WO2020137500A1 - 無方向性電磁鋼板 - Google Patents

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WO2020137500A1
WO2020137500A1 PCT/JP2019/048175 JP2019048175W WO2020137500A1 WO 2020137500 A1 WO2020137500 A1 WO 2020137500A1 JP 2019048175 W JP2019048175 W JP 2019048175W WO 2020137500 A1 WO2020137500 A1 WO 2020137500A1
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steel sheet
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electrical steel
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尾田　善彦
善彰 財前
智幸 大久保
田中　孝明
幸乃 宮本
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Ｊｆｅスチール株式会社
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a non-oriented electrical steel sheet, and specifically to a non-oriented electrical steel sheet suitable for use in a rotor core of a motor.
  • IPM motors embedded magnet motors
  • a permanent magnet is embedded in the slot portion, and during high speed rotation, a large stress is applied to the bridge portion due to centrifugal force. From the viewpoint of securing the rotor strength, it is sufficient to widen the width of the bridge portion, but in this case, since the leakage flux of the permanent magnet increases and the motor efficiency decreases, the bridge width is within the range where the rotor strength is established. Designed to be as narrow as possible. Therefore, the magnetic steel sheet used for the motor core needs to have tensile strength capable of withstanding centrifugal force at high speed rotation and fatigue strength corresponding to repeated load. Further, in a concentrated winding motor, iron loss due to higher harmonics occurs on the surface of the rotor core, so it is also necessary for the electromagnetic steel sheet used for the rotor core to have low high-frequency iron loss.
  • Patent Document 1 discloses that Si: 0.2 to 3.5 mass%, Al: 2.50 mass% or less, and Nb: 0.05 to 8.0 mass%.
  • a high strength electrical steel sheet having a composition is disclosed.
  • Patent Document 2 has a composition of Si: 2.0 to 3.5 mass%, Al: 0.02 to 3.0 mass%, N: 0.005 to 0.020 mass%, and the product plate surface To high-strength electrical steel sheets having an average crystal grain size of 10 ⁇ m or less from 1 to 10 ⁇ m in depth are disclosed.
  • Patent Document 1 uses precipitation strengthening of Nb, the strength is high, but there is a problem that iron loss increases.
  • Patent Document 2 also has a problem that iron loss increases because the nitrogen content is high.
  • it is effective to reduce the impurity elements such as C, S, and N and to reduce the grain size, but there is a problem that the variation in the strength is large. is there.
  • the present invention has been made in view of the above problems of the conventional technology, and an object thereof is to provide a non-oriented electrical steel sheet having low iron loss and excellent tensile strength and fatigue strength.
  • the inventors made extensive studies to solve the above problems. As a result, it was found that by reducing inclusions in steel and reducing Zn contained as impurities, it is possible to improve tensile strength and fatigue strength while reducing iron loss, and reduce variations in strength, The present invention has been developed.
  • C 0.005 mass% or less, Si: 3 to 5 mass%, Mn: 5 mass% or less, P: 0.1 mass% or less, S: 0.01 mass% or less, Al: 3 mass% or less, N : 0.005 mass% or less and Zn: 0.0005 to 0.003 mass%, with the balance being Fe and inevitable impurities, and having an average crystal grain size of 40 ⁇ m or less and an inclusion of 5 ⁇ m or more in diameter.
  • a non-oriented electrical steel sheet having a tensile strength of 600 MPa or more and a fatigue strength of 450 MPa or more at 5 pieces/mm 2 or less.
  • the non-oriented electrical steel sheet of the present invention is characterized by further containing Cr in an amount of 0.1 to 5 mass% in addition to the above composition.
  • non-oriented electrical steel sheet of the present invention is characterized by further containing Ca in an amount of 0.001 to 0.005 mass% in addition to the above component composition.
  • non-oriented electrical steel sheet of the present invention is, in addition to the above component composition, one or two selected from Sn: 0.001 to 0.1 mass% and Sb: 0.001 to 0.1 mass%. It is characterized by containing a seed.
  • the non-oriented electrical steel sheet of the present invention in addition to the above component composition, further has Ni: 0.1 to 2 mass%, Mo: 0.001 to 0.05 mass%, Cu: 0.01 to 0.2 mass%. , Mg: 0.001 to 0.005 mass%, REM: 0.001 to 0.005 mass%, and (Ti+V): 0.005 to 0.05 mass%. Characterize.
  • the present invention it is possible to provide a non-oriented electrical steel sheet having low iron loss and excellent tensile strength and fatigue strength. Then, by using the non-oriented electrical steel sheet, it is possible to stably provide a rotor core material of a high-speed rotation motor having excellent high frequency iron loss characteristics.
  • a fatigue test piece having a parallel portion with a width of 5 mm and a length of 150 mm was taken from the finish annealed plate with the rolling direction as the length direction and subjected to a fatigue test.
  • ⁇ : 3.2S finish (according to JIS B0601 (1970). The same applies hereinafter) was applied to the parallel part, and polishing was performed using No. 800 emery paper along the length direction.
  • the fatigue test was carried out under tension-tension, stress ratio of 0.1, and frequency of 20 Hz, and the fatigue limit was defined as the stress amplitude at which fracture did not occur even after repeated 10 7 times.
  • the average crystal grain size of the test piece was measured according to JIS G 0551 after polishing the cross section in the rolling direction and etching with nital.
  • Figure 1 shows the relationship between the average grain size and the fatigue limit. From this figure, it is understood that the fatigue limit is improved by refining the average crystal grain size, and specifically, the fatigue limit is 450 MPa or more when the average crystal grain size is 40 ⁇ m or less. Further, by setting the average crystal grain size to 40 ⁇ m or less, the tensile strength of 600 MPa or more can be secured. From this result, in the present invention, the average crystal grain size of the product plate is specified to be 40 ⁇ m or less. It is preferably 30 ⁇ m or less.
  • the above fatigue limit of 450 MPa is a lower limit value required for the rotor material of the HEV/EV motor so that the bridge portion of the rotor is not destroyed by repeated use.
  • the preferred fatigue limit is 470 MPa or more and the tensile strength is 650 MPa or more.
  • the equivalent circle diameter is the diameter of a circle having the same area as the area of the observed inclusion.
  • FIG. 2 shows the relationship between the number of inclusions having an equivalent circle diameter of 5 ⁇ m or more and the fatigue limit. From this figure, it is understood that if the number of inclusions having an equivalent circle diameter of 5 ⁇ m or more exceeds 5 pieces/mm 2 , the fatigue limit sharply decreases. In the low-strength electrical steel sheet, the influence of inclusions on the fatigue limit is small, but in the high-strength electrical steel sheet, the influence of coarse inclusions on the fatigue limit is apparent because crack susceptibility increases. From the above results, in the present invention, the number of inclusions having an equivalent circle diameter of 5 ⁇ m or more is limited to 5/mm 2 or less. The number is preferably 3 pieces/mm 2 or less.
  • the reason for this is that if Zn is mixed into the steel, the recrystallization behavior during finish annealing becomes unstable and the crystal grain size fluctuates. Therefore, in the present invention, the content of Zn mixed in as an unavoidable impurity is limited to 0.003 mass% or less.
  • the present invention was developed based on the above-mentioned novel findings.
  • C 0.005 mass% or less
  • C is a harmful element that forms and precipitates a carbide and increases iron loss, so is limited to 0.005 mass% or less. It is preferably 0.003 mass% or less.
  • Si 3-5 mass% Si is an element effective in increasing the specific resistance of the steel sheet and reducing the iron loss, so Si is contained in an amount of 3 mass% or more.
  • the magnetic flux density also decreases as the saturation magnetic flux density decreases, so the upper limit is made 5 mass %. It is preferably in the range of 3.5 to 4.5 mass %.
  • Mn 5 mass% or less
  • Mn is an element effective for increasing the specific resistance of the steel sheet, but if it exceeds 5 mass%, the magnetic flux density decreases, so the upper limit is made 5 mass %. It is preferably 2 mass% or less.
  • the lower limit of Mn is not particularly specified, but from the viewpoint of improving hot workability and iron loss, it is preferable to contain 0.1 mass% or more.
  • P 0.1 mass% or less
  • P is an element effective in increasing the strength of the steel and improving the punchability, but if added in excess of 0.1 mass%, the steel becomes brittle and cold-rolls. Is difficult to achieve, so the content is limited to 0.1 mass% or less. It is preferably in the range of 0.002 to 0.01 mass%.
  • S 0.01 mass% or less S is a harmful element that forms Mn and MnS and precipitates to increase iron loss. Particularly, when 0.01 mass% is exceeded, the above-mentioned adverse effects become remarkable. Therefore, S is limited to 0.01 mass% or less. It is preferably 0.005 mass% or less.
  • Al 3 mass% or less
  • Al is an element effective in increasing the specific resistance and reducing the iron loss, but when it exceeds 3 mass%, the magnetic flux density also decreases with the decrease of the saturation magnetic flux density. Therefore, it is limited to 3 mass% or less. It is preferably 2 mass% or less.
  • the lower limit of Al is not particularly defined, but from the viewpoint of improving iron loss, 0.3 mass% or more is preferable, and 0.5 mass% or more is more preferable.
  • N 0.005 mass% or less
  • N is a harmful element that forms a nitride and precipitates to increase iron loss, and particularly when it exceeds 0.005 mass%, the above-mentioned adverse effects become remarkable. Therefore, N is limited to 0.005 mass% or less. It is preferably 0.002 mass% or less.
  • Zn 0.0005 to 0.003 mass%
  • Zn is a harmful element that increases variations in tensile strength through fluctuations in recrystallization behavior, and is limited to 0.003 mass% or less in the present invention from the viewpoint of reducing variations in tensile strength. .. It is preferably 0.002 mass% or less. From the above viewpoint, it is preferable that the Zn content is smaller, but addition of a small amount of Zn also has an effect of suppressing nitriding and improving iron loss. Further, excessive reduction requires careful selection of raw materials and scraps to be used, which increases cost. Therefore, the lower limit of Zn is set to about 0.0005 mass%.
  • the non-oriented electrical steel sheet of the present invention preferably further contains the following components in addition to the above components.
  • Cr 0.1-5 mass% Cr, like Si, is an element effective in increasing the specific resistance and reducing the iron loss, so it is preferable to contain Cr in an amount of 0.1 mass% or more. However, if the content exceeds 5 mass %, the magnetic flux density also decreases as the saturation magnetic flux density decreases, so it is preferable to add it at 5 mass% or less.
  • Ca 0.001 to 0.005 mass% Since Ca is an element that forms CaS and fixes S and contributes to the reduction of iron loss, it is preferable to contain 0.001 mass% or more. However, if it exceeds 0.005 mass %, the above effect is saturated and only the manufacturing cost is increased, so the upper limit is made 0.005 mass %.
  • Sn 0.001 to 0.1 mass%
  • Sb 0.001 to 0.1 mass% Since Sn and Sb are elements effective for improving the texture and magnetic flux density, it is preferable to contain each 0.001 mass% or more. On the other hand, if it exceeds 0.1 mass %, the above effect is saturated and the manufacturing cost is only increased. Therefore, the upper limit is set to 0.1 mass %.
  • Ni 0.1-2 mass%
  • Ni is an element effective for improving the magnetic flux density. In order to obtain the above effect, it is preferable to add 0.1 mass% or more. On the other hand, the addition of more than 2 mass% saturates the above effect and raises the raw material cost, so the upper limit is preferably set to 2 mass%.
  • Mo 0.001 to 0.05 mass%
  • Mo is an element that precipitates as fine carbides and enhances the strength of steel. In order to obtain the above effect, it is preferable to add 0.001 mass% or more. On the other hand, when the addition amount exceeds 0.05 mass%, the iron loss remarkably increases, so the upper limit is preferably set to 0.05 mass%.
  • Cu 0.01 to 0.2 mass% Cu is an element that improves the texture and improves the magnetic flux density. In order to obtain this effect, it is preferable to add 0.01 mass% or more. On the other hand, if it exceeds 0.2 mass %, the above effect is saturated and only the cost of raw materials is increased, so the upper limit is preferably 0.2 mass %.
  • Mg 0.001 to 0.005 mass%
  • Mg is an element that coarsens inclusions and contributes to reducing iron loss. In order to obtain the above effect, it is preferable to add 0.001 mass% or more. On the other hand, if the addition amount exceeds 0.005 mass %, the above effect is saturated and the raw material cost is only increased. Therefore, the upper limit is preferably 0.005 mass %.
  • REM 0.001 to 0.005 mass% REM is an element that coarsens sulfide-based inclusions and contributes to iron loss reduction. In order to obtain the above effect, it is preferable to add 0.001 mass% or more. On the other hand, if the addition amount exceeds 0.005 mass %, the above effect is saturated and the raw material cost is only increased. Therefore, the upper limit is preferably 0.005 mass %.
  • Ti and V are elements that form and precipitate fine carbonitrides and enhance the strength of steel. To obtain this effect, it is preferable to add Ti or V alone or to add Ti and V in a total amount of 0.005 mass% or more. On the other hand, if the addition amount of Ti or V alone or the total addition amount of Ti and V exceeds 0.05 mass %, the iron loss will be remarkably increased. Therefore, the upper limit of single or total should be 0.05 mass %. Is preferred.
  • the balance other than the above components is Fe and inevitable impurities. Since O is a harmful element that forms an oxide-based inclusion and increases iron loss, it is more preferable to reduce O as much as possible and limit it to 0.005 mass% or less.
  • the manufacturing method of the non-oriented electrical steel sheet of the present invention may be carried out according to a conventional method for the other manufacturing conditions as long as it is within the range of the component composition defined in the present invention. That is, molten steel blown in a converter is secondarily refined by vacuum degassing, etc., and adjusted to the above-mentioned predetermined composition, and then made into a steel material (slab) by continuous casting or ingot-slump rolling. It can be manufactured by a method of performing hot rolling, annealing a hot-rolled sheet if necessary, cold-rolling to obtain a cold-rolled sheet having a final thickness, and performing finish annealing.
  • the reflux time after the addition of the deoxidizing agent in the vacuum degassing process of the secondary refining is 10 min. It is preferable to secure the above. Further, since Zn mixed in from scrap or ferroalloy is evaporated and removed, it is preferable to secure a reflux time of 5 minutes or more after charging scrap or ferroalloy.
  • the equipment used for the vacuum degassing treatment may be either the RH method or the DH method.
  • finish rolling end temperature FDT and the coiling temperature CT in the hot rolling may be in accordance with ordinary methods, and are not particularly limited. Annealing of the hot rolled sheet after hot rolling may be performed, but is not essential. Further, the cold rolling may be performed once or twice or more with the intermediate annealing interposed, and there is no particular limitation. The finish annealing following the cold rolling is preferably carried out at a soaking temperature of 850° C. or lower for the purpose of refining the crystal grains, and a soaking time of 5 to 120 s is preferable.
  • the steel sheet after the above finish annealing is coated with an insulating coating as necessary to make a product sheet.
  • the insulating coating is appropriately selected from inorganic, organic and mixed inorganic/organic coatings according to the purpose.
  • the molten steel blown in the converter was subjected to vacuum degassing treatment, and No. 1 shown in Table 1 was used.
  • Steel having a composition of 1 to 62 was melted and continuously cast into a steel material (slab).
  • the reflux time after deoxidation in the vacuum degassing process was changed as shown in Table 2.
  • the slab was reheated to a temperature of 1140° C., held for 1 hour, hot-rolled to a finish rolling end temperature of 800° C. to form a hot-rolled sheet, and then wound into a coil at a temperature of 610° C. ..
  • the hot rolled sheet is annealed in a 100 vol% N 2 atmosphere under the condition of 950° C. ⁇ 30 s, pickled, and then cold rolled to obtain a cold rolled sheet having a sheet thickness of 0.25 mm. after, under 20vol% H 2 -80vol% N 2 atmosphere, annealed finish under the conditions shown in Table 2, and the product sheet.
  • Epstein test pieces were sampled from the rolling direction and the direction perpendicular to the rolling, and the magnetic flux density B 50 and the high frequency iron loss W 5/3k were measured by the Epstein method. Further, a sample for observing a structure was taken from the above product plate, the cross section in the rolling direction was polished, and etched with Nital, and then the average crystal grain size was measured according to JIS G0551 to measure the steel plate surface. After polishing to 50 ⁇ m, 10 fields of view of 0.1 mm 2 were observed by SEM, and the number of inclusions having an equivalent circle diameter of 5 ⁇ m or more per 1 mm 2 was determined. Further, 20 JIS No.
  • test pieces having a rolling direction as a tensile direction are taken from the product plate, a tensile test is performed in accordance with JIS Z 2241, and a tensile strength TS is measured. The average value and standard deviation ⁇ were determined. Further, a fatigue test piece having a width of a parallel portion of 5 mm and a length of 150 mm whose length direction is the rolling direction was sampled from the above product plate, and the fatigue test was conducted under a tensile-tensile stress ratio of 0.1 and a frequency of 20 Hz. The stress amplitude (fatigue limit) at which breakage does not occur even after 10 7 times was measured. The fatigue test piece had a parallel portion with a ⁇ finish and was further polished in the longitudinal direction with No. 800 emery paper.
  • the technology of the present invention can be applied not only to HEV/EV motors and high-efficiency air conditioner motors, but also to rotor materials for high-speed motors such as spindle motors of machine tools and railway motors.

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Abstract

Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：３～５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００５～０．００３ｍａｓｓ％、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、平均結晶粒径が４０μｍ以下、直径５μｍ以上の介在物が５個／ｍｍ２以下で、引張強さが６００ＭＰａ以上かつ疲労強度が４５０ＭＰａ以上である低鉄損でかつ引張強度および疲労強度に優れる無方向性電磁鋼板。

Description

無方向性電磁鋼板
　本発明は、無方向性電磁鋼板に関し、具体的には、モータのロータコアに用いて好適な無方向性電磁鋼板に関するものである。
　電気自動車やエアコンのモータには、高効率が求められることから、埋め込み磁石式モータ（ＩＰＭモータ）が一般に使用されている。ＩＰＭモータのロータコアには、スロット部に永久磁石が埋め込まれており、高速回転時には、遠心力によってブリッジ部に大きな応力が加わることとなる。ロータ強度を確保する観点からは、ブリッジ部の幅を広くすればよいが、この場合、永久磁石の漏れ磁束が多くなってモータ効率が低下することから、ブリッジ幅はロータ強度が成立する範囲で可能な限り狭く設計されている。そのため、モータコアに用いられる電磁鋼板には、高速回転時の遠心力に耐え得る引張強度および繰り返しの負荷に対応した疲労強度が必要となる。また、集中巻きのモータでは、ロータコア表面に高調波に起因した鉄損が発生するため、ロータコアに用いられる電磁鋼板には高周波鉄損が低いことも必要となる。
　このような要求に応えるロータコア用材料として、例えば、特許文献１には、Ｓｉ：０．２～３．５ｍａｓｓ％、Ａｌ：２．５０ｍａｓｓ％以下、Ｎｂ：０．０５～８．０ｍａｓｓ％の成分組成からなる高強度電磁鋼板が開示されている。また、特許文献２には、Ｓｉ：２．０～３．５ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．０２～３．０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００５～０．０２０ｍａｓｓ％の成分組成を有し、製品板表面から深さ１０μｍまでの平均結晶粒径が１０μｍ以下の高強度電磁鋼板が開示されている。
特開２０１０－１５９４９４号公報 特開２００５－１１３２５２号公報
　しかしながら、上記特許文献１に開示の技術は、Ｎｂの析出強化を利用しているため、強度は高いが、鉄損が増加するという問題がある。また、上記特許文献２に開示の技術も、窒素含有量が高いため、鉄損が増加するという問題がある。さらに、電磁鋼板の引張強度および疲労強度の向上を図る手段として、ＣやＳ，Ｎ等の不純物元素を低減しつつ細粒化を図ることが有効であるが、強度のばらつきが大きいという問題がある。
　本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低鉄損でかつ引張強度および疲労強度に優れる無方向性電磁鋼板を提供することにある。
　発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、鋼中介在物を低減するとともに、不純物として含有するＺｎを低減することにより、低鉄損でありながら、引張強度と疲労強度を向上し、かつ、強度のばらつきを低減できることを見出し、本発明を開発するに至った。
　すなわち、本発明は、Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：３～５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００５～０．００３ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、平均結晶粒径が４０μｍ以下、直径５μｍ以上の介在物が５個／ｍｍ２以下で、引張強さが６００ＭＰａ以上かつ疲労強度が４５０ＭＰａ以上である無方向性電磁鋼板である。
　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、Ｃｒを０．１～５ｍａｓｓ％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、上記成分組成に加えてさらに、Ｃａを０．００１～０．００５ｍａｓｓ％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、上記成分組成に加えてさらに、Ｓｎ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％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、上記成分組成に加えてさらに、Ｎｉ：０．１～２ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．００１～０．０５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１～０．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％および（Ｔｉ＋Ｖ）：０．００５～０．０５ｍａｓｓ％のうちから選ばれる少なくとも１種の成分を含有することを特徴とする。
　本発明によれば、低鉄損で、引張強度および疲労強度に優れる無方向性電磁鋼板を提供することができる。そして、上記無方向性電磁鋼板を用いることで、高周波鉄損特性に優れた高速回転モータのロータコア材を安定して提供することができる。
平均結晶粒径と疲労強度との関係を示すグラフである。 円相当径が５μｍ以上の介在物個数と疲労強度との関係を示すグラフである。 Ｚｎ含有量と引張強さＴＳの標準偏差σとの関係を示すグラフである。
　本発明を開発する契機となった実験について説明する。
＜実験１＞
　まず、疲労強度に及ぼす結晶粒径の影響を調査するため、Ｃ：０．００１８ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．４ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．６ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００２ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．９ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１３ｍａｓｓ％、Ｚｎ：０．００１２ｍａｓｓ％およびＯ：０．００２０ｍａｓｓ％を含有する鋼を実験室にて溶解し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延して板厚２ｍｍの熱延板とした。ついで、この熱延板に１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で１０００℃×３０ｓの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して板厚０．２５ｍｍの冷延板とし、２０ｖｏｌ％Ｈ２－８０ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で、均熱時間を１０ｓとし、均熱温度を６５０～１０００℃の範囲で種々に変化させて仕上焼鈍を施した。
　次いで、圧延方向を長さ方向として、上記仕上焼鈍板から、幅が５ｍｍ、長さが１５０ｍｍの平行部を有する疲労試験片を採取し、疲労試験に供した。この際、平行部に対して▽▽▽：３．２Ｓ仕上げ（ＪＩＳ　Ｂ０６０１（１９７０）による。以下、同様）を施し、長さ方向に沿って８００番のエメリー紙にて研磨を施した。疲労試験は、引張り－引張り、応力比０．１、周波数２０Ｈｚにて行い、１０７回の繰り返しにおいても破断が生じない応力振幅を疲労限とした。また、試験片の平均結晶粒径は、圧延方向断面を研磨し、ナイタールにてエッチングした後、ＪＩＳ　Ｇ０５５１に準拠して測定した。
　図１に、平均結晶粒径と疲労限との関係を示した。この図から、平均結晶粒径を微細化することにより疲労限が向上し、具体的には、平均結晶粒径を４０μｍ以下とすることで疲労限が４５０ＭＰａ以上となることがわかる。また、平均結晶粒径を４０μｍ以下とすることで、引張強さ６００ＭＰａ以上の強度も確保することができる。この結果から、本発明では、製品板の平均結晶粒径を４０μｍ以下に規定することとした。好ましくは３０μｍ以下である。ここで、上記疲労限４５０ＭＰａは、ＨＥＶ／ＥＶモータのロータ用材料に求められているロータのブリッジ部が繰り返しの使用により破壊しないための下限値である。なお、好ましい疲労限は４７０ＭＰａ以上、引張強さは６５０ＭＰａ以上である。
＜実験２＞
　次に、製造性を調査するため、Ｃ：０．００２０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．４ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００１ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．７ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１６ｍａｓｓ％およびＺｎ：０．００１１ｍａｓｓ％を含有する鋼を実験室にて１０チャージ分を溶解し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延して板厚２ｍｍの熱延板とした。ついで、この熱延板に１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で１０００℃×３０ｓの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して板厚０．２５ｍｍの冷延板とし、２０ｖｏｌ％Ｈ２－８０ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で、８００℃×１０ｓの仕上焼鈍を施した。
　上記１０チャージから得た夫々の仕上焼鈍板について、疲労特性を評価したところ、一部のチャージから得た仕上焼鈍板で疲労限が著しく低いものが認められた。この原因を調査するため、鋼板表面を５０μｍ研磨し、研磨後の表面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したところ、疲労限が低い材料には、粗大な介在物が観察された。この結果から、粗大な介在物が疲労試験時の亀裂の起点として働き、疲労限を低下させたものと考えられた。
　そこで、疲労限に及ぼす介在物の影響を調査するため、研磨後の表面において、０．１ｍｍ２の観察視野内に観察される介在物の大きさ（円相当径）と発生個数を調査した。なお、上記円相当径とは、観察された介在物の面積と同じ面積の円の直径のことをいう。
　図２は、円相当径が５μｍ以上の介在物の個数と疲労限との関係を示したものである。この図から、円相当径が５μｍ以上の介在物が５個／ｍｍ２を超えると、疲労限が急激に低下することがわかる。低強度の電磁鋼板では、疲労限に対する介在物の影響は小さいが、高強度の電磁鋼板では、亀裂感受性が高まるため、疲労限に対する粗大介在物の影響が顕在化したものと考えられる。上記の結果から、本発明においては、円相当径が５μｍ以上の介在物の個数を５個／ｍｍ２以下に制限することとした。好ましくは、３個／ｍｍ２以下である。
　因みに、上記実験２に用いた鋼板について、酸素（Ｏ）含有量を測定したところ、いずれも０．００１０～０．０１００ｍａｓｓ％（１０～１００ｍａｓｓｐｐｍ）の範囲内にあった。酸素量の低減によって介在物量は少なくなると考えられるが、円相当径が５μｍ以上の介在物個数と酸素含有量とは必ずしも相関していなかった。これから、円相当径が５μｍ以上の介在物個数を低減し、疲労強度のばらつきを低減するためには、鋼中の酸素含有量を制限するだけでは不十分であり、精錬段階において円相当径が５μｍを超える介在物量を低減する、後述する制御を行うことが重要であることがわかった。
＜実験３＞
　次いで、Ｚｎが引張強さＴＳのバラツキに及ぼす影響を調査する実験を行った。
　Ｚｎは、蒸気圧が高いため、通常は鋼中に混入しない元素であるが、精錬工程で脱酸後の溶鋼に温度調整等を目的としてスクラップを添加したときに混入することがある。一般の低強度の電磁鋼板では、十分に粒成長させているため、Ｚｎが混入しても強度特性に大きな影響を与えないが、本発明が対象としている高強度電磁鋼板のように結晶粒が微細な材料では、強度がばらつく原因となると考えられる。
　上記実験は、Ｃ：０．００２５ｍａｓｓ％、Ｓｉ：３．６ｍａｓｓ％、Ｍｎ：０．８ｍａｓｓ％、Ｐ：０．０１ｍａｓｓ％、Ｓ：０．００１ｍａｓｓ％、Ａｌ：０．６ｍａｓｓ％、Ｎ：０．００１５ｍａｓｓ％およびＯ：０．００１５ｍａｓｓ％を含有し、Ｚｎの含有量を０．０００３～０．００６０ｍａｓｓ％の範囲で種々に変化させた鋼を実験室にて溶解し、鋳造して鋼塊とした後、熱間圧延して板厚２ｍｍの熱延板とした。ついで、この熱延板に１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で１０００℃×３０ｓの熱延板焼鈍を施した後、酸洗し、冷間圧延して板厚０．２５ｍｍの冷延板とし、２０ｖｏｌ％Ｈ２－８０ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で、８００℃×１０ｓの仕上焼鈍を施し、製品板とした。
　次いで、上記製品板のそれぞれから、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号試験片を２０本採取し、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１に準拠して引張試験を行い、引張強さＴＳを測定し、２０本の引張強さＴＳの標準偏差σを求めた。その結果を図３に示したが、Ｚｎ含有量が０．００３ｍａｓｓ％を超えると、引張強さＴＳのバラツキが大きくなり、標準偏差σが１５ＭＰａ以上となることがわかった。
　この原因は、Ｚｎが鋼中に混入すると、仕上焼鈍における再結晶挙動が不安定となり、結晶粒径が変動するためであると考えられる。そこで、本発明では、不可避的不純物として混入してくるＺｎの含有量を０．００３ｍａｓｓ％以下に制限することとした。
　本発明は、上記した新規な知見に基づき開発したものである。
　次に、本発明の無方向性電磁鋼板の成分組成の限定理由について説明する。
Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下
　Ｃは、炭化物を形成して析出し、鉄損を増大する有害元素であるため、０．００５ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００３ｍａｓｓ％以下である。
Ｓｉ：３～５ｍａｓｓ％
　Ｓｉは、鋼板の固有抵抗を高めて鉄損を低減するのに有効な元素であるので、３ｍａｓｓ％以上含有させる。一方、５ｍａｓｓ％を超えると、飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度も低下するため、上限は５ｍａｓｓ％とする。好ましくは３．５～４．５ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下
　Ｍｎは、鋼板の固有抵抗を高めるのに有効な元素であるが、５ｍａｓｓ％を超えると磁束密度が低下するので、上限を５ｍａｓｓ％とする。好ましくは２ｍａｓｓ％以下である。Ｍｎの下限は、特に規定しないが、熱間加工性および鉄損を改善する観点から、０．１ｍａｓｓ％以上含有させるのが好ましい。
Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下
　Ｐは、鋼の強度を高めて打抜き性を改善するのに有効な元素であるが、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、鋼が脆化し、冷間圧延することが困難となるため０．１ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００２～０．０１ｍａｓｓ％の範囲である。
Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下
　Ｓは、ＭｎとＭｎＳを形成して析出し、鉄損を増大させる有害元素であり、特に、０．０１ｍａｓｓ％を超えると上記弊害が顕著となる。よって、Ｓは０．０１ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００５ｍａｓｓ％以下である。
Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下
　Ａｌは、Ｓｉと同様、固有抵抗を高めて、鉄損を低減するのに有効な元素であるが、３ｍａｓｓ％を超えると、飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度も低下するため、３ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは２ｍａｓｓ％以下である。なお、Ａｌの下限は特に規定しないが、鉄損を改善する観点からは、０．３ｍａｓｓ％以上が好ましく、０．５ｍａｓｓ％以上がより好ましい。
Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下
　Ｎは、窒化物を形成して析出し、鉄損を増大させる有害元素であり、特に０．００５ｍａｓｓ％を超えると、上記弊害が顕著となる。よって、Ｎは０．００５ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００２ｍａｓｓ％以下である。
Ｚｎ：０．０００５～０．００３ｍａｓｓ％
　Ｚｎは、先述したように、再結晶挙動の変動を介して、引張強度のバラツキを増大させる有害元素であり、引張強度のバラツキを低減する観点から、本発明では０．００３ｍａｓｓ％以下に制限する。好ましくは０．００２ｍａｓｓ％以下である。なお、上記の観点ではＺｎ含有量は少ない程が好ましいが、Ｚｎの微量添加は窒化を抑制して鉄損を改善する効果もある。また、過度の低減は、使用する原料やスクラップを厳選する必要がり、コストアップとなるため、Ｚｎの下限は０．０００５ｍａｓｓ％程度とする。
　本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分に加えてさらに、下記の成分を含有することが好ましい。
Ｃｒ：０．１～５ｍａｓｓ％
　Ｃｒは、Ｓｉと同様、固有抵抗を高めて、鉄損を低減するのに有効な元素であるので、０．１ｍａｓｓ％以上含有させることが好ましい。しかし、５ｍａｓｓ％を超える添加は、飽和磁束密度の低下に伴い磁束密度も低下するため、５ｍａｓｓ％以下で添加するのが好ましい。
Ｃａ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％
　Ｃａは、ＣａＳを形成してＳを固定し、鉄損低減に寄与する元素であるため、０．００１ｍａｓｓ％以上含有させるのが好ましい。しかし、０．００５ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、製造コストの上昇を招くだけであるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とする。
Ｓｎ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％、Ｓｂ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％
　ＳｎおよびＳｂは、集合組織を改善して磁束密度を向上するのに有効な元素であるため、それぞれ０．００１ｍａｓｓ％以上含有させることが好ましい。一方、０．１ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、製造コストの上昇を招くだけであるため、上限は０．１ｍａｓｓ％とする。
Ｎｉ：０．１～２ｍａｓｓ％
　Ｎｉは、磁束密度を向上させるために効果的な元素である。上記効果を得るためには、０．１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、２ｍａｓｓ％を超える添加は、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけとなるため、上限は２ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｍｏ：０．００１～０．０５ｍａｓｓ％
　Ｍｏは、微細炭化物となって析出し、鋼の強度を高める元素である。上記効果を得るためには、０．００１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、添加量が０．０５ｍａｓｓ％を超えると、鉄損が著しく増加するようになるため、上限は０．０５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｃｕ：０．０１～０．２ｍａｓｓ％
　Ｃｕは、集合組織を改善し、磁束密度を向上する元素である。この効果を得るためには０．０１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、０．２ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけであるため、上限は０．２ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
Ｍｇ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％
　Ｍｇは、介在物を粗大化し、鉄損低減に寄与する元素である。上記効果を得るためには、０．００１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、添加量が０．００５ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけとなるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
ＲＥＭ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％
　ＲＥＭは、硫化物系介在物を粗大化し、鉄損低減に寄与する元素である。上記効果を得るためには、０．００１ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、添加量が０．００５ｍａｓｓ％を超えると、上記効果が飽和し、原料コストの上昇を招くだけとなるため、上限は０．００５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
（Ｔｉ＋Ｖ）：０．００５～０．０５ｍａｓｓ％
　ＴｉおよびＶは、微細炭窒化物を形成して析出し、鋼の強度を高める元素である。この効果を得るためには、ＴｉまたはＶを単独で、あるいは、ＴｉおよびＶを合計で０．００５ｍａｓｓ％以上添加するのが好ましい。一方、ＴｉまたはＶ単独の、あるいは、ＴｉおよびＶ合計の添加量が０．０５ｍａｓｓ％を超えると、鉄損が著しく増加するようになるため、単独または合計の上限は０．０５ｍａｓｓ％とするのが好ましい。
　本発明の無方向性電磁鋼板は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。なお、Ｏは、酸化物系介在物を形成し、鉄損を増大させる有害元素であるため、極力低減し、０．００５ｍａｓｓ％以下に制限するのがより好ましい。
　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の製造方法は、本発明で規定する上記成分組成の範囲内であれば、それ以外の製造条件については常法に従って行えばよい。すなわち、転炉で吹練した溶鋼を真空脱ガス処理等で二次精錬し、上記した所定の成分組成に調整した後、連続鋳造法または造塊－分塊圧延法で鋼素材（スラブ）とし、熱間圧延し、必要に応じて熱延板焼鈍し、冷間圧延して最終板厚の冷延板とし、仕上焼鈍を行なう方法で製造することができる。
　ここで、鋼板中の円相当径が５μｍ以上の介在物の個数を５個／ｍｍ２以下に低減するためには、二次精錬の真空脱ガス処理における脱酸剤添加後の環流時間を１０ｍｉｎ以上確保するのが好ましい。また、スクラップや合金鉄から混入したＺｎを蒸発させて除去するため、スクラップや合金鉄投入後の還流時間は５ｍｉｎ以上確保するのが好ましい。なお、上記真空脱ガス処理に用いる設備は、ＲＨ法、ＤＨ法のいずれでも構わない。
　また、熱間圧延における仕上圧延終了温度ＦＤＴや巻取温度ＣＴは、常法に従えばよく、特に限定しない。熱間圧延後の熱延板焼鈍は行っても良いが必須ではない。また、冷間圧延は、１回または中間焼鈍を挟む２回以上で行えばよく、特に制限はない。冷間圧延に続く仕上焼鈍は、結晶粒を微細化するため、均熱温度を８５０℃以下として行うのが好ましく、均熱時間は５～１２０ｓとして行うのが好ましい。
　上記仕上焼鈍後の鋼板は、必要に応じて絶縁被膜を塗布して製品板とする。ここで、上記絶縁被膜は、無機、有機および無機・有機混合被膜の中から目的に応じて適宜選択するのが好ましい。
　転炉で吹練した溶鋼を真空脱ガス処理し、表１に示したＮｏ．１～６２の成分組成を有する鋼を溶製し、連続鋳造して鋼素材（スラブ）とした。この際、真空脱ガス処理の脱酸後の還流時間を表２に示したように変化させた。次いで、上記スラブを１１４０℃の温度に再加熱し、１ｈｒ保持した後、仕上圧延終了温度を８００℃とする熱間圧延して熱延板とした後、６１０℃の温度でコイルに巻き取った。次いで、上記熱延板は、１００ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で９５０℃×３０ｓの条件で熱延板焼鈍を施し、酸洗した後、冷間圧延して、板厚０．２５ｍｍの冷延板とした後、２０ｖｏｌ％Ｈ２－８０ｖｏｌ％Ｎ２雰囲気下で、表２に示す条件で仕上焼鈍を施し、製品板とした。
　斯くして得た製品板から、圧延方向および圧延直角方向よりエプスタイン試験片を採取し、エプスタイン法で磁束密度Ｂ５０および高周波鉄損Ｗ５／３ｋを測定した。
　また、上記製品板から、組織観察用サンプルを採取し、圧延方向断面を研磨し、ナイタールにてエッチングした後、ＪＩＳ　Ｇ０５５１に準拠して測定して平均結晶粒径を測定するとともに、鋼板表面を５０μｍ研磨し、ＳＥＭで０．１ｍｍ２の範囲を１０視野観察し、円相当径が５μｍ以上の介在物の１ｍｍ２当たりの個数を求めた。
　また、上記製品板から、圧延方向を引張方向とするＪＩＳ５号試験片を２０本採取し、ＪＩＳ　Ｚ　２２４１に準拠して引張試験を行い、引張強さＴＳを測定し、２０本の引張試験の平均値および標準偏差σを求めた。
　さらに、上記製品板から、圧延方向を長さ方向とする平行部の幅が５ｍｍ、長さが１５０ｍｍの疲労試験片を採取し、引張り－引張り、応力比０．１、周波数２０Ｈｚにて疲労試験を行い、１０７回の繰り返しにおいても破断が生じない応力振幅（疲労限）を測定した。なお、上記疲労試験片は、平行部を▽▽▽仕上げとし、さらに長手方向に８００番のエメリー紙にて研磨した。
　上記測定の結果を表２に併記した。この結果から、本発明に適合する成分組成を有する鋼素材を用いて製造した無方向性電磁鋼板は、磁気特性に優れるだけでなく、引張強度と疲労強度にも優れていることがわかる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　本発明の技術は、ＨＥＶ／ＥＶモータや高効率エアコンモータだけでなく、工作機械の主軸モータ、鉄道モータ等の高速モータのロータ用材料等にも適用することができる。

Claims (5)

  1. Ｃ：０．００５ｍａｓｓ％以下、Ｓｉ：３～５ｍａｓｓ％、Ｍｎ：５ｍａｓｓ％以下、Ｐ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．０１ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：３ｍａｓｓ％以下、Ｎ：０．００５ｍａｓｓ％以下およびＺｎ：０．０００５～０．００３ｍａｓｓ％を含有し、残部がＦｅおよび不可避不純物からなる成分組成を有し、
    平均結晶粒径が４０μｍ以下、
    直径５μｍ以上の介在物が５個／ｍｍ２以下で、
    引張強さが６００ＭＰａ以上かつ疲労強度が４５０ＭＰａ以上である無方向性電磁鋼板。
  2. 上記成分組成に加えてさらに、Ｃｒを０．１～５ｍａｓｓ％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。
  3. 上記成分組成に加えてさらに、Ｃａを０．００１～０．００５ｍａｓｓ％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。
  4. 上記成分組成に加えてさらに、Ｓｎ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％およびＳｂ：０．００１～０．１ｍａｓｓ％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請求項１～３のいずれか１項に記載の無方向性電磁鋼板。
  5. 上記成分組成に加えてさらに、Ｎｉ：０．１～２ｍａｓｓ％、Ｍｏ：０．００１～０．０５ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．０１～０．２ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％、ＲＥＭ：０．００１～０．００５ｍａｓｓ％および（Ｔｉ＋Ｖ）：０．００５～０．０５ｍａｓｓ％のうちから選ばれる少なくとも１種の成分を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。
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