JP4681689B2 - 無方向性電磁鋼板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、モータの鉄芯等に好適な無方向性電磁鋼板及びその製造方法に関する。
近年、地球温暖化防止の観点等から、冷暖房器具のモータ、及び電気自動車のメインモータ等の更なる消費電力の低減が求められている。これらのモータは高回転で使用されることが多い。このため、モータの鉄心に用いられる無方向性電磁鋼板に対し、商用周波数である50Hz〜60Hzよりも高周波の400Hz〜800Hz域での鉄損の改善(低減)が求められている。鉄損の低減により消費電力が低減され、エネルギの消費量の低減が可能となるためである。
そして、従来、高周波域での鉄損を改善する技術として、Si及びAlの含有量を増加させて、電気抵抗を増加させる技術が採用されている。Siの原料及びAlの原料にはTiも含まれており、Si及びAlの含有量を増加に伴って、無方向性電磁鋼板に不可避的に混入するTiの量も多くなっている。
Tiは無方向性電磁鋼板の処理過程等において、無方向性電磁鋼板中でTiN、TiS及び/又はTiC等の介在物(以降、Ti介在物と記載する場合がある。)を生成する。Ti介在物は無方向性電磁鋼板の焼鈍時に結晶粒の成長を阻害して、磁気特性の向上を抑制する。特に、Ti介在物は歪取り焼鈍中に結晶粒界に微細かつ多量に析出しやすい。また、製造者から出荷された無方向性電磁鋼板を、需要者が打ち抜き加工し、その後に、例えば750℃で2時間程度の歪取り焼鈍により結晶粒を成長させることがある。この場合、出荷時にはTi介在物が非常に少なくなっていても、需要者が歪取り焼鈍を行った後にはTi介在物が多量に存在することになる。従って、歪取り焼鈍を行っても、多量のTi介在物によって結晶粒の成長が抑制されるため、磁気特性を十分に向上させることが困難である。
Ti介在物を低減するために、Siの原料及びAlの原料としてTi含有量が少ないものを使用することが考えられるが、このような原料は非常に高価である。また、無方向性電磁鋼板中のN、S及びCの含有量を低減することも考えられる。真空脱ガス処理等によってS及びCの含有量を低減することは技術的に可能であるものの、長時間の処理が必要となり、生産性が低下してしまう。また、Nは大気中に多量に含まれているため、Nの溶鋼への混入を回避することは困難である。精錬容器のシールを強化しても、製造コストが上昇するだけで、Nの混入を十分に抑制することは困難である。
特開2007−016278号公報 特開2007−162062号公報 特開2008−132534号公報 特開平9−316535号公報 特開平8−188825号公報
本発明は、Ti介在物の生成に伴う鉄損の上昇を抑制することができる無方向性電磁鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の要旨は、以下の通りである。
本発明の第1の観点に係る無方向性電磁鋼板は、Si:1.0質量%以上3.5質量%以下、Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、及びBi:0.001質量%以上0.01質量%以下、を含有し、C含有量が0.01質量%以下であり、P含有量が0.1質量%以下であり、S含有量が0.005質量%以下であり、N含有量が0.005質量%以下であり、残部がFe及び不可避的不純物からなり、Ti含有量(質量%)を[Ti]と表し、Bi含有量(質量%)を[Bi]と表したときに下記の(1)式が満たされることを特徴とする。
[Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
本発明の第2の観点に係る無方向性電磁鋼板は、第1の観点の特徴に加えて、更に、下記の(2)式が満たされることを特徴とする。
[Ti]≦0.65×[Bi]+0.0015 ・・・(2)
本発明の第3の観点に係る無方向性電磁鋼板は、Si:1.0質量%以上3.5%質量以下、Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、Bi:0.001質量%以上0.01質量%以下、並びにREM及びCaからなる群から選択された群から選択された少なくとも一種、を含有し、C含有量が0.01質量%以下であり、P含有量が0.1質量%以下であり、S含有量が0.01質量%以下であり、N含有量が0.005質量%以下であり、残部がFe及び不可避的不純物からなり、Ti含有量(質量%)を[Ti]と表し、Bi含有量(質量%)を[Bi]と表したときに下記の(1)式が満たされ、S含有量(質量%)を[S]と表し、REM含有量(質量%)を[REM]と表し、Ca含有量(質量%)を[Ca]と表たときに下記の(3)式が満たされることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
[Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
[S]-(0.23×[REM]+0.4×[Ca])≦0.005 ・・・(3)
なお、REMとは、原子番号が57のランタンから71のルテシウムまでの15元素に、原子番号が21のスカンジウム及び原子番号が39のイットリウムを加えた合計17元素の総称である。
本発明によれば、適当な量のBiが含有されているため、Ti介在物の生成を抑制して、Ti介在物の生成に伴う鉄損の上昇を抑制することができる。
図1は、調査の結果を示す図である。 図2は、Ti含有量及びBi含有量の範囲を示す図である。 図3は、Biを添加する方法の一例を示す図である。 図4は、Bi含有量の変化を示す図である。
本願発明者らは、無方向性電磁鋼板に適当な量のBiが含まれている場合、焼鈍が行われた後のTi介在物(TiN、TiS、TiC)が低減され、結晶粒が成長しやすくなり、磁気特性が向上することを、以下に示す実験によって新たに知見した。
本願発明者らは、先ず、真空溶解炉を用いて無方向性電磁鋼板用の鋼を作製し、凝固させてスラブを得た。次いで、スラブの熱間圧延を行って熱間圧延鋼板を作製し、熱間圧延鋼板の焼鈍を行って焼鈍鋼板を作製した。その後、焼鈍鋼板の冷間圧延を行って冷間圧延鋼板を作製し、冷間圧延鋼板の仕上げ焼鈍を行って無方向性電磁鋼板を作製した。また、無方向性電磁鋼板の歪取り焼鈍を行った。なお、無方向性電磁鋼板用の鋼としては、Si:1.0質量%以上3.5質量%以下、Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、Mn:0.1質量%以上2.0%質量以下、及びTi:0.0005質量%以上0.02質量%以下を含有し、C含有量が0.01質量%以下、P含有量が0.1質量%以下、S含有量が0.005質量%以下、N含有量が0.005質量%以下、Bi含有量が0.02質量%以下であり、残部がFe及び不可避的不純物からなる種々の組成のものを用いた。そして、Ti介在物、結晶粒及び磁気特性の調査を行った。
Ti介在物の調査では、先ず、無方向性電磁鋼板を所定の厚さになるまで表面から鏡面研磨して介在物調査用の試料を作製した。そして、試料に所定のエッチングを施した後、試料のレプリカを採取し、レプリカに転写されたTi介在物をフィールドエミッション型透過式電子顕微鏡及びフィールドエミッション型走査式電子顕微鏡を用いて観察した。エッチングでは、黒沢らの方法(黒沢文夫、田口 勇、松本龍太郎:日本金属学会誌、43(1979),p.1068)により非水溶性溶媒液中で試料を電解腐食させた。このエッチング方法によれば、Ti介在物を試料に残したまま母材(鋼)のみ溶解させてTi介在物を抽出することができる。
結晶粒径の調査では、仕上げ焼鈍後の無方向性電磁鋼板の断面を鏡面研磨して結晶粒径調査用の試料を作製した。そして、ナイタールエッチングを施して結晶粒を現出させ、平均結晶粒径を測定した。
磁気特性の調査では、無方向性電磁鋼板から長さが25cmの試料を切り出し、JIS−C−2550に示すエプスタイン法による測定を行った。
なお、TiN、TiS、及び金属Bi介在物の量は、歪取り焼鈍の前後でほとんど変化しないが、TiCは歪取り焼鈍の際に生成する。このため、これらのTi介在物の調査をより確実に行うために、TiN及びTiSの調査では、歪取り焼鈍前の無方向性電磁鋼板から試料を作製し、TiCの調査では、歪取り焼鈍後の無方向性電磁鋼板から試料を作製した。
これらの調査の結果を、図1に示す。
図1中の×印は、Ti介在物が多く存在し、磁気特性が不良であった試料を示している。これらの試料には、球相当直径が0.01μm〜0.05μmのTiN及びTiSが、無方向性電磁鋼板の1mm当たり1×10個〜3×10個存在し、球相当直径が0.01μm〜0.05μmのTiCが、結晶粒界の1μm当たり5個〜50個存在した。これらのTi介在物によって結晶粒の成長が阻害され、磁気特性が不良になったと考えられる。
図1中の△印は、金属Bi介在物が多く存在し、磁気特性が不良であった試料を示している。これらの試料では、球相当直径が0.1μm〜数μmの単体の金属Bi介在物、及び/又は球相当直径が0.1μm〜数μmのMnS及び金属Biが複合析出した介在物が観察された。そして、これらは、総計で、無方向性電磁鋼板の1mm当たり50個〜2000個存在した。金属Bi介在物は過飽和のBiが析出したものである。また、MnS及び金属Biが複合析出した介在物は、BiとMnSとの親和力が強いためにこれらが複合析出したものである。これらの金属Biを含有する介在物によって結晶粒の成長が阻害され、磁気特性が不良になったと考えられる。なお、金属Bi介在物は、Biが母相に固溶しきれず、また、粒界偏析しきれなかったために生成したと考えられる。
図1中の○印は、Ti介在物及び金属Bi介在物が少なく、磁気特性が良好であった試料を示している。また、◎印は、Ti介在物及び金属Bi介在物が観察されず、磁気特性が更に良好であった試料を示している。
図1に示す結果から、無方向性電磁鋼板のTi含有量が少ない場合でも、Bi含有量が0.001質量%未満であると、Ti介在物が多数存在し、磁気特性が不良となることがあることが分かる。このため、無方向性電磁鋼板のBi含有量は0.001質量%以上である必要がある。
また、無方向性電磁鋼板のTi含有量が高くなるほど、良好な磁気特性を得るために必要なBi含有量も高くなることも分かる。しかし、Bi含有量が0.01質量%を超えていると、Biを含有する介在物が多数存在し、磁気特性が不良となる。このため、無方向性電磁鋼板のBi含有量は0.01質量%以下である必要がある。
また、Bi含有量が0.001質量%以上0.01質量%以下の範囲内では、Ti含有量が一定の場合、Bi含有量の増加に伴ってTi介在物が低減されていくことも分かる。そして、図1に示す結果から、Bi含有量が0.001質量%以上0.01質量%以下の範囲内では、×印が得られる領域と○印が得られる領域との境界が、下記の(1´)式で表される。ここで、[Ti]は無方向性電磁鋼板のTi含有量(質量%)を示し、[Bi]は無方向性電磁鋼板のBi含有量(質量%)を示す。そして、Ti含有量(左辺)が右辺以下であれば、即ち(1)式が成り立てば、○印が得られる。
[Ti]=0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1´)
[Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
更に、図1に示す結果から、Bi含有量が0.001質量%以上0.01質量%以下の範囲内では、○印が得られる領域と◎印が得られる領域との境界が、下記の(2´)式で表される。そして、Ti含有量(左辺)が右辺以下であれば、即ち(2)式が成り立てば、◎印が得られる。
[Ti]=0.65×[Bi]+0.0015 ・・・(2´)
[Ti]≦0.65×[Bi]+0.0015 ・・・(2)
これらの式によれば、例えばTi含有量が0.006質量%の場合、Bi含有量が0.005質量%未満では、×印の結果が得られ、Bi含有量が0.005質量%を超えると、○印の結果が得られるようになり、Bi含有量が0.007質量%を超えると、◎印の結果が得られることが明らかである。つまり、Bi含有量の増加に伴ってTi介在物が低減され、Bi含有量が更に高くなると、Ti介在物の低減効果がより高まることが明らかである。このような現象は、この調査を通じて本願発明者らによって初めて明らかになった。即ち、これらの調査の結果、無方向性電磁鋼板に適当な量のBiが含まれている場合、焼鈍が行われた後のTi介在物が低減され、結晶粒が成長しやすくなり、磁気特性が向上することが明らかとなった。
なお、無方向性電磁鋼板のTi含有量が0.001質量%未満の場合、Ti含有量が非常に少なく、Ti介在物はほとんど生成しない。従って、Ti含有量が0.001質量%未満の場合には、Ti介在物の低減効果はほとんど得られないと考えられる。
適当な量のBiが含まれている場合にTi介在物の生成が抑制されるメカニズムは明らかでない。しかし、Bi含有量が高々0.001質量%程度の僅かなものであっても効果が得られること、及びBi介在物が観察されなかったことを考慮すると、無方向性電磁鋼板に固溶したBi及び/又は結晶粒界に偏析したBiが、Ti介在物を低減する作用を呈していると考えられる。このために、図1、(1)式及び(2)式に示すように、Ti含有量が多いほどTi介在物を低減するために必要なBi含有量が多くなり、これらの間に比例の関係が成り立つと考えられる。
このように、無方向性電磁鋼板に0.001質量%以上0.01質量%以下のBiが含有されている場合、(1)式が満たされていれば、Ti介在物及び金属Bi介在物を低減して、結晶粒の成長及び磁気特性を改善することができ、(2)式が満たされていれば、Ti介在物及び金属Bi介在物をより低減して、結晶粒の成長及び磁気特性をより改善することができることが明らかになった。
図2に、上記の調査を行ったTi含有量及びBi含有量の範囲、並びにBi:0.001質量%以上0.01質量%以下、Ti:0.001質量%、かつ(1)式又は(2)式が満たされる範囲を示す。
本願発明者らは、更に、無方向性電磁鋼板中のSの影響に関する実験も行った。この実験でも、先ず、真空溶解炉を用いて無方向性電磁鋼板用の鋼を作製し、凝固させてスラブを得た。次いで、スラブの熱間圧延を行って熱間圧延鋼板を作製し、熱間圧延鋼板の焼鈍を行って焼鈍鋼板を作製した。その後、焼鈍鋼板の冷間圧延を行って冷間圧延鋼板を作製し、冷間圧延鋼板の仕上げ焼鈍を行って無方向性電磁鋼板を作製した。また、無方向性電磁鋼板の歪取り焼鈍を行った。なお、無方向性電磁鋼板用の鋼としては、Si:1.0質量%以上3.5質量%以下、Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、Bi:0.001質量%以上0.01質量%以下、及びS:0.001質量%以上0.015質量%以下を含有し、C含有量が0.01質量%以下、P含有量が0.1質量%以下、N含有量が0.005質量%以下、REM含有量が0.03%以下、Ca含有量が0.005%以下であり、残部がFe及び不可避的不純物からなる種々の組成のもの用いた。そして、上記の実験と同様に、Ti介在物、結晶粒及び磁気特性の調査を行った。
この結果、(1)式又は(2)式が満たされている場合であっても、良好な磁気特性が得られないことがあることが判明した。
この原因について鋭意検討を行った結果、無方向性電磁鋼板にSが含まれている場合には、BiがMnSに複合析出するために、Ti介在物を低減する作用を呈するBiの量が減少してしまうことが判明した。特に、MnSが多く存在するほど、MnSに複合析出するBiの量も増えるため、Ti介在物を低減しにくくなる。
そこで、一定量以上のSが無方向性電磁鋼板に含まれている場合には、MnSを低減することにより、MnSに複合析出するBiの量を低減して、Ti介在物の低減に寄与するBiの量を確保することが肝要である。
MnSを低減するには、無方向性電磁鋼板中のフリーのSの量を低減することが有効である。図1の実験では、(1)式又は(2)式が満たされていれば、Ti介在物の低減に寄与するBiの量を確保することができた。このことから、フリーのSの量が図1の実験と同程度(0.005質量%以下)まで低減すれば、Ti介在物の低減に寄与するBiの量を確保することができると考えられる。
このような知見に基づき、本願発明者らは、無方向性電磁鋼板にSが0.005質量%より多く含まれている場合でも、脱硫元素であるREM又はCaの少なくも1種が適当な量、含まれていれば、これらの硫化物が生成するため、フリーのSの量が0.005質量%以下になり、Ti介在物の低減に寄与するBiの量を確保することができることを見出した。
即ち、本願発明者らが無方向性電磁鋼板中のMnSと金属Bi介在物との関係について調査した結果、下記の(3)式が満たされる場合に、MnSに金属Bi介在物が複合析出しにくいことが明らかになった。ここで、[S]は無方向性電磁鋼板のS含有量(質量%)を示し、[REM]は無方向性電磁鋼板のREM含有量(質量%)を示し、[Ca]は無方向性電磁鋼板のCa含有量(質量%)を示す。
[S]-(0.23×[REM]+0.4×[Ca])≦0.005 ・・・(3)
REMは無方向性電磁鋼板中でオキサイド、オキシサルファイド及び/又はサルファイドとなる。REMオキシサルファイド及びREMサルファイド中のREMに対するSの質量比率を調査したところ、平均で0.23であった。
Caは無方向性電磁鋼板中でCaサルファイドを生成する。Caサルファイド中のCaに対するSの質量比率は0.8であるが、調査の結果、無方向性電磁鋼板中のCaの量の半数がCaサルファイドを生成していた。即ち、Caサルファイド中のCaに対するSの質量比率は0.4であった。
これらの調査の結果から、REM介在物又はCa介在物によって固定されたSを除く、フリーのSの量は(3)式の左辺で表される。そして、この値が0.005質量%以下であれば、MnSに複合析出する金属Bi介在物が著しく低減され、Ti介在物の低減に寄与するBiの量を確保することが可能となる。
このようなBiの作用効果は、無方向性電磁鋼板中でTi介在物の低減をもたらすものである。即ち、Biは、熱間圧延板の焼鈍及び冷間圧延板の仕上げ焼鈍においてTiN、TiSの析出を抑制し、また、歪取り焼鈍においてTiCの析出を抑制する。
次に、無方向性電磁鋼板の成分の限定理由について説明する。
[C]:Cは、無方向性電磁鋼板中でTiCを形成して磁気特性を劣化させる。また、Cの析出により磁気時効が著しくなる。このため、C含有量は0.01質量%以下とする。Cが含まれていなくてもよいが、脱炭に要するコストを考慮すると、C含有量は0.0005質量%以上であることが好ましい。
[Si]:Siは、鉄損を低減する元素である。Si含有量が1.0質量%未満であると、鉄損を十分に低減することができない。その一方で、Si含有量が3.5質量%を超えていると、加工性が著しく低下する。このため、Si含有量は1.0質量%以上3.5質量%以下である。鉄損をより低減するために、Si含有量は1.5質量%以上であることが好ましく、2.0質量%以上であることがより好ましい。また、冷間圧延時の加工性をより良好なものとするために、Si含有量は3.1質量%以下であることが好ましく、3.0質量%以下であることがより好ましく、2.5質量%であることが更に好ましい。
[Al]:Alは、Siと同様に、鉄損を低減する元素である。Al含有量が0.1質量%未満であると、鉄損を十分に低減することができない。その一方で、Al含有量が3.0質量%を超えていると、コストの増加が著しくなる。このため、Al含有量は0.1質量%以上3.0質量%以下である。鉄損をより低減するために、Al含有量は0.2質量%以上であることが好ましく、0.3質量%以上であることがより好ましく、0.4質量%以上であることが更に好ましい。また、コストの低減のために、Al含有量は2.5質量%以下であることが好ましく、2.0質量%以下であることがより好ましく、1.8質量%以下であることが更に好ましい。
[Mn]:Mnは、無方向性電磁鋼板の硬度を増加させ、打抜性を改善する。Mn含有量が0.1質量%未満であると、このような効果が得られない。その一方で、Mn含有量が2.0質量%を超えていると、コストの増加が著しくなる。このため、Mn含有量は0.1質量%以上2.0質量%以下である。
[P]:Pは、無方向性電磁鋼板の強度を高め、加工性を改善する。P含有量が0.0001質量%未満であると、このような効果を得にくい。このため、P含有量は0.0001質量%以上であることが好ましい。その一方で、P含有量が0.1質量%を超えていると、冷間圧延時の加工性が低下する。このため、P含有量は0.1質量%以下である。
[Bi]:Biは、上述のように、Ti介在物の生成を抑制するが、0.001質量%未満であると、この効果が得られない。その一方で、上述のように、Bi含有量が0.01質量%を超えていると、単体の金属Bi介在物が生成したり、MnS及び金属Biが複合析出した介在物が生成したりして、結晶粒の成長が阻害され、良好な磁気特性が得られない。このため、Bi含有量は0.001質量%以上0.01質量%以下である。Ti介在物の生成をより抑制するために、Bi含有量は0.0015%以上であることが好ましく、0.002%以上であることがより好ましく、0.003%以上であることが更に好ましい。また、コストの低減のために、Bi含有量は0.005質量%以下であることが好ましい。更に、上述のように、(1)式が満たされている必要があり、(2)式が満たされていることが好ましい。
[S]:Sは、TiS及びMnS等の硫化物を生成する。そして、TiSは、結晶粒の成長を妨げ、鉄損を上昇させてしまう。また、MnSは、金属Biの複合析出サイトとして作用し、BiによるTi介在物の生成の抑制効果を低下させてしまう。このため、後述の量のREM及びCaが含まれていない場合、S含有量は0.005質量%以下であり、0.003質量%以下であることが好ましい。一方、後述の量のREM及びCaが含まれている場合、S含有量が0.005質量%を超えていてもよいが、S含有量は0.01質量%である。これは、S含有量が0.01質量%を超えていると、REM及びCaの硫化物が多くなり、結晶粒の成長が阻害されるからである。なお、S含有量が0質量%であってもよい。
[N]:Nは、TiN等の窒化物を生成し、鉄損を悪化させる。このため、N含有量は0.005質量%以下であり、0.003質量%以下であることが好ましく、0.0025質量%以下であることがより好ましく、0.002質量%以下であることがより一層好ましい。但し、Nを完全に排除することは困難であるため、Nが残存していてもよく、N含有量は0質量%超でもよい。例えば、N含有量は、工業製造プロセスで可能な脱窒素を考慮して、0.001質量%以上でもよい。また、極限的に脱窒素した場合、0.0005質量%まで下げると窒化物が更に低減されてより好ましい。
[Ti]:Tiは、TiN、TiS、及びTiC等のTi析出物(微細介在物)を生成し、結晶粒の成長を阻害し、鉄損を悪化させる。これらの微細介在物の生成は、Biの含有により抑制されるが、上記のように、Bi含有量とTi含有量との間には、(1)式が満たされている。また、Bi含有量は0.01質量%以下である。このため、Ti含有量は0.01質量%以下である。また、上記のように、(2)式が満たされていることが好ましい。なお、Ti含有量が0.001質量%未満である場合、Ti析出物の生成量は極めて少なくなり、Biが含有されていなくても、結晶粒の成長はほとんど阻害されなくなる。つまり、Ti含有量が0.001質量%未満の場合、Biの含有に伴う効果が現れにくい。このため、Ti含有量は0.001質量%以上である。
[REM]及び[Ca]:REM及びCaは脱硫元素であり、無方向性電磁鋼板中でSを固定し、MnS等の硫化物介在物の生成を抑制する。このため、S含有量が0.005質量%より多く含有されている場合、(3)式が満たされている必要がある。この効果を確実に得るために、REM含有量は0.001質量%以上であることが好ましく、Ca含有量は0.0003質量%以上であることが好ましい。その一方で、REM含有量が0.02質量%を超えていると、コストが著しく上昇する。また、Ca含有量が0.0125質量%を超えていると、耐火物の溶損等が生じることがある。このため、REM含有量は0.02質量%以下であることが好ましく、Ca含有量は0.0125質量%以下であることが好ましい。なお、REMの元素の種類は特に限定されず、一種のみが含有されていても、二種以上が含有されていても、(3)式が満たされていれば、効果が得られる。
無方向性電磁鋼板が下記の元素を含有していてもよい。なお、これらの元素は含有されている必要がないものであるが、微量でも含有されていれば効果を奏する。従って、これらの元素の含有量は0質量%超であることが好ましい。
[Cu]:Cuは耐食性を向上させ、また、固有抵抗を高めて鉄損を改善する。この効果を得るため、Cu含有量は0.005質量%以上であることが好ましい。但し、Cu含有量が0.5質量%を超えていると、無方向性電磁鋼板の表面にヘゲ疵等が発生して表面品位が低下しやすい。このため、Cu含有量は0.5質量%以下であることが好ましい。
[Cr]:Crは耐食性を向上させ、また、固有抵抗を高めて鉄損を改善する。この効果を得るため、Cr含有量は0.005質量%以上であることが好ましい。但し、Cr含有量が20質量%を超えていると、コストが高くなりやすい。このため、Cr含有量は20質量%以下であることが好ましい。
[Sn]及び[Sb]:Sn及びSbは偏析元素であり、磁気特性を悪化させる(111)面の集合組織の成長を阻害し、磁気特性を改善する。Sn又はSbのいずれかのみが含有されていても、両方が含有されていても、効果が得られる。この効果を得るため、Sn及びSbの含有量は合計で0.001質量%以上であることが好ましい。但し、Sn及びSbの含有量が合計で0.3質量%を超えると冷間圧延の加工性が悪化しやすい。このため、Sn及びSbの含有量は合計で0.3質量%以下であることが好ましい。
[Ni]:Niは磁気特性に有利な集合組織を発達させ、鉄損を改善する。この効果を得るため、Ni含有量は0.001質量%以上であることが好ましい。但し、Ni含有量が1.0質量%を超えていると、コストが高くなりやすい。このため、Ni含有量は1.0質量%以下であることが好ましい。
なお、不可避的不純物としては、以下のものが挙げられる。
[Zr]:Zrは微量でも結晶粒成長を阻害し、歪取り焼鈍後の鉄損を悪化させやすい。このため、Zr含有量は0.01質量%以下であることが好ましい。
[V]:Vは窒化物又は炭化物を生成し、磁壁の移動及び結晶粒の成長を阻害しやすい。このため、V含有量は0.01質量%以下であることが好ましい。
[Mg]:Mgは脱硫元素であり、無方向性電磁鋼板中のSと反応してサルファイドを生成し、Sを固定する。Mg含有量が多くなると脱硫効果が高くなるものの、Mg含有量が0.05質量%を超えていると、Mg硫化物が過剰に生成して結晶粒の成長が妨げられやすい。このため、Mg含有量は0.05質量%以下であることが好ましい。
[O]:溶存及び非溶存の総量でO含有量が0.005質量%を超えていると、酸化物を多数生成し、この酸化物によって磁壁の移動及び結晶粒の成長が阻害されやすい。このため、O含有量は0.005質量%以下であることが好ましい。
[B]:Bは粒界偏析元素であり、また、窒化物を生成する。B窒化物によって粒界の移動が妨げられ、鉄損が悪化しやすい。このため、B含有量は0.005質量%以下であることが好ましい。
このような無方向性電磁鋼板によれば、後に歪取り焼鈍等の焼鈍が行われたとしても、鉄損を低く抑えることができる。つまり、焼鈍時のTi介在物の発生を抑制し、結晶粒を十分に成長させ、低い鉄損を得ることができる。このため、コストが著しく上昇する又は生産性が著しく低下する方法を用いずとも、良好な磁気特性を得ることができる。そして、このような無方向性電磁鋼板をモータに用いた場合には、エネルギの消費量の低減が可能となる。
次に、無方向性電磁鋼板の製造方法の実施形態について説明する。
先ず、製鋼段階において、転炉又は2次精錬炉等を用いて精錬し、Bi以外の各元素の含有量が上記の範囲内にある溶鋼を溶製する。このとき、Sを0.005質量%以下まで脱硫する場合には、REM及びCaを添加する必要はないが、Sを0.005質量%超01質量%以下まで脱硫する場合は、2次精錬炉等においてREM及び/又はCaを(3)式が満たされるように添加する。
その後、溶鋼を取鍋に受け、タンディッシュを介して、Biを添加しながら溶鋼を鋳型に注入し、連続鋳造又はインゴット鋳造によりスラブ等の鋳片を鋳造する。つまり、Biは、鋳型への通流中の溶鋼に添加する。このとき、鋳型への注入のできるだけ直前にBiを溶鋼に添加することが好ましい。なぜなら、Biの沸点は1560℃であるのに対し、注入時の溶鋼の温度はそれ以上であるため、早期に注入されたBiは時間の経過に伴って蒸発して失われるからである。
本願発明者らは、溶鋼によるBiの加熱、溶解、沸騰、及び蒸発が、Biの添加後の3分以降に顕著となることを実験的に知見した。従って、Biの歩留まりの観点から、Biの添加から溶鋼が凝固し始めるまでの時間が3分間以下となるように、Biを添加することが好ましい。例えば、図3に示すように、タンディッシュ1の底部に設けられている鋳型2への注入口3付近において、ワイヤ状の金属Bi11を溶鋼10に供給することが好ましい。この方法によれば、金属Bi11が溶鋼10に溶解してから、鋳型2において溶鋼10が凝固し始めるまでの時間を容易に3分間以内に調整することができる。溶鋼10は凝固後には鋳片12として排出され、搬送ローラ4により搬送される。
なお、Biの歩留まりは溶鋼の温度及び添加のタイミングによって異なるが、概ね5%〜15%の範囲内であり、予め測定しておけば、歩留まりを考慮して添加すべき量を決定することができる。
また、金属Biを溶鋼に直接添加してもよいが、BiをFe等で被覆して添加すると、蒸発に伴う損失を低減して歩留まりを改善することができる。
従って、無方向性電磁鋼板のBi含有量を0.001%以上0.01%以下とするためには、例えば、Feで被覆されたBiを添加した際のBiの歩留まりを、溶鋼の温度及び添加のタイミングとの関係で予め測定しておき、この歩留まりの値を考慮した量のBiを所定のタイミングで添加すればよい。
このようにして鋳片を得た後には、鋳片を熱間圧延して熱間圧延鋼板を得る。そして、熱間圧延鋼板を、必要に応じて熱延板焼鈍した後、冷間圧延して冷間圧延鋼板を得る。冷間圧延鋼板の厚さは、例えば製造しようとする無方向性電磁鋼板の厚さとする。冷間圧延は、一回のみ行ってもよく、中間焼鈍を挟みながら二回以上行ってもよい。続いて、冷間圧延鋼板を仕上げ焼鈍し、絶縁皮膜を塗布する。このような方法によれば、Ti介在物の発生が抑制された無方向性電磁鋼板を得ることができる。
なお、介在物の調査の方法及び磁気特性の測定の方法等は上記のものに限定されない。例えば、Ti介在物の調査の際に、レプリカ法を採用せずに、薄膜の試料を作製し、フィールドエミッション型透過式電子顕微鏡を用いて観察してもよい。
次に、本発明者らが行った実験について説明する。これらの実験における条件等は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した例であり、本発明は、これらの例に限定されるものではない。
(第1の実験)
先ず、C:0.0017質量%、Si:2.9質量%、Mn:0.5質量%、P:0.09質量%、S:0.0025質量%、Al:0.4質量%、及びN:0.0023質量%を含有し、更に表1に示す成分を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を、転炉及び真空脱ガス装置により精錬して取鍋に受鋼した。次いで、タンディッシュを経て、浸漬ノズルにより鋳型内に溶鋼を供給して連続鋳造により鋳片を得た。なお、Biの添加は、厚さが1mmのFe膜で被覆した直径が5mmのワイヤ状の金属Biを、鋳型浸漬ノズルの直上の位置からタンディッシュ内の溶鋼に挿入することにより行った。この際、Biの添加から溶鋼が凝固し始めるまでの時間が1.5分間となるように、挿入する位置を定めた。
Figure 0004681689
その後、鋳片を熱間圧延して熱間圧延鋼板を得た。次いで、熱間圧延鋼板を熱延板焼鈍し、続いて、冷間圧延して厚さが0.35mmの冷間圧延鋼板を得た。その後、冷間圧延鋼板に、950℃、30秒間の仕上げ焼鈍を行い、絶縁皮膜を塗布して無方向性電磁鋼板を得た。得られた無方向性電磁鋼板の結晶粒径は50μm〜75μmの範囲内であった。
そして、TiN、TiS、金属Bi介在物、及び磁気特性の調査を行った。TiN、TiS、及び金属Bi介在物の調査は、上記のレプリカ法により行った。また、磁気特性の調査では、上記のJIS−C−2550に示すエプスタイン法により鉄損W10/800を測定した。この結果を表2に示す。なお、表2中の「TiN及びTiS」の欄の「あり」は、視野内で、球相当直径が0.01μm〜0.05μmのTiN又はTiSが無方向性電磁鋼板の1mm当たり1×10個〜3×10個存在していたことを意味しており、「なし」は、視野内で、このようなTiN又はTiSの数が無方向性電磁鋼板の1mm当たり1×10個未満であったことを意味している。また、「金属Bi介在物」の欄の「あり」は、視野内で、球相当直径が0.1μm〜数μmの単体の金属Bi介在物、並びにMnS及び金属Biが複合析出した球相当直径が0.1μm〜数μmの介在物が合計で無方向性電磁鋼板の1mm当たり50個〜2000個存在していたことを意味し、「なし」は、このような介在物の数が無方向性電磁鋼板の1mm当たり50個未満であったことを意味している。
また、無方向性電磁鋼板に、750℃、2時間の歪取り焼鈍を行った後に、平均結晶粒径、TiC、及び磁気特性の調査を行った。平均結晶粒径の調査は上記のナイタールエッチングを施す方法により行い、TiCの調査は上記のレプリカ法により行った。また、磁気特性の調査では、上記のJIS−C−2550に示すエプスタイン法により鉄損W10/800を測定した。この結果も表2に示す。なお、表2中の「粒界上のTiC密度」の欄は、球相当直径が100nm以下のTiCの粒界1μm当たりの数を示す。
Figure 0004681689
表2に示すように、本発明範囲に属する実施例No.1〜No.20では、歪取り焼鈍前では、TiN、TiS、及び金属Bi介在物がほとんど存在せず、鉄損の値が良好であった。また、歪取り焼鈍後では、結晶粒界上のTiCもほとんど存在せず、結晶粒は比較的粗大に成長しており、鉄損の値が良好であった。
一方、比較例No.21〜No.26では、Bi含有量が本発明範囲の下限未満であるため、歪取り焼鈍の前ではTiN及びTiSが多数存在し、歪取り焼鈍の後ではTiCが多数存在した。そして、歪取り焼鈍の前及び後の鉄損の値が実施例No.1〜No.20と比較して著しく大きく、結晶粒は実施例No.1〜No.20と比較してあまり成長していなかった。また、比較例No.27〜No.33では、(1)式が満たされていないため、歪取り焼鈍の前ではTiN及びTiSが多数存在し、歪取り焼鈍の後ではTiCが多数存在した。そして、歪取り焼鈍の前及び後の鉄損の値が実施例No.1〜No.20と比較して著しく大きく、結晶粒は実施例No.1〜No.20と比較してあまり成長していなかった。更に、比較例No.34〜No.36では、Bi含有量が本発明範囲の上限を超えているため、歪取り焼鈍の前に金属Bi介在物が多数存在し、歪取り焼鈍の前及び後の鉄損の値が実施例No.1〜No.20と比較して著しく大きかった。
なお、TiN、TiS、及び金属Bi介在物の状態は、歪取り焼鈍の前後で変化しにくいが、TiCは歪取り焼鈍の際に生成する。このため、Ti介在物の観察をより確実に行うために、TiN及びTiSの測定は歪取り焼鈍前に行い、TiCの測定は歪取り焼鈍後に行った。
(第2の実験)
先ず、C:0.002質量%、Si:3.0質量%、Mn:0.20質量%、P:0.1質量%、Al:1.05質量%、Ti:0.003質量%、N:0.002質量%、及びBi:0.0025質量%を含有し、更に表3に示す成分を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる鋼を、高周波真空溶解装置により溶解した。このとき、ミッシュメタルを溶鋼に添加することにより、REMを鋼に含有させ、金属Caを溶鋼に添加することにより、Caを溶鋼に含有させた。上記の成分の溶鋼を得た後には、更に、金属Biを溶鋼に直接添加し、その後、溶鋼を鋳型に注入してインゴットを得た。なお、金属Biの添加から凝固の開始までの時間は2分間とした。なお、表3中のREM含有量の値は、La及びCeの化学分析の結果である。
Figure 0004681689
その後、インゴットを熱間圧延して熱間圧延鋼板を得た。次いで、熱間圧延鋼板を熱延板焼鈍し、続いて、冷間圧延して厚さが0.35mmの冷間圧延鋼板を得た。その後、冷間圧延鋼板に、950℃、30秒間の仕上げ焼鈍を行って無方向性電磁鋼板を得た。
そして、第1の実験と同様にして、TiN、TiS、金属Bi介在物、及び磁気特性の調査を行った。この結果を表4に示す。
Figure 0004681689
表4に示すように、本発明範囲に属する実施例No.41〜No.47では、MnSに複合した金属Bi介在物がほとんど観察されなかった。これは、MnSの量が極めて少なくなったためである。また、金属Bi介在物もほとんど観察されなかった。これらから、無方向性電磁鋼板中のBiのほとんどが固溶又は粒界偏析したと考えられる。更に、TiN及びTiSもほとんど存在しなかった。そして、鉄損の値が良好であった。
一方、比較例No.48〜50では、(3)式が満たされていないため、金属Bi介在物及びMnSに複合した金属Bi介在物が観察された。また、比較例No.51では、S含有量が本発明範囲の上限を超えているため、金属Bi介在物及びMnSに複合した金属Bi介在物が観察された。これらから、無方向性電磁鋼板中に固溶又は粒界偏析しているBiは0.0025質量%を下回ることが明らかである。そして、TiN及びTiSが多数存在し、鉄損の値が実施例No.41〜No.47と比較して著しく大きかった。
(第3の実験)
先ず、C:0.002質量%、Si:3.0質量%、Mn:0.25質量%、P:0.1質量%、Al:1.0質量%、及びN:0.002質量%を含有し、残部がFe及び不可避的不純物からなる50kgの鋼を高周波真空溶解装置によって溶解した。その後、溶鋼の温度を1600℃に保持しながら、20gの金属Biを溶鋼に直接添加し、表5に示す時間毎に、溶鋼をサンプリングし、Bi含有量を化学分析により調査した。この結果を表5及び図4に示す。
Figure 0004681689
表5及び図3に示すように、Biの添加の後、時間経過に伴って溶鋼中のBi含有量は急激に低下した。Biの添加から3分を超えると、溶鋼中のBiはほとんど残留していなかった。このように、第3の実験により、Biは、溶鋼が凝固し始める時点から遡って3分間以内に添加することが好ましいことが明らかになった。
本発明は、例えば、電磁鋼板製造産業及び電磁鋼板利用産業において利用することができる。

Claims (22)

  1. Si:1.0質量%以上3.5質量%以下、
    Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、
    Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、
    Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、及び
    Bi:0.001質量%以上0.01質量%以下、
    を含有し、
    C含有量が0.01質量%以下であり、
    P含有量が0.1質量%以下であり、
    S含有量が0.005質量%以下であり、
    N含有量が0.005質量%以下であり、
    残部がFe及び不可避的不純物からなり、
    Ti含有量(質量%)を[Ti]と表し、Bi含有量(質量%)を[Bi]と表したときに下記の(1)式が満たされることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
    [Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
  2. 更に、下記の(2)式が満たされることを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
    [Ti]≦0.65×[Bi]+0.0015 ・・・(2)
  3. Si:1.0質量%以上3.5%質量以下、
    Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、
    Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、
    Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、
    Bi:0.001質量%以上0.01質量%以下、並びに
    REM及びCaからなる群から選択された群から選択された少なくとも一種、
    を含有し、
    C含有量が0.01質量%以下であり、
    P含有量が0.1質量%以下であり、
    S含有量が0.01質量%以下であり、
    N含有量が0.005質量%以下であり、
    残部がFe及び不可避的不純物からなり、
    Ti含有量(質量%)を[Ti]と表し、Bi含有量(質量%)を[Bi]と表したときに下記の(1)式が満たされ、
    S含有量(質量%)を[S]と表し、REM含有量(質量%)を[REM]と表し、Ca含有量(質量%)を[Ca]と表たときに下記の(3)式が満たされることを特徴とする無方向性電磁鋼板。
    [Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
    [S]-(0.23×[REM]+0.4×[Ca])≦0.005 ・・・(3)
  4. 更に、Cu:0.5質量%以下及びCr:20質量%以下からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
  5. 更に、Cu:0.5質量%以下及びCr:20質量%以下からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項3に記載の無方向性電磁鋼板。
  6. 更に、Sn及びSbからなる群から選択された少なくとも一種を合計で0.3質量%以下含有することを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
  7. 更に、Sn及びSbからなる群から選択された少なくとも一種を合計で0.3質量%以下含有することを特徴とする請求項3に記載の無方向性電磁鋼板。
  8. 更に、Ni:1.0質量%以下を含有することを特徴とする請求項1に記載の無方向性電磁鋼板。
  9. 更に、Ni:1.0質量%以下を含有することを特徴とする請求項3に記載の無方向性電磁鋼板。
  10. Si:1.0質量%以上3.5質量%以下、
    Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、
    Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、及び
    Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、
    を含有し
    C含有量が0.01質量%以下であり、
    P含有量が0.1質量%以下であり、
    N含有量が0.005質量%以下であり、
    S含有量が0.005質量%以下である溶鋼を作製する工程と、
    無方向性電磁鋼板中のBi含有量が0.001質量%以上0.01質量%以下となり、Ti含有量(質量%)を[Ti]と表し、Bi含有量(質量%)を[Bi]と表したときに下記の(1)式が満たされるように、前記溶鋼にBiを添加する工程と、
    を有することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
    [Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
  11. 前記Biを添加する際に、更に、下記の(2)式が満たされるように、Biの添加量を調整することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
    [Ti]≦0.65×[Bi]+0.0015 ・・・(2)
  12. Si:1.0質量%以上3.5質量%以下、
    Al:0.1質量%以上3.0質量%以下、
    Mn:0.1質量%以上2.0質量%以下、
    Ti:0.001質量%以上0.01質量%以下、並びに
    REM及びCaからなる群から選択された群から選択された少なくとも一種、
    を含有し、
    C含有量が0.01質量%以下であり、
    P含有量が0.1質量%以下であり、
    N含有量が0.005質量%以下であり、
    S含有量が0.01質量%以下であり、
    S含有量(質量%)を[S]と表し、REM含有量(質量%)を[REM]と表し、Ca含有量(質量%)を[Ca]と表たときに下記の(3)式が満たされる溶鋼を作製する工程と、
    無方向性電磁鋼板中のBi含有量が0.001質量%以上0.01質量%以下となり、Ti含有量(質量%)を[Ti]と表し、Bi含有量(質量%)を[Bi]と表したときに下記の(1)式が満たされるように、前記溶鋼にBiを添加する工程と、
    を有することを特徴とする無方向性電磁鋼板の製造方法。
    [Ti]≦0.8×[Bi]+0.002 ・・・(1)
    [S]-(0.23×[REM]+0.4×[Ca])≦0.005 ・・・(3)
  13. 前記Biを添加する工程の後に、前記溶鋼を鋳型に流し込んで凝固させる工程を有し、
    前記Biは、前記鋳型への通流中の溶鋼に添加することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  14. 前記Biを添加する工程の後に、前記溶鋼を鋳型に流し込んで凝固させる工程を有し、
    前記Biは、前記鋳型への通流中の溶鋼に添加することを特徴とする請求項12に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  15. 前記Biは、前記溶鋼が凝固し始める時点から遡って3分間以内に添加することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  16. 前記Biは、前記溶鋼が凝固し始める時点から遡って3分間以内に添加することを特徴とする請求項12に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  17. 前記溶鋼は、更に、Cu:0.5質量%以下及びCr:20質量%以下からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  18. 前記溶鋼は、更に、Cu:0.5質量%以下及びCr:20質量%以下からなる群から選択された少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項12に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  19. 前記溶鋼は、更に、Sn及びSbからなる群から選択された少なくとも一種を合計で0.3質量%以下含有することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  20. 前記溶鋼は、更に、Sn及びSbからなる群から選択された少なくとも一種を合計で0.3質量%以下含有することを特徴とする請求項12に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  21. 前記溶鋼は、更に、Ni:1.0質量%以下を含有することを特徴とする請求項10に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
  22. 前記溶鋼は、更に、Ni:1.0質量%以下を含有することを特徴とする請求項12に記載の無方向性電磁鋼板の製造方法。
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