍｎ、０．０１％Ｐ、０．００３５％Ｓ、２．１％Ａｌ、０．００１５％Ｎ、０．００１％Ｎｂ、０．５％Ｃｕ、０．０８％Ｓｎ、０．０８％Ｎｉ、０．１１％Ｃｒ、０．００１％Ｔｉ、０．００２％Ｍｏ、０．００１％Ｖ、０．０００１％Ｂ、０．０００２％Ｓｂを含むスラブを１０５０℃で加熱してから、２．５mm厚の熱延コイルを製造した。次いで、８５０℃×１０秒の窒素中焼鈍をして、酸洗した。酸化層を調査したが、認められなかった。次いで、０．２mmまで冷延し、脱脂後、均熱温度を表２のように変更して１０秒均熱の焼鈍を、ＰＨ_２Ｏ／ＰＨ_２を０．０１〜０．５０に変化させて実施した。次いで、有機、無機混合の絶縁皮膜を１μｍ厚で焼き付けした。次いで、エプスタイン試料に切断してから、磁気特性を測定した。また、鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量、結晶粒径を実施例１に示した方法で測定して、表２に示した。
【００３７】
【表２】

【００３８】
表２に示すように、本発明範囲の結晶粒径、鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量で優れた磁気特性が得られた。
【００３９】
（実施例３）
表３に示すように、ＳｉとＡｌ量とを調整した連続鋳造スラブを供試材として用いた。その他の成分としては、実験Ｎｏ．１〜９については、０．００２％Ｃ、０．２％Ｍｎ、０．０３％Ｐ、０．０００２％Ｓ、０．０００９％Ｎ、０．２５％Ｃｕ、０．０４％Ｓｎ、０．０５％Ｎｉ、０．０５％Ｃｒに固定した。また、実験Ｎｏ．１０と１１のみ、０．００１％Ｃ、０．２％Ｍｎ、０．０３％Ｐ、０．０００２％Ｓ、０．０００９％Ｎで、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒについてはそれぞれ０．０００２％以下とした。
このスラブを１１００℃で加熱してから、１．６mm厚の熱延コイルを製造した。次いで、９００℃で６０秒の焼鈍をＮ_２中で実施した。酸洗してから、０．２５mmまで冷延した。この冷延板で表層酸化層を観察調査したが、酸化層は存在しなかった。脱脂後、１１００℃×２０秒の均熱焼鈍を、ＰＨ_２Ｏ／ＰＨ_２を０．０１〜０．５０に変化させて実施した。
その後、絶縁皮膜（クロム酸、マグネシュウム、アクリル系の半有機皮膜）を約１．５μｍ厚焼き付けた。また、エプスタイン試験片で磁気特性を測定した。鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量は実施例１で示した方法で調べた。なお製品の平均結晶粒径は、いずれも１５０〜１５５μｍであった。
【００４０】
【表３】

【００４１】
表３に示すように、成分、鋼板表面の内部酸化量、外部酸化量を本発明範囲に制御したものは、優れた鉄損特性を示した。なお、最終の鋼板の成分をチェックしたが、スラブ成分と同一であった。
【００４２】
【発明の効果】
地球環境問題からの鉄スクラップを積極活用し、同時に、高周波鉄損特性を改善した無方向性電磁鋼板およびその製造方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化層の形態を模式的に示し、（ａ）は内部酸化、（ｂ）は外部酸化を示す。

Claims

質量％で、
Ｃ ≦０．００４％、
Ｓｉ：１．６〜３．５％、
Ｍｎ≦１％、
Ｐ ≦０．０５％、
Ｓ ≦０．００３５％、
Ａｌ：０．１〜３％、
Ｎ ≦０．００４％、
Ｃｕ：０．０５〜１％、
Ｎｉ：０．００５〜０．２％、
Ｃｒ：０．０１〜０．２％、
Ｓｎ：０．００３〜０．１％
を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、製品厚み０．１〜０．４mm、平均結晶粒径が４０〜１７０μｍで、絶縁被膜を除去した表面状態での鋼板表面の内部酸化量と外部酸化量が下式で表されることを特徴とする高級無方向性電磁鋼板。
鋼板表面の内部酸化量×０．２０／板厚≦２００
２０≦鋼板表面の外部酸化量×０．２０／板厚≦５００
ただし、酸化量はＴ−Ｏで表す：ppm 、板厚：mm