JP5417689B2

JP5417689B2 - 無方向性電磁鋼板

Info

Publication number: JP5417689B2
Application number: JP2007072358A
Authority: JP
Inventors: 善彦尾田; 雅昭河野; 智幸大久保
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008231504A

Description

本発明は、無方向性電磁鋼板に関し、特に、ハイブリッド電気自動車等に用いて好適な高周波鉄損特性に優れる無方向性電磁鋼板に関するものである。

ハイブリッド電気自動車用モータは、小型化、高効率化の観点から、４００Ｈｚ〜２ｋＨｚの高周波域で駆動するよう設計されている。したがって、このようなモータのコア材に用いられる無方向性電磁鋼板は、高周波鉄損が低いことが望ましい。高周波鉄損を低減するためには、板厚の低減と固有抵抗を高めることが有効である。

このうち、板厚を低減することは、剛性の低下を招いて材料の取り扱いを難しくするばかりでなく、モータコア製造における打ち抜き工数や積み工数を増加させるという問題がある。一方、固有抵抗を高めるには、Ｓｉの添加が効果的であり、板厚の低減を招かないため、高周波鉄損を低減する上では好ましい。しかし、Ｓｉは固溶強化能の大きい元素であるため、Ｓｉ添加にともなって材料が硬化し、圧延性や加工性が低下するという問題がある。

このような問題点を解決する手段として、Ｓｉの代わりにＭｎを添加する技術がある。Ｍｎは、Ｓｉに比べて固溶強化能が小さいため、製造性の劣化を抑制しつつ高周波鉄損の改善が可能となる。このようなＭｎの効果を活用した技術としては、例えば、特許文献１には、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：０．５〜２．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．０〜３．５ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．０〜３．０ｍａｓｓ％を含有する無方向性電磁鋼板が開示されている。また、特許文献２には、Ｃ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：３．０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：１．０〜４．０ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．０〜３．０ｍａｓｓ％を含有する無方向性電磁鋼板が開示されている。
特開２００２−４７５４２号公報特開２００２−３０３９７号公報

しかしながら、上記特許文献１および２の技術は、いずれもＭｎ添加量が増加するのに伴ってヒステリシス損が増大し、所期した鉄損の低下が得られない場合があり、Ｍｎ添加による鉄損低減効果を安定して得ることできないという問題を有するものであった。

そこで、本発明の目的は、Ｍｎ添加による高周波鉄損低減効果を安定して実現することができる無方向性電磁鋼板を提供することにある。

発明者らは、従来のＭｎ添加無方向性電磁鋼板が抱える問題点、即ち、Ｍｎ添加によりヒステリシス損が増大するという問題点を解決するために、その原因を探るべく鋭意検討を重ねた。その結果、Ｍｎ原料として使用されているフェロマンガン等から不可避的に混入してくるＳｅがＭｎと析出物を生成し、このＳｅ析出物の存在によりＭｎの鉄損低減効果が妨げられていること、従って、Ｍｎの鉄損低減効果を効果的に発現させるためには、不可避的不純物として混入してくるＳｅの低減が有効であることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：１．５〜４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１〜５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらに、Ｓｅ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００７ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板である。

また、本発明は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：１．５〜４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１〜５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらに、Ｓｅ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板である。

また、本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分組成に加えてさらに、Ｓｂ：０．０００５〜０．０５ｍａｓｓ％およびＳｎ：０．０００５〜０．０５ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種を含有することを特徴とする。

また、本発明の無方向性電磁鋼板は、Ｔｉ：０．００２ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする。

本発明によれば、Ｍｎ添加無方向性電磁鋼板の高周波鉄損を安定して低減することができるので、製品品質の向上や歩留まりの向上に寄与する。さらに、本発明の無方向性電磁鋼板は、高周波鉄損特性に優れるので、ハイブリッド電気自動車用や工作機械用のモータのコア材として好適に用いることができる。

本発明を開発する契機となった実験について説明する。
発明者らは、磁気特性に及ぼすＭｎの影響を調査するため、Ｃ：０．００１５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．９ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．２ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００７ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００２１ｍａｓｓ％を含有し、Ｍｎを０．１〜３．５ｍａｓｓ％の範囲で変化させた鋼を実験室にて溶解し、熱間圧延して熱延板としたのち１００ｖｏｌ％Ｎ_２雰囲気中で１０００℃×３０秒の熱延板焼鈍を施した。次いで、上記熱延板を冷間圧延して板厚０．３０ｍｍの冷延板としたのち２０ｖｏｌ％Ｈ_２−８０ｖｏｌ％Ｎ_２雰囲気中で９５０℃×３０秒の仕上焼鈍を行い無方向性電磁鋼板とした。

次いで、上記のようにして得た無方向性電磁鋼板から、幅３０ｍｍ×長さ２８０ｍｍのエプスタイン試験片を圧延方向および圧延直角方向より切り出し、ＪＩＳＣ２５５０に準拠して、最大磁束密度１．０Ｔ、周波数４００Ｈｚにおける鉄損Ｗ_{１０／４００}を測定した。図１の●印は、上記測定の結果を、Ｍｎ含有量とＷ_{１０／４００}との関係で示したものである。この結果から、Ｍｎが１ｍａｓｓ％未満ではＭｎ含有量の増加に伴い鉄損が低下しているが、１ｍａｓｓ％以上では、鉄損の低下が緩やかとなり、２％以上の高Ｍｎ域ではむしろ鉄損が増加する傾向があることが明らかとなった。

この原因を調査するため、２ｍａｓｓ％Ｍｎ添加鋼についてＴＥＭで鋼中の析出物を観察したところ、Ｍｎのセレン化物が粒界に析出しているのが認められた。また、鋼中のＳｅ含有量を定量分析したところ、１１〜１５ｍａｓｓｐｐｍであることがわかった。

そこで、磁気特性に及ぼすＳｅの影響を明らかにするために、Ｃ：０．００１６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：２．８ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．３ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００７ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００２１ｍａｓｓ％を含有し、高純度のＭｎ原料を用いて、Ｍｎの含有量を０．１〜３．５ｍａｓｓ％の範囲で変化させた鋼を実験室にて溶解し、上記実験と同じ条件で無方向性電磁鋼板とした。なお、上記鋼中のＳｅ含有量は、いずれも５ｍａｓｓｐｐｍ以下であった。

上記のようにして得た無方向性電磁鋼板について、上記実験と同様の条件で高周波鉄損Ｗ_{１０／４００}を測定し、その結果を図１中に○印で示した。この結果から、Ｓｅを５ｍａｓｓｐｐｍ以下に低減した場合には、Ｍｎが１ｍａｓｓ％未満では、Ｍｎの鉄損低減効果に及ぼす影響は小さいが、Ｍｎ添加量が高まるほど鉄損が低下し、Ｓｅ低減の効果が現れてくることがわかる。この原因は、現時点では明らかではないが、Ｍｎのセレン化物の生成量はＳｅの量に依存するため、Ｓｅを低減するほど、Ｍｎのセレン化物の量は少なくなり、粒成長しやすくなること、さらに、高Ｍｎ鋼では、Ｍｎのｓｏｌｕｔｅｄｒａｇにより、粒成長の駆動力が低下しているため、Ｓｅの析出物の微量な変化（低減）であっても、粒成長性が相乗的に影響を受けやすくなり、そのため、Ｍｎ含有量が大きいほど、Ｓｅ低減の効果が現れたものと考えられる。なお、Ｍｎのセレン化合物としては、ＭｎＳｅが考えられる。

次に、鉄損に及ぼすＳｅの影響を確認するため、Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．１０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：２．０ｍａｓｓ％、Ａｌ：１．２ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０００４ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１８ｍａｓｓ％を含有し、Ｓｅの含有量をｔｒ．〜５０ｍａｓｓｐｐｍの範囲で変化させた鋼を実験室にて溶解し、上記実験と同一の条件で無方向性電磁鋼板とし、高周波鉄損Ｗ_{１０／４００}を測定した。

その結果を、図２に、Ｓｅ含有量と鉄損との関係として示した。図２より、Ｓｅ含有量を１０ｍａｓｓｐｐｍ以下とすることで、鉄損が大きく低下することがわかる。これはＳｅ低減によりＭｎのセレン化物量が低下し、粒成長性が向上したためと考えられる。よって、本発明では、Ｓｅの含有量を１０ｍａｓｓｐｐｍ以下とする。好ましくは、５ｍａｓｓｐｐｍ以下である。

次に、Ｓｅ以外の成分の組成範囲を限定する理由について説明する。
Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｃは、０．００５ｍａｓｓ％超であると、Ｍｎ系の炭化物を生じて鉄損が増加するため、上限を０．００５ｍａｓｓ％とする。好ましくは０．００２ｍａｓｓ％以下である。

Ｓｉ：１．５〜４ｍａｓｓ％
Ｓｉは、鋼板の固有抵抗を高めるのに有効な元素であるため１．５ｍａｓｓ％以上添加する。しかし、４ｍａｓｓ％を超えると、鉄損は低下するものの、飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度が低下する。よって、Ｓｉは１．５〜４ｍａｓｓ％の範囲とする。

Ｍｎ：１〜５ｍａｓｓ％
Ｍｎは、鋼板の固有抵抗を上げるのに有効な元素であるため、下限を１ｍａｓｓ％とする。一方、５ｍａｓｓ％超えでは、磁束密度が低下するので、上限は５ｍａｓｓ％とする。なお、鉄損をさらに低減するためには、Ｍｎは１．５ｍａｓｓ％以上とするのがより好ましい。

Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ｐは、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、鋼板が硬くなり、圧延が難しくなるため、上限を０．１ｍａｓｓ％とする。

Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｓは、含有量が０．００５ｍａｓｓ％を超えると、ＭｎＳの析出により鉄損が増大するため、上限を０．００５ｍａｓｓ％とする。好ましくは、０．００１ｍａｓｓ％以下である。

Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、Ｓｉと同様、固有抵抗を高めるのに有効な元素である。しかし、３ｍａｓｓ％を超えると、鉄損は低下するものの、飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度が低下するため、上限を３ｍａｓｓ％とする。

Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下
Ｎは、含有量が多いと、Ａｌと結合してＡｌＮの析出量が多くなり、鉄損を増大させる原因となる。よって、Ｎは０．００５ｍａｓｓ％以下とする。

本発明の無方向性電磁鋼板は、上記必須とする成分以外に、ＣａおよびＭｇを、下記の範囲で添加することができる。
Ｃａ：０．０００５〜０．００７ｍａｓｓ％
Ｃａは、析出したセレン化物と複合し、析出物を粗大化するため、鉄損を低減する効果がある。上記効果を得るためには、０．０００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、０．００７ｍａｓｓ％を超えると、ＣａＳおよびセレン化物の析出量が多くなり過ぎ、却って鉄損が増加するため、上限は０．００７ｍａｓｓ％とする。なお、Ｃａを添加する場合には、ＳｅはＣａと複合析出するため、Ｓｅの含有量を２０ｍａｓｓｐｐｍまで許容することができる。ただし、この場合でも、１０ｍａｓｓｐｐｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５ｍａｓｓｐｐｍ以下である。

Ｍｇ：０．０００３〜０．００５ｍａｓｓ％
Ｍｇは、鋼中で酸化物を形成し、この酸化物にＳｅが複合析出して粗大化するため、鉄損を低減する効果がある。上記効果を得るためには、０．０００３ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましく、０．０００５ｍａｓｓ％以上の添加がより好ましい。一方、０．００５ｍａｓｓ％を超えて添加することは困難であり、いたずらにコストアップを招くだけであるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とする。なお、Ｍｇを添加する場合には、ＳｅはＭｇと複合析出するため、Ｓｅの含有量を２０ｍａｓｓｐｐｍまで許容することができる。ただし、この場合でも、１０ｍａｓｓｐｐｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５ｍａｓｓｐｐｍ以下である。

さらに、本発明の無方向性電磁鋼板は、上記必須成分、Ｃａ，Ｍｇ以外に、Ｓｂ，Ｓｎを下記の範囲で添加することができる。
ＳｂおよびＳｎは、０．０００５ｍａｓｓ％以上の添加により、集合組織を改善し、磁束密度を向上する効果があるので、０．０００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。より好ましくは０．０１ｍａｓｓ％以上である。一方、過度の添加は、鋼板が脆化しやすくなるため、上限を０．０５ｍａｓｓ％とする。

なお、Ｔｉは、鋼中のＣやＮと炭窒化物を形成するが、Ｔｉ含有量が多くなると、炭窒化物の析出量が多くなり鉄損を増大させるため、０．００２ｍａｓｓ％以下に制限することが好ましい。
上記成分以外は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。

次に、本発明の無方向性電磁鋼板の製造方法について説明する。
本発明の無方向性電磁鋼板は、成分組成を上記説明した範囲内とすること以外に、製造方法について特に制限されるものではなく、通常公知の方法でかまわない。すなわち、転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理して上記所定範囲の成分組成に調整し、引き続き、連続鋳造してスラブとし、熱間圧延する。熱間圧延における仕上圧延終了温度、巻取温度は、特に制限する必要はなく、通常の条件でかまわない。また、熱延後の熱延板焼鈍は、行っても良いが必須ではない。次いで、１回の冷間圧延もしくは中間焼鈍を挟んで２回以上の冷間圧延により所定の板厚とし、仕上焼鈍して、製品（無方向性電磁鋼板）とするのが好ましい。

転炉で吹練した溶鋼を脱ガス処理して、表１−１、１−２に示した成分組成を有する各種の鋼を溶製し、連続鋳造してスラブとし、該スラブを１１００℃×１ｈｒの加熱後、仕上圧延終了温度を８００℃とする熱間圧延により板厚２．０ｍｍの熱延板とし、６１０℃で巻き取った。次いで、この熱延板を、１００ｖｏｌ％Ｎ_２雰囲気中で１０００℃×３０秒の熱延板焼鈍を施した後、冷間圧延して板厚０．３０ｍｍの冷延板とし、その後、２０ｖｏｌ％Ｈ_２−８０ｖｏｌ％Ｎ_２雰囲気中で、表１に示す条件で仕上焼鈍を行い無方向性電磁鋼板とした。

上記のようにして得た無方向性電磁鋼板から、幅３０ｍｍ×長さ２８０ｍｍのエプスタイン試験片を圧延方向および圧延直角方向より切り出し、ＪＩＳＣ２５５０に準拠して、最大磁束密度１．０Ｔ、周波数４００Ｈｚにおける鉄損Ｗ_{１０／４００}および磁界の強さ５０００Ａ／ｍにおける磁束密度Ｂ_５０を測定し、結果を、表１−１、１−２中に併記して示した。

表１−１，１−２から、本発明の成分組成に適合する無方向性電磁鋼板は、鉄損Ｗ_{１０／４００}が１２．４０ｋｇ／ｋｇ以下、磁束密度Ｂ_５０が１．６４Ｔ以上であり、磁気特性に優れていることがわかる。

本発明の無方向性電磁鋼板は、自動車用モータのコア材の他、エアコンプレッサーモータや工作機械用モータ、高速発電機等の分野にも適用することができる。

無方向性電磁鋼板の鉄損とＭｎ含有量との関係に及ぼすＳｅ含有量の影響を示すグラフである。高Ｍｎ無方向性電磁鋼板の鉄損に及ぼすＳｅ含有量の影響を示すグラフである。

Claims

Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：１．５〜４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１〜５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらに、Ｓｅ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｃａ：０．０００５〜０．００７ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板。
Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：１．５〜４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１〜５ｍａｓｓ％、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下を含有し、さらに、Ｓｅ：０．００２０ｍａｓｓ％以下、Ｍｇ：０．０００３〜０．００５ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる無方向性電磁鋼板。
上記成分組成に加えてさらに、Ｓｂ：０．０００５〜０．０５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の無方向性電磁鋼板。
上記成分組成に加えてさらに、Ｓｎ：０．０００５〜０．０５ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の無方向性電磁鋼板。
上記成分組成に加えてさらに、Ｔｉ：０．００２ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の無方向性電磁鋼板。