JP4735766B2 - 方向性電磁鋼板 - Google Patents
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Description
例えば、上記のインヒビター成分として、特許文献1にはAlN、MnSを使用する方法が、また特許文献2にはMnS、MnSeを使用する方法がそれぞれ開示され工業的に使用されている。さらに最近では、特許文献3において提案されているように、インヒビター成分を含有しない鋼板であっても、Goss方位結晶粒を二次再結晶の作用によって発達させる技術がある。
この方法では、インヒビター成分が不要なため、インヒビター成分を純化する工程が不必要となる。また、純化焼鈍を高温化する必要がなく、インヒビター成分の鋼中微細分散工程が不必要なため、微細分散のために必須であった高温スラブ加熱も不要となるなど、工程およびコスト面でも、また設備等のメンテナンス面でも大きなメリットを有する方法である。
また、方向性電磁鋼板が使用されている変圧器においても、この鉄損特性は重視されており、変圧器を作製した後でも、実機での鉄損特性を管理するために、その測定を定期的に実施する必要がある。
このように剪断された鋼板は、その加工面が剪断力により引きちぎられ、鋼板内に歪が多量に導入されることになる。そのため、剪断された電磁鋼板は、導入歪に由来する磁気特性の劣化が生じやすく問題となっていた。
は適用できなかった。
それ故、数mの大きさの大型変圧器用電磁鋼板においても、剪断加工を行った際の磁気特性劣化を低減できる技術が望まれていた。
以下、本発明を成功に至らしめた実験について説明する。
質量%で、Si:3.30〜3.34%、Mn:0.06〜0.07%、Sb:0.025〜0.028%およびCr:0.03〜0.04%、を含有し、かつ、質量ppmで、Nbの添加量を各々4ppm(不可避的不純物レベル)、22ppm、48ppm、65ppm、90ppmおよび210ppmとし、残部Feおよび不可避的不純物からなる方向性電磁鋼板を、常法に従い、再結晶焼鈍(一次再結晶焼鈍)から最終仕上焼鈍(純化焼鈍)までの一連の製造方法で作製した。最終仕上焼鈍(純化焼鈍)の際には、最高到達鋼板温度を1200℃とすることで、析出物形成元素(Nb)を一旦固溶させ、その後、900℃から500℃までの冷却速度を平均で20℃/hとして、常温まで降温した。
剪断機で切断した場合は、前述したとおり、鋼板に歪が残存し鉄損が劣化した。一方、ワイヤーカッターによる切断は、時間はかかったものの、ほとんど歪を鋼板に残存させることなく切断できた。
従って、同図に示したΔWは、歪残存により劣化した鉄損量を、ほぼ示していると考えられる。それ故、同図より、Nbを含有させることで剪断により劣化する鉄損量を低減できることが分かる。
今回の実験で用いたNb含有材の組織調査を行ったところ、Nbは析出物を形成して、鋼中に分散していることが明らかとなった。その析出物の径は、小さい物で0.02μm程度、大きい物で3μm程度であった。通常の方向性電磁鋼板には、このような鋼中の析出物は、ほとんど存在しないことから、この析出物の存在が剪断による鉄損劣化の低減に寄与したのではないかと推測される。
しかし、この規則正しく配列している鉄の原子の中に、上記したような析出物が存在すると、剪断加工のような応力がそこに加わって切断される際には、この析出物の周辺に応力集中が生じ、鉄の原子の配列をゆがめる前に亀裂が生じることが考えられる。この機構により上記した歪の蓄積が緩和されると考えれば、上記した現象についての説明ができる。
一方、析出物中に含まれるNbの含有量(鋼板における含有量:質量%)は、鋼板を電解で溶かして析出物だけ捕捉(ろ過)し、その析出物の中のNb重量を測定し、電解されて減少した鋼板の重量と、その析出物の中のNb重量とから計算することができる。
このような析出物中に含まれるNbの含有量の定量値は、具体的に、以下の方法で求める。
まず、製品板を50mm×20mmの大きさに切断し、85℃に温めた10質量%HCl水溶液に2分間浸漬することで、製品のコーティングや被膜を除去する。その後、重量測定を行い、市販の電解液(10質量%AA液:10質量%アセチルアセトン−1質量%テトラメチルアンモニウムクロライド−メタノール)を用いて約1g程度電解されるまで電解を行う。さらに、電解に供した製品板表面に付着している析出物を剥離させるために、製品板をエタノール溶液に浸漬させて、超音波を付与する。
このエタノール溶液と前記の電解で使用した電解液の中には析出物が含まれており、これらを0.1μmメッシュのろ紙(nmオーダーの析出物まで捕捉可能)を用いてろ過するこ
とで析出物を捕捉する。ろ過後、ろ取された析出物をろ紙ごと白金るつぼに入れて700℃
で1時間加熱し、さらにNa2B4O7とNaCO3を加え900℃で15分間加熱する。これを一旦冷却した後、さらに1000℃で15分間加熱する。
るつぼの中は飴状に固まっているので、るつぼごと25質量%HCl水溶液に加え、そのまま約90℃で30分間加熱し、飴状の物質をすべて溶解する。この溶液をJIS G1237記載のICP発光分光分析方法で分析することにより、析出物の中のNb重量が求められる。
そして、このNb重量を、電解により減少した製品板(鋼板)の重量で除することにより、析出物中に含まれるNbの含有量(質量%)を求める。
このようにして求めた析出物中に含まれるNbの含有量(質量%)を、前記した全Nb含有量(質量%)で除することにより、Nb析出割合を求めることができる。
質量%で、C:0.035%、Si:3.31%、Mn:0.13%、Sb:0.039%、Cr:0.05%、P:0.012%およびN:42質量ppm、S:31質量ppmを含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを連続鋳造にて製造し、1250℃でスラブ加熱した後、熱間圧延により2.7mmの厚さに仕上げた。ついで、1000℃、15秒間の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延により0.30mmの板厚に仕上げた。
さらに、50体積%N2-50体積%H2湿潤雰囲気中にて、800〜880℃の温度範囲で60秒間の均熱条件で、再結晶焼鈍を施した後、MgOを主体とする焼鈍分離剤を塗布してから、1050〜1230℃の温度範囲で10時間保定する純化焼鈍を行った。
再結晶焼鈍と純化焼鈍の温度を変更したのは、純化焼鈍で起こる2次再結晶の結晶粒径を変化させるためである。
本発明は上記知見に立脚するものである。
1.質量%で、C:0.005%以下、Si:1.0〜8.0%およびMn:0.005〜1.0%を含有し、かつNb、Ta、VおよびZrのうちから選んだ1種または2種以上を合計で10〜50質量ppm含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、これらNb、Ta、VおよびZrは含有量の少なくとも10%が析出物として存在し、かつ該析出物の直径(円相当径)が平均で0.02〜3μmであり、さらに鋼板の2次再結晶粒の平均粒径が5mm以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
まず、本発明において鋼板の成分組成を前記の範囲に限定した理由について説明する。なお、鋼板成分における%表示およびppm表示は、特に断らない限り、それぞれ質量%および質量ppmを表すものとする。
Cは、鋼中に不可避的に混入する元素であるが、磁気時効による磁気特性劣化が発生するため極力低減することが望ましい。しかし、完全に除去することは困難であり、製造コスト面からも0.005%以下であれば許容される。好ましくは0.002%以下である。C含有量の下限をとくに限定すべき理由はないが、工業的にはCは零を超えて含まれる。
Siは、最終製品板において、鋼の比抵抗を高め、鉄損を改善させるために必要な元素であるが、1.0%未満ではその効果に乏しい。一方、8.0%を超えた場合には、鋼板の飽和磁束密度が顕著に低下する。したがって、Siは1.0〜8.0%に限定する。Si含有量の好ましい下限は3.0%である。またSi含有量の好ましい上限は3.5%である。
Mnは、熱間圧延時の加工性を良くするために必要な元素であるが、添加量が0.005%
未満では加工性改善効果に乏しい。一方、1.0%を超えると二次再結晶が不安定になり磁
気特性が劣化する。したがって、Mnは0.005〜1.0%に限定する。Mn含有量の好ましい下限は0.02%である。またMn含有量の好ましい上限は0.20%である。
当径)は0.02〜3μmの範囲とすることが必要である。平均径が0.02μm未満であると、析出物が小さすぎて応力集中が起こりにくくなる。一方、3μmを超えると、析出物の存在頻度(個数)が減少して、応力集中が起こる箇所が少なくなる。好ましい析出物の平均径は0.05〜3μmである。より好ましい下限は0.12μm、さらに好ましい下限は0.33μmである。また、より好ましい上限は1.2μm、さらに好ましい上減は0.78μmである。
Nb等の析出物の析出の割合は 20%以上であることが好ましく、31%以上であることがより好ましい。さらに好ましくは48%以上である。上限は定める必要が無く、100%析出していても問題はない。
Nb等の析出物の平均径は、得られたサンプルの断面を走査型電子顕微鏡で観察し、10000倍程度の倍率で10視野程度撮影し、画像解析により円相当径の平均を求めることが好ましい。また、析出物の割合(析出割合)は実験1に記載した方法で測定することができる。
析出物形成元素としてはNb、VおよびZrから選んだ1種又は2種以上が熱間圧延時に鋼板の欠陥をつくりにくいという点から好ましい。とくにNbは、熱間圧延時の欠陥を低減できる点から好ましい。これらの場合にも、含有量は、必須範囲の10〜50ppmまたは好適範囲の10〜30ppmとし、好適な析出物直径および析出の割合も上記と同様である。
以上の現象においては、一般の析出現象と同様に、冷却速度が速い場合は、析出物量が少なくなり(一部固溶したまま残る)、かつ析出物の径も小さくなる。一方、冷却速度が遅い場合は、その逆の状態になる傾向にある。
ここで、二次再結晶粒の平均粒径を5mm未満としてΔWを低減する方法も考えられるが、鉄損や磁束密度の絶対値が悪化するなどの問題が生じるため好ましくない。
本発明では、必要に応じて、以下に述べる元素を適宜含有させることができる。
Ni:0.010〜1.50%
磁気特性を向上させるために、Niを添加することができる。この場合、添加量が0.010%未満では磁気特性の向上幅が小さい。一方、1.50%を超えると二次再結晶が不安定になり磁気特性が劣化するおそれがある。したがって、Niは、0.010〜1.50%の範囲とすることが好ましい。
鉄損を低減させる目的としては、Cr、CuおよびPのうちの少なくとも一種を添加することができる。
ただし、それぞれの添加量が上記の下限量より少ない場合には、鉄損の低減効果に乏しい。一方、上記の上限量を超えた場合には、二次再結晶粒の発達が抑制され、逆に鉄損が増大する。したがって、それぞれ上記の範囲で含有させることが好ましい。
磁束密度を向上させる目的で、Sn、Sb、BiおよびMoのうち少なくとも一種を添加することができる。
ただし、それぞれの添加量が上記の下限量より少ない場合には、磁気特性の向上効果に乏しい。一方、上記の上限量を超えた場合には、二次再結晶粒の発達が抑制され磁気特性が劣化する。したがって、それぞれ上記の範囲で含有させることが好ましい。
また、Siは、最終的に必要な量である1.0〜8.0%を、溶鋼での成分調整の段階で調節しても問題はない。一方、スラブ製造以後の工程で浸珪処理等によりSi量を増加させる方法を利用する場合には、溶鋼でのSi量を最終的に必要な量よりも抑えて添加することもできる。
本発明の主要成分であるNb、Ta、VおよびZrについては、溶鋼段階以後の工程中で添加・削減することが困難であり、上記した溶鋼での成分調整の段階で必要量を添加することが、最も望ましい。
上記以外に、必要に応じてインヒビター成分(AlN形成元素であるAlおよびN、MnS形成元素であるMnおよびS、MnSe形成元素であるMnおよびSe、TiN形成元素であるTiおよびNなど)を少なくとも1組、常法に従って適量を含有させることができる。
して熱間圧延するが、鋳造後加熱せずに直ちに熱延してもよい。薄鋳片の場合には熱間圧延してもよいし、熱間圧延を省略してそのまま以後の工程に進んでもよい。
熱間圧延前のスラブ加熱温度としては、インヒビター成分を含む成分系では約1400℃の高温が通常採用される。一方、インヒビター成分を含まない成分系では1250℃以下の低温が通常採用され、コストの面で有利である。
打ち抜き加工性を重視してフォルステライト被膜を積極的に形成しない場合には、焼鈍分離剤を適用しないか、適用する場合でもフォルステライト被膜を形成するMgOは使用せずにシリカやアルミナ等を用いるのがよい。これら焼鈍分離剤を塗布する際は、水分を持ち込まない静電塗布を行うことなどが有効である。また耐熱無機材料シート(シリカ、アルミナ、マイカ)を用いてもよい。
なお、かかる高温焼鈍の冷却に際し、少なくとも900℃から500℃の温度域については、5〜100℃/hの速度で冷却することが望ましい。900℃未満の保持温度から冷却する際はその保持温度から500℃までの温度域について、5〜100℃/hの速度で冷却することが望ましい。というのは、上記の温度域における冷却速度が、100℃/hを超えると、析出物が細かくなりすぎたり、固溶したまま析出しないおそれがあるからである。一方、5℃/hに満たないと、析出物の径が大きくなりすぎたり、またその冷却時間が長大となり生産性を低下させる等のおそれがある。なお、より好ましい冷却速度の下限は7.8℃/hである。また、より好ましい冷却速度の上限は30℃/hであり、安定した結果を得る観点からさらに好ましい冷却速度の上限は14℃/hである。
本発明の鋼板を用いた好適な鉄心の製造方法としては、例えば、本発明の鋼板を剪断し、歪取焼鈍することなく積層して鉄心を製造する方法が挙げられる。この製造方法はとくに大形(例えば最長辺の長さが500mm超え)の板に剪断して、大型の鉄心を製造する場合、とくに有利である。鋼板の積層数、前記剪断により得る鋼板の寸法・形状、前記溝の有無やその寸法、さらにはコーティングの有無や種類などは、従来の知識に基づき、適宜選択すればよい。
C:0.065%、Si:3.25%、Mn:0.13%、Al:240ppm、N:70ppm、S:36ppmおよびNb:25ppmを含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1400℃でスラブ加熱した後、熱間圧延により2.4mmの厚さに仕上げた。その後1000℃で40秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延により1.6mmの板厚とし、さらに900℃の中間焼鈍を施した後、冷間圧延により0.23mm厚に仕上げた。
表2記載の成分を含有する方向性電磁鋼板の製品板(板厚:0.23mm)であって、通常の製造方法に従い2次再結晶焼鈍を施し、ついで、純化焼鈍を1150℃で施した後、900℃から500℃までの冷却速度を25℃/hとして得たものを用意した。
この方向性電磁鋼板を、30mm×280mmサイズに切断した。このとき、ワイヤーカッターによる切断した場合と、剪断機による切断の場合との2条件で行った。
また、析出物の調査を行った結果、平均の析出物径は0.05〜3.34μmであり、析出割合は、0〜79%であった。
C:0.065%、Si:3.25%、Mn:0.13%、Cr:0.05%、Al:240ppm、N:70ppm、S:36ppm、P:0.013%、Sn:0.075%、Sb:0.036%、Mo:0.011%およびNb:25ppmを含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼スラブを、連続鋳造にて製造し、1400℃でスラブ加熱した後、熱間圧延により2.4mmの厚さに仕上げた。その後1000℃で40秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延により1.6mmの板厚とし、さらに700〜1020℃の温度範囲で中間焼鈍を施した後、冷間圧延により0.23mm厚の鋼板に仕上げた。
圧延直角方向と10°の角度をなすように8mmピッチで形成した。その後、60体積%N2-40体積%H2湿潤雰囲気中にて、800〜900℃で90秒の均熱条件の再結晶焼鈍を施した後、MgOを主体とする焼鈍分離剤を塗布し、1220℃で6時間の純化焼鈍を行った。その後、900℃から500℃までの冷却速度を10℃/hとして冷却した。
Claims (3)
- 質量%で、C:0.005%以下、Si:1.0〜8.0%およびMn:0.005〜1.0%を含有し、かつNb、Ta、VおよびZrのうちから選んだ1種または2種以上を合計で10〜50質量ppm含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなり、これらNb、Ta、VおよびZrは含有量の少なくとも10%が析出物として存在し、かつ該析出物の直径(円相当径)が平均で0.02〜3μmであり、さらに鋼板の2次再結晶粒の平均粒径が5mm以上であることを特徴とする方向性電磁鋼板。
- 質量%で、さらにNi:0.010〜1.50%、Cr:0.01〜0.50%、Cu:0.01〜0.50%、P:0.005〜0.50%、Sn:0.005〜0.50%、Sb:0.005〜0.50%、Bi:0.005〜0.50%およびMo:0.005〜0.100%のうちから選んだ少なくとも一種を含有することを特徴とする請求項1に記載の方向性電磁鋼板。
- 鋼板表面に、該鋼板の圧延直角方向に対して15°以内の角度で圧延方向と交差し、幅:50〜1000μm 、深さ:10〜50μm の直線状または破線状の溝を有することを特徴とする請求項1または2に記載の方向性電磁鋼板。
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